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표제지

요약

Abstract

목차

제1장 서론 17

1.1 연구배경 17

1.2 연구목적 21

1.3 논문의 구성 21

제2장 음향탐사시스템 23

2.1 수중 음향탐사시스템의 기본원리 23

2.2 음파의 물리적 특성 32

2.2.1 수심에 따른 음속 변화 32

2.2.2 음속 경계층에서의 굴절 36

2.2.3 수증음향탐사시스템에서의 해상도 38

2.3 수중음향탐사시스템 의 종류 43

2.3.1 수중영상화시스템 43

2.3.2 해저지형탐사시스템 44

2.3.3 자료통합 및 정보화 48

제3장 다중빔음향소해 탐사시스템 51

3.1 다중빔의 원리 52

3.2 MBSS시스템 구성 58

3.3 음향소해탐사의 기본 개념 59

3.3.1 빔탐지 영역 59

3.3.2 소해 폭 62

3.3.3 선수방향 빔 간격 66

3.4 MBSS시스템 주요문제 68

제4장 MBSS시스템 오차분석 72

4.1 기본 좌표체계 72

4.1.1 MBSS시스템 기본좌표체계 72

4.1.2 센서 오프셋 76

4.1.3 소나 벡터 78

4.1.4 국가평면직각 좌표계상의 범 위치 계산 81

4.1.5 수직 관측요소의 변위 85

4.2 MBSS시스템 오차 요인분석 88

4.2.1 오차 요소 90

4.2.2 롤 오프셋 91

4.2.3 피치 오프셋 96

4.2.4 선수 각 오프셋 101

4.2.5 VRU의 오 정렬에 의한 오자와 시각지연 104

4.2.6 측위 시각지연 106

4.2.7 동적 홀수와 수직 변위 108

4.2.8 오차의 총합 110

4.3 MBSS시스템 보정 113

4.3.1 정렬 대상 요소들에 대한 정적 관측 115

4.3.2 롤 관측 오차 의 보정 121

4.3.3 피치 관측 오차의 보정 123

4.3.4 선수 각 관즉 오차의 보정 125

4.3.5 시각 지연 관측 오차의 보정 127

4.4 측량성과 정확도의 허용오차 분석 129

4.4.1 국제수로기구 안 129

4.4.2 전자해도 품질 관리 그룹의 안 133

4.4.3 국제 해사 협회 안 135

4.4.4 관측요소별 허용오차 계산 및 검토 138

4.5 소결 150

제5장 MBSS자료처리 시스템 개발 151

5.1 자료처리 개요 151

5.2 관측 요소 및 관측 자료 관리를 위한 데이터베이스 구축 154

5.3 측위 자료 편집 160

5.4 음속도 프로파일에 의한 오차 보정 162

5.5 오측심 자료의 제거 168

5.5.1 기존 연구사례 168

5.5.2 오측자료 판별기준과 개선 알고리즘 제안 171

5.5.3 성능분석 및 검토 176

5.6 MBSS시스템 자료의 격자화 180

5.6.1 기존연구사례 181

5.6.2 직하방 최근접 수심선택 방법 184

5.6.3 성과분석 및 검토 185

5.7 과학적 가시화를 위한 자료구조 변환 및 사례연구 189

5.7.1 3차원 공간 자료구조 189

5.7.2 적용사례 192

5.8 소결 197

제6장 MBSS후방산란 음압자료의 개선 199

6.1 후방산란음압의 시스템적 문제 199

6.2 기존 연구사례 205

6.3 후방산란 자료처리 시스템 구현 208

6.4 실험대상 자료 212

6.5 실험방법 215

6.5.1 입사각에 따른 전달 손실 218

6.5.2 빔 지향각에 따른 전달손실 220

6.5.3 빔 입사각 영향 222

6.6 실험결과 및 고찰 225

제7장 결론 및 향후 연구과제 231

참고문헌 233

그림목차

그림 2.1 소나 시스템의 기본 원리 23

그림 2.2 측심기용 수신 신호의 형태 24

그럼 2.3 소나 방정식의 구성 25

그럼 2.4 12 kHz 대의 음파의 음압 강하 현상 27

그림 2.5 해저면에서 일어나는 음파의 후방산란 28

그림 2.6 후방산란 강도에 영향을 끼치는 요인들 29

그림 2.7 퇴적 매질과 입사각에 따른 후방산란 강도의 변화 30

그림 2.8 수중 음속에 끼치는 환경적인 요인들 32

그림 2.9 수심대별 음속의 변화 33

그림 2.10 동일 해역에서의 음속 프로파일 관측 성과 비교 35

그림 2.11 음속이 다른 수층에서의 음파 굴절에 의한 전달경로 추정 36

그림 2.12 이음속 계층에서의 굴절각 변화 37

그럼 2.13 수중음항탐사시스템에서의 공간해상도 38

그림 2.14 수중음향탐사시스템의 탐사거리에 따른 선수방향 공간해상도 40

그림 2.15 수중음향탐사시스템의 사용주파수의 밴드폭과 탐사거리에 따른 현방향 공간해상도 40

그림 2.16 단 일 빔에 의한 빔 탐사 면적 모델 41

그림 2.17 SeaBeam 2100의 공간 해상도 42

그림 2.18 사이드스캔 소나의 운영방식과 소나 영상 43

그림 2.19 단일빔음향측심시스템 45

그림 2.20 다중트랜스듀서를 이용한 소해탐사시스템 46

그림 2.21 MBSS 시스템 47

그림 2.22 MBSS시스템의 기반 학문 분야 48

그림 2.23 MBSS시스템 자료와 고해상도 인공위성 자료의 통합 49

그림 2.24 탐사자료의 속성정보를 이용한 과학적 가시화의 예 50

그림 3.1 MBSS탐사시스템에 의한 해양구조물 탐사 51

그림 3.2 MBSS에서 사용하는 송신 빔과 수신 빔에 의한 탐사 면 (Footprint) 생성 52

그림 3.3 지향각 별 다중 빔의 생성 53

그림 3.4 해저면 반사신호의 왕복주사시간 계측 54

그림 3.5 다중 빔의 수신 시각 및 각도 별 신호레벨 55

그림 3.6 빔 생성 방식에 따른 탐지 면적의 형상 변화 57

그림 3.7 MBSS 시스템의 구성 58

그림 3.8 MBSS탐사에서 빔 탐지 영역과 관련된 세부명칭 61

그림 3.9 모션 정보가 적용된 소나 탐지 영역 61

그림 3.10 MBSS시스템에서의 소해 폭 62

그림 3.11 수심에 따른 소해 폭 변환 63

그림 3.12 MBSS 탐사의 적용 가능 소해 폭 64

그림 3.13 근접 측선과의 소해영역 중첩 65

그림 4.1 MBSS시스템의 해석을 위한 플랫폼의 회전각 요소 및 국가 평면직각 좌표계와 플랫폼 좌표계 73

그림 4.2 선박 고정 좌표계상의 GPS 안테나와 트랜스듀서의 장착 위치 오프셋 구성도 77

그림 4.3 빔 지향 각 β, 경사거리 г로 구성도니 I번째 소나벡터 78

그림 4.4 빈 전달 경로의 추정 79

그림 4.5 동적 홀수와 조석에 의한 트랜스듀서의 수직위치 변환 86

그림 4.6 MBSS 시스템의 부가 센서의 오 정렬 89

그림 4.7 플렛폼의 폴리에 의한 탐사 구역의 변화 92

그림 4.8 롤 오프셋에 의한 ρ에 의한 빔 위치 변화 93

그림 4.9 롤 오프셋 ρ에 의한 비의 수평 및 수직 위치 오차 패턴 94

그림 4.10 빔 지향 각에 따른 수심 오차의 증가율(롤 관측오차 : 2°) 95

그림 4.11 조사선의 피칭 오프셋에 의한 관측 오차의 발생 96

그렇 4.12 플랫폼의 피치운동에 의한 선수 방향 측심 밀도의 변화 98

그림 4.13 경사 해역에서의 피치오차에 의한 영향 98

그림 4.14 피치 오프셋에 따른 수직 및 수평 위치 오차의 직하방수심과의 비율 99

그림 4.15 선수 각 오프셋에 의한 빔 성과의 수평위치 변화 101

그림 4.16 방위각 오프셋에 의한 선수 방향 및 현 방향 위치 오차 103

그림 4.17 롤 주기 2Hz, 시각 지연 0.1 초에 의한 롤 관측 오차의 시각지연 모의 실험 105

그림 4.18 측위 시각지연에 의한 트랜스듀서 위치 변환 106

그림 4.19 측위 시각 지연에 의한 해저 지형 관측 성과의 변위 107

그림 4.20 선박의 운항 특성 108

그림 4.21 빔의 수직 위치 오차에 끼치는 오차 요인들 111

그럼 4.22 빔의 수평 위치 오차에 끼치는 오차 요인들 112

그림 4.23 롤 오프셋 오차에 의한 측량 성과의 왜곡 121

그림 4.24 롤 오프셋 평가를 위한 탐사 성과의 분석 122

그림 4.25 피치 오프셋에 의한 오측 현상 124

그림 4.26 선수각 오프셋 추정을 위한 측선 계획 및 관측 현상 126

그림 4.27 측위시스템 시각오차에 따른 오측현상 127

그림 4.28 수심에 따른 측심 정확도 기준의 비교 138

그림 4.29 롤 오프셋에 의한 수심 오차 편자123 139

그림 4.30 롤 오프셋에 의한 수평 위치 오차 발생 분포 140

그림 4.31 피치 관측 오프셋에 의한 수평 위치 편차 142

그림 4.32 피치 관측 오프셋에 의한 수심 편차 142

그립 4.33 방위각 관측 오차에 따른 빔 지향각 별 위치오차 143

그림 4.34 고정 선수각 오차에 따른 수심별 관측 오차의 증대 144

그림 4.35 측위 시간 지연에 따른 선수방항 위치오차의 크기증가 145

그림 4.36 IHO S44의 등급별 허용가능 롤 관측 허용한계 오차 148

그림 4.37 IHO S44의 등급별 허용가능 피치 관측 허용한계 오차 149

그림 4.38 IHO S44의 등급별 히용가능 선수각 관측 허용한계 오차 149

그림 5.1 MBSS시스템 자료 처리 순서 151

그림 5.2 자료처리 단계별 소요시간 추정(NOAA) 153

그림 5.3 예인제 위치 보정 프로그램 156

그립 5.4 MBSS탐사자료 관리를 위한 ERD 157

그림 5.5 MBSS탐사 자료 파일에 대한 검색 정보 창 158

그림 5.6 MBSS 파일 내 자료검색 159

그림 5.7 개발된 측위자료 편집 시스템 160

그림 5.8 음속 프로파일 추정에 빠른 오차의 발생 162

그림 5.9 음속 프로파일의 변화에 의한 관측 수심 프로파일 163

그림 5 10 음속 변화율에 따른 범 경로의 굴절 164

그림 5.11 SeaBcam 2000 12kHz 음속 프로파일의 오에 의한 관측 지형의 왜곡 165

그럼 5.12 MBSS자료 분석 프로그램 166

그림 5.13 Ping 프로파일에서의 오측 자료 제기(MBSYSYSTEM) 169

그림 5.14 오측자료 필터를 위한 자료구조 및 오측 헌상 172

그림 5.15 제안하는 경사도 이상 자료 검출 방법 173

그림 5.16 제안 시스템에서 구성한 단계별 오측 판별 기준 적응 174

그림 5.17 오측자료의 제거와 빔 위치 산정을 구현한 MBReoRef프로그램 175

그림 5.18 제안 2D 오측 자료 제거 필터의 검사도에 따른 효율 177

그림 5.19 MBClean과 제안 알고리즘의 성능비교 177

그림 5.20 오측 자료 제거 전의 측심자료로 구성한 해저 지형모델 179

그림 5.21 오측 자료 제거 후의 해지지형 모델 179

그림 5.22 MBSS시템 자료의 격자 자료화 180

그림 5.23 격자 내 샘플들의 거리를 고려한 격자화 알고리즘 183

그림 5.24 격자 알고리즘 비교를 위한 실험자료 대상해역 186

그림 5.25 MRSS시스템 특성을 반영한 격자화 프로그램 187

그림 5.26 직하방 최근접 격자 대표값 선정 방식을 이용하여 생성한 각자 자료의3자원 음영기복 해저지형 모델 187

그림 5.27 이기종 공간 자료의 통합 예 192

그림 5.28 통합 자료에서 육상 고도 자료만 추출한 결과 화면 194

그림 5.29 통합 자료에서 수심 자료만 추출한 결과 화면 194

그림 5.30 3차원 공간 모델상에서의 오측 자료 확인 195

그림 5.31 조석 보정 후 주·검측 자료의 미 196

그림 5.32 자료처리 단계별 개발 SW 및 이용 SW 198

그림 6.1 입사각에 빠른 후방산란 음압 강도의 변화 201

그림 6.2 동일 매질로 퇴적되어 있는 지역에시 얻은 L3 사의 SeaBeam 2113(36kHz) 대의후방산란 음압 분포 202

그림 6.3 동일 매질에 대한 후방산란 음압 관측치의 변화 204

그림 6.4 입사각 별 평균음압곡선과 관측 음압 곡선 205

그림 6.5 특성곡선을 이용한 후방산란 음압 영상 개선 알고리즘 206

그림 6.6 좌현 후방 산란 음압 강하 모델과 관측 값 207

그림 6.7 특성 곡선을 이용한 후방산란 영상 개선 208

그림 6.8 핑 프로파일 내의 후방산란 음압 자료 분포 209

그림 6.9 후방산란 음압 스태킹(Stacking) 영상의 구성 210

그럼 6.10 EM1000 시스템의 후방산란 음압 평활화 방식 211

그림 6.11 SeaBeam2100 후방산란 음압의 통계적 특성 그래프 211

그림 6.12 수심과 입사각에 따른 음압 장도의 강하현상 214

그림 6.13 빔 별 취득 음압 강도 그래프 216

그림 6.14 실험 대상 자료 중 팀 별 수심 자료 216

그림 6.15 실험 대상 자료 중 빔 별 수심 자료 217

그럼 6.16 한 핑 내에서의 빔 지향각에 따른 전달 손실량 219

그림 6.17 수심에 따른 직하방 지역의 전달손실과 외곽 빔에서 발생 하는 전달손실의 비율 219

그림 6.18 입사각과 거리에 따른 빔 입사면적의 변화 220

그림 6.19 빔 지향각 증가에 따른 빔 입사면적의 직하방 면적 대비 증가율 221

그림 6.20 입사각 계산 223

그림 6.21 트랜스듀서의 지형 프로파일에 의한 입사각의 변화 223

그림 6.22 빔 프로파일을 이용한 구간 선형 경사도 계산 224

그림 6.23 구간별 경사각 계산의 예 224

그림 6.24 모델식에 의한 음압 강도와 관측치 비교 225

그림 6.25 추정된 음압 강하 곡선 226

그림 6.26 후방산란 개선 영상 비교 227

그림 6.27 국내 제 2 기관 자료를 이용한 제안 알고리즘 비교 228

그림 6.28 국외 제1기관 자료를 대상으로 한 영상 개선 비교 229

그림 6.29 3차원 해저지형 모델과 후방산란 영상의 합성 230

표목차

표 2.1 변화 요인에 다른 수중음속 변화 량 34

표 3.1 상용 시스템의 최대 소해 범위 65

표 3.2 IMCA의 허용가능 비연속 송수신 핑 개수 66

표 3.3 선속에 따른 선수방향 빔 중첨율 67

표 4.1 수심측량을 위한 IHO 규정별 구역 구분 130

표 4.2 해저지형 모델 정확도 기준 132

표 4.3 해도 내 해역의 신뢰도 범주 별 자료의 품질기준 134

표 4.4 IMCA 측심 정확도 기준 135

표 4.5 IMCA의 측심 정확도 기준 및 격자크기 136

표 4.6 IMCA의 빔 위치 수평 정확도 기준 137

표 4.7 IHO S44 등급별 관측요소 오차에 의한 수심 허용오차 한계 146

표 4.8 IHO S44 등급별 관측요소 오차에 의한 수심 허음오차 한계 147

표 5.1 MBSS시스템 의 자료생산량 152

표 5.2 관측장비와 관측 정보 154

표 5.3 관측장비 오프셋 정보와 보정 파라메타 입력 양식 155

표 5.4 기존 알고리즘과의 성능 비교(400ping 대상, Zero빔 포함) 178

표 5.5 격자화 알고리즘 분석을 위한 실험자료 특성 185

표 5.6 기존 알고리즘과 제안 알고리즘에 의해 생성된 격자자료의 통계치 비교 188

표 5.7 SDS 개념 구조 190

표 6.1 실험 대상 자료 일람 212

표 6.2 SeaBeam 2000의 시스템 사양 213

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