I. 서 론
II. 해상실험 및 해양환경 자료 획득
2.1 연구 해역 및 해상 실험
2.2 해양환경 자료 수집 및 모델링 적용
III. 실해역 관측 자료 분석 및 결과
IV. 음향탐지 효과도 분석
V. 결 론
I. 서 론
수중에서의 음파 전달은 복잡한 해양 환경에 의한 다양한 요소(시/공간 음속 구조 변화, 해저 지형, 해저면 저질 성분, 해수면 거칠기 등)에 의해 영향을 받는다. 심해역의 경우 음파 전달 과정에서 시/공간에 따른 수중 음속 요소 이외에 음파가 경계면에 의한 반사 또는 산란 효과가 천해역에 비해 영향이 상대적으로 영향을 덜 받으면서 수층 내에서 전파한다.[1,2]
음파의 전달 특성은 거리 및 수심에 대한 전달 손실(Transmission Loss, TL) 값으로 표현될 수 있으며, 음파가 수중을 통과하면서 발생하는 에너지 감소를 나타낸다. 전달 손실은 수중 표적을 탐지하는 데 사용되는 능동 및 수동 소나방정식에서 중요한 파라미터로 표적의 탐지 거리 및 탐지 성능을 정확하게 예측하기 위해서는 주어진 해양 환경 정보를 반영한 전달 손실 특성의 이해가 요구된다.[3] 따라서, 음파의 전달 특성 연구는 국내·외에서 해양환경 특성을 해석 및 수중 표적을 탐지 등을 목적으로 지속해서 수행되고 있다.
대부분의 과거 연구는 주로 수심 200 m 이내인 천해 해역에서 수중음향 및 음파 전달 특성 연구가 주로 수행되었고 선배열 수신기를 이용한 정합장 처리 기법, 배열 불변성, 빔 형성 기법 등을 토대로 수중 표적의 방향성 및 위치 추정 기법 등 적용 연구들이 수행되었다.[4,5,6,7,8,9]
반면, 동해 해역과 같은 수심이 깊은 심해 해역(수심 2,000 m 이상)에서 장비 설치 및 운용에 대한 한계가 있어서 심해 해역에 대한 음향 특성 연구는 제한되었다. 심해 환경에서 수행된 연구들은 주로 난수성 소용돌이 환경이 원거리 음파 전달에 미치는 영향성 분석 연구, 장거리 수중 통신 연구, 심해 환경의 선저 부착형 소나 운용에 있어서 음영 구역을 최소화하는 운용 기법 연구 등 한정적으로만 연구가 수행되었으며 수신기가 대수심 해역 해저에 있는 경우 심해 환경에서의 음파 전달 특성 연구는 현재까지 부족한 실정이다.[10,11,12]
최근 들어 수중음향 장비의 발전과 심해역 수중 감시 시스템의 필요성이 대두됨에 따라 선진국에서는 대수심 해역에서 음파 전달 특성 분석 연구 및 음원과 수신기 사이의 직접적인 경로를 나타내는 신뢰 음향 경로(Reliable Acoustic Path, RAP) 연구가 진행되고 있다.[13,14,15,16,17,18]
심해역에서 해저면에 음향 수신기가 위치하는 경우 시변 수중 환경(수중 음속 구조)에 따른 탐지성능 변동성이 낮고, 음영 구역이 적어 신뢰 음향 경로를 포함하는 원거리에서도 안정적인 수중 음원 탐지 및 위치 추정이 가능하다고 알려져 있다.[19]
본 논문에서는 우리나라 심해 해역인 동해 수심 2,000 m 이상 해역에서 저주파수 대역의 음파 전달을 측정 및 분석하였다. 포물선 방정식(Parabolic Equation) 기반 음파 전달 모델(Range-dependent Acoustic Model, RAM)[20] 을 이용하여 음파 전달 모델링을 수행하였고, 측정 결과와의 비교 및 분석을 수행하여 심해 환경에서의 저주파 대역의 전달 손실 특성을 확인하였다.
본 논문의 구성은 다음과 같다. 제II장에서는 해상 실험 및 해양환경 자료 획득 방법에 대해 설명하고, 제III장에서는 음파 전달 해상 실험 및 모델링 분석 결과를 비교 및 분석하여 검증하였다. 제IV장에서는 검증한 모델 결과를 기반으로 음향 탐지 효과도 분석을 수행하였으며, 마지막으로 제V장에서는 결론에서 본 연구의 효용성을 확인하였다.
II. 해상실험 및 해양환경 자료 획득
2.1 연구 해역 및 해상 실험
본 연구는 한국해양과학기술원(Korea Institute of Ocean Science & Technology, KIOST)의 주관으로 조사선 온누리호(R/V Onnuri)를 이용하여 실험을 수행하였고, 조사 해역은 동해 중북부 해역에 위치한 수심 약 2,000 m 이상의 해역을 선정하였다. 수중청음기를 계류한 지점부터 북쪽으로 약 7 km 떨어진 해역은 비교적 수심이 평탄한 지역이지만 계류 지점의 최근접거리(Closest Point of Approach, CPA) 이후부터 연안으로 가까워질수록 해저 지형이 오르막의 지형 특성을 가지는 해역이다(Fig. 1).
전달 손실 관측을 위하여 수신기(수중청음기)는 보유하고 있는 디지털 자동 기록식 수중청음기(Iclisten SC35, OceanSonics)를 수심 1,822 m 지점에 설치하였다. 계류 방법은 수중에 I자 형태로 계류하였으며, 2022년 2월 28일 22시 30분부터 3월 1일 02시 10분까지 겨울철 약 3시간 40분 동안 전달 손실 자료를 측정하였다. 수중청음기의 운용 수심은 수심-수온 센서(RBR duet T.D, RBR Ltd.)를 설치하여 획득한 자료를 통해 운용 수심을 확인하였다(Fig. 1).
송신기는 조사선에서 저주파 음원(Low-frequency Sound Source, ㈜Sonartech)를 수심 약 50 m를 유지하며 평균 5 knots의 속도로 예인 및 신호를 송신하였다. 이 때 송신 신호는 연속파(Continuous Wave, CW)의 주파수 200 Hz의 음원 준위 162.7 dB @ 1 m로 설정하고 사전에 설계한 정선(약 29 km)에 따라 이동하면서연속으로 신호를 송신하였다.
2.2 해양환경 자료 수집 및 모델링 적용
심해 해역에서 측정한 저주파 대역의 전달 손실 값의 비교 및 분석을 위하여 음파 전달 모델링을 모의하였다. 음파 전달 모델링은 저주파 대역에서 주로 사용하는 RAM 모델을 사용하였다.[20] 모델링 수행시, 정확한 결과를 모의하기 위해서는 해당 해역의 음속 구조, 해저 지형, 해저퇴적물, 퇴적층 지음향 인자를 파악해야 한다. 본 연구에서는 조사 해역에서 Conductivity-Temperature-Depth(CTD), (eXpendable BathyThermograph(XBT)를 이용하여 측정한 자료를 기반으로 내삽법을 이용하여 음속 DB를 구축하였으며, 음파전달 측선(위/경도)에서 추출한 음속구조를 활용하여 음향탐지 효과도 분석에 활용하였다. 또한, MBES, Chirp, Sparker 등 지구 물리 관측을 통해 해저 지형 및 해저 하부 지층구조도 관측 및 분석을 통해 보유한 자료를 활용하였다. 음향학적으로 영향을 미치는 해저면 하부 지층은 총 2개(Layer 1, Layer 2)로 확인되었으며 해저 퇴적물 정보는 표층 퇴적물 채니기및 피스톤 코어 관측을 통해 평균 입자 분포(Mean Grain Size, MGS) 및 저질 분석을 수행하였다. 해저면 하부 지층의 지음향 인자는 Piston core 관측을 통해 획득한 시료 분석과 해저면 하부 지층 해석 자료 기반으로 Biot-Stoll model을 이용하여 저주파 대역(200 Hz)의 퇴적층 지음향 인자인 음속, 밀도, 감쇄 계수를 역산하였다. 해저면 하부 지층 Layer 1의 음속, 밀도, 감쇄 계수는 각각 1,433 m/s, 1.39 kg/m3, 0.034 dB/m/kHz으로 역산되었으며, Layer 2는 기반암으로 가정하여 음속, 밀도, 감쇄 계수는 각각 4,850 m/s, 2.5 kg/m3, ~0 dB/m/kHz으로 고려하여 음파 전달 모델링을 수행하였다(Fig. 2).[21,22]
III. 실해역 관측 자료 분석 및 결과
전달 손실 준위는 송신 준위와 수신 준위의 차이를 통해 계산할 수 있으며, 이 때 수신기에 수신된 신호는 송신한 주파수 대역만을 고려하기 위하여 대역 통과 필터를 적용하여 분석하였다.
실측한 전달 손실 분석 결과는 저주파용 음파전달 모델인 Range-Dependent Acoustic Model(RAM)을 적용하고 Pekeris 도파관 환경을 가정하여 예측한 전달 손실 값과 비교하였다. Pekeris 모델은 천해를 단순한 두 개의 등속 유체층으로 구성되었다고 가정하는 모델로서, 음파 전달에 영향을 미치는 각 인자별 음파 전달 특성을 이해하는데 사용되고 있다.[23,24,25,26] Pekeris 도파관에서 음파는 최초에 구형 분산으로 전파되다가 해수면, 해저면과 같은 경계조건에 의해 원통형 분산으로 전환되는데, 이론적인 전달 손실 계수(A)를 산출하여 Eq. (1)과 같이 표현할 수 있다.[27] 이 때, R은 음파의 전파 거리를 나타내며, 구형 분산과 원통형 분산에서 전달 손실 계수(A)는 각각 20, 10을 갖는다.[28]
Fig. 3는 저주파 전달 손실의 실측 자료와 모델링 결과, 그리고 실측 및 모델링 비교 분석 결과를 나타내었다. 먼저 Fig. 3(a)는 측정한 전달 손실의 결과를 보이며, 파란색 선은 심해 해역의 저층에 위치한 수중청음기에서 획득한 자료 기반 200 Hz 전달 손실을 나타내었으며, 빨간색 선은 이동 평균 기법을 적용하여 나타내었다. 심해 해저 수심이 평탄한 지역에서는 전달 손실 계수가 약 20에 근접한 결과를 보였으며, 오르막 지역에서는 전달 손실 계수가 수심에 따라 다르지만 약 17 ~ 19 범위로 나타났으며, 이는 음파가 하향 굴절함에 따라 해저면 반사 손실에 의한 영향이 작용했다고 판단된다. Fig. 3(b)의 모델링 결과에서도 심해 평탄한 해역에서는 전달 손실 계수가 20, 오르막 지역에서는 전달 손실 계수가 약 16 ~ 19 범위로 나타났다. Fig. 3(c)의 전달 손실 경향이 실측값과 모델링 결과가 유사한 형태를 보였다.
심해 평탄한 해역에서는 저주파 음파 전달 손실이 구형 분산으로 나타나는 특성을 보였으며, 음원이 수신기에 근접하는 최 근접위치부터 수심이 얕아지는 20 km 떨어진 지점인 오르막 지역까지는 다중경로 및 음파 수렴에 의해 상대적으로 전달 손실 계수가 약 20으로 나타나는 특성을 보였으나, 수신기 및 음원이 20 km 이상 떨어진 지점에서는 연안 지역의 급격한 수심 변화로 인하여 전달 손실 계수가 약 17 정도로 나타남을 확인하였다.
IV. 음향탐지 효과도 분석
심해 해역의 해저면에 센서가 존재하는 경우 음영 구역이 적어서 원거리에서도 안정적인 탐지가 가능하다고 알려져 있다. 따라서, 본 연구에서는 심해 환경에서의 관측된 전달 손실 결과를 기반으로 수심별 및 계절별 음향 탐지 효과도 분석을 수행하였다. 이 때, 일반적으로 전방위 수중 표적의 균등한 음향 탐지 특성을 확인하기 위하여 3개의 수동 선배열 중심위치로부터 동일한 거리만큼 이격하였으며, 각 선배열 센서 축방향 간의 사잇각은 120°로 정의하여 음향 탐지 효과도 분석을 수행하였다.[29,30]
먼저, 계절에 따른 특성을 확인하기 위하여 여름철과 겨울철 각각 전달 손실 및 음향 탐지 환경 분석을 수행하였다. 또한, 수심에 따른 특성을 확인하기 위하여 표층 100 m에 센서를 설치하였을 경우와 저층 수심 2,000 m에 센서를 설치하였을 경우를 가정하여 음향 탐지 환경 분석을 수행하였다.
음향 탐지 환경 분석은 누적 탐지 확률(Cumulative Probability of Detection, CPD) 분석을 토대로 방위 탐지 효과도 분석을 수행하였으며, 도달 방향(Direction Of Arrival, DOA)을 추정하여 위치 탐지 효과도 분석을 수행하였다. 누적 탐지 확률을 계산하기 위해서 Eq. (2)와 같이 각 수동 선배열에서 계산된 수동 신호 초과(Passive Signal Excess, PSE) 값을 도출하였다.[1,31]
Eq. (2)의 𝜎값은 신호 초과 이득의 표준편차이며 경험에 의한 해상시험 값인 8 dB를 적용하였다. 누적 탐지 확률은 3축에 대한 탐지 확률을 공간적으로 융합시키는 개념을 이용하였으며, 각 영역에 대한 탐지 확률을 누적하여 계산하였다[Eq. (3)].[1,31]이 때, 탐지 거리는 탐지 확률을 50 % 기준을 설정하여 도출하였다.
탐지 효과도 분석을 위한 수중 표적의 수심은 100 m, 음원 준위(Source Level, SL)는 130 dB, 수중소음 준위(Noise Level, NL)는 각각 표층(수심 100 m)에서 71 dB, 저층(수심 약 2,000 m)에서 각각 71 dB, 66 dB(하계/동계 시기 실측 평균 수중소음 준위), 지향지수(Directivity Index, DI)는 48채널로 16 dB, 탐지문턱(Detection Threshold, DT)은 0 dB로 가정하였으며, 각각 위 값으로 설정하고 효과도 분석을 수행하였다.
반면, 위치 탐지 효과도 분석은 크래머-라오 하한(Cramer-Rao Lower Bound) 방법을 이용한 방위 오차 최소 분산식을 이용하였다[Eq. (4)].[32]
Eq. (4) 및 Park et al.[32]이 제안한 방법을 이용하여 도출된 방위 오차의 최소 분산을 통해 몬테카를로 시뮬레이션(Monte-Carlo Simulation)을 수행하여 방위 오차 각을 계산하였으며, 각 배열 센서의 위치와 탐지 시 방위 오차로부터 위치 추정 거리 오차를 계산하였다.
계절별 분석을 위하여 우리나라 대표 계절인 여름철 및 겨울철 환경에서의 RAM 음파 전달 모델링을 이용한 전달 손실 특성 분석 결과, 수심 약 2,000 m의 저층 부근에 센서가 위치하였을 경우를 가정하였다. 동일한 위치 및 환경에서 여름철에는 전달 손실에 따른 음파의 하향 굴절로 인하여 탐지 거리는 수심의 약 5배로 나타났으며, 겨울철에는 탐지 거리가 수심의 약 7배인 14 km ~ 15 km까지 확인되었다[Fig. 4(a), 4(b)].
수심별 음향 탐지 환경 분석 결과, 3개의 수동 선배열 센서가 표층인 수심 100 m에 위치할 경우에는 음속 구조에 의해 음파가 하향 굴절되기 때문에 탐지 확률 50 %를 기준으로 표층에서 동계/하계 시기 모두 탐지 거리가 약 10 km ~ 15 km 이내로 상대적으로 낮게 나타났다. 이 때 수중 표적의 방위 추적을 위한 위치 탐지는 표층에서 약 10 km 이내에서 거리 오차가 낮게 나타나는 성능을 보였다[Fig. 5(a) ~ 5(d) 좌].
반면, 3개의 수동 선배열 센서가 저층 수심 2,000 m에 위치하는 환경에서는 3개의 선배열 센서 중심을 기준으로 반경 15 km 이내에서는 탐지 확률이 상대적으로 높게 나타났으며, 탐지 거리가 최대 약 20 km 까지 높게 나타나는 경향을 보였다. 마찬가지로 거리 오차는 약 15 km ~ 20 km 이내에서 낮게 나타나는 경향을 보였다[Fig. 5(a) ~ 5(d) 우].
V. 결 론
본 연구에서는 겨울철 동해 중북부 해역의 심해 환경에서 저주파수 대역의 음파 전달 관측을 수행하였으며, 관측된 전달 손실 결과와 정밀 해양환경 자료 기반으로 모의된 전달 손실 모델링 결과의 비교 및 분석을 수행하여 검증하였다. 그 결과, 저주파 전달 손실의 실측 값과 모의된 모델링 값의 경향이 유사하게 나타남을 확인하였으며, 심해 평탄한 해역에서는 전달 손실 계수가 20으로 나타났으며, 심해에서 천해로 수심이 변화하는 해저면 지형이 오르막 해역에서는 전달 손실 계수가 약 17 ~ 19로 나타났다.
또한, 획득한 자료를 토대로 음향 탐지 효과도 분석을 수행하였다. 해저면에 위치한 센서에서는 약 15 km까지 탐지거리가 상대적으로 길게 나타나지만, 표층에 위치한 센서는 음파의 하향 굴절로 인하여 해저면 반사, 음영대, 음수렴대가 나타나게 된다. 따라서, 본 연구에서는 음영대가 나타나지 않는 최소 탐지거리를 기준을 두고 저층(수심 2,000 m) 및 표층(수심 100 m) 환경에서 효과도 분석을 수행한 결과, 표층보다는 저층에 수동 선배열 센서가 위치할 경우에 누적 탐지 확률이 상대적으로 넓은 범위에서 높게 나타났으며 거리 오차도 상대적으로 넓은 범위에서 낮게 나타나는 것을 확인하였다.
종합적으로 본 연구를 통해 동해 심해 환경에서의 음파 전달 특성을 확인하였으며, 본 연구 결과를 통해 향후 심해 해역에서의 센서 배치 효과도 분석 및 수중 음원 위치 추정 연구 등에 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
