KR20100137938A - 초음파 음향 센서를 이용한 유해 적조 탐지방법 - Google Patents

초음파 음향 센서를 이용한 유해 적조 탐지방법 Download PDF

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이형빈
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Abstract

본 발명은 초음파 음향센서를 이용한 유해 적조 탐지방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 초음파 음향 센서로부터 음향 신호가 발생되는 단계와, 음향 신호에 대한 반사된 수신신호를 수신하는 단계 및, 수신된 수신신호로부터 적조 발생 유무 및 적조의 세기가 측정되는 단계를 포함하는 초음파 음향 센서를 이용한 유해 적조 탐지방법에 관한 것이다. 나아가서, 본 발명은 적조 발생 유무 및 적조의 세기가 측정된 자료를 통신 시스템을 통하여 기지국 또는 해상의 수신기로 송신하는 단계를 포함하는 초음파 음향 센서를 이용한 유해 적조 탐지방법이 제공된다.
유해 적조, 초음파 음향 센서, 수신 신호, 플랑크톤

Description

초음파 음향 센서를 이용한 유해 적조 탐지방법{The method of detecting harmful red tide using ultrasonic sound sensor}
본 발명은 초음파 음향센서를 이용한 유해 적조 탐지방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 해상의 고정 부이(buoy) 또는 해상에서 이동할 수 있는 수단인 선박 등에 초음파 음향 센서를 설치하여 해상의 고정된 장소는 물론 해상에서 이동 중에도 초음파 음향 센서의 음향신호에 대한 반사된 수신신호를 측정함으로써, 유해 적조의 발생 유무 및 세기를 현장에서 탐지할 뿐 아니라, 관측된 자료를 통신 시스템을 통하여 기지국 또는 해상의 수신기로 송신하는 것을 포함하는 초음파 음향 센서를 이용한 유해 적조 탐지방법에 관한 것이다.
일반적으로 해상에 적조가 발생하게 되면, 그 해수가 해상 양식 어장이나 육상 양식 어장에 유입되는 경우, 양식 어장의 어패류들이 떼죽음을 당하게 되는 등의 적조 피해가 심각하게 발생하게 된다. 해상에 적조가 발생하였을 때 적조에 의한 양식어장의 피해를 최소한으로 줄이기 위하여 물리 및 화학적인 방법을 이용한 기술들이 많이 개발되고 있으며, 최근에는 양식 어장에서의 피해 저감을 위해 해수 유동 촉진 등의 환경 개선 연구가 함께 이루어지고 있다. 이러한 기술들은 주로 양식 어장에서의 적조 피해를 저감시키기 위한 것이다. 특히 일본에서는 대규모의 적조의 생성과 피해방지에 관한 연구, 적조 발생환경 모니터링 시스템 연구, 해역 특성에 의한 적조 피해 방지 기술 개발 등 적조의 발생을 방지하거나 그 적조에 의한 양식어장의 피해를 경감시키는 방향으로 연구가 진행되고 있다.
한편, 이러한 적조 발생에 대한 탐지 방법은 종래에는 직접 바다에서 채수하여 현미경을 이용해 취수된 해수의 적조 농도를 육안 체크하고, 그 확인 결과 적조 농도가 기준치 이상 검출되면 부근 해역에 인위적으로 적조 경보를 내려 해상에 적조가 발생 되었음을 알리게 된다. 또한, 등록특허 0252381호에서는 적조를 탐지하는 수단으로 적조 센서를 사용하여 적조를 감지하고 있음을 알 수 있다. 적조 감지 센서로 클로로필 센서나 탁도계 등을 사용할 수도 있고, 유류 오염 등과 같은 유해물질의 농도를 측정할 수 있는 센서를 사용하고 있다고 기술하고 있다.
하지만, 채수에 의한 적조 탐지 방법은 채수한 후 분석하는데 시간을 요할 뿐만 아니라, 넓은 해역을 광범위하게 조사할 수 없다는 한계가 있으며, 적조 감지센서를 이용하여 적조를 탐지하는 방법은 고정 부이에서만 적조를 감지하므로, 이동하면서 유해 적조를 탐지할 수 없고, 유해 적조의 빠른 확산 속도 및 발생 판정 속도 등을 고려할 때 신속성 면에서 떨어진다는 문제점이 있었다. 또한, 적조 세기 를 디지털 자료로 생성하여 기지국으로 직접 데이터를 송신하기도 어렵다는 문제점이 있다.
종래의 채수에 의한 적조 발생 유무 및 세기를 판단하는 것은 해수를 직접 채취하여 분석해야 하므로, 유해 적조의 확산 속도 및 발생 판정 속도 등을 고려할 때 신속성 면에서 떨어진다는 문제점이 있는바, 본 발명은 이동 중인 선박에 초음파 음향 센서를 설치하여, 초음파 음향센서 음향 신호에 대한 반사된 수신 신호로부터 적조 발생 여부를 실시간으로 판정할 수 있을 뿐만 아니라, 이와 같이 관측된 자료를 통신 시스템을 통하여 기지국으로 송신하여 보다 신속하게 적조 발생 유무 및 세기를 알 수 있다.
본 발명의 일측면은 초음파 음향 센서로부터 음향 신호가 발생되는 단계와, 수신수단을 이용하여 상기 음향 신호에 대한 반사된 수신신호가 수신되는 단계 및, 수신된 수신신호로부터 적조 발생 유무 및 적조의 세기가 측정되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 음향 센서를 이용한 유해 적조 탐지방법이 제공된다.
초음파 음향센서의 음향 신호에 대한 반사된 수신신호를 측정하여 적조의 발생 유무 및 세기를 측정할 수 있는 이론적 배경은 다음과 같다. 해양에서 적조를 일으키는 식물성 플랑크톤의 크기는 직경 1mm 이상의 대형종에서부터 5㎛ 내외의 소형종에 이르기까지 크기가 다양하다. 그 중 우리나라 연안에서 피해를 유발하는 주요 유해 적조 종은 코클로디니움(Cochlodinium Polykrikoides) 이다. 이 적조 종의 길이는 30~40 ㎛, 폭은 20~30 ㎛ 이고, 형태는 타원형 또는 구형에 가깝다. 이 종은 이분법 분열을 하여, 해양에서 최대 8개체까지 단일 개체와 군체로 다양하게 존재한다.
일반적으로 식물플랑크톤은 해수와 유사한 음향 임피던스(acoustic impedence)를 갖는 약산란체(weak scatterers)로 알려져 있는데, 초음파수에만(~MHz 이상) 음향 산란(acoustic scattering)을 일으킨다. 적조를 일으키는 종의 음향 등가 구형 반경(equivalent spherical radius)은 14~28 ㎛의 범위를 갖는다.
코클로디니움의 크기는 8개체의 군체가 되어도 초음파 음원 주파수의 파장에 비해 작기 때문에 음향학적 표현으로 레일리 산란체(Rayleigh scatter, ka＜1, 여기서 k는 파수, a는 산란체의 반경)라 부르는 영역에 포함된다. 레일리 산란체 영역에 속하는 적조 종의 음향 반사되는 후방 산란체적(σbs)은 아래와 같이 표현된다.
Figure 112009038130716-PAT00001
Figure 112009038130716-PAT00002
여기서 f는 주파수이고, g와 h는 각각 산란체와 해수와의 밀도비와 음속비이다. 레일리 산란체의 후방 산란체적은 〔수학식 1〕과 〔수학식 2〕에 의해서 주파수(f)의 4제곱과 산란체 반지름(a)의 6제곱에 비례한다.
단일 산란체의 후방 산란체적 측정 후 음향 빔 내의 적조 개체수(N)가 파악되면 〔수학식 3〕에 의해 체적 후방 산란계수가 계산되고, 최종적으로 수신된 음향 값을 정량화한 〔수학식 4〕의 체적 후방 산란강도(S v , volume backscattering strength, dB)로 표현된다.
Figure 112009038130716-PAT00003
Figure 112009038130716-PAT00004
상기와 같이 체적 후방 산란강도 값에 의해서 적조 발생 유무 및 세기를 알 수 있다.
상술한 초음파 음향 센서는 일정한 고정부이 또는 해상에서 이동할 수 있는 수단에 설치될 수 있다. 선박에 초음파 음향 센서를 설치하게 되면, 선박이 이동 중에도 실시간으로 유해 적조 탐지가 가능하다. 다만, 선박의 이동 속도는 6 노트 이하인 것이 바람직하다. 선박의 이동 속도가 6노트를 초과하게 되면 음향 신호가 안정성을 유지하기 어렵기 때문이다.
본 발명의 다른 측면은 초음파 음향 센서로부터 음향 신호가 발생되는 단계와, 수신수단을 이용하여 상기 음향 신호에 대한 반사된 수신신호가 수신되는 단계와, 수신된 수신신호로부터 적조 발생 유무 및 적조의 세기가 측정되는 단계 및, 측정된 자료를 통신 시스템을 통하여 기지국 또는 해상의 수신기로 송신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 음향 센서를 이용한 유해 적조 탐지방법이 제공된다.
상기에서와 같이 송신하는 단계를 포함하는 경우에도 초음파 음향 센서는 일 정한 고정부이 또는 해상에서 이동할 수 있는 수단에 설치될 수 있다. 선박에 초음파 음향 센서를 설치하게 되면, 선박이 이동 중에도 실시간으로 유해 적조 탐지가 가능할 뿐만 아니라, 측정된 자료를 통신 시스템을 통하여 기지국 또는 해상의 수신기로 송신하여 적조 발생 유무 및 세기를 기지국 내 또는 해상의 다른 수신 장소에서도 알 수 있다. 다만, 선박의 이동 속도는 6 노트 이하인 것이 바람직하다. 선박의 이동 속도가 6노트를 초과하게 되면 음향 신호가 안정성을 유지하기 어렵기 때문이다.
초음파 음향센서 신호에 의해 유해 적조 군체에 맞고 되돌아 오는 반사음으로부터 적조 발생 여부 및 발생 정도를 실시간으로 판정함으로써, 보다 신속하게 유해 적조에 대하여 대응할 수 있다. 또한, 초음파 음향 센서를 해양에서 이동할 수 있는 수단인 선박에 탑재하거나 일정한 고정 부이에 설치하게 되면 고정된 장소에서 뿐만 아니라 이동 중에도 적조의 발생 유무 및 세기를 실시간으로 탐지할 수 있다. 또한, 이와 같이 탐지된 자료를 디지털 자료로 변환하여 유·무선 통신 시스템을 통하여 실시간으로 기지국 또는 다량의 해상 센서와의 네트워크를 구성하여 적조 탐지망을 구축할 수 있다.
초음파 음향센서에 대한 적조 생물의 음향 탐지 측정을 위하여 실내 실험을 통한 유해 적조 탐지 파악, 실제 적조 발생 해상에서의 유해 적조 탐지 파악과 채수 결과와의 비교를 통하여 초음파를 이용한 유해 적조 생물의 음향 탐지 방법을 검증하였다.
- 실내 실험을 통한 유해 적조의 음향 탐지 검증 예
초음파 음향센서(3.5, 5 MHz)에 대한 적조 생물의 음향 탐지 측정을 위하여 배양된 살아있는 적조 생물을 대상으로 음향 산란특성을 측정하였다. 도 1은 현미경으로 확대한 살아있는 유해 적조 생물종의 다양한 형태를 나타낸 현미경 사진이고, 도 2는 유해 적조 생물의 음향 탐지를 위한 실험 방법을 나타낸 모식도이다.
유해 적조 생물의 음향 산란 특성을 측정하기 위하여, 살아있는 적조 생물을 초음파 음향 센서가 설치된 용기 속에 넣어 밀도가 균질하게 만든 후, 음향 신호에 의해 수신된 신호를 저장하여 수신 강도를 분석하는 방법을 사용하였다. 실험에 사용한 시스템은 초음파 음향 신호의 발생 및 수신 제어부, 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꿔주는 부분, 수신된 신호로부터 음향 수치로 변환하는 알고리즘으로 구성되어 있다. 수신된 음향 자료로부터 체적 후방 산란강도의 계산은 〔수학식 5〕와 〔수학식 6〕을 이용하였다. 이때, 하나의 음향 자료 양산을 위하여 50개의 핑(ping) 자료를 평균하였다. 실험이 종료된 후 적조종을 샘플하여 해수 ㎖ 당 개체수를 계수하였다.
Figure 112009038130716-PAT00005
Figure 112009038130716-PAT00006
RL v 는 수신강도, SL은 음원 준위, TL은 전달 손실이다. V는 입사 체적으로 음속, 펄스길이, 빔폭(beam width)에 의해서 결정되며 〔수학식 6〕을 이용하여 계산할 수 있다. c는 음속, τ는 펄스길이, ψ은 빔폭(beam width), r은 입사체적과의 거리이다.
도 3은 단위 ㎖당 적조 개체수 차이에 따른 수신된 음향 신호의 상대적인 변위를 보여주고 있다. 도 3(a)는 해수 ㎖당 적조 개체수가 800셀(cell), (b)는 300셀, (c)는 적조 생물이 없는 상태를 보여주고 있다. 적조 개체수가 증가할수록 수신 신호의 세기가 증가함을 보여주고 있다.
도 4는 적조 개체수 변화에 따른 체적 후방 산란강도의 이론치와 실측치를 비교한 결과이다. 5MHz의 초음파 음향센서를 이용하였으며, 이론치는 앞의 〔수학 식 1〕내지 〔수학식 4〕를 이용하여 계산하였으며, 실측치는 〔수학식 5〕내지 〔수학식 6〕으로부터 측정한 것이다. 두 결과 모두 적조 생물의 개체수가 증가할수록 체적 후방 산란강도의 크기가 증가함을 알 수 있다.
상기의 실내 수조 실험 결과, 초음파 음향 센서를 이용하여 유해 적조 생물종의 음향 탐지가 가능함을 보여주고 있으며, 이러한 결과를 하기에서와 같이 해상 실험을 통해 현장에서의 적용성을 검토하였다.
- 해상 실험을 통한 유해 적조의 음향 탐지 검증 예
실내 수조 실험 결과를 바탕으로 유해 적조의 초음파 음향 센서에 대한 탐지 가능성을 검증하기 위하여 적조가 발생하는 해역에서 해상 실험을 실시하였다. 해상 검증 실험은 매년 유해 적조가 발생하는 지역으로 알려진 전라남도 여수시 금오도 인근 해역(도 5(a))에서 2008년 7월 16일(도 5(b)), 2008년 8월 4일(도 5(c)), 2008년 8월 6일(도 5(d))에 걸쳐 3회 수행하였다.
현장 검증을 위한 음향 장비는 펄서/수신기(Pulser/Receiver(5027PR, PANAMETRICS))와 A/D 보드(CompuScope 8324, GaGe), GPS, 자료 처리 프로그램을 일체형으로 구성한 통합 시스템을 사용하였으며, 이 때 매 핑(ping)에 대한 체적 산란강도 값을 자동으로 계산한 후 저장하여 지도 위에 표시하도록 구성하였다. 실험 방법은 5MHz의 초음파 음향 센서(A309-SU PANAMETRICS)를 강철봉에 연결하여 적조 생물이 주로 분포하는 수심이 대략 2m 정도 되는 지점에서 해수면과 평행하게 설치하여 체적 산란신호를 수신하였다. 도 6은 유해 적조의 음향 탐지 시스템 및 탐지 자료의 해상 송수신 모식도이다.
현장에서 음향 신호는 20초 간격으로 50핑(ping)을 수신하였으며, 이때 매 핑(ping)에 대한 유해 적조의 체적 후방 산란강도를 〔수학식 5〕, 〔수학식 6〕을 이용하여 계산한 후 평균값을 이용하였다. 조사선의 선속은 이동시 발생하는 기포의 영향을 고려하여 3~4 노트로 저속을 유지하였으나, 해상 상태가 양호하면 약 6 노트까지의 음향 신호는 안정성을 유지하였다.
적조 생물의 유, 무에 따른 음향 체적 산란강도를 비교하기 위해서 음향 실험이 실시되는 총 9개의 정점에서 직접 해수를 채수하여 현미경을 통한 종 조성과 종 구성을 분석하였다. 정점 1~4는 2008년 7월 16일로 유해 적조 미발생 기간이었으며(트랙 A), 정점 5~7은 2008년 8월 4일로 부분적으로 미약하게 유해 적조 생물종이 출현하였으며(트랙 B), 정점 8~9는 2008년 8월 6일로 유해 적조가 활성화되는 시기였다(트랙 C).
도 7은 해상 검증 실험에서 유해 적조가 발생한 지점(a)과 적조가 없는 상태(b)의 지점에서의 음향 수신 값 차이를 뚜렷한 예로 보여주고 있다. 현미경 분석 결과 도 7(a)는 적조 생물이 해수 ㎖당 2,227 셀이 검출된 적조 경보 수준의 환 경이었고, 도 7(b)는 해수 ㎖당 6 셀이 검출된 적조 미발생 지역이었다. 이러한 유해 적조 생물의 미발생 지역은 무독성 식물플랑크톤이 분포하는 일반적인 해상 상태(규조류 우점 환경)를 의미한다.
도 8은 유해 적조 생물의 음향 탐지를 위한 전체 해상 검증 실험 결과를 나타낸 것이다. 도 8(a)는 전체 음향 정선에서의 음향 수신값을 나타냈으며, 도 8(b)는 현미경 채수를 통해 각 정점에서 우점하는 생물종의 개체수를 나타냈다. 도 8(a)에서 음향 수신값은 유해 적조 미발생 기간인 트랙 A에서 가장 낮았으며, 미약하게 유해 적조 생물종이 출현한 트랙 B에서 약간 증가하다가, 유해 적조가 활성화된 트랙 C에서는 강한 음향 수신 결과를 보여주고 있다. 도 8(b)에서 보여주는 채수 결과에서 적조를 유발하는 코클로디니움의 개체수가 정점 8, 9에서 가장 높게 나타났고, 정상 상태의 해양에서 가장 우점하는 규조류는 정점 1~7에서 상대적으로 높게 나타났다. 하기의 표 1은 현장 음향 검증 실험 기간 동안 실시한 9개의 정점에서 채수한 식물 플랑크톤의 정성 분석 및 정량 분석한 결과이다. 적조가 발생하는 시기를 제외한 우리나라 전 해역 및 계절에서 식물플랑크톤 중 규조류(diatom)가 우점을 차지하고 있다. 그러나 적조가 발생하게 되면 코클로디니움의 구성비가 점차 증가하게 되며 적조 경보 수준에 이르면 전체 식물플랑크톤 가운데 이 종이 우점종을 이루게 된다.
트랙 사이트 위도(°) 경도(°) Diatom
(셀/㎖)		 C.polykrikoides
(셀/㎖)		 날짜 음향레벨
1 1
2
3
4		 34.5531
34.5498
34.5451
34.5524		 127.7114
127.7073
127.6987
127.6883		 55
49
53
27		 1
1
1
1		 2008.7.16 none
2 5
6
7		 34.5567
34.5612
34.5424		 127.7103
127.6966
127.7064		 112
106
204		 6
17
2		 2008.8.4 none
3 8
9		 34.5393
34.5394		 127.7708
127.7721		 24
16		 859
2227		 2008.8.6 매우높음
현장에서의 채수 결과를 통한 종 조성 및 구성 비율은 유해 적조가 우점하는 환경에서의 음향 신호 특성과 직접적인 상관관계를 보여주고 있다. 유해 적조 생물의 조기 탐지를 위해 제시하는 음향 탐지 방법은 적조 발생 해역과 미발생 해역에서 뚜렷한 음향 신호 차이를 보임으로써 적조 발생의 현장 탐지가 가능함을 보여준다. 또한, 기존의 채수 방법 결과와 비교하였을 때도 양호한 상관관계를 보여줌으로써 음향 탐지 방법이 유용함을 보여주고 있다. 즉, 유해 적조가 우점하는 환경에서는 음향 신호에 대한 반사 수신 신호의 강도가 높아진다는 것이다. 이는 초음파 음향 센서를 이용한 음향 탐지 방법이 유해 적조 생물을 현장에서 빠르게 탐지할 수 있는 유용한 방법이 될 수 있다는 것을 의미하는 것이다.
도 1은 현미경으로 확대한 살아있는 유해 적조 생물종의 다양한 형태를 나타낸 현미경 사진
도 2는 유해 적조 생물의 음향 탐지를 위한 실험 방법을 나타낸 모식도
도 3은 유해 적조 생물 개체수 변위에 따른 수신 신호의 크기 변동을 나타낸 그래프
도 4는 적조 개체수 변화에 따른 체적 후방 산란강도의 이론치와 실측치를 나타낸 그래프
도 5는 유해 적조 생물의 음향 탐지를 위한 현장 검증 장소, 음향 정선 및 채수 정점을 나타낸 개략도
도 6은 유해 적조의 음향 탐지 시스템 및 탐지 자료의 해상 송수신 모식도
도 7은 해상 검증 실험에서 유해 적조 생물의 유무에 따른 음향 신호의 차이를 나타낸 그래프
도 8은 해상 검증 실험에서 적조 발생의 유무에 따른 음향 신호의 변화 양상을 나타낸 그래프

Claims (6)

  1. 초음파 음향 센서로부터 음향 신호가 발생되는 단계와;
    수신수단을 이용하여 상기 음향 신호에 대한 반사된 수신신호가 수신되는 단계; 및,
    상기 수신된 수신신호로부터 적조 발생 유무 및 적조의 세기가 측정되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 음향 센서를 이용한 유해 적조 탐지방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 초음파 음향 센서는 일정한 고정부이 또는 해상에서 이동할 수 있는 수단에 설치되는 것을 특징으로 하는 초음파 음향 센서를 이용한 유해 적조 탐지방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 해상에서 이동하는 수단은 선박이고, 이동 속도는 6 노트 이하인 것을 특징으로 하는 초음파 음향 센서를 이용한 유해 적조 탐지방법.
  4. 초음파 음향 센서로부터 음향 신호가 발생되는 단계와;
    수신수단을 이용하여 상기 음향 신호에 대한 반사된 수신신호가 수신되는 단계와;
    상기 수신된 수신신호로부터 적조 발생 유무 및 적조의 세기가 측정되는 단계; 및,
    상기 측정된 자료를 통신 시스템을 통하여 기지국 또는 해상의 수신기로 송신하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 음향 센서를 이용한 유해 적조 탐지방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 초음파 음향 센서는 일정한 고정부이 또는 해상에서 이동할 수 있는 수단에 설치되는 것을 특징으로 하는 초음파 음향 센서를 이용한 유해 적조 탐지방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 해상에서 이동하는 수단은 선박이고, 이동 속도는 6 노트 이하인 것을 특징으로 하는 초음파 음향 센서를 이용한 유해 적조 탐지방법.
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