Theoretical Research for Unmanned Aircraft Electromagnetic Survey: Electromagnetic Field Calculation and Analysis by Arbitrary Shaped Transmitter-Loop

Recently, unmanned aircraft EM (electromagnetic) survey based on ICT (Information and Communication Technology) has been widely utilized because of the efficiency in regional survey. We performed the theoretical study on the unmanned airship EM system developed by KIGAM (Korea Institute of Geoscience and Mineral resources) as part of the practical application of unmanned aircraft EM survey. Since this system has different configurations of transmitting and receiving loops compared to the conventional aircraft EM systems, a new technique is required for the appropriate interpretation of measured responses. Therefore, we proposed a method to calculate the EM field for the arbitrary shaped transmitter and verified its validity through the comparison with analytic solution for circular loop. In addition, to simulate the magnetic responses by three-dimensionally (3D) distributed anomalies, we have adapted our algorithm to 3D frequency-domain EM modeling algorithm based on the edge-FEM (finite element method). Though the analysis on magnetic field responses from a subsurface anomaly, it was found that the response decreases as the depth of the anomaly increases or the flight altitude increases. Also, it was confirmed that the response became smaller as the resistivity of the anomaly increases. However, a nonlinear trend of the out-of-phase component is shown depending on the depth of the anomaly and the used frequency, that makes it difficult to apply simple analysis based on the mapping of the magnitude of the responses and can cause the non-uniqueness problem in calculating the apparent resistivity. Thus, it is a prerequisite to analyze the appropriate frequency band and flight altitude considering the purpose of the survey and the site conditions when conducting a survey using the unmanned aircraft EM system.

무인 항공 전자탐사 이론 연구: 임의 모양의 송신루프에 의한 전자기장 반응 계산 및 분석

최근의 정보통신기술 발전에 기반한 무인 항공 전자탐사는 효율적인 광역 탐사가 가능하다는 장점으로 인해 다양한 활용이 시도되고 있다. 이 연구에서는 무인 항공 전자탐사의 실제 적용을 위한 이론 연구의 일환으로 한국지질자원연구원에서 개발된 무인 비행선 전자탐사 시스템에 대한 고찰을 수행하였다. 이 시스템은 기존의 항공 전자탐사 시스템들과는 다른 송수신루프의 배치로 인해 측정되는 자기장을 해석하기 위한 새로운 기술이 필요하다. 따라서, 임의의 모양을 갖는 송신원에 의한 전자기장 반응을 계산할 수 있는 방법을 제안하였으며 원형루프에 의한 이론해와의 비교 검증을 통해 그 타당성을 확인하였다. 또한, 3차원적으로 분포한 지하의 전도성 이상체에 의한 자기장 반응을 모사하기 위하여 변유한요소법 기반의 3차원 주파수영역 전자탐사 모델링 알고리듬과 결합하였다. 개발된 알고리듬을 바탕으로 지하 이상체에 의한 자기장 반응분석을 수행한 결과, 기존 항공 전자탐사 시스템들과 마찬가지로 탐사고도가 높아지거나 이상체의 심도가 깊어짐에 따라 이상체에 의한 반응이 줄어듦을 알 수 있었고 이상체의 전기비저항이 증가함에 따라서도 반응이 작아지는 것을 확인하였다. 그러나, 이상체의 심도 및 전기전도도와 사용 주파수에 따라 이상성분의 반응양상이 비선형적인 경향을 나타내는 구간이 존재하여, 자료해석 시 반응의 크기를 통한 단순 해석이 어려워지며 겉보기 비저항 계산 시에도 해의 비유일성을 야기시킬 수 있다는 것을 확인하였다. 따라서 실제로 시스템을 활용하여 탐사를 수행할 시, 탐사목적 및 현장 조건을 고려한 사전 모델링을 통해 적합한 주파수 대역 및 탐사고도를 설정하여 탐사를 수행하는 것이 선행되어야 한다.