Analysis and Classification of Broadband Acoustic Echoes from Individual Live Fish using the Pulse Compression Technique

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서 론

현재, 해양에서어족생물의현존자원량평가, 어초에대한자 원조성효과의평가, ^물리환경^및^{지층구조의}^탐사^등과^같은^각 종해양계측분야에서 chirp (compressed high intensity radar

pulse) ^기술이^널리^활용되고^있다. ^그^중에서도^특히, ^어업생

물자원의계측과관련하여 chirp ^기술을^채택한^소너(sonar) ^및 어군탐지기가널리보급되고있는데, 그이유중의하나는해 중이나해저부근에군집하고있는어족생물상호간의거리분 해능개선, SNR (signal to nose ratio, ^신호대^잡음비)^의^향상, 또한, ^낮은^출력으로^높은^{신호이득을}^얻을^수^있다는^장점^때

문이다(Airmar, 2013). ^종래의^{어군탐지기에서는}^{거리분해능}

이전적으로송신신호의펄스폭에의해결정되었지만, chirp 어

군탐지기에서는펄스폭과관계없이 chirp ^신호의^주파수^대역 폭에의해결정되기때문에주파수대역을증대시킬수록어족 생물상호간의거리분해능을향상시킬수있다. 일반적으로해 중으로방사되는음향신호의출력은첨두출력(peak power)^과 송신펄스폭의곱으로서정의되기때문에종래의어군탐지기 에서는어류의탐지능력을향상시키기위하여첨두출력을증 대시키거나, ^또는^펄스폭을^{증대시키는}^방법이^널리^이용되어 왔다. 이경우, 첨두출력을증대시키면장치의규모가커지고, 펄스폭을증대시키면거리분해능이저하하는상충문제(trade-

off)^가^발생한다. ^그러나, chirp ^{어군탐지기에서는}^{거리분해능}

이펄스폭과독립적이기때문에펄스신호의첨두출력을낮추 더라도그에비례하는만큼, ^펄스폭을^{증대시키면}^종래의^어군 탐지기와동일한탐지성능을얻을수있기때문에낮은출력으

펄스압축기법을 이용한 활어 개체어에 대한 광대역 음향산란신호의 분석 및 식별

이대재*·강희영¹·곽민선²

부경대학교 해양생산시스템관리학부, ¹국립해양조사원 수로측량과, ²신아종합

Analysis and Classification of Broadband Acoustic Echoes from Individ- ual Live Fish using the Pulse Compression Technique

Dae-Jae Lee*, Hee-Young Kang¹ and Min Son Kwak²

Division of Marine Production System Management, Pukyong National University, Busan 608-737, Korea

1Hydrographic Survey Division, Korea Hydrographic and Oceanographic Administration, Busan 606-806, Korea

2Shin-A Corporation, Busan 602-801, Korea

This study identified the species-specific, frequency-dependent characteristics of broadband acoustic scattering that facilitate classifying fish species using the pulse compression (PC) technique. Controlled acoustic scattering labora- tory experiments were conducted with nine commercially important fish species using linear chirp signals (95–220 kHz) over an orientation angle range of ±45° in the dorsal plane at approximately 1° increments. The results suggest that the angular-dependent characteristics of the broadband echoes and the frequency-dependent variability in target strength (TS) were useful for inferring the fish species of interest. The scattering patterns in the compressed pulse output were extremely complex due to morphological differences among fish species, but the x-ray images strongly suggested that spatial separation correlated well with scattering for the head, skeleton, bone, otoliths, and swim blad- der within each specimen.

Key words: Broadband acoustic scattering, Frequency dependence, Pulse compression technique, Fish species classification, Chirp fishfinder

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http://dx.doi.org/10.5657/KFAS.2015.0207 Korean J Fish Aquat Sci 48(2) 207-220, April 2015

Received 19 March 2015; Revised 9 April 2015; Accepted 10 April 2015

*Corresponding author: Tel: +82. 51. 629. 5889 Fax: +82. 51. 629. 5885 E-mail address: [email protected]

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로높은신호이득을얻을수있는장점이있다. ^이와^같이^긴^펄 스폭을갖는음향신호가해중의어족생물로부터산란될때, 넓 은주파수범위의 chirp ^{산란신호를}^{펄스압축처리}, ^즉 matched

filter를통과시켜처리하면각종해중잡음이제거된고분해능

의 echogram^을^얻을^수^있다(Chu and Stanton, 1998). ^이에^부

가하여 chirp ^{어군탐지기에서는} ^종래의^{어군탐지기와}^비교하

여매우넓은주파수대역의펄스신호를해중으로송신하기때 문에대상어류로부터더다양한주파수의존적인어종식별정보 를얻을수있다(Stanton and Chu, 2008; Stanton et al., 2010;

Stanton et al., 2012).

따라서, ^본^{연구에서는}^{어족생물의}^형상, ^이석(otolith)^을^포함 하는내부조직, 부레의유무등과같은생태학적차이에따른음 향산란신호의변동특성을정량적으로분석, ^고찰하기^위한^목

적으로, 9개의어종을대상으로 95-220 kHz의주파수대역에

서측정한 chirp ^{산란신호의}^진폭^및^주파수^스펙트럼(spread

spectrum)^의^자세각^의존성을^분석하고, ^또한, ^{펄스압축기술을}

통해추출된 chirp echo 응답패턴을바탕으로어종식별과관련

된어체내부에대한산란요소(scattering feature)^의^분포패턴 등을분석, 고찰하였다.

재료 및 방법 chirp 어군탐지 시스템의 구성

실험어류에 의한 광대역 음향산란신호를 계측하기 위한 chirp ^어군탐지^시스템의^구성^모식도는 Fig. 1^과^같다. Fig. 1

에서어류에의한 chirp ^{산란신호의}^계측은^먼저 PC^에서^일정

한펄스폭(0.3 ms)^과^{펄스반복주기}(0.02 s)^를^갖는^{선형주파수} 변조(linear frequency modulation) 신호, 즉, chirp 신호를발

생시켜 이것을 RS232C ^{인터페이스를} ^통해^{임의파형발생기}

(33120A, HP, USA)의메모리에전송하여저장한후, 필요에

따라이 chirp ^신호를^호출하여^{사용하였다}. ^본^연구에서^이용

한 up-chirp ^펄스신호 S(t)^는 (1)^식을^이용하여^{발생시켰는데}, S(t) =A rect(_T^t) sin(2πf_s t +παt² ) (1)

여기서, A^는 chirp ^{펄스신호의}^진폭, f_s^는 chirp ^{펄스신호의}^시작 주파수로서, f_s= f₀- ^Δf₂ (f₀: ^{중심주파수}, Δf : chirp ^신호의^주 파수대역폭)^이다. ^또한, α^는 chirp ^{펄스신호의}^주파수^소인율 (frequency sweep rate)로서, chirp 펄스의지속시간을 T 라할 때, α = ^Δf_T 이다. 또한, 0 ≤ t ≤ T 이면, rect(_T^t) = 1 이고, t < 0 또는 t > T 이면, rect(_T^t)=0 이다.

실험은임의파형발생기의메모리에저장되어있는 up-chirp 펄스를호출하여출력전압과주파수대역을각각 400 mV, 90- 280 kHz^로^조정하여^{전력증폭기}(2713, B&K, Denmark)^를^거 쳐 40 dB^로^증폭한^후, ^이^신호를^정합회로(matching network)

를경유하여광대역초음파변환기(R203, Airmar, USA)^에^공

급하였는데, 그 chirp 송신펄스신호의시간주파수응답특성은 Fig. 2^와^같다.

Fig. 2^에서^어류에^의한^광대역^{산란신호는} chirp ^펄스의^송신

에사용한것과동일한또하나의광대역음향변환기를사용하 여수신하였는데, ^이들^송신과^수신용^{음향변환기는}^투명^아크

Fig. 2. Spectrogram of chirp pulse signal applied to the transmitting transducer. The chirp pulse signal of 0.3 ms duration as il- lustrated in the upper panel was used in both the scattering and the calibration measurements. The frequency bandwidth in the left panel was 190 kHz (90-280 kHz).

Fig. 1. Schematic diagram of the experimental setup for measur- ing the broadband echoes from live individual fish. (a) Diagram of time and frequency for generating the chirp pulse signal, (b) Transmitting chirp pulse signal.

(3)

릴수조(L×B×D, 1.8×1.2×1.2 m)^의^한쪽^벽면에^나란히^설 치하였다. chirp 산란신호의계측은 0.02%의 MS-222 (sigma

chemical, Canada)^로서 ^마취시킨 ^활어 ^개체어를 ^송∙^수신 ^광

대역음향변환기의음축상약 1.2 m 거리에나이론 monofila-

ment (Ø=0.3 mm)^를^사용하여^{현수시키고}, ^어체의^등쪽이^진

동면과수평이되도록깊이와자세를정밀하게조정하면서수 행하였다. 즉, 회전장치(turn table)를제어하여 ±45° pitch 범 위(+: head up, -: head down)^에^대한^몸체(fish body)^의^경사상 태와신호변동의연속성등을확인하면서 +45°, 0°, -45°의순

서로 pitch ^각^변화에^따른^{산란신호의}^변동을^약 1° ^간격으로

측정하였다. ^이^때, ^수신^{음향변환기를}^통해^측정된 chirp ^산란 신호는대역필터와전치증폭기(VP2000, RESON, Denmark) 를통해필터링및증폭한후, ^디지털^{오실로스코프}(DS1530, EZ, Korea) 및스펙트럼분석기(LSA-30, LIG Nex1, Korea)의 USB ^{인터페이스를}^통해 chirp ^{산란신호의}^{시간응답파형과}^주 파수스펙트럼등을수록하였다.

실험어류의 X-ray 영상 해석

본 연구에서 사용한 실험어류는 부레를갖는 부세(Larimi- chthys crocea), 고등어(Scomber japonicus), 전어(Konosirus punctatus), 자리돔(Chromis notata notata), 말쥐치(Thamna- conus modestus [K]), ^조피볼락(Sebastes schlegeli), ^불볼락 (Sebastes thompsoni), 돌돔(Oplegnathus fasciatus)과부레를 갖지않은쥐노래미(Hexagrammos otakii) 등으로서모두 9^개 어종이고, 실험은이들어종을대상으로각각 1마리씩에대하 여수행하였고, ^그^형태학적^특성은 Table 1^에^{나타내었다}. ^이 들어종은우리나라에서상업적으로매우중요한어족생물로 서, 연근해및연안어업의주요어획대상어종이다. 특히, 쥐노 래미는부레의유무에따른어류의음향학적산란특성의차이 를비교, 분석하기위한비교대상어종으로선택되었다. 이와같

이선택된실험어류의형태학적특징은 X-ray ^장치(SMS-CM, Sewha Medical System, Korea)을사용하여부레를포함하는 어체내부조직에대한영상을측면과복부방향에서촬영하였

다. chirp 어군탐지기를사용하여광대역음향산란특성의자세

각및주파수의존성을분석하기위해서는부레의유무및부레

의형상과자세각등에대한정보가필요하다(Clay and Horne,

1994). 여기서는어체의측면및복부 X-ray 영상을토대로부

레의수평길이(a), ^수직폭(b)^과^수평폭(c), ^경사각, ^가스^체임버 (gas chamber)의수등을조사하여부레체적(V_s)을 (2)식에의 해계산하고, ^이^값과^어류^몸체의^체적(V_b) ^데이터를^토대로^부 레와몸체의체적비(V_s/V_b)^를^{산출하였다}.

V_s=^4π_{3 2}( ^a · ^b₂ · ₂^c) (2)

한편, ^불볼락의^부레의^형상은 2^개의^가스^체임버를^갖는^이 중체임버 (double chamber)형이므로, 그부레체적은전부(an- terior chamber)^와^후부(posterior chamber)^의^각각에^대하여 a, b ^및 c ^값을^구하여^{산출하였다}.

chirp 산란신호의 펄스압축 및 압축파형의 평활화 펄스압축은 chirp ^소너^{시스템이나} chirp ^레이더^시스템^등에 서탐지물표의거리분해능이나 SNR을증대시키기위해이용 하는신호처리기술이다. ^본^연구에서^이용한 up-chirp ^신호 S(t) 의펄스압축비(pulse compression ratio, PCR)^는^송신 chirp ^펄 스신호의주파수대역폭을 Δf 라할때, 압축전의펄스폭 T 와 압축후의펄스폭 τ 의비, ^즉, PCR=T/τ =Δf ∙ T 에의해구할 수있는데, 종래의어군탐지기에대한펄스압축비는 PCR=1이 다. ^또한, ^어류의 echo ^파형과^어체^형상^및^내부조직^사이의^연 관성을파악하는데직접적인영향을미치는압축펄스의폭은 τ

=1/Δf 에의해구할수있다. 따라서, 송신 chirp 펄스신호의 Δf

Table 1. Morphometric measurements of swimbladders for 9 fish species obtained from X-ray images

Species Fish Body Swimbladder Volume (cm³) Ratio

V_s/V_b Ratio SL/TL TL (mm) FW (g) SL (mm) SH (mm) SW (mm) Angle (°) V_b V_s

Large yellow croaker 293 370 109 18 20 12.6 435 20.5 0.047 0.38

Chub mackerel 349 320 87 21 14 11.9 440 13.7 0.032 0.25

Fat greenling 309 340 - - - - 320 - - -

Konoshiro gizzard shad 191 55 54

44 3.6

3.8 x

x 11.4

13.3 55 - - 0.28

0.23

Whitesaddled reeffish 163 78 53 12 15 22.6 75 5.2 0.069 0.32

Black scraper 210 160 39 14 11 22.3 140 3.0 0.021 0.18

Black rockfish 254 270 53 16 26 21.2 310 11.6 0.037 0.21

Goldeye rockfish 258 295 47

11 17

12 25

18 18.2

35.9 320 11.7 0.036 0.18

0.04

Striped beakperch 229 245 67 17 22 24.2 285 13.2 0.046 0.29

TL, total length; FW, body weight; SL, SH, SW, length, height and width of swimbladder; V_b, V_s, volume of fish body and swimbladder.

(4)

를증가시키면압축된 echo ^펄스에^대한 slant ^거리^분해능(X_r), 즉, X_r=c/2Δf =cτ/2 을더욱향상시킬수있다. 그러나, 실제의 경우, ^이것은 chirp ^초음파^진동자의 FOM (figure of merit) ^성 능특성에의해결정되는요소로서, 본연구에서는 chirp 펄스의

주파수대역폭과펄스폭을각각Δf =100 kHz , T=0.2 ms로서

설정하였기때문에펄스압축비와거리분해능은각각 PCR=20 와 X_r=7.5 mm이었다. 대부분의어류는어종에따라부레의유 무, ^형상, ^{내부조직의}^위치와^분포패턴^등이^서로^다르기^때문에

넓은주파수대역폭의 chirp 펄스신호를이용하여 echo 응답을

측정하면, ^어종^고유의^주파수^{응답특성은}^물론^어류의^형태^및 해부학적특성에기인하는산란신호의생성메커니즘을분석할 수있다. 만일, 어류가 chirp 송·수파기의음향방사면으로부터 거리 r인위치에존재할때, ^이^{어류로부터의}^산란신호 V_r(ω)

은소너방정식에 의해 (3)식과같이나타낼수있다(Stanton

and Chu, 2008).

V_r(ω) =Vt (ω) H_o(ω) B_r(ω) B_t(ω) r_ref

e^{i (2ω/c) r} e^{-2α (ω) r} F_bs(ω) r²

(3)

여기서, ω^는^각주파수, V_t(ω)^은^송파기에^인가된^{송신펄스신} 호, H_o(ω)^는^송파기^및^수파기의^합성^송∙_수신감도, B_r(ω)^과 B_t(ω)^은^각각^수파기와^송파기의^지향성^함수, r_ref^는^송파감도

측정시의기준거리, c와 α(ω)은수중에서의음속과흡수감쇠

계수, F_bs(ω)^는^어류의^{음향산란진폭이다}. ^따라서, ^개체어^활어 에대한음향반사강도(target strength, TS)^는

TS = 10 log | F_bs(ω)|² (4)

에의해구할수있다(Reeder et al., 2004). (3)식에서어군탐 지기의송∙^수신^모드에^대한^시스템^{응답특성과}^개체어^위치에 대한수중에서의왕복(two-way) 전반손실을각각 H(ω), L(ω) 라하면

H (ω) =H_o(ω) B_r(ω) B_t(ω) (5)

L(ω) =r_ref

e^{i(2ω/c) r} e^{-2α(ω) r} (6)

r²

이되므로, V_r(ω)^는

V_r(ω) =V_t(ω) H(ω) L(ω) F_bs(ω) (7) 에의해구할수있다. 어류가존재하지않는상태에서송파기 와수파기를서로마주보도록 r_d거리만큼분리시켜설치한후

측정한 chirp 어군탐지기의시스템응답특성, 즉, 직접파의출

력신호 V_d(ω)^는^송파기와^수파기^사이의^편도(one-way) ^전반 손실을 L_d(ω)라하면,

V_d(ω) =V_t(ω) H (ω) L_d(ω) (8) 이된다. 따라서, 개체어에대한산란신호 V_r(ω)은

V_r(ω) =V_d(ω) F_bs(ω) (9)

와같이나타낼수있다. ^이^때, ^{시간영역에}^대한 matched filtering 신호처리는개체어의산란신호 V_r(t)와기준 chirp 펄스신 호(replica) V_d(t)의시간역전복소공액(time-reversed complex conjugate) V_d^*(t)^의 ^컨벌루션 (convolution)^으로서^정의된다. 따라서, matched filter를통과한어류에의한산란신호 g(t)는

g(t) =V_r(t)* V_d^*(t) (10)

에의해구할수있고(Chu and Stanton, 1998), ^여기서, *^은^컨 벌루션을의미한다. 일반적으로어떤신호 g(t)의고속 Fourier transform (FFT)^은

G(ω) =∫-∞^+∞g(t) e^-jωt dt (11)

에의해정의되므로, ^주파수^영역에서 matched filter^를^통과한

어류에의한산란신호 G(ω)는

G(ω) =V_r(ω) V_d^*(ω) (12)

에의해구할수있다(Maurice, 2007). ^이^{식으로부터} matched filter ^출력, ^즉, ^{압축펄스신호} y^는 G(ω)^의^역 FFT(inverse FFT, IFFT), ^즉

y =IFFT{G(ω)}=IFFT{V_r(ω) V_d^*(ω)} (13) 에의해구할수있는데(Wang and Yao, 2009), ^이들 matched filtering 신호처리에대한모식도는 Fig. 3과 같다(Ahmed et al., 2014).

한편, ^이와^같은 matched filter^의^출력, ^즉^압축된 echo ^펄스

에는많은측엽(side lobe)^들이^함께^나타나기^때문에^이들^측엽

레벨을억제시키고, ^또한, ^{어군탐지기}^자체에^기인하는^응답성 분을제거하기위하여역필터링(inverse filtering) 처리와윈도 우(window) ^함수 W(ω)를이용하여스펙트럼을성형(reshap- ing)^할^필요가^있다. ^즉, ^윈도우^처리된^새로운^압축 echo ^펄스 z는

z =IFFT{V_r(ω)

W(ω)} (14)

V_d(ω)

(5)

에의해구할수있는데(Lord, 2000), 본연구에서는윈도우함

수로서 Hanning ^윈도우를^{이용하였다}.

결과 및 고찰

실험어류의 X-ray 영상 및 부레의 형상학적 특징

본 연구에서실험에사용한 9^개^어종에^대한 X-ray ^영상은

Fig. 4와같다. Fig. 4에서 a~i의 X-ray 영상은각각부세(a), 고 등어(b), ^쥐노래미(c), ^전어(d), ^자리돔(e), ^말쥐치(f), ^조피볼락 (g), ^불볼락(h), ^돌돔(i)^에^대한^영상이다. ^본^{연구에서는} Fig. 4

의 X-ray 영상을토대로어류에의한산란신호의자세각및주

파수의존성을조사, ^{분석하였다}. ^이^때, ^어류의^자세^변화가^산 란신호의변동에미치는영향을각어종별로비교, 고찰하기위 하여 X-ray ^영상부터^각^어종에^대한^부레의^경사각, ^형상, ^크기,

체적등에대한파라미터를산출하였는데, ^그^결과는 Table 1^과

같다. Table 1에서부레의길이와높이는각개체어의측면 X-

ray ^{영상으로부터}, ^또한, ^부레의^폭은^복부^방향에^대한 X-ray 영상으로부터구하였다. 여기서, 부레의각부치수를구할때,

등쪽방향에대한 X-ray ^영상을^사용하지^않은^이유는^척추골

등의내부어체조직에대한영상과부레의영상이서로중첩되 어부레만의선명한영상을얻는데어려움이있었기때문이다. Fig. 4 ^및 Table 1^에서^알^수^있는^바와^같이^{쥐노래미의} X-ray 영상(Fig. 4c)에서는부레를관찰할수없지만, 나머지 8개어종 (^부세, ^고등어, ^전어, ^자리돔, ^말쥐치, ^조피볼락, ^불볼락, ^돌돔)

의 X-ray ^영상에는^다양한^형태와^크기의^부레가^선명하게^나

타나있다.

Fig. 4^에서^불볼락과^전어는^두^개의^독립적인^부레(double

chambered swimbladder)를갖고있는반면, 나머지어류는단 지하나의잘발달된부레(single chambered swimbladder)^를

갖고있다. ^불볼락은^체장^방향으로^앞쪽에는^큰^체임버(cham-

ber)가, 뒷쪽에는작은체임버가서로붙어있지만, 전어는체고

방향으로상부에는길고가느다란체임버가, ^하부에는^상부에 비해그길이가짧은체임버가서로상하로분리되어존재한다. 부세는유선형의긴부레(^길이 109 mm)^가^척추골^하부에 12.6°

의경사각을유지하면서분포하는데, ^몸체에^대한^부레의^체적

비는 4.7%, 길이비는 38%이었다. 북해연안에서어획되는고

등어에는부레가존재하지않지만, ^우리나라^{주변해역에서}^어 획되는고등어에는 Fig. 4에서와같이반달모양의부레(길이 87

mm)^가 11.9° ^경사되어^복부^부근까지^팽창되어^있는데, ^몸체에

Fig. 3. Frequency domain implementation for chirp pulse compression and matched filter output.

Fig. 4. Morphotypes observed on X-ray photographs of nine fish species. Photographs highlight the swimbladder and mineralized struc- tures such as skeleton, rocker bone and otoliths. (a) large yellow croaker Larimichthys crocea, (b) chub mackerel Scomber japonicus, (c) fat greenling Hexagrammos otakii, (d) konoshiro gizzard shad Konosirus punctatus, (e) whitesaddled reeffish Chromis notata notata, (f) black scraper Thamnaconus modesutus [K], (g) black rockfish Sebastes schlegeli, (h) goldeye rockfish Sebastes thompsoni, (i) striped beakperch Oplegnathus fasciatus.

(6)

대한부레의체적비와길이비는각각 3.2%, 25%^이었다. ^전어

의경우에는부레의복부 X-ray 사진으로부터정확한부레의

형상을추출하기어려워체적비를산출하지않았고, ^다만, ^길이 비는상부의경우, 28%, 하부는 23%이었다. 말쥐치는다른어 류에비해두개골조직이매우견고하면서상부의단면적이상 대적으로큰형태학적특성을갖는다. ^또한, ^부레는^척추골^하 부에매우잘발달된형태로존재하면서두개골조직과는상당 한거리를두고분포하고있다. ^이와^같이^음향^{임피던스가}^서로 다른두이질적인산란요소가일정한거리를두고서로분리되 어있으면, ^이들^{요소로부터}^음파가^산란될^때, ^두^요소에^의한 산란신호의위상이서로보강및상쇄간섭을일으켜매우규칙 적인음향산란패턴을나타낸다(Jaffe, 2006; Jaffe and Roberts,

2011). ^말쥐치의^몸체에^대한^부레의^체적비는 2.1%, ^길이비는

18%이었다. 한편, 조피볼락과불볼락은몸체에대한부레의체

적비가각각 3.7%^와 3.6%^로서^거의^같았고, ^{공통적으로}^매우

견고한두개골조직을갖고있지만, ^{조피볼락의}^경우에는^부레 가두개골조직과서로인접하여분포하고있는반면, 불볼락 은부레가두개골조직과상당한거리를두고분포하고있음을 알수있었다. 이때문에말쥐치에서와같이이들두요소에의 한산란신호는서로보강및상쇄간섭을일으켜음향산란패턴 을주기적으로변동시킬것으로판단된다. ^한편, ^돌돔의^부레는

하나의체임버를갖고있지만, 전부의부레공간은 13.6°, 후부

의공간은 39.4° ^기울어져^분포하고(^전체의^경사각 24.2°), ^그^체 적비는 4.6%이었다.

chirp 산란신호의 펄스압축파형

불볼락에대한 chirp ^{산란신호를}^대상으로^{펄스압축처리}, ^즉

matched filter를통과시킨결과는 Fig. 5와같다. Fig. 5에서 (a) 는실험수조에어류가존재하지않는상태에서측정한 chirp ^펄 스의직접파신호로서, 본연구에서는이신호를기준신호(rep-

lica)^로^이용하여^각^어종의^{개체어로부터}^얻어진 chirp ^산란신

호의펄스압축처리를수행하였다. (b)^는^불볼락의 head-down -12.5° 자세각에서 측정한 chirp 산란신호의 파형이고, (c)는 matched filter^를^통과시킨^{펄스압축된}^{검파파형이다}. Fig. 5(c) 에서알수있는바와같이펄스압축파형은 Fig. 5(b)의산란파 형과비교하여공간거리분해능과 SNR^이^매우^{향상되었지만},

matched filter^의^{출력신호에는}^많은^측엽들이^나타나고 ^있는

데, 이것은 chirp 어군탐지기의 echogram에허상을유발시키 는요인이되므로제거할필요가있다. ^따라서, ^본^{연구에서는} matched filter의출력, 즉압축된 echo 응답신호에나타나는측 엽레벨을억제시킬목적으로역필터링처리를통해스펙트럼 패턴을성형하였는데, ^그^결과는 Fig. 6^과^같다.

Fig. 6에서 (a)는불볼락의 head-down -12.5° 자세각에서측

정한 chirp ^산란^신호의^주파수^{스펙트럼이고}, (b)^는^본^연구에

서가중함수로서이용한 Hanning 윈도우이다. (c)는 (a)의 chirp 산란신호의주파수스펙트럼에 (b)^의^{가중함수를}^적용하여^성

형한 chirp ^{산란신호의}^새로운^주파수^{스펙트럼이다}. ^한편, (d) 는 (c)의 Hanning 윈도우에의해성형된 echo 스펙트럼을다시

Fourier ^{역변환하여}^얻은^새로운^{펄스압축파형의}^{검파파형이}

다. Fig. 5(c)에대한기존의펄스압축파형과 Fig. 6(d)의본연 구에서추출한펄스압축파형을서로비교해볼때, ^측엽^레벨이 대폭억제되어인접하는산란신호상호간의분해및식별이매

우용이하게되었음을알수있다. chirp 어군탐지기에서거리분

해능은 chirp ^{펄스신호의}^지속시간(^폭)^에^의해^결정되기^때문에

본연구에서사용하고있는 up-chirp 펄스의대역폭(Δf =100

kHz)^에^대한^거리^분해능은^{이론적으로} 7.5 mm^가^된다. ^만일, 음파가어류의등쪽방향으로수직입사할때에는어체내부의 육질, 뼈, 부레, 두개골등의요소들로부터생성된산란성분이

수파기에거의동시에도착하게되기때문에 Fig. 6(d)^와는^다

른형상의압축펄스파형이출력될것이다. 그러나, Fig. 6(a)에 서와같이어체가 head-down (^또는 head-up)^의^자세를^취하고 있을때에는음파가사입사(oblique incidence)^하는^상황이^되 기때문에어체내부의여러주요조직들로부터생성된산란성 분들이서로다른시간대에수파기에도달하여합성된다. ^이^때, 기준신호(replica)를이용하여이들산란신호를 matched filtering^하면^어체^{내부조직의}^분포에^대응되는^{산란성분들을}^서로

분해하여나타낼수있다. Fig. 6(d)^의^{펄스압축파형과}^어류의

음향학적산란특성을서로관련시켜분석할때, 유영자세의변 동에따르는부레경사각의변화와부레체적의변화에기인하 는산란신호의변동패턴은대상어류에대한어종식별인자를 추출하는데있어매우중요한요소가된다(Foote 1980). ^특히, Fig. 5. An example of compressed pulse processing. (a) Calibrated chirp signal received at the terminal of the receiving transducer of the transmitted chirp signal (Fig. 2). (b) Backscattered echo signal measured from a goldeye rockfish Sebastes thompsoni at -12.5°

off-normal pitch angle (head down) in the dorsal plane. (c) Enve- lope of compressed pulse output.