물리탐사 기법 중 금속을 탐지하는 방법에는 자력탐사와 전자기탐사 등 크게 두 가지 방법이 있다. 자력탐사는 대자율과 지자기장의 곱으로 표현되는 자화 강도를 측정하고 그 분포 상황으로부터 지하의 지층구조를 추정하거나 자력 이상체를 탐지하는 방법이다[9]. 전자기탐사는 송신원으로부터 발생하는 전자기장이 배경 매질을 통해 전파하면서, 이상체와 배경 매질의 서로 다른 전기전도도 특성으로 인해 2차 전자기장이 유도되는 특성을 이용한다[2]. 본 연구에서는 전자기탐사 방식의 금속탐지기를 사용하여 수저면에 노출되거나 매몰되어 있는 철금속 및 비철금속을 탐지하고자 한다.

금속탐사 시스템은 Figure 1과 같이 크게 안테나를 수저면에 밀착되도록 만들어진 안테나 플랫폼과 안테나, 금속탐지기, DGPS로 구성되어 있으며, DGPS와 금속탐지기에서 수신되는 값을 실시간으로 PC를 통한 모니터링 및 저장이 가능한 소프트웨어를 포함하고 있다.

Figure 1 
Metal detection system schematic

2.2.1 금속탐지기

본 연구에 사용된 금속탐지기는 Pulse Induction 방식으로 송·수신 시간차를 이용하여 금속의 유무를 탐지하는 방식이다. 송신과 수신의 시간대가 달라 하나의 안테나를 이용하여 금속을 탐지할 수 있으며, 금속탐지기와 금속 사이의 매체에 영향을 받지 않기 때문에 육지, 강 및 바다에서 똑같이 작동한다. 본래의 금속탐지 모듈은 계기판과 헤드셋의 소리를 통해 금속의 유무를 알려주기 때문에 DAQ(Data Acquisition)을 사용하여 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한 후 소프트웨어를 통해 PC에서 실시간 모니터링 및 저장이 가능하도록 Figure 2와 같이 개량하였다. 또한, 부저를 부착하여 이상 신호 발생 시 즉각적으로 알 수 있도록 하였다. Figure 3은 금속탐지기의 간략한 회로도이다.

Figure 2 
Metal detector

Figure 3 
Metal detector circuit diagram

2.2.2 DGPS

탐사선의 항적을 확인하기 위해 DGPS를 사용하였다. DGPS는 2대 이상의 GPS 수신기를 이용하여 위치 오차를 줄여주며, 사용된 DGPS(Figure 4)의 경우 50 cm 이내의 오차를 가지고 있다.

Figure 4 
DGPS (AKNB(T), Ascen Korea)

2.2.3 안테나

Figure 5는 안테나 플랫폼에 장착된 안테나로서 Table 2와 같은 제원을 가지고 있다.

Figure 5 
Metal detector antenna

Table 2 
Antenna specification

Item	Value
Width and length	20 cm × 110 cm
Cable length	30 m
Resistance	1.75Ω
Inductance	189 μH
Detection depth	240 cm

2.2.4 소프트웨어

Figure 6은 금속탐지기에서 들어오는 신호와 DGPS의 위치 정보를 기록할 수 있는 소프트웨어로서 실시간으로 위치 및 금속탐지기의 신호를 표시하며, 저장되도록 제작되었다[10].

Figure 6 
Metal detection system software

기존의 예인식 금속탐사 방법은 안테나가 수저면에서 부상되어 깊이 매몰되어 있는 금속을 탐지하는데 어려움이 있어 이를 개선하고자 안테나가 수저면에 밀착할 수 있도록 도와주는 안테나 플랫폼을 제작하였다.

먼저, 안테나 플랫폼의 부상 방지 및 안정적인 주행이 가능한 안테나 플랫폼의 형태를 결정하기 위하여 나비에-스토크스 방정식을 사용하여 CFD(Computational Fluid Dynamics) 분석을 수행하였다. CFD 분석을 위해서는 유체의 점도와 유속이 필요한데, 점도는 2018년 평균 해수 온도인 약 16 ℃(국립해양조사원)를 기준으로 약 1.12 cp를 사용하였으며, 유속의 경우 탐사선의 평균 운행속도인 1m/s를 사용하였다. CFD 분석에 사용된 형태는 (a)무한궤도형, (b)날개형, (c)반타원형과 같이 총 3가지 모델에 사용하였고, 유체의 흐름에 따른 모델들의 상하부의 압력과 유속을 Figure 7에 나타내었다. 무한궤도형(a)의 경우 상부에서 유속이 빠르고 하부에는 유속이 매우 느리게 흐르며, 상부와 하부의 압력의 차이가 크지 않으며, 상부와 하부가 대칭인 형태라 예인중 전복되어도 상하부 유속 및 압력이 변하지 않는다. 또한, 수저면에 접촉되는 면이 넓어 안정적인 주행이 가능하다. 날개형(b)과 반타원형(c)의 경우 평평한 면이 수저면에 있을 때는 상부 유속이 빠르고, 하부 유속이 느리게 흐르며, 상부와 하부의 압력 차이가 크지 않아 안정적인 주행이 가능하나 수중 장애물에의 의해 전복되면 상부와 하부의 유속 차이가 줄어들며, 예인되는 방향의 전면 하부 압력이 상부보다 높아 부상 가능성이 있다. 또한, 수저면에 접촉하는 면적이 좁아져 안전정적인 주행을 기대하기 힘들다.

Figure 7 
CFD analysis results of caterpillar(a), winged(b) and semi-elliptical(c) models.

위의 결과를 토대로 본 연구에서는 플랫폼의 상부와 하부가 대칭을 이루며 수중 장애물에 의해 전복되어도 안정적으로 주행하여 지속적인 탐사가 가능한 (a)무한궤도형을 선택해 제작하였다.

Figure 8은 안테나가 장착되어있는 안테나 플랫폼으로서 크기는 약 47.5 cm×135 cm×16.5 cm이며 무게는 약 15 kg이다. 안테나 플랫폼의 재질은 PVC(Poly Vinyl Chloride)로서 PVC 용접을 통해 제작해 금속이 포함되어 있지 않아 금속탐지기의 성능에는 영향을 주지 않는다. 또한, 수저면에 안전하게 착지시키기 위해 안테나 플랫폼의 가운데에 통수부를 두어 하강 시 물속에서 흔들림 없이 안전하게 착지하도록 유도하였다.

Figure 8 
Antenna platform top view (a), side view (b)

Figure 9는 케이블의 부력을 잡아주기 위해 만들어진 케이블 중량체로 금속을 포함하고 있어 금속탐지기의 탐지 범위 밖인 5 m 떨어진 위치에 설치하였다.

Figure 9 
Cable weight attached at the towing cable

Table 3은 충남 태안해역에서 얻은 기전력 값을 프로파일 분석한 결과이다. T-line 1은 1 m 매몰된 청동 화포 1개, 철제 솥 3개와 2 m 매몰된 청동 화포 1개, 철제 솥 3개를 남북으로 지나는 측선으로 동서 방향에서 측정한 기전력 값보다 시료 위치에서 뚜렷한 반응이 나타나며, 2 m 매몰보다 1 m 매몰에서 높은 기전력 값이 나타난다. T-line 2는 1 m 매몰된 철제 솥 2개와 표층에 놓인 철제 솥 1개를 지나는 측선으로, 표층에 놓인 철제 솥 1개를 지나갈 때 기전력 값이 약 0.8 V로 나타났고, 1 m 매몰된 철제 솥 2개는 약 0.6 V를 보인다. T-line 3은 1m 매몰된 철제 솥 1개, 청동 화포 1개, 철제 솥 2개, 청동 화포 2개를 동서로 지나는 측선으로, 시료 위치에서 이상값을 확인했으며, 철제 솥 2개위치는 약 0.75 V, 청동 화포 2개 위치에서는 0.8 V의 기전력 값을 관찰할 수 있었으며, T-line 4는 2 m 매몰된 철제 솥 1개 및 청동 화포 1개, 표층에 놓인 철제 솥 1개와 청동 화포 1개를 동서로 지나는 측선으로 매몰 위치가 아닌 곳에서 약 0.5 V로 기전력 값이 측정되었는데 시료가 아닌 금속성 물체가 존재한다고 예상되며 전반적으로 시료 위치에서 높은 기전력 값을 볼 수 있다.

T-line 1	T-line 2
T-line 3	T-line 4

Table 4는 경남 거제해역에서 얻은 기전력 값을 프로파일 분석한 결과이다.

G-line 1	G-line 2
G-line 3	G-line 4

G-line 1은 1 m 매몰된 철제 솥 1개, 청동 화포 1개, 철제 솥 2개, 청동 화포 2개를 동서로 지나는 측선으로, 전체적으로 잡음이 많은 지역이지만 시료 위치에서 이상값을 확인했으며, 시료량이 두 배 많은 지역에서 높은 기전력 값을 관찰할 수 있었다. G-line 2는 2 m 매몰된 철제 솥과 청동화포 1개, 표층에 놓인 철제 솥을 동서로 지나는 측선으로 시료 위치에서 높은 기전력 값을 보여준다. G-line 3은 1 m 매몰된 철제 솥 6개, 청동 화포 2개와 표층에 놓인 철제 솥 3개와 청동 화포 1개를 남북으로 지나는 측선으로 표층 철제 솥 3개에서 가장 큰 1.2 V의 기전력 값을 가지며, 대체로 시료 위치에서 큰 기전력 값을 가진다. G-line 4는 1 m 매몰된 철제 솥 1개와 2 m 매몰된 철제 솥 1개를 남북으로 지나는 측선으로 기전력 값을 살펴보면 시료 위치에서 큰 기전력 값을 가지며, 1 m 매몰된 철제 솥에서 약 1.0 V, 2 m 매몰된 철제 솥에서 약 0.75 V로 1 m 매몰된 철제 솥이 2 m 매몰된 철제 솥보다 높은 기전력 값을 보여준다.

Table 5는 낙동강 내수면에서 얻은 기전력 값을 프로파일 분석한 결과이다. 내수면의 경우 조사지역의 폭이 좁아 동서 방향으로만 실험을 수행하였다.

N-line 1
N-line 2

N-line 1은 1 m 매몰된 철제 솥 3개, 철제 솥 6개와 2 m 매몰된 철제 솥 3개, 표층에 놓인 철제 솥 1개를 동서로 지나는 측선으로 1 m 매몰된 철제 솥 3개에서는 기전력 값은 약 1.25 V이고 2 m 매몰된 철제 솥 3개에서는 약 0.8 V를 가진다. 안테나가 표층 철제 솥 1개 위치를 지나갈 때 측정된 기전력 값은 약 2.3 V로 매우 높은 기전력 값을 보인다. N-line 2는 1 m 매몰된 철제 솥 1개, 청동 화포 1개, 철제 솥 2개, 청동 화포 2개와 2 m 매몰된 철제 솥 1개과 청동 화포 1개, 표층에 놓인 철제 솥 3개와 청동 화포 1개를 동서로 지나는 측선으로 1 m 매몰된 철제 솥 1개에서는 기전력 값은 약 1.0 V이고 2 m 매몰된 철제 솥 1개에서는 약 0.6 V를 가진다. 1 m 매몰된 청동 화포 1개에서는 약 0.7 V, 2 m 매몰된 청동 1개에서는 약 0.3 V로 나타난다. 표층에 놓인 철제 솥 3개의 경우 약 2.3 V로 매우 높은 기전력 값이 나타났으며 청동 화포 1개에서는 0.7 V로 나타났다.