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문제 정의
- 2. Photographs of the chirp data acquisition and processing system developed in this study. (a) An FPGA (Field-Programmable Gate Array) board connected to two receiver modules and a transmitter module.
- 본 연구에서는 이 점에 주목하여 FPGA (Field-Programmable Gate Array) 모듈(Digilent, 2011; Gądek et al., 2014)을 사용하여 chirp echo 데이터 수록 및 처리 시스템을 설계, 개발하고, 이 시스템의 성능특성을 실험적으로 평가, 분석하였다.
- , 2007; Han and Kim, 2010). 특히, SPWVD 기법은 넓은 주파수 대역의 각 주파수 성분 사이에 나타나는 간섭잡음을 효율적으로 억제 및 감소시키는데 유효한 기법이라는 데에 주목하여 본 연구에서 도입하였다. SPWVD 기법은 WVD (wigner-ville distribution) 기법을 변형한 형태로서(Imberger and Boahsh, 1986), SPWVD 함수(Blaska and Sedlacek, 2001; Dong and Cui, 2012)는
제안 방법
- 4. An echogram for the low frequency channel (35-75 kHz) measured from a WC (tungsten carbide sphere with 6% cobalt binder) sphere (Dia. 40 mm) suspended just below the chirp transducer to test the functionality of the developed chirp data acquisition and processing system.
- 또한, 수신부의 전단에 대한 전치 증폭기의 이득은 0-40 dB, TVG 증폭기는 no-TVG, 10 log (r), 20 log (r), 30 log (r), 40 log (r) 중에서 사용자가 선택할 수 있도록 하였다. Chirp echo 신호의 시간 파형, 주파수 스펙트럼 및 위상정보 등의 수록은 각각 255 ping에 대한 데이터 블록을 1개의 파일로서 작성하여 하드 디스크에 저장할 수 있도록 하였다. 이 때, 주파수 스펙트럼의 계산을 위한 FFT window 는 사용자가 선택할 수 있도록 하였다.
- 3은 2015년 6월 23일 부산 북항의 제 5부두에 접안, 계류 중인 가야호의 선상에서 echo 신호를 수록, 표시 및 처리한 결과의 일례를 나타낸 것이다. Fig. 3에서 알 수 있는 바와 같이 본 연구에서 설계한 chirp 데이터 수록 및 처리 시스템에 대한 echo 데이터의 표시, 수록 및 신호 처리는 크게 3개의 기능으로 구현하였다. 즉, 2채널에 대한 각각의 chirp echo 신호에 대한 시간응답특성 해석, 각 채널의 echo 신호에 대한 주파수 스펙트럼의 분석, 또한, 이들 2채널의 응답신호 사이의 위상차 패턴의 분석 등이다.
- 그러나, 이들 어종 의존적인 식별정보를 어떻게 추출할 것인가에 대해서는 아직 분명한 식별기법이 개발되어 있지 않은 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 Fig. 7의 (c)에서와 같이 어군으로부터 수록한 echo 응답신호의 시간 영역과 주파수 영역에 대한 echo 성분을 통합하여 해석할 수 있는 시간-주파수 이미지 패턴에 주목하였다. 즉, Fig.
- 본 연구에서는 GPIO (general purpose input/output) 인터페이스, 즉, 2개의 6핀(pin) PMOD I/O 인터페이스를 이용하여 FPGA 보드에서 생성한 trigger 동기신호, TVG (time varied gain) 증폭기의 제어신호, chirp 펄스신호를 외부의 2채널 전치증폭기 모듈과 1채널의 전력증폭기 모듈에 출력하였다. 또한, 1개의 POMD I/O 인터페이스는 전치증폭기 모듈에서 양자화되는 chirp echo 신호의 디지털 데이터를 FPGA 모듈로 입력시키는데 사용하였다. Chirp echo 수록 시스템의 구동은 먼저 FPGA 모듈을 통해 (1)식으로 정의되는 chirp echo 데이터 수록을 위한 송신 chirp 펄스신호를 발생시킨 후, 이 신호를 Fig.
- 3의 레이아웃에 나타낸 바와 같이 20-220 kHz의 고정된 주파수 범위에서 동작하지만, 펄스 폭과 펄스 반복주기는 사용자가 자유롭게 설정할 수 있도록 하였다. 또한, 수신부의 전단에 대한 전치 증폭기의 이득은 0-40 dB, TVG 증폭기는 no-TVG, 10 log (r), 20 log (r), 30 log (r), 40 log (r) 중에서 사용자가 선택할 수 있도록 하였다. Chirp echo 신호의 시간 파형, 주파수 스펙트럼 및 위상정보 등의 수록은 각각 255 ping에 대한 데이터 블록을 1개의 파일로서 작성하여 하드 디스크에 저장할 수 있도록 하였다.
- 이 때, 주파수 스펙트럼의 계산을 위한 FFT window 는 사용자가 선택할 수 있도록 하였다. 또한, 시간 파형과 주파수 스펙트럼의 표시는 사용자가 희망하는 범위를 자유롭게 선택할 수 있도록 하였지만, 특정 chirp echo 신호에 대한 주파수 스펙트럼만이 측정 대상이 되는 경우에는 cursor 기능을 이용하여 이를 수행할 수 있도록 하였다.
- 3의 레이아웃에는 2개의 수신용 chirp 진동자 사이의 음향학적 중심 간격에 대한 정보가 필요하다. 본 연구에서 개발한 Fig. 2의 chirp 데이터 수록 및 처리 시스템은 Fig. 3의 레이아웃에 나타낸 바와 같이 20-220 kHz의 고정된 주파수 범위에서 동작하지만, 펄스 폭과 펄스 반복주기는 사용자가 자유롭게 설정할 수 있도록 하였다. 또한, 수신부의 전단에 대한 전치 증폭기의 이득은 0-40 dB, TVG 증폭기는 no-TVG, 10 log (r), 20 log (r), 30 log (r), 40 log (r) 중에서 사용자가 선택할 수 있도록 하였다.
- 본 연구에서 설계, 개발한 chirp 데이터 수록 및 처리 시스템의 성능특성을 평가하기 위해 텅스텐 교정구(WC, 직경 40 mm)를 사용하여 echo 신호의 응답특성을 조사, 분석한 결과는 Fig. 4와 같다.
- 즉, 송신 chirp rate를 크게 할수록 더 광범위한 범위의 주파수 성분이 포함되지만, 본 연구에서는 chirp 송·수파기의 주파수 대역폭을 고려하여 f0 는 20 kHz, 2a는 200 kHz로 설정하여 chirp 펄스신호를 발생시켰다. 본 연구에서 설계, 개발한, chirp echo 데이터 수록 및 처리 시스템은 송신용과 수신용 음향 변환기를 별도로 사용할 수 있도록 하였다. 그것은 하나의 송신 모듈을 이용하여 2채널의 수신신호를 독립적으로 얻기 위해 설계되었기 때문이다.
- 이들 echo 응답신호는 조사선을 계류시킨 상태에서 측정한 관계로 매우 안정된 응답특성을 나타내었다. 본 연구에서는 Fig. 4의 교정구에 대한 chirp echo 응답신호로부터 추출한 시간-주파수 이미지 패턴을 바탕으로 저주파수 및 고 주파수 대역에 대한 chirp sonar 시스템의 성능특성을 분석, 고찰하였는데, 그 결과는 Fig. 5 및 Fig. 6과 같다. Fig.
- 이 FPGA 모듈은 VGA (video graphics array), RS232 (recommended standard 232), USB (universal serial bus), PS/2 (personal system/2), LED (light-emitting diode), 고속확장 커넥터, PMOD (peripheral module) 커넥터, 5 V 전원, 50 MHz 신호발생기(clock generator) 등을 구비하고 있다. 본 연구에서는 GPIO (general purpose input/output) 인터페이스, 즉, 2개의 6핀(pin) PMOD I/O 인터페이스를 이용하여 FPGA 보드에서 생성한 trigger 동기신호, TVG (time varied gain) 증폭기의 제어신호, chirp 펄스신호를 외부의 2채널 전치증폭기 모듈과 1채널의 전력증폭기 모듈에 출력하였다. 또한, 1개의 POMD I/O 인터페이스는 전치증폭기 모듈에서 양자화되는 chirp echo 신호의 디지털 데이터를 FPGA 모듈로 입력시키는데 사용하였다.
- 본 연구에서는 이와 같은 chirp 송·수파기의 사용가능 주파수 대역을 고려하여 FPGA 모듈에서 펄스 폭 1.0 ms, 주파수 범위 20-220 kHz의 송신 chirp 펄스신호를 발생시켜 전력증폭기 모듈에 공급하였다.
- (4)식에서 어류 echo 신호에 대한 시간-주파수 분석을 수행할 때, SPWVD 함수에 포함되어 있는 시간과 주파수 평활 윈도 함수 g(k)와 h(m)의 윈도 폭을 변화시키면, 시간과 주파수 영역에 대한 분해능을 향상시킬 수 있다. 본 연구의 chirp echo 데이터 수록 및 처리 시스템에서는 (4)식을 이용하여 어군 echo 신호의 시간-주파수 이미지 응답특성을 분석, 고찰하였다.
- 즉, 송신 chirp rate를 크게 할수록 더 광범위한 범위의 주파수 성분이 포함되지만, 본 연구에서는 chirp 송·수파기의 주파수 대역폭을 고려하여 f0 는 20 kHz, 2a는 200 kHz로 설정하여 chirp 펄스신호를 발생시켰다.
- 먼저 chirp 데이터 수록 및 처리 시스템의 설계 파라미터를 조정 하기 위한 기본적인 성능 특성은 2015년 6월 23일에 부산 북항 의 제 5부두에 접안, 계류 중인 가야호의 선상에서 수행되었다. 한편, chirp 데이터 수록 및 처리 시스템의 광대역 주파수 응답 특성은 2016년 2월 4일에 부산 북항의 제 5부두에 접안, 계류 중인 가야호의 선상에서 텅스텐 교정구[tungsten carbide sphere with 6% cobalt binder (WC), 직경 40 mm]로부터 수록한 echo응답신호의 시간-주파수 분석을 통해 얻어졌다. 한편, 어군의 echo 응답특성은 2016년 2월 4일에 부산 북항의 제 5부두에서 실험적으로 설계한 chirp 데이터 수록 및 처리 시스템을 사용하여 수록 및 분석하였다.
- 한편, 이와 같이 수록된 chirp echo 신호에 대한 시간-주파수 분석은 별도의 window에서 처리할 수 있도록 소프트웨어를 구축하였다. 즉, 데이터 파일 목록에서 호출된 chirp echo 신호의 특정 구간을 지정하여 SPWVD 처리 모듈에 전송하면 (4)식에 의해 시간-주파수 echo 응답특성이 자동적으로 생성되도록 하였다.
대상 데이터
- Schematic diagram of the chirp data acquisition system for measuring and analyzing the broadband acoustic echoes from fish schools. The system consists of an FPGA (field-programmable gate array), two receiver modules composed of two channel TVG (time varied gain) amplifiers and A/D converter modules, a chirp signal generator implemented on a PC, a transmitter module composed of power amplifier and transformer, and three chirp transducers. The software modules for accomplishing the input/output, control and signal processing were created specifically for this application.
- 즉, 저주파수와 고주파수 대역의 echo 신호를 측정 시에는 2개의 B265LH 송수파기를 사용하여 1개는 송신용으로, 다른 한 개는 수신용으로 사용하였다. 또한, 75-130 kHz의 중간 주파수 대역에 대한 echo 신호를 측정 시에는 2개의 B75M 송수파기를 각각 송신용과 수신용으로 사용하였다. 또한, 자체 개발한 음향변환기(Lee, 2017)는 저주파 대역에 대한 송신용으로 병행하여 사용하였다.
- 본 연구에서 실험적으로 설계, 개발한 chirp 데이터 수록 및 처리 시스템의 성능특성을 평가하기 위한 현장실험은 2015년 6 월 23일 및 2016년 2월 4일에 부경대학교 실습선 가야호(총톤 수 1,737톤)를 사용하여 부산 북항의 제 5부두에서 실시하였다. 먼저 chirp 데이터 수록 및 처리 시스템의 설계 파라미터를 조정 하기 위한 기본적인 성능 특성은 2015년 6월 23일에 부산 북항 의 제 5부두에 접안, 계류 중인 가야호의 선상에서 수행되었다. 한편, chirp 데이터 수록 및 처리 시스템의 광대역 주파수 응답 특성은 2016년 2월 4일에 부산 북항의 제 5부두에 접안, 계류 중인 가야호의 선상에서 텅스텐 교정구[tungsten carbide sphere with 6% cobalt binder (WC), 직경 40 mm]로부터 수록한 echo응답신호의 시간-주파수 분석을 통해 얻어졌다.
- Chirp echo 신호의 수신은 chirp 송파기로부터 해중으로 발사된 펄스신호가 어군에 의해 산란되어 수파기 1과 수파기 2에 각각 수신되면, 이들의 신호는 전치증폭기, TVG 증폭기, 대역필터를 거쳐 A/D 변환기에서 양자화된다. 본 연구에서 사용한 A/D 변환기는 12 bit의 ADC7476 (Texas instruments, USA)으로서 최대 샘플링 주파수는 1 MHz이다. 본 연구에서 사용한 음향변환기의 작동 주파수 범위는 35-75 kHz (Lee, 2017; B265L, Airmar), 75-130 kHz (B75M, Airmar) 및 130-210 kHz (B265H, Airmar) 등으로서, 전체의 사용가능 주파수 대역은 35-210 kHz 범위이다.
- 본 연구에서 사용한 A/D 변환기는 12 bit의 ADC7476 (Texas instruments, USA)으로서 최대 샘플링 주파수는 1 MHz이다. 본 연구에서 사용한 음향변환기의 작동 주파수 범위는 35-75 kHz (Lee, 2017; B265L, Airmar), 75-130 kHz (B75M, Airmar) 및 130-210 kHz (B265H, Airmar) 등으로서, 전체의 사용가능 주파수 대역은 35-210 kHz 범위이다.
- 본 연구에서 실험적으로 설계, 개발한 chirp 데이터 수록 및 처리 시스템의 성능특성을 평가하기 위한 현장실험은 2015년 6 월 23일 및 2016년 2월 4일에 부경대학교 실습선 가야호(총톤 수 1,737톤)를 사용하여 부산 북항의 제 5부두에서 실시하였다. 먼저 chirp 데이터 수록 및 처리 시스템의 설계 파라미터를 조정 하기 위한 기본적인 성능 특성은 2015년 6월 23일에 부산 북항 의 제 5부두에 접안, 계류 중인 가야호의 선상에서 수행되었다.
- 4는 2016년 2월 4일 부산 북항의 제 5부두에 접안, 계류 중인 가야호 선상에서 수록한 echogram이다. 조사 당시 북항 제 5부의 수심은 약 9.5 m, 해도상에 표기된 저질은 펄이었다. Fig.
- 한편, chirp 데이터 수록 및 처리 시스템의 광대역 주파수 응답 특성은 2016년 2월 4일에 부산 북항의 제 5부두에 접안, 계류 중인 가야호의 선상에서 텅스텐 교정구[tungsten carbide sphere with 6% cobalt binder (WC), 직경 40 mm]로부터 수록한 echo응답신호의 시간-주파수 분석을 통해 얻어졌다. 한편, 어군의 echo 응답특성은 2016년 2월 4일에 부산 북항의 제 5부두에서 실험적으로 설계한 chirp 데이터 수록 및 처리 시스템을 사용하여 수록 및 분석하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 SPWVD (smoothed pseudo wigner-ville distribution) 기법을 도입하여 어군으로부터 산란되는 chirp echo 신호의 시간 주파수 분석을 수행하였다(Shui et al., 2007; Han and Kim, 2010). 특히, SPWVD 기법은 넓은 주파수 대역의 각 주파수 성분 사이에 나타나는 간섭잡음을 효율적으로 억제 및 감소시키는데 유효한 기법이라는 데에 주목하여 본 연구에서 도입하였다.
성능/효과
- 이 되고, 여기서 m과 k는 각각 τ와 t 에 대한 시간 index이고, x(n)은 이산화된 어류 echo 신호이다. (4)식에서 어류 echo 신호에 대한 시간-주파수 분석을 수행할 때, SPWVD 함수에 포함되어 있는 시간과 주파수 평활 윈도 함수 g(k)와 h(m)의 윈도 폭을 변화시키면, 시간과 주파수 영역에 대한 분해능을 향상시킬 수 있다. 본 연구의 chirp echo 데이터 수록 및 처리 시스템에서는 (4)식을 이용하여 어군 echo 신호의 시간-주파수 이미지 응답특성을 분석, 고찰하였다.
- 6의 (b)에 나타낸 응답 스펙트럼의 변동특성이 매우 충실하게 반영되고 있음을 알 수 있었다. Fig. 5와 Fig. 6에서 저주파수 및 고주파수 채널에 대한 chirp rate를 비교해 보면, 저주파수 대역에서는 400 kHz/ms이었고, 고주파수 대역에서는 약 157 kHz/ms로서, 고주파수 대역에 대한 echo 응답특성의 변화율이 매우 완만하게 변화하고 있음을 알 수 있다. 이와 같이 FPGA 모듈에서 고주파수 채널에 대한 송신 chirp 펄스 신호에 대한 시간-주파수 변화율을 저주파 채널보다 매우 완만하게 설계한 것은 chirp 송·수파기의 고주파 채널에 대한 주파수 대역폭을 최대한 활용하여 가능한 한 어종식별과 관련된 더 많은 음향산란정보를 획득하기 위함이었다.
- 이 때문에 저주파수 및 고주파수 대역에 대한 모든 echo 응답특성이 매우 명료한 패턴으로 나타나고 있음을 알 수 있다. 먼저, 저주파수 대역에 대한 echo 응답특성을 살펴보면, 본 연구에서 설계, 개발한 chirp 데이터 수록 및 처리 시스템에서 펄스 폭 1.0 ms, 주파수 대역폭 20-220 kHz의 송신 chirp 펄스신호가 송출될 때, 표준구로부터 지속시간 약 0.1 ms, 주파수 대역 폭 35-75 kHz의 시간-주파수 echo 응답신호가 수신되었다. 즉, chirp 송·수파기의 저주파 채널의 주파수 대역과 완전하게 일치하는 시간-주파수 응답 패턴이 추출되었다.
- 본 연구에서 개발한 chirp 데이터 수록 및 처리 시스템을 사용하여 어종의 식별과 관련된 생물학적 및 음향학적 정보를 추출하는 데 있어 가장 주목하고 있는 점은 각 어족생물로부터의 echo 응답신호성분에는 각 어종 고유의 특징적인 식별정보가 내포되어 있다는 점이다. 그러나, 이들 어종 의존적인 식별정보를 어떻게 추출할 것인가에 대해서는 아직 분명한 식별기법이 개발되어 있지 않은 실정이다.
- 7 ms, 100-210kHz이었다. 즉, chirp echo 신호의 시간-주파수 이미지 패턴은 이들 응답 시간 구간과 응답 주파수 대역폭 구간에서 선형적으로 증가하는 패턴을 나타내었다. 또한, 3차원 echo 이미지의 contour 패턴 역시 응답 주파수 대역 내에서 Fig.
- 즉, chirp 송·수파기의 저주파 채널의 주파수 대역과 완전하게 일치하는 시간-주파수 응답 패턴이 추출되었다.
후속연구
- 지금까지 저주파수 채널의 35-75 kHz 주파수 대역에서 각 어종에 대한 다수의 개체어를 대상으로 음향산란특성을 분석, 고찰한 결과, 이들 주파수 대역내에서의 어종식 별인자를 포함하는 echo 응답특성의 변동패턴이 매우 완만하여 각 어종 고유의 특징적인 응답패턴을 추출하는 데 많은 어려움이 있었다. 따라서, 이와 같은 저주파수 및 고주파수 채널에 대한 응답특성을 상호 보완적으로 융합시켜 분석하면, 본 연구에서 설계, 개발한 chirp 데이터 수록 및 처리 시스템은 현장에 서 어종식별을 위한 각 어종 고유의 시간-주파수 echo 이미지를 수집하는 데 매우 유효하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 따라서, 이 시간-주파수 이미지 패턴으로부터 어군의 이미지 패턴만을 분리하여 추출할 수 있다면, 각 어군 고유의 echo 응답 이미지 패턴에 대한 데이터 베이스를 작성할 수 있다. 또한, 이렇게 구축된 다수 어종에 대한 이미지 데이터 베이스를 활용하면 미지의 어족생물로부터 얻어지는 이미지 패턴으로부터 탐지 어종을 추적 및 식별할 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구에서 개발한 chirp 데이터 수록 및 처리 시스템은 이를 위한 목적으로 설계, 개발되었지만, 아직 여러 개선해야 할 점이 많아 향후 지속적으로 개량, 발전시킬 예정이다.
- 본 연구에서 개발한 chirp 데이터 수록 및 처리 시스템은 이를 위한 목적으로 설계, 개발되었지만, 아직 여러 개선해야 할 점이 많아 향후 지속적으로 개량, 발전시킬 예정이다.
- 즉, 데이터 파일 목록에서 호출된 chirp echo 신호의 특정 구간을 지정하여 SPWVD 처리 모듈에 전송하면 (4)식에 의해 시간-주파수 echo 응답특성이 자동적으로 생성되도록 하였다. 향후 본 연구에서 개발한 chirp 데이터의 수록 및 처리 시스템을 사용하면 현장에서 직접 각 어종에 대한 개체어로부터의 시간-주파수 echo 이미지의 수록이 가능하기 때문에 어종식별을 위한 데이터 베이스의 구축에 매우 유효할 것으로 판단된다. 그러나, 이를 위해서는 우리나라 주변해역에 분포하는 주요 어족생물을 대상으로 현장에서 각 어종에 대한 다량의 시간-주파수 echo 이미지가 확보되어야 한다(Lee, 2015a; Lee, 2015b; Lee et al.
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