빛 듣기: DAS가 해저에 혁명을 일으킬 수 있음

David R. Strachan은 국방 분석가이자 Strikepod Systems의 창립자입니다.

2023년 1월 26일

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2020년 여름, 스발바르 제도에 기반을 둔 노르웨이 과학 기술 대학교(NTNU) 해양 과학자 그룹은 약 70~90km 떨어진 북극해와 북해에서 뛰어노는 수염고래의 소리를 성공적으로 감지했습니다. 연구자들이 정기적으로 고래 행동을 모니터링하고 고래 노래가 먼 거리를 횡단하는 것으로 오랫동안 알려져 왔기 때문에 처음에는 이것이 다소 눈에 띄지 않는 것처럼 보일 수 있습니다. 그러나 이 특정 관찰 세트를 특별하게 만든 것은 선택한 센서였습니다. 그것은 해양 생물음향 무역에서 신뢰받는 도구인 수중청음기가 아니었습니다. 대신에 그것은 Longyearbyen과 Ny-Ålesund 마을 사이를 연결하는 120km의 해저 광섬유 케이블을 통해 전송되는 빛의 펄스였습니다.

NTNU 과학자들은 광섬유를 사용하여 음향 또는 지진 활동에서 발생하는 압력파를 감지하는 분산 음향 감지(DAS)로 알려진 비교적 새롭고 혁신적인 기술을 활용했습니다. 인터로게이터(interrogator)라고 알려진 특수 장치를 사용하여 알려진 간격으로 사용되지 않은 "어두운" 섬유의 길이를 따라 광 펄스가 전송됩니다. 빛이 광섬유 내에서 작은 결함을 발견하면 그 중 일부가 인터로게이터로 다시 반사됩니다(레일리 후방 산란으로 알려진 현상). 음향 방출로 인한 압력파는 섬유에 "나노 변형"을 가하므로 반사광에 변동이 발생합니다. 그런 다음 이러한 변동을 분석하고 고급 신호 처리를 사용하여 고유한 음향 신호로 변환하여 소스를 감지할 뿐만 아니라 식별하고 위치를 파악할 수도 있습니다. DAS가 해양 환경에서 사용될 때, 섬유를 따라 있는 결함은 본질적으로 작은 수중청음기 역할을 하여 광섬유 케이블 길이를 큰 조리개 센서 어레이로 변환합니다. 그리고 음파가 해저를 관통할 수 있기 때문에 감지 섬유가 효과적이기 위해 물기둥에 완전히 노출될 필요는 없습니다. NTNU 프로젝트에 사용된 케이블의 일부 부분은 1~2미터의 퇴적물 아래에 묻혀 있었습니다.

전 세계에 785,000마일(120만 킬로미터)의 해저 케이블이 연결되어 있다는 점을 고려하면 DAS는 해양 관측에 있어 획기적인 발전을 의미합니다. 해저에 점재하는 개별 음향 및 지진 센서에 의존하는 대신, 해저 케이블 내에 수용된 어두운 섬유는 이제 생물학적 소음과 인위적 소음을 모두 감지할 수 있는 수천 개의 수중 청음기에 해당하는 수 킬로미터 길이의 센서 배열로 용도가 변경될 수 있습니다. 고래 발성 외에도 DAS는 수상 선박, 지진, 표면파 및 먼 바다 폭풍을 성공적으로 감지했으며 세계적인 쓰나미 경보 시스템으로도 작동할 수 있습니다. 이미 배치된 광역의 지속적인 센서 네트워크를 제공할 수 있는 능력을 고려할 때 광활한 바다 전체에 걸쳐 해저 방어 작전에서 DAS의 잠재력은 상당합니다. 특히 감시 범위를 추가로 제공하고 지표면과 지표면 목표물을 모두 추적함으로써 가능합니다. DAS는 수상 군함을 탐지하고 추적하여 위성 및 항공기와 같은 다른 ISR 플랫폼에서 수집된 정보를 강화할 수 있습니다. DAS는 이동 중인 선박을 감지하는 것 외에도 동적 위치 확인 시스템의 소리를 감지하여 해저 작업이 진행 중임을 나타낼 수도 있습니다.

이미지 제공: 빛의 속도로 도청: 북극 고래의 분산 음향 감지, https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmars.2022.901348/full#B54에 있는 연구 기사

수면 아래에는 해저 전쟁을 위한 애플리케이션이 있습니다. 현재 DAS는 저주파 방출(밀리헤르츠 범위까지)을 감지하는 데 최적화된 것으로 보이며 현대 잠수함이 저주파 범위에서 방출하지만 이러한 방출도 강도가 낮습니다. 오픈 소스에 따르면 분류되지 않은 추정치에 따르면 95에서 95 사이입니다. 110데시벨로 주변 바다의 주변 소음인 약 90데시벨보다 약간 더 높습니다. 데시벨이 로그 측정값이라는 점을 고려하면(즉, 10데시벨 증가할 때마다 음향 출력이 10배 증가하므로 20데시벨, 100배, 30데시벨, 1000배) 이는 북대서양 흰긴수염고래의 신음 소리와 비교하여 180데시벨을 초과할 수 있습니다. 데시벨, 유인 잠수함은 훨씬 적은 음향 전력을 생성합니다.