음향측심기
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1. 개요
음향측심기는 음파를 이용하여 수심을 측정하는 장치이다. 1913년 독일에서 최초로 개발되었으며, 초기에는 4kHz 정도의 음파를 사용했으나, 현재는 멀티 빔 음향 측심 기술과 수중 레이저를 사용하는 기종도 개발되었다. 음향측심기는 싱글 빔, 멀티 빔, 듀얼 주파수 등 다양한 유형으로 구분되며, 어업, 수로 측량, 해저 자원 탐사, 해양 환경 모니터링 등 광범위한 분야에서 활용된다. 특히, 수로 측량 분야에서는 국제수로기구(IHO)의 표준에 따라 정밀도와 정확도가 관리되며, 불확실성 예산을 통해 측량 시스템의 정확도를 평가한다.
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음향측심기 | |
---|---|
개요 | |
정의 | 수중에서 음파를 사용하여 물의 깊이를 측정하는 기술 |
사용 목적 | 해저 지형 매핑, 항해, 어군 탐지, 수심 측정 등 |
원리 | |
작동 원리 | 음파를 수중으로 전송 해저면 또는 물체에 부딪혀 반사되는 음파를 수신 음파의 왕복 시간을 측정하여 거리를 계산 |
장비 구성 | |
주요 구성 요소 | 송신기 (Transducer): 음파 발생 수신기 (Hydrophone): 반사된 음파 수신 신호 처리 장치: 시간 측정 및 거리 계산 |
추가 장비 | GPS: 위치 정보 기록 자세 센서: 선박의 움직임 보정 |
작동 방식 | |
측정 과정 | 송신기가 특정 주파수의 음파를 발생 음파가 해저면에 도달하여 반사 수신기가 반사된 음파를 감지 신호 처리 장치가 음파의 왕복 시간을 정확하게 측정 수심 = (음속 × 왕복 시간) / 2 공식으로 수심 계산 |
주파수 | |
사용 주파수 범위 | 저주파: 깊은 수심 측정에 적합 (수백 Hz ~ 수 kHz) 고주파: 얕은 수심 측정 및 정밀한 해저 지형 파악에 적합 (수십 kHz ~ 수백 kHz) |
오차 요인 | |
주요 오차 요인 | 음속 변화: 수온, 염분, 수압 변화에 따라 음속이 달라짐 선박의 움직임: 파도, 조류 등으로 인한 선박의 움직임 해저면의 경사: 음파 반사 각도에 영향 |
활용 분야 | |
해양 조사 | 해저 지형 매핑 해저 자원 탐사 해양 환경 모니터링 |
항해 | 수심 정보 제공 항로 안전 확보 |
어업 | 어군 탐지 어장 환경 파악 |
수로 측량 | 해도 제작 항만 관리 |
건설 | 해상 구조물 건설 해저 케이블 매설 |
기타 | |
관련 기술 | 측심 소나 음향학 |
2. 역사
알렉산더 벰이 1913년에 음향을 이용하는 측심기 특허를 취득한 이후, 음향측심기 기술은 꾸준히 발전해왔다. 초기에는 하나의 음파 빔만을 사용하는 싱글 빔 방식이었으나, 최근에는 여러 개의 음파 빔을 사용하는 멀티 빔 음향 측심기가 주류를 이루고 있다. 어군 탐지기와 작동 원리가 같아 겸용되는 경우가 많으며, 소형화되어 자율 무인 잠수정에 탑재되기도 한다. 침몰선 수색에 기본 장비로 활용되며, 전함 야마토나 타이타닉 등의 수색에 사용되었다.
2. 1. 초기 개발
알렉산더 벰은 1913년 7월 22일에 반향 측심 기술로 독일 특허 번호 282009를 획득했다.[1][2][3]제1차 세계 대전 초기, 프랑스에서는 핵물리학 연구로 잘 알려진 물리학자 폴 랑제뱅이 프랑스 해군 연구소에 채용되어 대잠수함 작전을 위한 능동형 소나(압전 송신기 사용) 연구를 수행했다. 그의 연구는 Chilowski, Florisson 및 Pierre Marti와 같은 다른 과학자 및 기술자들에 의해 개발 및 구현되었다. 1920년 초 툴롱과 영국 해협에서 성공적인 시험이 이루어졌고, 민간용으로 프랑스 특허를 받았다. 1920년대 중후반부터 해양학 선박과 프랑스 원양 어업 지원 선박에 Langevin-Florisson 및 Langevin Marti 기록 소나가 장착되었다.[4]
최초의 상업용 반향 측심 장치 중 하나는 페센덴 발진기를 사용하여 음파를 생성하는 Fessenden Fathometer였다. 이것은 1924년 Submarine Signal Company에 의해 처음 설치되었다.[5]
1931년, 일본에서는 일본전기에서 구일식 탐신기가 처음 개발되었다.[13]
2. 2. 기술 발전
알렉산더 벰이 1913년에 음향을 이용하는 측심기 특허를 취득한 이후, 음향측심기 기술은 꾸준히 발전해왔다.[12] 초기에는 페센덴 발진기를 사용하는 Fessenden Fathometer와 같은 상업용 반향 측심 장치가 개발되었다.[5] 일본전기는 1931년에 구일식 탐신기를 개발했다.[13]초기 음향측심기는 4kHz 정도의 음파를 선저에서 해저로 발사하여 반사되어 돌아오는 시간을 측정해 수심을 계산했다. 이 방식은 수온이나 염분 농도에 따라 음파의 전파 속도가 달라져 오차가 발생할 수 있었다.[14]
최근에는 수중 레이저를 사용하는 음향측심기도 등장하고 있다.[14] 또한, 한 개의 음파 빔만 사용하는 싱글 빔 음향측심기에서 벗어나, 부채꼴 모양의 음파 빔을 사용하는 멀티 빔 음향 측심기가 주류를 이루고 있다. 멀티 빔 음향측심기는 이차원적으로 해저를 주사하여 삼차원 영상을 얻을 수 있다.
어군 탐지기와 작동 원리가 같아 겸용되는 경우가 많으며, 소형 경량화되어 자율 무인 잠수정에 탑재되기도 한다. 침몰선 수색에 기본 장비로 활용되며, 전함 야마토나 타이타닉 등의 수색에 사용되었다.
3. 기술적 원리
음향측심기는 1913년 독일 물리학자 알렉산더 벰이 음향을 이용하는 측심기로 특허를 취득하면서 시작되었다.[12] 1931년에는 일본전기에서 구일식 탐신기를 개발하였다.[13]
일반적인 음향측심기는 4kHz 정도의 음파를 배 밑바닥에서 해저로 발사하여, 해저에서 반사되어 돌아오는 시간을 측정하여 수심을 계산한다. 수온이나 염분 농도에 따라 음파의 전파 속도가 달라지기 때문에 오차가 발생할 수 있다. 최근에는 수중 레이저를 사용하는 음향측심기도 개발되었다.[14]
초기에는 하나의 음파 빔만 사용하는 싱글 빔 음향측심기가 주로 사용되었으나, 최근에는 부채꼴 모양의 음파 빔을 사용하는 멀티 빔 음향 측심기가 주류를 이루고 있다. 멀티 빔 음향측심기는 음파 빔을 이차원적으로 주사하여 해저의 삼차원 영상을 얻을 수 있다. 어군 탐지기와 작동 원리가 같기 때문에 겸용되는 경우가 많으며, 소형 경량화되어 자율 무인 잠수정에 탑재되기도 한다. 침몰선 수색에도 기본적인 장비로 사용되어, 전함 야마토나 타이타닉 등의 수색에 활용되었다.
3. 1. 기본 원리
음향측심기는 음파를 해저로 보내 반사되어 돌아오는 시간을 측정하여 수심을 계산한다. 이때 거리는 신호 발신에서 반사 펄스가 돌아올 때까지 걸린 시간의 절반에 물 속 음속(대략 초당 1.5킬로미터)을 곱하여 구한다. 물속 음속은 온도, 압력, 염분에 따라 약간씩 달라지므로, 해도 작성과 같이 정밀한 음향 측심을 할 때에는 음속 프로브를 물속에 넣어 음속을 측정해야 한다.[6] 음향 측심은 바닥을 찾기 위해 사용되는 소나의 특수한 경우이다. 수심을 나타내는 역사적인 단위가 패덤이었기 때문에 수심 측정 장치를 '''패도미터'''라고 부르기도 한다.
대부분의 해도에 표시된 해저 수심은 평균 또는 표준 음속을 기준으로 한다. 더 높은 정확도가 필요한 경우에는 해양 지역별로 평균 및 계절별 표준을 적용할 수 있다. 고정밀 수심 측정은 일반적으로 특수 목적 또는 과학 조사에 제한되며, 온도, 압력 및 염분을 측정하는 센서를 사용하여 해당 수주 내의 실제 음속을 보다 정확하게 추정한다. 이러한 기술은 미국 해안 측량국에서 미국 연안 수역의 항해 측량에 사용하기도 한다.[6]
3. 2. 음속 프로파일
수심은 신호 발신에서 반사 신호 수신까지 걸린 시간의 절반에 물 속 음속(대략 초당 1.5킬로미터)을 곱하여 측정한다. 물 속 음속은 온도, 압력, 염분에 따라 약간씩 달라지므로, 해도 작성과 같이 정밀한 음향 측심을 적용할 때에는 수중에 음속 프로브를 배치하여 음속을 측정해야 한다.[6] 음향 측심은 바닥을 탐지하는 소나의 특수한 응용 사례이다. 수심의 역사적인 SI 이전 단위가 패덤이었기 때문에, 수심 측정 장치를 '''패도미터'''라고 부르기도 한다.
대부분의 해도에 표시된 해저 수심은 평균 또는 표준 음속을 기준으로 한다. 더 높은 정확도가 필요한 경우에는 해양 지역별 평균 및 계절별 표준 음속을 적용할 수 있다. 고정밀 수심 측정은 일반적으로 특수 목적 또는 과학 조사에 제한되며, 온도, 압력, 염분 센서를 물속에 넣어 실제 음속을 더 정확하게 추정한다. 이 기술은 미국 해안 측량국에서 미국 연안 수역의 항해 측량에 자주 사용한다.[6]
4. 유형
음향측심기는 음파를 이용하여 수심을 측정하는 장비로, 1913년 독일의 물리학자 알렉산더 뵘이 특허를 취득했다.[12] 1931년 일본 일본전기에서 구일식 탐신기를 개발했다.[13]
음향측심기는 4kHz 정도의 음파를 해저로 보내 반사되어 돌아오는 시간을 측정하여 수심을 계산한다. 수온, 염분 농도에 따라 음파 전파 속도가 달라져 오차가 발생할 수 있으며, 최근에는 수중 레이저를 사용하는 기종도 있다.[14]
초기에는 싱글 빔 음향측심기가 주로 사용되었으나, 최근에는 멀티 빔 음향 측심기가 널리 사용된다.
4. 1. 싱글 빔 음향 측심기

단일 빔 음향측심기는 가장 단순하고 기본적인 형태의 수중 음파 탐지기 중 하나이다. 보트 업계에서 널리 사용되며 다양한 해양 로봇 차량에도 사용된다. 이 장치는 변환기를 사용하여 물을 통해 펄스를 방출하고 반향을 수신하여 작동한다. 이 데이터를 사용하여 가장 강한 반향, 즉 해저, 콘크리트 구조물 또는 기타 더 큰 장애물까지의 거리를 결정할 수 있다.[7] 어군 탐지기는 레크리에이션 및 상업 어부 모두가 사용하는 음향 측심 장치이다.
4. 2. 멀티 빔 음향 측심기
고전적인 음향측심기는 한 개의 음파 빔만을 사용하는 싱글 빔 음향측심기였으나, 최근에는 부채꼴 모양의 음파 빔을 사용하여 해저의 삼차원 영상을 얻는 멀티 빔 음향 측심기가 주류가 되었다.[14] 멀티 빔 음향 측심기는 어군 탐지기와 작동 원리가 같기 때문에 겸용되는 경우도 많고, 소형 경량화되어 자율 무인 잠수정에도 탑재된다. 침몰선 수색에서 기본 장비로, 전함 야마토나 타이타닉 등의 수색에 사용되었다.[14]4. 3. 듀얼 주파수 음향 측심기

대부분의 수로 측량 음향 측심기는 듀얼 주파수 음향 측심기인데, 이는 저주파 펄스(일반적으로 약 24kHz)와 고주파 펄스(일반적으로 약 200kHz)를 동시에 전송할 수 있음을 의미한다. 두 주파수는 개별적이므로 두 반사 신호는 일반적으로 서로 간섭하지 않는다. 듀얼 주파수 음향 측심은 암반층 위에 있는 식생층 또는 연성 진흙층을 식별하는 기능을 포함하여 많은 장점을 가지고 있다.[1]

5. 활용 분야
음향측심기는 1913년 독일의 물리학자 알렉산더 뵘이 특허를 취득했고,[12] 일본에서는 1931년에 일본전기에 의해 구일식 탐신기가 처음 개발되었다.[13] 음향측심기는 해저 지형, 수중 물체, 어군 등을 탐지하는 데 사용되며, 다음과 같은 분야에서 활용된다.
- 항해 지원: 선박의 안전 운항을 위해 수심을 측정하고 해저 지형 정보를 제공한다.
- 어업: 물고기 떼의 위치와 크기를 파악하여 어획량을 늘린다.
- 수로 측량: 해저 지형도를 제작하고, 항만 건설, 해저 케이블 설치 등 해양 개발 사업에 활용된다.
- 해양 환경 모니터링: 해양 생태계 및 해저 지형 변동을 감시하고, 기후 변화 연구 및 해양 보존 활동에 활용된다.
최근에는 멀티 빔 음향 측심 기술이 발전하면서 해저의 3차원 영상을 얻을 수 있게 되었고, 자율 무인 잠수정에 탑재되어 침몰선 수색 등에도 활용되고 있다.
5. 1. 항해 지원
대형 선박은 대부분 간단한 음향측심기를 갖추고 있어 어업에 흔히 사용된다. 고도 변화는 종종 물고기가 모이는 곳을 나타내며, 물고기 떼도 감지할 수 있다.[8]음향측심기에서는 4kHz 정도의 음파를 선박 아래에서 해저를 향해 보내고, 해저에서 반사되어 돌아올 때까지의 시간으로 수심을 계산한다. 수온이나 염분 농도에 따라 음파의 전파 특성에 영향이 있어 오차가 발생할 수 있다. 최근에는 수중 레이저를 사용하는 기종도 있다.[14]
고전적인 음향측심기는 한 개의 음파 빔만을 사용하는 싱글 빔 음향측심기인 반면, 최근에는 부채꼴 모양의 음파 빔을 사용한 멀티 빔 음향 측심기가 주류가 되어, 이차원적으로 주사함으로써 해저의 삼차원 영상을 얻을 수 있다. 어군 탐지기와 작동 원리가 같기 때문에 겸용되는 경우도 많고, 소형 경량화되어 자율 무인 잠수정에도 탑재되는 예도 있다. 침몰선 수색에서는 기본 장비로, 전함 야마토, 타이타닉 등의 수색에 사용되어 왔다.
5. 2. 어업
음향측심기는 어업에 흔히 사용된다. 해저 지형의 고도 변화는 종종 물고기가 모이는 곳을 나타내기 때문이다. 음향측심기를 통해 물고기 떼도 감지할 수 있다.[8]5. 3. 수로 측량
정밀 수심측량이 필요한 곳에서는 수로 측량 작업에 정밀 음향 측심기를 사용할 수 있다. 이러한 시스템을 평가할 때는 다음 사항들을 고려해야 한다.[6]
- 수직 정확도
- 해상도
- 송수신 빔의 음향 빔 폭
- 변환기의 음향 주파수
대부분의 수로 측량 음향 측심기는 듀얼 주파수 음향 측심기이다. 이는 저주파 펄스(일반적으로 약 24kHz)와 고주파 펄스(일반적으로 약 200kHz)를 동시에 전송할 수 있음을 의미한다. 두 주파수는 개별적이어서 두 반사 신호는 일반적으로 서로 간섭하지 않는다. 듀얼 주파수 음향 측심기는 암반층 위에 있는 식생층 또는 연성 진흙층을 식별하는 기능을 포함하여 많은 장점을 가지고 있다.
대부분의 수로 측량 작업에서는 수심 100m까지의 연안 작업에 적합한 200kHz 변환기를 사용한다. 더 깊은 수심에서는 저주파 음향 신호가 수주 내에서 감쇠될 가능성이 적기 때문에 더 낮은 주파수 변환기가 필요하다. 심해 측심에 일반적으로 사용되는 주파수는 33kHz 및 24kHz이다.
변환기의 빔 폭도 수로 측량사가 고려해야 할 사항이며, 수집된 데이터의 최상의 센서 해상도를 얻으려면 좁은 빔 폭이 선호된다. 작동 주파수가 높을수록 빔 폭은 좁아진다. 따라서 멀리 떨어진 해저에 도달하면 음향 펄스의 결과적인 면적이 매우 커질 수 있으므로, 특히 심해에서 측심할 때 중요하다.
멀티 스펙트럼 멀티 빔 음향 측심기는 듀얼 주파수 수직 빔 음향 측심기의 확장으로, 두 개의 다른 주파수에서 소나 바로 아래의 두 개의 측심을 측정하는 것 외에도 여러 다른 경사각과 해저의 여러 다른 위치에서 여러 주파수에서 여러 측심을 측정한다. 이러한 시스템은 멀티 빔 음향 측심기 섹션에서 자세히 설명한다.
5. 4. 해양 환경 모니터링
음향측심기는 해양 생태계 변화, 해저 지형 변동 등을 모니터링하는 데 사용된다. 특히, 기후 변화 연구 및 해양 보존 활동에 활용된다.최근에는 수중 레이저를 사용하는 기종도 있으며,[14] 부채꼴 모양의 음파 빔을 사용한 멀티 빔 음향 측심기가 주류를 이루어 해저의 3차원 영상을 얻을 수 있다. 어군 탐지기와 작동 원리가 같아 겸용되기도 하며, 소형 경량화되어 자율 무인 잠수정에 탑재되기도 한다. 침몰선 수색에 기본 장비로 사용되며, 전함 야마토나 타이타닉 등의 수색에 사용되었다.
6. 수로 측량 표준
정밀 수심측량이 필요한 지역에서는 수로 측량 작업에 정밀 음향 측심기를 사용할 수 있다. 이러한 시스템을 평가할 때 수직 정확도, 해상도, 송수신 빔의 음향 빔 폭 및 변환기의 음향 주파수 등 많은 고려 사항이 있다.[9]
대부분의 수로 측량 음향 측심기는 듀얼 주파수 음향 측심기이며, 이는 저주파 펄스(일반적으로 약 24 kHz)와 고주파 펄스(일반적으로 약 200 kHz)를 동시에 전송할 수 있음을 의미한다. 두 주파수는 개별적이기 때문에 두 반사 신호는 일반적으로 서로 간섭하지 않는다. 듀얼 주파수 음향 측심은 암반층 위에 있는 식생층 또는 연성 진흙층을 식별하는 기능을 포함하여 많은 장점을 가지고 있다.
대부분의 수로 측량 작업에서는 수심 100미터까지의 연안 작업에 적합한 200 kHz 변환기를 사용한다. 더 깊은 수심에서는 저주파 음향 신호가 수주 내에서 감쇠될 가능성이 적기 때문에 더 낮은 주파수 변환기가 필요하다. 심해 측심에 일반적으로 사용되는 주파수는 33 kHz 및 24 kHz이다.
변환기의 빔 폭도 수로 측량사가 고려해야 할 사항이며, 수집된 데이터의 최상의 센서 해상도를 얻으려면 좁은 빔 폭이 선호된다. 작동 주파수가 높을수록 빔 폭은 좁아진다. 따라서 멀리 떨어진 해저에 도달하면 음향 펄스의 결과적인 면적이 매우 커질 수 있으므로, 특히 심해에서 측심할 때 중요하다.
멀티 스펙트럼 멀티 빔 음향 측심기는 듀얼 주파수 수직 빔 음향 측심기의 확장으로, 두 개의 다른 주파수에서 소나 바로 아래의 두 개의 측심을 측정하는 것 외에도 여러 다른 경사각과 해저의 여러 다른 위치에서 여러 주파수에서 여러 측심을 측정한다.
6. 1. IHO 표준
음향측심기의 정밀도와 정확도는 국제수로기구(IHO)의 IHO 표준 측량 요구 사항에 따라 정의된다.[9] 이 값들은 IHO 간행물 S44에 포함되어 있다.이러한 표준을 충족하기 위해 측량사는 음향측심기 및 변환기의 수직 및 수평 정확도뿐만 아니라 전체 측량 시스템을 고려해야 한다. 특히, 선박이 수면에서 경험하는 움직임에 대한 측심 값을 줄이기 위해 히브 성분(단일 빔 음향측심)인 모션 센서가 사용될 수 있다. 각 센서의 모든 불확실성이 확립되면 수로학자는 측량 시스템이 IHO에서 규정한 요구 사항을 충족하는지 결정하기 위해 불확실성 예산을 생성한다.
각 수로 기관은 측량사가 필요한 표준을 충족하도록 안내하기 위해 자체적인 현장 절차와 매뉴얼을 갖추고 있다. 두 가지 예로는 미국 육군 공병대 간행물 EM110-2-1003[10]과 NOAA의 '현장 절차 매뉴얼'[11]이 있다.
6. 2. 불확실성 예산
국제수로기구(IHO)는 음향측심기의 정밀도와 정확도를 IHO 표준 측량 요구 사항에 따라 정의한다.[9] 이 값들은 IHO 간행물 S44에 포함되어 있다.이러한 표준을 충족하려면 측량사는 음향측심기와 변환기의 수직 및 수평 정확도뿐만 아니라 전체 측량 시스템을 고려해야 한다. 특히, 선박이 수면에서 경험하는 움직임에 대한 측심 값을 줄이기 위해 히브 성분(단일 빔 음향측심)인 모션 센서가 사용될 수 있다. 각 센서의 불확실성이 모두 확립되면, 수로학자는 측량 시스템이 IHO에서 규정한 요구 사항을 충족하는지 결정하기 위해 불확실성 예산을 생성한다.
각 수로 기관은 측량사가 필요한 표준을 충족하도록 안내하기 위해 자체적인 현장 절차와 매뉴얼을 갖추고 있다. 두 가지 예로는 미국 육군 공병대 간행물 EM110-2-1003[10]과 NOAA의 '현장 절차 매뉴얼'[11]이 있다.
6. 3. 국가별 현장 절차
대부분의 수로 측량 작업에서는 수심 100미터까지의 연안 작업에 적합한 200kHz 변환기를 사용한다. 더 깊은 수심에서는 저주파 음향 신호가 수주 내에서 감쇠될 가능성이 적기 때문에 더 낮은 주파수 변환기가 필요하다. 심해 측심에 일반적으로 사용되는 주파수는 33kHz 및 24kHz이다.[9]음향측심기의 정밀도와 정확도는 국제수로기구(IHO)의 IHO 표준 측량 요구 사항에 따라 정의된다. 이러한 표준을 충족하기 위해 측량사는 음향측심기 및 변환기의 수직 및 수평 정확도뿐만 아니라 전체 측량 시스템을 고려해야 한다. 특히, 선박이 수면에서 경험하는 움직임에 대한 측심 값을 줄이기 위해 히브 성분(단일 빔 음향측심)인 모션 센서가 사용될 수 있다. 각 센서의 모든 불확실성이 확립되면, 수로학자는 측량 시스템이 IHO에서 규정한 요구 사항을 충족하는지 결정하기 위해 불확실성 예산을 생성한다.
각 수로 기관은 측량사가 필요한 표준을 충족하도록 안내하기 위해 자체적인 현장 절차와 매뉴얼을 갖추고 있다. 두 가지 예로는 미국 육군 공병대 간행물 EM110-2-1003[10]과 NOAA의 '현장 절차 매뉴얼'[11]이 있다.
참조
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Fessenden Fathometer amplifier - Submarine Signal Company
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https://bluerobotics[...]
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http://fischfinder-e[...]
2017-02-16
[9]
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논문
"水中レーザー・GPS を用いた大水深測深システムの研究開発."
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