조류측정의 원리

해저센서 내부 송수파기 소자에서 주파수 fo를 송출하면, 해수 중 미립자 등 반사체에 의하여 반사되는 주파수 fr과 같이 주파수 차가 발생하며, 반사체가 송수파기 방향으로 근접한 경우 수신주파수 fr는 송신주파수 fo 보다 높고, 반사체가 송수파기로부터 멀어질 경우 수신주파수 fr는 송신주파수 fo 보다 낮게 되는데 이러한 현상을 도플러효과라 한다.

여기서 반사체가 움직이는 속도(V), 송신주파수(fo), 수신주파수(fr)는 아래와 같이 관계식이 성립한다.

좌측 그림과 같이 해저센서 내부의 송수파기를 X-Y축 상에 4개로 배치하고, 각각 Z축으로부터 ?방향으로 빔을 향하게 하면, 4개의 빔으로 둘러싸인 구역 내에서 균일한 조류가 흐르고, 또 그 구역 내에 있는 반사체(해수중의 미립자 등)가 조류와 동일하게 유동한다 가정하면 X축 상의 송수파기 1, 3에서는 조류 U의 X성분(Vx)과 Z성분(Vz)에 의해 도플러효과를 받게 된다. 또한, 송수파기 2, 4는 Y성분(VY)과 Z성분(Vz)에 의하여 도플러효과를 받게 된다.
즉, 좌측 그림과 같이 X축 상의 송수파기 1, 3에 대한 빔 방향의 속도 벡터 V₁및 V3은,

V1 = Vx sin Θ + Vz cos Θ
V3 = -Vx sin Θ + Vz cos Θ

Y축 상의 송수파기 2, 4에 대한 빔 방향의 속도벡터 V₂및 V₄은,

V2 = Vy sin Θ + Vz cos Θ
V4 = -Vy sin Θ + Vz cos Θ

상기 식과 송수파기로 수신한 주파수 f₁~f₄를 이용하여 조류 U 및 각 성분별 Vx, Vy를 아래와 같이 산출할 수 있다.

C:음속, fo:송신주파수, f₁~f₄:수신주파수, θ:빔 방향각

조류의 유향 α는 아래의 연산식에 의하여 산출할 수 있다.

또한, 본 조류신호시스템은 임의 층의 조류 측정이 가능하며, 아래의 그림은 송수파기면으로부터 D1(m) A층 및 D2(m) B층의 2개 층의 조류를 측정 할 경우에 대한 설명이다.

위 그림의 송수파기로부터 초음파를 송신하여, 해중의 미립자 등 반사체로부터 되돌아 오는 신호를 수신한 경우, A층은 t₁= 2L₁/ C 후에 B층은 A층보다 약간 늦은 t₂= 2L₂/ C 후에 반사파가 수신되게 됨으로 A층의 조류는 각 송수파기의 수신신호 중, t₁초 후의 주파수를 각각 측정하여 A층에서 발생되는 조류의 속도 및 방향을 측정할 수 있으며, B층 또한 상기와 같이 초음파를 송신 후, 지정한 층의 타이밍으로 수신신호의 주파수를 측정함으로서 각 층의 조류를 구할 수 있다.

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