I. 서 론

해양포유류, 어류 등을 포함한 해양생물들은 다양한 목적으로 소리를 사용한다.^[1,2] 해양포유류 중 고래는 소리를 통해 무리들과 의사소통을 하고 먹이를 찾거나 장애물을 탐지하며,^[3] 어류는 적대적 상호작용, 구애 및 산란 중에 소리를 발생하는 것으로 알려져 있다.^[4]

해양생물에 대한 수중음향 연구는 이들이 소리를 발생시키는 기작이나 목적을 이해하거나, 음향학적 특성을 분석하고 해양생물의 행동, 생활 패턴, 크기 추정, 자원량 평가 등 생태학적 특성을 파악하기 위한 목적으로 주로 수행되어 왔다.^[3,5]

현재까지 군사적 관점에서는 해양생물이 발생시키는 음원은 주로 표적 탐지 및 통신 성능을 제한하는 요소로만 인식되었다. 그러나 최근에는 해양생물의 음향신호를 군사적 목적으로 활용하기 위한 연구가 수행되고 있다. 현재 해군에서 수중 표적을 탐지하기 위해 운용 중인 정형화된 음향 송출 신호는 표적에게 아군의 위치나 전술 운용을 노출시키는 위험이 있다.^[6] 따라서, 적으로부터 아군의 수중 감시 플랫폼을 보호하는 동시에 상대방의 수중 표적을 은밀하게 탐지할 수 있는 미래 기술 개발이 요구되고 있는 추세이다. 피탐 확률을 감소시키기 위해 해양생물이 발생시키는 소리를 송신 신호로 이용하여 표적을 탐지한다면, 표적은 음원 신호를 자연적인 생물 소리로 오인할 수 있다. 표적을 기만하기 위해 해양생물음 기반 음원 신호의 수중 감시 체계 적용 가능성이 제안됨에 따라 미국, 중국, 유럽 등은 은밀 통신 및 수중 표적 탐지 목적으로 해양 생물의 신호를 활용하는 기술 연구가 수행되고 있다.^{[7,8,9,10,11,12,13,14]} 이러한 기술은 보안으로 인하여 공개되어 있지 않으며, 국가별 또는 해역별로 서식하는 생물 종이 다르기 때문에 국내에 적용하기에는 한계가 있다. 따라서, 한반도 근해에서 서식하면서 음향을 이용하는 생물의 종류를 식별하여 표적 탐지에 적합한 해양생물음 기반의 수중 감시 기술 연구가 필요하다.

소리를 발생시키는 해양생물의 종은 다양하며, 종에 따라 소리의 발생 기작이 다르기 때문에 신호의 형태, 길이, 주파수 대역 등의 음향학적 특성이 다르다.^[15] 따라서 효과적인 재현을 위해서는 해양생물의 음향학적 특성 파악이 선행되어야 한다. 신호 재현 방법은 재현 대상 생물 종의 음향 특성에 따라 가우시안 곡선을 통해 진폭을 모의한 후 정현파를 곱하는 방법,^[16] Rayleigh의 단일 펄스를 반복하는 방법,^[8] 웨이블렛을 반복하는 방법^[17] 등으로 다양하다.

본 연구 대상인 민어(Brown croaker)는 한국 황해, 남해, 동중국해 및 일본 중부에서 주로 분포하며 체장이 최대 1 m 이상까지 성장하는 대형 어종이다.^[18] 또한, 국내 연안에서 소리를 발생시키는 대표적인 어류이며, 자산어보에서도 민어의 소리를 찾아다니면서 어획했다고 알려져 있다.^[19] 민어는 산란기인 여름철에 수컷이 암컷에게 자신을 알리거나 이동할 때 질서를 유지하기 위해 1 kHz 이하의 중심주파수를 가지는 croak 소리를 발생시킨다.^[20] 음성근육이라고 불리는 부레 외측에 붙어있는 근육이 빠르게 수축하여 부레를 진동시키면서 소리를 생성하며, 부레의 모양과 크기 차이로 인해 음향학적 특성의 변화가 발생한다.^[21]

본 연구에서는 수중 표적 탐지 목적의 음원 신호를 해양생물음 기반의 음원신호로 대체하기 위해, 해양생물 신호를 재현하는데 중점을 둔다. 국내 연안에 서식하는 민어의 음향 신호를 측정 및 분석하여 음향학적 특성을 파악하였다. 단일 음향신호를 반복하여 사용할 경우 적이 이를 탐지 신호로 인지하게 될 위험이 있으므로 다양한 민어의 울음소리를 재현하는 알고리즘을 제시하고, 재현된 광대역 음향 신호를 원음과 비교하였다.

II. 민어의 음향학적 특성

2.1 민어의 음향신호 획득 및 분석 방법

본 연구에서 민어의 음향 신호는 경상남도 통영에 위치한 수산자원연구소의 너비 약 4.8 m, 깊이가 1.5 m인 실내 육상 수조에서 측정되었다(Fig. 1). 6마리의 성체 민어(암컷 4마리, 수컷 2마리)를 대상으로 수중청음기(SM3M, Wildlife Acoustics, Inc, USA)를 이용하여 관측하였으며, 수신음압강도는 –164.6 dB re 1 V / µPa, 수신 증폭은 0 dB, 샘플링주파수는 48 kHz로 설정하였다. 수신된 민어 소리는 디지털 신호(*. wav)로 저장되었으며, MATLAB(Mathworks, USA) 음향 분석 프로그램을 이용하여 분석하였다.

Fig. 1.

(Color available online) Acoustic recording setting of the croaker call.

관측된 데이터로부터 배경소음 준위보다 높은 값을 탐지 문턱값으로 설정하여 잠재적인 민어소리를 추출한 뒤, 수동 검사를 통해 민어소리를 결정하였다. 녹음된 민어소리 중 클리핑된 신호는 분석에서 제외하였으며, 명확한 펄스 구조를 갖는 신호만을 선택하여 1,283개의 민어소리를 분석에 사용하였다. 음향학적 특성으로는 신호 길이, 펄스 개수, 펄스 간 간격(Inter-Pulse Interval, IPI), 피크 주파수, –3 dB 대역폭이 포함되었다(Fig. 2).

Fig. 2.

(Color available online) Definitions of Acoustic properties; (a) IPI (Inter-Pulse Interval) and call duration, (b) peak frequency and –3 dB bandwidth.

2.2 민어의 음향학적 특성 분석 결과

측정된 민어소리는 2가지 유형으로 분류되었다. 첫 번째 유형(683개)은 단일 펄스의 신호이며, 두 번째 유형(600개)은 2개 이상의 펄스가 연속적으로 발생하여 Train을 형성하는 신호이다(Fig. 3).

Fig. 3.

(Color available online) Examples of waveforms and spectrograms by type of croaker call; (a) type Ⅰ, (b) type Ⅱ.

유형별로 음향학적 특성들의 평균과 표준편차를 분석한 결과, 첫 번째 유형의 신호 길이는 49.7 ± 9.6 ms이며, 피크 주파수는 518.1 ± 182.2 Hz, –3 dB 대역폭은 232.7 ± 84.1 Hz로 나타났다. 두 번째 유형의 신호 길이는 194.3 ± 64.1 ms이며, 피크 주파수는 417.8 ± 166.7 Hz, –3 dB 대역폭은 251.4 ± 101.6 Hz, 펄스 개수는 8.9 ± 3.3 개로 나타났으며, 펄스 간 간격은 20.1 ± 1.4 ms 나타났다. 한 신호에서 펄스 간 간격은 약 2.4 ± 1.2 ms의 표준편차로 매우 일정하였다(Table 1).

피크 주파수의 분포를 확인한 결과, 2가지 유형 모두 피크 주파수가 약 200 ~ 600 Hz 대역에 분포하는 것으로 나타났다(Fig. 4).

Fig. 4.

Peak frequency distribution of croaker call.

III. 민어소리 재현

3.1 민어소리 재현 알고리즘

재현을 위해서 상대적으로 신호 길이가 긴 두 번째 유형의 민어소리를 이용하였다. 두 번째 유형의 민어소리는 펄스가 반복되는 형태를 띄는데, 이 때 펄스 앞부분의 진폭이 큰 파형을 주 파형, 진폭이 작은 파형을 부 파형으로 나누어서 재현을 수행하였다. 주 파형 펄스를 모델화하여 전 주파수 대역의 특성을 구현하였으며, 부 파형을 통해 피크 주파수가 형성되는 200 Hz ~ 600 Hz 주파수 대역의 특성을 구현하였다.

주 파형 펄스 모델 구현에는 fk14 웨이블렛이 사용되었다. fk14 웨이블렛은 Fejer-Korovkin 웨이블렛 중 필터 길이가 14인 웨이블렛을 의미한다.^[22] 5개의 fk14 웨이블렛을 Eq. (1)과 같이 진폭, 이동인자, 척도인자를 조정한 후 결합하여 주 파형 펄스 모델을 구현하였다(Fig. 5). 아래 식에서 A는 웨이블렛의 진폭, 𝜓는 웨이블렛, t는 시간, a는 이동인자, b는 척도인자이다.

웨이블렛 결합으로 구현한 주 파형 펄스 모델을 펄스 간 간격을 설정하고 펄스 개수 만큼 반복하여 주 파형을 구현하였다.

Fig. 5.

fk14 wavelet and main wave pulse model.

200 Hz ~ 600 Hz 대역에서 형성되는 피크 주파수 특성을 구현하기 위해, 해당 대역에서 에너지가 높은 3가지 주파수를 선정하였다. 선정한 주파수에 해당하는 정현파를 Eq. (2)와 같이 진폭을 조정한 후 결합한 뒤 윈도우를 적용하여 부 파형을 구현하였다. 아래 식에서 A는 정현파의 진폭, f는 200 Hz ~ 600 Hz 대역에서 선정한 주파수, t는 신호길이, 𝜙는 위상이다.

구현된 주 파형과 부 파형 신호를 시간 영역에서 합하여 민어소리를 재현하였다(Fig. 6). 해당 알고리즘의 주 파형 입력 파라미터는 진폭, 펄스 개수, 펄스 간 간격이며, 부 파형 입력 파라미터는 주파수 및 진폭, 신호 길이이다. 이들의 입력 파라미터를 변경시켜 가며 다양한 민어소리를 재현할 수 있다.

Fig. 6.

(Color available online) Examples of waveforms and power spectral density of the (a, b) main wave, (c, d) side wave, (e, f) reproduction signal.

3.2 민어소리 재현 결과

측정된 민어소리 중 임의의 한 신호에 대해 신호 길이, 펄스 개수, 펄스 간 간격, 피크 주파수가 형성되는 200 Hz ~ 600 Hz 대역에서 에너지가 높은 3가지 주파수 및 주파수 별 에너지 준위를 분석하였다. 분석한 특성들을 통해 Main wave 진폭, 펄스 개수, 펄스 간 간격, Side wave 주파수 및 진폭, 신호 길이를 설정하여 민어소리를 재현하였다. 두 신호 간의 유사도를 평가하기 위해 스펙트로그램 상에서 Eq. (3)로 표현되는 정규화된 2차원 상호상관(𝛾)의 최댓값을 확인한 결과 0.8525의 유사도를 보였으며, 이때 스펙트로그램의 시간 간격은 1 s, 주파수 간격은 1 Hz로 설정하였다(Fig. 7). 아래 식에서 x와 y는 시간 및 주파수, f(x,y)와 g(x,y)는 시간 x와 주파수 y에서의 스펙트로그램 값, f¯와 g¯는 f와 g의 평균이다.

Fig. 7.

(Color available online) Example waveforms and spectrograms of the (a) croaker call and (b) reproduction signal. Spectrogram of reproduction signal was cross-correlated with that of croaker call with resulting R (= 0.8525) shown.

측정된 민어소리 중 파형이 깨끗한 40개의 신호를 선정한 후 재현 신호와의 유사도를 확인하였다. 선정한 신호들의 음향학적 특성을 분석하고 각각의 신호에 적합하도록 입력 파라미터를 설정하여 민어소리를 재현한 결과 평균 약 0.86 ± 0.02의 유사도를 보였으며, 최솟값은 0.81, 최댓값은 0.9의 유사도를 보였다(Fig. 8).

Fig. 8.

Similarity between 40 coraker calls and reproduction signals calculated as the maximum value of the 2D cross-correlation of the spectrogram.

IV. 요약 및 고찰

본 연구에서는 수중 표적의 은밀한 탐지 목적을 위하여 기존에 사용하는 기계음 대신 해양생물음 기반의 음원신호로 대체하기 위해 민어소리를 재현하는 알고리즘을 제안하였다. 실제 민어소리를 측정하여 분석한 음향학적 특성을 기반으로 다양한 민어소리를 재현하였다. 또한, 측정된 민어소리와 재현한 신호의 유사도를 확인하기 위해 스펙트로그램 상에서 정규화된 2차원 상호상관의 최댓값을 확인한 결과, 약 0.86의 유사도를 보였으며, 재현한 신호가 수중 표적 탐지 목적의 음원신호로 활용할 수 있는 가능성을 확인하였다.

측정된 민어소리는 다중경로 및 잔향음 우세 환경인 수조에서 측정되었기 때문에 신호가 왜곡되어 재현 신호와의 유사도 값에 영향을 미쳤을 것으로 예상된다. 또한, 스펙트로그램 구성 방법에 따라 유사도 값이 달라지므로 실제 민어소리와 재현 신호 간의 유사도 평가 방법에 대한 추가적인 연구가 필요하다.

제안한 알고리즘은 음향학적 특성을 기반으로 민어와 유사한 발성 기작을 가지며 한반도 연근해역에 서식하는 다른 어류들에도 적용할 수 있을 것으로 판단된다. 재현한 신호는 소나 탐지신호, 생체 모방 수중음향 은밀 통신 신호, 해양생물음 자동 탐지 기법 적용 및 제거 기법 개발에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다.