I. 서  론

전파를 이용한 육상에서의 통신과 달리, 음파를 이용한 수중음향통신은 다양한 환경 변수를 고려해야하는 복잡성을 지니는 열악한 수중환경 때문에 많은 어려움이 따른다. 음파는 그 전달속도가 육상에서의 전자파 통신에 비해 매우 느림은 물론 시･공간 변동성이 큰 수중채널 특성으로 인하여 정확한 데이터 전송에 방해요소들이 많다.^[1,2] 수중에서 음파가 전파됨에 필연적으로 발생하는 확산, 흡음 손실과 해수면/해저면 에서의 반사와 산란현상으로 인한 손실과 같은 다양한 전달손실이 발생한다. 또한 다양한 배경 잡음, 해류의 영향으로 송･수신기 의 이동으로 인한 도플러 현상, 수중에서의 시공간적인 속도구배로 인한 음선의 굴절, 다중경로로 인한 지연확산의 특성 등은 수중음향통신에 아주 큰 장애요소들이다.^[3] 이처럼 많은 제약조건들은 수중음향통신을 매우 어렵게 만드는데, 그 중 대표적인 방해요소는 크게 다중경로와 음속구배로 인한 굴절을 들 수 있다.

첫째로, 음파의 다중경로 현상은, 해수면과 해저면으로 이루어진 수중채널이 일종의 음파의 전달을 유도하는 도파관(wave guide)의 역할을 하기 때문에 생기는 현상이다. 이러한 다중경로 전달특성으로 기인한 지연확산은 통신에 있어서 중요한 신호 간 간섭을 일으켜서 신호의 크기와 위상을 변화시키는 왜곡현상을 가져온다.^[4,5] 현재 이러한 문제점을 해결하기 위해 많은 연구들^[5-9]이 진행되고 있다. 두 번째로, 시변동성이 큰 해양환경에서의 음파굴절은 통신의 가능여부를 첫 번째로 결정하는 요인이라 할 수 있다. 음파의 굴절로 인한 수신기에 도달여부, 그리고 도달한 음파의 세기(intensity)가 통신이 가능한 일정수준 이상이 되어야 한다. 2013 년 제주 동방해역의 채널 측정 실험(Jeju Acoustic Communication Experiment 2013; JACE13)^[10]에서 측정한 채널 임펄스 응답(Channel Impulse Response, CIR)은 송･수신기 수심, 그리고 시변동적인 음속전파 환경에 따라 크게 변화하는 특성을 보여줬다. 실험한 해역은 수온약층이 발달되어 있는 천해역으로 송･수신기의 수심에 따라 수중음향 통신 시스템의 성능에 영향을 미친다는 Siderius et al.^[11]의 연구결과처럼 채널 임펄스 응답 변화가 송･수신기 위치에 따라 큰 차이를 보여줬다.

그 실험을 계기로 본 연구는 수온약층이 발달한 천해역 환경에서 시변동성이 있는 음속구조에 따른 음향신호 전파의 변화를 분석하기 위해 시작되었다. 기존의 국내 근해에서의 계절 또는 시간 변화에 따른 음속분포의 변화로 인해 달라지는 전달손실에 관한 연구^[12-14]가 수행되어졌지만, 수중음향 모뎀 통신 성능관점에서 바라본 음파의 전달 특성 즉, 각 경로의 크기 변화 및 시간지연 특성 등에 대한 체계적인 통계적 특성 분석에 대한 연구는 미약한 실정이다.

따라서 본 논문에서는 수심 약 100 m 천해역 환경에서 송･수신기 위치와 거리 그리고 변화하는 음속구조에 따른 채널 임펄스 응답의 변화추이를 음선이론(ray theory)기반의 음파전달모델 벨홉(BELLHOP)^[15]을 활용한 수치 모의실험을 통해 관찰하고 분석하였다. 물론 해류의 영향으로 인한 송･수신기의 위치의 변화도 있겠지만, 본 연구에서는 송･수신 위치가 고정되어 있을 때의 음속구조의 변화에 따른 채널 임펄스 응답변화에 초점을 맞췄다. 송･수신기 사이의 거리는 1, 2, 4, 8 km 송신기 깊이 20, 60, 80 m 수신기 깊이 10 m에서 10 m 간격으로 90 m까지 각 거리 조건별로 모의실험을 하였다. 사용한 음속구조 데이터는 제주도 동방해역(Fig. 1)에서 2일 동안 측정한 20개의 음속구조 데이터를 이용하였고, 채널 임펄스 응답 변화 분석은 각 실험 조건별로 전달손실이 가장 작은 3개 음선경로로 한정하였다. 천해역 수중음향채널은 해수면 및 해저면에서의 반사와 산란 효과에 의해 큰 영향을 받기 때문에,^[16] 신뢰성 있는 해수면, 해저면에서의 반사손실의 영향을 모의실험에 적용하기 위해서, 해수면, 해저면 반사손실 대한 지금까지의 연구 동향을 조사하고 파악하여 반사손실 모델을 선정하였고, 그 모델들의 정확한 입력 파라미터 추정을 위해 실험해역의 지음향 인자를 예측할 수 있는 연구결과^[17]와 JACE13 실험 해역의 취득 데이터를 적용하였다. 본 논문의 연구는 한국 근해에 보편적으로 존재하는 수온약층과 그것이 발달한 천해역 환경에서 송･수신기 사이의 거리, 그리고 각각의 수심과, 시간에 따라 변화하는 음속구조에 따른 채널 임펄스 응답 변화를 통계적으로 고찰해보는 시도이고, 이를 통해 비슷한 환경에서의 수중음향 통신 시스템의 성능을 예측, 분석하는데 도움이 될 수 있을 것으로 기대한다.

본 논문의 구성은 다음과 같다. II장에서는 본 연구의 모의실험에 적용할 해수면, 해저면 반사모델에 대해서 설명한다. III장에서는 모의실험을 위한 JACE13 실험 환경을 모의구현하고 실험방법에 대해 설명한다. IV장에서는 거리와 송･수신 위치 그리고 변화하는 음속구조에 따른 채널 임펄스 응답의 변화에 대한 통계적 특성을 살펴본다. 그리고 마지막 V장에서 결론을 제시하고자 한다.

II. 반사 손실 모델

2.1 해수면 반사모델의 선정

초기의 해수면 반사모델들은 해수면의 거칠기로 인한 손실에 초점이 맞춰져 있어서 해수면 반사손실을 계산할 때, 해수면 근처에서의 공기방울에 의한 음선의 굴절, 산란효과는 고려하지 않았었다.^[19,20] 초기의 해수면 반사모델들을 기반으로, Marsh et al.^[21]과 Beckmann et al.^[22]의 연구를 통해 실해역 실측 데이터와 오차를 줄이는 연구가 이뤄졌고, 새로운 여러 해수면손실 모델들이 개발 되었지만,^[23,24] 실제 바다에서의 실측값과 동일하지 않다는 것이 점차 알려졌다.^[20] 그 후 Ainslie et al.^[25]은 바람에 의해 해수면 근처에서 생성된 공기방울로 인한 음선의 굴절효과로 인한 손실이 상당하다는 것을 실제 해상실험 결과를 통해 보였다. 최근 Jones et al.^[20]은 기존의 해수면 거칠기만을 고려한 모델들 중에서 바다실험 결과와 가장 일치한 SSA 모델^[26]과 Reference 25에서 제안한 공기방울에 의한 굴절효과를 종합해 복잡한 식을 단순화해 선형 근사를 적용한 SSA 모델을 개발하였다. 이 모델은 Eq.(1)과 같이 표현이 되며, 본 연구에서는 이 모델을 해수면 반사손실 모델로 채택하여 모의실험에 적용하였다.

여기서 와 는 각각 주파수(단위: Hz)와 바람속도(단위: m/s)이다. 이 식의 특징은 기존의 여러 모델들과 달리 수평입사각을 적용할 수 없는 것인데, 이 식은 깊이와 바람속도의 함수로 표현되는 공기방울 생성모델에서 유도되었기 때문이다.^[25] 해수면 근처에서의 존재하는 공기방울은 입사하는 음파의 음속을 감소시키는데, 순간적으로 변하는 음속에 영향을 받아 스넬의 법칙에 의해 공기방울이 생성된 해수면 근처에서는 입사각이 바뀐다. 즉 바람과 공기방울 생성의 관계를 알고 있을 때, 공기방울 생성과 음속 변화 관계를 안다면, 바람과 음속 변화의 관계를 알 수 있을 것이다. 그러면 해수면 근처에서의 바람과 입사각의 관계를 수학적으로 모델링 할 수 있고, 마지막으로 이것을 기존의 반사모델에 적용하기 때문에 Eq.(1)과 같은 최종적인 모델에는 주파수와 바람속도만의 함수로 표현이 가능하다.

2.2 해저면 반사모델의 선정

해저면 반사손실 모델은 앞서 다뤘던 해수면 반사모델에 비해서 상대적으로 많은 발전이 이뤄졌고, 주로 언급 되어지는 해저면 반사손실 모델에는 Rayleigh 모델,^[27] Biot 모델,^[28] APL-UW 모델,^[29]과 같은 주요 모델 등이 있다. Rayleigh 모델은 매질 사이의 밀도와 음속차만을 이용하여 음선의 입사각의 함수로 나타낸 간단한 모델이지만, 단편적인 정보만 입력인자로 사용되는 식인만큼 정확성은 높지 않다는 단점이 있다. Biot모델은 상당히 정확하다고 알려져 있는 모델이지만 13개 이상의 지음향 인자에 대한 정확한 정보를 입력해야 한다는 단점이 있다. 실제로 모든 지음향 인자를 아는 것은 매우 복잡하고 어려우므로 거의 잘 사용하지 않는다.^[30] APL-UW 모델은 해저 구성 물질의 평균입도를 추출한 지음향인자를 활용하여 Rayleigh 반사모델에 적용, 개선하여 해저면 반사손실을 계산할 수 있는 모델이다. 이 모델의 경우 식에서 파수비는 주파수를 포함하지만, 실제 모델에서는 해저 퇴적물의 평균입도와의 상관관계로 표현한 실험식으로 비교적 정확도가 높아 현재 음전달모델에 널리 이용되고 있다.

본 논문에서는 모의실험에 적용할 해저면 반사손실 모델로 APL-UW 모델을 선정하였는데, 이 모델을 선정한 이유는 첫째, 모의실험에 설정한 주파수가 6 kHz로 주파수가 20 kHz 이하에서는 산란효과가 손실에 미치는 영향이 미약하기 때문이다.^[31,32] 두 번째로, Park et al.^[30]은 주파수 60 kHz 이하의 경우 이 모델 예측치와 실측치가 거의 일치한다는 것을 실험을 통해 보였다는 점이다. APL-UW 모델은 Eq.(2)와 같이 표현된다.

여기서 는 해저면 반사손실, 은 수평입사각, 는 밀도비, 는 파수비, 는 음속비, 는 손실인자를 뜻한다. 이 식에서 파수비는 주파수를 포함하지만, 실제 모델을 활용할 때는 모든 입력인자가 평균입도에 의해 단일 변수화 되어 음속비와 손실인자로 표현되므로, 주파수에 영향은 Eq.(2)에서 무시된다.

III. 수치 모의 실험

3.1 모의실험 목표

2013년 4월 30일부터 5월 1일까지 2일간에 걸쳐, 제주도 동북동 방향으로 약 30 km 떨어진 해역(Fig. 1)에서 장거리 수중음향 통신 채널 분석을 위하여 채널 측정 실험을 실시하였다(자세한 내용은 Reference 10, 18 참고). 실험해역의 수심은 90 ~ 100 m 정도로 전형적인 수온약층의 음속 구조(Fig. 3)였다. 이 실험에서는 1개의 송신 센서와 4개의 수신 센서를 이용하여, 거리 1, 2, 4, 8 km에서 송신 깊이 20 m, 60 m 그리고 수신 깊이 10, 20, 40, 60 m에서 신호를 수집하였다(Fig. 2).

Byun et al.^[18]은 이 실험을 통해 한국 근해에 보편적으로 존재하는 계절적 수온약층이 음향 신호 전달에 미치는 영향을 다양한 거리, 송･수신기 수심에 따라 관측한 실측데이터를 통해 분석하였다. 분석결과 수신기의 수심에 따라 임펄스 크기 차이가 크게 나타났고, 송신기의 수심이 깊을 때는 수신기의 수심을 깊게 하는 것이 신호 준위가 높게 나왔다. 그리고 수온약층에 의한 음향 신호 트랩핑 효과가 장거리 신호 전파에 중요한 채널을 형성에 기여하는 것을 설명했다. 본 연구는 JACE13 실험에서 이뤄지지 못했던 좀 더 다양한 송･ 수신기 수심을 추가한 모의실험을 통해 수온약층이 음향 신호 전달에 미치는 영향을 좀 더 다양한 실험 조건에 따라 수치적으로 자세히 관찰하고, 또한 시변동성이 있는 음속구조에 따른 음향신호 전파 변화의 통계적 특성을 분석해 보고자 한다.

3.2 JACE13 실험 환경 모의 구현

본 절에서는 본 논문의 연구 배경이 된 JACE13 실험 환경을 모의실험을 위해 구현한다. 이 해역의 해상환경을 구현하기 위해서 이곳의 지음향 파라미터를 추정할 수 있는 연구 결과인 Reference 17의 Fig. 2.3.3과 Table 3.2.2를 참고해 Table 1과 같이 해저면 환경을 구성하였고, 음속구조 데이터는 해당해역에서 2일 동안 측정한 20개의 데이터(Fig. 3)를 이용하였다. 사용한 음향 신호 주파수는 6 kHz이고 음선 각도는 이며 Eq.(1)에 적용할 바람속도는 실해역에서 측정한 평균 바람속도 9 m/s로 설정하였다. 해저면의 지형은 평탄한 것으로 가정하였고, 실험해역의 해수면의 유동 및 그에 따른 파형은 고려하지 않았지만, 해수면의 유동과 파형에 따른 반사손실은 이미 해수면 반사모델인 Eq.(1)에서 감안했으므로 충분히 해상 환경 모의구현이 가능할 것으로 판단된다.

Fig. 4(a)는 고정된 여러 주파수별 바람속도에 따른 해수면 반사손실을 나타냈고, 실선으로 표기된 것은 본 연구에서 사용한 주파수 6 kHz이다. 본 연구에서는 측정한 평균 바람속도 9 m/s를 Eq.(1)에 적용하여 해수면 반사손실을 10.5 dB로 가정했다.

Fig. 4(b)는 여러 퇴적물의 평균입도에 따른 지음향 매개변수를 이용하여 평균입도별, 수평입사각에 따른 해저면 반사손실을 나타냈고, 실선으로 표기된 것은 실험해역에서의 추정되는 퇴적물의 평균입도 3.0 일 때이고, 는 로그스케일로 나타낸 평균입도 크기의 단위이다.^[17]

3.3 모의실험 방법

Fig. 5는 모의실험 과정을 도식화 한 것이다. 모의실험방법은 앞서 언급한 환경정보와 실험해역에서 2일 동안 획득한 음속구조 데이터(Fig. 3)를 이용해 벨홉 음향 모델로 20개의 채널 임펄스 응답을 각 송･수신 수심별로 구했다. 그리고 음선이론 기반 수치모델 코드에 적용해 모든 음선에 대한 반사 각도를 구해 II장에서 설명했던 해저면 반사모델을 적용했다. 해수면 손실은 Eq.(2) 특성상 입사각 정보가 쓰이지 않으므로 평균 바람속도 9 m/s일 때의 손실에 해수면 반사 횟수를 곱하여 계산하였다. 그리고 반사손실 모델과 벨홉에서의 반사손실 중복 계산을 피하기 위해 벨홉 모델에서는 전반사가 일어나는 설정을 하였다. 마지막으로 종합적인 여러 손실이 반영된 음선들을, 진폭의 크기순으로 3개의 음선을 분리한 후 다시 가장 빨리 도착하는 시간 순으로 재배열하였다. 그래서 각 수심별 전달손실과 음전달시간의 평균과 표준편차, 그리고 음속구조에 따른 전달손실과 음전달시간의 최대차이를 각각 구하였다.

본 연구에서 음전달 분석을 3개의 음선으로 한정한 이유는, 다양한 수심에 도달하는 음파를 특정한 전달손실의 기준 이상 또는 이하로 분리한다면 9개의 수심별로 음파의 개수가 차이가 매우커질 수 있다. 그에 따라 각 수심별로 체계적으로 분석하기에 난해하고 복잡한 문제점이 생기기 때문이다. 단기간의 변화하는 음속구조가 음향 신호 전달 변동에 미치는 영향을 분석하는 본 연구의 목적상 일관성 있는 분석과 분석결과 해석의 용이성을 위해 각 수심별로 도달하는 음선의 개수를 3개로 정하였다. 그래서 최종적으로 3개의 음선을 구해 그 음선의 출발각도를 음선이론 기반 수치모델 코드에 적용하여 관심 있는 3개의 고유음선을 모델링 하였다(Fig. 6 참조).

모의실험 설정은 JACE13 실험 설정에 송･수신기 위치를 추가하여 송신기 깊이 20, 60, 80 m와 수신기 깊이 10 m에서 10 m 간격으로 90 m까지 거리는 1, 2, 4, 8 km로 하였다. 그리고 본 논문에서는 거리와 송･수신 깊이에 따른 실험 설정을 알아보기 쉽게 송･수신기 깊이를 알 수 있는 숫자로 표기하여 Table 2와 같이 나타냈다.

예를 들어 Fig. 7의 경우 x축에서 번호의 십의 자리의 10배는 송신기 깊이를 뜻하고, 일의 자리의 10배는 수신기 깊이를 뜻한다. 즉 번호 25는 송신기 깊이 20 m, 수신기 깊이 50 m를 뜻한다.

IV. 결과 및 토의

4.1 실험해역의 음속구조를 이용한 음선모델링

Fig. 6은 1 km, 8 km와 송신 깊이 20, 60, 80 m 그리고 모든 수신 깊이 10 ~ 90 m에 대해 각 실험 조건별로 고유음선을 나타낸 그림이다. Fig. 6의 First는 가장 빨리 도착한 음선을 뜻한다(예를 들어 그림의 First는 가장 빨리 도착한 음선이지만 진폭 크기는 Second 또는 Third가 클 수 있다). 거리 1 km의 경우는 8 km 경우에 비해 전반적으로 음 전달 형태가 단순하며, 송신 깊이와 상관없이 모든 수신점에서 해수면, 해저면 반사 횟수가 대체로 고른 편이다[Fig. 6(a), (b), (c)] 거리 8 km 경우에는 송신 깊이가 수온약층 위일 경우[Fig. 6(d)]는 전반적으로 전파 형태가 수신 깊이가 수온약층 위, 아래에 따라 나뉜다. 수신 깊이 역시 수온약층 위에 있을 경우 일부 해표면 도파관(surface duct)이 생성될 수 있고, 수신 깊이가 얕을수록 음선은 해저면 반사만 일어나는 편이다. 반면에 수신 깊이가 수온약층으로 진입하면 이때부터 수심이 깊어질수록 수온약층의 영향을 받아 해저면 반사 횟수가 해수면 반사 횟수보다 많아지기 시작하며 점차 수신 깊이가 깊어질수록 해수면 반사성분은 없다. 송신 깊이가 수온약층 약간 아래쪽 60 m와 수온약층 아래 80 m에 위치하면[Fig. 6(e), (f)] 이때는 이러한 분포형태가 더 확연해진다. 수신 깊이가 수온약층 위에 있을 때, 일부 해수면 반사가 있는 반면 수온약층이 시작되는 수신 깊이부터는 수신 깊이가 깊어질수록 수온약층 트랩 효과가 우세하게 일어나 연속된 해저면 반사만 일어난다. 이는 Reference 18에서 분석했던 것처럼, 수온약층이 존재할 경우 해저면에서의 반사 손실이 장거리 전파에 매우 중요한 요인이 됨을 알 수 있다.

4.2 해저면 반사 손실 추정

앞 절의 음선모델링 결과로 살펴본 바와 같이, 송･수신기 수심에 따라 수신점에 도달하는 음선은 다양한 반사 형태를 띠고 있기 때문에 채널 임펄스 응답의 크기 분포는 다양해질 것으로 예상할 수 있다. 그렇다면 반사 형태를 결정하는 음속구조의 변화에 따른 해저면 반사손실은 어떤 변화가 있는지 본 절에서 분석해보고자 한다. 다만, 해수면 반사 모델[Eq.(1)]은 입사각을 적용하지 않기 때문에 실험해역의 평균 바람속도 9 m/s를 적용하여 구한 약 10.5 dB를 해수면 반사손실로 가정한다. Fig. 7은 Table 2와 같은 실험설정에 따라 각 수신점에 도달하는 3개의 음선의 전반적인 해저면 입사각의 평균 및 표준편차 분포를 나타낸다. Fig. 7에서 입사각은 거리가 늘어날수록 작아지고, 또한 그 변동 폭도 줄어드는 것 알 수 있다. 따라서 장거리 전파일 경우 1회 해수면 반사손실은 점차 작아질 것임을 예상할 수 있다.

Fig. 8은 1회 해저면 반사손실을 실험번호에 따라 시간지연 순으로 3개의 음선에 대해 구한 것이다. 분석결과 해저면 반사가 일어나지 않을 수 있는 1 km를 제외하고는, 3개의 음선 모두 전반적으로 해저면 반사손실과 변동 폭의 양상이 대체로 비슷함을 알 수 있다. 1 km의 경우는 First 음선의 해저면 반사손실이 발생하는 것을 알 수 있다. 이것은 수온약층이 강하게 형성되었을 때, 강한 굴절로 인해 직접 도달 경로 음파의 손실이 커져 최대크기를 갖는 3개의 음파에 해당되지 않기 때문이다. 이런 경우, First 음파는 해저면 반사파이다. 1 km 같은 경우는 음속구조에 따라 최대 1.8 dB까지 반사손실이 발생될 수 있음을 알 수 있고, 2 km 이후부터는 거리가 늘어남에 따라 점점 더 줄어들어 최저 0.3 dB의 반사손실이 발생됨을 알 수 있다. Fig. 8에서 해저면 반사손실은 송･수신기 수심이 깊을수록 작아지는 것을 알 수 있다. 해저면 반사손실은 해수면 반사손실인 10.5 dB에 비하면 상대적으로 굉장히 작은 손실임을 알 수 있다. 따라서 음선의 전달손실에는 해수면 반사손실이 가장 큰 영향을 미침을 알 수 있고, 최종 전달손실은 음속구조에 따라 달라지는 음선전달 궤적의 형태에 따른 해수면, 해저면 반사 횟수 차이로 인해 차이가 크게 날 것을 예상할 수 있다.

Fig. 9는 거리 8 km일 때, 송신 깊이 20, 60, 80 m와 각각의 송신 깊이에 따라 수신 깊이가 20, 60 m일 때의 첫 번째 도달하는 고유음선을 변화하는 모든 음속구조에 따라 모두 나타낸 그림이다. Fig. 9은 음속구조가 변함에 따라 달라지는 음선전달의 여러 양상을 잘 나타내는 그림으로, 시변동성이 있는 해양환경에서 음향신호 전파는 시간에 따라 해수면, 해저면 반사 횟수와, 음선의 최종 이동거리가 달라짐에 따라 채널 임펄스 응답의 변화가 큰 차이가 있을 수 있는 것을 보여준다.

4.3 전달손실, 음 전달 시간 변동 추정

Fig. 10(a), (b), (c)는  각각 수신점에 도달하는 음선에 대한 전달손실의 평균과 표준편차 그리고 음속구조 변화에 따른 전달손실의 최대 차이를 나타낸다. 그림의 x축은 Table 2와 같이 송･수신기의 깊이 상태를 나타낸다. Fig. 10(a) 평균의 경우, 거리가 증가함에 따라 전반적으로 전달손실이 증가하는 양상이 비슷하다. 예외적으로 거리 1 km일 경우, 세 번째 도달 음선의 전달손실이 송신기 깊이가 60, 80 m이고 수신기 수심 약 50 m 이하일 때 같은 조건에서의 거리 2 km의 모든 음선의 전달손실보다 크다(번호 65 ~ 69, 86 ~ 89). 이것은 4.2절에서 논했듯이, 거리가 늘어나면 수온약층의 영향에 의해 점점 해수면 반사보다 해저면 반사가 우세하게 일어나므로 1 km에서는 2 km와 달리 해저면 반사보다 상대적으로 손실이 매우 큰 해수면 반사가 있기 때문이다. 이것은 Fig. 6 에서 충분히 예상할 수 있다. 또한 가장 두드러지는 특징은 거리가 2 km부터는 송신기 수심이 60, 80 m에 위치할 경우, 수신기 수심 30 m 수온약층 시작점에서 전달손실이 점점 작아지며 눈에 띄게 감소함을 알 수 있다(번호 63 ~ 69, 83 ~ 87). 이것은 Fig. 6(e), (f)로 예상할 수 있듯이, 송･수신기 수심이 수온약층 밑쪽으로 위치할수록, 해수면 반사가 거의 일어나지 않고 연속된 해저면 반사로 전파가 되기 때문이다. 이런 상황에서는 해저면 반사손실이 가장 큰 영향을 미치는데, 본 논문에서 추정한 해저면 반사손실은 실측값을 이용하여 추정한 Reference 15와 같이 상대적으로 매우 작았기 때문에 위와 같은 결과가 나옴을 알 수 있다. 그리고 송신기 20 m일 때 수신기 20 m(번호 22)에서 다른 모든 수신 깊이와 달리 전달손실이 작은데, 이것은 고유음선 분석 결과 다른 수신기 수심에 비하여 해표면 도파관이 더 많이 생성 되거나, 해수면 반사 횟수가 더 적었기 때문으로 사료된다.

Fig. 10(b) 표준편차의 경우, 그 변동 양상이 송신기 수심이 20 m일 때는 수신기 수심과 상관없이 규칙성을 발견할 수 없고 전반적으로 모든 수신기 수심(번호 21 ~ 29)에서 표준편차가 대체로 크다. 송･수신기 수심이 모두 60 m 이하에 위치할 경우(번호 66 ~ 69, 86 ~ 89) 수신기 수심이 수온약층 위 수심 10, 20 m를 제외하고는 전반적으로 표준편차가 작고, 특히 수신기 수심이 해저면과 가까울수록 더욱더 작다. 이러한 표준편차의 분포의 원인은, 송･수신기가 수온약층 위에 있을 경우에는 음속구조가 변함에 따라 해수면, 해저면 반사의 분포가 어느 한쪽으로 치우치지 않기 때문에 음속의 전달 양상은 다양해져 전달손실의 변동이 크다. 반면 송･수신기 모두 수심이 60 m 이하에 위치하는 경우에는 수온약층에 영향으로 음선의 하방굴절이 우세하게 일어나 음속구조가 변해도 음선의 주요전달경로는 대체로 비슷해져 전달손실의 변동은 크지 않다는 것을 알 수 있다[Fig. 6(e), (f) 참조]. Fig. 10(b)의 번호 65번의 경우 1 km의 두 번째, 세 번째 도착하는 음선의 전달손실 표준편차가 제일 큰데, Fig. 6(b)에서 알 수 있듯이, 1 km일 경우 음선 전달 형태가 단순한데, 음속구조가 변함에 따라 음선 도착 순서대로 해수면만 1회 반사 또는 해저면만 1회 반사가 일관적으로 일어나지 않고 순서가 불규칙적으로 바뀌기 때문에 그에 따른 손실의 변화폭이 큰 것이다. 분석결과 가장 큰 표준편차는 송･수신기 수심에 따라 거리 1 km일 때는 약 6 dB, 2 km는 약 7 dB, 4 km는 약 6.5 dB, 8 km는 약 10.5 dB로 송･수신기중 둘 중 하나가 수온약층 위쪽 부근에 있는 경우이다.

Fig. 10(c)는 음속구조 변화에 따른 전달손실의 최대 차이를 나타낸 것이다. 이 결과는 Fig. 10(b)와 대체로 그래프 양상이 비슷하다. 표준편차가 산포도(dispersion)를 나타낸다는 것을 감안할 때 이것은 충분히 예상할 수 있다. 분석결과 전달손실의 최대차이가 전달손실의 표준편차에 대체로 비례하다는 것을 알 수 있고, 전달손실의 최대차이가 가장 클 때는 송･수신기 수심에 따라 거리 1 km 일때는 약 17 dB, 2 km 약 20 dB, 4 km 약 23 dB, 8 km 약 30 dB이다.

Fig. 11의 (a), (b), (c), (d)는 지연 시간 평균의 변동추이를 자세히 관찰하게 위해 Fig. 10과 달리 km별로 개별적으로 나타냈고, Fig. 12(a), (b)는 지연시간의 표준편차와 최대차이를 나타낸 것이다. Fig. 11의 도달시간의 평균은 1 km에서 첫 번째 도달하는 음선 같은 경우 주로 직접 도달 경로로 송신기 수심이 증가 할수록 도달시간이 증가하는 규칙성이 있다. 이것은 수온약층 구간에서 수심이 깊을수록 음속은 낮아지므로, 직접파가 작은 음속을 가지는 구간을 지나기 때문이다. 두 번째, 세 번째 도달 음선 도달 시간은 특징적인 규칙성이 없는데 이것은 앞서 설명한 것처럼, 거리 1 km 같은 경우 해수면만 1회 반사 또는 해저면만 1회 반사가 두 번째, 세 번째의 도달 음선 순서대로 일관적으로 일어나지 않고 음속구조가 변함에 따라 불규칙적으로 바뀌어서 주요도달 경로가 바뀐다. 따라서 송･수신기의 수심에 따라서 도달시간의 변동 양상의 규칙성은 찾을 수가 없다. 거리 2 km의 경우, 첫 번째 도달하는 음선의 도달시간은 송신기 깊이 60 m, 80 m이면서 수신기 수심도 깊을수록, 도달시간이 증가한다. 이것의 이유는 송신 깊이가 20 m일 때는 직접파가 송･수신기 깊이가 60 m 이하 있을 때(번호 65 ~ 69, 85 ~ 89) 보다 더 많이 있기 때문에 평균 도달시간이 더 단축되고, 반면에 송신 깊이가 60 m 이상부터는 수온약층으로 인한 음선의 하방굴절로 인해 해저면 반사가 바로 이루어지기 때문에 직접파가 거의 없고, 상대적으로 작은 음속구간을 지나기 때문이다. 두 번째 도달 음선부터는 평균도달시간이 모든 시뮬레이션 번호에 대해서 비슷해지는 것을 알 수 있다. 이것의 이유는 송신 20 m일 경우에는 해수면 반사와 해저면 반사가 1회씩 일어나 송신 60 m 이하일 경우의 해저면 반사만 1회 일어나는 경우보다 이동거리가 증가하지만, 음속이 빠른 구간을 통과하기 때문이다. 그래서 송신 60 m일 때 해저면 반사 1회 일어나는 것보다 시간의 차이가 점차 줄여져서 두 번째 도달하는 음선부터는 평균 도달시간이 점차 비슷해진다. 그리고 세 번째 도달하는 음선부터 송･수신기 깊이 60 m이하로 아래쪽에 있는 경우가 다른 경우보다 빠르게 도착한다. 이것의 이유는 두 번째 도착 음선과 마찬가지로 송신 깊이가 20 m일 때는 2회반사가 일어나지만, 송･수신기 모두 60 m이하에 있는 경우는 해저면 1회반사만 일어나고, 이동거리는 다른 송･수신기 수심의 경우보다 줄어들어 이때부터는 평균 시간이 단축되기 때문이다. 4 km부터는 도착시간의 특정한 변동 양상이 보이기 시작한다. 송･수신기 모두 50 ~ 60 m 이하에 있을 때부터 도착하는 세 개의 음선 도착시간이 차이가 없어지고, 다른 경우보다 도착시간이 증가하는 형태가 뚜렷해진다. 이것은 송･수신기가 모두 50 ~ 60 m로 수온약층 아래쪽에 있을 때, 2 km 이상부터는 거리가 증가할수록 송･수신점에 도달하는 음선의 대부분은 연속되는 해저면 반사가 우세하게 일어나 음선의 전파 궤적 역시 연속된 반타원 궤적이 음속이 작은 구간을 지나서 평균 도달시간은 늘어나기 때문이다. 그리고 두, 세 번째 도달하는 음선 역시 첫 번째 도달하는 음선과 같이 비슷한 경로를 통해 오기 때문에 시간 차이는 해저면, 해수면 반사가 동시에 일어나는 다른 경우보다 도달시간 차이가 작아지는 것이다.

Fig. 12(a) 표준편차의 경우 송신 깊이 20 m일 경우 거리가 8 km일 때를 제외하고는 4 km 까지 특별한 표준편차의 특정한 변동 양상이 나타나지 않는다. 8 km부터 뚜렷하게 수신 깊이가 깊어질수록 표준편차가 작아지는데, 이 원인은 4 km까지는 도달하는 세 개의 음선 중 가장 많은 반사 횟수가 해수면, 해저면 각각 1회씩으로 총 2회로 해저면 해수면이 동시에 일어나는 경우로 이때는 음속구조가 바뀜에 따라서 주요경로가 연속된 해저면 반사로 전파되는 송･수신기 모두 수온약층 아래쪽에 있는 경우보다 더 다양하기 때문이다. 하지만 송신 수심이 60 m가 되면 이때부터는 거리 4 km부터도 수신기 깊이가 수온약층 아래쪽인 50 ~ 60 m이하부터는 표준편차의 변동 양상이 작아지는 경향으로 뚜렷해진다. 이것은 거리가 4 km부터는 수신 깊이가 40 m 이하부터 점점 해수면 반사가 줄어들고 연속된 해저면 반사를 반복하는 반타원 궤적을 그리며 전파되므로 음속의 주요전달경로는 비슷해지기 때문이다. 이것을 통해 송신 깊이가 20 m로 수온약층 위에 있는 경우에는, 송신 깊이가 60 m 이하, 즉 수온약층 아래쪽에 위치하는 경우보다 도달시간의 변동 폭이 음속구조의 변화에 따라 상대적으로 더 큼을 알 수 있다. 분석결과 가장 큰 표준편차는 송･ 수신기 수심에 따라 거리 1 km일 때는 약 5.5 ms, 2 km는 약 4.5 ms, 4 km는 약 4.5 ms, 8 km는 약 8.7 ms로 송･수신기중 둘 중 하나가 수온약층 위쪽 부근에 있는 경우이다.

Fig. 12(b) 도달시간의 최대차이는 Fig. 12(a)의 도달시간의 표준편차와 변동 양상이 전체적으로 거의 유사함을 알 수 있다. 이 결과 역시 앞서 전달손실의 표준편차와 최대차이의 그래프가 비슷했던 것처럼, 그 표준편차와 비례함을 알 수 있다. 도달시간의 최대차이가 가장 클 때는 송･수신기 수심에 따라 거리 1 km일 때는 최대 약 15 ms, 2 km는 약 15 ms, 4 km는 약 13 ms, 8 km는 약 35 ms로 도달시간의 표준편차와 마찬가지로 송･수신기 둘 중 하나가 위쪽 부근에 있을 때이다.

V. 결  론

본 연구는 제주도 인근에서 2일 동안 측정된 음속구조데이터를 이용하여, 수온약층이 발달한 천해역 환경에서 단기간 동안의 변화하는 음속구조가 음향신호전파에 미치는 영향을 다양한 거리와 송･수신기의 수심에 따라서 통계적으로 고찰해 보았다. 본 해역에서의 해저면 반사 손실은 최대 1회 반사 손실이 거리 1 km일 경우 약 2 dB, 그리고 거리가 늘어남에 따라 해저면 반사 손실은 점차 감소하여 최저 반사손실이 거리 8 km일 경우 약 0.5 dB로 추정 되었다.

해수면 반사손실은 실험해역에서의 측정한 바람속도 중 평균 바람속도인 약 9 m/s를 해수면 반사 모델에 적용하여 1회 반사손실은 반사모델 특성상 10.5 dB로 일괄되게 적용하였다. JACE13 실험 여건상 음속구조를 측정한 시간과 같은 시간에 측정한 바람속도를 반사모델에 적용하진 못하였지만 본 논문의 연구 방향의 초점은 변화하는 음속구조가 채널 임펄스 응답에 미치는 영향이기 때문에 해수면 반사손실을 구함에 있어서 바람속도의 변화에 따른 영향을 고려하진 않았다.

본 연구를 통한 다양한 거리와 송･ 수신기 수심에 따라 얻어지는 채널 임펄스 응답의 통계적 수치는 음속구조의 변화에 따라서 큰 차이가 있었다. 전달손실의 경우 전반적으로 송･ 수신기 모두 수심이 깊을수록 평균과 그 표준편차와 최대차이가 작았다. 이것은 안정적인 신호의 전파를 위해서는 달라지는 음속구조와 상관없이, 상대적으로 큰 해수면 반사를 피하고 연속된 해저면 반사를 유도하는, 수온약층 트랩효과를 이용해야 함을 알 수 있다. 음선 도달시간의 경우 평균은 4 km 이상 장거리 전파부터는 송･수신기 수심에 따라 확연하게 변동 양상이 나뉘었는데, 송･수신기 깊이가 깊을수록 수온약층에 의한 하방굴절로 인한 연속된 해저면 반사와 반타원 궤적 전파로 인해 이동거리는 늘어나고, 음선의 주요 이동 경로는 다양하지 못하고 비슷해져서 도달시간의 평균은 증가되고 표준편차는 작아졌다. 다양한 수심에서 얻어진 채널 임펄스 응답 추정 결과는 수온약층에서의 하방굴절로 인한 연속된 해저면 반사와 작은 해저면 반사손실이 장거리 신호 전파에 중요한 요인이 될 수 있음을 보여주며, 송･수신기 수심이 충분히 깊지 않을 때는, 음속구조의 변화에 따라 전달손실과 시간의 변동이 크게 달라짐을 알 수 있었다. Reference 18에서 분석한 한국해양자료센터의 정선해양관측자료에서 알 수 있듯이, 수온약층은 계절에 따라 주기적으로 형성되고, 한국 근해에 보편적으로 존재 한다. 본 연구에서 분석한 통계적 자료들은 수온약층이 발달되어 있는 해역에서의 수중음향 통신 시스템의 성능을 예측, 분석하는데 참고자료가 될 수 있을 것이다.