지질자원연구원·해양과학기술원 공동 연구, 5개 지점서 탄성파 자료 확보
음원선과 수신장비 분리 운용…약 2㎞ 거리까지 굴절파 신호 확인
소형·저전력 수신 시스템 개발…다중 무인수상정 활용 기술 확대 추진
▲ 포항 화진해수욕장 동쪽 해역에서 진행된 무인수상정 기반 연안 탄성파 탐사 실증 현장. 왼쪽에 탄성파 수신장비를 탑재한 무인수상정이 떠 있다. 한국지질자원연구원 제공.
대형 탐사선이 접근하기 어려운 얕은 연안에서 무인수상정으로 해저 아래 지질구조를 조사할 수 있는 길이 열렸다. 국내 연구진이 포항 앞바다에서 무인수상정으로 탄성파 신호를 수신해 해저면 아래 200m 이상 깊이까지 속도구조를 영상화하는 데 성공했다.
한국지질자원연구원 포항지질자원실증연구센터 신정균 박사 연구팀은 한국해양과학기술원 해양로봇실증센터와 공동으로 무인수상정(USV)을 활용한 연안 탄성파 탐사기술을 개발하고 실해역 검증을 마쳤다고 밝혔다.
해양 탄성파 탐사는 해양자원 탐사와 해저 지질조사, 해상 인프라 구축 등에 활용되는 핵심 기술이다. 기존에는 탄성파를 발생시키는 음원과 수신장비를 대형 탐사선 한 척에 함께 탑재하는 방식이 주로 쓰였다. 수심이 얕거나 육지와 바다가 맞닿는 연안에서는 선박 접근과 장비 운용에 제약이 따랐다.
▲ 무인수상정 기반 탄성파 자료취득 시스템 구성도. 탄성파 자료취득 시스템과 무선 통신장치, 탄성파 스트리머 등으로 구성돼 있다. 한국지질자원연구원 제공.
연구팀은 탄성파를 발생시키는 유인 음원선과 신호를 받는 무인수상정을 분리해 이러한 한계를 보완했다. 원거리에 배치한 무인수상정이 탄성파 자료를 독립적으로 수신·기록하도록 한 것이다. 수신부부터 단계적으로 무인화를 적용해 육상에서 연안·해양으로 이어지는 탐사범위를 넓히려는 시도다.
이를 위해 무인수상정의 제한된 탑재공간과 전력환경에 맞춘 소형·저전력 탄성파 자료취득 시스템을 개발하고 무선 통신장치를 통합했다. 인근 감시선에서는 무선 통신으로 장비를 원격 제어하고 자료취득 상태를 실시간으로 확인할 수 있도록 했다.
실증은 포항 화진해수욕장 동쪽 해역의 약 4㎞ 송신 측선에서 진행됐다. 유인 소형선박이 측선을 따라 이동하며 탄성파를 발생시키고, 무인수상정은 배치 위치를 바꿔가며 총 5개 수신지점에서 자료를 확보했다.
그 결과 음원과 수신장비 사이 거리가 약 2㎞인 구간까지 굴절파 신호를 식별했다. 수신 위치에 따라 나타나는 신호의 속도 차이를 통해 연구해역의 수평적인 속도구조 변화도 파악했다.
연구팀은 이어 ‘초동주시 토모그래피’ 분석으로 해저 하부 200m 이상 깊이까지 장파장 P파 속도구조를 영상화했다. 탄성파가 가장 먼저 도달한 시간을 분석해 지하에서 파동이 전파되는 속도의 분포를 파악하는 기법이다.
▲ 무인수상정 기반 해양 굴절법 탄성파 탐사 개념도. 유인 음원선이 발생시킨 탄성파를 원거리에 배치된 무인수상정이 수신·기록하는 방식이다. 한국지질자원연구원 제공.
특히 연구해역 서쪽의 수심이 얕은 구간에서는 주변보다 상대적으로 P파 속도가 빠른 구조를 확인했다. 원거리 무인수상정에서 취득한 자료로 해저 하부 속도구조를 영상화함으로써 새로운 자료취득 기술의 실해역 적용 가능성을 검증했다.
이번 공동 실증에서 지질자원연구원은 자료취득 시스템 개발과 탐사 설계, 자료취득·처리, 토모그래피 분석을 담당했다. 해양과학기술원은 해양로봇 실해역 테스트베드와 무인플랫폼 실증 인프라를 제공하고 감시선 운용과 현장 실증을 지원했다.
신정균 박사는 “해양 탄성파 탐사는 다른 해양 조사 분야에 비해 무인화 전환이 상대적으로 더딘 분야로, 이번 연구는 수신부부터 단계적으로 무인화를 적용해 기존 탐사체계의 공간적 한계를 보완하고 무인 탐사의 가능성을 확인했다는 데 의미가 있다”고 말했다.
이어 “앞으로 다양한 탄성파 탐사기법과 다중 무인수상정 운용기술을 연계해 해양 탄성파 탐사의 무인화·자동화 기술을 단계적으로 확대해 나가겠다”고 밝혔다.
연구팀은 이번 굴절법 탐사 실증을 첫 단계로 삼아 적용 기술을 넓힐 계획이다. 수신장치를 수직으로 배열하는 수직 케이블 탐사로 해저의 얕은 지질구조를 더욱 정밀하게 영상화하고, 송·수신 거리를 늘린 반사법 탐사로 더 깊은 구조를 파악하는 기술을 추진한다. 최종적으로 여러 대의 무인수상정을 함께 운용해 연안 탄성파 탐사의 무인화·자동화와 공간적 범위 확대를 도모할 방침이다
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