수중 환경 소음 모델이 적용된 의사 스펙트럼 시간영역 법 합성환경 수중음향채널 모델링 및 시뮬레이션

김장은,김동길,한동석,Kim, Jang-Eun,Kim, Dong-Gil,Han, Dong-Seog 한국시뮬레이션학회 2016 한국시뮬레이션학회 논문지 Vol.25 No.3

수중환경에서 운영되는 무기체계 획득을 위한 설계/개발을 진행하기 위해 수중음향채널 모델링 및 시뮬레이션을 통한 분석은 필수적이다. 일반적으로 수중음향채널 분석을 위해 사용되는 수중음향 전파 수치해석 모델은 음선이론 법, 정규방식 법, 포물선방정식 법, 파수적분 법이 있으나 다중 주파수 분석일 경우 유효성과 신호처리 및 분석에 제한적이다. 본 논문은 단일 및 다중 주파수 분석 및 신호처리 및 분석이 용이한 기존 의사 스펙트럼 시간영역 법 수중음향 수치해석 모델에 수중환경 소음 모델을 적용하여 실제 수중환경과 유사한 합성환경 수중음향채널을 모델링 하였다. 이렇게 구현된 합성환경 수중음향채널 모델의 유효성을 확인하기 위해 단일 주파수 신호 시나리오 4가지 다중 주파수 신호 시나리오 4가지 및 잠수함 기동에 따른 방사소음 분석 시나리오 시뮬레이션을 통해 의사 스펙트럼 시간영역 법 합성환경 수중음향채널 모델 유효성을 확인하였다. It is necessary to analyze underwater acoustics channel(UAC) modeling and simulation for underwater weapon system development and acquisition. In order to analyze UAC, there are underwater acoustics propagation numerical analysis models(Ray theory, Parabolic equation, Normal-mode, Wavenumber integration). However, If these models are used for multiple frequency signal analysis, they are inaccurate to calculate result of analysis effectiveness and restricted for signal processing and analysis. In this paper, to overcome this problem, we propose simple/multiple frequency signal analysis model of the Pseudospectral Time-Domain Method synthetic environment UAC applied to underwater environment noise model as like as realistic underwater environment. In order to confirm the validation of the model, we performed the 9 scenarios simulation(4 scenarios of single frequency signal, 4 scenarios of multiple frequency signal, 1 scenario of single/multiple frequency signal like submarine radiated noise) for validation and confirmed the validation of this model through the simulation model.

COVID-19 팬데믹에 따른 수중 음향환경 변화와 해양 어류 및 무척추동물의 생물학적 영향 고찰

변유정,김범기,이정현,이창근,김종성 한국해양환경·에너지학회 2023 한국해양환경·에너지학회지 Vol.26 No.1

선박 운행, 해양 구조물 건설, 자원 탐사 등 인간 활동으로 발생하는 수중소음이 해양 공해로서 대두되고 있다. COVID-19 팬데믹 이후 국가별 봉쇄 조치에 따라 선박 운행량이 감소하였고 이에 따라 수중 음향환경 또한 변화하였지만, 이와 관련된 생물 영향 연구는 미흡한 실정이다. 본 연구에서는 선행연구 리뷰를 통하여 선박 수중소음에 의한 어류 및 무척추동물의 생물 영향 범위를 산정하고 COVID-19 팬데믹 전후 수중 음향환경 변화와 비교 해석을 하고자 한다. 총 20개의 문헌 리뷰를 통해 선박 수중소음이 어류 14종, 무척추동물 7종에 미치는 영향을 생리, 행동적 영향으로 구분하였다. 그 결과 최소 생물 영향 범위는 어류, 무척추동물 각각에서 101–148 dB re 1 μPa, 118–155 dB re 1 μPa로 나타났으며 초기 발달 단계의 생물이 성체에 비해 수중소음에 더 민감한 것으로 보였다. 총 8개의 문헌 리뷰를 통해 COVID-19 전후 수중 음향환경 변화를 확인한 결과, 6개 국가(캐나다, 미국, 바하마, 독일, 프랑스, 뉴질랜드)에서 음압레벨이 1.2–8.0 dB re 1 μPa 감소하였다. 국내의 경우 2020년 총 선박 입출항 수가 2019년 대비 감소하였으나 2021년 회복세를 보여 선박 수중소음이 일시적으로 감소했을 것으로 사료된다. COVID-19 팬데믹이라는 특수한 상황으로 인해 선박 수중소음이 수중 음향환경에 끼치는 소음 공해 수준을 정량화할 수 있게 되었으며 봉쇄 기간동안 주변소음의 감소는 어류 및 무척추동물의 건강에 긍정적으로 작용했을 것이라 판단된다. 향후 선박 수중소음이 해양생물에 미치는 부정적인 영향을 최소화하기 위해서는 국제 실정에 맞는 관리 방안 마련이 시급하다. 따라서 국내 대표 수산생물 종에 대한 수중소음 영향평가와 서식 생물 보호를 위해 공간관리 체제를 이용한 선박 및 선박 수중소음 제한이 필요할 것으로 보인다.

다중 주파수 재생을 위한 광대역 수중 음향 신호 증폭기 설계 연구

이동훈,유승진,김형문,김형남,Lee, Dong-Hun,Yoo, Seung-Jin,Kim, Hyeong-Moon,Kim, Hyoung-Nam 한국음향학회 2017 韓國音響學會誌 Vol.36 No.3

본 논문에서는 수중에서 운용하는 임베디드 능동 음향탐지 시스템에 적용하기 위한 광대역 송신 전력 증폭기 설계/제작/시험 과정에서 발생된 문제를 분석하고 해결방안을 제시한다. 최근 수중음향 분야에서도 탐지 성능을 향상시키기 위해 광대역 소나(Sound Navigation and Ranging, SONAR) 신호처리 연구가 진행되고 있으며 이를 위한 광대역 수중음향 송수신 장치 개발이 이루어지고 있다. 본 논문에서는 임베디드 시스템 특성상 복잡하지 않고 구현이 간단한 2 레벨 톱니파 형태의 Class D 급 PWM(Pulse Width Modulation) 신호 생성 방식을 사용하여 광대역 수중음향 신호를 생성한 이후에, 송신 증폭기를 통하여 다양한 형태의 송신 파형을 재생하고 수중에서 실험을 하는 과정에서 두가지 이상의 주파수를 가진 소나 신호를 동시에 재생한 경우, 원신호에 두 신호의 주파수 차의 정수배만큼 더해진 기생 주파수가 나타나는 현상이 발생하여 원하지 않은 송신 음원이 재생되는 문제가 있음을 발견하였다. 이러한 문제점의 원인을 분석하기 위해 MATLAB 및 Simulink를 이용하여 송신 하드웨어 및 PWM 제어 과정을 모델링하고 시뮬레이션 하였으며, 시뮬레이션을 통해 문제점을 재현하고 해결방안을 제시한다. The problem that occurred in the design/fabrication/testing of the wideband transmitting power amplifier for an embedded active SONAR (Sound Navigation and Ranging) system operating underwater was analyzed and the solution of the problem was proposed in this paper. Wideband acoustic SONAR systems had been developed in order to improve the underwater detection performance. The underwater acoustic transmission system had been also developed to achieve the wideband SONAR system. In this paper, the wideband acoustic transmission signal was generated using a 2 Level sawtooth type Class D PWM (Pulse Width Modulation) which was not complicated to implement. When the sonar signals having two or more frequencies were simultaneously generated, parasitic frequencies were added to the original signals by integer multiples of the frequency difference of the original signal. To cope with this problem, we proposed a way to remove the parasitic frequency from the source signal through modeling and simulation of the implemented power amplifier and PWM control hardware using MATLAB and Simulink.

휴대용 수중청음기 배열 시스템의 개발

김봉채,Kim Bong-Chae 한국음향학회 2006 韓國音響學會誌 Vol.25 No.4

수중음장의 공간적인 분포를 측정하거나 해양에서 음파의 도래방향을 탐지하기 위하여 수중청음기 배열을 사용하고 있다. 그런데 수중청음기 배열은 일반적으로 규모가 크고 가격도 고가이다. 그래서 수중청음기 배열을 다루기가 편리하지 못하고, 구입하기도 쉽지 않다. 수중청음기 배열을 간편하게 구성하여 수중음파를 수신하는 데 사용할 목적으로 수중청음기와 데이터 로거가 일체형인 수중청음기 로거를 개발하였다. 그리고 수중청음기 로거로 구성된 수중청음기 배열 시스템을 개발하였다. 이 논문에서는 개발된 수중청음기 로거 및 수중청음기 배열 시스템의 구성에 대하여 보고한다. 또한 수중청음기 로거의 수조실험 결과 및 수중청음기 배열 시스템에 의한 해수중 주위잡음의 측정 예에 대하여 고찰한다. 그리고 이 수중청음기 배열 시스템을 사용할 때 편리한 점에 대해 기술한다. A hydrophone away is used to measure spatial distribution in underwater sound field and to detect incoming direction of sound waves in the ocean. It is not usually convenient to handle the hydrophone away because of its extensive scale. And it is not easy to purchase the hydrophone away because of expensive price. A hydrophone logger combined with a hydrophone and data logger was developed to consist conveniently of a hydrophone away for use to receive underwater sound waves. And a hydrophone array system with the hydrophone loggers was developed. Main configurations of the hydrophone 1o99er and the hydrophone array system are introduced in this paper. Also we present some measurement results by the hydrophone logger in a water tank and measurement examples on ambient noise in the sea by the hydrophone away system. And we discuss some advantages in use of the hydrophone array system.

모델링된 수중음향 채널환경에서 SC-FDE와 OFDM 전송방식의 심볼오율 비교

황호선,박규태,주재훈,신기철 한국융합신호처리학회 2018 융합신호처리학회 논문지 (JISPS) Vol.19 No.3

Underwater acoustic communication can be applied to various area such as scientific, commercial and military survey using Autonomous Underwater Vehicles and Unmanned Underwater Vehicles. Underwater communication is studying very actively by advanced country like United States. But differ from wireless communication in the air, underwater acoustic communication has some difficult problems, ISI(Inter Symbol Interference) due to multipath and limit of transmission bandwidth due to slow propagation of sound wave. In this paper, SC-FDE and OFDM transmission system for the cancellation of ISI in conjunction with underwater acoustic channel modeling are applied to the underwater simulation of communication. The performance of these methods in the simulation guide to possibility of adopting in underwater acoustic communication algorithm. For this purpose, we compare SER performance of SC-FDE with that of OFDM for modelled underwater channel. Underwater channel is generated by Bellhop model. Simulation results show above 5dB SNR gain at 10-3 SER. And it demonstrate SC-FDE is efficient method for underwater acoustic communication 수중음향통신은 자원 및 지질탐사, 무인잠수정을 이용한 수중탐지 등 산업, 과학, 군사 분야에 다양하게 이용될 수 있으며 최근 들어 미국을 비롯한 선진국을 중심으로 활발하게 연구되고 있다. 그러나 수중음향통신은 지상에서의 무선통신과 달리, 느린 음파 전달속도로 인한 전송대역의 제한과 다중경로에 의한 심볼간 간섭과 이로 인한 심각한 신호왜곡 등의 치명적인 문제점을 갖는다. 본 논문에서는 이러한 문제점 중, 다중경로에 의한 심볼간 간섭을 제거하기 위한 방법으로 단일반송파 전송방식을 사용하는 주파수영역등화(FDE) 기법과 다중반송파 전송방식을 사용하는 직교주파수분할다중화 기법(OFDM)을 수중음향통신 채널에 적용하여 그 성능과 수중통신에서의 적용성 여부를 판단하였다. 이를 위해 모의된 수중채널을 바탕으로, SC-FDE와 OFDM 방식의 성능을 SER 관점에서 비교하였다. 수중채널은 벨홉모델을 이용하여 모의하였으며, 모의실험 결과, SC-FDE는 OFDM에 비해 10-3 SER 기점을 기준으로 약 5dB 이상의 SNR 이득이 발생하였다. 모의실험 결과를 통해, SC-FDE가 수중 음향통신에 효율적 으로 적용 가능한 시스템임을 보였다.

수온약층이 존재하는 천해역에서 단기간 음속구조 변화에 따른 음향 신호 전달 변동에 관한 연구

정동영,김시문,변성훈,임용곤,Jeong, Dong-Yeong,Kim, Sea-Moon,Byun, Sung-Hoon,Lim, Yong-Kon 한국음향학회 2015 韓國音響學會誌 Vol.34 No.1

수중음향 전달채널의 임펄스 응답(Channel Impulse Response: CIR)은 음속구조(Sound Speed Profile: SSP)의 영향을 받으며, 채널 임펄스 응답의 변화는 수중음향통신 시스템의 성능에 중요한 영향을 미친다. 음속분포의 변화는 단기간 내에서도 나타날 수 있으며, 수중음향 모뎀 설계 시 반드시 고려되어야 한다. 이 논문은 2013년도에 제주도 동방해역에서 수행된 JACE13에서 취득된 데이터를 기반으로 음선전달 수치해석을 통해 단기간 동안 시간에 따라 변화하는 음속구조가 음향 신호 전달에 미치는 영향을 통계적으로 분석한 결과를 제시한다. 분석결과 송 수신기 수심별로 채널 임펄스 응답의 변화가 다양하게 나타나며, 송 수신기 수심이 깊을수록 음속구조의 변동에 따른 음향신호 전달 양상의 변화는 작아지고, 신호 준위가 높게 나타난다. 이 연구에서의 다양한 거리, 송, 수신기 수심에 따라 얻어진 채널 임펄스 응답 추정 결과는 수온약층에서의 하방굴절로 인한 연속된 해저면 반사와 작은 해저면 반사손실이 장거리 신호 전파에 중요한 요인이 될 수 있음을 보여주며, 시변동성을 갖는 해양환경에서의 수중 음향 통신은 시간에 따라서 성능이 충분히 달라질 수 있다는 것을 보여준다. Underwater acoustic channel impulse responses (CIR) are influenced by sound speed profile (SSP), and the variation of CIR has significant effects on the performance of underwater acoustic communication systems. A significant change of SSP can occur within a short period, which must be considered during the design of underwater acoustic modems. This paper statistically analyzes the effect of the variation of SSP on the long-range acoustic signal propagation in shallow-water with thermocline using numerical modeling based on the data acquired from JACE13 experiment near Jeju island. The analysis result shows that CIR changes variously according to the SSP and the depth of the transmitter and receiver. We also found that when the transmitter and receiver are deeper, the variation of sound wave propagation pattern is smaller and signal level becomes higher. All CIR obtained in this study show that a series of bottom reflections due to downward refraction and small bottom loss in the shallow water with thermocline can be very important factor for long-range signal transmission and the performance of underwater acoustic communication system in time varying ocean environment can be very sensitive to the variation of SSP even for a short period of time.

해양생태계 모니터링 및 관리를 위한 수중음향 기법과 응용 사례

이종찬,이창래 한국수로학회 2023 한국수로학회지 Vol.12 No.2

수중음향은 전자기파에 비해 전파 손실이 낮아 물속에서 먼 거리를 전파하게 되는 이점이 있어 해양조사 방법론 중 하나로 연구에 활용되고 있다. 해양에서 다양한 생물음향, 지리음향, 인공음향으로 나타나는 소리경관을 연구하는 수동 음향 분야는 생물다양성이나 소음 복잡도 등을 다루는 음향 지수화를 이용한 생태 연구나 신호 탐지 및 분류를 통해 해양 포유류의 분포, 강수 현상과 같은 기상 현상 탐지, 환경 모니터링 등에 대한 연구가 수행되고 있다. 그리고, 능동 음향은 어군 탐지, 수심 측량 등에 활용되고 있으며, 퇴적층에 존재하는 가스량 조사 등 다양한 연구가 진행되고 있다. 본 논문에서는 해외 선진국의 해양 관련 기관 중심 사례를 바탕으로 국내 해양포유류 생태계 모니터링 및 보전관리 측면에서 수중음향 활용한 발전 가능성을 고찰하고자 한다. Underwater acoustics, exhibiting lower propagation loss compared to electromagnetic waves, facilitates extensive underwater transmission. In the field of passive acoustics to study the soundscape exhibited through biophony, geophony, and anthrophony. Passive acoustic research includes the use of acoustic indices for ecological studies addressing biodiversity and noise complexity, as well as signal detection and classification for understanding the distribution of marine mammals, detecting meteorological phenomena such as rainfall, and environmental monitoring. Active acoustics, on the other hand, are used for purposes such as fish school detection, bathymetry measurement and assessment of gas quantities in sediment layers. In this paper, we will examine the development potential of utilizing underwater acoustics in terms of monitoring and conservation management of domestic marine mammal ecosystems, based on cases centered on marine-related institutions in developed countries.

수중기지국 기반 수중통신망을 이용한 해양오염 모니터링 시스템 개발

정태건,고학림,임태호 한국통신학회 2022 韓國通信學會論文誌 Vol.47 No.8

Recently, as research on underwater communication has been actively conducted, research on a technology for transmitting underwater environmental sensor data using underwater communication is being actively conducted. In this paper, the installation started on August 23rd at the Gwangalli coast in Busan in August 2021, the experiment was conducted for 5 days, and the experiment was finished on the morning of the 28th. After collecting the underwater pollution (radiation sensor) and water temperature data collected in the real sea area, the marine pollution sensor (underwater radiation) and water temperature data measured at 10-minute intervals through underwater communication with a sea buoy, and then underwater through the sea-land communication modem It was confirmed that the communication data was transmitted with a success rate of 74% by transmitting it to AWS, and it was possible to stably transmit it through underwater, sea, and land in real waters. It was possible to stably transmit marine pollution and water temperature information to the land server through multiple communication networks (LTE Cat.M1, LTE router, satellite) through optimal switching according to the marine communication environment. By connecting the pollution sensor data to a PC and a smartphone through the Amazon Web server on land, the data can be checked in real time, and an underwater monitoring system that can provide text notification service according to the pollution level has been established. 최근 수중통신에 대한 연구가 활발히 이루어지면서 수중통신을 활용한 수중 환경센서 데이터를 전송 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 논문에서는 2021년 8월 부산 광안리 해안에서 8월23일에 설치를 시작해 5일간실험을 진행후, 28일 오전에 실험을 종료하였다. 실해역에서 수집된 수중 오염(방사능센서) 및 수온데이터를 수중통신을 통해 10분 주기로 측정된 해양오염센서(수중방사선) 및 수온데이터를 해상 부이로 수집후, 해상-육상 통신모뎀을 통해 수중통신 데이터를 AWS까지 전송을 통해 74%의 성공률로 전송됨을 확인했으며, 실해역에서 수중- 해상-육상 통해 안정적으로 전송이 가능했다. 해양오염, 수온 정보를 안정적으로 육상서버에 다중통신망(LTE Cat.M1, LTE라우터, 위성)을 통해 해상 통신 환경에 따라 최적 스위칭을 통해 육상으로 안정적으로 전송이 가능했으며, 이를 바탕으로 실시간으로 수중오염센서 데이터를 육상의 아마존 Web 서버를 통해 PC와 스마트폰으로접속하여 실시간으로 데이터를 확인 가능하며, 오염도에 따른 문자 알림서비스가 가능한 수중 모니터링시스템을구축하였다.

동해 해역에서 측정된 해상실험 데이터 기반의 수중음향 불확정성 추정 및 소나 탐지확률 예측

이대혁,양원준,김지섭,설호석,최지웅,손수욱 한국음향학회 2024 韓國音響學會誌 Vol.43 No.3

소나 탐지확률을 계산하는 경우, 수중음향 불확정성은 표준편차가 8 dB ~ 9 dB인 정규분포를 따르는 것으로고려되고 있다. 하지만, 소나 탐지성능은 실험해역, 해양환경 변동성에 따라 크게 변화하기 때문에 해상실험 데이터기반의 수중음향 불확정성을 반영한 탐지성능 예측이 필요하다. 본 논문에서는 동해 천해환경에서 측정된 중주파수(2.3 kHz, 3 kHz) 소음준위와 전달손실 자료 기반의 수중음향 불확정성이 산출되었다. 해상실험 데이터 기반의 수중음향 불확정성을 반영한 예상탐지확률을 산출한 후, 이를 기존의 탐지확률 결과, 레일리 분포의 불확정성과 음으로 치우친 분포의 불확정성을 반영한 예상탐지확률 결과와 비교하였다. 결과적으로 각각의 수중음향 불확정성에 따라 탐지영역의 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. When calculating sonar detection probability, underwater acoustic uncertainty is assumed to be normal distributed with a standard deviation of 8 dB to 9 dB. However, due to the variability in experimental areas and ocean environmental conditions, predicting detection performance requires accounting for underwater acoustic uncertainty based on ocean experimental data. In this study, underwater acoustic uncertainty was determined using measured mid-frequency (2.3 kHz, 3 kHz) noise level and transmission loss data collected in the shallow water of the East Sea. After calculating the predictable probability of detection reflecting underwater acoustic uncertainty based on ocean experimental data, we compared it with the conventional detection probability results, as well as the predictable probability of detection results considering the uncertainty of the Rayleigh distribution and a negatively skewed distribution. As a result, we confirmed that differences in the detection area occur depending on each underwater acoustic uncertainty.

수중 음향 센서를 사용한 지중 음향 신호의 측정

장순석,박종안,이강현 조선대학교 생산기술연구소 1997 生産技術硏究 Vol.19 No.1

지중 음향학은 지중 발생 소음 감지에 응용될 수 있다. 수중 음향학과는 달리 지중 음향 소음에 대한 실험적 측정이 현재 많이 보고되지 않고 있다. 가까운 장래에 지중 음향학 분야에서의 연구 활동에 대한 요구가 더 많아 질 것으로 예상된다. 이는 지중 개발의 무한한 잠재력 때문이다. 이 논문은 지중 음향 소음에 대한 실험 방법의 과정과 실험적 측정의 결과를 보여준다. 15cm 직경, 60M 깊이의 관정 밑바닥 주변과 지표면에서의 전위 차이로 인해 발생하는 60 Hz 접지 잡음의 감지가 필연적임을 관찰하였다. 수중 음향 쎈서가 관정 안에 놓여지는 까닭에 이 같은 전위차 접지 잡음이 야기되고 있으며, 이 문제점에 대한 해결 방안을 제시하였다. 지표면에서의 충격에 따른 수중 음향 쎈서의 감지를 정량적으로 측정, 분석하였다. Underground acoustics could be applide for the detection of the underground noise. Unlike underwater acoustics, experimental measurements of underground acoustical noise are not much published at present. In the near future, it is clearly expected that there would be more requirements for research activity in the area of underground acoustics. It is because of the infinite potential of underground development. This paper presents the results of experimental measurements of underground acoustical noise. The procedure of experimental methods is described in detail. It was observed that 60 Hz ground noise was certainly detected because of the electrical potential difference between the earth surface and the bottom of a 60 M deep water-filled tunnel of 15 em diameter. Since a hydrophone is located inside the water-filled tunnel for acoustic sensing, such a ground noise of potential difference is induced. A solution of the problem is suggested. The detection of the surface shock is carried out by the hydrophone with some quantitative analysis.