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https://www.krm.or.kr/krmts/link.html?dbGubun=SD&m201_id=10007119&local_id=10010454
연안 환경 관측을 위한 해양음향 토모그래피 기법 연구 (Acoustic Tomography of Coastal Ocean)
Reports NRF is supported by Research Projects( 연안 환경 관측을 위한 해양음향 토모그래피 기법 연구 (Acoustic Tomography of Coastal Ocean) | 2004 Year | 오택환(한양대학교(ERICA캠퍼스)) ) data is submitted to the NRF Project Results
Researcher who has been awarded a research grant by Humanities and Social Studies Support Program of NRF has to submit an end product within 6 months(* depend on the form of business)
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  • Researchers have entered the information directly to the NRF of Korea research support system
Project Number C00038
Year(selected) 2004 Year
the present condition of Project 종료
State of proposition 재단승인
Completion Date 2006년 01월 31일
Year type 결과보고
Year(final report) 2006년
Research Summary
  • Korean
  • 본 논문은 천해에서 광대역 신호에 적합한 지음향 역산 알고리즘을 제안한다. 제안된 알고리즘은 정합장 신호처리와 유전 알고리즘을 사용하며, 제안된 알고리즘의 적용 가능성 평가를 위해 수직 선배열 수신기와 광대역 음원으로써 전구를 사용한 해상 실험이 동해에서 수행되었다. 선배열 수신기와 광대역 음원을 사용한 정합장 신호처리는 주파수 영역과 시간 영역에서 역산을 수행할 수 있으므로 지음향 역산에 매우 효율적이다. 더욱이 다양한 주파수는 다양한 해양 환경 정보를 제공함으로 광대역 신호를 사용함으로써 다양한 지음향 정보를 얻을 수 있다.
    본 연구에서는 지음향 역산 성능 향상을 위해 광대역 음원으로써 한양대학교 해양음향연구실에서 개발한 전구 장치가 사용되었다. 개발된 전구 장치는 동일한 수심에서 연속적으로 신호를 발생 시킬 수 있다. 이는 동일한 수심과 거리에서 수신된 많은 신호가 관측 자료와 모델 자료의 오차를 줄여 역산 성능을 향상 시킬 수 있기 때문에 매우 중요한 장점이다. 동해와 남해의 실험을 통해 전구 신호가 매우 안정적이고, 높은 음원 준위를 가지며, 해양 파라미터 역산에 충분한 광대역 주파수 특성을 나타냄을 확인하였다. 더욱이 동일한 음원 수심에서 역산에 필요한 충분한 신호도 획득 가능함을 알 수 있었다.
    지음향 역산시 각 파라미터 상호간의 비선형선을 가정해 해 공간이 매우 넓으며, 복잡하다. 복잡한 해 공간을 단순화하고, 역산 성능과 수행 속도 향상을 위해 Bartlett 프로세서를 사용한 민감도 연구가 수행되었다. 민감도 연구 결과 퇴적층의 음파 전달 속도가 밀도와 감쇄에 비해 매우 민감한 것으로 나타났으며, 이와 같은 결과는 빠른 역산 알고리즘의 개발을 가능하게 하였다.
    지음향 역산을 위해 복잡한 지음향 환경 모델과 간단한 지음향 환경 모델이 사용되었으며, 단순 유전 알고리즘과 병렬 다중 개체군 유전 알고리즘이 사용되었다. 간단한 지음향 환경 모델은 최적화 알고리즘의 효율을 높이기 위해 사용되었으며, PC-클러스터 병렬 시스템은 계산 속도 향상을 위해 사용되었다. 제안된 PC- 클러스터 병렬 시스템은 일괄처리 시스템에 비해 평균적으로 1.7배 속도가 빠른 것으로 분석되었다. 지음향 역산 결과 검증을 위해 천해에서 음원 위치 추적 분석을 수행하였다. 복잡한 지음향 환경 모델은 한국지질자원연구원에서 관측한 자료와 잘 일치하였으나 음원 위치 추적 분석 성능은 간단한 지음향 환경 모델의 경우가 더 우수하였다. 결론적으로 지음향 파라미터 역산을 위해 간단한 지음향 모델이 더 적합한 것으로 나타났다. 또한 선박 방사 소음을 사용한 해양음향 토모그래피 수치 실험을 통해 만약 연안에서 제안된 알고리즘을 통해 지음향 파라미터 역산이 가능하다면, 수층의 음속 구조도 역산이 가능할 것으로 판단되었다.
  • English
  • In this thesis, a geoacoustic inversion algorithm that can be applied to broadband acoustic signal in shallow water is presented. The proposed algorithm is based on the matched field processing technique and genetic algorithm. The feasibility test of the proposed algorithm was performed with a vertical line array and a light bulb in the East Sea of Korea; the light bulb was used as a broadband source. Matched field processing based on data available at an array receiver from a broadband source is efficient in the general class of problems related to geoacoustic inversion because the existence of information at a broadband signal makes it possible to work in the frequency, the time domain, or both. Moreover, various information concerning the geoacoustic parameter is available through the broadband signal because different frequencies represent different information from the ocean environment.
    A system involving a light bulb is used as a broadband source to improve the performance of geoacoustic inversion in this study. This light bulb system was developed by OAL-HYU and can continuously transmit signals at the same depth. This is important for inverting parameters, because information from many signals at the same depth and range improve the accuracy of an inversion processor by decreasing errors in observed and modeled data. The East Sea and the South Sea tests show that a bulb signal is very stable, very loud, and provides enough broad spectrum to invert ocean parameters. Moreover, sufficient signals for geoacoustic inversion can be recorded by a hydrophone placed at the same depth as the light bulb system.
    In this study, the solution space in this study is very wide and complex because the geoacoustic inversion is not based on assumptions of linearity in the variation of the parameters. The sensitivity of geoacoustic parameters obtained with the Bartlett processor is studied in order to reduce the complexity and dimensionality of the problem and improve the quality of the results and computational cost, and results show that sound speed is more sensitive than density and attenuation in the sediment layer. This observation led to the development of a fast inversion algorithm.
    Two environment models, one complex and the other simple, are proposed, and two optimization algorithms, one a simple genetic algorithm (SGA) and the other a parallel multi-population genetic algorithm (PMPGA), are deployed for this inversion. The simple model is deployed for improving the efficiency of an optimization algorithm. A PC-cluster parallel system is used for improving calculation speed. The proposed PC - cluster parallel system is an average of 1.7 times faster than a serial one. Source localizations in shallow water are performed for verifying the parameter values estimated by the proposed algorithms. Although estimated values obtained by the complex environment model are matched against the measured data by the Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources (KIGAM), accurate source localizations are made using the simple environment model. This shows that the simple environment model is sufficient for inverting geoacoustic parameter values. Also, the numerical simulation of ocean acoustic tomography using ship radiated noise shows that sound speed can be inverted in coastal ocean if geoacoustic parameters can be inverted by the algorithm proposed in this thesis.
Research result report
  • Abstract
  • 본 논문은 천해에서 광대역 신호에 적합한 지음향 역산 알고리즘을 제안한다. 제안된 알고리즘은 정합장 신호처리와 유전 알고리즘을 사용하며, 제안된 알고리즘의 적용 가능성 평가를 위해 수직 선배열 수신기와 광대역 음원으로써 전구를 사용한 해상 실험이 동해에서 수행되었다. 선배열 수신기와 광대역 음원을 사용한 정합장 신호처리는 주파수 영역과 시간 영역에서 역산을 수행할 수 있으므로 지음향 역산에 매우 효율적이다. 더욱이 다양한 주파수는 다양한 해양 환경 정보를 제공함으로 광대역 신호를 사용함으로써 다양한 지음향 정보를 얻을 수 있다.
    본 연구에서는 지음향 역산 성능 향상을 위해 광대역 음원으로써 한양대학교 해양음향연구실에서 개발한 전구 장치가 사용되었다. 개발된 전구 장치는 동일한 수심에서 연속적으로 신호를 발생 시킬 수 있다. 이는 동일한 수심과 거리에서 수신된 많은 신호가 관측 자료와 모델 자료의 오차를 줄여 역산 성능을 향상 시킬 수 있기 때문에 매우 중요한 장점이다. 동해와 남해의 실험을 통해 전구 신호가 매우 안정적이고, 높은 음원 준위를 가지며, 해양 파라미터 역산에 충분한 광대역 주파수 특성을 나타냄을 확인하였다. 더욱이 동일한 음원 수심에서 역산에 필요한 충분한 신호도 획득 가능함을 알 수 있었다.
    지음향 역산시 각 파라미터 상호간의 비선형선을 가정해 해 공간이 매우 넓으며, 복잡하다. 복잡한 해 공간을 단순화하고, 역산 성능과 수행 속도 향상을 위해 Bartlett 프로세서를 사용한 민감도 연구가 수행되었다. 민감도 연구 결과 퇴적층의 음파 전달 속도가 밀도와 감쇄에 비해 매우 민감한 것으로 나타났으며, 이와 같은 결과는 빠른 역산 알고리즘의 개발을 가능하게 하였다.
    지음향 역산을 위해 복잡한 지음향 환경 모델과 간단한 지음향 환경 모델이 사용되었으며, 단순 유전 알고리즘과 병렬 다중 개체군 유전 알고리즘이 사용되었다. 간단한 지음향 환경 모델은 최적화 알고리즘의 효율을 높이기 위해 사용되었으며, PC-클러스터 병렬 시스템은 계산 속도 향상을 위해 사용되었다. 제안된 PC- 클러스터 병렬 시스템은 일괄처리 시스템에 비해 평균적으로 1.7배 속도가 빠른 것으로 분석되었다. 지음향 역산 결과 검증을 위해 천해에서 음원 위치 추적 분석을 수행하였다. 복잡한 지음향 환경 모델은 한국지질자원연구원에서 관측한 자료와 잘 일치하였으나 음원 위치 추적 분석 성능은 간단한 지음향 환경 모델의 경우가 더 우수하였다. 결론적으로 지음향 파라미터 역산을 위해 간단한 지음향 모델이 더 적합한 것으로 나타났다. 또한 선박 방사 소음을 사용한 해양음향 토모그래피 수치 실험을 통해 만약 연안에서 제안된 알고리즘을 통해 지음향 파라미터 역산이 가능하다면, 수층의 음속 구조도 역산이 가능할 것으로 판단되었다.
  • Research result and Utilization method
  • 본 연구 결과 기존 연구에서 발표된 전구 시스템의 단점을 보완하여 한양대학교에서 개발한 전구 음원 장치가 저주파 광대역 수중음원으로써 사용 가능함을 확인하였으며, 천해 지음향 파라미터 역산 연구에도 사용 가능함을 확인하였다. 또한 병렬 시스템과 다중 개체군 유전 알고리즘의 장점들을 결합하여 만들어진 병렬 다중 개체군 유전 알고리즘은 기존 단순 유전 알고리즘에 비해 지음향 파라미터 역산 수행 속도를 향상 시킴을 확인하였다. 이와 같은 연구를 통해 광범위한 해양환경 파라미터(수층, 퇴적층)를 음향학적으로 역산할 수 있을 것이며, 음향학적으로 추정된 해양환경 파라미터는 수중음향 시스템의 개발 및 성능 향상을 위해 매우 중요한 자료가 될 것이다.
  • Index terms
  • 지음향역산, 해양음향토모그래피, 정합장처리, 병렬 시스템, 병렬 다중 개체군 유전 알고리즘, 광대역음원
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