A Study on the Characteristics of Underwater Sound Transmission by Short-term Variation of Sound Speed Profiles in Shallow-Water Channel with Thermocline

수중음향 전달채널의 임펄스 응답(Channel Impulse Response: CIR)은 음속구조(Sound Speed Profile: SSP)의 영향을 받으며, 채널 임펄스 응답의 변화는 수중음향통신 시스템의 성능에 중요한 영향을 미친다. 음속분포의 변화는 단기간 내에서도 나타날 수 있으며, 수중음향 모뎀 설계 시 반드시 고려되어야 한다. 이 논문은 2013년도에 제주도 동방해역에서 수행된 JACE13에서 취득된 데이터를 기반으로 음선전달 수치해석을 통해 단기간 동안 시간에 따라 변화하는 음속구조가 음향 신호 전달에 미치는 영향을 통계적으로 분석한 결과를 제시한다. 분석결과 송 수신기 수심별로 채널 임펄스 응답의 변화가 다양하게 나타나며, 송 수신기 수심이 깊을수록 음속구조의 변동에 따른 음향신호 전달 양상의 변화는 작아지고, 신호 준위가 높게 나타난다. 이 연구에서의 다양한 거리, 송, 수신기 수심에 따라 얻어진 채널 임펄스 응답 추정 결과는 수온약층에서의 하방굴절로 인한 연속된 해저면 반사와 작은 해저면 반사손실이 장거리 신호 전파에 중요한 요인이 될 수 있음을 보여주며, 시변동성을 갖는 해양환경에서의 수중 음향 통신은 시간에 따라서 성능이 충분히 달라질 수 있다는 것을 보여준다. Underwater acoustic channel impulse responses (CIR) are influenced by sound speed profile (SSP), and the variation of CIR has significant effects on the performance of underwater acoustic communication systems. A significant change of SSP can occur within a short period, which must be considered during the design of underwater acoustic modems. This paper statistically analyzes the effect of the variation of SSP on the long-range acoustic signal propagation in shallow-water with thermocline using numerical modeling based on the data acquired from JACE13 experiment near Jeju island. The analysis result shows that CIR changes variously according to the SSP and the depth of the transmitter and receiver. We also found that when the transmitter and receiver are deeper, the variation of sound wave propagation pattern is smaller and signal level becomes higher. All CIR obtained in this study show that a series of bottom reflections due to downward refraction and small bottom loss in the shallow water with thermocline can be very important factor for long-range signal transmission and the performance of underwater acoustic communication system in time varying ocean environment can be very sensitive to the variation of SSP even for a short period of time.