Article
http://dx.doi.org/10.4217/OPR.2013.35.1.015
초음파를 이용한 유해적조의 실시간 음향탐지 시스템 개발 및 평가
강돈혁
1·임선호
2*·이형빈
1·도재원
2·이윤호
3·최지웅
41한국해양과학기술원 해양방위센터 (426-744) 경기도 안산시 상록구 해안로 787
2LIGNex1 Maritime 연구소
(463-400) 경기도 성남시 분당구 판교로 333
3한국해양과학기술원 해양생태계연구부 (426-744) 경기도 안산시 상록구 해안로 787
4한양대학교 과학기술대학 해양융합과학과 (426-791) 경기도 안산시 상록구 한양대학로 55
Development and Evaluation of Real-time Acoustic Detection System of Harmful Red-tide Using Ultrasonic Sound
Donhyug Kang
1, Seonho Lim
2*, Hyungbeen Lee
1, Jaewon Doh
2, Youn-Ho Lee
3, and Jee Woong Choi
41Maritime Security Research Center, KIOST Ansan 426-744, Korea
2Maritime R&D Center, LIGNex1 Co. Ltd.
Seongnam 463-400, Korea
3Marine Ecosystem Research Division, KIOST Ansan 426-744, Korea
4Department of Marine Science and Convergence Technology, College of Science and Technology, Hanyang University, Ansan 426-791, Korea
Abstract : The toxic, Harmful Algal Blooms (HABs) caused by the Cochlodinium polykrikoides have a serious impact on the coastal waters of Korea. In this study, the acoustic detection system was developed for rapid HABs detection, based on the acoustic backscattering properties of the C. polykrikoides. The developed system was mainly composed of a pulser-receiver board, a signal processor board, a control board, a network board, a power board, ultrasonic sensors (3.5 and 5.0 MHz), an environmental sensor, GPS, and a land-based control unit. To evaluate the performance of the system, a trail was done at a laboratory, and two in situ trials were conducted: (1) when there was no red tide, and (2) when there was red tide. In the laboratory evaluation, the system performed well in accordance with the number of C.
polykrikoides in the received level. Second, under the condition when there was no red tide in the field, there was a good correlation between the acoustic data and sampling data. Finally, under the condition when there was red tide in the field, the system successfully worked at various densities in accordance with the number of C. polykrikoides, and the results corresponded with the sampling data and monitoring result of NFRDI (National Fisheries Research & Development Institute). From the laboratory and field evaluations, the developed acoustic detection system for early detecting HABs has demonstrated that it could be a significant system to monitor the occurrence of HABs in coastal regions.
Key words : real-time observation system, Harmful Algal Blooms (HABs), ultrasonic acoustic system
*Corresponding author. E-mail : [email protected]
1. 서 론
연안 해양 환경에서 식물플랑크톤의 대량 이상 증식 현 상을 일컫는 유해 적조(Harmful Algae Blooms; HABs, called red tide) 는 우리나라 연안에서 하계 시기에 한정되 어 집중적으로 발생하고 있다. 적조는 최근에 나타나는 현 상이 아니라 수백 년 전에도 나타난 기록이 있는 해양의 현상 가운데 하나로 발생 강도는 큰 년 변화를 가지고 있 다(김 2005).
우리나라의 남해안에서 적조를 일으키는 식물플랑크 톤 종은 와편모조류(dinoflagellate) 가운데 하나인 Cochlodinium polykrikoides(C. polykrikoides)로 1990년 이후 최근까지 불규칙적인 주기로 대량 발생하고 있다(정 과 안 2011; 이 2011). C. polykrikoides는 전 세계적으로 피해를 주고 있는 종으로(Kudela and Gobler 2011), 우리 나라에서는 1995년의 경우 남해 및 동해 연안에 약 780억 원의 막대한 양식업 피해를 발생시켰으며(윤 2001), 그 후 에도 매년 다양한 피해를 주고 있다. 특히, 대량 적조의 경 우 수산업 피해 이외에 해양생태계 및 연안 관광업 등에 도 직·간접적으로 피해를 유발하고 있다.
일반적으로 C. polykrikoides에 의한 적조 발생 시 개체 수가 300 cells/ml이면 적조주의보, 1,000 cells/ml 이상이 면 적조 경보로 구분하고 있다(국립수산과학원 2007). 대 상 종은 초기 발생 시 개체수 증식의 큰 변화가 없지만, 개체수가 150~170 cells/ml에 이르면 급속한 증식을 통해 서 적조 경보 이상인 2,200 cells/ml 이상으로 증식하는데 일주일이 걸리지 않는다고 알려져 왔다(서 등 1998). 따라 서 적조 발생 단계에서 대량 증식에 의한 피해 확산을 방 지하고 최소화 하기 위해서 적조주의보 단계에서의 조기 탐지가 필요하며, 그에 따른 피해 예방책을 준비하는 것이 중요하다.
적조를 조기에 탐지하기 위해 최근까지도 사용하고 있 는 가장 일반적인 방법은 선박을 이용한 목시 관측 혹은 채수를 통한 직접 개체수 측정 방법으로 현장 확인 및 정 량 분석에 장점을 주고 있다(임 등 2009). 그러나 선박 운 용에 따른 고비용 및 많은 인력이 필요로 하며, 특히 빠른 증식 속도와 해류 및 조류를 통한 확산 영역이 확대되기 때문에 해상 예찰 만으로 적조를 탐지하기에는 많은 어려 움이 상존하고 있다. 최근에 이러한 어려움을 극복하기 위 한 방법으로 항공 예찰 및 인공위성을 통한 광역 탐지 방 법이 사용되고 있다(Ahn et al. 2005; Angls et al. 2008;
Carvalho et al. 2010). 광역 탐지 방법은 목시 관측 단계에 서도 탐지가 가능한 적조 경보 수준의 탐지에는 효율적이 나 개체수가 적은 적조 주의보 수준의 탐지 측면에는 현 재의 기술로는 한계가 있다. 수산업, 생태계 및 연관 해양 산업에 대한 적조 피해의 대형화를 고려한다면 적조경보
수준의 이전 단계에서 탐지 가능한 다양한 방법에 대한 지속적인 이론 연구 및 실증 연구가 요구되고 있다.
적조탐지를 위한 새로운 방법 가운데 하나인 초음파를 이용한 연구는 Bok et al. (2010), Kim et al. (2010)에 의 해 최근에 제시되었으며, 실험실과 해상 실험을 통하여 C.
polykrikoides의 주의보 및 경보 기준인 300 cells/ml과 1,000 cells/ml 에 대한 이론적 탐지와 현장 탐지 가능성을 보여주었다. 하지만 이들 연구에서는 초음파를 이용한 탐 지 가능성에 연구 초점을 두어 실해역에 적용하기 불가능 한 연구용 장비를 사용하였다. 따라서 적조 탐지 가능성의 이론적인 배경을 이용하여 적조 발생의 실시간 탐지를 위 해 실제 현장 적용이 가능한 최적 시스템 개발 및 평가 과 정이 뒤따라야 한다.
본 연구는 적조 생물의 실시간 조기 탐지를 위한 기존 의 방법이 가지고 있는 단점을 보완하기 위한 다른 접근 방법의 하나로 초음파를 이용한 적조 탐지 시스템의 개발 및 평가를 목적으로 하고 있다. 이를 위하여 Bok et al.
(2010) 에 의해 제안된 음향탐지 이론을 적용하였으며, 이 를 토대로 남해안의 대표적인 적조 종으로 막대한 피해를 유발하는 C. polykrikoides의 실시간 적조 탐지를 위한 시 스템 각 구성 요소의 개발과 통합 및 현장에서의 적용을 통한 시스템 안정성과 효용성을 평가하고자 한다.
2. 재료 및 방법
적조 음향탐지 시스템 구성
적조 음향 탐지 시스템(acoustic system for HABs detection)의 구성은 실시간 음향 탐지를 위한 하드웨어 부분의 탐지부(detection part)와 신호의 전송과 제어를 위한 소프트웨어 부분인 원격 제어부(remote control &
monitoring part)로 크게 구분된다. Fig. 1에 탐지부와 제 어부의 중요 구성과 기능을 요약하였으며 각각의 세부 설 명은 다음과 같다.
음향 탐지부 구성
음향 탐지부는 (1) 적조 생물에 의한 후방산란 신호 감 지를 위한 음향 센서부, (2) 음향 신호 발생(pulser) 및 수 신부(receiver), (3) 신호 처리 및 변환부, (4) 신호 분석 및 시스템 중앙 제어부, (5) 전원 분배부, (6) 수온, 염분 및 시스템의 상태를 측정하는 부가 센서부 등 총 6개의 세부 구조로 구성되었다. 계측부의 하드웨어 블록도는 Fig. 2와 같다.
음향 센서부: 적조 산란체는 매우 작은 등가 구형 반경
( 약 12~19 µm)에 의해 산란 특성은 레일리 산란 영역에
포함되므로 주파수가 높을수록 산란강도 크기가 증가한다
(Medwin and Clay 1998). 따라서, 낮은 산란강도 값이 측
정되는 수 십~수 백 kHz 대역보다는 상대적으로 높은 산 란강도 값이 측정되는 MHz 대역의 고주파 센서가 필요하
다. 이를 위하여 Bok et al. (2010), Kim et al. (2010)에 의해 적조 탐지 가능성이 제시된 5.0 MHz 이외에 제작사 Fig. 1. Schematic diagram of developed & integrated acoustic system for real-time HABs (Harmful algal blooms)
detection
Fig. 2. Hardware block diagram of HABs (Harmful algal blooms) detection system
의 센서 사양에서 송신 에너지가 5.0 MHz에 비해 약 약 2~3 dB 정도 크게 제시되고 있는 3.5 MHz 센서를 추가로 선정하였다. 본 시스템에 탑재한 2개의 센서는 탐지 가능 성 부분 이외에 향후 상용 수준의 시스템 개발 과정에서 제작 비용 절감과 유지의 안정성 측면을 고려하여 대비 성능이 우수한 저가용 상업용 센서이다(PANAMETRICS- NDT 2012). 유사한 MHz 대역의 센서 사용은 매우 작은 입자 크기를 가지고 있는 부유성 입자물질의 음향 산란 측정에도 다양하게 사용하고 있다(Ma et al. 1987; Downing et al. 1995).
신호 발생 및 수신부: 사용한 초음파 센서는 펄스 구동 형으로 음향 신호 발생을 위해 순간적인 고전압 신호에 의해 동작되는 방식이다. PANAMETRICS 센서는 압전기 (piezoelectric) 방식으로 구동은 주파수에 따른 센서 두께 에 따라 −600 volt까지의 negative spike excitation 방법을 사용한다(PANAMETRICS-NDT 2012). 이러한 센서 사양 을 기반으로 본 연구에서 전원 분배 보드에서 공급되는 고전압의 전원을 극성 반전 및 충/방전 회로를 통해 센서 구동을 위한 펄스 신호(폭: 0.8 µs, 전압: −320 volt)로 변 경하여 음향 신호를 발생시켰다. 해상에서 Negative spike excitation을 위한 전압 결정은 개발 시스템의 해상 장기 운용을 위한 시스템 전원부의 충/방전 능력을 고려하여
−320 volt로 하였다. 음향 산란체에 의한 신호는 센서를 통해 전기적 신호로 변환된 후 수신부(receiver)에서 증폭 되어 신호 처리 및 변환부로 전달된다. 이때 송신 및 수신 모드의 분리는 pulse trigger를 적용하였다.
신호 처리 및 변환부: 수신된 신호에 대해서 잡음 (noise) 제거, 포락선(envelope) 검파 및 A/D변환 기능을 수행한다. 수신된 신호는 대역 통과 필터(band-pass filter) 회로를 통과하여 전기 및 음향 노이즈를 저감함으로써 신 호대 잡음비(SNR)를 향상시켰다. 필터의 통과 대역은 센 서 별 −3 dB 대역(3.5 MHz: 2.7~4.4 MHz; 5.0 MHz: 4.2~
5.9 MHz) 을 고려하여 설계하였다. 필터를 통과한 신호는 포락선 검파기(ED: Envelope Detector)를 통해 포락선 신호 로 변환되며, A/D 변환 소자(AD7985: 16-bit resolution, 2.0 MSPS) 에 의해 디지털 신호로 변환되어 신호 분석 및 시스템 중앙 제어부로 전달된다.
신호 분석 및 시스템 중앙 제어부: 신호 분석 및 시 스템 중앙 제어부는 ARM CORTEX A8프로세서 및 FPGA를 적용하여 음향신호의 저장 및 분석을 수행하며, CDMA 모뎀을 통해 음향신호 분석 결과와 함께 각종 환 경센서 정보, 위치정보 및 보드의 온도, 전압 등 시스템 상태정보를 무선으로 전송하는 역할을 수행한다. 수신된 신호의 분석 구간은 66~120 µs로 송수신의 왕복 거리를 (two-way) 고려하면 센서면으로부터 5~9 cm에 해당한다.
개개 ping의 수신 신호에서 역치 수신 전압(threshold
received voltage) 은 적조 생물의 개체수에 따른 전압 측 정으로부터 경보 수준에 해당하는 5 volt의 진폭 범위 내 로 설정하였으며, 기포나 동물 플랑크톤 등에 의해 진폭 범위를 벗어나는 강한 수신 신호의 ping 자료는 제외하였 다. 50개의 ping 자료를 이용하여 1개의 ensemble 자료 를 생성하였으며 이때 소요되는 시간은 자료 처리 과정 까지 포함하여 55 ms이다. Ensemble자료 생성 간격은 기본 설정으로 30초이나 사용자가 임의로 설정할 수 있 게 구성되었다.
전원 분배부: 태양전지에 의해 충전된 배터리로부터 공급되는 직류 24 volt를 입력으로 계측기 운용에 필요 한 보드 별 공급 전원을 생성한다. 시스템 중앙 제어부와 GPIO(General Purpose I/O) 포트를 통해 연동되는 전원제 어 명령은 보드 별로 인가 전원을 효율적으로 관리함으로 써 시스템 전류 소모를 최적화 하였다. 선박에서의 직류 전원 공급 이외에 해상에서의 장기 운용을 위한 전원 시 스템 설계에서는 태양 전지의 일일 충전량을 음향 탐지부 소모 전력량보다 크게 구현함으로써 장기간 운용이 가능 하게 하였다.
부가 센서부: 적조 발생 요인인 해양환경 자료를 음향 자료와 동시에 수신하기 위해 수온/염분 센서를 내장하 였으며, 시스템 안정도 확인을 위한 기울기 센서, 내부 온도 측정 센서를 설치하였고, 위치 정보 확인을 위해 GPS(Global Positioning System) 센서를 연동시켜 위치 정보도 동시에 수신하였다.
원격 제어부 구성
원격 제어부는 (1) 육상 기지국으로부터 시스템 제어를 위한 양방향 신호 전송 체계와 (2) 수신된 적조 음향 신호 및 시스템 상태의 가시화 구조로 구성되었다.
양방향 신호 전송 체계: 중앙 제어부에 구현된 CDMA 모뎀을 통해 육상 기지국에 설치된 자료 서버까지 자료를 양방향 전송하며, 이후 서버와 육상의 제어국은 LAN망을 이용하여 연결한다. “해상 시스템 CDMA ↔ 자료 서버
↔ 유·무선망 육상 기지국”으로 음향 자료 전송 및 시스 템 제어 명령을 전송하게 구성되었다.
가시화 체계: 유·무선망을 통해 수신된 음향 자료, 환 경 자료, 시스템 상태 자료 등 모든 자료는 육상 기지국 PC 에 설치된 UAP(User Application Program)에 가시화 되며, 동시에 제어 명령 모듈을 통해 해상 시스템에 명령 을 전송시키는 구조로 구성되었다. UAP는 복수의 탐지 시스템 자료 저장 및 제어가 가능한 구조이며 분석 기능 까지 가지고 있다.
탐지 시스템의 후방 산란강도 측정
본 연구에서 개발된 시스템에서는 산란체로부터 후방
산란강도(backscattering strength, S
V) 의 측정을 기반으로 하였다. S
V는 입사된 음향 세기(I
0) 와 후방산란된 음향 세 기(I)의 비를 dB 단위로 표현되며, S
V는 음압(pressure)의 제곱에 비례하므로 식 (1)로 표현할 수 있다(Medwin and Clay 1998). 개발된 시스템에서는 S
V를 계산하기 위해서 입사된 음압(P
0), 후방 산란된 음압(P)의 크기를 이용하 였다.
(1)
개발된 시스템을 이용하여 음향 산란체가 전혀 없는 필 터 해수(개체수가 0 cells/ml) 조건에서 2개 주파수(3.5, 5.0 MHz) 에 대한 S
V를 각각 측정하여 해당 주파수에 해당 하는 시스템 보정값(S
V, ref) 으로 결정하였다.
실험실에서 적조 개체수 증가에 따른 시스템 평가와 해 상에서 무적조 조건/적조 조건에서의 시스템 평가는 각각 의 조건에서 측정된 후방산란강도 값(S
V)과 시스템 보정 값(S
V, ref) 의 차이로 표현하는 Difference of S
V( ∆S
V, dB) 로 정의하였다.
실험실 조건에서 시스템 성능 평가
음향 탐지부를 구성하는 개별 하드웨어는 전원, 신호 특성, 시스템 노이즈, 통신, 안정도 등에 대한 개별 점검 을 완료한 후, 제어부를 포함한 통합 시스템(integrated system) 을 구성하였다. 통합 시스템의 성능 평가를 위해 Bok et al. (2010)이 적용한 동일한 방법인 적조 생물(C.
polykrikoides)에 의한 S
V측정실험을 실험실에서 실시하였 다. 실험에 사용된 대상 종은 한국 미세조류 은행에서 분 양 후 배양액(F2-medium; Guillard 1975)으로 배양하였 고, 배양 온도는 25
oC, 12시간 주기로 빛에 노출시켰다.
실험은 소형 수조에 적조 생물을 넣고, 교반기를 사용하여 적조 생물을 균질하게 분포시킨 후 각각의 개체수에 따른 S
V를 측정하였다(Fig. 3(a)).
광학 현미경(BX50, Nikon/Olympus, Tokyo, Japan)으 로 계수된 300~3,000 cells/ml 범위의 C. polykrikoides 개 체수 조건에서 각각 3.5 MHz와 5.0 MHz에 대해 S
V를 측 정한 후, 각각의 주파수에 대한 ∆S
V를 측정하여 탐지 효 용성 평가를 실시하였다.
실해역 조건에서 시스템 성능 평가
실험실 조건에서 성능 평가 후 동일한 통합 시스템을 이용하여 2010년 8월 11일과 9월 19일 2회에 걸쳐 선박 을 이용한 실해역 평가를 실시하였다(Fig. 3(b)). 평가 해 역은 경상남도 통영 남서쪽 해역으로 하계 시기에 적조가 빈번히 발생하는 지역이었다. 1차 시도인 8월에는 무적조 상태의 평상시 조건으로 한국해양과학기술원 통영 해양생 물보존연구센터(MRC) 인접 해역에서 1시간 10분 동안 연속적으로 실시하였으며, 2차 시도는 북서쪽으로 약 7 km 떨어진 오비도 인근 해역으로 적조 종(C. polykrikoides) 이 발생한 9월 19일에 약 2시간 동안 실시하였다(Fig. 4).
음향 조사는 3.5, 5.0 MHz 음향 센서를 유선형 예인체 에 부착시킨 후, 소형 선박의 선측 부분에 고정 지지대를 이용하여 설치하였다. 이때 예인체를 수심 2 m까지 내린 후 약 4 노트의 일정 선속으로 이동하며 연속적으로 음향 신호를 획득하였고, ensemble 자료 생성 간격(ensemble interval) 은 시스템 기본 설정인 30초로 하였다. 센서는 해 수면의 기포에 의한 음향산란 영향을 최소화하기 위해서 기포가 기하 급수적으로 감소하는 e-folding 수심(<1.5 m) 보다 깊게 설치하여 음향 자료를 획득하였다(Crawford and Farmer, 1987). 본 연구 단계에서는 개발 시스템을 선 박에 설치하는 형태로 평가하였으므로 전원부는 태양전지 대신 직류 24 volt를 입력 전원으로 이용하였다.
시스템 실해역 적용은 적조 비발생 지역(정점 S1~S2)과 적조 발생 지역(정점 S3~S6)으로 구분하여 각각 실시하였 다. 각각의 경우에서 획득한 음향 신호는 실시간으로 통합 음향 시스템 내의 분석 알고리즘을 통하여 분석 및 저장 S
VdB ( ) 10log
10I
I
0---- 20log
10P P
0---
= =
Fig. 3. Performance evaluation using integrated acoustic system (a: laboratory condition, b: in situ condition)
하였다. 분석은 실험실과 동일하게 실해역에서 3.5 MHz 와 5.0 MHz의 S
V를 측정한 후, 각각의 주파수에 대한
∆S
V를 계산하여 해상에서의 탐지 효용성 평가를 실시하 였다.
분석된 결과 신호는 적조 음향탐지 시스템에 연결된 GUI(Graphic User Interface) 화면을 이용하여 현장에서 확인하였고, 동시에 CDMA 통신을 통해 음향탐지 결과, 위치 정보, 환경 정보 등을 육상 원격 제어부로 실시간 전 송하였다.
음향 산란강도와 적조 비발생 해역과 발생 해역에서의 적조 종의 실제 개체수를 비교하기 위하여 정점 별 음향 센서 수심과 동일한 수심에서 식물플랑크톤의 정성 및 정 량 분석을 위한 채수를 실시하였다. 채수 후 알루미늄 호 일에 의해 차광 처리된 채수통(500 ml)에 고정액(Lugol’s solution) 을 이용하여 고정하였으며, 실험실에서 박막 여과 지(pore size: 5.0 µm, diameter: 47 mm)가 장착된 플라스
틱 여과기로 농축 후 광학 현미경(BX50, Nikon/Olympus, Tokyo, Japan)을 이용하여 계수하였다. 환경 자료는 각 정 점에서 표층 수온 및 염분 자료를 저장하였다.
3. 결 과
통합 시스템 구현
적조 생물의 음향탐지를 위한 통합 시스템은 크기 축소 를 위하여 모체반을 중심으로 양면 장착 방식으로 제작하 였다. 전면부에는 전원 분배 보드와 3.5 MHz 신호발생 및 수신부를 후면부에는 A/D 보드, 제어 보드, 5.0 MHz 신 호발생 및 수신부를 배치하여 구성하였다. 전원부 또한 시 스템 크기를 최소화를 위해 수밀 커넥터를 이용한 외부 전원 공급 방식을 채택하였고, 외부에는 센서 커넥터 부 분, GPS 안테나, CDMA 안테나, 환경 관측 센서 커넥터 를 배치하였다(Fig. 5).
Fig. 4. Location for field evaluation of developed HAB’s acoustic detection system (1st trial: station S1 and S2, August
2010, 2nd trail: station S3-S6, September 2010). KIOST is an abbreviation for Korea Institute of Ocean
Science & Technology. Solid lines and marks indicate the acoustic survey routes and seawater sampling site,
respectively
실험실 조건에서 시스템 성능 평가 결과
적조 생물의 음향탐지를 위한 통합 시스템을 제작 후 실험실 조건에서 대상 적조 생물(C. polykrikoides)을 대상 으로 3.5 MHz와 5.0 MHz 주파수에 대한 시스템 성능 평 가를 위해 개체수 변화에 따라 50 ensemble 자료를 측정 하였다. 3.5 MHz와 5.0 MHz 주파수에 대해 300~3,000 cells/ml 실험 범위 내에서 C. polykrikoides 개체수가 증가 할수록 ∆S
V는 커지는 양상이 확인되었다(Fig. 6). 동일한 개체수 조건에서 ∆S
V는 모든 개체수에서 5.0 MHz에 비해 3.5 MHz 에서 상대적으로 강한 음향산란 특성을 보여 개
발된 시스템에서 C. polykrikoides 탐지는 3.5 MHz가 더 양호함을 보여준다. C. polykrikoides의 적조주의보와 경보 수준인 300 cells/ml과 1,000 cells/ml에 대해서 ∆S
V는 3.5 MHz 에서 4 dB와 7 dB, 5.0 MHz는 3 dB와 5 dB로 측 정되었고, 적조 개체수의 변화에 따른 변동 폭 또한 5.0 MHz 보다 3.5 MHz에서 크게 나타났다. 3.5 MHz에서 의 이러한 탐지 성능 양호는 제작사의 센서 사양에서 송 신 에너지가 5.0 MHz에 비해 3.5 MHz에서 약 2~3 dB 정도 크게 제시되고 있기 때문으로 판단된다.
개발된 음향탐지 시스템을 이용하여 실험실 조건에서 적조 생물의 개체수를 달리하면서 측정한 결과, 상관계수 (r)는 3.5, 5.0 MHz에서 각각 0.98, 0.93로 높은 상관성을 보여 적조 개체수 증가에 따른 음향 탐지 가능성을 제시 하고 있다.
실해역 조건에서 시스템 성능 평가 결과
개발된 음향탐지 시스템의 실해역 평가는 적조 비발생 시기와 발생 시기로 나누어 채수를 통한 식물플랑크톤 종 조성 분석을 동시에 실시하였다. 적조 비발생 시기인 정상 상태의 해양 조사 과정에서 조사선의 출발, 채수를 위한 조사선 정지, 후진 등 예인체 하부의 공기방울에 영향을 받은 자료를 제거한 총 89 ensemble 음향 자료를 분석하 였다. 분석 결과, 평균 ∆S
V는 3.5, 5.0 MHz에서 각각 3.3 dB 와 2.1 dB이고, 두 주파수 모두 1 dB 이내의 안정적 인 변동폭을 가지는 것으로 나타났다(Fig. 7). 주파수 특성 에서 3.5 MHz 대역에서 5.0 MHz 보다 상대적으로 높은 값을 보여 실험실 결과와 동일한 경향을 보였고, 측정된
∆S
V는 본 조사 해역에서 적조 비발생 조건인 정상 상태 해양에서의 시스템 탐지 성능으로 표현할 수 있다. 음향 자료와의 직접적인 비교를 위해서 정점 S1, S2에서의 계수 한 식물플랑크톤 종조성에서는 적조 종인 C. polykrikoides Fig. 5. Internal structures of the integrated acoustic
system for real-time HABs (Harmful algal blooms) detection
Fig. 6. Difference of backscattering strength and fitted curve [y = a * log
10(number of cells) + b] from C. polykrikoides
as number of cells at 3.5 and 5.0 MHz in laboratory. The vertical bars indicate the two standard deviation
(blue circle: 3.5 MHz, red rectangular: 5.0 MHz)
은 확인되지 않았고, 정상 상태의 해양에 우점하는 규조류 가 95%를 차지하고 있었다(Table 1). 무적조 조건에서 시 스템 평가 결과, 시스템 동작 안정성을 확인하였고, 정상 상태의 해양 조건에서 ∆S
V값은 큰 변화가 없음을 알 수 있었다.
동일한 음향 시스템을 적조 발생 시기와 맞추어 시스템 성능 평가를 실시하였으며, 이때 음향 자료에서 출발, 정 지, 채수 시기에 형성되는 예인체 하부의 공기방울에 영향 을 받은 자료는 제거하였다. 적조 발생 면적이 매우 좁은 지역에 한정되어 발생하였지만, 253 ensemble 자료 분석 결과 ∆S
V는 3.5, 5.0 MHz에서 각각 2.7~30.8 dB, 2.2~
27.2 dB의 넓은 변화폭을 가지는 것으로 관측되었다(Fig.
8). 이러한 큰 변화폭은 좁은 조사 지역에서도 적조 발생 종이 균일하게 분포하지 않음을 보여주고 있다. 무적조 조 건에서 측정한 동일한 주파수의 ∆S
V값과 비교할 때 적조 발생 해역에서 높은 값을 가져 적조 생물에 의한 음향산 란 강도 차이가 발생하였음을 알 수 있었다. 주파수 특성 에서도 무적조 조건에서의 평가와 같이 3.5 MHz 대역에 서 5.0 MHz보다 높은 ∆S
V값을 보이는 일치성을 나타내 고 있다.
음향 자료와의 비교를 위하여 정점 S3~S6에서 채수한 자료에서 적조 대상종인 C. polykrikoides 개체수는 정점 에 따라 88~3,137 cell/ml의 분포를 보여주고 있다(Table 1). 정점 별로 계수한 적조 개체수와 채수 지점에서 측정 한 5 ensemble 자료를 이용한 평균 ∆S
V와의 상관계수(r) 는 3.5, 5.0 MHz 에서 각각 0.91, 0.98로 높은 상관성을 보였다. 적조 발생 및 미발생의 해양 조건에서 측정한 음 향 자료와 식물플랑크톤 채집 자료와의 직접적인 비교로 부터 본 연구에서 개발한 음향탐지 시스템에 대한 동작 Fig. 7. Variation of the Difference of backscattering
strength using 3.5 MHz and 5.0 MHz transducer under the condition of no red-tide event (normal seawater)
Table 1. Phytoplankton abundance and environmental data for comparing acoustic data of a developed & integrated acoustic system for real-time HABs (Harmful algal blooms) detection, under the condition (1) no red-tide and (2) red-tide
11 Aug. 2010 (no red-tide) 19 Sep. 2010 (red-tide)
Station 1 2 3 4 5 6
Local time 10:05 10:55 13:20 13:35 13:50 14:10
Surface temperature (
oC) 22.9 23.9 26.7 27.5 27.5 27.5
Salinity (psu) 32.9 32.3 29.2 29.3 29.3 29.3
Phytoplankton abundance (cells/ml)
Total 438 478 273 1227 4099 1172
Diatom 417 451 181 982 902 550
Dinoflagellate (C. polykrikoides) 21 (0) 27 (0) 92 (88) 245 (232) 3190 (3137) 621 (609) Ensemble S
V(dB)*
3.5 MHz mean ∆S
V( ±s.d) 3.2 (0.96) 9.1 (1.29) 17.7 (2.26) 11.5 (0.55) 5.0 MHz mean ∆1S
V(±s.d) 1.5 (0.39) 5.9 (1.37) 12.5 (1.65) 7.4 (0.33)
*SV: backscattering strength.
안정성 및 적조 탐지 가능성을 확인할 수 있었다.
4. 고 찰
우리나라 남해안 연안의 하계 시기에 대량의 피해를 유 발하는 유해 적조는 빠른 증식 속도와 해류에 의한 이동 성 때문에 기존의 현장 조사 방법 이외에 빠른 탐지를 위 한 방법들이 제안되고 있다(김 등 2004; 윤과 김 2005;
Ahn et al. 2005; 김 등 2007). 제안된 각각의 방법들은 장 단점을 가지고 있으나 다양한 실험을 통한 실해역 적용에 는 어려움이 있어 새로운 방법들의 제안이 요구되고 있 다. 본 연구에서는 음파에 대한 생물의 음향산란 강도 차 이를 이용한 초음파 유해적조 음향탐지 시스템을 자체적 으로 개발하였으며, 개발된 시스템을 이용하여 실험실 및 실해역 검증을 수행함으로써 활용성 확인 측면까지 확장 하고자 하였다. 개발한 음향 시스템이 종조성의 분리에는 한계가 있으나 정상 상태의 해양 조건에서 적조 생물 증 가에 따른 탐지를 주된 목적으로 하였다.
본 시스템에서는 Bok et al. (2010)과 Kim et al. (2010) 이 제안한 방법을 이용하여 접근 방법은 동일하나 절대값 을 산출하는 방법이 아닌 상대적인 값을 표현하는 방법을 사용하였다. 즉, 무적조 조건인 필터 해수를 이용하여 개 발된 시스템의 보정 S
V를 측정하였으며, 실험실 혹은 실해 역에서 시스템 성능 평가는 측정값에서 보정값을 제거한
Difference of S
V( ∆S
V, dB) 를 이용하여 실시하였다. 따라서 음향학적 접근 방법의 차이가 있으나 궁극적으로 적조 발 생 탐지 측면에서는 동일한 결과를 나타내고 있다. 본 시 스템에서는 측정된 자료의 가시화 용이성 측면과 향후 시 스템의 기준 레벨 보정(calibration)을 위하여 ∆S
V를 이용 한 상대적인 값의 표현 방법을 사용하였다.
Fig. 7의 결과에서처럼 무적조 조건에서 ∆S
V는 3.5, 5.0 MHz 에서 각각 3.3 dB와 2.1 dB로, 본 연구의 조사 해 역에서는 무적조 상태의 기준치로 사용해야 함을 의미하 고 있다. 현재 개발된 시스템은 보정 S
V값을 설정하기 위 하여 필터 해수를 이용하는 방법을 사용하고 있다(Fig. 6).
따라서 향후 시스템 성능 향상을 위해서 해역마다 무적조 조건의 기준 레벨을 설정하여 적조 발생 유무를 판단할 수 있는 시스템으로의 수정이 뒤따라야 할 것이다.
개발된 시스템은 무적조 조건에서의 실해역 검증에서 자료의 안정성 및 정상 상태에서의 기준값을 나타내고 있 으며, 이들 음향 관측치는 채수를 통한 식물플랑크톤의 계 수 결과와 일치성을 보여주고 있다. 본 연구에서 측정된 3.5 MHz 와 5.0 MHz에서 3.3 dB, 2.1 dB의 ∆S
V는 채수 결 과 무적조 조건이므로 이들 신호에 영향을 주는 요소로 규조류 및 기타 미세 부유물로 판단되나 각 산란체에 대 한 개별 음향 특성은 추후 연구가 필요하다.
적조 발생 조건에서 성능 평가를 위해 동일한 주파수 영역인 5.0 MHz의 결과를 이전 연구 결과와 비교하였다.
실해역 자료에서 Bok et al. (2010)의 측정 자료는 −33 dB (2,227 cells/ml)~ −44 dB(0 cells/ml) 범위로 약 11 dB 차 이를 보였으며, Kim et al. (2010)은 −23 dB(1,320 cells/
ml)~−35 dB(0 cells/ml) 범위로 약 12 dB 차이를 보였다.
본 연구에서는 C. polykrikoides 개체수가 정점 S6에서 3,137 cells/ml 이고, 이때 ∆S
V는 16.5 dB로 측정되었으며 무적조(정상 상태 해양)의 평균 값인 2.1 dB를 고려하면
∆S
V는 14.5 dB이다. 기존 조사와의 개체수 차이를 고려하 면 본 연구에서 개발한 시스템 탐지 성능에 양호하게 나 타남을 알 수 있다.
적조 발생의 주의보 단계인 300 cells/ml 조건에서의 음 향 탐지 성능이 중요한 것을 고려하여 유사한 개체수 분 포를 가지고 있는 정점 S4의 ∆S
V값을 검토한 결과, 3.5 MHz 와 5.0 MHz가 각각 12 dB, 10 dB로 측정되었고, 정상 상태의 값을 고려한 값의 분포가 8.7 dB, 7.9 dB로 적조 초기 단계에서 탐지 가능성을 보여주고 있다.
적조 탐지 방법 가운데 필요한 중요 요소 가운데 하나 는 연속적인 관측이다. Fig. 9는 개발한 음향탐지 시스템 의 5.0 MHz 센서를 이용한 연속적인 ∆S
V값을 조사 공간 위에 투영한 것이다. 통영 오비도 북쪽의 제한된 공간임에 도 불구하고 적조에 의한 신호 분포는 조사 해역인 중앙 부에 집중되어 있으며, 조사 정선간 차이를 보여 공간적인 Fig. 8. Variation of the Difference of backscattering
strength using 3.5 MHz and 5.0 MHz transducer
under the condition of red-tide event (abnormal
seawater)
분포와 이동이 빠르게 진행됨을 알 수 있다. 동일한 위치 에서 국립수산과학원에서 측정한 적조 선박 예찰 결과와 비교하였을 때(NFRDI 2010), 개체수 차이는 있지만 분포 위치는 유사한 결과를 보여 연속 음향 자료의 효율성을 보여주고 있다(Fig. 10). 본 연구에서 측정한 연속적인 분 포와 국립수산과학원이 제시하고 있는 분포도의 부분적인 차이는 선박을 이용한 목시 관측 및 불연속적인 채수법에 따른 방법론의 차이에 기인한 것으로 판단된다.
적조 음향탐지 시스템의 사용한 초음파 센서는 좁은 빔
폭(<1
o) 과 10 cm 이내의 짧은 분석 구간으로 인하여 어류 나 동물플랑크톤 등의 산란신호는 탐지될 가능성이 매우 작다. 탐지될 경우 적조생물보다 강한 산란강도 특성을 고 려하여 역치 수신 전압(threshold received voltage) 에서 제거한 후 평균 값을 사용하는 내부 알고리즘을 통하여 오차를 최소화시켰다.
시스템 센서의 후방산란강도에 영향을 줄 수 있는 표층 의 공기방울 존재는 해수면으로부터 2 m 수심의 센서 운 용 깊이 설정과 적조 발생 환경을 고려할 때 영향이 없는 Fig. 9. Difference of backscattering strength along acoustic transect at 5.0 MHz frequency under the condition of red
tide in September 2010. The color bar means normal, precaution, and warning level at each other
Fig. 10. Monitoring result of the HABs distribution from National Fisheries Research and Development Institute
(NFRDI) (http://portal.nfrdi.re.kr/redtide/mapattr/, Last accessed on 16 October 2012 (in Korean)
것으로 판단된다. 유선형의 예인체 하부에 센서를 설치한 후 선속을 최대 6 노트까지 증가하였으나 수신 신호의 변 동성에 영향은 없는 것으로 측정되었다. 본 장비 테스트 기간 중에 별도로 풍속 자료는 조사하지 않았으나 내만의 지리적 특성과 적조 발생 조건인 일사량 증가 시기에는 바람의 세기가 매우 약한 특성으로 인해 센서 수심인 2 m 까지 영향을 줄 공기방울 생성 가능성은 없을 것으로 판 단된다.
본 연구에서는 음향탐지 후 최종 결과를 실시간으로 전 송하는 송신 체계를 구성하여, 적조 탐지부(detection part) 는 유선 또는 무선망을 통해 육상 기지국에 자료를 실시 간 전송하며, 원격 제어부(remote & monitoring part)는 실해역의 시스템을 원격 제어 및 운용하는 기능을 구현하 였다(Fig. 11). 원격 제어부는 선박 설치형과 복수의 부이 형 시스템에 대해서 동시 운용이 가능하다. 이들 기능 이 외에 적조주의보 및 경보 발생시 신호 레벨 설정을 통한 알람 기능, 계류 지점에서 위치 이탈시의 알람 기능, 실시 간 데이터 전송 이상 시 사용자의 PC 혹은 휴대폰에 실시 간으로 문자 전송 기능도 추가하여 활용성을 증대하였다.
개발된 적조 음향탐지 시스템은 적조 발생 종의 음향 특성을 기반으로 실해역에서 선박 혹은 계류형 부이에 탑 재하여 장기간 관측 및 결과를 실시간으로 전송하며, 시스 템 제어 기능을 탑재한 하나의 통합 체계로 구성하였다.
기존의 수중음향 시스템은 대부분 국외 제품으로 고가이 고 유지 보수 등에 어려움이 존재한다. 본 연구에서 개발 한 통합 시스템은 향후 장기 운용 및 축적된 측정 자료를 기반으로 일부 기능 및 성능 개선이 필요하나 순수 국내 기술을 이용하여 개발된 시스템이므로 성능 향상 및 운용
성에 장점이 있다.
본 연구는 공학적인 측면에서 국내·외에서 아직 개발 되지 않은 유해 적조 생물의 실시간 탐지 시스템 개발에 따른 하드웨어적 통합 기술을 제시하였으며, 자연과학적 측면에서 유해 적조 발생 현상의 실시간 관측을 통한 빠 른 생태계 특성 파악과 이를 통한 해양환경 이해의 기술 적 방법을 제시하는 다학제간 연구 결과 제시에 의미가 있다.
5. 결 론
본 연구는 초음파의 후방 산란특성 이론에 기반하여 적 조 피해 유발 종인 C. polykrikoides에 대한 음향탐지 시스 템을 개발하였고, 구현된 통합 시스템에 대해서 실험실 및 실해역 조건에서 선박을 이용한 성능 평가를 통해 안정성 및 실효성을 검증하였다. 실험실 조건에서 시스템 평가 결 과, 필터 해수에 의한 음향산란 신호를 기준으로 했을 때, 적조 개체수 증가에 따라 음향산란 신호도 크게 나타났으 며, 이때 5.0 MHz 보다는 3.5 MHz에서 탐지 성능이 상대 적으로 더 좋게 나타났다. 시스템의 실해역 검증 실험에서 무적조 조건의 경우 3.5 MHz, 5.0 MHz에서 ∆S
V는 3.3 dB, 2.1 dB 로 안정되게 나타나 시스템의 안정성 및 정상 해양 에서의 기준값을 파악하였다. 적조 발생시 3.5 MHz, 5.0 MHz 의 ∆S
V는 각각 2.7~30.1 dB, 2.2~27.2 dB로 측정 되어 적조주의보 이전부터 적조경보 수준까지 탐지가 가 능하였다. 일부 보완 및 개선이 필요하지만 전체적으로 음 향탐지 시스템 이외에 자료의 원격 전송, 원격 시스템 제 어를 포함한 통합 적조 음향탐지 시스템의 성능은 적조 Fig. 11. Graphic user interface (GUI) program for wireless data transport and remote control of the developed
acoustic system
음향탐지가 가능함을 보여주고 있으며, 자체 개발에 따른 시스템 성능 향상 및 운용에 장점을 제공하고 있다.
사 사
본 연구는 한국해양과학기술원에서 수행중인 “해양생 태계 구조변동 진단 현장적용 기술 개발(과제번호:
PE98933)” 과제의 지원을 받아 수행되었습니다. 식물플 랑크톤 자료 분석을 수행한 전남대학교 윤양호 교수님, 현 장 조사 수행에 도움을 준 통영 MRC의 최희정 선임기술 원, 현장 직원들, 그리고 김미라님에게 감사를 드립니다.
무엇보다도 본 논문의 질적 향상을 위하여 수차례 지적을 해주신 심사위원 분들에게 깊은 감사를 드립니다.
참고문헌
![Fig. 6. Difference of backscattering strength and fitted curve [y = a * log 10 (number of cells) + b] from C](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dokinfo/5107920.328849/7.892.90.431.157.512/fig-difference-backscattering-strength-fitted-curve-number-cells.webp)
