Estimation of surficial sediment thickness using mid-frequency ocean acoustic bottom reflected signals measured in shallow water off Geoje island

거제 인근해역에서 측정된 중주파수 음향 해저면 반사 신호를 이용한 표층 해저면 두께 추정

Estimation of surficial sediment thickness using mid-frequency ocean acoustic bottom reflected signals measured in shallow

water off Geoje island

권혁종,* 최지웅,* 손수욱,*^,***^† 조성호,** 한주영,*** 박정수,*** 박경주****

(Hyuckjong Kwon,* Jee Woong Choi,* Su-Uk Son,*^,***^† Sungho Cho,** Jooyoung Hahn,***

Joung-Soo park,*** and Kyeongju Park****)

*한양대학교 해양융합과학과 해양음향연구실, **한국해양과학기술원, ***국방과학연구소, ****해군사관학교 (Received September 20, 2016; revised October 14, 2016; accepted November 25, 2016)

초 록: 천해 환경에서 수평입사각에 따른 음향반사 신호 측정 실험을 2015년 10월 거제 인근 해역에서 실시하였다.

본 논문에서는 수평입사각 9 ~ 14° 범위에서 측정된 중주파수 4 ~ 8 kHz의 표층 해저면 반사 신호와 하부 퇴적층 반사 신호의 도달시간 차이를 이용하여 표층 퇴적층의 두께를 역으로 추정하였다. 실험 해역의 지질 정보는 한국지질자원 연구원에서 제공한 실험 해역의 평균입도범위인 8 ~ 10 ϕ를 사용하였다. 두 다중경로의 도달시간 차이를 이용하여 추 정한 표층 퇴적층의 두께는 4 ~ 7 m이며, 한국해양과학기술원이 제공한 실험 해역 인근의 천부지층탐사기를 이용한 하부 퇴적층 분석 결과와 비교하였다.

핵심용어: 지음향 역산, 해저면 반사, 도달시간 차이

ABSTRACT: Measurements of bottom loss as a function of grazing angle (in range of 9 ~ 14°) at a frequency range of 4~ 8 kHz were conducted on an experimental site off Geoje island in October 2015. Geoacoustic inversion of the surficial sediment thickness is performed using the arrival time difference between the surficial layer and the sub-bottom layer reflected signal. To invert the thickness of surficial sediment, we used the grain size of 8~ 10 ϕ obtained by KIGAM (Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources). The thickness of the surficial sediment was estimated to be 4~ 7 m. Finally, this inversion result was compared with the geoacoustic observation conducted by the KIOST (Korea Institute of Ocean Science & Technology) using sub-bottom profiler.

Keywords: Geoacoustic inversion, Bottom reflection, Arrival time difference

PACS numbers: 43.30.Ma, 43.40.Pc

†Corresponding author: Su-Uk Son ([email protected]) Department of Unverwater/Marine, P. O. Box 18, Jinhae, Changwon, Gyeongnam, 51678, Republic of Korea

(Tel: 82-55-540-6105)

“이 논문은 2016년도 한국음향학회 춘계학술대회에서 발표하였던 논문임.”

I. 서 론

천해 해양환경에서는 심해에 비해 해저면과 해수 면의 영향을 많이 받으며 복잡한 양상으로 음파전달 이 이루어진다. 다층구조 퇴적층으로 구성된 환경에 서 발생하는 하부퇴적층에 의한 다중 경로 특성은

수신 신호간의 간섭현상을 더욱 복잡하게 만드는 요 인이 될 수 있기 때문에 하부 퇴적층의 층 구조를 파 악하는 것이 상당히 중요하다. 특히 중주파수 및 저 주파수 대역의 소나를 운용할 때에는 고주파수 대역 에 비해 해저면 하부로 투과되는 음파 에너지의 양 이 증가하기 때문에 하부퇴적층에 대하여 충분하게 고려해야한다. 해양 퇴적층 구조를 파악하기 위해 퇴적 샘플을 직접 탐사하는 방법은 인적/물적 비용

Fig. 1. Location of the experimental site.

신된 반사 손실을 이용한 퇴적층의 두께 및 지음향 인자 역산,^[2]해양에 존재하는 주변 소음의 수신 위 상 정보를 이용한 하부 퇴적층 구조 역산^[3] 등이 있 다. 특히 하부 퇴적층에 의해 복합적으로 나타나는 해저면 반사 신호를 이용한 음향학적 특성 분석을 통해 퇴적층 구조 및 물성에 대한 역산을 수행한 최 근 연구 사례가 다수 존재한다.^[4-6] Holland와 Osler^[4]

는 1 ms 이내의 매우 짧은 펄스길이의 광대역 신호를 이용하여 하부 퇴적층을 고려한 반사 손실을 측정하 였으며, 이를 이용하여 지음향 인자를 역산하여 퇴 적층 코어 정보와 비교하였다. 이와 유사한 방법으 로 Dettmer와 Dosso^[5]는 하부 퇴적층 반사 신호에서 나타나는 위상 차이를 이용하여 반사 계수를 계산하 였으며, 이를 모델 결과와 비교하여 지음향 인자를 역산하였다. 이와 같이 하부 퇴적층에 의한 수층에 서의 음파 전달 양상 차이를 분석하여 퇴적층 구조 및 지음향 인자를 역산하는 연구가 최근에 활발하게 수행되고 있다.

본 논문에서는 수평입사각에 따른 중주파수 대역

II. 해상실험 및 환경

수평입사각에 따른 해저면 반사 신호 측정 실험은 2015년 10월, 경남 거제시 장승포항 7 km 남동쪽 해 역(34° 48.906‘ N, 128° 47.34’ E)에서 수행되었다(Fig.

1). 실험 해역의 수심은 약 58 m이며, 송신기와 수신 기를 2대의 조사선에서 각각 분리하여 설치하였다.

수신 조사선에 총 2개의 수신기(Ch.1: TC-4014, Ch.2:

TC-4032, Reson)를 약 35, 45 m 수심에 수직 배열하였 으며, 송신 조사선의 음원(D/11, Neptune)은 수심 약 45 m에 위치하였다. 또한 각 수신기와 음원의 상단 에 심도기록계(DR-1050, RBR)를 설치하여 실험하는 동안의 송·수신기의 수심 변화를 측정하였다. 송·수 신기 간의 거리는 각각 120, 150 m로 고정하였으며, 두 조사선을 밧줄로 연결하여 거리 정확도를 향상시 켰다. 궁극적으로 9 ~ 14°의 수평입사각 범위에서 해 저면 반사 신호를 측정하였으며[Fig. 2(a)], 실험이 진 행되는 동안의 수직 음속구조는 CTD(Conductivity,

Fig. 2. (a) Experimental lay-out for the acoustic measurements. The receiver depths were 35 and 45 m. At 120 and 150 m ranges, the transducer was deployed at a depth of 45 m. (b) The sound speed profile of the water column was measured by CTD casts.

Fig. 3. (a) Received intensities at Exp. Set 1, and (b) their model prediction by a ray-based theory. (D: direct path, B: surficial bottom bounce path, Sub-B: sub-bottom bounce path, S: surface bounce path).

Temperature, Depth, AML Oceanographic)를 이용하여 측정되었다[Fig. 2(b)]. 송신 신호는 주파수 4, 6, 8 kHz, 펄스길이 1 ms의 정현파 신호를 30핑 반복 송 · 수신 하였으며, 수신 신호의 샘플링 주파수는 500 kHz이 었다. 실험 해역의 해저면 구성성분은 한국지질자원 연구원에서 제공받은 표층 퇴적물의 평균 입도 정보^[7]

를 사용하였으며, 실험 해역의 표층 퇴적물 평균 입 도 범위는 8 ~ 10 ϕ이다.

하부 퇴적층 두께 역산을 위한 실험으로는 송 · 수 신기 거리 120 m, 송신기 수심 45 m, 수신기 수심 45 m 에서 수행한 실험을 실험 세트 1, 송 · 수신기 거리 150 m, 송신기 수심 45 m, 수신기 수심 35 m에서 수행 한 실험을 실험 세트 2, 송 · 수신기 거리 150 m, 송신 기 수심 45 m, 수신기 수심 45 m에서 수행한 실험을 실험 세트 3이라 정의하고, 이후 설명에서 실험 세트

1, 실험 세트 2, 실험 세트 3으로 구분한다.

송 · 수신기의 수평거리(_{})는 각 조사선에 설치 된 DGPS(Differential Global Positioning System, GPS850, ASCEN) 자료를 이용하여 계산하였다. 그리고 DGPS 의 오차 범위인 2.5 m로 인해 발생할 수 있는 수평 입 사각의 오차를 줄이기 위해, 각 실험 세트마다 수신 된 실측 신호의 다중경로별 도달시간과 음선 이론이 기반인 음파전달모델로 모의한 신호의 도달시간을 비교하여 수평거리 _{}및 총 수심 오차를 보정하 는 과정을 수행하였다. Fig. 3은 실험 세트 1의 주파수 4 kHz 측정 신호[Fig. 3(a)]와 음파전달모델을 이용하 여 측정한 해양환경 정보를 입력하여 모의한 수신 신호[Fig. 3(b)]이다. 이와 같이 실측 신호와 모의된 신호의 각 다중 경로별 도달 시간을 비교함으로써 총 수심과 송·수신기간의 수평거리 정확도를 향상

Fig. 4. Equivalent ray diagram for the B-path and the Sub-B-path, respectively. [: density, : sound speed (subscripts 1 refer to water and subscripts 2 refer to sediment), _, _: distance from the surficial sediment to transducer and receiver, respectively, _: thickness of surficial sediment, _: incidence grazing angle, _: transmission grazing angle, _{}: source-receiver range].

하부 퇴적층에 의한 반사 신호와 표층 해저면 반사 신호의 도달 시간 차이를 이용하여 하부 퇴적층의 두께를 추정하는 것을 목적으로 한다.

III. 퇴적층 특성 역산 과정 및 방법

하부 퇴적층의 두께 를 역으로 추정하기 위해 서는 두 가지 다중 경로 전파에 대한 이해가 필요하 다. 첫 번째로 표층 해저면에서 반사되어 수신된 경 로(Bottom bounce path, B-path), 두 번째는 표층 해저 면에서 투과한 이후에 하부 퇴적층의 경계면에서 다시 반사되어 수신된 경로(Sub-bottom bounce path, Sub- B-path)이다. 두 가지 다중경로의 전파에 대한 모식 도는 Fig. 4와 같으며, 서로 다른 경로를 통해 수신되 는 두 신호는 도달시간의 차이를 갖는다. 따라서 표 층 퇴적층의 두께는 이 신호들의 도달시간 차이와 표층 퇴적층의 음속을 사용하여 추정할 수 있다.^[6]

본 논문에서는 각각의 실험세트별로 하부 퇴적층의 두께와 음속을 변화시켜가면서 두 다중경로의 도달 시간 차이 _를 모의하였고, 실험적으로 측정한

 sin_

__

 sin_

_

, (2)

여기서 은 송신기로부터 해저면까지의 수직 거 리, _는 각 수신기로부터 해저면까지의 수직 거 리, _는 하부 퇴적층 두께, _는 해저면 수평 입사 각, 는 해저면 수평 굴절각이다(Fig. 4). 다중경로의 총 이동거리를 수층과 퇴적층에 해당하는 음속으로 각각 나누어주면 각 다중경로의 도달시간을 계산할 수 있으며, 이는 Eqs. (3)과 (4)로 표현 가능하다. 여기 서 은 수층에서 측정된 수직 음속 구조의 평균 음 속이며, 는 퇴적층 음속이다. 본 논문에서는 퇴적 층의 음속구조(_)는 한국지질자원연구원^[7]에서 제 공받은 평균입도자료를 이용하여 계산되었다.

_{} _{}_, (3)

_{}

_sin



__ 

_

_sin



_ 

_, (4)

궁극적으로 표층 해저면 반사 신호와 하부 퇴적층 반사 신호의 도달시간 차이 는 Eq. (5)로 정리할 수 있다.

_ _{} _{}. (5)

실험 해역의 해저면 구성성분은 한국지질자원연 구원에서 제공받은 표층 퇴적물의 평균 입도 정보^[7]

와 남해 인근 해역의 표층 퇴적물 음속 정보^[8]를 사용 하였다. 실험 해역의 표층 퇴적물 평균입도는 8 ~ 10 ϕ,

Fig. 6. Received intensities for experimental set of 1, 2, and 3 with frequencies of 4, 6, and 8 kHz.

Fig. 5. Geoacoustic inversion result of the surficial sediment thickness at Exp. Set 1 that corresponded to measured arrival time difference (_exp). The solid line is the estimated sound speed of surficial sediment and the dotted lines indicate its error range.

음속 범위는 약 1500 ~ 1550 m/s를 나타냈으며 연안 으로 갈수록 음속이 낮아지는 것을 확인했다.

본 실험과 같이 낮은 입사각으로 해저 경계면에 입사된 신호가 퇴적층 내로 투과되기 위해서는 퇴적 층의 음속이 수층에 비해 낮아야 한다. 따라서 도달 시간 차이를 모의하기 위해 설정된 환경 변수는 수 층의 음속보다 낮으면서 두께 추정 결과의 전체적인 변화 양상을 파악하기 위해 약 1450 ~ 1505 m/s의 표 층 퇴적층 음속범위를 설정하였으며, 표층 퇴적층 반사 신호와 하부 퇴적층 반사 신호의 도달 시간 차이 를 고려하여 하부 퇴적층 두께 추정 범위를 0 ~ 10 m로 적용하였다. 또한 총 이동거리 200 m 이내의 짧은 전 파거리이기 때문에 음파의 굴절 효과를 무시하였다.

Fig. 5는 실험 세트 1, 주파수 4 kHz 경우에서 모의 된 두 다중경로의 도달시간 차이(_)를 각기 다른 색으로 구분하여 나타내는 기법(의사 색채 기법:

Pseudo color plot)으로 표현한 그림이며, 이 때 실험적 으로 측정한 도달시간 차이 _exp에 해당되는 시간 을 하얀색으로 구분하여 나타냈다(: exp, 1.8 ms) 그 결과, 한국지질자원연구원에서 제공된 실험 해 역의 추정 평균 입도 범위인 8 ~ 10 ϕ에 해당하는 퇴 적층 음속(검은색 점선: 1480 ~ 1505 m/s)에서는 4.4

~ 5.5 m의 하부퇴적층 두께를 갖는 것으로 추정되 었다.

IV. 결과 및 토의

실험 세트 1, 2, 3의 주파수 4, 6, 8 kHz에서 각각 표 층 해저면 반사 신호와 해수면 반사 신호의 사이에 하부 퇴적층 반사 신호가 수신되었다(Fig. 6). 같은 실 험 세트 내에서 하부 퇴적층 반사 신호는 주파수에 따라 수신 준위의 차이를 보였지만, 표층 해저면 반 사 신호와의 도달 시간 차이는 매우 유사한 경향을 보였다. Fig. 7은 앞에서 계산한 방법으로 각 실험 세 트별 _exp를 사용하여 퇴적층 두께를 추정한 전체 결과이다. 퇴적층 두께를 추정한 결과는 각 실험 세트 별로 다소 차이는 있지만 약 5 m를 중심으로 4 ~ 7 m의 범위에 분포하였다(Table 1).

본 논문에서 음향신호를 이용하여 추정된 하부 퇴 적층의 두께 결과는 한국 해양과학기술원에서 제공 받은 실험해역의 천부지층탐사 자료와 비교하였다.

2개의 정선에 대한 천부지층탐사 자료는 각각 8 km

Fig. 7. Geoacoustic inversion result of the surficial sediment thickness for all experimental set (1, 2, and 3) and frequency (4, 6, and 8 kHz) combinations.

Table 1. The inversion results of the surficial sediment thickness.

4 kHz 6 kHz 8 kHz

Exp. Set 1 4.5 ~ 5.5 m 3.8 ~ 5 m 4.8 ~ 6 m

Exp. Set 2 5 ~ 6.3 m 4.6 ~ 6 m 4.2 ~ 5.3 m

Exp. Set 3 4.8 ~ 6.8 m 5 ~ 6.7 m 4.2 ~ 6 m

Fig. 8. The track lines and directions of the sub-bottom profiler survey (black arrow). A black circle represents the experimental site.

Fig. 9. The geoacoustic observation with sub-bottom profiler at experimental site along track (a) line 1 in north-south direction and (b) line2 in west-east direction.

의 수평거리에 대한 측정 결과이다(Fig. 8). 정선 1 (Line 1)은 북에서 남쪽방향, 정선 2(Line 2)는 서에서 동쪽으로 이동하며 측정되었으며, 해저면 반사 신호 를 측정한 실험 정점과 정선 1은 최단거리로 약 200 m, 정선 2와는 약 1.1 km 떨어져있었다. Fig. 8에서 정선 1, 2 옆의 화살표는 음향 실험이 수행된 정점과 최단 거리에 해당하는 천부지층탐사 해역이다. 이 해역은 표층 해저면 하부에 얇은 하부 퇴적층이 분포하는 것을 확인할 수 있으며, 하부 퇴적층 두께는 약 10 m 이하로 구성되어 있는 것을 알 수 있다(Fig. 9). 보유 하고 있는 천부지층탐사 결과가 그림 자료의 형태이 기 때문에 정밀하게 퇴적층 수심을 파악할 수 없으 며, 또한 실험 해역이 정선 1과는 약 200 m, 정선 2와 는 약 1.1 km 떨어져 있기 때문에 실험 해역을 정확히 대표할 수 없다는 제한점이 있다. 하지만 천부지층 탐사 결과(약 10 m 이하의 표층 퇴적층 구조)를 토대 로 보았을 때, 본 연구에서 추정한 하부 퇴적층의 두 께 역산 결과(약 4 ~ 7 m)는 타당한 것으로 판단할 수 있다.

V. 요약 및 결론

본 논문에서는 해저면 반사 신호 측정 실험에서 나타난 표층 해저면 반사 신호와 하부 퇴적층 반사 신호의 도달 시간차이를 이용하여 하부 퇴적층의 두 께를 역으로 추정하였다. 수평 입사각에 따른 해저 면 반사 신호 측정 실험은 경남 거제시 장승포항 주 변 해역에서 수행하였으며, 측정된 수신 신호에서 나타난 표층 해저면 반사 신호와 하부 퇴적층 반사 신호의 도달 시간 차이 exp를 계산하였다. 이는 각각의 실험세트 별로 하부 퇴적층 두께와 퇴적층 음속의 함수로 모의한 표층 해저면과 하부 퇴적층 반사 신호의 도달시간 차이 _와 비교하였으며, 해당되는 반사 경로 모의 환경을 확인함으로써 하부 퇴적층의 두께를 추정할 수 있었다. 실험해역의 퇴 적물 특성은 한국지질자원연구원에서 제공받은 추 정 평균 입도 범위인 8 ~ 10 ϕ에 해당되는 퇴적층 음 속(1480 ~ 1505 m/s)을 이용하였으며, 이를 이용하여 추정한 하부 퇴적층의 두께는 약 4 ~ 7 m로 도출되었 다. 또한 추정한 하부퇴적층 두께 역산 결과는 한국 해양과학기술원에서 제공받은 거제 인근 해역의 천 부지층탐사 자료와 비교하였으며, 본 논문의 역산 결과가 타당한 것으로 판단할 수 있었다.

본 논문에서는 해저면 하부퇴적층으로부터 반사 되어 수신된 신호의 도달시간을 이용하여 하부퇴적 층 두께만을 역산하였지만, 추후에는 다층구조 반사 손실 모델을 이용하여 하부퇴적층 두께 외에도 퇴적 층 음속, 밀도, 감쇄계수와 같은 지음향 인자를 역산 하기 위한 연구를 수행할 계획이다.

감사의 글

본 연구는 국방과학연구소의 해저 퇴적층 음향특 성 추정모델 연구(UD140003DD)의 지원으로 수행되 었다.

References

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2. J. W. Choi and P. H. Dahl, “Mid-to-high-frequency bottom loss in the East China Sea,” J. Acoust. Soc.

Am. 29, 980-987 (2004).

3. C. H. Harrison, “Sub-bottom profiling using ocean ambient noise,” J. Acoust. Soc. Am. 115, 1505-1515 (2004).

4. C. W. Holland and J. Osler, “High-resolution geoacoustic inversion in shallow water: A joint time- and frequency- domain rechnique,” J. Acoust. Soc. Am. 107, 1263-1279 (2000).

5. J. Dettmer and S. E. Dosso, “Full wave-field reflection coefficient inversion,” J. Acousti. Soc. Am. 122, 3327-3337 (2007).

6. J. Yang, D. R. Jackson, and D. Tang, “Mid-frequency geoacoustic inversion using bottom loss data from the Shallow Water 2006 Experiment,” J. Acoust. Soc.

Am. 131, 1711-1721 (2012).

7. Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources, https://mgeo.kigam.re.kr/map/map.jsp?mode=marine _mean, 1989.

8. D. C. Kim, G. Y. Kim, H. I. Yi, Y. K. Seo, G. S. Lee, J.

H. Jung, and J. C. Kim, “Geoacoustic provinces of the South Sea shelf off Korea,” Quaternary International 263, 139-147 (2012).

저자 약력

▸권 혁 종 (Hyuckjong Kwon)

2013년 2월: 한양대학교 해양융합과학과 (학사)

2013년 ~ 현재: 한양대학교 석·박사 통합 과정

▸최 지 웅 (Jee Woong Choi)

1996년 2월: 한양대학교 지구해양과학과 (학사)

1998년 2월: 한양대학교 지구해양과학과 (석사)

2002년 8월: 한양대학교 지구해양과학과 (박사)

2002년 11월 ~ 2007년 8월: Applied Physics Lab., Univ. of Washington, USA, Research Associate

2007년 9월 ~ 현재: 한양대학교 해양융합과 학과 교수

▸조 성 호 (Sungho Cho)

2005년 2월: 한양대학교 지구해양과학과 (학사)

2007년 2월: 한양대학교 해양환경과학과 (석사)

2012년 2월: 한양대학교 해양환경과학과 (박사)

2012년 ~ 현재: 한국해양과학기술원 해양 방위연구센터 선임 연구원

▸한 주 영 (Jooyoung Hahn)

1997년 2월: 한양대학교 지구해양과학과 (학사)

2000년 2월: 한양대학교 지구해양과학과 (석사)

2004년 8월: 한양대학교 지구해양과학과 (박사)

2005년 8월 ~ 현재: 국방과학연구소

▸박 정 수 (Joung-Soo park)

1988년 2월: 한양대학교 지구해양과학과 (학사)

1990년 2월: 한양대학교 지구해양과학과 (석사)

2006년 8월: 한국해양대학교 해양개발공 학과(박사)

1990년 3월 ~ 현재: 국방과학연구소

▸박 경 주 (Kyeongju Park)

1990년 3월: 해군사관학교(학사) 1998년 2월: 군사과학대학원(석사) 2003년 2월: 한양대학교 지구해양과학과

(박사)

2010년 ~ 현재: 해군사관학교 해양학과 교수