[논문]동해 해역에서 해저면 잔향음 및 통계적 특징

정영철; 이근화; 성우제; 김성일

doi:10.7776/ask.2019.38.1.082

동해 해역에서 해저면 잔향음 및 통계적 특징
Ocean bottom reverberation and its statistical characteristics in the East Sea 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.38 no.1, 2019년, pp.82 - 95

정영철 (서울대학교 조선해양공학과) , 이근화 (세종대학교 국방시스템공학과) , 성우제 (서울대학교 조선해양공학과) , 김성일 (국방과학연구소 제 6기술연구본부)

초록
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본 연구에서는 2015년 8월, 동해 동남방 해역에서 수행된 해양 잔향음 빔 데이터를 분석하였다. 잔향음 데이터는 이동하는 연구선에 의해 예인된 LFM (Linear Frequency Modulation) 음원과 삼중선 배열을 통해 수집되었으며, 신호처리 과정을 거친 이후 해저지형, 음원/수신기 수심, 음속구조에 따른 잔향음 준위의 변화를 분석하였다. 추가로 해저 잔향음의 확률적 특성을 해석하기 위해 셀 평균화 알고리즘이 적용된 정규화 데이터가 활용되었고, 모멘트 추정기법을 통해 형상 모수를 추정하여 해저 산란체의 확률적 특징을 확인하였다. 또한, 콜모고로프 스미르노프 검정 기법을 이용하여 데이터가 레일레이 분포와 K 분포 확률에 일치하는지를 분석하였다. 결과적으로 해저 지형에 따른 잔향음의 거리종속 특성과 음원/수신기 수심에 따른 시간 지연 및 세기 변화를 확인하였고, 잔향음에서 레일레이 확률분포와 유사한 특성을 관찰할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we analyzed the beam time series of ocean reverberation which was conducted in the eastsouthern region of East Sea, Korea during the August, 2015. The reverberation data was gathered by moving research vessel towing LFM (Linear Frequency Modulation) source and triplet receiver array. After signal processing, we analyzed the variation of ocean reverberation level according to the seafloor bathymetry, source/receiver depth and sound speed profile. In addition, we used the normalized data by using cell averaging algorithm and identified the statistical characteristics of seafloor scatterer by using moment estimation method and estimated shape parameter. Also, we analyzed the coincidence of data with Rayleigh and K-distribution probability by Kolmogorov-Smirnov test. The results show that there is range dependency of reverberation according to the bathymetry and also that the time delay and the intensity level change depend on the depths of source and receiver. In addition, we observed that statistical characteristics of similar Rayleigh probability distribution in the ocean reverberation.

주제어

표/그림 (16)

표 Table 1. A list of well-organized multi-institutional and multinational reverberation experiments.^[3]
그림 Fig. 1. The geometry of sonar resolution cell. The scatterer number is related with beamwidth, bandwidth, grazing angle, slant range, scatterer density.^[11]
그림 Fig. 2. Sea experiment site showing bathymetry and track of the ship towing array in the East Sea. Red circles are positions for LFM signal 2.8 kHz ~ 3.2 kHz, pulse length 0.3 s and blue diamonds are positions for LFM signal 2.5 kHz ~ 3.5 kHz, pulse length 1 s.
그림 Fig. 3. Sound speed profiles of sea experiment.
그림 Fig. 4. The analyzed process of ocean reverberation beam time series for the polar plot.
그림 Fig. 5. The analysis process for statistical characteristics of ocean reverberation.
그림 Fig. 6. Reverberation intensity level of 30th beam (84◦ clockwise from forward endfire) for the 2.8 kHz ~ 3.2 kHz LFMs and 1st ping.
그림 Fig. 7. Reverberation intensity level of 30th beam (84◦ clockwise from forward endfire) for the 2.5 kHz ~ 3.5 kHz LFMs and 84th ping.
그림 Fig. 8. Received beam intensity from the output of the matched filter for the 2.8 kHz ~ 3.2 kHz LFMs and 1st ping.
그림 Fig. 9. Ocean reverberation results for the beam 30th (84◦ clockwise from forward endfire) on the ship track. All pulses are 2.8 kHz ~ 3.2 kHz LFMs.
그림 Fig. 10. Ocean reverberation results for the beam 30th (84◦ clockwise from forward endfire) on the ship track. All pulses are 2.5 kHz ~ 3.5 kHz LFMs.
그림 Fig. 11. Ray diagrams using sound speed profile of sea experiment. The bottom is flat and depth is 1250 m. The sound speed of bottom 1452 m/s, bottom density 1480 kg/m3, bottom attenuation 0.1 dB/λ (a) source depth : 140 m, (b) source depth : 120 m.
그림 Fig. 12. K–S test statistic p values for the Rayleigh and K-distributions for beam 30th data (84◦ clockwise from forward endfire) and the inverse of the corresponding estimates of the K-distribution shape parameter. (a) 2.8 kHz ~ 3.2 kHz LFMs and 1st ping and (b) 2.5 kHz ~ 3.5 kHz LFMs and 84th ping.
표 Table 2. Overall results of statistical analysis and K-S test at the 0.05 level for the 2.8 kHz ~ 3.2 kHz LFMs and 2.5 kHz ~ 3.5 kHz LFMs.
표 Table 3. The results of statistical analysis and K-S test at the 0.05 level for the ping number 1 ~ 83, 2.8 ~ 3.2 kHz LFMs, pulse length 0.3 s.
표 Table 4. The results of statistical analysis and K-S test at the 0.05 level for the ping number 84 ~ 171, 2.5 ~ 3.5 kHz LFMs, pulse length 1 s.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 국방과학연구소 주관으로 동해 동남방 해역에서 수행된 해상실험의 잔향음 빔 데이터를 분석하였다. 여기서 분석된 음원은 주파수 2.
본 연구에서는 동해 동남방 해역에서 LFM 음원 신호를 송신하여 삼중선 배열로 수신된 잔향음 빔 데이터를 분석하였으며, 신호 처리 이후 해저지형, 음속구조, 음원/수신기 수심이 잔향음에 미치는 영향을 분석하였다. 결과적으로 잔향음의 해저지형에 따른 거리종속 특성을 확인하였는데, 수심이 증가하는 환경에서 해저 잔향음의 최초 도달시간이 느려지고 지속시간도 증가하며, 수심이 감소하는 환경에서 최초 도달시간이 빨라지며 상대적인 세기의 지속시간도 짧아지는 것을 확인하였다.

가설 설정

여기서 해저질은 점토로 해저 음속은 1452 m/s, 해저 밀도는 1480 kg/m3,감쇠계수는 0.1 dB/λ로 가정하였다.

제안 방법

그 이유를 확인하기 위해 평평한 바닥환경에서 해상실험과 동일한 음속구조와 음원 수심을 이용하여 음선 구조도를 도식화 하였다. 여기서 해저질은 점토로 해저 음속은 1452 m/s, 해저 밀도는 1480 kg/m³,감쇠계수는 0.
5 kHz 대역의 LFM 신호이며, 신호처리 과정을 거친 이후 해저 지형을 고려하여 해양환경에 대한 영향을 분석하였다. 또한 Reference[12]에서 적용한 방법을 참조하여 잔향음 데이터에 대한 확률적인 해석을 수행하였다. 여기서도 레일레이 분포와 K-분포의 확률에 근거한 모멘트 추정 기법과 콜모고로프 스미르노프 검정 기법이 활용되었고, 형상 모수를 추정하고 검정 통과율을 확인하였다.
또한 송신횟수 별로 128개의 빔에 대해서 모멘트 추정과 콜모고로프 스미르노프 검정 기법을 이용하여 형상모수의 중앙값, K 분포와 레일레이 분포에 대한 유의확률 p의 중앙값, 유의수준 0.05에서 콜모고로프 스미르노프 검정의 통과율을 산출해 보았다.
방위각별 신호는 대역통과 여파기와 정합 여파기가 이용되어 신호 대 잡음비를 높였고, 복소 포락선을 형성하기 위해 기저대역 이동 과정을 거친 이후 대역폭의 역수인 1/W 간격에 따라 데시메이션을수행하였다. 또한, 시간에서 거리로 전환하기 위해 음속 1500 m/s를 적용하였고, 잔향음을 극좌표계로 전시하여 지형적 변화의 특성이 분석되었다.
여기서 파이프 형상의 인공 수중표적, 선박 잔해, 해저지형 등에 대한 영향을 확인하기 위해 모델과 데이터 차이를 분석하였고, 특정 빔 방위에서 정상모드 잔향음 모델과 잔향음 시계열 신호를 비교하여 민감하게 발생하는 지형적인 영향과 모델의 한계를 확인하였다. 또한, 장기간대에 걸쳐 측정된 해상파고, 특정 항로에서 심화된 다중빔 해저지형 조사 등 해양정보를 활용하여 잔향음 신호와 비교하였고, 주야간 생물학적 활동, 해저 지형간 상관관계 분석을 통해 잔향음에 영향을 미치는 해양 환경적 요인을 확인하였다.
한편, 해저 잔향음의 확률적 특성을 분석하기 위해 셀 평균화 알고리즘을 적용된 정규화 데이터가 활용되었고, 모멘트 추정 기법을 통해 형상 모수를 추정하였다. 또한, 콜모고로프 스미르노프 검정 기법을 이용하여 잔향음 빔 포락선의 확률이 레일레이분포와 K 분포 확률에 근접하는지를 확인하였다. 이러한 과정을 거쳐 분석된 결과, 잔향음 포락선에 대한 레일레이 확률분포의 유의확률 p 값이 신뢰도 95 %의 유의수준 0.
시계열 빔 데이터는 사전에 삼중선 배열 빔형성 신호처리 과정을 거쳐 360도를 128개로 나누어 방위각별 신호로 구성되어 있다. 방위각별 신호는 대역통과 여파기와 정합 여파기가 이용되어 신호 대 잡음비를 높였고, 복소 포락선을 형성하기 위해 기저대역 이동 과정을 거친 이후 대역폭의 역수인 1/W 간격에 따라 데시메이션을수행하였다. 또한, 시간에서 거리로 전환하기 위해 음속 1500 m/s를 적용하였고, 잔향음을 극좌표계로 전시하여 지형적 변화의 특성이 분석되었다.
본 연구에서는 앞서 언급한 이론적 배경을 토대로 제 Ⅳ장에서 동해 실험 데이터를 이용하여 확률적인 분석을 수행한다.
사용된 음원은 LFM(Linear Frequency Modulation) 신호로 중심주파수는 950 Hz ~ 960 Hz이고 대역폭은 32Hz, 64 Hz, 펄스 길이는 8 s ~ 16 s이다. 수신기는 수평선배열이 이용되었고, 정합 여파기를 통해 신호 대잡음비를 높이고 공간상에서 데이터와 모델링 차이를 비교하였다. 여기서 GSM(Generic Sonar Model) 모델을 이용하여 후방산란 강도를 추정하였고, 높은 스침각과 평면 반사에서 모델링 결과와 좋게 일치하는 결과를 보였다.
본 연구에서는 국방과학연구소 주관으로 동해 동남방 해역에서 수행된 해상실험의 잔향음 빔 데이터를 분석하였다. 여기서 분석된 음원은 주파수 2.8kHz ~ 3.2 kHz, 2.5 kHz ~ 3.5 kHz 대역의 LFM 신호이며, 신호처리 과정을 거친 이후 해저 지형을 고려하여 해양환경에 대한 영향을 분석하였다. 또한 Reference[12]에서 적용한 방법을 참조하여 잔향음 데이터에 대한 확률적인 해석을 수행하였다.
^[3]은 2013년 미국 플로리다 파나마 시티 연안(수심: 19 m ~ 20 m)의 천해 환경에서 CW(Continuous Wave), LFM, 광대역 음원을 송신하여 고정된 삼중선 배열로 측정된 잔향음 빔 데이터를 분석하였다. 여기서 파이프 형상의 인공 수중표적, 선박 잔해, 해저지형 등에 대한 영향을 확인하기 위해 모델과 데이터 차이를 분석하였고, 특정 빔 방위에서 정상모드 잔향음 모델과 잔향음 시계열 신호를 비교하여 민감하게 발생하는 지형적인 영향과 모델의 한계를 확인하였다. 또한, 장기간대에 걸쳐 측정된 해상파고, 특정 항로에서 심화된 다중빔 해저지형 조사 등 해양정보를 활용하여 잔향음 신호와 비교하였고, 주야간 생물학적 활동, 해저 지형간 상관관계 분석을 통해 잔향음에 영향을 미치는 해양 환경적 요인을 확인하였다.
콜모고로프 스미르노프 검정 기법은 관측된 데이터의 확률분포 함수가추정된 모수가 적용된 이론적인 확률분포 함수와 비교하여 잘 맞는지 검정하는 방법인데,세부적인 방법은 Reference [13]과 동일하다. 이를 통해 신뢰도 95 %, 0.05 유의수준에서 계산된 유의확률 p 값들을 이용하여 채택 및 기각 유무를 판단하였다.
한편, 해저 잔향음의 확률적 특성을 분석하기 위해 셀 평균화 알고리즘을 적용된 정규화 데이터가 활용되었고, 모멘트 추정 기법을 통해 형상 모수를 추정하였다. 또한, 콜모고로프 스미르노프 검정 기법을 이용하여 잔향음 빔 포락선의 확률이 레일레이분포와 K 분포 확률에 근접하는지를 확인하였다.

대상 데이터

은 중앙 대서양 해령(수심 : 3,300 m ~ 5,200m) 인근 해역에서 3척의 연구선이 동원되어 측정되어진 단상태와 양상태 잔향음을 분석하였다. 사용된 음원은 200 Hz ~ 1400 Hz의 LFM 신호와 광대역의 SUS 폭탄이고, 수신기는 수평 선배열을 통해 데이터가 측정되었다. 실험 결과에서 해산으로부터 높은 산란강도가 발생하였고 해저지형과 산란강도간 높은 상관관계가 형성되는 것을 확인했다.
는 1990년, 지중해 Sardinia 서쪽 해안(수심 : 약 2800 m)에서 2 척의 연구선 지원 하에 측정 되어진 양상태와 단상태 잔향음을 분석하였다. 사용된 음원은 LFM(Linear Frequency Modulation) 신호로 중심주파수는 950 Hz ~ 960 Hz이고 대역폭은 32Hz, 64 Hz, 펄스 길이는 8 s ~ 16 s이다. 수신기는 수평선배열이 이용되었고, 정합 여파기를 통해 신호 대잡음비를 높이고 공간상에서 데이터와 모델링 차이를 비교하였다.
4와 같은 절차로 빔 데이터 신호를 이용하여 분석되었다. 시계열 빔 데이터는 사전에 삼중선 배열 빔형성 신호처리 과정을 거쳐 360도를 128개로 나누어 방위각별 신호로 구성되어 있다. 방위각별 신호는 대역통과 여파기와 정합 여파기가 이용되어 신호 대 잡음비를 높였고, 복소 포락선을 형성하기 위해 기저대역 이동 과정을 거친 이후 대역폭의 역수인 1/W 간격에 따라 데시메이션을수행하였다.
셀 평균화기법은 검정되는 셀(Cell Under Test, CUT)을 기준으로 인접한 리딩 셀과 래깅 셀로부터 추출된 소음들의 평균값을 이용하여 정규화하는 방법이고, 검정되는 셀과 인접 셀간 간섭되는 현상을 피하기 위해 가드 셀을 설정한다. 여기서, 대역폭이 400 Hz인 신호의 경우 리딩 셀과 래깅 셀의 샘플들은 각각 200 개(0.5 s), 가드 셀의 샘플들은 8개(20 ms)가 활용되었으며, 대역폭이 1 kHz인 경우 리딩셀과 래깅셀의 샘플들은 각각 500 개(0.5 s), 가드 셀의 샘플들은 20개(20ms)가 활용되었다.
해상실험은 2015년 8월, 포항 동방 해상에서 수행되었고, 연구선인 청해호가 평균 속도 5 kts로 이동하면서 음원을 송신하여 삼중선 배열로 잔향음 신호를 수신하였다. 수평 삼중선 배열은 예인형 선배열로 각 선배열에 삼중 센서가 위치하고 있고, 기존 수평선배열과 달리 좌우 방위 구분이 가능하다는 장점이 있다.

데이터처리

제 II장에서는 빔 데이터에 대한 이론적 배경과 확률적 해석을 위한 잔향음 포락선 모델들을 소개하고, 제 III장에서는 동해 해상실험 개요와 데이터 처리 방법에 대해서 설명한다. 제 IV장에서는 동해에서 발생되는 잔향음의 특징과 송신 신호 횟수에 따른 잔향음 준위 변화를 분석하였고, 모멘트 추정과 콜모고로프 스미르노프 검정 기법을 통해 확률적 분석을 수행하고 결과를 해석하였다. 제 V장은 본 논문의 결론 및 토의에 대한 내용이 제시된다.

이론/모형

5와 같은 절차로 수행되었는데, 우선 잔향음 신호에 대한 시변동 평균 성분을 제거하는 것이 필요하다. ^[12] 따라서 신호를 정규화하기 위한 대표적인 방법인 셀 평균화(Cell Averaging, CA) 알고리즘이 적용되었다. 셀 평균화기법은 검정되는 셀(Cell Under Test, CUT)을 기준으로 인접한 리딩 셀과 래깅 셀로부터 추출된 소음들의 평균값을 이용하여 정규화하는 방법이고, 검정되는 셀과 인접 셀간 간섭되는 현상을 피하기 위해 가드 셀을 설정한다.
여기서 해양 플랫폼과 인근 지원선박에서 강한 산란이 발생하였고, Ragusa 해령으로부터 반향 되어진 15 s의 광대역 신호를 관측 할 수 있었다. 또한 시뮬레이티드 어니일링(Simulated Anealing, SA) 기법을 이용하여 바닥 속도, 층 두께, 감쇠에 대한 해저질의 정보를 추정하였다.
또한 Reference[12]에서 적용한 방법을 참조하여 잔향음 데이터에 대한 확률적인 해석을 수행하였다. 여기서도 레일레이 분포와 K-분포의 확률에 근거한 모멘트 추정 기법과 콜모고로프 스미르노프 검정 기법이 활용되었고, 형상 모수를 추정하고 검정 통과율을 확인하였다.

성능/효과

여기서, 해저 잔향음의 최초 발생 시간과 지속시간이 유사한 것을 확인할 수 있다. 120번째 송신 신호를 기점으로 음원 수심은 140 m에서 125m로, 수신기 수심은 130 m에서 120 m로 급격히 변화하는데, 이에 따라 해저 잔향음의 두 번째 첨두값의 세기가 상대적으로 커지며 지속시간이 급격히 짧아지는 것을 확인할 수 있다. 또한, 극좌표로 전시하였을 경우에도 전 방위에서 동일한 현상이 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
6과 7의 시계열 잔향음 세기와 비교하였을 때 상대적으로 큰 정점들이 발생하는 부근에서 레일레이 유의확률 p 값이 유의수준 0.05 미만으로 떨어지는 현상을 보였고, 그에 따라 형상 모수의 역수 1/α 값이 상대적으로 증가하였다.
수평 삼중선 배열은 예인형 선배열로 각 선배열에 삼중 센서가 위치하고 있고, 기존 수평선배열과 달리 좌우 방위 구분이 가능하다는 장점이 있다. Fig. 2와 같이 분석된 신호의 음원은 2가지 형태의 LFM 신호이며, 이 중 빨간색 원으로 표시된 위치들은 주파수 2.8 kHz ~ 3.2 kHz 대역, 펄스 길이 0.3 s의 신호들이 송신되었고, 파란색 다이아몬드 형태로 표시된 위치들은 주파수 2.5 kHz ~ 3.5 kHz 대역, 펄스 길이 1 s의 신호들이 송신되었다. 여기서 음원과 수신기의 수심은 Fig.
Table 2. Overall results of statistical analysis and K-Stest at the 0.05 level for the 2.8 kHz ~ 3.2 kHz LFMs and 2.5 kHz ~ 3.5 kHz LFMs.
본 연구에서는 동해 동남방 해역에서 LFM 음원 신호를 송신하여 삼중선 배열로 수신된 잔향음 빔 데이터를 분석하였으며, 신호 처리 이후 해저지형, 음속구조, 음원/수신기 수심이 잔향음에 미치는 영향을 분석하였다. 결과적으로 잔향음의 해저지형에 따른 거리종속 특성을 확인하였는데, 수심이 증가하는 환경에서 해저 잔향음의 최초 도달시간이 느려지고 지속시간도 증가하며, 수심이 감소하는 환경에서 최초 도달시간이 빨라지며 상대적인 세기의 지속시간도 짧아지는 것을 확인하였다. 또한, 해저 잔향음의 두 번째 강한 첨두값도 수심이 감소하는 환경에서 증가하는 환경 대비 강한 준위와 짧은 지속시간이 발생하는 것을 확인하였다.
실험 결과에서 해산으로부터 높은 산란강도가 발생하였고 해저지형과 산란강도간 높은 상관관계가 형성되는 것을 확인했다. 그로 인해 잔향음에 영향을 미치는 환경적 요인 중 지형적 특징들이 우세하다는 사실을 확인하였다.
83 %를 보였다. 대역폭이 1 kHz인 LFM 신호 결과의 경우 형상모수 중앙값은 12.22였고, K 분포와 레일레이 분포에 대한 유의확률 p의 중앙값은 모두 0.05보다 큰 값들을 보였다. 또한, 콜모고로프 스미르노프 검정에서 레일 레이 분포의 평균 통과율은 79.
해저지형 수심의 변화가 상대적으로 적은 위치에서 음원/수신기 수심의 변화는 20 m 이하의 작은 값에도 불구하고 해저 잔향음의 첨두값 세기와 지속시간에 영향을 주었는데, 음원/수신기 수심이 음속 최소층에 근접할수록 음속구조의 구배 변화로 인해 잔향음 신호가 상대적으로 약하고 길게 발생하고, 음속 최소층에 이격되어 수심이 얕을수록 신호가 상대적으로 강하고 짧게 발생하였다. 따라서, 동해와 같은 환경은 음속구조로 인한 음속 구배의 영향이 상당히 강하며, 음선 에너지의 확산 범위와 에너지 집중에 영향력을 미친다는 사실을 확인하였다.
40이었다. 또한 콜모고로프 스미르노프 검정에서 K 분포의 통과율은 최소 91.04 %에서 최대 93.89 %를 보였고, 레일레이 분포의 통과율은 최소 66.30 %에서 최대 78.29 %를 보였다. Table 4에서는 형상모수의 중앙값은 최소 11.
120번째 송신 신호를 기점으로 음원 수심은 140 m에서 125m로, 수신기 수심은 130 m에서 120 m로 급격히 변화하는데, 이에 따라 해저 잔향음의 두 번째 첨두값의 세기가 상대적으로 커지며 지속시간이 급격히 짧아지는 것을 확인할 수 있다. 또한, 극좌표로 전시하였을 경우에도 전 방위에서 동일한 현상이 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
05 보다 대부분 크게 발생하여 레일레이 확률분포와 유사한 특성을 보였다. 또한, 대역폭이 높은 고해상도 신호의 경우 더욱 레일레이 분포와 유사한 특성을 보여 동해의 실험 환경에서 지형적인 클러터가 많지 않다는 사실도 추정할 수 있었다.
55였다. 또한, 콜모고로프 스미르노프 검정에서 K 분포의 통과율은 최소 88.75 %에서 최대 91.69 %를 보였고, 레일레이 분포의 통과율은 최소 76.53 %에서 최대 82.97 %를 보였다.
05보다 큰 값들을 보였다. 또한, 콜모고로프 스미르노프 검정에서 레일 레이 분포의 평균 통과율은 79.11 %였고, K 분포의 통과율은 90.26 %를 보였다.
05보다 큰 값들을 보였다. 또한, 콜모고로프 스미르노프 검정에서 레일레이 분포의 평균 통과율은 71.83 %였고, K 분포의 통과율은 91.83 %를 보였다. 대역폭이 1 kHz인 LFM 신호 결과의 경우 형상모수 중앙값은 12.
결과적으로 잔향음의 해저지형에 따른 거리종속 특성을 확인하였는데, 수심이 증가하는 환경에서 해저 잔향음의 최초 도달시간이 느려지고 지속시간도 증가하며, 수심이 감소하는 환경에서 최초 도달시간이 빨라지며 상대적인 세기의 지속시간도 짧아지는 것을 확인하였다. 또한, 해저 잔향음의 두 번째 강한 첨두값도 수심이 감소하는 환경에서 증가하는 환경 대비 강한 준위와 짧은 지속시간이 발생하는 것을 확인하였다.
사용된 음원은 200 Hz ~ 1400 Hz의 LFM 신호와 광대역의 SUS 폭탄이고, 수신기는 수평 선배열을 통해 데이터가 측정되었다. 실험 결과에서 해산으로부터 높은 산란강도가 발생하였고 해저지형과 산란강도간 높은 상관관계가 형성되는 것을 확인했다. 그로 인해 잔향음에 영향을 미치는 환경적 요인 중 지형적 특징들이 우세하다는 사실을 확인하였다.
수신기는 수평선배열이 이용되었고, 정합 여파기를 통해 신호 대잡음비를 높이고 공간상에서 데이터와 모델링 차이를 비교하였다. 여기서 GSM(Generic Sonar Model) 모델을 이용하여 후방산란 강도를 추정하였고, 높은 스침각과 평면 반사에서 모델링 결과와 좋게 일치하는 결과를 보였다.
또한, 콜모고로프 스미르노프 검정 기법을 이용하여 잔향음 빔 포락선의 확률이 레일레이분포와 K 분포 확률에 근접하는지를 확인하였다. 이러한 과정을 거쳐 분석된 결과, 잔향음 포락선에 대한 레일레이 확률분포의 유의확률 p 값이 신뢰도 95 %의 유의수준 0.05 보다 대부분 크게 발생하여 레일레이 확률분포와 유사한 특성을 보였다. 또한, 대역폭이 높은 고해상도 신호의 경우 더욱 레일레이 분포와 유사한 특성을 보여 동해의 실험 환경에서 지형적인 클러터가 많지 않다는 사실도 추정할 수 있었다.
해상실험간 심층적인 해저지형과 지형적 클러터에 대한 조사가 이루어지지 않아 수심 및 특정 지형 변화에 따른 공간적인 확률 특성은 발견하지 못하였으나, 위와 같이 확률분석 결과를 종합하였을 때 레일레이 분포와 유사한 특성들이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 두 신호 모두 K 분포의 유의확률 p 값과 통과율은 유사하나, 대역폭이 1 kHz의 신호 결과가 대역폭이 400 Hz의 신호 결과에 대비하여 형상모수의 크기가 상대적으로 높게 발생하였으며, 이에 따라 레일레이 분포에 대한 유의확률 p 값과 통과율은 상대적으로 높게 발생했다. 결국, 대역폭이 1kHz인 고해상도 신호 결과에서 오히려 레일레이 확률 분포의 특성이 높게 발생한다는 사실은 References[10]과 [12]의 천해환경에서 지형적 클러터가 발생하는 환경과는 달리 상대적으로 심해인 동해 환경에서 지형적인 클러터가 많지 않다는 것을 추정할 수 있다.
해상실험간 심층적인 해저지형과 지형적 클러터에 대한 조사가 이루어지지 않아 수심 및 특정 지형 변화에 따른 공간적인 확률 특성은 발견하지 못하였으나, 위와 같이 확률분석 결과를 종합하였을 때 레일레이 분포와 유사한 특성들이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 두 신호 모두 K 분포의 유의확률 p 값과 통과율은 유사하나, 대역폭이 1 kHz의 신호 결과가 대역폭이 400 Hz의 신호 결과에 대비하여 형상모수의 크기가 상대적으로 높게 발생하였으며, 이에 따라 레일레이 분포에 대한 유의확률 p 값과 통과율은 상대적으로 높게 발생했다.
해저지형 수심의 변화가 상대적으로 적은 위치에서 음원/수신기 수심의 변화는 20 m 이하의 작은 값에도 불구하고 해저 잔향음의 첨두값 세기와 지속시간에 영향을 주었는데, 음원/수신기 수심이 음속 최소층에 근접할수록 음속구조의 구배 변화로 인해 잔향음 신호가 상대적으로 약하고 길게 발생하고, 음속 최소층에 이격되어 수심이 얕을수록 신호가 상대적으로 강하고 짧게 발생하였다. 따라서, 동해와 같은 환경은 음속구조로 인한 음속 구배의 영향이 상당히 강하며, 음선 에너지의 확산 범위와 에너지 집중에 영향력을 미친다는 사실을 확인하였다.

후속연구

이와 같은 해양 잔향음의 실험결과는 하계절 동해 해역에서 발생하는 해저 산란의 특성을 이해하는데 기여 될 수 있을 것으로 판단되며, 해저지형에 대한 심층 조사와 다양한 반복 실험들을 통해 보다 엄밀한 특징들이 일반화되기가 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	해양 잔향음이란?	해양 잔향음은 해저 또는 해수면 산란 등과 같이 물리적인 현상에 기인하여 발생되는데 일반적으로‘능동소나에서 음파를 송신한 이후 수신되는 신호 중 표적과 주변소음이 관계되지 않은 에너지 음원’으로 정의되고 있다. [1,2] 특히, 잔향음은 능동소나를 운용하여 표적을 탐지할 때 매우 중요한데 신호 대 잡음비 관점에서 잔향음과 주변소음의 준위를 이용하여 정규화 과정을 거치므로 탐지성능을 향상시키거나 저하시킬 수 있는 요소로 작용될 수 있기 때문이다.
	해양 잔향음은 왜 발생하는가?	해양 잔향음은 해저 또는 해수면 산란 등과 같이 물리적인 현상에 기인하여 발생되는데 일반적으로‘능동소나에서 음파를 송신한 이후 수신되는 신호 중 표적과 주변소음이 관계되지 않은 에너지 음원’으로 정의되고 있다. [1,2] 특히, 잔향음은 능동소나를 운용하여 표적을 탐지할 때 매우 중요한데 신호 대 잡음비 관점에서 잔향음과 주변소음의 준위를 이용하여 정규화 과정을 거치므로 탐지성능을 향상시키거나 저하시킬 수 있는 요소로 작용될 수 있기 때문이다.
	해저 잔향음이 능동소나를 운용하여 표적을 탐지할 때 중요한 이유는?	해양 잔향음은 해저 또는 해수면 산란 등과 같이 물리적인 현상에 기인하여 발생되는데 일반적으로‘능동소나에서 음파를 송신한 이후 수신되는 신호 중 표적과 주변소음이 관계되지 않은 에너지 음원’으로 정의되고 있다. [1,2] 특히, 잔향음은 능동소나를 운용하여 표적을 탐지할 때 매우 중요한데 신호 대 잡음비 관점에서 잔향음과 주변소음의 준위를 이용하여 정규화 과정을 거치므로 탐지성능을 향상시키거나 저하시킬 수 있는 요소로 작용될 수 있기 때문이다. 이에 따라 국내·외 연구원들은 심화된 해양환경 조사와 데이터 측정을 통해 해양환경이 잔향음에 미치는 영향과 물리적인 현상 등을 규명하기 위해 노력하였고, Table 1과 같이 여러 해역에서 다국가 연구원들과 여러 척의 선박 동원 하에 잔향음에 대한 다양한 실험들도 진행되었다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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