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Copyright © 2016 The Korean Society of Fisheries and Aquatic Science pISSN:0374-8111, eISSN:2287-8815
서 론
과학어군탐지기
(
이하과학어탐)
는일반적으로수산자원량을 정량적으로평가하고수생생물의생태및행동특징을파악하 기위해사용되고있다.
과학어탐으로부터송신된소리는수중 에서수백미터혹은수천미터의긴거리를이동하여해저및 해수중의정보를취득하고그정보를과학어탐의수신부에보 낸다.
과학어탐은수신된소리를숫자(
음향강도와위상)
로변 환하여수층에분포하고있는다양한수생생물의기하학적이 미지를제공한다.
과학어탐은수십에서수백kHz
사이의주파수범위에서작동하는데
,
가장일반적으로사용되는주파수는38
과120 kHz
이다.
수산자원량을추정하기위해수행되는음 향조사는미리계획한조사정선(transect line)
을따라항해하 면서지속적으로음향데이터를수집하는데,
이와같은조사는 비교적쉽게수행할수있으며정확하고많은양의데이터표본 을획득할수있다(Simmonds and Maclennan, 2005).
과학어 탐은정립된수산자원량추정의방법론으로써수십년간사용 되어왔으나,
몇가지한계가존재한다.
좁은단일빔폭과펄스 폭,
그리고해저지형의특성(
예를들면,
경사진해저)
으로인해 해저근처에데드존(dead zone)
이생기며,
이음향데드존내부수산자원전용조사선 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 Lee2
, Junseong Park3
and Myounghee Kang3
*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
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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]
에위치하는생물은탐지가불가능하다
.
또한해수면가까이분 포하는표층성어류를탐지하기가어렵고,
좁은빔폭으로인해 선박을가로지르는방향에대한정보를획득하기어렵다.
이런 한계를극복하기위하여여러형태의소나를사용한다.
소나시 스템은과학어탐에비해상대적으로새로운장비로써넓은탐 지범위에서고해상도데이터표본을수집할수있기때문에해 양생물의행동및생태를조사하기위해점차적으로많이사용 되고있다.
일반적으로소나시스템을사용한연구를보면환경 학적요인(
수온약층,
염분약층,
클로로필)
에의한어군의형상 학적및지리학적특징(Soria et al., 2003),
청어과어군의유영 속도와방향에관한연구(Hafsteinsson et al., 1995),
포식자-
피 식자의상호관계,
특히피식자어군의형태적패턴에관한연 구(Axelsen et al., 2001)
등,
어군의행동및기하학적인특징에 관한연구가많은것을알수있다.
이소나시스템은여러개의 빔이수평빔(360
도,
전주형소나)
과수직빔으로구성되어있으 며이빔들은그룹으로되어있어각각빔의개별적인분석처리 는가능하지않다.
한편
,
현재까지수십년간사용하여온과학어탐과소나시스템을월등하게향상시킨차세대음향장비
(
예를들어, EK80
어군탐지기이하
EK80, ME70
멀티빔어군탐지기이하ME70)
가 개발되었고,
우리나라에서는국립수산과학원의수산자원전용 조사선탐구21
호에최초로탑재되었다. ME70
은2008
년에개 발되어전세계적으로10
대가되지않으며, EK80
은2015
년에 출시된최신음향장비이다.
이차세대음향장비를이용하여보 다정도높은수산자원량추정과수생생물의형상및행동패턴 에관한연구뿐만아니라음향자원조사의큰난제인어종식별 도가능하다고생각한다.
본논문은국립수산과학원의신조사 선인탐구21
호를소개하고,
이조사선에탑재된최첨단음향장비인
EK80
과ME70
의특성과국내최초로시험조사를수행한결과를제시하며
,
향후고려해야할쟁점및연구계획을논 하고자한다.
이와더불어상업용소나이지만,
과학적인조사에 도사용되는SH90
전주형소나(
이하SH90)
의활용에대해서 도언급하고자한다.
재료 및 방법
탐구 21호
우리나라연근해와배타적경제수역에서수산자원조사를수 행하기위해정부는국립수산과학원의수산자원전용조사선으 로
2007
년에탐구20
호(885 ton)
와2015
년에탐구21
호(999 ton)
를 건조하였다.
이조사선들로 수산자원조사를수행하여 어종별생물학적특성을파악하고수산자원평가및관리를위 한기초자료를수집하여인접국간의국제어업자원관리를위 한자료로활용하고,
국내수산해양과학기술향상과신해양시 대에적합한수산자원관련정보제공을기대하고있다.
특히탐 구21
호는우리나라의배타적경제수역은물론,
동중국해를포함한국외주요어장에서장기간연속조사를수행할수있는최 신의조사선으로삼원중공업에서건조되었다
.
총길이는67.3 m,
형넓이12.0 m
이고,
약14.2
노트로최대30
일간운용이가 능하며,
그외주요요목들은Table 1
에표시하였다.
탐구21
호 는장기조사에적합한선박으로항해능력의향상을위해,
횡동 요감쇄장치를채택하여선박의복원성과조사관측장비의정밀 도,
승선감,
작업성향상을도모하였다.
또한특수타,
로타리밴 타입조타장치,
가변피치프로펠러,
선수횡추진기를통해횡이 동,
선수방위자동제어,
자동선속제어를가능하도록하여선박 의조종성및추진성을향상시켰다.
이와더불어항해정보및기 관정보등을모니터할수있는통합항해시스템을갖추고,
항해 중사방시계를확보하기위하여장비높이를최대1.3 m
로제 한하여선박의감항성또한확보하였다.
또한탐구21
호는최신 형의최첨단조사장비를탑재하고있으며,
장비의활용을극대 화할수있도록설계되었다.
음향조사시영향을줄수있는거 품의발생과혼입을억제하는선수형상과반류를균일화하는 선미형상으로설계되었으며,
선저에위치한소나돔에는소나 빔,
과학어탐센서,
트롤모니터링시스템센서등을적절히배 치하여데이터실과조타실에서실시간으로수생생물을관측하 고정보를수집할수있도록하였다.
자동예망장치의설치로트 롤어구의투양망이자동화되었고트롤과조사관측장비를원격 으로제어할수있는원격조작제어시스템을조타실뒤에설치 하였다.
트롤어구의대형그물작업을용이하게하도록선미갑 판을넓게확보하였으며,
선내에서어체를처리할수있는시스 템또한구축하였다.
보다구체적으로탐구21
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),
넷드 럼(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 RPMPropeller Controllable Pitch Propeller
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,
선박용정밀저울
,
급속초저온냉동고(-86℃),
급속저온냉동고등의연구장비와시설을갖추고있다
.
2015
년4
월26
일에 탐구21
호의 해상인수시험(Sea accep- tance test)
을수행하였는데이때소량의EK80
데이터를저장 하였다. EK80
과ME70
교정은2015
년8
월15
일표준교정법을 사용하여실시하였다(Foote et al., 1987).
특히ME70
의경우 는빔의횡방향과종방향의각도를최대로하여교정구의위치 를찾은다음,
미리결정한빔구성으로교정을실시하였다.
탐 구21
호를이용한첫조사는2016
년2
월15
일에서29
일까지동 해,
남해및동중국해의넓은수역에서수행되었다.
이조사는EK60
과같은데이터형식으로EK80
의데이터를수록하였는데
, ME70
과SH90
의기초적인시험을위하여소량의데이터를수록하였다
. EK80 어군탐지기
EK80
은세계최고의음향전기기술로구현된최첨단과학어탐이다
. EK80
은전체펄스시간동안한개의주파수로구성되는협대역지속파
(NB CW, Narrow-Band Continuous Wave)
와펄스시간동안낮은주파수에서높은주파수로선형적으로 증가하는광대역주파수변조(WB FM, Wide-Band Frequency Modulation)
의두가지빔모드로구성되어있다. WB FM
모드 는일반적으로첩신호(Chirp Signal)
라고불리기도한다.
두빔모드중
WB FM
모드은단일펄스내에넓은범위의주파수(
예를들어
, 95 kHz-160 kHz)
를전송하고,
광대역의특성으로수 심별로어류를보다더정확하게분리시킬수있다(
고분해능).
또한배경잡음으로부터어류신호를보다수월하게구별할수 있고
(
높은신호대잡음비),
음향표시범위(Dynamic Range)
가크며,
어종식별을위한넓은주파수범위에서대상생물의연속적인주파수특성을파악할수있다
. EK80
을NB CW
빔모드로설정하여데이터를수집할경우
,
기존의EK60
과학어탐과동일한좁은주파수범위즉
,
단일주파수로서역할을수행 한다.
따라서NB CW
모드로수록한데이터는EK60
과동일하 게어류계수,
어군탐지,
생물량추정,
해저지형분류등에활 용할수있다. NB CW
빔모드가기존의EK60
과다른점은저 장할수있는원데이터(raw data)
의형식을TVG (Time varied
gain)
의적용이없는파워형태로수록가능하다는점이다.
반면
, EK80
을WB FM
빔모드로설정하여데이터를수록할경우
,
후처리소프트웨어(
예를들어, Echoview)
에서펄스압축에 코그램을표시할수있다.
이펄스압축에코그램은WB FM
빔모드만이가지는특징으로
WB FM
의광대역은높은거리분해능을구사할수있으므로
,
어군내에분포하는어류(
단체어)
를상하에위치하는다른어류와구분
(
분리)
할수있다.
이정보는 어종식별에유력한정보로사용가능하다.
또한잡음과어류신 호를구별하는것과이펄스압축에코그램에서단체어구분과 어류의주파수특성을파악하는것이용이하다.
ME70 멀티빔 어군탐지기
ME70
은설정이매우자유롭고교정이가능한멀티빔어군탐지기이며개별빔은
EK60
분할빔과같은역할을한다.
멀티 빔데이터는각송수파기채널의모든빔들을하나의평면부채(fan)
형태의에코그램으로시각화할수있으며,
개별빔으로는과학어탐의에코그램같이체적후방산란강도
(S
V),
표적강도(TS)
등을표시할수있어여러대의과학어탐을사용하는것과같다
.
이시스템은대단히낮은측엽과좁은빔폭그리고넓은 탐지범위를가지고있다. ME70
의주파수는70-120 kHz,
빔수 는3-45
개까지구성할수있으며,
신호형태는NB CW
와WB FM
중에서선택가능하고펄스길이는64-5,120 µs
중에서선별 하여사용할수있다.
멀티빔의빔배열은브이(V),
역브이(Λ),
아이(I)
로구분하여선택할수있다.
빔배열중브이는멀티빔이“V”
모양으로구성되어중앙빔은낮은주파수가외각으로갈수록높은주파수로구성되어있다
.
역브이“Λ”
는중앙빔에고주 파수가바깥쪽빔에저주파수로이루어졌으며,
아이“I”
는모든 빔이한군데를바라보는형태를가진다.
중심빔의횡방향빔 각(alongship beam angle)
과종방향빔각(athwart beam angle)
은각각2.2-20
도범위내에서설정이가능하다.
또한멀티빔을 선박의횡방향과종방향으로조정가능한각도는각각5
도에 서45
도까지(default
는0)
이다(Trenkel et al., 2008; Ona et al., 2009; Trenkel et al., 2009; Kang, 2011).
SH90 소나
SH90
은전주형소나이며360
도의수평빔과60
도의수직빔으로구성되어있다
. 120
개송신기와240
개수신기채널로이루어져있으며송수파기는원통형이다
.
수평빔의각도가기울 면전체빔이우산을접은것같은형상을하는데+10
에서최 대–60
도까지의각도로기울일수있다.
즉,
수평빔은선박주변 의어군을360
도로보는것이고수직빔은표적(
어군)
을측면에 서보는것이다. SH90
의기본주파수는114 kHz
이지만111.5- 115.5 kHz
사이의주파수를0.5 kHz
단위로선택할수있다.
이 는자선주변의다른선박이같은소나를사용할경우발생하는주파수간섭을억제하기위함이다
. SH90
은일반적으로모션센서와연동되어있으므로최대
±20
도의횡및종동요에서수평 및수직빔이안정적이고정확한위치정보를취득할수있다.
결과 및 고찰
EK80 어군탐지기
탐구
21
호에설비된EK80
의주파수범위와대역은, 18 kHz
의주파수범위는
10-30 kHz
이고주파수대역은20 kHz
이며, 38 kHz
의 주파수 범위는25-50 kHz
이고,
주파수대역은25 kHz
이다.
그리고70 kHz, 120 kHz, 200 kHz, 333 kHz
의주 파수범위는각각45-90 kHz, 85-170 kHz, 150-300 kHz, 250- 500 kHz
이고,
이들의주파수대역은각각45 kHz, 85 kHz, 150 kHz, 250 kHz
이다. Fig. 1A-F
는2016
년2
월27
일에동중국 해(30° 58.3´N 126° 45.0´E)
에서EK80
의NB CW
모드로6
개의주파수로수집한음향데이터의에코그램이다.
수심80 m
에서띠모양의신호가관찰되고있으며, 38, 70, 120 kHz
에서 는해수중에다수의약한산란체들이관찰된다.
이때는EK80
의NB CW
모드로만데이터를수집하였다. 2015
년4
월26
일 탐구21
호의해상인수시험을할때WB FM
모드로데이터를 수집하여작성한예시에코그램도Fig. 1G-J
와같다.
이WB FM
모드로작성한에코그램의가장대표적인특징은짧은펄 스폭과주파스범위내의연속적인주파수반응이다.
기존의단 일표적탐지(Single target detection, STD)
알고리즘을통해40LogR
을적용시킨TS
에코그램(Fig. 1H)
과빔내에서어류의 위치를표시한에코그램을이용하여STD
에코그램을만들었다(Fig. 1I).
이STD
에코그램에서는단체어(
어류)
의수직길이가 매우짧은(
거리분해능이최대화된)
것을관찰할수있고,
주파수범위
(36-40 kHz)
내의연속적인주파수특성이잘나타나고있다
(Fig. 1J).
이와같이중심주파수38 kHz
이외다른주파수 를이용하여주파수반응그래프를작성한다면,
대상생물에대 한10
에서500 kHz
까지의주파수특성을잘파악할수있어어 종식별을위한유용한정보로활용될것이다.
추가적으로WB
FM
모드로수집한데이터를분석하기위해서는펄스압축,
신호처리및송신펄스의모듈레이션후수신펄스와의상관시키 는기술등이요구된다
.
ME70 멀티빔 어군탐지기의 교정과 데이터의 분석
ME70
의교정시에빔모드는“V”
로구성하여중앙에는낮은주파수
(72 kHz)
를설정하고,
외각으로갈수록높은주파수(113
과118 kHz)
로설정하였다.
이때교정구는18-22 m
수심에위 치하였고펄스길이는768 µs,
음속은1490.44 m/s
이었다.
설정 한모든개별빔에대해서교정구의음향강도를측정하여각빔 을교정하였다.
개별빔에대한주파수,
각도, TS
값과교정결과 값을Table 2
에나타내었다. ME70
의교정은EK60
을교정할 때와같은표준교정법을사용하는데,
빔수가많아서교정구가 외각에들어가도록교정봉3
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).
교정봉의길이를
4-7 m
로길게제작한다면보다수월하게교정 작업을실시할수있을것으로생각한다.
2016
년2
월17
일1
시30
분경에수록한ME70
데이터를분석 하여11
개빔으로형성된멀티빔에코그램과11
개빔중, 1, 3, 5, 7, 9
번째의단일빔에코그램을Fig. 2A-G
에표시하였으며모든단일빔에코그램과멀티빔에코그램은동기화가능하다
.
이2
월조사는단기간동안ME70
과SH90
장비를운용하여어군이 관찰된데이터를수록하지못하였다.
배중앙에서바깥쪽으로 위치한빔1, 3, 9
에TVG
잡음이현저히많음을알수있다.
멀 티빔에코그램에서핑(ping)
번호800
에서1,200
사이에10
핑간 격으로선별한여러개의멀티빔에코그램을scene
환경에표시 하였다(Fig. 2D).
어군이탐지될경우, 3
차원으로탐지된어군을이와같이
scene
환경에표시하여조사항적선위의어군움직임등을관찰할수있다
. ME70
데이터를이용한3
차원시각화및분석에관하여더상세히설명하면멀티빔에코그램
(
즉,
선박을가로지르는횡단면)
과선박이항해하는방향면을합하 여3
차원의정보를제공한다.
이3
차원정보를활용하여,
어군 의행동,
어군추적의결과즉,
수평및수직유영방향,
분포수 심의변화,
유영속도를파악할수있으며,
또한보다다각적인 어군들간의상호관계도연구할수있다(Trenkel et al., 2008;
Kang, 2011).
SH90 소나
2016
년2
월20
일1
시경에탐구21
호에설비된SH90
을통하 여수집한음향데이터를수평빔과수직빔에코그램으로표시하 였다(Fig. 2H, 2I).
이수평빔의틸트각도는45
도,
빔수는64
개,
탐지설정범위는160 m
이며,
수평빔의방위각은90
도,
빔수는 Table 2. ME70 calibration settings and resultsBeam
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).