동해 남서해역에서 해양음향 토모그래피 운용에 의한 해양탐사 가능성

Feasibility of Ocean Survey by using Ocean Acoustic Tomography in southwestern part of the East Sea

해수내에서 수중음파의 전파경로 및 도달시간은 해수의 물리적 성질에 의해 커다란 영향을 받는다. 최근의 해양탐사 방법의 하나인 해양음향 토모그래피는 음원과 수신기 사이의 음파 도달시간 차이로부터 해수의 물리적 특성(주로 음속, 수온, 해류변동)을 파악하는 방법이다. 해양음향 토모그래피에 의한 해양탐사를 수행하기 위해서는 비균질 매질에서의 음파전파 모델을 이용하여 매질변동에 따른 음파의 전파경로 및 도달시간 등의 파악이 우선이다. 또한 수신신호는 음파 전파경로의 식별, 매질변동에 따른 수신신호의 안정성, 그리고 주위잡음과 음원신호를 구별하기 위한 분해능 등을 만족하여야 한다. 본 연구에서는 동해에서 해양음향 토모그래피에 의한 해양탐사의 가능성을 검토하기 위하여 기존의 관측자료로부터 표준해양을 설정하여 음파의 도달시간 및 전파경로의 기준으로 정하였다. 동해의 표준해양의 특성은 표층의 음속이 약 1523 m/s이고 최소음속층인 400 m층의 음속이 약 1458 m/s이다. 동해 의 수중음속 변동은 직경 100 km 이상인 중규모 난수성 소용돌이 출현으로 인하여 매우 심한데 수심 200 m 정도까지 확장하여 존재한다. 음원과 수신기의 수심을 최소음속층보다 약간 상층인 350 m수심에 두고 수평거리가 200 km떨어진 표준해양과 소용돌이 음속구조에 대한 음파 전파특성을 파악하였다. 사용된 모델은 음선이론에 근거한 비균질매질에서의 음파전파 모델이며, 이를 이용하여 eigenray 정보를 산출하였으며, 중심주파수가 400 Hz, 주파수폭이 16 Hz, 펄스 길이가 64 ms인 LFM 펄스를 가진 가상적인 음원신호를 설정하여 수신신호를 모의하였다. 수신신호 모의 결과와 수치모델에 의한 동해에서의 음파 전파특성 결과는 해양음향 토모그래피 운용을 위한 필수적인 음파 전파경로의 식별, 매질변동에 따른 안정성, 그리고 주위잡음과 음원신호의 구별을 위한 분해능을 만족한다.

The ray paths and travel times of sound wave in the ocean depend on the physical properties of the propagating media. Ocean Acoustic Tomography(OAT), which is inversely estimate the travel time variations between fixed sources and receivers the physical properties of the corresponding media can he understood. To apply ocean survey technology by using the OAT, the tomographic procedure requires forward problem that variation of the travel times be identified with the variability of the medium. Also, received signals must be satisfied the necessary conditions of ray path stability, identification and resolution in order for OAT to work. The canonical ocean has been determined based on the historical data and its travel time and ray path are used as reference values. The sound speed of canonical ocean in the East Sea is about 1523 m/s at the surface and 1458 m/s at the sound channel axis(400m). Sound speeds in the East Sea are perturbed by warm eddy whose horizontal extension is more than 100 km with deeper than 200 m in depth scale. In this study, an acoustic source and receiver are placed at the depth above the sound channel axis, 350 m, and are separated by 200 km range. Ray paths are identified by the ray theory methed in a range dependent medium whose sound speeds are functions of a range and depth. The eigenray information obtained from interpolation between the rays bracketing the receiver are used to simulate the received signal by convolution of source signal with the eigenray informations. The source signal is taken as a 400 Hz rectangular pulse signal, bandwidth is 16 Hz and pulse length is 64 ms. According to the analysis of the received signal and identified ray path by using numerical model of underwater sound propagation, simulated signals satisfy the necessary conditions of OAT, applied in the East Sea.