▲ 드론에 탑재된 PASS 기술을 이용해 물속 물체 영상 이미지를 획득하는 모습(이미지=스탠포드대)

미 스탠포드대 연구진이 공중에서 바다 속 물체 이미지를 확인할 수 있는 기술을 개발했다. 이 기술을 드론에 탑재하면 심해 조사 활동이나 고해상도 매핑 작업을 할 수 있다. 바다 속에 빠진 난파선 등 심해 물체를 확인하는 것도 가능하다.

스탠포드대 뉴스에 따르면 '아민 아르바비안(Amin Arbabian)' 교수 연구팀은 빛과 음파 기술을 결합해 깊은 바다속 물체 이미지를 획득할 수 있는 기술을 개발하고, 연구 성과를 전문저널인 ’IEEE 엑세스‘에 게재했다.

이번에 연구팀이 개발한 기술은 ’PASS(Photoacoustic Airborne Sonar System)’라고 불린다. 공중과 물속에서 각각 장점을 갖고 있는 빛과 음향 기술을 결합한 하이브리드 접근법을 채택했다. 선박이 아니라 드론 등 공중시스템에 탑재할 수 있는 소나(Sonar) 시스템이라고 할 수 있다.

현재 공중이나 지상에서 매핑이나 이미징 작업을 하는 데는 주로 레이더나 레이저 기반 라이더 기술이 활용된다. 레이더나 라이더 기술은 공중과 지상에선 위력을 발휘하지만 물속에선 무용지물이 되는 기술적인 한계를 지니고 있다. 이들 기술의 전자 신호는 물을 만나는 순간 흡수되고 만다. 아민 아르바비안 교수는 “우리의 목표는 탁한 물속에서도 물체에 관한 이미지를 획득할 수 있는 보다 견고한 시스템을 만드는 데 있다”고 소개했다.

연구팀에 따르면 지구 표면의 70% 정도는 바다로 이뤄져 있다. 하지만 바다속 물체에 관한 고해상도 이미지와 매핑 작업은 극히 제한적으로 진행되고 있다. 레이더나 음파 등은 공기 중에서 물을 만나면 대부분 에너지가 상실되고 만다. 예를들어 음파는 공기에서 물속으로 들어가는 순간 99.9% 이상의 에너지가 상실된다.

만일 드론에서 음파를 쏜다면 바다에 들어가는 순간 에너지 1차 상실이 일어나고 바다속에서 물체에 반사돼 다시 공중으로 튀어나올 때 두 번째 에너지 상실이 발생한다. 빛이나 마이크로웨이브 등 전자기 복사 기술도 마찬가지다. 이들 기술 역시 하나의 물리적 매체에서 다른 물리적 매체를 통과할 때 에너지가 상실된다. 빛은 반사과정에서 에너지를 잃지만 물을 만나면서 대부분의 에너지가 흡수되고 만다. 이 흡수 현상 때문에 스마트폰은 물속에서 터지지 않고, 태양광은 바다 깊은 곳까지 침투하지 못한다.

현재 심해 매핑작업을 위해 선박에 소나(sonar) 시스템을 탑재하지만 이 기술은 속도가 매우 느리고 비용이 많이 들어간다. 광활한 지역을 담당하기에는 비효율적이다.

스탠포드대 연구진이 개발한 PASS 기술은 공중과 수면간 인터페이스 장애를 돌파하기 위해 빛과 소리 기술을 결합했다. 공중에선 빛을, 그리고 물속에서는 음파 기술을 활용한다. 이를 구현하기 위해 연구팀은 수면에서 흡수되는 레이저 신호(적외선)를 공중에서 발사한다. 레이저 신호는 수면에서 흡수되지만 수면에 접하는 순간 물체에 반사되는 '초음파'를 발생시킨다. 레이저를 이용해 물속에서 음파를 생성함으로서 연구팀은 에너지 상실 문제를 해결했다.

연구팀에 따르면 물속에서 반사된 초음파 신호는 변환기(transducer)를 통해 기록 과정을 거친다. 이어 소프트웨어 알고리즘을 이용해 각각의 흩어진 음파 신호를 결합한다. 마치 그림 퍼즐을 맞추듯 물속의 물체를 3차원 이미지로 변환할 수 있다는 설명이다. 초음파 역시 물속에서 공기 중으로 튀어나오는 순간 굴절 현상이 발생하지만 연구팀은 이미지 재건 알고리즘을 활용해 굴절된 물속의 이미지를 교정했다.

▲ 연구실에 설치한 PASS 구현 장치. 레이저(1번) 장치에서 적외선을 발사한다. 적외선 광선은 2번 장치에 의해 음파 신호로 바뀐다.

▲ 물속에 있는 S자형의 물체 이미지를 3D 이미지로 추출할 수 있다.

연구팀은 이번에 개발한 PASS 기술을 실험실 내부에 설치한 대형 수조에서 테스트하고 효과를 입증했다. 앞으로 실제 바다 환경에서 기술을 검증하겠다는 계획이다. 이 기술을 드론이나 헬리콥터에 탑재하면 수백m 상공에서도 바다속 물체의 이미지를 획득하고 매핑 작업을 하는 게 가능하다는게 연구팀 설명이다.