Underwater Acoustic Source Signal Detection Using Terahertz Radar Sensors

깊은 바닷속에서 벌어지는 비밀스러운 대화를 배 위에 서 있는 당신이 듣는다고 상상해 보세요. 그것은 마치 두꺼운 방음벽을 통해 속삭임을 들으려는 것과 비슷합니다. 물은 소리가 공기 중으로 빠져나가는 것을 막고, 공기는 소리가 다시 안으로 들어오는 것을 막습니다. 이것은 과학자와 엔지니어들이 '우주-공중-지상-해양' 네트워크, 즉 위성, 비행기, 잠수함이 서로 통신할 수 있는 초연결 시스템을 구축하고자 할 때 직면하는 거대한 문제입니다. 보통 잠수함을 찾고 싶다면 소리를 듣기 위해 잠수함을 직접 보내야 합니다. 왜냐하면 음파는 트램펄린에 튕겨 나가는 공처럼 해수면에 부딪혀 바로 튕겨 나가고, 무선 주파수(Wi-Fi 같은 것)는 물에 닿는 순간 사라져 버리기 때문입니다.

하지만 자연에는 교활한 작은 트릭이 있습니다. 수중에서 음원(sound source)이 진동하면, 그것은 단순히 숨어 있는 데 그치지 않고 물의 표면을 밀고 당기며 아주 미세한 잔물결을 만들어냅니다. 이것은 배 때문에 생기는 큰 파도가 아닙니다. 이것은 인간의 머리카락 너비보다도 작은, 수중 음파의 리듬에 맞춰 춤을 추는 미세한 떨림입니다. 만약 당신이 이 보이지 않는 떨림을 볼 수 있다면, 물에 젖지도 않고 수중에서 어떤 일이 일어나고 있는지 알아낼 수 있을 것입니다. 문제는 이 떨림이 너무 작고 바다가 바람과 큰 파도로 인해 매우 시끄럽기 때문에, 이를 포착하는 것이 마치 록 콘서트 한복판에서 핀 하나가 떨어지는 소리를 듣는 것만큼 어렵다는 점입니다.

이 논문은 공중을 위한 초정밀 '귀'를 만들어 실제로 이러한 미세한 떨림을 들을 수 있게 된 한 연구팀의 이야기를 들려줍니다. 그들은 마이크나 카메라를 사용하지 않았습니다. 대신 마이크로파와 적외선 사이에 위치한 테라헤르츠 주파수 대역에서 작동하는 특수한 레이더를 사용했습니다. 이 레이더를 생각하면, 모래알보다 작은 거리 변화까지 측정할 수 있는 매우 정확한 자와 같습니다. 연구팀은 수중의 소리를 감지하기 위해 물 표면의 춤을 관찰하는 방식으로 이 레이더를 사용할 수 있는지 확인하는 실험을 설정했습니다. 그들은 바다가 거칠고 소란스러울지라도, 자신들의 특수 레이더와 영리한 새로운 수학적 기법을 사용하면 노이즈를 걸러내고 수중 음파에 의한 미세하고 리드미컬한 떨림을 찾아낼 수 있다는 것을 발견했습니다.

보이지 않는 춤과 초정밀 자

연구진은 간단한 질문에서 시작했습니다. "만약 수중 스피커가 소리를 내면, 실제로 수면이 움직이는가?" 답은 '예'이지만, 그 움직임은 믿을 수 없을 정도로 작습니다. 그들이 이 움직임을 어떻게 포착했는지 이해하기 위해, 해수면을 거대한 탄력 있는 트램펄린이라고 상상해 보세요. 당신이 트램펄린 위에서 점프하면 전체가 위아래로 출렁거립니다. 하지만 누군가 트램펄린 아래에서 비밀스러운 리듬으로 속삭인다면, 천이 그 속삭임에 맞춰 아주 미세하게 흔들릴 수도 있습니다. 문제는 바람이 트램펄린을 격렬하게 흔들고 있고, 그 '속삭임'에 의한 흔들림은 너무 작아서 그 혼돈 속에 파묻혀 버린다는 것입니다.

이를 포착하기 위해 연구팀은 맞춤형 레이더 시스템을 제작했습니다. 대부분의 레이더는 물체에 빛을 튕겨 보내 거리를 측정하는 손전등과 같습니다. 하지만 이 레이더는 트램펄린의 천이 머리카락 굵기의 아주 작은 분량만큼 움직였는지까지 측정할 수 있을 정도로 매우 안정적이고 정밀한 레이저 포인터와 같습니다. 그들은 테라헤르츠 영역에 있는 122.5 GHz 주파수를 사용했습니다. 왜 이렇게 높은 주파수를 사용했을까요? 주파수가 높을수록 레이더가 미세한 움직임에 더 민감해지기 때문입니다. 이는 돋보기 대신 현미경을 사용하는 것과 같습니다. 주파수가 높을수록 더 작은 디테일을 볼 수 있습니다.

노이즈 문제와 수학의 마법

가장 큰 장애물은 레이더를 만드는 것이 아니라 바다를 상대하는 것이었습니다. 바다는 결코 정지해 있지 않습니다. 평온한 날에도 큰 파도가 몰려오고, 표면에서는 작은 기포들이 터집니다. 이러한 현상은 수중 음파로부터 오는 미세한 신호를 잡아먹는 엄청난 양의 '노이즈'를 만들어냅니다. 이는 마치 수천 명의 사람들이 동시에 소리를 지르는 노래 속에서 특정 멜로디를 찾아내려는 것과 같습니다.

연구진은 몇 가지 다른 방식으로 들어보려 시도했습니다. 첫째, 신호의 세기(진폭)를 살펴보았지만, 이는 소리의 크기가 변하는 것을 보고 속삭임을 들으려는 것과 같았습니다. 바다의 움직임 때문에 소리의 크기가 너무 많이 변했기 때문에 효과적이지 않았습니다. 그다음, 신호의 '타이밍'(위상)을 들어보는 방법을 시도했습니다. 이것은 드럼 비트가 정확히 언제 떨어지는지를 듣는 것과 같습니다. 레이더가 매우 정밀하기 때문에, 수면의 아주 작은 변화도 에코(메아리)의 타이밍을 변화시킵니다. 이 방법이 훨씬 나았지만, 바다는 여전히 너무 시끄러웠습니다.

그래서 그들은 '웨이브릿 패킷 동적 임계값 처리(Wavelet Packet Dynamic Thresholding)'라는 새로운 수학적 기법을 발명했습니다. 시끄러운 파티 녹음본에서 특정 인물이 흥얼거리는 곡조를 찾는다고 상상해 보세요. 단순한 필터는 모든 소리의 볼륨을 낮추려 할 것이고, 그러면 흥얼거림 소리도 함께 작아질 것입니다. 이 새로운 수학적 기법은 더 똑똑합니다. 이 방식은 소리를 아주 작은 조각들로 분해하여 하나씩 살펴봅니다. 이 기법은 바다의 파도는 느리고 낮은 음조인 반면, 수중 음파는 더 빠르고 높은 음조라는 것을 알고 있습니다. 이는 마치 클럽의 아주 똑똑한 경호원처럼 행동하여, 느리고 큰 파도는 문을 통과하게 두되, 미세하고 높은 음조의 흥얼거림이 있는 VIP 룸에는 들어오지 못하도록 차단하는 것과 같습니다. 그런 다음, 속삭임을 실수로 잘라내지 않도록 정확히 얼마만큼의 노이즈를 제거할지 결정하기 위해 특별한 규칙(SURE 기준이라 불리는)을 사용합니다.

실제 환경 테스트

연구팀은 컴퓨터 상에서만 이 작업을 수행한 것이 아니라, 실제 바다로 나갔습니다. 그들은 해안 근처의 플랫폼에 레이더를 설치했고, 이후에는 수면 위를 비행하는 드론(쿼드코터 UAV)에 설치했습니다. 그들은 수중의 서로 다른 깊이에 음원을 배치하고 다양한 톤을 재생했습니다.

그들이 발견한 사실은 다음과 같습니다:

• 실제 바다에서도 작동함: 연구팀은 작은 파도와 물보라가 있는 '해상 상태 2(Sea State 2)' 상황에서도 수중 소음을 성공적으로 감지했습니다. 이는 이전의 테스트들이 주로 조용하고 통제된 수조에서 이루어졌다는 점에서 매우 중요한 성과입니다.
• 깊이의 한계: 시스템은 음원이 수면에 가까울 때 가장 잘 작동한다는 것을 발견했습니다. 음원이 0.5m 깊이에 있을 때는 신호가 명확했습니다. 하지만 깊이를 2.0m로 낮추자 신호가 매우 약해졌고 거의 사라졌습니다. 이는 소리가 수면으로 올라오려고 할 때 물속에 "갇히는" 것과 같습니다.
• 높이의 한계: 드론을 사용했을 때, 드론이 너무 높이(3m 이상) 비행하면 신호가 흐릿해지고 읽기 어려워진다는 것을 발견했습니다. 드론 자체의 흔들림과 거리가 미세한 잔물결을 보는 것을 방해했습니다.
• 출력의 한계: 수중 음파는 충분히 커야 했습니다. 만약 음원이 너무 작으면(169 dB 미만), 레이더는 배경 소음과 음파를 구별할 수 없었습니다.

이것이 의미하는 바

이 논문은 우리가 수면의 춤을 관찰함으로써 초정밀 레이더와 스마트한 수학적 필터를 사용하여 수중 소리를 "볼 수 있다"는 것을 보여줍니다. 아직 모든 것에 적용 가능한 마법 같은 해결책은 아닙니다. 연구팀은 바다가 정말 거칠어지거나(Sea State 2보다 높을 때), 음원이 매우 깊은 곳에 있으면 시스템이 어려움을 겪는다는 점을 인정했습니다. 또한 드론이 매우 안정적이어야 한다는 점도 언급했습니다.

하지만 이것은 커다란 진전입니다. 우리는 수중의 소리를 듣기 위해 반드시 잠수함을 보낼 필요가 없으며, 하늘에서 들을 수도 있다는 것을 증명했습니다. 연구팀은 향ar에 인공지능을 사용하여 단순히 음의 높낮이뿐만 아니라 다양한 종류의 수중 소리를 인식하도록 레이더를 더 똑똑하게 만들 수 있다고 제안합니다. 또한 더 거친 바다와 바람 속에서도 안정적으로 떠 있을 수 있는 더 좋은 드론을 사용하여 테스트하기를 원합니다. 현재로서는, 그들은 수면의 보이지 않는 춤이 실재하며, 적절한 도구만 있다면 마침내 그 아래에서 연주되는 음악을 들을 수 있다는 것을 보여주었습니다.