Korean J Fish Aquat Sci 48(2),233-243,2015 한수지 48(2), 233-243, 2015
Original Article
233
Copyright © 2014 The Korean Society of Fisheries and Aquatic Science pISSN:0374-8111, eISSN:2287-8815
서 론
부레를갖는어류에대한음향산란강도의약 90-95% 정도 는부레에의해생성되고, 그나머지는두부(head), 척추(등뼈, backbone), 어육(fresh) 등에의해생성된다(Foote, 1980). 그 러나, 대서양고등어(Atlantic mackerel)나쥐노래미와같이부 레를갖지않는어류의경우에있어서는두부, 척추, 어육등과 같은어류의생체조직에의해음향산란신호가생성된다(Nesse
et al., 2009). 이때문에지금까지어류에의한음향산란특성은
주로부레의형상, 크기, 체적및자세등과같은형태학적특징 에주목하여해석되어왔고, 이것을토대로대상어족생물이나 플랑크톤등의자세와크기, 또한, 어류의부레크기등을역으 로추정하려는연구가활발하게진행되어왔다(Stanton et al.,
2003; Jaffe, 2006; Jaffe and Roberts, 2011). 만일, 어류의두부
(head part)나부레와같은내부조직에대한음향산란특성을각
각독립적으로분리하여측정할수있다면, 이들각부분에대 한산란기여율을토대로더유효한어종식별정보를추출할수 있을것이다. 어류의두부조직은두개골, 안구, 아가미등과같 은기관으로구성되지만, 특히, 아가미는해수중에분포하는 산소를혈관을통해흡수하는역할을하는점에서매우작은기 포(tiny air bubble)가그내부에다량으로존재할가능성이있 다. 또한, 아가미내부에분포하는미소한기포군에의한산란 성분이두개골이나안구등에의한산란성분과결합되면강한
echo 응답특성을나타낼것으로판단된다. 두부에서아가미를
제거한경우와존재하는경우에대한반사강도를측정, 비교한 연구(Nesse et al., 2009)에따르면, 아가미가있는경우가없는
어류 부레의 형태학적 차이에 따른 음향산란강도의 자세 및 주파수 의존성의 변화
이대재*
부경대학교 해양생산시스템관리학부
Changes in the Orientation and Frequency Dependence of Target Strength due to Morphological Differences in the Fish Swim Bladder
Dae-Jae Lee*
Division of Marine Production System Management, Pukyong National University, Busan 608-737, Korea
Controlled broadband acoustic scattering laboratory experiments were conducted using a linear chirp signal (95–220 kHz), and x-ray images of live and model fish with an artificial swim bladder were analyzed to investigate the changes in orientation and frequency dependence of target strength (TS) due to morphological differences in fish swim blad- ders. The broadband echoes from live and model fish were measured over an orientation angle range of ± 45° in the dorsal plane and in approximately 1° increments. The location of nulls in the simulated echo response of the SINC [sinc function] model was overlaid on the TS map, showing the orientation and frequency dependence of fish TS, and they matched very well. It was possible to infer the equivalent fish scattering size (or swim bladder) using the null spacing in the experimentally obtained broadband TS map. Good agreement was observed for inferring the equiva- lent scattering size between the SINC model and the broadband echoes measured for the three fish species (black scraper Thamnaconus modestus; goldeye rockfish Sebastes thompsoni; and whitesaddled reef fish Chromis notatus).
Some results of this inference are discussed.
Key words: Broadband acoustic scattering, Orientation and frequency dependence, SINC model, Equivalent scatter- ing size, Artificial swimbladder
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http://dx.doi.org/10.5657/KFAS.2015.0233 Korean J Fish Aquat Sci 48(2) 233-243, April 2015 Received 19 March 2015; Accepted 10 April 2015
*Corresponding author: Tel: +82. 51. 629. 5889 Fax: +82. 51. 629. 5885 E-mail address: address: [email protected]
234 이대재
경우보다반사강도가약 10 dB 정도더높았는데, 이것은아가 미에다량의공기가존재한다는사실을암시한다. 이때문에부 레를갖는활어를대상으로어종식별정보를추출할때, 아가미 를포함하는두부조직은부레와함께매우중요한음향산란요 소가된다.
본연구에서는이점에주목하여 chirp 어군탐지기를이용하 여말쥐치, 자리돔, 불볼락의활어에대한 chirp 산란신호를수
록한후, 이들각어류에대한 X-ray 영상을토대로부레의형태
학적차이에기인하는음향산란강도의자세및주파수의존성 을분석, 고찰하였다. 또한, 이로부터추출된반사강도에대한 null의위치및간격의변동패턴을 SINC 모델에의한수치시뮬 레이션결과와비교, 분석하여어체(또는부레)의등가적인크 기(equivalent scattering size)를추정하였다. 이와동시에본연
구에사용한 chirp 어군탐지기의물표식별능력을파악하기위
해라텍스(latex) 재질로만든단일및이중체임버(chamber) 형인공부레를대상으로펄스압축파형을추출하여공간분해 능을추정하였다.
재료 및 방법 chirp 펄스신호의 echo 응답특성 측정
본연구에서는 Lee et al. (2015)이구축한 chirp 어군탐지기를 사용하여말쥐치, 자리돔, 불볼락의활어와모형어체및인공부 레에대한음향산란신호를계측하였다. 실험은투명아크릴수 조(L×B×D, 1.8×1.2×1.2 m)에서송∙수신음향변환기의음 축상약 1.2 m 거리에나이론 monofilament (Ø = 0.3 mm)를사 용하여이들활어및모형어체와인공부레를현수시킨후, 그깊 이와자세를정밀하게조정하면서수행하였다. chirp echo 응답 특성은 ±45° 자세각범위(+: head up, -: head down)와 95-220 kHz의주파수범위에대하여 +45°, 0°, -45°의순서에따라약 1°
간격으로정밀측정하였다. 각자세각에대한 chirp 산란신호 는대역필터와전치증폭기(VP2000, RESON, Denmark)를통 해필터링및증폭하였고, 디지털오실로스코프(DS1530, EZ, Korea) 및스펙트럼분석기(LSA-30, LIG Nex1, Korea)을사
용하여일차적인분석을마친후, USB 메모리에수록하여후일
목적에따른분석을수행하였다.
펄스압축기법에 의한 공간분해능 추정
활어및모형어체와인공부레에대한공간분해능은 chirp 산 란신호를 matched filtering, 즉, 펄스압축하여추정하였다. 이 때, 시간영역에대한 matched filtering은산란체로부터얻어진 산란신호 Vr (t)와기준 chirp 펄스신호(replica) Vd(t)의주파수 스펙트럼을각각 Vr(ω), Vd(ω)라할때, 이들스펙트럼을이용 하여 (1)식으로부터구하였다. 즉, matched filter의출력 z는
z = IFFT{VVr (ω)W(ω)} (1)
d (ω)
에의해구하였는데(Lord, 2000), 여기서, W(ω)는 window 함 수로서, 본연구에서는 Hanning window를이용하였다.
만일, 어체내부에음향임피던스가서로뚜렷하게다른두생 체조직이존재하고있을때, 이들산란요소에대한음향중심의 유효간격을 Le, 어체의자세각(head-on 입사: θ = +90°, normal (등쪽) 입사: θ = 0°, tail-on 입사: θ = -90°)을 θ, 수중음속을 C 라 하면, 두산란조직으로부터수신된 chirp 산란신호에대한펄스 압축파형의시간차 ∆τ 는
∆τ = (2Le /C ) | cosθ | (2)
에의해추정할수있다. 따라서, 이들두산란요소에의한펄스 압축파형을식별하여분해할수있는최소한의시간차 ∆τ로부
터 chirp 어군탐지기의공간분해능을추정하였다.
모형어체와 인공부레의 제작
본연구에서는어류에의한 echo 생성메커니즘을정량적으로 분석하기위해인공부레를갖는모형어체를제작하고, 이것에 의한음향산란특성을실제의활어에의한그것과비교, 분석하 였다. 본연구에서대상으로한모형어체는말쥐치로서, 말쥐치 는부레의구조가비교적단순하고, 두부중심과부레사이의음 향중심간격이비교적넓어 SINC 모델에의한음향산란특성의
해석이용이하기때문이다(Jaffe, 2006). 본연구에서는말쥐치
의척추골및다른어체조직은제외하고, 단지부레및두부에만 초점을두고모형어체를제작하였다. 말쥐치의몸체(fish body) 와부레모형은연질의우레탄고무(VytalFlex-60, Smooth-On, USA)로제작하였고, 또한두부는 POM 구(sphere)를산란요 소로대체하였다. 먼저, 몸체는어육과음향임피던스가유사한 연질의우레탄고무의 Liquid part A와 Liquid part B를상온에 서 1:1로배합하여미리제작한어체의금형틀에부어넣고 24 시간경화시켜완성하였다. 모형부레틀은말쥐치의 X-ray 영 상으로부터얻은부레형상과크기데이터를토대로우레탄고 무로제작하였다. 모형어체를제작할때, 모형부레틀표면에는 이형제를도포하여몸체틀내부에삽입하였고, POM 구는모 형부레틀중심으로부터약 65 mm 전방에삽입하였다. 몸체내 부에삽입되어있는모형부레틀은모형어체가완성된후, 몸체
표면을약 6 mm 정도절개하여제거하였고, 그절개부위는다
시우레탄고무로서봉합하여부레내부에공기가충만한상태 가유지되도록하였다. 한편, chirp 어군탐지기의공간분해능 을추정하는데사용한인공부레의사진은 Fig. 1과같다. Fig. 1 에서 (a)와 (b)는각각단일체임버와이중체임버의인공부레를
나타낸것으로, 두부레의길이는모두 67 mm로서서로같지
만, (b)의이중체임버의경우에는두체임버의중심간격, 즉음
부레의 형태학적 차이에 기인하는 음향산란강도의 변화 235
향중심간격이 35 mm가되도록제작하였다. 따라서, 본연구에 서는이들두체임버로부터산란되는산란신호를측정, 비교함
으로써, chirp 어군탐지기의공간분해능을추정하였다.
또한, 단일체임버부레는어체내부의각생체조직으로부터 산란신호가생성될때, 각산란요소의음향학적성질이균일한 경우, 이에대한반사강도의자세각및주파수의존성을판단하 기위한것이다. 반면, 이중체임버부레는어체내부의각생체 조직중에서부레와아가미를포함하는두부가산란신호의생 성에주된역할을담당할때, 이들두중심적인산란요소가 echo 생성에어떻게기여하는가를분석, 고찰하기위한것이다. chirp 펄스의 echo 응답패턴에서 반사강도의 null 위 치 추적
어류의음향반사강도는어체의체장, 음파의입사방향에대 한어체의자세각(θ), 사용주파수[또는파장(λ)] 등에따라매 우불규칙하게변동한다. 특히, 부레를갖는어류의경우, 산란 신호는주로부레에의해생성되기때문에음향산란에실제적 으로기여하는어류의등가적인체장(L)은부레의크기와밀접 한관계가있다. 이때, 같은평면상에서송파기와수파기가서 로사이각 θobs만큼떨어져설치되어있을때, 부레를갖는어류 의반사강도 TS (θ,λ,θobs)는
U (θ,λ,θobs ) = L sinc(L(cosθ tanθλobs- 2 sinθ)) (3)
TS (θ,λ,θobs ) = 20log10[U (θ,λ,θobs)] (4) 에 의해 추정할 수 있다(Jaffe and Roberts, 2011). 여기서, sinc(x) = sin(πx)/πx이고, sinc 함수에대한 null의위치 n은 L(cosθ tanθobs - 2sinθ)/λ = ±n (n=1, 2, 3, …n)의관계식으로부
터추정할수있다. 이식에서, θobs = 0˚인경우에는 L( - 2sinθ)/λ
= ±n이성립한다(Jaffe, 2006).
결과 및 고찰
말쥐치 활어와 모형어체에 대한 광대역 음향산란특성 의 비교
Lee et al. (2005)이보고한말쥐치의반사강도에대한자세각
및주파수의존성에따르면, peak와 null 간격은입사각 0˚, 즉 수직입사방향을중심으로 head-up과 head-down의자세각방 향으로좌우대칭적인변동패턴을나타내었다. 또한, 이들패턴 은낮은주파수에서는반사강도의 peak와 null 간격이넓고, 주 파수가증가함에따라그간격이점차좁아져가는응답패턴을 나타내었다. 본연구에서는이와같이반사강도의자세각및주 파수의존성패턴에서 peak와 null 간격이주기적으로, 또한, 대 칭적으로나타내는원인을정량적으로규명하기위해모형말 쥐치에대한광대역음향산란특성을측정, 분석하였다. 실제의 말쥐치활어와본연구에서제작한모형어체에대한 X-ray 영상
을비교한결과는 Fig. 2와같다. 실험에사용한모형어체는말
쥐치의부레크기, 형상, 자세각과두부에대한음향학적기여도 에주목하여제작되었고, 음향학적기여도가낮다고판단되는 체형이나다른내부조직은고려하지않았다. Fig. 2의모형어체 의자세각에대한산란신호의시간및주파수응답특성을나타 낸결과는 Fig. 3과같다. 또한, 모형어체와말쥐치활어에대한 산란맵(map)과 matched filter 출력을서로비교, 분석한결과 는각각 Fig. 4 및 Fig. 5와같다.
Fig. 2의모형어체제작에사용한폴리우레탄고무의음향임
Fig. 1. Two artificial fish swimbladders for estimating the range resolution by pulse compression technique. (a) single chambered swimbladder, (b) double chambered swimbladder.
Fig. 2. Comparison of the X-ray images for a live black scraper Thamnaconus modestus (a) and a model black scraper (b). The air- filled artificial swimbladder of the model fish is shown as a dark object and the eye ball as a white object (POM ball).
236 이대재
피던스(Z = ρc, ρ:밀도, c: 음속)는 Z=1.79×106 Rayls (ρ=1,150 kg/m3, c=1,560 m/s)로서(Mott et al., 2002), 이값은실제어류 의몸체에대한음향임피던스 Z=1.68×106 Rayls (ρ=1,070 kg/
m3, c=1,570 m/s)와거의유사한값을갖는다(Clay and Horne, 1994). 따라서, 20℃에대한물의음향임피던스 Z= 1.54×106 Rayls (ρ=1,030 kg/m3, c=1,490 m/s)에대한실제어류와모 형어체에대한밀도 contrast는각각 1.04와 1.12이었고, 음속 contrast는모두 1.05로서같았다. 이때문에모형어체의음향 임피던스가실제활어보다약 6.5% 정도컸지만, 이차이는본 연구에서목적하는산란신호의자세각및주파수의존성을평 가하는데있어큰영향을미치지않는다고판단하였다. 또한, Fig. 2(a)에나타낸말쥐치활어의 X-ray 영상(Lee et al., 2005) 에서척추골은다른어류와달리두부뒤쪽에서활모양으로휘 어져부레를감싸고있는데, 어류의척추골을포함하는모든뼈 (bone)의밀도와음속값을각각 ρ=1,993 kg/m³ (Fassler et al., 2009)와 c=1,560 m/s (Wear et al., 2000)라가정하면, 음향임 피던스는 Z= 2.96×106 Rayls이된다. 이값에대한밀도및음
속 contrast는각각 1.95, 1.05로서, 특히, 음속 contrast는몸체 와같으나밀도 contrast는약 87.5% 정도의차이를나타내어 척추를포함하는골조직과몸체의어육조직사이의경계면에 서음향산란이발생할것으로판단된다. 그러나, 실제이들음 향임피던스의차이가 echo 형성에기여하는점유율은부레의 그것과비교할때, 극히작은수준이다. 즉, 일반적으로부레의 음향임피던스는 Z=427.8 Rayls (ρ=1,24 kg/m³, c=345 m/s)로 서(Clay and Horne, 1994), 이값은어류의뼈조직에대한음 향임피던스의 1.45×10-4배정도에불과하다. 이때문에부레 와주변의어육, 뼈등과같은어체조직사이에는매우큰음향 학적불연속경계면이형성되고, 이들경계면으로부터매우강 한산란신호가형성된다. 따라서, chirp 펄스의주파수대역폭 에의해결정되는공간분해능영역내에서부레와뼈, 어육등과 같은내장조직이함께존재하는경우, 부레를제외한내장조직 에의한산란성분은부레경계면에서생성되는강한산란성분 에의해대부분매스킹(masking) 된다. 또한, 이들에의한 echo
기여도는부레에의한 echo 응답신호에약간의변동을초래하
Fig. 3. Time (a) and frequency responses (b) as a function of pitch angle measured from a model black scraper Thamnaconus modes- tus with an artificial swimbladder within the body.
-45 -30 -15 0 +15 +30 +45
1.2
0.6
0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
(head down)
(head up)
Pitch angle (deg)
(a)
Relative level
Time (ms) -45
-30 -15 0 +15 +30 +45
30
20
10
0
-10
0 100 200 300 400 500
(head down)
(head up)
Pitch angle (deg)
(b)
Relative level
Frequency (kHz)
-45 -30 -15 0 +15 +30 +45
0.02
0.01
0 (head down)
(head up)
Pitch angle (deg)
(a)
Relative level
-45 -30 -15 0 +15 +30 +45
0.02
0.01
0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
(head down)
(head up)
Pitch angle (deg)
(b)
Relative level
Time (ms)
-45 -30 -15 0 +15 +30 +45
-30
-40
-50
-60
-70 (head down)
(head up)
Pitch angle (deg)
(a)
Target strength (dB)
-45 -30 -15 0 +15 +30 +45
-30
-40
-50
-60
-70 (head down)
(head up)
Pitch angle (deg)
(b)
Target strength (dB)
-45 -30 -15 0 +15 +30 +45
-30
-40
-50
-60
-70 (head down)
(head up)
Pitch angle (deg)
(c)
Target strength (dB)
100 140 180 220
Frequency (kHz)
-45 -30 -15 0 +15 +30 +45
-30
-40
-50
-60
-70 (head down)
(head up)
Pitch angle (deg)
(a)
Target strength (dB)
-45 -30 -15 0 +15 +30 +45
-30
-40
-50
-60
-70 (head down)
(head up)
Pitch angle (deg)
(b)
Target strength (dB)
100 140 180 220
Frequency (kHz) -35
-28 -21 -14 -7 0 +7 +14 +21 +28 +35
30 20 10 0 -10 (head down)
(head up)
Pitch angle (deg)
(a)
Relative level
-35 -28 -21 -14 -7 0 +7 +14 +21 +28 +35
30 20 10 0 -10 (head down)
(head up)
Pitch angle (deg)
(b)
Relative level
0 100 200 300 400 500
Frequency (kHz) 220
180
140
100
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0
Frequency (kHz)
(a)
Relative level
220
180
140
100
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0
Frequency (kHz)
(b)
Relative level
-45 -30 -15 0 +15 +30 +45
Pitch angle (deg)
Fig. 4. Comparison between the scattering maps for broadband acoustic echoes measured from a live black scraper Thamnaconus modestus (a) and a model black scraper with an artificial swim- bladder within the body (b).
-45 -30 -15 0 +15 +30 +45
1.2
0.6
0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
(head down)
(head up)
Pitch angle (deg)
(a)
Relative level
Time (ms) -45
-30 -15 0 +15 +30 +45
30
20
10
0
-10
0 100 200 300 400 500
(head down)
(head up)
Pitch angle (deg)
(b)
Relative level
Frequency (kHz)
-45 -30 -15 0 +15 +30 +45
0.02
0.01
0 (head down)
(head up)
Pitch angle (deg)
(a)
Relative level
-45 -30 -15 0 +15 +30 +45
0.02
0.01
0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
(head down)
(head up)
Pitch angle (deg)
(b)
Relative level
Time (ms)
-45 -30 -15 0 +15 +30 +45
-30
-40
-50
-60
-70 (head down)
(head up)
Pitch angle (deg)
(a)
Target strength (dB)
-45 -30 -15 0 +15 +30 +45
-30
-40
-50
-60
-70 (head down)
(head up)
Pitch angle (deg)
(b)
Target strength (dB)
-45 -30 -15 0 +15 +30 +45
-30
-40
-50
-60
-70 (head down)
(head up)
Pitch angle (deg)
(c)
Target strength (dB)
100 140 180 220
Frequency (kHz)
-45 -30 -15 0 +15 +30 +45
-30
-40
-50
-60
-70 (head down)
(head up)
Pitch angle (deg)
(a)
Target strength (dB)
-45 -30 -15 0 +15 +30 +45
-30
-40
-50
-60
-70 (head down)
(head up)
Pitch angle (deg)
(b)
Target strength (dB)
100 140 180 220
Frequency (kHz) -35
-28 -21 -14 -7 0 +7 +14 +21 +28 +35
30 20 10 0 -10 (head down)
(head up)
Pitch angle (deg)
(a)
Relative level
-35 -28 -21 -14 -7 0 +7 +14 +21 +28 +35
30 20 10 0 -10 (head down)
(head up)
Pitch angle (deg)
(b)
Relative level
0 100 200 300 400 500
Frequency (kHz) 220
180
140
100
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0
Frequency (kHz)
(a)
Relative level
220
180
140
100
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0
Frequency (kHz)
(b)
Relative level
-45 -30 -15 0 +15 +30 +45
Pitch angle (deg)
