I. 서  론

내부파는 유체내부의 서로 다른 밀도층의 경계에서 발생하는 파랑을 의미하며, 해양에서는 일반적으로 수온약층을 중심으로 생성되어 일정한 진폭과 속도를 가지고 이동하는 것으로 알려져 있다.^[1] 시·공간적으로 다양하게 발생하는 내부파가 수중 음파전달에 영향을 미치는 것으로 보고되면서 이에 대한 연구가 진행되고 있다.^[2-4] 내부파의 한 종류인 솔리톤(soliton)은 비선형 형태의 독립된 파동을 의미한다. 하계 천해 환경에서 수온약층이 발달한 경우 내부파는 솔리톤들이 무리지어 발생하는 솔리톤 패킷(soliton packet) 형태로 나타나는 경향이 있으며,^[1] 우리나라 동·서해에서도 이러한 내부파들이 관찰되고 있다.^[5,6] Hanyey와 Tang^[7]은 천해에서 발생하는 비선형 내부파로 인해 능동소나의 송신음파가 급격하게 하향 굴절하여 고준위 잔향음을 발생시키고, 이는 허위표적신호(target liked signal)로 작용할 수 있다는 연구결과를 발표하였다.

잔향음이란 능동소나에서 송신된 음파가 비균질한 경계면에서 산란된 후 수신된 신호들의 시간에 따른 합으로 정의할 수 있다. 이러한 잔향음은 송신 음파의 특성, 경계면의 구성 및 수중에 존재하는 해양생물의 분포 등에 따라 특성이 변화한다. 특히, 천해에서는 다중 경계면에 의해 음파 전달 양상이 복잡하기 때문에 잔향음 제한 환경이 우세하게 나타난다. 따라서 천해 환경에서는 심해에 비해 잔향음에 의한 표적 탐지가 제한되므로 천해의 잔향음 특성을 파악하는 것이 매우 중요하다.^[8,9]

내부파는 수평적으로 넓은 범위에서 선형 형태로 존재하며, 수심에 따라 수온구조가 달라지는 3차원적 특징을 지닌 파동이다(Fig. 1).^[1,10] 하지만 지금까지의 내부파 연구는 주로 수직적 수온구조를 고려한 음파의 변화양상을 중점으로 수행되었다. 군사적 용도로 쓰이는 능동소나의 음파는 일반적으로 전방위(omni-directional)로 송신되기 때문에, 내부파로 인해 발생할 수 있는 음파의 영향을 확인하기 위해서는 솔리톤의 수직적 영향뿐만 아니라 수평적인 영향도 고려되어야 한다.

본 논문에서는 수온약층이 발달되어 있고, 수온약층 하부에 최소음속층이 존재하는 하계 천해의 수중환경을 기반으로 수치모델을 이용하여 단일 솔리톤을 모의하였다. 이러한 해양환경 하에서 음선이론기반의 잔향음 모델^[11]을 이용하여 잔향음 신호를 모의한 후 그 특성을 분석하였다.

II. 내부파 및 음파전달 환경 모의

Fig. 2는 수온약층과 수온약층 하부에 최소음속층이 존재하는 하계 천해의 수온분포를 모의한 수직음속구조이다. 본 논문에서 모의한 내부파 환경은 수심 100 m, 최소음속층 40 m, 표층과 최소음속층간 음속 차이 약 50 m/s(온도변화 10 ~ 12°)의 음속구조를 기본으로 하였다. 솔리톤은 일반적으로 패킷 형태로 전파하는데, 첫 번째 솔리톤의 파장과 진폭이 가장 우세하고 뒤따르는 솔리톤의 파장과 진폭은 점차 감소하는 경향을 가지는 것으로 알려져 있다.^[12] 본 논문에서는 단순화된 환경에서 내부파의 영향을 극대화하기 위해 첫 번째 솔리톤이 음파 전달에 가장 큰 영향을 미친다고 가정하였으며, 따라서 단일 솔리톤을 고려하여 음파전달 양상에 따른 잔향음을 모의하였다.

모의된 수온약층을 기준으로 거리 및 수심에 따른 가우시안 확률 밀도함수 , 를 계산한 후^[13] 이를 곱해주면 솔리톤이 존재하는 거리종속환경의 수직음속구조를 모의할 수 있다(Fig. 3).

, (1)

, (2)

여기서 는 솔리톤과 음원과의 거리, 는 솔리톤의 파장, 은 거리에 따른 음속의 분산을 의미하며, 는 솔리톤의 진폭, 는 기준심도, 는 수심에 따른 음속의 분산을 나타낸다. 솔리톤의 파장은 동해에서 가장 빈번히 발생하는 단주기(short-period)내부파를 가정해 400 m로 설정하였다.^[6]

음파전달 양상은 소나 시스템 변수와 환경 변수에 의해 달라질 수 있으며, 소나 시스템 변수 중 중요 변수로는 음원 수심과 수직빔폭이 있다. 본 논문에서는 Reference [7]에서와 같이 음원이 최소음속층에 존재한다고 가정하였으며, 수직빔폭 역시 동일한 ±6°를 사용하였다. 또한 수직빔폭에 따른 음파전달양상을 비교하기 위하여 ±12°의 수직빔폭을 추가로 고려하였다. 본 논문에서 사용된 환경 및 소나 시스템 변수는 Table 1과 같다.

Fig. 4는 음원과 솔리톤 사이의 기하학적 구조를 보여준다. 음원을 기준으로 송신되는 음선과 솔리톤이 이루는 각을 수평입사각 로 정의하였다. 수평 입사각에 따라 음원과 솔리톤의 상대적 거리가 변화하게 된다. 수평입사각이 0°일 때 음원과 솔리톤 간의 거리는 최소가 되고, 수평 입사각이 커질수록 음원과 솔리톤 간 거리는 증가한다. 음원과 솔리톤 간의 거리 은 아래 식으로 표현할 수 있다.

, (3)

여기서 는 음원과 솔리톤 간 기준거리로 본 논문에서는 3000 m로 가정하였다. 음원과 솔리톤 간의 거리변화와 더불어 수평입사각이 증가함에 따라 음선이 진행하는 방향에서의 솔리톤의 수평폭 또한 증가하게 된다. 솔리톤의 상대적 수평폭 는 아래 식으로 표현할 수 있다.

, (4)

여기서 는 솔리톤의 기준폭으로 본 논문에서는 400 m로 가정하였다.

Fig. 5(a)는 수평입사각이 0°일 경우로 음원과 솔리톤 간 거리가 3000 m, 솔리톤의 폭이 400 m인 기준 수온구조를 나타내고, Fig. 5(b)는 수평입사각이 45°로 전파된 음파가 솔리톤과 접촉하는 경우로, 이 때 음파와 솔리톤 간 거리는 4200 m, 솔리톤의 수평폭은 약 560 m가 된다. 또한 수평입사각이 60°일 경우, 음파와 솔리톤 간 거리는 약 6000 m, 솔리톤의 상대적 수평폭은 약 800 m가 된다[Fig. 5(c)]. 이러한 방법을 이용하여 0 ~ 60°까지 1° 간격으로 수평입사각에 따라 솔리톤이 포함된 거리종속 음속구조를 생성하였다.

III. 수평입사각에 따른 잔향음 모의

본 논문에서는 음선이론 기반의 음파전달 모델인 Bellhop^[14]을 이용하여 고유음선정보를 산출하고, HYREV(Han Yang Univ. REVerberation) 모델^[11]을 이용하여 수평입사각별 잔향음 준위를 산출하였다. 잔향음 준위는 Eq.(5)의 소나방정식을 이용하여 아래와 같이 정의할 수 있다.

. (5)

여기서, 은 잔향음 준위, 은 음원준위, 은 전달손실, 는 경계면(해수면, 해저면)에서의 단위면적당 산란강도을 나타나며, 는 산란 단면적을 나타낸다.

3.1 수직빔폭 ±6°에 대한 잔향음 모의

음원의 위치는 최소음속층인 수심 40 m로 설정하고, Table 1에 주어진 시스템 변수와 ±6°의 수직빔폭을 갖는 음파를 가정하여 음선추적 및 잔향음 준위를 모의하였다. Fig. 6은 수평입사각이 0°일 때 모의한 결과로, 솔리톤에 의해 하향 굴절한 음파가 음원으로부터 약 3.4 ~ 3.5 km 거리의 해저면에서 수렴구역(caustic)을 형성하게 된다. 수렴구역에서 후방산란된 음파는 강한 해저면 잔향음을 유발하게 되고, 해저면 후방산란신호는 4.6 ~ 4.7 s의 시간에서 수신된다. 이 때 약 75 dB의 최대 잔향음 준위를 보이는 것으로 모의된다. 모의 시 수심에 따른 체적산란강도는 전 수심에 대하여 -100 dB로 일정하다고 가정하였다. 이에 따라 솔리톤 반응 이전 시간에는 60 dB 이하의 체적 잔향음이 발생하지만, 솔리톤과 반응 후의 시간에 고준위의 해저면 잔향음이 생성되는 현상을 확인할 수 있다. 솔리톤의 영향을 받기 전 음파는, 최소음속층을 기준으로 경계면의 영향 없이 음향 도파관을 통해 전파되지만, 솔리톤의 영향을 받은 이후에 음파(특히, 수온약층에서 하향하는 음파)는 더 큰 각도로 하향 굴절하게 되어 해저면에 입사하게 된다. 또한 해저면에 후방 산란되는 음선들이 일정 구역에 집중되는 효과가 발생되기 때문에 잔향음 준위는 크게 증가함을 알 수 있다.

Fig. 7은 수평입사각 34° 경우의 음선추적 특성과 잔향음 준위를 모의한 결과이다. 수평입사각 0°를 모의한 결과와 유사한 경향으로, 수온약층에서 하향 굴절된 음선들이 솔리톤과 반응하여 음원으로부터 약 4 km 거리의 해저면에 수렴구역을 형성한다. 수렴구역으로부터 후방 산란된 해저면 잔향음 신호들은 5.4 s 후에 수신기로 집중되어 약 76 dB의 높은 잔향음 준위를 나타내는 것으로 모의되었다. 반면, 특정 수평입사각에서는 음파가 동일한 솔리톤과 반응하더라도 잔향음 준위가 낮은 구간이 존재한다. Fig. 8은 수평입사각 22°일 때의 모의 결과로, 이 때 음원과 솔리톤 간 거리는 약 3350 m이고 수평폭은 약 460 m 이다. Figs. 6과 7의 경우에는 해저면 방향으로 하향 굴절하는 음선들이 솔리톤과 반응하였지만, Fig. 8의 환경에서는 해수면 방향으로 상향 굴절하는 음선들이 솔리톤과 반응하게 된다. 이런 경우에는 해저면 방향으로 하향 굴절하는 현상이 줄어들어 앞의 경우(Figs. 6, 7)와 비교하였을 때보다 상대적으로 저준위의 해저면 잔향음이 생성되는 것으로 모의되었다.

Figs. 6에서 8 결과에 의해서 수평입사각에 따라 잔향음 준위 양상이 다르게 나타날 수 있음을 확인하였고, 이를 통해 음원과 솔리톤 간 거리변화에 따라 잔향음 양상이 달라질 수 있음을 예상할 수 있다.

실제로, 동일한 해양환경과 솔리톤 특성을 이용하고, 음원과 솔리톤 간의 기준거리만을 3000 m에서 3350 m로 변경 후 잔향음 준위를 산출한 결과, 수평입사각 0°에서 Fig. 6에서와 같은 고준위 잔향음은 관측되지 않았고 Fig. 8과 유사한 저준위 잔향음이 모의되었다. 수평입사각 21°에서는 약 77 dB정도의 고준위 잔향음이 발생하는 것으로 모의되었고, 이외의 수평입사각에서는 상대적으로 저준위 잔향음 준위를 가졌다. 따라서 소나 시스템 변수 및 음원과 솔리톤 간 거리 등의 해양환경변수에 따라 발생되는 잔향음 준위의 변동 양상도 달라지고, 능동소나 시스템에 전시되는 허위표적신호의 형태 또한 달라질 수 있다는 것을 알 수 있다.

Fig. 9는 수직빔폭 ±6°의 수평입사각별 잔향음 준위를 종합한 결과로, 솔리톤에 의해 굴절된 후 생성되는 첫 번째 해저면 잔향음의 피크 준위값을 추출하여 나타내었다. 솔리톤에 의해 생성되는 고준위 잔향음이 나타나는 수평입사각 구간과 저준위 잔향음이 생성되거나 잔향음이 생성되는 않는 수평입사각 구간의 구분이 가능하다. 소나 시스템 운용 시 탐지문턱값을 임의적으로 70 dB로 가정할 경우 약 0-14°, 30-35°, 47-50°, 53-56° 부근에서 해저면 잔향음에 의한 허위표적 신호가 발생될 수 있음을 보여준다.

 3.2 수직빔폭 ±12°에 대한 잔향음 모의

 본 논문의 3.1에서 모의한 ±6°의 상대적으로 좁은 수직빔폭을 가지는 경우에는 최소음속층을 기준으로 음향도파관을 형성하여 음파가 전파되기 때문에, 솔리톤과 반응한 경우의 잔향음 특성을 쉽게 파악할 수 있다. 하지만 수직빔폭이 ±12°로 증가하면 솔리톤과 반응하지 않은 음파도 경계면과 부딪히면서 전파되고, 이에 따른 경계면 잔향음이 시간에 따라 지속적으로 발생하게 된다. Figs. 10과 11은 수직빔폭을 ±12°로 설정하였을 경우, 솔리톤의 유무에 따른 음선추적 및 잔향음 준위를 비교한 것으로, Fig. 10은 솔리톤이 없는 환경이며 Fig. 11은 Fig. 10과 동일한 환경에 솔리톤을 추가하여 모의한 결과이다. 음원으로부터 거리상으로 3.3 km이고 시간상으로 4.5 s까지는 Figs. 10과 11이 동일한 음파전달 및 잔향음 양상을 보이다가, 이후 거리Fig. 10에서 약 3.4 km 이상부터 솔리톤에 의한 음파의 영향을 확인할 수 있다. 솔리톤에 의해 발생하는 첫 번째 고준위 잔향음은 음파 송신 후 약 4.5 s 후에 나타나는 것으로 모의되었다. 그 이후 솔리톤의 영향을 받은 두, 세 번째 고준위 잔향음은 거리상으로 4.7 km, 6 km이고 시간상으로 6.4 s, 8.1 s에 모의되었다. Fig. 11에서 거리 3.4 km 이후에 나타나는 잔향음 중 솔리톤과 반응한 직후 4.5 s에서의 잔향음 준위는 솔리톤과 반응하기 전에 2.1 s, 2.8 s 부근에서 발생하는 해저면 잔향음 준위, 약 68 dB보다 8 dB정도 상승한 약 76 dB로 모의되었다. 또한 4.6 s 이후에 나타나는 고준위 해저면 잔향음 구간보다도 최소 7 dB 이상 높은 잔향음 준위를 보였으며, 시간이 흐를수록 그 차이는 커지는 것으로 모의되었다. 잔향음 준위는 일반적으로 시간이 경과하면서 감소하는 경향을 보이는데, 본 논문의 모의된 해양환경에서 솔리톤 반응 전에 감소하던 잔향음 준위는 솔리톤과 반응 직후에 다시 상승하는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 수직빔폭이 증가하더라도 솔리톤에 의한 잔향음 준위 상승 현상은 여전히 발생할 수 있음을 예상할 수 있다.

 Fig. 12는 수평입사각 46°의 음선추적과 잔향음 모의 결과로 솔리톤은 음원으로부터 약 4318 m 거리에 위치하고 솔리톤의 수평폭은 약 575 m이다. 잔향음 준위는 64 dB로 주변 잔향음 준위와 유사한 저준위 잔향음 준위를 나타낸다. 수직빔폭을 ±12°로 변경한 후 수평입사각 0°에서 60°까지 잔향음 준위를 모의한 결과, 수직빔폭이 증가하더라도 수평입사각에 따라 잔향음 준위가 달라지는 현상은 나타났다.

Fig. 13은 수직빔폭 ±12° 경우 수평입사각별 해저면 잔향음 준위를 종합한 결과이다. Fig. 9에서와 동일하게 탐지문턱값을 70 dB로 설정할 경우, 넓은 수직빔폭에 의해 전반적인 해저면 잔향음 준위가 증가하게 되며, 솔리톤에 의해 하향굴절하여 발생되는 잔향음 중 시간순으로 첫 번째에 이어 두 번째 해저면 잔향음 신호에서도 탐지문턱값을 넘은 잔향음이 발생함을 볼 수 있다. 첫 번째와 두 번째 해저면 잔향음은 일정 준위값의 차이를 가지면서 수평입사각에 따라 비슷한 양상으로 변화하나, 첫 번째 해저면 고준위 잔향음 생성구간이 두 번째에 비해 보다 넓은 수평입사각 범위에 걸쳐 나타난다. 또한 수직빔폭 ±6°의 경우보다 고준위 해저면 잔향음이 넓은 방위각에 걸쳐 나타나는데, 그 이유는 수직빔폭의 증가로 인해 솔리톤과 반응하기 전에도 경계면에 의한 음파 산란이 지속적으로 발생하고 있으며 해저면으로 하향하는 음선들과 솔리톤이 반응하는 구간 또한 좁은 수직빔폭 경우에 비해 증가하기 때문이다. 전반적으로 좁은 수직빔폭을 이용하여 잔향음 준위를 모의한 경우보다 넓은 수직빔폭을 이용하여 모의한 경우에서 수평입사각별 잔향음 준위의 변동폭이 줄어드는 경향이 있음을 알 수 있다.

3.3 잔향음 준위를 이용한 평면위치 표시기 모의

내부파에 의한 잔향음 특성을 보다 쉽게 도시하기 위해 산출된 잔향음 준위를 이용하여 평면위치 표시기(Plan Position Indicator, PPI)상의 신호를 모의하였다. 일반적으로 능동소나 시스템에 나타나는 수중표적과 잔향음 신호는 표적의 거리와 방위를 쉽게 판별할 수 있도록 평면위치 표시기를 통하여 전시된다.

Fig. 14은 음원 수직빔폭 ±6°의 경우에서 모의된 수평입사각별 잔향음 준위를 능동소나의 평면위치 표시기로 표현한 결과이다. 모의 시 주변소음은 고려하지 않았으며, 탐지문턱값은 70 dB로 설정하였다. 음원에서 전방위로 송신되는 음파가 단일 솔리톤과 반응하더라도 수평입사각에 따른 잔향음 준위의 차이가 발생하게 되고, 이에 따른 허위 표적신호들이 Fig. 14과 같이 나타날 수 있다.

Fig. 15는 수직빔폭 ±12°의 경우에서 모의된 수평입사각 별 잔향음 준위에 대한 평면위치 표시기 모의 결과이다. 음원으로부터 약 400 m와 900 m에서 나타나는 고준위 해저면 잔향음(Figs. 10~12 참조)은 수직빔폭이 증가함에 따라 발생하는 잔향음이다. 솔리톤과 반응하기 전, 해수면과 해저면에 입사되어 후방산란된 고준위 잔향음들은 평면위치 표시기에 동심원 형태로 나타난다. 또한 솔리톤과 반응한 후 나타나는 수평입사각별 고준위 잔향음은 솔리톤과 거의 평행하게 나타나는 것으로 모의된다. 수직빔폭이 커지면서 경계면과 반응한 음선들이 다양한 전달경로로 솔리톤과 반응하게 되고, 이에 따라 평면위치 표시기에서도 좁은 빔폭 결과에 비해, 보다 복잡한 형태로 잔향음이 모의되는 것을 확인할 수 있다.

IV. 결론 및 토의

본 논문은 하계 내부파가 존재하는 천해 해양환경에서 능동소나 시스템에 나타날 수 있는 허위표적 가능성을 확인하기 위해, 음선이론 기반의 잔향음 모델을 이용하여 음선추적 및 잔향음을 모의하였다. 내부파가 언제 어디서 어떠한 형태로 발생할지 예측이 어렵고, 수직·수평적인 수온구조를 동시에 측정하기에는 많은 제약이 따르기 때문에 실제 해양에서 내부파가 음파에 미치는 영향을 확인하는 연구 수행은 현실적으로 매우 어렵다. 따라서 본 논문에서는 내부파 환경을 생성하여 수평입사각별로 음파전달특성 및 잔향음 준위를 모의하고 내부파에 의한 능동소나 시스템에 나타날 수 있는 잔향음 특성을 분석하고자 하였다.

수온약층이 발달한 하계 천해의 수온구조에서 최소음속층에 음원을 위치시키면, 음파는 최소음속층을 기준으로 음향도파관을 형성하여 전파한다. 음향도파관을 통해 전파되는 음선들은 솔리톤과 반응한 후 음파 전달 경로에 영향을 받게 된다. 특히, 해저면 방향으로 하향 전파되는 음선이 솔리톤과 반응할 경우에 해저면 방향으로 더 큰 각도로 굴절하여 해저면에 음파의 수렴구역을 형성하기도 하는데, 이는 고준위의 잔향음이 발생되는 원인이 되기도 한다. 반면, 해수면 방향으로 상향 전파되는 음선이 솔리톤과 반응할 경우에는 음선이 분산되어 전자의 경우보다 상대적으로 낮은 준위의 해저면 잔향음이 발생되는 것으로 모의되었다.

본 논문은 특정 환경에서 정확한 내부파 수치모델링을 수행하는 것보다 전체적인 내부파 특성에 따른 잔향음을 양상을 확인하는 것을 목표로 하였다. 따라서 내부파의 일반적 특성을 잘 포함하고 쉽게 모의 가능한 가우시안 분포를 이용한 내부파 모델링을 수행한 후, 이로 인해 발생할 수 있는 잔향음의 특징을 확인하고, 능동소나 시스템에서 허위표적으로 전시될 수 있는 가능성을 확인하였다. 모의 결과는 입력한 해양환경이나 소나 시스템 변수에 따라 변화될 수 있으며, 실제로 음원과 솔리톤 간 기준거리나 수직빔폭을 변경하여 모의한 결과, 수평입사각별 고준위 잔향음 준위 양상이 달라지는 것을 확인하였다. 또한 평면위치 표시기 시뮬레이션을 통해 고준위 잔향음과 저준위 잔향음이 내부파와 평행하게 나타나고 이러한 것들이 다중 허위표적 신호로 인식될 수 있는 가능성이 있음을 확인하였다.

본 논문에서는 단일 솔리톤이 존재하는 내부파 환경만을 고려하였고, 그 외의 다양한 해양환경 변동성을 모두 고려하지는 못하였다. 추후 실측된 환경 자료 및 모의 환경을 이용하여 다양한 해양환경 변동성을 고려한 잔향음 특성을 확인하고, 이에 따른 허위표적 가능성에 대한 연구가 필요하다.

마지막으로 본 논문에서는 내부파에 의해 하향굴절된 음파가 강한 해저면 잔향음을 발생시킬 수 있고, 이러한 신호가 허위표적으로 인식될 수 있음을 모의하였다. 잔향음 신호는 송신신호의 종류, 사용주파수 및 펄스길이에 따라 변화할 수 있으나, 그 특성은 이론적으로 쉽게 모의될 수 있고, 내부파에 의해서 강하게 발생하는 잔향음 준위와 다른 경로에 의해 발생하는 잔향음 준위와의 절대준위 차이는 송신신호에 따라 변화가 없으므로 송신신호에 따른 잔향음 모의 결과는 본 논문에서 다루어지지 않았다.