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문제 정의
- 이 다중경로는 해저면 하부에 존재하는 퇴적층에 의한 반사 신호로 판단이 되며, 사용한 음파전달모델에서는 수층에서의 음파전달만 모의 가능하기 때문에 모의 결과에서는 하부퇴적층 반사 신호를 확인할 수 없었다. 본 논문에서는 수신 신호로부터 관찰된 하부 퇴적층에 의한 반사 신호와 표층 해저면 반사 신호의 도달 시간 차이를 이용하여 하부 퇴적층의 두께를 추정하는 것을 목적으로 한다.
- 본 논문에서는 수평입사각에 따른 중주파수 대역(4 ~ 8 kHz) 해저면 반사 신호 측정 실험에서 수신한 표층 해저면 반사 신호와 하부퇴적층 반사 신호의 도달 시간차이를 이용하여 하부 퇴적층의 두께를 역으로 추정하고자 하였다. 또한 추정된 하부퇴적층 두께를 한국해양과학기술원에서 제공받은 실험 해역의 천부지층탐사기(sub-bottom profiler, CAP-6600, benthos) 탐사 결과와 비교하여 그 가능성을 확인하였다.
제안 방법
- [6] 본 논문에서는 각각의 실험세트별로 하부 퇴적층의 두께와 음속을 변화시켜가면서 두 다중경로의 도달 시간 차이 ΔTcal를 모의하였고, 실험적으로 측정한 도달시간 차이 ΔTexp와 비교하여 퇴적층 두께를 역산하였다.
- )는 각 조사선에 설치된 DGPS(Differential Global Positioning System, GPS850, ASCEN) 자료를 이용하여 계산하였다. 그리고 DGPS 의 오차 범위인 2.5 m로 인해 발생할 수 있는 수평 입사각의 오차를 줄이기 위해, 각 실험 세트마다 수신된 실측 신호의 다중경로별 도달시간과 음선 이론이 기반인 음파전달모델로 모의한 신호의 도달시간을 비교하여 수평거리 Rtotal 및 총 수심 오차를 보정하는 과정을 수행하였다. Fig.
- 본 실험과 같이 낮은 입사각으로 해저 경계면에 입사된 신호가 퇴적층 내로 투과되기 위해서는 퇴적층의 음속이 수층에 비해 낮아야 한다. 따라서 도달 시간 차이를 모의하기 위해 설정된 환경 변수는 수층의 음속보다 낮으면서 두께 추정 결과의 전체적인 변화 양상을 파악하기 위해 약 1450~1505 m/s의 표층 퇴적층 음속범위를 설정하였으며, 표층 퇴적층 반사신호와 하부 퇴적층 반사 신호의 도달 시간 차이를 고려하여 하부 퇴적층 두께 추정 범위를 0~10 m로 적용하였다. 또한 총 이동거리 200m 이내의 짧은 전파거리이기 때문에 음파의 굴절 효과를 무시하였다.
- 또한 각 수신기와 음원의 상단에 심도기록계(DR-1050, RBR)를 설치하여 실험하는 동안의 송·수신기의 수심 변화를 측정하였다.
- 따라서 도달 시간 차이를 모의하기 위해 설정된 환경 변수는 수층의 음속보다 낮으면서 두께 추정 결과의 전체적인 변화 양상을 파악하기 위해 약 1450~1505 m/s의 표층 퇴적층 음속범위를 설정하였으며, 표층 퇴적층 반사신호와 하부 퇴적층 반사 신호의 도달 시간 차이를 고려하여 하부 퇴적층 두께 추정 범위를 0~10 m로 적용하였다. 또한 총 이동거리 200m 이내의 짧은 전파거리이기 때문에 음파의 굴절 효과를 무시하였다.
- 본 논문에서는 수평입사각에 따른 중주파수 대역(4 ~ 8 kHz) 해저면 반사 신호 측정 실험에서 수신한 표층 해저면 반사 신호와 하부퇴적층 반사 신호의 도달 시간차이를 이용하여 하부 퇴적층의 두께를 역으로 추정하고자 하였다. 또한 추정된 하부퇴적층 두께를 한국해양과학기술원에서 제공받은 실험 해역의 천부지층탐사기(sub-bottom profiler, CAP-6600, benthos) 탐사 결과와 비교하여 그 가능성을 확인하였다.
- 본 논문에서 음향신호를 이용하여 추정된 하부 퇴적층의 두께 결과는 한국 해양과학기술원에서 제공받은 실험해역의 천부지층탐사 자료와 비교하였다. 2개의 정선에 대한 천부지층탐사 자료는 각각 8km의 수평거리에 대한 측정 결과이다(Fig.
- 본 논문에서는 해저면 반사 신호 측정 실험에서 나타난 표층 해저면 반사 신호와 하부 퇴적층 반사 신호의 도달 시간차이를 이용하여 하부 퇴적층의 두께를 역으로 추정하였다. 수평 입사각에 따른 해저면 반사 신호 측정 실험은 경남 거제시 장승포항 주변 해역에서 수행하였으며, 측정된 수신 신호에서 나타난 표층 해저면 반사 신호와 하부 퇴적층 반사 신호의 도달 시간 차이 ΔTexp를 계산하였다.
- 송· 수신기의 수평거리(Rtoral)는 각 조사선에 설치된 DGPS(Differential Global Positioning System, GPS850, ASCEN) 자료를 이용하여 계산하였다.
- 송·수신기 간의 거리는 각각 120, 150m로 고정하였으며, 두 조사선을 밧줄로 연결하여 거리 정확도를 향상시켰다.
- 송신 신호는 주파수 4, 6, 8 kHz, 펄스길이 1 ms의 정현파 신호를 30핑 반복 송· 수신하였으며, 수신 신호의 샘플링 주파수는 500 kHz이었다.
- 수평 입사각에 따른 해저면 반사 신호 측정 실험은 경남 거제시 장승포항 주변 해역에서 수행하였으며, 측정된 수신 신호에서 나타난 표층 해저면 반사 신호와 하부 퇴적층 반사 신호의 도달 시간 차이 ΔTexp를 계산하였다.
- 이는 각각의 실험세트 별로 하부 퇴적층 두께와 퇴적층 음속의 함수로 모의한 표층 해저면과 하부 퇴적층 반사 신호의 도달시간 차이 ΔTcal와 비교하였으며, 해당되는 반사 경로 모의 환경을 확인함으로써 하부 퇴적층의 두께를 추정할 수 있었다.
- 이와 같이 실측 신호와 모의된 신호의 각 다중 경로별 도달 시간을 비교함으로써 총 수심과 송·수신기간의 수평거리 정확도를 향상시켰다.
- 표층 해저면과 하부 퇴적층 반사경로의 도달시간 차이를 모의하기 위해서, 우선 각 다중경로의 총 이동거리를 RBpath, RSBpath로 정의하였으며 Eqs. (1)과 (2)와 같다.
대상 데이터
- 여기서 c1은 수층에서 측정된 수직 음속 구조의 평균 음속이며, c2는 퇴적층 음속이다. 본 논문에서는 퇴적층의 음속구조(c2)는 한국지질자원연구원[7]에서 제공받은 평균입도자료를 이용하여 계산되었다.
- 실험 해역의 수심은 약 58m이며, 송신기와 수신기를 2대의 조사선에서 각각 분리하여 설치하였다. 수신 조사선에 총 2개의 수신기(Ch.1: TC-4014, Ch.2: TC-4032, Reson)를 약 35, 45m 수심에 수직 배열하였으며, 송신 조사선의 음원(D/11, Neptune)은 수심 약 45m에 위치하였다. 또한 각 수신기와 음원의 상단에 심도기록계(DR-1050, RBR)를 설치하여 실험하는 동안의 송·수신기의 수심 변화를 측정하였다.
- 수평입사각에 따른 해저면 반사 신호 측정 실험은 2015년 10월, 경남 거제시 장승포항 7km 남동쪽 해역(34° 48.906‘ N, 128° 47.34’ E)에서 수행되었다(Fig. 1).
- 실험 세트 1, 2, 3의 주파수 4, 6, 8kHz에서 각각 표층 해저면 반사 신호와 해수면 반사 신호의 사이에 하부 퇴적층 반사 신호가 수신되었다(Fig. 6). 같은 실험 세트 내에서 하부 퇴적층 반사 신호는 주파수에 따라 수신 준위의 차이를 보였지만, 표층 해저면 반사 신호와의 도달 시간 차이는 매우 유사한 경향을 보였다.
- 1). 실험 해역의 수심은 약 58m이며, 송신기와 수신기를 2대의 조사선에서 각각 분리하여 설치하였다. 수신 조사선에 총 2개의 수신기(Ch.
- 송신 신호는 주파수 4, 6, 8 kHz, 펄스길이 1 ms의 정현파 신호를 30핑 반복 송· 수신하였으며, 수신 신호의 샘플링 주파수는 500 kHz이었다. 실험 해역의 해저면 구성성분은 한국지질자원 연구원에서 제공받은 표층 퇴적물의 평균 입도 정보[7]를 사용하였으며, 실험 해역의 표층 퇴적물 평균 입도 범위는 8 ~ 10 ϕ이다.
- 실험 해역의 해저면 구성성분은 한국지질자원연구원에서 제공받은 표층 퇴적물의 평균 입도 정보[7]와 남해 인근 해역의 표층 퇴적물 음속 정보[8]를 사용하였다. 실험 해역의 표층 퇴적물 평균입도는 8~10ϕ, 음속 범위는 약 1500~1550 m/s를 나타냈으며 연안으로 갈수록 음속이 낮아지는 것을 확인했다.
- 이는 각각의 실험세트 별로 하부 퇴적층 두께와 퇴적층 음속의 함수로 모의한 표층 해저면과 하부 퇴적층 반사 신호의 도달시간 차이 ΔTcal와 비교하였으며, 해당되는 반사 경로 모의 환경을 확인함으로써 하부 퇴적층의 두께를 추정할 수 있었다. 실험해역의 퇴적물 특성은 한국지질자원연구원에서 제공받은 추정 평균 입도 범위인 8~10ϕ에 해당되는 퇴적층 음속(1480~1505 m/s)을 이용하였으며, 이를 이용하여 추정한 하부 퇴적층의 두께는 약 4~7m로 도출되었다. 또한 추정한 하부퇴적층 두께 역산 결과는 한국 해양과학기술원에서 제공받은 거제 인근 해역의 천부지층탐사 자료와 비교하였으며, 본 논문의 역산 결과가 타당한 것으로 판단할 수 있었다.
- 8). 정선 1 (Line 1)은 북에서 남쪽방향, 정선 2(Line 2)는 서에서 동쪽으로 이동하며 측정되었으며, 해저면 반사 신호를 측정한 실험 정점과 정선 1은 최단거리로 약 200m, 정선 2와는 약 1.1km 떨어져있었다. Fig.
- 하부 퇴적층 두께 역산을 위한 실험으로는 송· 수신기 거리 120m, 송신기 수심 45m, 수신기 수심 45m에서 수행한 실험을 실험 세트 1, 송· 수신기 거리 150m, 송신기 수심 45m, 수신기 수심 35 m에서 수행한 실험을 실험 세트 2, 송· 수신기 거리 150m, 송신기 수심 45m, 수신기 수심 45m에서 수행한 실험을 실험 세트 3이라 정의하고, 이후 설명에서 실험 세트 1, 실험 세트 2, 실험 세트 3으로 구분한다.
성능/효과
- 이와 같이 실측 신호와 모의된 신호의 각 다중 경로별 도달 시간을 비교함으로써 총 수심과 송·수신기간의 수평거리 정확도를 향상시켰다. 또한 모의된 신호와 달리 측정 신호에서는 해저면 반사 신호와 해수면 반사 신호의 사이에 추가적인 다중경로가 존재하는 것을 확인할 수 있다. 이 다중경로는 해저면 하부에 존재하는 퇴적층에 의한 반사 신호로 판단이 되며, 사용한 음파전달모델에서는 수층에서의 음파전달만 모의 가능하기 때문에 모의 결과에서는 하부퇴적층 반사 신호를 확인할 수 없었다.
- 실험해역의 퇴적물 특성은 한국지질자원연구원에서 제공받은 추정 평균 입도 범위인 8~10ϕ에 해당되는 퇴적층 음속(1480~1505 m/s)을 이용하였으며, 이를 이용하여 추정한 하부 퇴적층의 두께는 약 4~7m로 도출되었다. 또한 추정한 하부퇴적층 두께 역산 결과는 한국 해양과학기술원에서 제공받은 거제 인근 해역의 천부지층탐사 자료와 비교하였으며, 본 논문의 역산 결과가 타당한 것으로 판단할 수 있었다.
- 실험 해역의 표층 퇴적물 평균입도는 8~10ϕ, 음속 범위는 약 1500~1550 m/s를 나타냈으며 연안으로 갈수록 음속이 낮아지는 것을 확인했다.
- 7은 앞에서 계산한 방법으로 각 실험 세트별 ΔTexp를 사용하여 퇴적층 두께를 추정한 전체 결과이다. 퇴적층 두께를 추정한 결과는 각 실험 세트 별로 다소 차이는 있지만 약 5m를 중심으로 4 ~ 7m의 범위에 분포하였다(Table 1).
- 1km 떨어져 있기 때문에 실험 해역을 정확히 대표할 수 없다는 제한점이 있다. 하지만 천부지층 탐사 결과(약 10m 이하의 표층 퇴적층 구조)를 토대로 보았을 때, 본 연구에서 추정한 하부 퇴적층의 두께 역산 결과(약 4~7m)는 타당한 것으로 판단할 수 있다.
후속연구
- 9). 보유하고 있는 천부지층탐사 결과가 그림 자료의 형태이기 때문에 정밀하게 퇴적층 수심을 파악할 수 없으며, 또한 실험 해역이 정선 1과는 약 200m, 정선 2와는 약 1.1km 떨어져 있기 때문에 실험 해역을 정확히 대표할 수 없다는 제한점이 있다. 하지만 천부지층 탐사 결과(약 10m 이하의 표층 퇴적층 구조)를 토대로 보았을 때, 본 연구에서 추정한 하부 퇴적층의 두께 역산 결과(약 4~7m)는 타당한 것으로 판단할 수 있다.
- 본 논문에서는 해저면 하부퇴적층으로부터 반사되어 수신된 신호의 도달시간을 이용하여 하부퇴적층 두께만을 역산하였지만, 추후에는 다층구조 반사 손실 모델을 이용하여 하부퇴적층 두께 외에도 퇴적층 음속, 밀도, 감쇄계수와 같은 지음향 인자를 역산하기 위한 연구를 수행할 계획이다.
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