高周波 海底面 反射損失의 周波數 從屬性

국문 초록 (Abstract)

수층과 사질 퇴적층이 이루는 경계면이 평탄할지라도 고주파수 (30 ~ 120 kHz) 음파의 반사손실은 퇴적물의 입도와 입사파의 파장에 따라 거친 경계면에서의 반사 효과를 갖게 된다. 거친 경계면의 해저면 반사손실은 코히어런트 성분 (coherent component)과 인코히어런트 성분 (incoherent component)으로 구성된다. 경계면의 거칠기를 나타내는 RMS 높이 (RMS height)를 퇴적물의 입도분포 (grain size distribution)로써 표현할 시 인코히어런트 성분은 매우 작은 값을 가지므로 무시 가능하며 코히어런트 성분만으로도 해저면 반사손실을 표현할 수 있다. 그리고 경계면 거칠기 영향은 음향학적 거칠기 (acoustical roughness, )로 표현하며 사질 퇴적물의 경우 이고 주파수에 따른 종속성을 가진다. 따라서 입도분포에 따른 반사손실의 편차 (deviation)와 주파수에 따른 종속성을 포함하는 개선된 해저면 반사손실 모델 (HYBRL 모델, Hanyang University Bottom Reflection Loss model)을 제안한다. 그리고 HYBRL 모델의 결과는 수조실험 및 해상실험을 통해 검증하였다.
수조실험은 실제 해양과 유사한 환경을 조성하여 실험하기 위해 555 m 크기의 수조 바닥에 0.5 m 두께의 사질 퇴적물을 채웠다. 퇴적물의 실제 해양 상태와 유사성 여부를 입도분석 및 음속측정 등으로 확인하였다. 경계면으로부터 반사손실은 수평입사각 25 ~ 90 까지 주파수 40 ~ 120 kHz 대역에서 측정하였다. 그 결과 주파수 70 kHz 이상에서 기존의 모델 결과와는 달리 주파수 종속성 및 입도분포와 유사한 편차를 확인하였다. 실제로 경계면의 거칠기 영향과 완전 평면에서의 반사손실을 비교하기 위해 유리면 (glass interface)에 대한 실험도 병행하여 실시하였으며 결과를 비교하였다.
또한 수조실험에서는 샘플 시료를 채집하여 수 백 kHz에서 수 MHz의 주파수를 사용하여 실험실에서 음속측정 후 얻고자 하는 주파수 대역의 음속으로 환산하는 기존의 퇴적물 음속측정 방법과 달리 실제 소나에서 운용하는 주파수 대역인 30 kHz의 주파수를 사용하여 다양한 퇴적물에 대한 음속을 측정하였다. 역질 (gravel), 사질 (sand), 니질 (mud)을 혼합한 형태와 사질, 니질 등의 7가지 경우에 대한 퇴적물의 음속비 (sound velocity ratio)와 함수율 (water content)을 측정하였으며 Hamilton and Bachman (1982)과 APL-UW (1994)의 모델 예측치와 비교하였다. 그 결과 음속비와 함수율은 모델 예측치와 유사한 경향을 보였으며 이것은 수조실험 환경이 실제 해양과 유사함을 보여주는 것이다.
HYBRL 모델 결과와 수조실험을 통해 확인된 사질 퇴적물에서의 주파수 종속성을 실제 해양에서 검증하기 위한 해상실험은 부경대학교 해양탐사선 탐양호를 이용하여 2003년 5월 19 ~ 24일 기간 중 남해 일대에서 실시하였다. 사질과 니질로 이루어진 6개 정점에 대해 피스톤 코어 (piston core)를 이용하여 입도를 분석하였으며 주파수 30, 50, 80, 100, 120 kHz를 동시에 송신할 수 있도록 자체 제작한 다중 주파수 송신 장치 (Equipment for Multi-Frequency Transmission, EMFT)를 이용하여 수직입사각 (normal incident)에 대한 해저면 반사손실을 측정하였다. 실험 결과 주파수에 따른 해저면 반사손실을 Robust와 최소 자승법 (least square method)을 사용하여 비교하였으며 니질 퇴적물과는 달리 사질 퇴적물에서는 주파수 증가에 따라 반사손실의 증가 현상을 확인할 수 있었다.
제시된 HYBRL 모델의 주파수 종속성은 고주파를 이용하여 해저면 구성물질의 분류 (bottom sediment classification) 및 해저 매장 물체 (buried object)를 탐색하기 위한 중요한 인자가 될 것이다. 또한 고주파를 사용하는 소나 시스템의 경우 해저면 구성 물질에 따른 주파수의 종속성 및 퇴적물의 입도분포에 의해 나타날 수 있는 편차를 반드시 고려해야 한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The High-frequency (30 ~ 120 kHz) bottom reflection loss at rough water-sediment interface is affected by the grain size distribution of the sediments. Bottom reflection loss at the rough interface consists of the coherent component and incoherent component. When the RMS height is indicated by the grain size distribution of the sediments, the incoherent component is negligible and the coherent component can only express the bottom reflection loss. The roughness of the bottom surface is represented by “acoustical roughness, ”. The grain size of sandy sediments is and the dependence as a function of frequency. We suggest the modified bottom reflection loss model, Hanyang University Bottom Reflection Loss model (HYBRL model) that include in the deviation of the reflection loss as a function of the grain size distribution and frequency dependence. And the results of the HYBRL model are verified by the laboratory (water tank) and field experiments.
Lab experiment, the water tank was filled with 0.5 m-thick-sandy sediments to make the condition similar to the real ocean. We measured the sound velocity and the grain size analysis of the sediment to make sure the similarity to the real ocean bottom. Reflection losses, which were experimentally obtained for grazing angles 25 ~ 90 and frequency ranges 40 ~ 120 kHz, were compared with the existing lossy Rayleigh reflection model results, that is, APL-UW model results. We find the frequency dependence over 70 kHz, which is not found in the existing model and similar deviation with the grain size distribution. And we did the experiment with a glass interface to compare the reflection loss on the perfect plane with that on the rough interface.
Another Lab experiment, we measure the sound velocity in the several different sediments using the frequency 30 kHz. That is different from the existing method of sound velocity measurement, which measures using from hundreds to thousands of frequencies in the laboratory after gathering the sample in the ocean and then converses the results on the frequency band that we want to get. For various seven sediments of gravel, sand, silt and mixed forms measured the sound velocity ratio and the water content, and then compared with the predictions from Hamilton & Bachman (1982) and APL-UW (1994). The measured sound velocity ratio and the water content seem to have a tendency to similarity to the model predictions. Therefore the laboratory environments are similar to the ocean’s.
In-situ experiment for the verification of the HYBRL model and the frequency dependence of sandy sediments is performed aboard the RV Tamyang of the Pukyong University during 19 to 24 May 2003 in the south sea. The grain size analysis is conducted for six sites using the piston core. The normal incident bottom reflection loss data are measured by the equipment for multi-frequency transmission (EMFT) – frequency 30, 50, 80, 100, 120 kHz – made of us. We fitted the results of bottom reflection loss measurement as a function of frequency using the Robust method and the least square method. Those results confirmed the increment of bottom reflection loss with frequency in sandy sediments.
The frequency dependence of the proposed HYBRL model is a important information for the bottom sediment classification and the detection of buried objects. And high-frequency sonar systems should consider the frequency dependence of sediment type and grain size distribution of sediments.

목차 (Table of Contents)

• 목 차 i
• List of Figures iii
• List of Tables vi
• 요 약 문 vii
• 제 1 장 서 론 1
• 1.1. 연구 배경 및 목적 1
• 1.2. 기존 연구의 분석 5
• 1.3. 연구 방법 및 내용 8
• 제 2 장 반사손실의 특성 11
• 2.1. 해저면 반사손실 이론 11
• 2.2. 거친 경계면에서의 반사손실 13
• 2.3. 해저면 반사손실 모델 고찰 22
• 2.4. HYBRL (Hanyang University Bottom Reflection Loss) 모델 29
• 제 3 장 실험 및 자료분석 32
• 3.1. 음속측정 32
• 3.2. 수조실험 37
• 3.3. 해상실험 41
• 3.4. 자료분석 45
• 제 4 장 실험 결과 및 토의 50
• 4.1. 음속측정 50
• 4.2. 수조실험 53
• 4.3. 해상실험 57
• 제 5 장 결 론 61
• 참 고 문 헌 64
• Abstract 67
• 감사의 글 69