초록

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천해에서 얻은 잔향음신호를 역추정 알고리즘으로 분석하여 자료수집 당시의 환경 변수인 해상풍의 세기와 해저면의 상태를 추정하는 방법에 대하여 기술하였다. 소오나 시스템과 잔향음신호 수집 당시의 환경 자료를 알고 있다면 음원에서 방사된 음파가 해수면에 처음 도달하는 시간과 수평입사각을 multipath eigenray model에 의해서 계산할 수 있고 이 정보를 이용하여 수신된 잔향음 신호를 분석하여 해수면에 의한 산란잔향음 준위와 시간을 계산할 수 있다. 해수면 후방산란강도는 수평입사각, 음원의 주파수, 해상풍의 세기 등에 의해 특징지어지며 계산된 잔향음 준위로부터 소오나 방정식을 이용하여 후방산란강도를 알아낼 수 있다. 이 후방산란강도를 입력자료로 하여 Method of Small Perturbation이론과 Chapman과 Harris가 유도한 실험식을 사용하여 입력된 값과 일치할 때까지 후방산란강도를 계산하여 이때의 환경변수를 찾아내었다. 한편 해저면 잔향음신호는 표준화된 후방산란강도값들의 PDF를 만들어 그 분포양상을 분석하였다. 본 논문에서 사용된 알고리즘의 검증을 위해서는 보다 다양한 환경하에서 실시된 많은 음향괸측자료를 필요로 한다.

천해에서 얻은 잔향음신호를 역추정 알고리즘으로 분석하여 자료수집 당시의 환경 변수인 해상풍의 세기와 해저면의 상태를 추정하는 방법에 대하여 기술하였다. 소오나 시스템과 잔향음신호 수집 당시의 환경 자료를 알고 있다면 음원에서 방사된 음파가 해수면에 처음 도달하는 시간과 수평입사각을 multipath eigenray model에 의해서 계산할 수 있고 이 정보를 이용하여 수신된 잔향음 신호를 분석하여 해수면에 의한 산란잔향음 준위와 시간을 계산할 수 있다. 해수면 후방산란강도는 수평입사각, 음원의 주파수, 해상풍의 세기 등에 의해 특징지어지며 계산된 잔향음 준위로부터 소오나 방정식을 이용하여 후방산란강도를 알아낼 수 있다. 이 후방산란강도를 입력자료로 하여 Method of Small Perturbation이론과 Chapman과 Harris가 유도한 실험식을 사용하여 입력된 값과 일치할 때까지 후방산란강도를 계산하여 이때의 환경변수를 찾아내었다. 한편 해저면 잔향음신호는 표준화된 후방산란강도값들의 PDF를 만들어 그 분포양상을 분석하였다. 본 논문에서 사용된 알고리즘의 검증을 위해서는 보다 다양한 환경하에서 실시된 많은 음향괸측자료를 필요로 한다.

AI 본문요약

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• 연구 주제
• 연구 방법
• 연구 결과

문제 정의

• 잔향음을 일으키는 산란현상을 후방산란이라 하며 해수면 산란온 음원의 주파수, 수평입사각, 해상풍의 속도의 함수로 주어지기 때문에 해수면 잔향음의 특징을 잘 나타낸다고 할 수 있으며 해저면 산란은 해저면의 거칠기에 따라 변한다. 이러한 산란강도의 특징을 이론과 실험식 등에 의해서 추정하고 실측 자료와 비교룰 퉁하여 실험 당시의 환경변수들을 역으로 추정하고자 한다.

제안 방법

• 도달시간과 전달손실준위정보 등은 음원에서 산란면적까지 한 방향으로 진행될 때 얻은 값들인 반면에 실측으로 얻은 잔향옴 신호의 시간과 전달손실은 왕복된 상황 하에서 얻어진 값들임을 고려해야 한다. 각 eigenray의 도달시간을 산란되어 돌아온 잔향음신호의 피크(peak)와 비교하여 그 도달시간에서의 잔향음 준위를 도출해 낸다. 이 값들을 소오나 방정식에 대입하여 후방산란강도 준위를 계산할 수 있고 이 시간에서의 입사각은 eigenray정보에 의해 알아낼 수 있다.
• 해저면의 상태를 추정해 보기 위하여 해저면 성분이 우세한 잔향음 자료룰 이용하였다. 같은 환경자료를 입력한 multipath eigenray model을 이용하여 해저면 잔향음이 우세한 시간대를 밝혀 낸다. 이 시간에 해당하는 실측 잔향음자료의 표준화된 후방산란강도를 계산한다.
• 실측 잔향음신호를 얻을 당시의 환경은 해상풍의 속도가 4 knot정도로 해수면은 잔잔한 상태였기 때문에 Rayleigh parameter가 1 보다 적은 경우를 적용하여 MSP 이론올 적용하였다. 또한 해상풍의 속도가 작기 때문에 해수면 산란에 기여하는 기포의 발생을 무시하고 수평입사각에 따라 후방산란강도를 구하였다. 몇 가지의 다른 해상풍의 속도를 주었올 때 MSP에 의해 계산된 후방산란강도준위의 그래프와 Chapman and Harris의 실험식에 의해 계산된 그래프를 만들었다.
• 또한 해상풍의 속도가 작기 때문에 해수면 산란에 기여하는 기포의 발생을 무시하고 수평입사각에 따라 후방산란강도를 구하였다. 몇 가지의 다른 해상풍의 속도를 주었올 때 MSP에 의해 계산된 후방산란강도준위의 그래프와 Chapman and Harris의 실험식에 의해 계산된 그래프를 만들었다. Error bar가 표시된 값들은 실측신호의 후방산란강도 값들이다(그림 2, 3).
• 이 값들을 소오나 방정식에 대입하여 후방산란강도 준위를 계산할 수 있고 이 시간에서의 입사각은 eigenray정보에 의해 알아낼 수 있다. 실측 잔향음신호를 얻을 당시의 환경은 해상풍의 속도가 4 knot정도로 해수면은 잔잔한 상태였기 때문에 Rayleigh parameter가 1 보다 적은 경우를 적용하여 MSP 이론올 적용하였다. 또한 해상풍의 속도가 작기 때문에 해수면 산란에 기여하는 기포의 발생을 무시하고 수평입사각에 따라 후방산란강도를 구하였다.
• 실측 잔향음의 튝성을 나타내는 후방산란강도를 이론식올 통해 비교하여 음파산란에 영향을 미치는 환경변수를 역으로 추정하여 보았다. 해수면 잔향음의 경우 산란에 큰 영향을 미치는 해상풍의 속도롤 추정하였으며 Perturbation이론에 의한 결과가 실혐식으로 추정한 것 보다 좀더 잘 맞는 결과를 보여 주었으며 해저면 잔향음신호는 산란강도진폭의 분포양상을 분석해 봄으로써 해저면의 상태를 추측해 볼 수 있었다.
• 아날로그 형태로 녹음된 잔향옴신호는 하나의 Ping 발사 후 4채널 수신신호를 녹음한 것으로 음원신호의 길이(pulse length)는 60 msec이다. 이중 해수면 산란신호의 채널을 8.5 khz의 sampling rate로 sampling하여 디지털 형태로 바꾼 뒤 TVG(Time Varying Gain)와 Pre-amplifier Gain, 그리고 수신감도를 고려하여 decibel scale로 변환시켰다.
• 해저면의 상태를 추정해 보기 위하여 해저면 성분이 우세한 잔향음 자료룰 이용하였다. 같은 환경자료를 입력한 multipath eigenray model을 이용하여 해저면 잔향음이 우세한 시간대를 밝혀 낸다.

대상 데이터

• 본 논문에서 사용된 해수면 잔향음 자료는 여름철 남해에서 실시한 실험에서 획득한 자료로서 고주파수의 지향성 송수신기를 수심 20m의 천해에서 깊이 10m에 위치 시켜 실험한 자료이다. 실험 당시의 수온분포는 표 1에 나타난 것과 같이 거의 수직에 가까워 음파의 굴절을 해수면으로 향하게 하여 해수면 산란음을 감지하는데 좋은 환경을 제공하여 준다.

데이터처리

• 해저면에 의한 산란영향만을 고려하기 위하여 수평입사각에의한 효과를 제거하여 Normalization된 자료를 통계처리를 하여 누적분포를 만들었다.

이론/모형

• 거친 해수면(rough surface)에 의해 산란된 음장을 계산하기 위하여 Rayleigh parameter( P= 2kσcosθ )를 이용하면 이 값이 1보다 작은 값을 갖기 위해서는 해수면이 평탄한 조건을 만족하거나 음파의 파수(k)와 주파수와의 관계식 k = 2πf/c 에 의해서 상대적으로 낮은 주파수의 적용이 요구된다. 이때 즉, 해수면이 평탄할 때의 산란음장계산의 기본 개념은 해수면 z = ζ (r) 에서의 경계조건을 ζ의 멱급수로 전개하고 z ＞ζ에서의 음장역시 ζ의 멱급수로 전개하여 거친 해수면에서의 음파산란을 해수면에 음원이 분포되어 방사되는 문제로 전환시키는 MSP (Method of Small Perturbation)이론을 사용한다[2].
• 해수면에 산란되어 되돌아오는 수신신호의 시간과 수평입사각을 알아내기 위하여 multi-path eigenray model을 이용하여 eigenray 정보를 얻는다. 이 eigenray 정보에는 산란면까지의 도달거리와 도달시간, 음원에서의 발사각과 산란면으로의 입사각, 전달손실 등의 정보가 실려 있다.

성능/효과

• 실측 잔향음의 튝성을 나타내는 후방산란강도를 이론식올 통해 비교하여 음파산란에 영향을 미치는 환경변수를 역으로 추정하여 보았다. 해수면 잔향음의 경우 산란에 큰 영향을 미치는 해상풍의 속도롤 추정하였으며 Perturbation이론에 의한 결과가 실혐식으로 추정한 것 보다 좀더 잘 맞는 결과를 보여 주었으며 해저면 잔향음신호는 산란강도진폭의 분포양상을 분석해 봄으로써 해저면의 상태를 추측해 볼 수 있었다.

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