천해 지질환경에서의 음파전달 특성 연구를 위한 KIOST-한양대 공동실험 개요

조성호,강돈혁,이철구,정섬규,최지웅,오선택,Cho, Sungho,Kang, Donhyug,Lee, Cheol-Ku,Jung, Seom-Kyu,Choi, Jee Woong,Oh, Suntaek 한국음향학회 2015 韓國音響學會誌 Vol.34 No.6

본 논문은 "천해 지질환경과 음파전달환경과 상호 연계 연구"를 목적으로 한국해양과학기술원과 한양대학교가 2013년 4 ~ 5월에 경기만 태안반도 서쪽에 위치한 천해환경에서 공동으로 수행한 지질환경 조사 및 수중음향 실험에 대한 개요를 기술하였다. 실험지역은 강한 조류와 천해의 지형학적 특성에 의해 다양한 종류의 퇴적상과 베드폼이 형성되는 해역이다. 집중적인 지질환경 특성 조사를 위해 다중음향측심기, 천부지층탐사기, 중천부지층탐사기, 그랩을 이용하여 조사해역의 지질환경 특성을 파악하였으며, 저주파수, 중주파수 대역의 음원과 수직선배열청음기를 이용하여 주파수 200 ~ 16,000 Hz 대역에서 1) 저주파수 음파전달, 2) 중주파수 해저면 반사손실, 3) 주변소음의 공간 코히런스 분석, 4) 중주파수 해저면 후방산란에 대한 연구 주제로 해상실험이 수행되었다. 본 논문에서는 연구지역에서 음향실험을 실시한 동기, 음향실험 방법론과 측정된 지질자료를 기반으로 음향자료 해석과, 실험기간 동안 측정된 지질환경, 기상 해양물리 자료를 요약 정리하여 기술하였다. This paper presents an overview of the geological environment investigation and underwater acoustic measurements for the purpose of "Study on the Relationship between the Geological Environment and Acoustic Propagation in Shallow Water", which are jointly carried out by KIOST (Korea Institute of Ocean Science & Technology) and Hanyang University in the western shallow water off the Taean peninsula in the Yellow Sea in April-May 2013. The experimental site was made up of various sediment types and bedforms due to the strong tidal currents and coastal geomorphological characteristics. The geological characteristics of the study area were intensively investigated using multi-beam echo sounder, sub-bottom profiler, sparker system and grab sampler. Acoustic measurements with a wide range of research topics in a frequency range of 20~16,000 Hz: 1) low frequency sound propagation, 2) mid-frequency bottom loss, 3) spatial coherence analysis of ambient noise, and 4) mid- frequency bottom backscattering were performed using low- and mid-frequency sound sources and vertical line array. This paper summarizes the topics that motivated the experiment, methodologies of the acoustic measurements, and acoustic data analysis based on the measured geological characteristics, and describes summary results of the geological, meteorological, and oceanographic conditions found during the experiments.

선박자동식별장치 데이터를 이용한 수중 선박소음 추정 연구

박지성,강돈혁,김한수,김미라,조성호,Park, Ji Sung,Kang, Donhyug,Kim, Hansoo,Kim, Mira,Cho, Sungho 한국음향학회 2018 韓國音響學會誌 Vol.37 No.3

선박 통행이 잦은 항만 및 연안 주변지역은 1 kHz 이하의 저주파 대역에서 선박소음이 수중소음에 지배적으로 영향을 미친다. 본 논문에서는 선박자동식별장치(Automatic Identification System, AIS)에서 관측된 선박의 항해정보를 이용하여 수중 선박소음을 추정하는 모델링 방안을 제시한다. 선박소음 모델링을 목적으로 AIS를 이용하여 제주 남부 해역에서 활동하는 선박들의 항행정보를 관측하였고, 모델링된 선박소음의 결과 검증을 위해 실험해역에 수중청음기를 설치하여 수중소음을 측정하였다. AIS 데이터를 이용하여 선박소음준위를 모델링하여 측정된 수중소음과 비교한 결과 시간에 따른 소음준위의 변동 특성이 유사함을 확인하였고, 오차가 발생되는 원인에 대해 토의하였다. 본 연구를 통해 AIS 데이터를 이용하여 선박소음준위를 5 dB 오차 범위에서 추정이 가능함을 확인하였다. In port and coastal areas where ship traffic is frequent, ship noise dominantly influences underwater noise in low frequency band below 1 kHz. In this paper, we propose a modeling method to estimate the underwater shipping noise using the voyage information of ship observed in AIS (Automatic Identification System). For the purpose of ship noise modeling, the navigation information of the vessels operating in the southern part of Jeju was observed using AIS and underwater noise was measured by installing a hydrophone in the experimental area to verify the modeled ship noise. AIS data were used to model the noise level of ship and compared with measured underwater noise. The variation of noise level with time was found to be similar, and the cause of the error was discussed. Through this study, it was confirmed that the noise level of ship can be estimated within 5 dB error range using AIS data.

크래머 라오 하한을 이용한 음향 표적 탐지 및 위치추정 오차 분석

박지성,조성호,강돈혁,Park, Ji Sung,Cho, Sungho,Kang, Donhyug 한국음향학회 2017 韓國音響學會誌 Vol.36 No.3

본 논문에서는 배열센서에서 DOA(Direction Of Arrival)를 수행하는 경우 크래머 라오 하한을 이용하여 표적신호가 수신되는 방위오차의 최소분산을 계산하고, 탐지 방위오차 및 위치추정 거리오차를 추정하는 방안을 제시한다. 신호 대 잡음비는 DOA의 정확도 즉, 표적의 탐지 방위오차 및 위치추정 거리오차를 결정한다. 일반적으로 신호대 잡음비는 음원준위, 소음준위, 전달손실, 배열센서의 형상, 빔 조향 방위에 따라 달라진다. 표적의 공간상 상대적 위치와 소음준위가 달라지는 경우, 신호 대 잡음비의 변화에 따른 탐지 방위오차 및 위치추정 거리오차를 확률적으로 추정하는 몬테카를로 시뮬레이션을 수행함으로써, 제안된 방법을 검증하였다. In this paper, an algorithm to calculate both bearing and distance error for target detection and localization is proposed using the Cramer Rao lower bound to estimate the minium variance of their error in DOA (Direction Of Arrival) estimation. The performance of arrays in detection and localization depends on the accuracy of DOA, which is affected by a variation of SNR (Signal to Noise Ratio). The SNR is determined by sonar parameters such as a SL (Source Level), TL (Transmission Loss), NL (Noise Level), array shape and beam steering angle. For verification of the suggested method, a Monte Carlo simulation was performed to probabilistically calculate the bearing and distance error according to the SNR which varies with the relative position of the target in space and noise level.

저주파수 정상모드 잔향음 모델

오선택,조성호,강돈혁,박경주,Oh, Suntaek,Cho, Sungho,Kang, Donhyug,Park, Kyoungju 한국음향학회 2015 韓國音響學會誌 Vol.34 No.3

본 논문에서는 천해의 거리 독립환경에서 저주파수 대역의 잔향음 준위를 계산하는 정상모드 잔향음 모델 개발을 제안하였다. 정상모드를 이용하여 음원에서 산란체, 산란체에서 수신기까지의 음파 전달을 계산하였다. 산란 면적에서 상하로 전달되는 음파는 각 모드를 이용하여 고려하였다. 산란함수는 기존에 제시된 해저면 조건을 고려한 람베르트 공식(Lambert's law)과 반사각 부근에서는 Kirchhoff 근사법에 의한 가우시안 형태를 조합하였다. 제안 모델을 검증하기 위해 미국 ONR(Office of Naval Research)이 지원한 제 I회 잔향음 모델링 워크샵(Reverberation Modeling Workshop I, RMW I)의 XI, XV번 문제를 기준으로 상대비교를 수행하였다. In this paper, a normal mode reverberation model for a range-independent environment of shallow water is proposed to calculate the reverberation level in the low-frequency range. Normal mode is used to calculate the acoustic energy propagating from the source to the scattering area and from the scattering area to the receiver. Each mode is decomposed into up and down going waves to consider scattering strength at the scattering area. The scattering functional form combines Lambert's law with a Gaussian-like term near the specular direction based on Kirchhoff approximation considering bottom condition. For verification of the suggested model, the result is relatively compared to several solutions of the problem XI and XV in the Reverberation Modeling Workshop I sponsored by the US Office of Naval Research.

천해에서 내부파로 인해 생성되는 잔향음에 의한 허위표적 신호 발생 가능성

이성춘,김선효,최지웅,강돈혁,박정수,박경주,Lee, Sung Chun,Kim, Sunhyo,Choi, Jee Woong,Kang, Donhyug,Park, Joung Soo,Park, Kyeongju 한국음향학회 2015 韓國音響學會誌 Vol.34 No.2

능동소나 시스템에서 천해 내부파에 의한 잔향음으로부터 유도될 수 있는 허위 표적 신호의 발생 가능성에 대하여 연구하였다. 내부파로부터 굴절된 하향 음선은 강한 해저면 잔향음 신호를 발생시켜 허위 표적 신호를 야기한다. 음원으로부터 송출된 음파는 3차원적으로 전파하므로, 2차원(r-z) 뿐만 아니라 수평방향에 대해서도 고려되어야 한다. 솔리톤(soliton)으로 구성된 내부파 모델링은 음원과 솔리톤간 거리 및 솔리톤의 수평폭과 같이 다양한 조건에서 수행되었다. 음원은 가변심도소나(VDS: Variable Depth Sonar)를 가정하여 모의 환경에서의 최소음속층에 위치시켰고, 음선 기반의 잔향음 모델을 이용하여 시간에 따른 잔향음 준위를 모의하였다. 결과적으로 음원과 솔리톤간 거리 및 솔리톤의 수평폭에 따라 여러 개의 허위표적 신호가 동시에 PPI(Plan Position Indicator) 전시기에 나타날 수 있음을 확인하였다. It is investigated that there exists the possibility of the false target signals induced by reverberation in an active sonar system due to the internal waves in shallow water. The rays down-refracted from the internal waves may generate strong bottom-reverberation signals, which can result in false target signals. Sound waves emitted from a source propagate 3-dimensionally. Therefore, the study of internal waves on the reverberation should be studied for azimuthal direction as well as 2-dimensional (r-z) plane. Internal-wave modelling was conducted, based on solitons which were predicted with the various conditions such as, the range of source-soliton, horizontal widths of soliton. Variable depth sonar (VDS) was assumed as a source, of which the depth was located in the minimum sound speed layer in a simulation environment. Finally, the simulation on the reverberation level with time was made based on ray-based reverberation model, and the results implied that several false-target signals could be displayed on the PPI(Plan Position Indicator) scope simultaneously with range from source to soliton, and the horizontal width of soliton.

서해에서 측정된 수중 주변 소음의 공간 코히런스 분석

권혁종,김정훈,최지웅,강돈혁,조성호,정섬규,박경주,Kwon, Hyuckjong,Kim, Junghun,Choi, Jee Woong,Kang, Donhyug,Cho, Sungho,Jung, Seom-Kyu,Park, Kyeongju 한국음향학회 2015 韓國音響學會誌 Vol.34 No.6

코히런스 분석은 두 수신신호의 유사성을 분석하는 방법으로, 수중음향에서는 음파의 시간 및 공간 특성을 나타낼 수 있는 유용한 분석 방법이다. 본 논문에서는 한국해양과학기술원과 한양대학교가 공동으로 수행한 해양음향 실험의 일부로, 3개의 수중청음기로 구성된 수직선배열센서를 이용하여 수중에서 주변 소음을 측정하였다. 조사선 발전기가 작동할 때와 정지했을 때, 총 두 가지 경우에 대하여 주변 소음이 측정되었고 각각에 대한 코히런스 분석을 수행하였다. 조사선 발전기가 작동하는 경우의 코히런스 결과는 조사선 발전기 소음의 전달 손실을 고려하여 계산된 방향 밀도함수를 이용한 코히런스 결과와 비교되며, 조사선 발전기가 정지한 경우인 주변 소음의 코히런스 결과는 해수면 소음원, 해저면 구성성분 및 원거리 선박 소음이 반영된 코히런스 모델 결과와 비교, 분석되어진다. Coherence describing the similarity between physical quantities of two signals is a very useful tool to investigate the temporal and spatial characteristics of signals propagating in underwater acoustic waveguide. Ambient noise measurements were made by the vertical received array consisting of three hydrophones as part of the KIOST-HYU joint acoustics experiment, and the coherence for the underwater ambient noise was analyzed. In this paper, the coherence results in cases that the generator in the research vessel was off and turned on are presented. The coherence estimated in the case of the generator operation mode are compared to the predictions obtained using the theoretical model with the directional density function dominated by vertical components propagating downward from the ship. In the case of the generator switch-off, the results are compared to the model predictions with directional density function including the effects of sea surface noise and long-distance shipping noise.

수중합성환경에서 단상태 능동소나의 성능분석을 위한 표적신호 모의

김선효,유승기,최지웅,강돈혁,박정수,이동준,박경주,Kim, Sunhyo,You, Seung-Ki,Choi, Jee Woong,Kang, Donhyug,Park, Joung Soo,Lee, Dong Joon,Park, Kyeongju 한국음향학회 2013 韓國音響學會誌 Vol.32 No.6

능동소나는 일반적으로 천해에서 존재하는 표적을 탐지하기 위해 사용된다. 신호가 송신되고 표적으로부터 반향되어 되돌아올 때, 표적 반향신호는 다중경로, 거친 해저면 또는 해수면에 의한 산란 그리고 음속구조에 의한 굴절과 같은 다양한 음파전달 특성에 의해 왜곡 되어 수신되며, 이는 표적 탐지를 어렵게 만든다. 그러므로 능동소나의 운용성능 체계에서 표적 신호 모의 시 음파전달 특성을 고려하는 것이 필요하다. 본 논문에서는 단상태 능동소나 시스템을 고려하였으며, 표적 반향, 잔향음 그리고 주변소음은 각각 시계열 함수로 모의되었다. 마지막으로 전체 수신 신호를 모의하기 위해 위 신호들을 합하였다. 표적의 특징(형태, 위치, 자세각 등)을 반영한 3차원 대표반향점 모델은 음원과 표적 사이에 각각의 다중경로를 고려하여 표적 반향 신호를 모의하였다. 본 논문의 결과는 표적 신호 모의 시 직접파만을 고려한 알고리즘의 결과와 비교하였다. Active sonar has been commonly used to detect targets existing in the shallow water. When a signal is transmitted and returned back from a target, it has been distorted by various properties of acoustic channel such as multipath arrivals, scattering from rough sea surface and ocean bottom, and refraction by sound speed structure, which makes target detection difficult. It is therefore necessary to consider these channel properties in the target signal simulation in operational performance system of active sonar. In this paper, a monostatic active sonar system is considered, and the target echo, reverberation, and ambient noise are individually simulated as a function of time, and finally summed to simulate a total received signal. A 3-dimensional highlight model, which can reflect the target features including the shape, position, and azimuthal and elevation angles, has been applied to each multipath pair between source and target to simulate the target echo signal. The results are finally compared to those obtained by the algorithm in which only direct path is considered in target signal simulation.

3차원 수중 표적의 반향특성 모델링과 실험적 검증

유승기,김선효,최지웅,강돈혁,정동민,You, Seung-Ki,Kim, Sunhyo,Choi, Jee Woong,Kang, Donhyug,Jeong, Dongmin 한국음향학회 2014 韓國音響學會誌 Vol.33 No.3

능동소나에 의한 표적 반향 신호는 다중경로 환경에서 전파됨에 따라 신호가 변형되어 수신된다. 또한 표적의 위치와 자세각에 따라 반향 신호 특성이 다르게 나타난다. 따라서 이러한 특성을 반영할 수 있는 3차원 형상의 표적 모델을 통해 반향 특성이 모의 되어야 한다. 본 논문에서는 3차원 표적신호의 모의를 위해 표적의 각 구성부를 형상 함수화 하였으며 각 구성부의 대표 반향점을 등간격으로 선정하여 표적 모델을 개발하였다. 개발된 표적 모델을 이용하여 음의 입사각에 따른 반향 신호와 표적강도(TS : Target Strength)를 모의하였다. 모의된 표적신호의 반향 강도 및 신호 특성을 검증하기 위해 조립이 가능한 구성부별 축소 모형을 제작하여 수조에서 축소 표적을 이용한 반향 실험을 수행하였다. When a active sonar signal is transmitted and returned back from a target, it has been distorted by various properties of acoustic channel such as multipath arrivals. And signals have been appeared to be different form by target position and attitude. Therefore, we simulated the target echo signal using 3 dimensional target model include reflects target features. In this paper, we develop components form of a simulated target model is made up equally spaced highlight points, and each part of the target consists of shape function. We can simulate a target echo signal and Target strength (TS) according to wave incident angle. To verify, we made small scale target in kit form and we had got underwater target signal for comparing simulation result in water tank.

Chlorophyll-a 연속 관측 변화 패턴에 따른 식물플랑크톤 군집 변화 분석

한혜정(Hye Jung Han),강준수(JunSu Kang),김현정(Hyun-Jung Kim),강돈혁(Donhyug Kang),정승원(Seung Won Jung) 한국해양환경·에너지학회 2018 한국해양환경·에너지학회지 Vol.21 No.2

AIS와 실측 음향자료를 이용한 선박의 수중방사소음

조성호(Sungho Cho),박지성(Jisung Park),강돈혁(Donhyug Kang),한주영(Jooyoung Hahn) 한국소음진동공학회 2017 한국소음진동공학회 학술대회논문집 Vol.2017 No.4