• 검색 결과가 없습니다.

First Trial of the State of the Art Acoustic Systems Mounted on the R/V Tamgu 21

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "First Trial of the State of the Art Acoustic Systems Mounted on the R/V Tamgu 21"

Copied!
7
0
0

로드 중.... (전체 텍스트 보기)

전체 글

(1)

509

Copyright © 2016 The Korean Society of Fisheries and Aquatic Science pISSN:0374-8111, eISSN:2287-8815

서 론

과학어군탐지기

(

이하과학어탐

)

일반적으로수산자원량을 정량적으로평가하고수생생물의생태행동특징을파악하 위해사용되고있다

.

과학어탐으로부터송신된소리는수중 에서미터혹은미터의거리를이동하여해저 해수중의정보를취득하고정보를과학어탐의수신부에 낸다

.

과학어탐은수신된소리를숫자

(

음향강도와위상

)

환하여수층에분포하고있는다양한수생생물의기하학적 미지를제공한다

.

과학어탐은수십에서수백

kHz

사이의주파

범위에서작동하는데

,

가장일반적으로사용되는주파수는

38

120 kHz

이다

.

수산자원량을추정하기위해수행되는 조사는미리계획한조사정선

(transect line)

따라항해하 면서지속적으로음향데이터를수집하는데

,

이와같은조사는 비교적쉽게수행할있으며정확하고많은양의데이터표본 획득할있다

(Simmonds and Maclennan, 2005).

과학어 탐은정립된수산자원량추정의방법론으로써수십년간사용 되어왔으나

,

가지한계가존재한다

.

좁은단일빔폭과펄스

,

그리고해저지형의특성

(

예를들면

,

경사진해저

)

으로인해 해저근처에데드존

(dead zone)

생기며

,

음향데드존내부

수산자원전용조사선 탐구 21호에 탑재된 최첨단 음향장비 소개와 첫 시험조사

황강석·이정훈·박정호·차형기·최정화

1

·이형빈

2

·박준성

3

·강명희

3

*

국립수산과학원 연근해자원과, 1국립수산과학원 남동해수산연구소, 2국립수산과학원 서해수산연구소,

3경상대학교 해양경찰시스템학과/해양산업연구소

First Trial of the State of the Art Acoustic Systems Mounted on the R/V Tamgu 21

Kangseok Hwang, Jeong-hoon Lee, Jeong-Ho Park, Hyung Kee Cha, Jung Hwa Choi

1

, Hyungbeen Lee

2

, Junseong Park

3

and Myounghee Kang

3

*

Fisheries Resources Management Division, National Institute of Fisheries Science, Busan 46083, Korea

1

Southeast Fisheries Research Institute, National Institute of Fisheries Science, Tongyeong 53085, Korea

2

West Sea Fisheries Research Institute, National Institute of Fisheries Science, Incheon 22383, Korea

3

Department of Maritime Police and Production System/Institute of Marine Industry, Gyeongsang National University, Tongyeong 53064, Korea

At the first time in South Korea, the state of the art acoustic systems were mounted on the R/V Tamgu 21. The acous- tic systems are an EK80 broadband echosounder (18, 38, 70, 120, 200 and 333 kHz) which has two beam modes such as continuous wave (narrowband) and frequency modulation (broadband), an ME70 multibeam echosounder (70-120 kHz), and a SH90 sonar (111.5-115.5 kHz). Acoustic data from broadband mode have a very short range resolution, a large detection range, a high signal to noise ratio, and a wide and consecutive frequency response. In ME70, each individual beam consisted in a multibeam plays a role as a spilt beam. The first trial of the cutting edge acoustic system installed on the R/V Tamgu 21 was conducted from 15 Feb to 29 Feb 2016 in East Sea, South Sea and East China Sea. The properties of the acoustic systems were elucidated and exploratory results from three systems were exhibited. Lastly, issues which should be considered and future research plan are mentioned.

Key words: EK80, ME70, SH90, R/V Tamgu 21, Acoustic survey

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial Licens (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

http://dx.doi.org/10.5657/KFAS.2016.0509 Korean J Fish Aquat Sci 49(4) 509-515, August 2016

Received 25 March 2016; Revised 18 May 2016; Accepted 9 August 2016

*Corresponding author: Tel: +82. 55. 772. 9187 Fax: +82. 55. 772. 9189

E-mail address: [email protected]

(2)

위치하는생물은탐지가불가능하다

.

또한해수면가까이 포하는표층성어류를탐지하기가어렵고

,

좁은빔폭으로인해 선박을가로지르는방향에대한정보를획득하기어렵다

.

이런 한계를극복하기위하여여러형태의소나를사용한다

.

소나시 스템은과학어탐에비해상대적으로새로운장비로써넓은 지범위에서고해상도데이터표본을수집할있기때문에 생물의행동생태를조사하기위해점차적으로많이사용 되고있다

.

일반적으로소나시스템을사용한연구를보면환경 학적요인

(

수온약층

,

염분약층

,

클로로필

)

의한어군의형상 학적지리학적특징

(Soria et al., 2003),

청어과어군의유영 속도와방향에관한연구

(Hafsteinsson et al., 1995),

포식자

-

식자의상호관계

,

특히피식자어군의형태적패턴에관한

(Axelsen et al., 2001)

,

어군의행동기하학적인특징에 관한연구가많은것을있다

.

소나시스템은여러개의 빔이수평빔

(360

,

전주형소나

)

수직빔으로구성되어있으 빔들은그룹으로되어있어각각빔의개별적인분석처리 가능하지않다

.

한편

,

현재까지수십년간사용하여과학어탐과소나시스

템을월등하게향상시킨차세대음향장비

(

예를들어

, EK80

군탐지기이하

EK80, ME70

멀티빔어군탐지기이하

ME70)

개발되었고

,

우리나라에서는국립수산과학원의수산자원전용 조사선탐구

21

호에최초로탑재되었다

. ME70

2008

년에 발되어세계적으로

10

대가되지않으며

, EK80

2015

년에 출시된최신음향장비이다

.

차세대음향장비를이용하여 정도높은수산자원량추정과수생생물의형상행동패턴 관한연구뿐만아니라음향자원조사의난제인어종식별 가능하다고생각한다

.

논문은국립수산과학원의신조사 선인탐구

21

호를소개하고

,

조사선에탑재된최첨단음향

장비인

EK80

ME70

특성과국내최초로시험조사를수행

결과를제시하며

,

향후고려해야쟁점연구계획을 하고자한다

.

이와더불어상업용소나이지만

,

과학적인조사에 사용되는

SH90

전주형소나

(

이하

SH90)

활용에대해서 언급하고자한다

.

재료 및 방법

탐구 21호

우리나라연근해와배타적경제수역에서수산자원조사를 행하기위해정부는국립수산과학원의수산자원전용조사선으

2007

년에탐구

20

(885 ton)

2015

년에탐구

21

(999 ton)

건조하였다

.

조사선들로 수산자원조사를수행하여 어종별생물학적특성을파악하고수산자원평가관리를 기초자료를수집하여인접국간의국제어업자원관리를 자료로활용하고

,

국내수산해양과학기술향상과해양시 대에적합한수산자원관련정보제공을기대하고있다

.

특히

21

호는우리나라의배타적경제수역은물론

,

동중국해를

함한국외주요어장에서장기간연속조사를수행할있는 신의조사선으로삼원중공업에서건조되었다

.

길이는

67.3 m,

형넓이

12.0 m

이고

,

14.2

노트로최대

30

일간운용이 능하며

,

주요요목들은

Table 1

표시하였다

.

탐구

21

장기조사에적합한선박으로항해능력의향상을위해

,

횡동 감쇄장치를채택하여선박의복원성과조사관측장비의정밀

,

승선감

,

작업성향상을도모하였다

.

또한특수타

,

로타리 타입조타장치

,

가변피치프로펠러

,

선수횡추진기를통해횡이

,

선수방위자동제어

,

자동선속제어를가능하도록하여선박 조종성추진성을향상시켰다

.

이와더불어항해정보 관정보등을모니터할있는통합항해시스템을갖추고

,

항해 사방시계를확보하기위하여장비높이를최대

1.3 m

한하여선박의감항성또한확보하였다

.

또한탐구

21

호는최신 형의최첨단조사장비를탑재하고있으며

,

장비의활용을극대 화할있도록설계되었다

.

음향조사영향을있는 품의발생과혼입을억제하는선수형상과반류를균일화하는 선미형상으로설계되었으며

,

선저에위치한소나돔에는소나

,

과학어탐센서

,

트롤모니터링시스템센서등을적절히 치하여데이터실과조타실에서실시간으로수생생물을관측하 정보를수집할있도록하였다

.

자동예망장치의설치로 롤어구의투양망이자동화되었고트롤과조사관측장비를원격 으로제어할있는원격조작제어시스템을조타실뒤에설치 하였다

.

트롤어구의대형그물작업을용이하게하도록선미갑 판을넓게확보하였으며

,

선내에서어체를처리할있는시스 또한구축하였다

.

보다구체적으로탐구

21

호는최첨단음향 장비

(EK80 echosounder, Simrad, Norway; ME70 multibeam echosounder, Simrad, Norway; SH90 omnidirectional sonar,

Simrad Norway)

이외에도 트롤어구

,

트롤모니터링시스템

(SCANBAS, Scanmar Maritime Service Inc., Norway),

(20.7 t×34 m/min; Net drum, Rapp Marine, Norway),

트롤 윈치

(21.5 t×32 m/min; Trawl winch, Rapp Marine, Norway), CTD

윈치

(3.1 t×45 m/min; CTD winch, Rapp Marine, Nor- way),

해양관측윈치

(1.8 t×60 m/min; Oceanographic winch, Rapp Marine, Norway),

어란자치어네트윈치

(2.14 t×55 m/

min; IKMT winch, Rapp Marine, Norway), Laser Optical

Table 1. Principal particulars of the R/V Tamgu 21

Particulars Values

Gross tonnage 1,358 tons

Length (Over all) 67.25 m

Breadth (Moulded) 12.00 m

Depth (Moulded) 7.05 m

Maximum speed 15.2 knots

Main engine 1300 BHP

×

720 RPM

Propeller Controllable Pitch Propeller

(3)

Particle Counter (LOPC, ODIM Brooke Ocean, Canada), Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP, Teledyne RD In- struments, USA),

수층별수온염분측정기

(SBE911 plus, Sea- bird electronics, USA),

표층수온염분측정기

(SBE 21 Seacat, Sea-bird electronics, USA),

입체해부현미경

,

선박용정밀

,

급속초저온냉동고

(-86℃),

급속저온냉동고등의연구

비와시설을갖추고있다

.

2015

4

26

일에 탐구

21

호의 해상인수시험

(Sea accep- tance test)

수행하였는데이때소량의

EK80

데이터를저장 하였다

. EK80

ME70

교정은

2015

8

15

표준교정법을 사용하여실시하였다

(Foote et al., 1987).

특히

ME70

경우 빔의횡방향과종방향의각도를최대로하여교정구의위치 찾은다음

,

미리결정한빔구성으로교정을실시하였다

.

21

호를이용한조사는

2016

2

15

일에서

29

일까지

,

남해동중국해의넓은수역에서수행되었다

.

조사는

EK60

같은데이터형식으로

EK80

데이터를수록하였는

, ME70

SH90

기초적인시험을위하여소량의데이터

수록하였다

. EK80 어군탐지기

EK80

세계최고의음향전기기술로구현된최첨단과학어

탐이다

. EK80

전체펄스시간동안개의주파수로구성되

협대역지속파

(NB CW, Narrow-Band Continuous Wave)

펄스시간동안낮은주파수에서높은주파수로선형적으로 증가하는광대역주파수변조

(WB FM, Wide-Band Frequency Modulation)

가지빔모드로구성되어있다

. WB FM

모드 일반적으로첩신호

(Chirp Signal)

라고불리기도한다

.

모드

WB FM

모드은단일펄스내에넓은범위의주파수

(

들어

, 95 kHz-160 kHz)

전송하고

,

광대역의특성으로 심별로어류를보다정확하게분리시킬있다

(

고분해능

).

또한배경잡음으로부터어류신호를보다수월하게구별할 있고

(

높은신호잡음

),

음향표시범위

(Dynamic Range)

크며

,

어종식별을위한넓은주파수범위에서대상생물의

속적인주파수특성을파악할있다

. EK80

NB CW

빔모

드로설정하여데이터를수집할경우

,

기존의

EK60

과학어탐

동일한좁은주파수범위

,

단일주파수로서역할을수행 한다

.

따라서

NB CW

모드로수록한데이터는

EK60

동일하 어류계수

,

어군탐지

,

생물량추정

,

해저지형분류등에 용할있다

. NB CW

빔모드가기존의

EK60

다른점은 장할있는데이터

(raw data)

형식을

TVG (Time varied

gain)

적용이없는파워형태로수록가능하다는점이다

.

, EK80

WB FM

빔모드로설정하여데이터를수록할

,

후처리소프트웨어

(

예를들어

, Echoview)

에서펄스압축 코그램을표시할있다

.

펄스압축에코그램은

WB FM

모드만이가지는특징으로

WB FM

광대역은높은거리분해

능을구사할있으므로

,

어군내에분포하는어류

(

단체어

)

상하에위치하는다른어류와구분

(

분리

)

있다

.

정보는 어종식별에유력한정보로사용가능하다

.

또한잡음과어류 호를구별하는것과펄스압축에코그램에서단체어구분과 어류의주파수특성을파악하는것이용이하다

.

ME70 멀티빔 어군탐지기

ME70

설정이매우자유롭고교정이가능한멀티빔어군

탐지기이며개별빔은

EK60

분할빔과같은역할을한다

.

멀티 데이터는송수파기채널의모든빔들을하나의평면부채

(fan)

형태의에코그램으로시각화있으며

,

개별빔으로

과학어탐의에코그램같이체적후방산란강도

(S

V

),

표적강도

(TS)

등을표시할있어여러대의과학어탐을사용하는것과

같다

.

시스템은대단히낮은측엽과좁은빔폭그리고넓은 탐지범위를가지고있다

. ME70

주파수는

70-120 kHz,

빔수

3-45

개까지구성할있으며

,

신호형태는

NB CW

WB FM

중에서선택가능하고펄스길이는

64-5,120 µs

중에서선별 하여사용할있다

.

멀티빔의배열은브이

(V),

역브이

(Λ),

아이

(I)

구분하여선택할있다

.

배열브이는멀티빔이

“V”

모양으로구성되어중앙빔은낮은주파수가외각으로갈수

높은주파수로구성되어있다

.

역브이

“Λ”

중앙빔에고주 파수가바깥쪽빔에저주파수로이루어졌으며

,

아이

“I”

모든 빔이한군데를바라보는형태를가진다

.

중심빔의횡방향

(alongship beam angle)

종방향빔각

(athwart beam angle)

각각

2.2-20

범위내에서설정이가능하다

.

또한멀티빔을 선박의횡방향과종방향으로조정가능한각도는각각

5

도에

45

도까지

(default

0)

이다

(Trenkel et al., 2008; Ona et al., 2009; Trenkel et al., 2009; Kang, 2011).

SH90 소나

SH90

전주형소나이며

360

도의수평빔과

60

도의수직빔

으로구성되어있다

. 120

송신기와

240

수신기채널로

루어져있으며송수파기는원통형이다

.

수평빔의각도가기울 전체빔이우산을접은같은형상을하는데

+10

에서

–60

도까지의각도로기울일있다

.

,

수평빔은선박주변 어군을

360

도로보는것이고수직빔은표적

(

어군

)

측면에 보는것이다

. SH90

기본주파수는

114 kHz

이지만

111.5- 115.5 kHz

사이의주파수를

0.5 kHz

단위로선택할있다

.

자선주변의다른선박이같은소나를사용할경우발생하는

주파수간섭을억제하기위함이다

. SH90

일반적으로모션센

서와연동되어있으므로최대

±20

도의동요에서수평 수직빔이안정적이고정확한위치정보를취득할있다

.

결과 및 고찰

EK80 어군탐지기

탐구

21

호에설비된

EK80

주파수범위와대역은

, 18 kHz

(4)

주파수범위는

10-30 kHz

이고주파수대역은

20 kHz

이며

, 38 kHz

주파수 범위는

25-50 kHz

이고

,

주파수대역은

25 kHz

이다

.

그리고

70 kHz, 120 kHz, 200 kHz, 333 kHz

파수범위는각각

45-90 kHz, 85-170 kHz, 150-300 kHz, 250- 500 kHz

이고

,

이들의주파수대역은각각

45 kHz, 85 kHz, 150 kHz, 250 kHz

이다

. Fig. 1A-F

2016

2

27

일에동중국

(30° 58.3´N 126° 45.0´E)

에서

EK80

NB CW

모드로

6

개의주파수로수집한음향데이터의에코그램이다

.

수심

80 m

에서띠모양의신호가관찰되고있으며

, 38, 70, 120 kHz

에서 해수중에다수의약한산란체들이관찰된다

.

이때는

EK80

NB CW

모드로만데이터를수집하였다

. 2015

4

26

탐구

21

호의해상인수시험을

WB FM

모드로데이터를 수집하여작성한예시에코그램도

Fig. 1G-J

같다

.

WB FM

모드로작성한에코그램의가장대표적인특징은짧은 스폭과주파스범위내의연속적인주파수반응이다

.

기존의 표적탐지

(Single target detection, STD)

알고리즘을통해

40LogR

적용시킨

TS

에코그램

(Fig. 1H)

빔내에서어류의 위치를표시한에코그램을이용하여

STD

에코그램을만들었다

(Fig. 1I).

STD

에코그램에서는단체어

(

어류

)

수직길이가 매우짧은

(

거리분해능이최대화

)

것을관찰할있고

,

주파

범위

(36-40 kHz)

내의연속적인주파수특성이나타나고

있다

(Fig. 1J).

이와같이중심주파수

38 kHz

이외다른주파수 이용하여주파수반응그래프를작성한다면

,

대상생물에

10

에서

500 kHz

까지의주파수특성을파악할있어 종식별을위한유용한정보로활용될것이다

.

추가적으로

WB

FM

모드로수집한데이터를분석하기위해서는펄스압축

,

처리송신펄스의모듈레이션수신펄스와의상관시키 기술등이요구된다

.

ME70 멀티빔 어군탐지기의 교정과 데이터의 분석

ME70

교정시에빔모드는

“V”

구성하여중앙에는낮은

주파수

(72 kHz)

설정하고

,

외각으로갈수록높은주파수

(113

118 kHz)

설정하였다

.

이때교정구는

18-22 m

수심에 치하였고펄스길이는

768 µs,

음속은

1490.44 m/s

이었다

.

설정 모든개별빔에대해서교정구의음향강도를측정하여 교정하였다

.

개별빔에대한주파수

,

각도

, TS

값과교정결과 값을

Table 2

나타내었다

. ME70

교정은

EK60

교정할 때와같은표준교정법을사용하는데

,

수가많아서교정구가 외각에들어가도록교정봉

3

개를조작하는것이쉽지않아송수 파기중심에서떨어진빔을교정하는데어려움이있었다

.

만약

,

Fig. 1. Echograms made from the continuous wave (CW) of the EK80 (A-F). Time on the top of figures and depth on the left side of figures are shown. SV echogram (G), TS echogram (H), and single target detection echogram (I) were made from the frequency modulation (FM) of the EK80. The continuous frequency responses between 36 and 40 kHz from data points in a yellow box are shown (J).

(5)

교정봉의길이를

4-7 m

길게제작한다면보다수월하게교정 작업을실시할있을것으로생각한다

.

2016

2

17

1

30

분경에수록한

ME70

데이터를분석 하여

11

빔으로형성된멀티빔에코그램과

11

빔중

, 1, 3, 5, 7, 9

번째의단일빔에코그램을

Fig. 2A-G

표시하였으며모든

단일에코그램과멀티빔에코그램은동기화가능하다

.

2

조사는단기간동안

ME70

SH90

장비를운용하여어군이 관찰된데이터를수록하지못하였다

.

중앙에서바깥쪽으로 위치한

1, 3, 9

TVG

잡음이현저히많음을있다

.

티빔에코그램에서

(ping)

번호

800

에서

1,200

사이에

10

격으로선별한여러개의멀티빔에코그램을

scene

환경에표시 하였다

(Fig. 2D).

어군이탐지될경우

, 3

차원으로탐지된어군

이와같이

scene

환경에표시하여조사항적선위의어군

직임등을관찰할있다

. ME70

데이터를이용한

3

차원시각

분석에관하여상세히설명하면멀티빔에코그램

(

,

선박을가로지르는횡단면

)

선박이항해하는방향면을합하

3

차원의정보를제공한다

.

3

차원정보를활용하여

,

어군 행동

,

어군추적의결과

,

수평수직유영방향

,

분포 심의변화

,

유영속도를파악할있으며

,

또한보다다각적인 어군들간의상호관계도연구할있다

(Trenkel et al., 2008;

Kang, 2011).

SH90 소나

2016

2

20

1

시경에탐구

21

호에설비된

SH90

통하 수집한음향데이터를수평빔과수직빔에코그램으로표시하 였다

(Fig. 2H, 2I).

수평빔의틸트각도는

45

,

빔수는

64

,

탐지설정범위는

160 m

이며

,

수평빔의방위각은

90

,

빔수는 Table 2. ME70 calibration settings and results

Beam

no. Frequency

(kHz) X Y Average TS Gain

Adjust. Sa-Corr.

Adjust.

1 118 0 –21 –45.04 –0.57 0.08

2 109 0 –17 –38.96 2.73 0.12

3 100 0 –13 –45.24 –0.24 –0.05

4 90 0 –10 –34.17 4.61 0.14

5 81 0 –5 –45.40 0.03 0.14

6 72 0 –0 –42.97 0.23 0.24

7 77 0 4 –41.49 1.69 0.04

8 86 0 9 –42.00 1.15 0.27

9 95 0 13 –44.39 –0.44 0.09

10 104 0 17 –48.08 –1.39 0.09

11 113 0 20 –46.24 –1.28 0.07

Fig. 2. ME70 and SH90 data displays. Single beam echograms made by the beam number 1, 3, 5, 7, and 9, respectively (A-C, E and G), the multibeam echogram (F), and scene environment including several multibeam echograms (D). Horizontal beam echogram (H) and vertical beam echogram (I) from the SH90 sonar (114 kHz).

수치

Table 1. Principal particulars of the R/V Tamgu 21
Fig. 1. Echograms made from the continuous wave (CW) of the EK80 (A-F). Time on the top of figures and depth on the left side of figures  are shown
Fig. 2. ME70 and SH90 data displays. Single beam echograms made by the beam number 1, 3, 5, 7, and 9, respectively (A-C, E and G), the  multibeam echogram (F), and scene environment including several multibeam echograms (D)

참조

관련 문서

National Institute of Fisheries Science.. East Sea Fisheries Research

East Sea Fisheries Research Institute National Institute of Fisheries Science...

East Sea Fisheries Research Institute National Institute of Fisheries Science...

East Sea Fisheries Research Institute (ESFRI) has developed bay scallop aquaculture technologies to extend its aquaculture area to the Southeast Sea of Korea.

1 Coastal Water Fisheries Resources Research Division, National Institute of Fisheries Science, Busan 46083, Korea Postlarval and juvenile anchovies Engraulis japonicus

Coastal Water Fisheries Resources Research Division, National Institute of Fisheries Science, Busan 46083, Korea.. 1 Distant Water Fisheries Resources Research

1 Fisheries Resources and Environment Research Division, West Sea Fisheries Research Institute, Incheon 22383, Korea A filamentous green alga Cladophora vadorum

2 Southwest Sea Fisheries Research Institute, National Fisheries Research & Development Institute, Yeosu 556-821, Korea To compare the accumulation of paralytic