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J. KIMS Technol > Volume 27(3); 2024 > Article
드론 기반 자기 이상 탐지를 이용한 해양에서의 강자성 표적 탐지

Abstract

Magnetic anomaly signals from the ferromagnetic targets such as ships in the sea are measured by drone-based magnetic anomaly detection. A quantum magnetometer is suspended from the drone by 4 strings. Flight altitude and speed of drone are 100 m and 5 m/s, respectively. We obtain magnetic anomaly signals of few nT from the ships clearly. We analyze the signal characteristics by the ferromagnetic target through simulation using COMSOL multiphysics.

서 론

삼면이 바다로 둘러싸인 대한민국은 해양을 통해서 적이 침투할 수 있는 경로가 많다. 특히, 잠수함과 같이 수중에서 접근하는 무기체계는 바다라는 매질이 잠수함에서 발산하는 각종 신호를 흡수하기 때문에 영상장비, 열상장비, 레이다, 그리고 라이다와 같은 장비로 탐지가 어렵다.
항만감시체계는 항만 주변 해저에 매설된 음향 센서와 자기장 센서를 이용한다. 음향 센서는 엔진 등에서 발생하는 소음을 감지하고, 자기장 센서는 강자성 표적에서 발생하는 자기장의 변화를 탐지한다[1]. 예를 들어, 잠수함과 같은 무기체계가 항만 주변에 접근하면, 배열 설치된 음향 센서는 이상 잡음을 감지한다. 배열 설치된 자기장 센서는 자기장 변화를 감지하여 해당 물체의 접근을 판단한다. 대한민국은 HUSS(Harbor Underwater Surveillance System), 미국은 UWACS(UnderWater ACoustic Sentinel), 그리고 이스라엘은 APNS-Port Guard(Advanced Port & Naval Assets Security System)을 운영하고 있다[2]. 하지만 모든 해안가에 센서를 매설하고 출력 신호를 확인하는 일에는 많은 예산과 인력이 필요하다. 특히 원양에 음향 센서와 자기장 센서를 규칙적으로 매설하는 것은 많은 제약이 따른다.
남극에서부터 북극으로 이어지는 거대한 자기장은 지구를 감싸고 있다. 지구 자기장 하에서 잠수함과 같이 금속으로 되어 있는 무기체계 등은 수중에 있어도 국소적으로 지구 자기장을 왜곡시킨다[1,3]. 해상 정찰기에 자기장 센서를 탑재하고 해당 영역을 스캔하면 지구 자기장 왜곡 신호를 탐지할 수 있으며, 이를 통해 해당 영역에서 금속성의 무기체계를 탐지할 수 있다. 이러한 시스템을 자기 이상 탐지(Magnetic Anomaly Detection: MAD)라 한다[4]. 자기 이상 탐지는 2차 세계 대전 당시 잠수함을 탐지하기 위해 개발되었으며, 이후 지하자원 탐사 및 지반구조 탐사에 활용되었다[5]. 예를 들어, CAE 社에서 개발한 MAD-XR은 3개의 양자 자기장 센서와 1개의 플럭스 게이트 방식의 자기장 센서가 탑재되어 있다. 데이터 시트에 따르면 약 100 m 깊이에서 잠항 중인 잠수함을 측정할 수 있다[6]. 참고문헌[7]에서는, 수중의 자기 이상 지도를 통해서 강자성 물체의 위치와 크기 등을 식별하는 방법을 정리했다.
잠수함 탐지를 위한 기존의 자기 이상 탐지는 해상 정찰기에 자기장 센서를 탑재하여 실시했다. 그러다 보니 운용하는 시스템이 복잡하고, 유지비가 많이 들며, 비행에도 많은 제약이 따랐다. 2010년 이후 무인항공기 기술이 발전함에 따라, 무인항공기에 자기장 센서를 탑재한 자기 이상 탐지 기술도 발달하였다[8]. 참고문헌[9]에서는, 항공 자력 탐사를 위한 무인항공기와 자기 이상 신호 분석을 위한 소프트웨어를 개발했다. 이를 통해, 무인항공기를 이용한 자기 이상 탐지의 장단점을 분석했다. 국내에서는, Kim 등이 무인항공기에 양자 자기장 센서를 탑재하여 광물 자원 탐사를 진행했다[10]. Yoo 등에서는 플럭스 게이트 방식의 자기장 센서를 드론에 탑재하여 지뢰를 탐지했다. 해당 시험은 비무장지대에서 진행했다[11]. Yim 등은 한국지질자원연구원과 공동으로 지상에 배치된 강자성 표적에 의한 자기 이상 신호를 탐지했다[12].
본 논문에서는 먼저 수중에서 운행하는 선박의 자기 이상 신호의 특성을 분석하기 위하여 시뮬레이션을 수행하였다. 다음으로 실제 무인항공기에 자기장 센서를 탑재하여 해상에서 자기 이상 신호를 탐지했다. 모형 잠수함을 제작하여 자기장 신호를 측정한 실험[1]과는 다르게, 해상에서 서로 다른 세 개의 선박을 실제 배치하여 강자성 표적에 의한 자기 이상 탐지 실험을 진행했다.

해양에서 강자성 표적에 의한 자기 이상 신호 시뮬레이션

수중에서 운행하는 선박의 자기 이상 신호 특성을 분석하기 위해 시뮬레이션을 수행했다. 시뮬레이션 툴은 COMSOL multiphysics를 이용했으며, 복잡한 형상은 원거리에서 탐지하는 자기 이상 신호에는 큰 영향을 주지 않기 때문에 단순화한 모델을 이용했다. 선박의 형상 크기는 공개된 실제 선박의 길이, 폭, 그리고 사진을 이용하여 획득했다. 두께는 40 cm[13]를 적용했으며, 전체 크기는 실제값과는 차이가 발생한다. 구성한 시뮬레이션 형상 모델은 Fig. 1과 같다.
Fig. 1.
Illustration of simulation model
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물에 의한 영향을 분석할 수 있도록 Fig. 1과 같이 시뮬레이션 영역으로 생성하는 사각 박스를 각각 1과 2로 나누었다. 여기에서, 영역1은 공기, 영역2는 바닷물 등 비자성물체를 나타낸다. 선박은 영역1과 영역2의 경계면에서 50 m 하부 지점에 있도록 설정했다. 입력 파라미터는 지구 자기장 크기 50 μT, 복각(Inclination)과 편각(Declination)은 실제 실험지역을 고려하여 각각 50.707 °와 −7.958 °를 입력했다. 선박의 각도는 임의값으로 동서방향(y축)을 바라보도록 설정하였다. 지구 자기장 하에서 자성체가 자화하는 정도를 상대 투자율(relative permeability)이라 한다. 영역2는 물의 상대투자율을 입력했다.
Fig. 2는 선박으로부터 100 m(수중 심도 50 m, 공기 고도 50 m) 떨어진 위치에서 xy 평면으로 계산한 자기장 신호의 2차원 그래프이다. 선박의 위치를 기준으로 자기 이상 신호의 최대-최솟값이 나타나는 것은 지구 자기장의 복각 때문이다.
Fig. 2.
Two-dimensional mapping of magnetic field signals calculated at a distance of 100 m (water 50 m, air 50 m)
kimst-27-3-338f2.jpg
강자성체를 둘러싼 주변 물질에 따른 자기 이상 신호의 변화를 분석하기 위해 영역2의 상대투자율을 Table 1과 같이 입력했다. 철과 같은 강자성체는 수백이 넘는 상대투자율을 갖는 반면, 공기, 나무, 그리고 물의 상대투자율은 1과 유사한 값을 갖는다[14,15].
Table 1.
Relative permeability
Medium value
Martensitic Stainless Steel 750-950
Aluminum 1.000022
Wood 1.00000043
Air 1.00000037
Vacuum 1, exactly
Water 0.999992
Fig. 3은 잠수함 위치를 기준으로 x 축에 평행한 방향(남북)으로 자기 이상 신호를 시뮬레이션한 결과이다. 영역2를 물, 진공, 공기, 알루미늄으로 바꾸어도 상대투자율 값이 거의 동일하기 때문에 자기 이상 신호는 거의 동일한 결과를 갖는다. 즉, 강자성 표적이 수중에 있거나 공기 중에 노출되어 있더라도 자기 이상 신호의 차이는 없다. Fig. 4는 측정 거리에 따른 자기 이상 신호로 매질의 종류에 상관없이 거의 동일한 값을 갖는다. 하지만, 측정 거리에 따라 자기 이상 신호의 크기가 감소한다. 자기장 센서를 이용한 자기 이상 탐지의 측정 정밀도가 수 nT 정도이고 급격한 배경 자기장 변화와 같은 이상 잡음이 없다면, 선박은 150 m 내외의 탐지 거리에서도 식별이 가능하다. 해양에서 무인항공기의 비행 고도는 20 m 이하도 가능하기 때문에, 수중 100 m 이상의 깊이에서 잠항하고 있는 선박의 자기 이상 신호는 탐지가 가능할 것으로 예상한다.
Fig. 3.
Magnetic anomaly signals with respect to the medium of Region#2
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Fig. 4.
Magnetic intensity with respect to the medium of Region#2 by measurement distance
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자기 이상 탐지 실험

대한민국 남해안 근처에서 드론에 탑재한 자기장 센서로 해양에서의 강자성 표적 탐지를 위한 자기 이상 탐지 실험을 진행했다. 선박1, 선박2, 그리고 선박3을 각각 배치했다. 안전한 실험을 위해, 선박1은 잠항하지 않은 상태에서 드론 기반 자기 이상 탐지 실험을 진행했다. 시뮬레이션 파트에서 언급한 바와 같이, 지구 자기장 하에서 자성체가 자화하는 정도를 나타내는 상대 투자율의 경우, 공기, 바닷물, 그리고 천부 풍화 토양은 1과 유사한 값을 갖는다[14,15]. 강자성 표적이 수중에 있거나 공기 중에 노출되어 있더라도 자기 이상 신호의 차이는 없다. 자기장 센서와 탐지하고자 하는 강자성 표적과의 거리 차가 중요하다.

3.1 선박1 탐지

길이 00 m, 폭 00 m, 배수량 00 톤인 선박1을 수상에 배치했다. 선박1의 위치는 고정되어 있지 않고, 해류의 세기에 따라 수십분 동안 수십 m에서 수백 m 흘러갔다. 안전상의 이유로 선박1은 잠항하지 않았다.
자기 이상 신호의 획득과 처리는 참고논문[12]에서 자세히 기술되어 있으며, 본 논문에서는 간단히 설명한다.
자기 이상 탐지에 활용한 드론은 DJI 社의 MATRICE 300 RTK 이다. 배터리를 제외한 무게는 3.6 kg, 최대 탑재 하중은 2.7 kg, 그리고 비행시간은 35분 내외이다. 자기장 센서는 GEOMETRICS 社의 MagArrow를 사용했다. 자기장 잡음은 5 pT/Hz1/2, 동작범위는 20 μT∼ 100 μT, 그리고 무게는 1 kg 이다. Fig. 5는 자기 이상 탐지 실험을 위해 MATRICE 300 RTK와 MagArrow가 결합한 모습이다.
Fig. 5.
Photo of MATRICE 300 RTK and MagArrow taking off
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드론의 고도는 100 m이며 5 m/s 속도로 x, y 축으로 각각 600 m 영역을 50 m 간격으로 비행했다. MagArrow의 출력은 1000 Hz 샘플링으로 자료를 저장한다. 즉, 매 0.5 cm 마다 자료를 취합한다. 탐지 영역의 면적과 비행 속도, 그리고 강자성 표적의 크기를 고려하여 자료를 20 Hz로 downsampling한다.
지구 자기장은 위치에 따라 차이가 있다. 자기 이상 탐지 신호는 nT 수준의 지구 자기장 왜곡을 측정하기 때문에, 자료 분석의 용이함을 위해 해당 자료에서 각 위치에 따른 지구 자기장 값을 빼준다. 다음으로 자료의 정확한 위치와 분석을 위해 위치 좌표를 미터 단위로 변환한 후, 2차원 격자화 과정을 수행한다. 자기장 센서의 방향에 따른 헤딩 에러(heading error)를 보정한다. 저주파 투과 필터링을 적용하여 고주파 잡음을 제거한다.
Fig. 6은 100 m 높이에서 동서 방향(x 축에 평행한 방향)으로 비행하면서 측정한 자기장 신호를 2차원 맵핑한 결과이다. 북동쪽에 140 nT의 강한 자기장 신호가 200 m 이상 넓게 분포하고 있다. 이는 인위적인 자성체에 의한 신호라고 판단하기 어려우며, 암석과 같은 지형적인 요인에 의한 신호라고 판단하는 것이 타당하다. 빨간색 박스로 표시한 부분에 쌍 극(dipole)이 형성되어 있지만, 자기장 신호 세기가 상대적으로 작다.
Fig. 6.
2D mapping of magnetic field signals measured at a height of 100 m(ship#1)
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강자성 표적의 위치를 특정하기 위해, y축에 평행한 방향 격자 자료에 대한 다항식 근사(Polynomial fitting)를 2차까지 실시했다. 측정한 자기장 신호에서 다항식 근사로 생성한 값을 빼준다. 강한 자기장 신호를 기준으로 다항식 근사가 이루어지기 때문에 국소적인 자기 이상 신호는 근사값과 차이를 갖는다. 해당 결과는 Fig. 7과 같다. 북동쪽의 강한 자기장 신호가 제거되고 서북쪽의 자기 이상 신호가 선명하게 나타난다. 신호 세기와 범위로 보아 선박1에 의한 자기 이상 신호로 판단한다. Fig. 7의 남쪽에 250 m 이상 넓게 쌍 극이 형성되어 있다. 이는 다항식 근사가 2차까지만 실시되기 때문에 나타난 결과이다. 다항식 근사를 3차 이상 실시하면, 강한 자기장 신호에 더 근사한 결과를 생성할 수 있다. 하지만 국소적인 자기 이상 신호까지 근사가 이루어지는 단점이 있다.
Fig. 7.
The result of removing the polynomial approximation from the magnetic field signal measured at a height of 100 m(ship#1)
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y축에 평행한 방향으로 거리에 따른 자기장 변화의 미분을 수행했다. 이에 관한 결과는 Fig. 8과 같다. Fig. 8을 보면, Fig. 6에서 빨간색 박스로 표시한 부분의 쌍 극 신호가 선명하게 나타난다. 드론에 탑재한 자기장 센서로 자기 이상 탐지 신호를 측정하는 동안 탐사 영역 중앙에 있던 선박1이 해당 부분으로 흘러간 것으로 추정한다. 이와 같이, 높이 100 m에서 선박1을 효과적으로 탐지하였으며, 이는 MAD-XR에서 제시한 탐지 거리와 동등한 것으로 추측한다. 선박1이 80 m 깊이에서 잠항한다면, 드론의 비행 고도 20 m에서 동일한 결과를 얻을 수 있다. 신호의 강도를 보면 비행 고도 150 m에서도 자기 이상 탐지가 가능할 것으로 판단된다. 다시 말해, 드론이 20 m 고도에서 비행한다면, 수중 130 m에서 잠항하는 선박1을 탐지할 수 있다.
Fig. 8.
The result of differentiating the magnetic field change according to the distance in the direction parallel to the y-axis(ship#1)
kimst-27-3-338f8.jpg
강자성 표적만의 자기 이상 신호를 분석하기 위해 같은 지역에서 선박1이 없을 때 자기 이상 신호를 측정했다. 이를 배경 자기장이라고 명명한다. 지구 자기장의 공간적인 변화는 매우 느리므로, 수개월 전 또는 일 년 전에 측정한 배경 자기장을 활용해도 무방하다[12]. Fig. 6의 결과에서 배경 자기장을 제거한 결과는 Fig. 9와 같다. 남북 방향(y 축에 평행한 방향)으로 긴 자기 이상 신호가 나타난다. 드론이 비행하는 동안 선박1이 x 좌표 −150 m, y 좌표 −300 m 지점에서 시작하여 x 좌표 −150 m, y 좌표 150 m 까지 약 450 m를 조류에 의해 표류한 것으로 나타난다. 신호 강도를 보면 높이 150 m에서도 자기 이상 탐지가 가능할 것으로 본다. 선박1이 반대 방향으로 표류했다면 Fig. 9와 같은 결과는 얻을 수 없다.
Fig. 9.
2D mapping of magnetic field signal with the background field removed at a height of 100 m (ship#1)
kimst-27-3-338f9.jpg
드론은 한번 이륙하면 30 분 정도 비행할 수 있다. 선박1의 위치가 육안으로 식별되지 않은 상황에서, 한 번의 비행으로 선박1에 의한 자기 이상 신호를 획득하기 위해서는 초속 10 m/s 이상으로 비행할 수 있는 자기 이상 탐지 시스템을 개발해야 한다.

3.2 선박2 탐지

국방과학연구소에서 운용 중인 선박2를 수상에 배치했다. 선박2는 길이 00 m, 폭 00 m, 그리고 무게는 00 톤이다.
드론의 고도는 100 m이며, 5 m/s 속도로 x, y 축으로 각각 400 m 영역을 50 m 간격으로 비행했다. 수중함 탐지와 동일한 자료처리를 수행했으며, 결과는 Fig. 10과 같다. 탐사 영역 중앙 부분에 자기 이상 신호가 뚜렷하다. 동쪽 부분에 남북 방향(y 축에 평행한 방향)으로 길게 강한 자기상 신호가 있음에도 불구하고, 선박2에 의한 자기 이상 신호가 뚜렷하여 강자성 표적의 위치를 특정할 수 있다. 자기 이상 신호는 10 nT 정도이다. 선박2의 자기 이상 신호를 탐지하는 동안 파도가 잔잔하여 선박의 이동이 거의 없으며, 이상체의 모양이 구형을 띈다.
Fig. 10.
2D mapping of magnetic field signals measured at a height of 100 m(ship#2)
kimst-27-3-338f10.jpg

3.3 선박3 탐지

해군에서 운용하고 있는 선박3을 수상에 배치했다. 선박3은 길이 00 m, 폭 00 m, 그리고 무게 00 톤의 상륙함이다.
Fig. 11과 같이 드론의 고도는 150 m이며, 5 m/s 속도로 x 축 600 m, y 축 600 m 길이의 영역을 100 m 격자 간격으로 비행했다.
Fig. 11.
Drone flight trajectory at a height of 150 m
kimst-27-3-338f11.jpg
선박1 탐지와 동일한 자료처리를 수행했으며, 결과는 Fig. 12과 같다. 탐사 영역 중앙 부분에 자기 이상 신호가 뚜렷하다. 자기장 세기가 30 nT 정도로, 200 m 에서도 자기 이상 탐지가 가능할 것으로 본다. 뚜렷한 자기 이상 신호를 바탕으로 강자성 표적의 위치를 특정할 수 있다.
Fig. 12.
2D mapping of magnetic field signals measured at a height of 150 m(ship#3)
kimst-27-3-338f12.jpg

결 론

본 연구에서는 시뮬레이션을 통해 해양 환경에서의 강자성체 주변 물질과 측정 거리에 따른 자기 이상 신호를 분석하였고, 이를 바탕으로 실제 해상에 배치된 선박에 의한 자기장 신호를 취득하여 탐지 거리와 자기 이상 신호 크기를 확인했다.
시뮬레이션을 통해 물의 경우, 공기와 유사한 상대 투자율을 갖기 때문에 자기 이상 신호에 영향을 주지 않음을 알 수 있었고, 강자성체로부터의 거리만이 측정되는 자기장 크기에 영향을 줌을 확인했다.
남해안 인근에서 실시한 세 번의 실험을 통해 선박과 같은 강자성 표적에 의한 자기 이상 신호를 취득했다. 탐지 거리 100 m에서 선박1은 8 nT, 선박2는 10 nT, 그리고 150 m 탐지 거리에서 선박3은 30 nT의 자기 이상 신호가 측정되었다.
선박은 닻을 내리지 않는 한 조류에 의해 흘러간다. 잠항한 상태의 선박1에 의한 자기 이상 신호를 측정하기 위해서는 x-축, y-축으로 각각 500 m 영역을 20 분 이내에 스캔할 수 있는 자기 이상 탐지 시스템이 필요하다. 이와 관련된 연구를 지속할 계획이다.
해양에서의 바닷물은 자기장에 영향을 주지 않으며, 식생 및 고도의 변화가 없는 평평하고 트인 환경으로 낮은 고도에서의 측정이 가능하다는 장점이 있다. 따라서, 드론에 탑재한 자기장 센서를 이용한 자기 이상 탐지는 해양에서의 강자성 표적 탐지에 유리할 것으로 판단된다.

후 기

이 논문은 2023년 방위사업청의 재원으로 수행된 연구임(915001104).

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