서 론
음향 시스템에 의한 수중생물의 자원조사법은 70년 대 후반부터 본격화되기 시작하여, 우리나라에서도 수 많은 어족자원의 현존량 추정과 관리를 위해 사용되고 있다. 음향시스템에 의한 어업자원조사는 그것이 수중 깊은 곳에 있는 어류를 탐지하는 일종의 원격탐사의 형 태를 가지고 있고, 그 탐지 결과가 음향신호의 레벨로 써 나타나기 때문에 원격으로 탐지한 대상생물의 확인 을 위하여, 어구에 의한 채집을 병행하는 것이 일반적 이다 (Kim et al, 2011; Lee et al., 2012). 이러한 이유로 과학어군탐지기로 대표되는 음향자원조사 시스템을 이 용한 어업자원조사에 있어서, 어구와 같은 직접적인 샘 플링 없이 음향시스템 만으로 대상생물을 확인하여 독 자적인 어업자원조사를 수행하는 조사기법의 개발은 수산음향 연구의 오랜 목표가 되었다.
과거 단일 빔 및 단일주파수에 의존하여 이루어져 왔 던 음향자원조사는 센서기술과 데이터 처리기술의 발 전에 힘입어, 복수의 빔과 복수의 주파수를 활용하여 탐지하는 기술로 발전을 거듭하여 수중생물로부터 더 많은 정보를 얻기에 이르렀다. 복수의 빔을 활용한 조 사법은 음향센서로부터 음향빔의 지항특성을 보정하여 레벨을 측정할 수 있게 되었을 뿐만 아니라, 대상생물 의 상대적 위치를 파악하거나 유영속도를 추정하는 기 술 등으로 발전하였고, 복수 주파수법은 분리된 협대역 주파수의 음향산란레벨을 수집하여, 대상생물의 광대 역 음향산란특성과 비교함으로써, 어종 또는 크기를 추 정하는 방법으로 발전하였다.
복수주파수를 활용한 연구는 어종식별을 위해 많은 연구가 이루어 졌으나, 어류 생물의 음향산란 특성과 사용주파수의 파장과 개체의 크기의 관계 (L /λ)에서 특징적인 정보를 얻는 데에는 한계를 가짐으로써 (Horne and Jech, 1999), 2주파수법 만이 극히 제한적인 상황에서 유용함이 인정되어 활용되고 있다. 한편, 최 근에는 기존의 협대역의 복수주파수를 이용한 조사에 서 벗어나, 광대역 음향시스템을 통한 계측기법에 대한 연구가 수행되고 있다. 광대역 음향산란특성의 활용은 돌고래가 광대역의 명음을 이용하여 수중생물을 파악 하는 생물 소나의 능력으로부터 착안하여, 광대역 주파 수를 가지는 인공소나 시스템을 개발하여 광대역 송신 신호로부터 수신된 신호에서 대상생물의 특징을 찾아 내고자하는 연구가 활발히 진행되고 있다 (Imaizumi et al., 2008).
음향시스템을 이용하여 수중생물을 계측하는 기법에 서 무엇보다도 먼저 파악되어야 할 것은 대상생물의 음 향산란특성이다 (Lee and Shin, 2005). 과거에는 협대역 주파수에 대한 음향산란특성, 즉 사용주파수에 대한 최 대 또는 평균 음향반사강도 (Target stength, 이하 TS)만 을 파악하여, 대상생물을 파악하거나 자원량을 추정하 는 파라미터로 활용되어 왔으나, 최근 다주파 시스템 및 광대역 시스템이 개발되어 활용되기 시작함으로써 (Lee et al, 2014), 대상생물의 광대역 음향산란특성을 파악해야 할 필요성이 대두되었다.
수중생물의 광대역 음향산란특성을 파악하기 위해서 는 광대역시스템에 의한 실측을 통하여 파악할 필요가 있다. 그러나, 광대역 시스템에 의한 실측을 수행하기 위해서는 측정 이전에 대상생물의 산란특성을 예측함 으로써 실측과정에서의 오류를 없애고, 실측 후에 실측 값들에 대한 적절한 검증을 수행할 필요가 있다. 협대 역 주파수에 의한 측정값들도 광대역 시스템의 실측값 을 예측하고 검증을 위해 활용될 수 있지만, 정확도 높 은 광대역 음향산란패턴을 다른 방법을 통하여 사전에 파악할 수 있다면, 많은 시간과 노력이 필요한 TS 실측 과정에 오류를 피할 수 있기 때문에 중요하다.
본 연구에서는 바다목장해역의 주요 어종인 볼락에 대하여, 음향산란과 관련한 어류의 형태적 특성을 분석 하고, 협대역 및 광대역 음향산란특성을 추정하여 검토 함으로써, 어류의 음향산란특성에 대한 이해와 광대역 음향산란특성의 측정에 있어서 기초적인 정보를 제공 하고자 하였다.
재료 및 방법
Clay and Horne (1994)은 어류의 체조직과 부레를 유 한원통요소로 근사하는 Kirchhoff-ray mode model (이 하, KRM모델)을 개발하고, 실측치와 비교하여 모델의 실용성을 확인하였다. KRM모델은 어류의 몸체는 유체 의 유한원통 (fluid-filled cylinder) 요소들로 형상화하 고, 부레는 기체의 유한원통 (gas-filled cylinder) 요소 들로 형상화한다. 어류의 몸체와 부레로부터의 산란되 는 음향 에너지는 각각의 유한원통으로 부터의 음향산 란진폭의 합으로 계산되는데, 어류 몸체로부터의 음향 산란진폭 (ℒbody )은 다음 식과 같다.
여기서, fr 은 주파수, S b는 지느러미를 제외한 몸체 의 형상, θtilt 는 음파의 입사각, ρw , ρb는 각각 해수밀 도와 체조직의 밀도, cw , cb는 각각 해수와 몸체의 음속 이다. 그리고, 부레의 음향산란 진폭 (ℒswim bladde r )은
으로 표현되는데, 여기서 S sb , ρsb , csb는 각각 부레의 형상, 밀도, 음속이다. 따라서, 어류 전체로부터의 음향 산란 진폭 (ℒfish )은
가 되며, 최종적으로 얻고자 하는 어류 전체로부터의 음향산란진폭 ℒfish 와 TS (dB)의 관계는 로 구할 수 있다.
KRM 모델을 이용하여 어류의 음향산란을 계산하기 위해서는 어류 몸체 및 부레의 형상을 추출해야 하는 데, 어류 몸체와 부레 형상에 대한 좌표값은 X-ray 화 상으로부터 추출된다. 본 연구에 대상으로 한 볼락의 샘플은 경남 통영 욕지도에서 정치망에 어획된 것으로 써, 체장이 10.8cm~15.5cm인 총 18마리를 이용하였다 (Fig.1). 샘플 어류는 활어조에서 살아 있는 상태에서 부레 형상의 변화가 최소화될 수 있도록 급속냉동법을 이용하여 냉동한 후, X-ray 촬영을 실시하였다. 먼저 샘 플 어류의 체장을 잰 다음, X-ray 촬영기를 이용하여 옆면과 배면에 대하여 각각 1장의 사진을 촬영하였다. 이 X-ray 화상은 Matlab (Matlab 7.10.0, MathWorks)으 로 제작한 디지타이징 프로그램을 이용하여 몸체와 부 레의 좌표값을 추출하였는데, 몸체의 형상추출시 지느 러미는 제외되었으며, 디지타이징시의 간격은 약 1~3 mm였다 (Fig.2).
어류로부터 추출한 옆면과 배면에 대한 몸체와 부레 의 형상 좌표는 원통의 형태로 3차원으로 모델화 된 어 류의 형상을 Fig. 3에 나타내었다. 어류의 3차원 모델은 그림에서와 같이 실제 어류의 형상과 거의 동일한 형태 로 모델화되기 때문에, 어류의 형태학적 특성을 그대로 반영한다. 따라서, 본 연구에서는 3차원으로 형상화된 어류모델로부터 어류의 형태적 특징을 추출하고 음향 산란특성과 관계에 대하여 검토하였다.
결과 및 고찰
유한원통 요소로 모델화한 볼락 샘플로부터 추정한 부레의 형태적 특징을 Table 1에 나타내었다. 볼락의 체축과 부레의 주축이 이루는 경사각, 즉 부레가 가지 는 경각의 최대값은 30°였고, 최소값은 17°였으며, 그 평균값은 약 25.2° (S.D.=3.15) 로 나타남으로써, 부레 의 경각은 회유성 어종과 같이 체축이 긴 어류의 경각 에 비해 매우 큰 것으로 판단된다 (Gauther and Horne, 2004). 이동이 큰 회유성 어종은 주로 방추형으로 부레 가 등골을 따라 비교적 적은 경각을 가지도록 길게 위 치하고 있는 것에 반하여, 연안 어류들의 부레는 길이 가 짧고 등골을 따라가지 않고, 아랫쪽으로 급하게 경 사를 가지는데, 이것은 연안에서 해저나 바닥에 있는 먹이생물을 섭취하는 정착성 어류의 생태적 특징과 관 계가 있을 것으로 생각된다. Son and Hwang (2002)은 조피볼락과 참돔의 음향반사강도 측정연구에서, X-ray 촬영을 통하여 부레의 경각을 추정한 결과, 조피볼락은 약 23°~28°, 참돔은 18°~22°의 경각을 가진다고 보고하 였는데. 본 연구와 거의 유사한 결과를 나타내었다. 따 라서, 연안 정착성 어류 가운데 체형이 측편형인 어종 들은 부레의 경각 특성이 유사할 것으로 판단된다.
볼락의 체장과 부레의 체적 사이의 관계를 Fig. 4에 나타내었다. 부레의 체적은 체장이 커짐에 따라 증가하 는 경향을 나타내었지만, 체장이 크게 차이나지 않음에 도 불구하고 부레의 체적에서 차이가 나는 경향을 나타 내어, 체장에 대하여 높은 상관관계를 나타내지는 않았 다. X-ray 화상에서 부레의 형태를 추출할 때, 부레의 형상은 다른 외부적인 요인에 의해서 영향을 받아 변화 한 경우는 없었으며, 거의 모든 개체가 동일한 형태를 가지고 있었다. 따라서, 부레의 체적이 체장에 대한 강 한 상관관계를 나타내지 않는 것은 X-ray 화상으로부 터 부레의 좌표를 추출할 때 발생한 디지타이징 오차의 영향도 있었을 것으로 생각되지만, 개체의 성장 특성과 깊은 관계가 있을 것으로 판단된다.
볼락의 체장과 부레의 면적 사이의 관계를 Fig.5에 나타내었다. 여기서, 부레의 면적은 어류를 등방향으로 내려다보았을 때의 단면적을 의미하는데 (Fig. 3의 (b)), 실제 부레는 체축과 경각을 가지고 있기 때문에, 이 면 적은 실제 부레가 수평하게 되었을 때의 단면적보다는 작은 값을 가진다. 부레의 면적은 체적의 경우에 비해 조금 더 높은 상관관계를 나타내었으나, 이 관계 또한 개체어의 형태적 특성으로 인하여, 체장이 크게 차이나 지 않음에도 불구하고 면적에서는 차이를 보이는 경우 가 나타났다. 결과적으로 체장과 부레의 면적사이의 관 계는 A=0.6716TL-6.3043 (R2=0.688)로 추정되었다.
체장에 따른 어류 몸체와 부레의 체적비와 면적비의 관계를 Fig. 6에 나타내었다. Fig. 4와 Fig. 5에 나타난 바와 같이 부레의 체적과 면적은 어류의 체장이 커짐에 따라 같이 증가하는 경향을 나타내었는데, 어류 몸체에 대한 부레의 체적의 비는 개체 생물의 성장 또는 형태 적 특징에 의해 차이를 보이기도 하였으나, 체장에 따 라 증가하거나 감소하는 경향없이 서로 유사한 값을 가 지는 것으로 나타났다. 이것은 어류가 성장하면서 체장 이 커짐에 따라 어류의 몸체가 커지면서 부레의 크기도 거의 동일한 비율로 커짐으로써, 몸체를 기준으로 한 부레의 체적비는 큰 차이가 발생하지 않기 때문으로 판 단된다. 몸체에 대한 부레의 체적의 크기는 최대값이 4.43%, 최소값이 2.20%, 평균값이 3.13% (S.D.=0.52)로 추정됨으로써, 부레의 체적은 어류 몸체의 체척의 약 3% 정도인 것으로 확인되었다.
또한 면적비도 어류가 성장하면서 그 형태가 크게 바 뀌지 않고 동일한 비율로 커지기 때문에, 면적비 또한 체장에 따라 증가하거나 감소하는 경향은 없는 것으로 나타났는데, 몸체의 면적에 대한 부레 면적의 크기는 최대값이 21.31%, 최소값이 14.85%였으며 평균값은 17.60% (S.D.=1.5)로 나타났다. 따라서, 음향산란 크기 의 대부분을 차지하는 부레의 크기는 몸체의 크기와 일 정한 관계를 가지는 것으로 추정되었으며, 몸체의 크기 는 개체의 성장 특성과 관련이 있으나, 체장과 일정한 관계를 가지기 때문에 음향산란강도가 체장과 관계하 는 것을 확인할 수 있었다.
부레의 경사각와 최대 TS값을 가지는 유영자세각과 의 관계를 Fig.7에 나타내었다. y축의 유영자세각은 어 류의 체축이 음파의 입사방향과 이루는 각을 의미하는 데, 90°일 때는 어류의 체축이 수평일 경우를 의미하고, 90°보다 작은 경우가 머리가 위쪽을 향하는 경우를 의 미한다. 이 값은 각 샘플어류에 대하여 주파수 20 kHz 부터 1 kHz씩 주파수를 증가시키면서 200 kHz까지 181개의 음향산란패턴을 구한 다음, 각 주파수에 대한 음향산란패턴에서 최대 음향반사강도값을 가지는 유영 자세각을 추출하여 평균값과 표준편차를 구한 것이다. 최대 TS값이 나타나는 유영자세각은 주파수에 따라 변 화하였는데, 각 샘플에 대하여 추정한 결과 표준편차의 최대값은 7.4였고, 최소값은 2.2였으며, 표준편차의 평 균은 약 4.2로 나타났다. 따라서, 최대 TS값이 나타나 는 유영자세각은 주파수에 따라 크게 변화하는 것으로 판단된다. 또한, 개체 샘플이 가지는 부레의 경각특성 과 최대 TS가 나타나는 유영자세각 사이에는 뚜렷한 상관관계가 나타나지는 않았는데, 이것은 개체 샘플이 가지는 부레 및 몸체의 형태적 차이 등에 의하여 음향 산란패턴이 영향을 받기 때문으로 판단된다. 그러나, 전체적으로는 체축과 부레가 이루는 경각이 증가할수 록 최대 TS가 나타나는 유영자세각은 감소하는 경향을 나타내었으며, 이것은 부레의 추축이 수평에 가까워질 때 부레의 등방향 단면적이 커져서 음향반사강도가 커 지기 때문으로 생각된다.
한편, 어류의 체장 (Total length)과 평균 TS 사이의 관계식은 어류의 TS가 체장의 2승에 비례한다는 가정 하에서 다음과 같이 표현된다.
EQ5
이 식은 음향자원조사에서 에코적분법을 이용한 어 류 현존량 추정시에 사용되는데, 과학어군탐지기 주파 수 38 kHz, 70 kHz, 120 kHz 그리고 200 kHz에 대하 여 계산한 계수 b20 의 값을 Table 2에 나타내었다. 평균 TS값을 구하기 위해서는 볼락의 유영자세각에 관한 정 보가 필요하다. 현재 문헌에 보고된 유영자세각 특성에 관한 연구결과가 없기 때문에 유영자세각 변동의 특성 은 일반적인 어류에 대한 값인 평균 –5, 표준편차 ±15 의 확률밀도함수로 가정하여 구하였다. 관계식을 추정 하기 위해 사용된 샘플의 체장 범위가 좁기 때문에, 각 샘플로부터 구한 b20 값을 평균하여 추정하였는데, 38 kHz는 –69.01, 70 kHz는 –69.83, 120 kHz는 –70.17, 200 kHz는 –70.93으로 나타났으며, 주파수가 높아질수록 값 이 작아지는 경향을 나타내었다.
볼락류에 대한 음향반사강도 측정 연구는 주로 우리 나라 연안에 많이 서식하고 있는 조피볼락에 대하여 수 행되어 왔는데, Son and Hwang (2002)은 38 kHz, 120 kHz 및 200 kHz에 대한 조피볼락의 b20 계수를 각각 ‑68.4, 73.4, ‑70.8로 추정하였다. 또한, Moon et al. (2006) 은 70 kHz와 120 kHz에 대한 조피볼락과 불볼락의 음향 반사강도- 체장 관계식을 도출하였는데, 70 kHz에 대한 조피볼락의 b20 계수는 ‑71.29, 120 kHz는 –70.40으로 보고하였고, 불볼락의 경우는 각각 ‑72.03과 ‑67.68로 보고하여, 본 연구결과와 매우 유사한 값을 나타내었다.
볼락에 대한 광대역 음향산란 특성을 추정한 결과를 Fig.8에 나타내었다. 여기서, x축은 유영 자세각으로 그 범위는 15~165° 이고, y축은 주파수로서 20~200 kHz의 범위를 나타낸다. Fig. 8에서 (a)는 체장이 가장 작은 샘 플에 대하여 얻은 것이고, (b)는 체장이 가장 샘플로부 터 얻은 것이다.
음향산란패턴을 보면, 유영자세각 약 80도 전후에서 최대값을 보였는데, 저주파에서는 음향산란패턴의 main scattering lobe가 넓고 부드럽게 나타났고, 주파수가 높 아짐에 따라 main scattering lobe가 좁아지면서 변화가 커지고, side lobe의 값도 크게 변화하였다. 또한, (a)와 (b)의 비교에서도 나타나듯이, 개체의 크기가 커짐에 따라 음향산란패턴의 main scattering lobe와 side lobe 의 굴곡이 커지면서 변화가 심해지는 것을 알 수 있다. 또한, 높은 강도를 나타내는 main scattering lobe의 폭 도 주파수가 높아질수록 일률적으로 변화하지 않고, 복 잡하게 변화하는 것으로 나타났다. 그러나, 실험에 사 용되었던 모든 샘플에 대하여 Fig.8의 오른쪽과 같은 2 차원 화상을 추정해 본 결과, 그 형상은 거의 유사한 형 태를 나타내었다.
어류의 음향산란특성은 어류의 형태적인 특징과 크 게 관계한다. 경골어류의 음향반사의 대부분은 음향임 피던스가 큰 부레에 의한 반사가 대부분을 차지하므로, 부레의 형상은 음향산란의 크기뿐만 아니라, 음향산란 패턴의 변화에 큰 영향을 준다. 또한, 고주파에서는 부 레뿐만 아니라, 어류의 골격으로부터 반사되는 음향산 란의 영향도 더욱 커지므로, 음향산란패턴은 어류 전체 의 형상을 반영하게 된다. 광대역 음향산란특성을 이용 한 어종식별 기술은 이러한 어류의 형태적 특성으로부터 나타나는 주파수차의 특징들은 매우 중요할 것이다. 체 장이나 부레의 크기와 관계하는 음향산란패턴의 변화 를 활용하여 대상어의 크기 추정 등에 활용하거나, 부 레가 체축과 이루는 경각과 유영 자세각과 관계하는 최 대 TS 등과 같은 특성으로부터 대상어종에 대한 형태 학적 정보를 추출할 수도 있을 것으로 기대된다.
광대역 음향산란특성과 어류의 형태학적 특징을 구 명함과 그것을 어류의 광대역 음향산란특성과 관련하 여 해석하고, 이들 사이의 특징적인 상관관계를 정의할 수 있다면, 광대역 음향시스템을 이용한 어체추정 및 어종식별에 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
결 론
바다목장해역의 주요 어종인 볼락 샘플 18마리에 대 하여, 음향산란과 관련한 어류의 형태적 특성을 분석하 고, 음향산란 이론모델을 이용하여 협대역 및 광대역 음향산란특성을 추정하였다. 볼락의 체축과 부레의 주 축이 이루는 경사각의 최대값은 30°였고, 최소값은 17° 였으며, 그 평균값은 약 25.2° (S.D.=3.15) 로 나타났으 며, 이 값은 다른 연안 어종과 유사함을 확인하였다. 또 한, 체장에 따른 어류 몸체와 부레의 체적비와 면적비 는 체장에 따라 증가하거나 감소하는 경향은 나타나지 않았으며, 체적의 크기는 최대값이 4.43%, 최소값이 2.20%, 평균값이 3.13% (S.D.=0.52)로 추정되었고, 부 레 면적의 크기는 최대값이 21.31%, 최소값이 14.85% 였으며 평균값은 17.60% (S.D.=1.5)로 나타났다. 볼락 의 평균 TS에 대한 체장변환계수 b20 의 값은 38 kHz는 –69.01, 70 kHz는 –69.83, 120 kHz는 ‑70.17, 200 kHz는 –70.93으로 나타났으며, 기존에 보고된 조피볼락과 불 볼락의 문헌의 값과 유사함을 확인하였다. 볼락의 광대 역 음향산란특성은 개체의 형태적 차이와 체장에 따라 차이가 있으나, 거의 유사한 특성을 가지는 것으로 확 인됨으로써 어종의 형태적 특징을 반영하는 것으로 판 단된다. 앞으로 어종별 형태적 특징과 관련한 음향산란 특성을 정의함으로서 광대역 음향시스템을 이용한 어체 추정 및 어종식별에 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
