[논문]웨이브글라이더를 이용한 천해저 탄성파 굴절법 탐사 사례

김영준; 정순홍; 구남형; 천종화; 김정기; 황규덕; 이호영; 허신; 문기돈; 정철훈; 홍성두

doi:10.7582/gge.2017.20.1.043

초록
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전세계적으로 장기 해양 관측에 많이 활용되고 있는 웨이브글라이더를 이용하여 천해저 굴절법 탐사의 적용가능성을 시험하였다. 굴절파 기록을 위해 웨이브글라이더에 무게 추가 달린 단일채널 스트리머와 탄성파를 기록하는 상용 소프트웨어를 탑재하였다. GPS 정밀 시간동기 신호와 RF(radio frequency) 통신을 이용하여 트리거 동기화 및 실시간 자료품질 관리를 수행하였다. 웨이브글라이더가 설정 지점에 위치하게 되면, 설계된 측선을 따라 2,000 J 용량의 스파커를 2초 간격으로 발파하면서 탐사하였다. 첫 시험탐사를 통해 성공적으로 해저 천부지층 탄성파 굴절파를 취득할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The applicability of refraction survey has been tested using a wave glider widely used in long-term ocean observations around the world. To record seismic refractions, a single channel streamer with metal weight and a seismic recording system were mounted on the wave glider. We used GPS precise time...

The applicability of refraction survey has been tested using a wave glider widely used in long-term ocean observations around the world. To record seismic refractions, a single channel streamer with metal weight and a seismic recording system were mounted on the wave glider. We used GPS precise time synchronization signal and radio frequency (RF) communication to synchronize shot and recorder triggers and to control acquired data quality in real time. When the wave glider is positioned close to the set point, a 2,000 J sparker is exploded along the designed track at 2 second intervals. Through the test survey, we were able to successfully acquire refractions from the subsurface.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구에서는 소노부이를 활용한 탄성파 굴절법 탐사 방법을 대체하기 위하여 해양 장기 관측에 많이 활용되고 있는 자율무인잠수정의 종류인 웨이브글라이더를 응용하여 탄성파 굴절법 탐사를 수행하였다. 수진기로는 무게 추가 달린 단일채널 스트리머를 웨이브글라이더 후미에 장착하여 미리 설정한 지점에 위치시키고 탐사선을 이동시키며 탄성파 음원을 발파시켰다.
웨이브글라이더는 원격으로 다른 지점으로 이동시킬 수 있는 장점을 가지고 있기 때문에 측선마다 진수 및 회수할 필요가 없다. 이번 연구에서는 웨이브글라이더를 활용하여 해양 굴절파 탐사의 가능성을 알아보기 위하여 한국해양대학교 부근의 천해지역에서 탐사를 수행하였다.

제안 방법

RF (radio frequency) 통신의 활용으로 탐사선에서 웨이브글라이더에 설치된 기록 시스템에 원격 접속할 수 있도록 하여 자료 취득 소프트웨어의 운용을 통해 자료 취득 변수, 탐사 자료 기록 시작과 종료를 직접 설정할 수 있도록 하였다. 또한, 이를 통해 탐사자료의 품질 관리를 실시간으로 모니터 할 수 있다.
음원시스템과 웨이브글라이더의 자료기록시스템의 발파시 간을 동기화하기 위해 Fig. 2와 같이 GPS의 정밀 시간동기 (PPS; Pulse Per Second) 신호를 이용하였다. 이를 통해, OBS 및 소노부이 탐사 자료처럼 탄성파 자료가 연속적으로 기록되는 것이 아니라, 트리거 동기화(trigger synchronization)를 통해 탄성파 반사법 탐사와 같이 발파당 1개의 트레이스가 기록될 수 있다.
Liquid Robotics사에서는 2011년 4월에 샌프란시스코에서 2대의 웨이브글라이더를 진수하고 하와이에서 회수한 뒤, 다시 오스트레일리아로 재진수시켜 2012년 12월에 한 대의 웨이브 글라이더(파파 마우(Papa Mau)호)를 회수하였으며, 2013년 2월 나머지 웨이브글라이더(벤자민(Benjamin)호)를 회수한 태평양 횡단 사례가 있다. 이 기간 동안 해수표층의 염분을 측정하여 인공위성 자료와 비교한 연구를 수행하였다(Villareal and Wilson, 2014). 이 연구에서 활용된 웨이브글라이더는 일반적인 의미의 수중 글라이더와는 달리 해수면에 항상 떠있는 수상무인시스템(unmanned surface vehicle)의 한 종류이다.
수진기로는 무게 추가 달린 단일채널 스트리머를 웨이브글라이더 후미에 장착하여 미리 설정한 지점에 위치시키고 탐사선을 이동시키며 탄성파 음원을 발파시켰다. 이를 위해 GPS 시간을 이용하여 트리거를 동기화하였으며, 웨이브글라이더에 탑재된 기록시스템에 원격으로 접속하여 탐사선에서 탐사 자료의 품질 관리를 실시간으로 수행하였다. 부산 한국해양대학교 부근의 천해역에서 스파커 탄성파 음원을 사용하여 시험탐사를 수행하였으며, 기록된 탄성파 자료에서 천부퇴적층으로부터 굴절된 신호를 확인하였다.
탐사 방법은 기존의 소노부이를 이용한 탄성파 굴절법 탐사와 동일하게 이루어졌다. 측선 중앙부에 웨이브글라이더를 진수시킨 후, 웨이브글라이더가 미리 설정한 지점에 위치하게 되면 탐사선에서 스파커를 예인하며 탐사를 수행하였다. Fig.
탐사 방법은 기존의 소노부이를 이용한 탄성파 굴절법 탐사와 동일하게 이루어졌다. 측선 중앙부에 웨이브글라이더를 진수시킨 후, 웨이브글라이더가 미리 설정한 지점에 위치하게 되면 탐사선에서 스파커를 예인하며 탐사를 수행하였다.
3(b)는 탐사선과 웨이브글라이더의 항적도를 나타낸 것으로 노란색 선은 탐사선의 항적이며, 빨간색 선은 웨이브글라이더의 항적이다. 탐사선의 항적을 발파 번호 100 간격으로 구분하였다. Fig.

대상 데이터

천부 퇴적층과 기반 구조를 영상화하기 위한 탄성파 굴절 자료를 취득하기 위해서는 음원의 에너지가 큰 에어건 형태의 음원이 선호되지만, 컴프레셔와 대형 발전기 등이 요구되기 때문에 한정적인 공간의 소형 탐사선에서는 적합하지 않다. 따라서 이 연구 사례에서는 탄성파 음원을 스파커로 선택하였으며, 활용된 스파커는 SIG사 제품으로서 2,000 J의 에너지로 음파를 발생하였다. 굴절법 탐사에서는 다중채널 탄성파 탐사에 비해 상대적으로 짧은 측선을 따라 짧은 발파 간격으로 많은 수의 발파를 하여야 한다(Jou et al.
이를 위해 GPS 시간을 이용하여 트리거를 동기화하였으며, 웨이브글라이더에 탑재된 기록시스템에 원격으로 접속하여 탐사선에서 탐사 자료의 품질 관리를 실시간으로 수행하였다. 부산 한국해양대학교 부근의 천해역에서 스파커 탄성파 음원을 사용하여 시험탐사를 수행하였으며, 기록된 탄성파 자료에서 천부퇴적층으로부터 굴절된 신호를 확인하였다. 이 시험 탐사를 통해 엔지니어링 탐사에서도 손쉽게 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
탐사 중에 수중에서 스트리머가 수중으로 수직적으로 위치시키기 위해 스트리머 말단에 무게 추를 설치하였다. 자료기록은 천해저 탄성파 탐사에 많이 활용되고 있는 상용화 소프트웨어 SonarWiz 5를 컴퓨터에 설치하여 웨이브글라이더에 탑재하였다.
1(b)와 같이 웨이브글라이더 후미에 단일 채널 스트리머를 장착하였으며, 본체에 자료기록시스템을 탑재하였다. 활용된 단일 채널 스트리머는 Falmouth Scientific사의 제품으로서 24개의 입자 소자(element)로 구성되어 있으며, 총 길이는 7 m이다. 탐사 중에 수중에서 스트리머가 수중으로 수직적으로 위치시키기 위해 스트리머 말단에 무게 추를 설치하였다.

이론/모형

이 연구사례에서는 소노부이 시스템을 이용한 해저 굴절법 탐사 방법의 단점들을 대체하여 천해 지역에서 비교적 경제적 이며 손쉽게 해저 굴절법 탐사를 수행할 수 있도록 한국지질 자원연구원과 오션테크㈜에서는 해양 무인 관측시스템들 중 하나인 웨이브글라이더(wave glider)를 활용하였다. 최근 수중 글라이더(underwater glider)는 추진 시스템 없이 부력만으로 조절하여 이동하기 때문에 소요 전력이 작아 범세계적으로 다양한 해양 관측 자료를 장기적으로 수집할 수 있는 장점을 가지고 있기 때문에 전 세계적으로 각광받고 있으며(Nam et al.

성능/효과

시험 탐사의 전산 처리에서는 웨이브 글라이더의 이동에 대한 위치 보정이 수행되지 않았다. 배와 글라이더의 상대 거리를 고려하면 단면에서 정점 좌측에 나타나는 굴절파는 경사가 급하고 실제 속도보다 낮게 측정되는 반면 정점 우측에 나타나는 굴절파는 경사가 완만하여 실제 속도보다 높게 측정되었다. 굴절파의 기울기로부터 도출된 대략적인 기반암 속도는 약 4,074 m/s로 추정되며 위치 보정을 비롯한 자료 처리를 통하여 정확한 천부층 탄성파 속도가 도출 될 것이다.

후속연구

부산 한국해양대학교 부근의 천해역에서 스파커 탄성파 음원을 사용하여 시험탐사를 수행하였으며, 기록된 탄성파 자료에서 천부퇴적층으로부터 굴절된 신호를 확인하였다. 이 시험 탐사를 통해 엔지니어링 탐사에서도 손쉽게 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
추가적으로 전산 처리 과정에 웨이브글라이더는 위치를 유지하기 위해 지속적으로 움직이기 때문에 음원과 수진기간의 거리 변화 보정 과정과 하부 글라이더의 핀에서 발생되는 잡음에 대한 분석이 필요할 것으로 사료된다. 향후, 위치 보정 및 장비 내부의 잡음이 성공적으로 제거되면, 웨이브글라이더는 해양 굴절법 탐사에 저비용으로 효율적으로 활용될 수 있을 것이다.
추가적으로 전산 처리 과정에 웨이브글라이더는 위치를 유지하기 위해 지속적으로 움직이기 때문에 음원과 수진기간의 거리 변화 보정 과정과 하부 글라이더의 핀에서 발생되는 잡음에 대한 분석이 필요할 것으로 사료된다. 향후, 위치 보정 및 장비 내부의 잡음이 성공적으로 제거되면, 웨이브글라이더는 해양 굴절법 탐사에 저비용으로 효율적으로 활용될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수중 글라이더의 장점은 무엇인가?	이 연구사례에서는 소노부이 시스템을 이용한 해저 굴절법 탐사 방법의 단점들을 대체하여 천해 지역에서 비교적 경제적 이며 손쉽게 해저 굴절법 탐사를 수행할 수 있도록 한국지질 자원연구원과 오션테크㈜에서는 해양 무인 관측시스템들 중 하나인 웨이브글라이더(wave glider)를 활용하였다. 최근 수중 글라이더(underwater glider)는 추진 시스템 없이 부력만으로 조절하여 이동하기 때문에 소요 전력이 작아 범세계적으로 다양한 해양 관측 자료를 장기적으로 수집할 수 있는 장점을 가지고 있기 때문에 전세계적으로 각광받고 있으며(Nam et al., 2014; Austin, 2013), 국내에서도 Park et al.
	탄성파 굴절법 탐사의 특징은 무엇인가?	탄성파 굴절법 탐사는 지하에서 굴절되어 가장 빨리 돌아오는 신호의 시간을 이용하여 지층의 물리적 특성인 탄성파 전파 속도를 파악할 수 있기 때문에 댐, 도로, 해상 대교 등 대규모 구조물 설치를 위한 기반 조사에 많이 활용되고 있다(Jou et al., 2009; Lee et al.
	웨이브글라이더에 탑재된 센서는 어떤 것들이 있는가?	웨이브글라이더는 추진시스템 없이 오직 부력만을 조정하여 심층과 표층을 오가면서 움직이기 때문에 요구 전력이 작아 수개월에서 수년 동안 대양에 대해 자동 관측이 가능하다. CTD 센서, 해류 측정 센서, 생물 및 화학 센서 등을 글라이더에 탑재하여 연구목적에 따라 다양한 해양 자료를 장기적으로 취득할 수 있다. 그리고 표층에 도달하게 되면 인공위성에 관측 자료를 전송하면서 GPS로부터 위치 정보를 얻는다(Park, 2013).

참고문헌 (9)

Austin, J., 2013, The potential for Autonomous Underwater Glider in large lake research, J. Great Lakes Research, 39, 8-13.

상세보기
Houtz, R., Ewing, J., and Pichon, X. L., 1968, Velocity of deepsea sediments from sonobuoy data, Journal of Geophysical Research, 73, 2615-2641.

상세보기
Jou, H., Kim, H., Park, G., Lee, G., Jang, N., and Jung, B.,2009, Manufacture of a sea surface recording device for the shallow seismic refraction survey, Jigu-Mulit-wa-Muli-Tamsa,12, 367-369.
Lee, H., Kim, C., Kim, W., and Jo, C., 1992, Shallow marine seismic refraction data acquisition and interpretation using digital technique, The J. of the Oceanological Society of Korea, 27, 19-34.
Liquid Robotics, 2017, https://www.liquid-robotics.com/platform/how-it-works/ (February 20, 2017 Accessed)
Nam, S., Kim, Y., Park, J. J., and Chang, K., 2014, Status and prospect of unmanned global ocean observations network, J. Korean Soc. Oceanography, 19, 202-214.
Park, J. J., 2013, Underwater Glider: Its applicability in the East/Japan Sea, Ocean and Polar Research, 35, 107-121.

원문보기 상세보기
Park, Y., Lee, S., Lee, Y., Jung, S. K., Jang, N., and Lee, H., 2012, Report of East Sea crossing by underwater glider, The Sea, 17, 130-137.

원문보기 상세보기
Villareal, T. A. and Wilson, C., 2014, A comparison of the Pac-X Trans-Pacific wave glider data and satellite data (MODIS, Aquarius, TRMM and VIIRS), www.plosone.org, 9, 1-18.

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