JP2018524615A - 磁気誘導を利用した地下環境変化感知方法、感知センサ、及び感知システム - Google Patents

Abstract

本発明は、地下環境変化を感知する感知方法に関する。本発明の感知方法は、磁気誘導方式で地中を通じて伝播される交流信号を繰り返し的にセンシングするステップと、前記交流信号の変化から地下環境変化をモニタリングするステップとを含む。

Description

本発明は、地下環境変化を感知する感知方法、感知センサ及びこれを利用した感知システムに関する。

最近、都心地にシンクホールが発生したという記事がたびたび報道されている。シンクホール（ｓｉｎｋｈｏｌｅ）とは、地下に分布する空洞が空洞上部の地盤または構造物の重さに耐えることができない場合、崩落するようになり、このとき、地表に連結される大きな孔を意味する。

高度化した現代都市にシンクホールのような地中イベントが発生する場合、財産的被害はもちろん、人的被害が発生できる。

シンクホールのような地中イベントが発生する原因には、自然的現象の他にも、大規模土木工事のような人為的要因があると研究されている。そのため、大規模土木工事が進められる地域の住民は、シンクホールが突然発生するかもしれないという不安感に襲われる場合が多いから、大きな社会的問題になっている。

そのため、国民的不安感を解消し、地中イベントの発生による人的、物的損害を最小化するための地下環境変化モニタリング技術の必要性が台頭しつつある。

特許文献１号は、「ＧＰＲ探査装備の信号処理による地下施設物探測システム」を開示したことがある。従来の技術によるＧＰＲ探査装備は、カート（ｃａｒｔ）上にＧＰＲ探査装備を積載して装置自体を小型化し、小型化された探測装置を地上から移動させながら、地下施設物に異常があるかどうかを探測する。

しかしながら、従来の技術による地下埋設物探測装置は、カートを作業者が直接移動させながら探測しなければならないから、広範囲な地域を監視し難いという空間的制約があり、人の労働力を利用しなければならないという点において２４時間常時モニタリングできないという時間的制約がある。

よって、本発明の発明者は、上述の問題点を解決するために永らく研究し試行錯誤を経て開発した結果、本発明を完成するに至った。

大韓民国特許出願第１０−２０１３−００５１１７５号

本発明の目的は、磁気誘導方式でセンシングした信号の経路損失を分析して、地下環境変化を検出できる地下環境変化感知方法を提供することにある。

地下環境変化は、地下空間の地質環境変化、地下水の分布と変化、都市鉄道を含んだ都市構造物と周辺地盤変化、上下水道管路の状態変化を含むことができるが、必ずしもこれに限定されるものではない。

一方、本発明の明示されないさらに他の目的は、下記の詳細な説明及びその効果から容易に推論できる範囲内で追加的に考慮されるはずである。

以上のような課題を達成すべく、本発明の第１態様は、磁気誘導方式（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ）で地中（ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ）を通じて伝播される交流信号を繰り返し的にセンシングするステップと、前記交流信号の変化から地下環境変化をモニタリングするステップとを含む、地下環境変化感知方法を提供する。

また、本発明の好ましい実施の形態において、前記モニタリングするステップは、前記交流信号が臨界範囲から外れる場合、地下環境変化が発生したと判定することを特徴とすることが好ましい。

また、本発明の好ましい実施の形態において、前記モニタリングするステップは、前記交流信号が臨界回数以上連続して増加または減少した場合、地下環境変化の発生を警告することを特徴とすることが好ましい。

また、本発明の好ましい実施の形態において、前記モニタリングするステップは、前記交流信号の変化から前記交流信号が伝播される経路上の媒質特性変化に応じる経路損失（ｐａｔｈ ｌｏｓｓ）変化量を測定するステップと、前記経路損失変化量を利用して、地下環境変化を検出するステップとを含むことが好ましい。

また、本発明の好ましい実施の形態において、前記センシングするステップ以前に、交流信号を送受信する感知センサの間にインピーダンスをマッチングするステップをさらに含むことを特徴とする地下環境変化感知方法。

このような課題を達成すべく、本発明の第２態様は、磁気誘導方式で地中を通じて伝播される交流信号をセンシングするコイル部と、前記交流信号を繰り返し的にセンシングして、前記交流信号の変化量を測定する制御部とを含む、地下環境変化感知センサを提供する。

また、本発明の好ましい実施の形態において、前記コイル部は、磁気共鳴方式で前記交流信号をセンシングすることを特徴とすることが好ましい。

また、本発明の好ましい実施の形態において、前記コイル部は、第１コイル部及び第１コイル部より大きなインダクタンス（ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ）を有する第２コイル部を含むことを特徴とすることが好ましい。

また、本発明の好ましい実施の形態において、前記第１コイル部は、スパイラルコイル（ｓｐｉｒａｌ ｃｏｉｌ）で、前記第２コイル部は、ヘリカルコイル（ｈｅｌｉｃａｌ ｃｏｉｌ）であることを特徴とすることが好ましい。

また、本発明の好ましい実施の形態において、前記第２コイル部は、少なくとも二つ以上の第１コイル部と連動して、前記交流信号をセンシングすることを特徴とすることが好ましい。

また、本発明の好ましい実施の形態において、少なくとも一つ以上の可変キャパシタを含むマッチング部をさらに含み、前記制御部は、可変キャパシタのキャパシタンスを調節して、他の地下環境変化感知センサとインピーダンスマッチングを行うことを特徴とすることが好ましい。

また、本発明の好ましい実施の形態において、前記コイル部は、地中深さ方向に離隔して配置される少なくとも二つ以上のコイルを含むことを特徴とすることが好ましい。

このような課題を達成すべく、本発明の第３態様は、磁気誘導方式で地中を通じて伝播される交流信号を繰り返し的に送受信する複数の地下環境変化感知センサと、前記複数の地下環境変化感知センサで受信された前記交流信号の変化から地下環境変化をモニタリングする地下環境変化感知サーバとを含む地下環境変化感知システムを提供する。

このような課題を達成すべく、本発明の第４態様は、磁気誘導方式で交流信号を送信する少なくとも一つの第１感知センサと、前記第１感知センサから離隔して地中を通じて伝播される前記交流信号をセンシングする少なくとも一つの第２感知センサと、前記第２感知センサでセンシングされた前記交流信号の変化量を繰り返して測定して地下環境変化を感知する地下環境変化感知サーバとを含む地下環境変化感知システムを提供する。

また、本発明の好ましい実施の形態において、前記地下環境変化感知サーバは、地下空間の地質環境変化、地下水の分布変化、上下水道管、ガス管、送油管、電気ライン、都市鉄道のうち、少なくとも一つを含む地下構造物の変形及びその周辺地盤変化のうち、少なくとも一つをモニタリングすることを特徴とすることが好ましい。

以上のような本発明の課題解決手段により、本発明は、磁気誘導方式、好ましくは、磁気共鳴方式で地下環境変化を検出できるという効果がある。従来では、地下環境変化を検出するのに磁気誘導方式で伝達される信号の経路損失を利用して地下環境変化を検出する場合がなかったため、本発明は、従来にはなかった全く新しい方式の地下環境変化検出方法を提案する。

また、本発明は、特定地域の地下環境変化をリアルタイムで、かつ持続的にモニタリングできるという効果がある。センサが地中に埋設されているから、周期的にセンサを介して地下環境変化を測定できるためである。したがって、本発明は、車両などを利用して手動で測定装置を移動させながら地下環境変化を測定しなくてもなる。

また、本発明は、特定地域の地下環境変化を３次元的に検出できるという効果がある。本発明の感知センサは、地平面を構成するｘ、ｙ軸方向だけでなく、深さ方向であるｚ軸方向にも（複数の）センサが埋設されるので、地下環境変化に対する３次元マップを作成することができるためである。

一方、ここで明示的に言及されない効果であっても、本発明の技術的特徴により期待される以下の明細書において記載された効果及びその暫定的な効果は、本発明の明細書に記載されたように取り扱われることを添言する。

本発明の一実施の形態において、地下環境変化感知システムを示す図である。 本発明の一実施の形態において、地中に埋設された地下環境変化感知センサを示す図である。 本発明の一実施の形態において、地下環境変化感知センサの構成を示す図である。 本発明の一実施の形態において、地下環境変化感知センサの制御部構成を示す図である。 本発明の一実施の形態において、発信部と受信部の信号処理を示す図である。 本発明の一実施の形態において、複数の周期の間に測定したデジタル信号を分析して地下環境変化イベントを検出することを示す図である。 本発明の一実施の形態において、制御部のマッチング部を説明するための図である。 本発明の一実施の形態において、制御部がインピーダンスマッチングすることを示すフローチャートである。 本発明に係る一実施の形態において、Ｑファクタを説明するための図である。 本発明の一実施の形態において、第２コイルを利用して磁気共鳴を強化することを示す図である。 本発明の一実施の形態において、複数の感知センサの相互間に信号をやり取りすることを示す図である。 ることを示す図である。 本発明の一実施の形態において、地下環境変化感知方法を示すフローチャートである。添付された図面は、本発明の技術思想に対する理解のために参照として例示されたことであることを明らかにし、それによって本発明の権利範囲が制限されるものではない。

本発明を説明するにあたって関連した公知機能に対してこの分野の技術者に自明な事項として本発明の要旨を不明瞭にすると判断される場合には、詳細な説明を省略する。

本発明において磁気誘導を利用した交流信号の伝達は、誘導結合（ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）された発信部と受信部が磁気誘導方式で信号を伝達するという意味として使用される。

また、本発明において磁気共鳴（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ）を利用した交流信号の伝達は、同じ共振周波数を有する共振コイルの間（発信部及び受信部）に形成される強い磁界結合を利用して信号を伝達するという意味として使用される。

本発明において特に付加説明しない限り、磁気誘導方式の信号センシングは、磁気共鳴方式の信号センシングを含むと定義する。

本発明は、地中の状態を日常的、周期的にモニタリングして、リアルタイムで発生する地中イベント、例えばシンクホールの発生を探知するためのものである。

従来の技術でも言及したように、ＧＰＲ方式などは、別の探知手段を利用して間欠的またはイベント的にセンシングを行わなければならないから、リアルタイム安全管理という側面では、多くの限界を露出する。本研究陣は、地中イベントに対する探知は、周期性、連続性、リアルタイム性が保障されなければならないという概念下で本発明を導き出した。具体的手段には、磁気誘導方式による検出を採択した。地中で磁気誘導方式を適用した例は、地中通信と電力送信など、電力、通信分野に限定された。しかしながら、このような分野において磁気誘導方式による信号または電力の送信は、いわゆる経路損失（ｐａｔｈ ｌｏｓｓ）という限界を克服できないという理由で活性化されることができなかった。すなわち、信号または電力を送信するにおいて、最も重要な要素は、信号または電力損失量を最小化させることであり、信号が地盤を通じて伝達されると経路損失が非常に大きい。

しかしながら、通信分野での経路損失という短所は、地中環境変化を探知する技術分野では、非常に有用なセンシング要素に大転換する。すなわち、媒質に変化が生じると、経路損失の量に変化が生じるようになり、これを通じて地中環境変化が探知されることができる。標準状態と正常でない状態が経路損失量の変化によって探知されることができる。本発明は、逆発想を介して通信分野での短所を地中イベント探知の長所として変化させたという重要な意味がある。以下、磁気誘導方式による地中イベント探知がどのようになされるかについて具体的に説明する。図１は、本発明の一実施の形態において地下環境変化感知システムを示す図で、図２は、本発明の一実施の形態において地中に埋設された地下環境変化感知センサを示す図である。

図１及び図２から分かるように、本発明の地下環境変化感知システム１０は、複数の地下環境変化感知センサ１００、中継器２００、地下環境変化感知サーバ３００を含むことができる。

複数の地下環境変化感知センサ１００は、互いに離隔して地中に設置され、一つのセンサネットワークを構成する。個別感知センサは、有線または無線通信機能を含む。したがって、本発明のセンサネットワークは、事物インターネット（ＩｏＴ）を利用したセンサグリッドでありうる。

複数の地下環境変化感知センサ１００は、地平面を構成するｘ、ｙ軸方向に所定間隔で離隔して配置される。また、深さ方向であるｚ軸方向に所定の深さに埋設される。

好ましい実施の形態において個別地下環境変化感知センサ１００は、中継器２００と有線または無線で接続されることができる。しかしながら、必ずこれに限定されるものではない。すなわち、他の実施の形態において個別地下環境変化感知センサ１００は、中継器２００と接続することでなく、個別地下環境変化感知センサ１００の相互間に有線または無線で接続することができる。個別地下環境変化感知センサ１００が相互間に接続すると、中継器２００を少なく設置するか、または設置しなくても感知センサから出力するデータを地下環境変化感知サーバ３００に伝達できる。

感知センサ１００は、地中に埋設されて、他の感知センサが磁気誘導（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ）方式で発信した交流信号をセンシングする。一つの感知センサ１００は、交流信号をセンシングできるが、同時にまたは時間差をおいて他の感知センサに交流信号を発信することもできる。

例えば、図２の感知センサ１００-１は、コイルＬａを介して他の感知センサ１００-２に交流信号を発信する。交流信号は、磁気誘導方式で他の感知センサ１００-２に伝達される。感知センサ１００-２は、コイルＬｂを介して交流信号をセンシングする。一方、感知センサ１００-２は、コイルＬｃを介してさらに他の感知センサ１００-３に交流信号を発信できる。さらに他の感知センサ１００-３は、コイルＬｄを介して交流信号をセンシングする。

感知センサ１００は、センシングした交流信号の大きさから交流信号の伝播経路の媒質特性に応じる経路損失（ｐａｔｈ ｌｏｓｓ）を測定できる。感知センサがセンシングした交流信号の大きさは、交流信号の伝播経路の媒質特性に応じる経路損失（ｐａｔｈ ｌｏｓｓ）が反映されているからである。例えば、感知センサ１００-２がコイルＬｂを介してセンシングした交流信号の大きさは、感知センサ１００-３がコイルＬｄを介してセンシングした交流信号の大きさと異なるはずである。交流信号の伝播経路上にある媒質１が異なるためである。媒質１の特性に応じて交流信号の経路損失は増加または減少できる。例えば、空洞が発生した場合、経路損失が減少でき、空洞に地下水がいっぱいになった場合、経路損失が増加できる。

中継器２００は、複数の感知センサ１００が発信した信号を受信して感知サーバ３００に伝達する。ただし、感知センサ１００が埋設された領域が広くない場合、または感知センサ１００が直接感知サーバ３００と有無線で接続されることができる場合、またはその他の理由がある場合には、中継器２００の設置を省略できる。

地下環境変化感知サーバ３００は、複数の感知センサ１００でセンシングした交流信号の大きさを分析して、埋設された地域の地下環境変化を感知する。

地下環境変化は、例えば、地下空間の地質環境変化、地下水の分布と変化、都市鉄道を含んだ都市構造物と周辺地盤変化、上下水道管路状態変化を含むことができる。

したがって、地下環境変化感知サーバ３００は、シンクホール（ｓｉｎｋｈｏｌｅ）が発生したり、帯水層（ａｑｕｉｆｅｒ）の面積が増加したり、上下水道管に水漏れが発生したり、ガス管、送油管、電気ライン、都市鉄道のような地下構造物に変形が発生したり、農業用地の地中に水分含有量が変動することをモニタリングできる。また、放射能廃棄物などのような危険施設の構造物変化をモニタリングできる。

一方、本発明の地下環境変化感知システムは、多様な応用装置と結合されることができる。例えば、地下環境変化感知サーバは、地上のスプリンクラーと結合されることができる。地上のスプリンクラーは、農業用地の地中に水分含有量が減少したという通知を受けて、自動で給水を始めることができる。

このように、本発明の地下環境変化感知システムは、地下空間の異常徴候を事前に感知予測対応することを目的とする。

地下環境変化感知サーバ３００は、センシングした交流信号の伝播経路にある媒質の特性が変化するにつれて経路損失（ｐａｔｈ ｌｏｓｓ）が変化するという点に着眼して地下環境変化を感知する。センシングした交流信号の大きさは、交流信号の伝播経路の媒質特性に応じる経路損失（ｐａｔｈ ｌｏｓｓ）が反映されているので、センシングした交流信号の大きさを所定の周期ごとに比較すると、結果的に地下環境変化を感知できる。

以上の実施の形態では、感知センサ１００において交流信号の大きさを測定すると、感知サーバ３００がこれを分析して地下環境変化が発生するかどうかを感知することを説明したが、本発明の実施の形態が必ずこれに限定されるものではない。

他の実施の形態において感知センサは、測定した交流信号の大きさを自体的に分析して、信号の大きさ変化が事前に設定された臨界範囲を超過する場合、地下環境変化が発生したことを直接決定できる。この場合、感知サーバ３００は、感知センサ１００からセンシングした交流信号の大きさでなく、イベント発生結果だけを受信することもできる。

図３は、本発明の一実施の形態において、地下環境変化感知センサの構成を示す図である。図３から分かるように、好ましい実施の形態において、感知センサ１００は、地中に形成された埋設孔２０の内部空間２１に設置されることができる。一実施の形態において埋設孔２０は、感知センサ１００の回転部１５０を固定する下部固定部２３、感知センサ１００の上部を支持する上部固定部２５、感知センサ１００に電力を供給する電力供給部２７、感知センサ１００が露出しないように埋設孔２０を覆う上部カバー２９を含むことができる。

好ましい実施の形態において地下環境変化感知センサ１００は、外部ケース１１０、コイル部１２０、制御部１３０、回転部１５０、深さ調節部１６０を含む。

外部ケース１１０は、内部にコイル部１２０及び制御部１３０を収納できる。外部ケース１１０は、収納された部品を保護するために、防塵、防水機能を有する。外部ケース１１０は、コイル部１２０が磁気誘導方式で交流信号を送受信するのに邪魔にならない材質で構成される。

コイル部１２０は、交流信号を発信し、センシングできるコイルを含む。本発明のコイル部１２０は、一つのコイルを含むことができるが、好ましい実施の形態においてコイル部１２０は、複数のコイルを含むことができる。

本発明のコイルは、コイルの巻かれた形態によってスパイラルコイルまたはヘリカルコイルを含むことができるが、必ずこれに限定されるものではない。

スパイラルコイルは、中心軸方向に対して垂直に形成された仮像の平面上に一定直径を有するスパイラル形状で形成されたコイルを意味できる。ヘリカルコイルは、中心軸方向に沿って一定高を有するヘリカル形状で形成されたコイルのことを意味することができる。

本発明のコイル部１２０は、２種類以上の形態のコイルが同時に使用されることができる。例えば、第１コイル部としてスパイラルコイルを使用し、第２コイル部としてヘリカルコイルを使用することができる。ヘリカルコイルは、スパイラルコイルに比べて指向性に優れているから、信号伝達において損失が減少するという特徴がある。

本発明のコイル部は、第１コイル部及び第２コイル部を含むことができる。第２コイル部は、第１コイル部より大きなインダクタンスを有するか、第１コイル部と異なるコイル形態を有するコイルでありうる。例えば、第１コイル部は、スパイラルコイルで、第２コイル部は、ヘリカルコイルでありうる。

一実施の形態において第２コイル部は、少なくとも二つ以上の第１コイル部と連動して、信号をセンシングまたは発信できる。例えば、４個の第１コイル部が１個の第２コイル部と連動する構造で形成されることができる。このために、第１コイル部の大きさは、第２コイル部の大きさより小さく形成されることができる。

一実施の形態においてコイル部１２０は、深さ方向（ｚ軸方向）に事前に設定された間隔で離隔した複数のコイルを含むことができる。

他の実施の形態においてコイル部１２０は、互いに異なるインダクタンスを有する他の大きさのコイルを少なくとも二つ以上含ることができる。互いに異なる特性のコイルを同時に使用してＱ-ｆａｃｔｏｒを増加させると、磁気共鳴を強化させることができる。これについての具体的な説明は、図１０を利用して後述する。

制御部１３０は、外部ケース１１０の内部空間（または外部空間）に配置され、コイル部１２０に接続される。制御部１３０は、コイル部１２０を介した交流信号の発信及び受信を制御する。ただし、制御部１３０の具体的構成については、図４と共に後述する。

回転部１５０は、コイル部１２０を回転させて、コイル部１２０が指向する方向を調節する。コイル部１２０が指向する方向を調節すると、交流信号のセンシング効率が上昇できる。回転部１５０は、制御部１３０から回転量及び回転時期に対する制御情報を受信することができる。

好ましい実施の形態において回転部１５０は、外部ケース１１０の下段に位置できる。回転部１５０は、下部固定部２３に固定されて、回転部１５０自体が固定部２３上で空回りすることを防止することができる。

他の実施の形態において、回転部は、外部ケースの内部空間に配置されることもできる。また、回転部は、複数ありえ、複数の回転部は、コイル部１２０を構成する複数のコイルごとに設置されることができる。このような実施の形態では、コイル部１２０を構成する複数のコイルが指向する方向が互いに相異なるように制御されることができる。

深さ調節部１６０は、コイル部１２０に接続され、コイル部１２０の深さを調節する。コイルの深さを調節すると、一つのコイルを利用して各々異なる深さで交流信号を発信または受信することができる。したがって、深さ調節部１６０は、少ない数のコイルを有しても互いに異なる深さで交流信号をセンシングできるようにするという効果がある。

好ましい実施の形態において深さ調節部１６０は、外部ケース１１０の上段に設置されることができるが、必ずこれに限定されるものではない。深さ調節部１６０は、コイル部１２０の深さ調節のために、コイル部１２０の移動をガイドするガイドレールと深さ調節のためのモータを含むことができる。

図４は、本発明の一実施の形態において、地下環境変化感知センサの制御部構成を示す図である。図４から分かるように、感知センサ１００は、コイル部１２０及び制御部１３０を含むことができる。コイル部１２０及び制御部１３０の間には、マルチプレクサー（ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）１４０がさらに含まれることができる。マルチプレクサー１４０は、コイル部に含まれた複数のコイル１２０-１ないし１２０-ｎを一つの制御部１３０に接続できる。

制御部１３０は、通信部１３１、中央処理部１３２、発信部１３３、受信部１３４、及びマッチング部１３５を含むことができる。

通信部１３１は、無線または有線の通信モジュールを含む。通信部１３１は、複数の感知センサの相互間に通信したり、中継器と通信したり、感知サーバと通信できる。通信部１３１は、感知センサで測定した交流信号の大きさ自体または制御部１３０の地下環境変化感知結果などを送信できる。

中央処理部１３２は、通信部１３１、発信部１３３、受信部１３４、及びマッチング部１３５に接続され、各構成要素を有機的に動作させるために内蔵されたファームウェアを実行できる。

発信部１３３は、交流信号を発信する。好ましい実施の形態において発信部１３３は、交流信号発振のためのオシレータ、発振した信号を増幅するための増幅器を含むことができる。発信部１３３から発振した交流信号は、コイル部１２０を介して磁気誘導方式で他の感知センサに伝達される。

受信部１３４は、コイル部１２０を介して交流信号をセンシングする。好ましい実施の形態において受信部１３４は、センシングした交流信号を整流する整流器、整流したアナログ信号をデジタル信号に変換するアナログ-デジタルコンバーターを含むことができる。他の実施の形態において、受信部１３４は、周波数を下げて出力する周波数下方変換器（ｄｏｗｎ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｍｉｘｅｒ）を含むことができる。

好ましい実施の形態において一つの制御部は、発信部及び受信部を含み、発信部及び受信部は、一つのコイル部に接続されることができる。すなわち、発信部と受信部は、同じコイルを介して信号を発信またはセンシングできる。このような実施の形態において制御部は、発信部が動作する時には、受信部の動作を遮断し、受信部が動作する時には、発信部の動作を遮断できる。

ただし、本発明が必ずこのような実施の形態に限定されるものではない。他の実施の形態において発信部は、コイル部１２０に含まれた複数のコイルの中で第１コイルグループに接続され、受信部は、コイル部１２０に含まれた複数のコイルの中で第２コイルグループに接続されることができる。第１コイルグループは、第２コイルグループと相異なるコイルである。例えば、発信部は、奇数番目のコイルに接続され、受信部は、偶数番目のコイルに接続されることができる。このような実施の形態において制御部は、第１コイルグループと異なる第２コイルグループを同時に利用して、交流信号の発信とセンシングを同時に行うことができる。

発信部と受信部の動作をさらに具体的に説明するために、図５及び図６を参考すると、次の通りである。

図５は、本発明の一実施の形態において、発信部と受信部の信号処理を示す図である。図５（ａ）は、一周期の間の発信部から発信する信号を示し、図５（ｂ）は、センシングした信号を処理する過程を示す。

図５（ａ）から分かるように、発信部は、一周期の間に特定交流信号を発振する。一周期の始めと終わりには、所定の休止時間がありうる。

図５（ｂ）から分かるように、受信部は、所定の時間（ｔ１）の間に回路をリセットした後、入力された信号を整流する（ｔ２）。その後、整流されたアナログ信号をデジタル信号に変換する（ｔ３）。変換後には、再度所定の時間（ｔ４）の間に回路をリセットする。

図６は、本発明の一実施の形態において、複数の周期の間に測定したデジタル信号を分析して、地下環境変化イベントを検出する方法を示す図である。

地下環境変化イベントを検出する主体は、感知センサまたは感知サーバでありうることは上述のとおりである。

図６に示したような臨界範囲（ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）を設定するために、まず地下環境変化モニタリングを始める前に、例えば感知センサを埋設した直後に互いに異なる二つの感知センサの間に交流信号をやりとりして、リファレンスデータを生成する（ただし、他の実施の形態では、このようなリファレンスデータを生成しなくても良い）。

その後、リファレンスデータを中心にリファレンスデータの上下に所定の臨界範囲を設定する。

その後、Ｓ１周期を始めて本格的な地下環境変化モニタリングを始める。Ｓ１ないしＳ３周期のように例外的な状況（ａｎｏｍａｌｙ）が発生しない場合には、測定したデジタル信号が事前に設定された臨界範囲から外れない。

しかしながら、Ｓ４周期のように例外的な状況（ａｎｏｍａｌｙ）が発生すると、測定したデジタル信号が臨界範囲から外れる。デジタル信号が臨界範囲から外れると、地下環境変化が発生したと判定できる。

図７は、本発明の一実施の形態において、制御部のマッチング部を説明するための図である。

マッチング部１３５は、交流信号を效率的に発信しセンシングするために、インピーダンスをマッチングする。すなわち、インピーダンスマッチングを介して発信側と受信側の共振周波数を一致させて、信号センシングの効率を増加させることである。

好ましい実施の形態においてマッチング部１３５は、少なくとも一つ以上の可変キャパシタを含むことができる。少なくとも一つ以上の可変キャパシタは、コイルに直列、並列、または直並列混合構造で接続されることができる。マッチング部１３５は、コイル部１２０及びマッチング部１３５のインピーダンス（ＺＩＮ）を調節するために、マッチング部１３５に含まれた可変キャパシタのキャパシタンスを調節できる。

制御部は、インピーダンスマッチングのために、マッチング部を制御できる。これをさらに具体的に説明するために、図８を参考すると、以下のとおりである。

図８は、本発明の一実施の形態において、制御部がインピーダンスマッチングすることを示すフローチャートである。図８から分かるように、制御部は、共振周波数が一致しないと判断されると、インピーダンスマッチングのために、まずマッチング部のキャパシタンスを増加させる（Ｓ１１００）。

その後、交流信号を再度センシングして、測定された周波数と共振周波数とが一致するかどうかを判断する（Ｓ１２００）。

共振周波数が一致しない場合には、共振周波数と測定された周波数の差が減少したかどうかを確認する（Ｓ１３００）。

周波数の差が減少した場合、キャパシタンスを再度増加させるステップ（Ｓ１１００）に戻って、上述のステップを繰り返す。

周波数の差が増加した場合、キャパシタンスを増加させることが誤った方向のマッチングであったという意味であるから、キャパシタンスを減少させる（Ｓ１４００）。キャパシタンスを減少させた以後には、ステップＳ１２００及びＳ１３００を繰り返して、共振周波数を一致させる。

上述のような実施の形態では、最初にはキャパシタンスを増加（Ｓ１１００）させる方向にインピーダンスマッチングを始めたが、他の実施の形態では、インピーダンスを減少させる方向にインピーダンスマッチングを始めることもできる。インピーダンスマッチングを介して信号を発信する所と受信する所の共振周波数を一致させると、交流信号をさらに效率的に伝達できる。

図９は、本発明に係る一実施の形態において、Ｑファクタを説明するための図である。

本発明は、共振周波数ｆ０を中心にしたインピーダンスマッチングの他にＱファクタ（Ｑ ｆａｃｔｏｒ）をさらに考慮する。

無線通信では、データ用量を考慮して低いＱファクタを有するコイルを使用する。すなわち、広い帯域幅ＢＷ２を確保するために、ＱファクタＱ２を下げるようになる。

しかしながら、本発明は、データを送受信する無線通信を目的とするものではない。本発明の目的は、磁気誘導方式を利用して地下環境変化を感知するセンサを提供することである。したがって、さらに長いセンシング距離と高いセンサ感度を確保するために、帯域幅ＢＷ１を犠牲にし、高いＱファクタＱ１を有するコイルを使用する。

ｆは、共振周波数、Ｌは、コイルのインダクタンス、ｒは、コイルの内部抵抗と定義するとおき、ＱファクタＱは、以下のような式で定義することができる。

Ｑ＝ｗＬ／ｒ、ｗｈｅｒｅ ｗ＝２・πｆ
したがって、Ｌが大きく、ｒが小さな材料を利用すると、コイルのＱファクタを増加させることができる。

ただし、Ｑファクタが大きな場合には、センサの敏感度も共に上昇するので、安定性（ｓｔａｂｉｌｉｔｙ）が減少する問題がありうる。したがって、センサの設置目的、設置場所と設置間隔、地中媒質特性に従って適切なＱファクタを設計しなければならない。

図１０は、本発明の一実施の形態において、第２コイルを利用して磁気共鳴を強化することを示す図である。

本発明のコイル部（図４の１２０）は、第１コイル部１２１、１２５及び第２コイル部１２３、１２７を含むことができる。

第１発信コイル１２１及び第２発信コイル１２３は、発信部に含まれたコイルである。第１受信コイル１２５及び第２受信コイル１２７は、受信部に含まれたコイルである。第１発信コイル１２１及び第２発信コイル１２３から発信された交流信号は、強い磁界結合により第１受信コイル１２５及び第２受信コイル１２７に伝達される。

好ましい実施の形態において、第２コイル部１２３、１２７は、第１コイル部１２１、１２５より高いインダクタンスを有する。

第２コイル部１２３、１２７を使用すると、発信部と受信部のＱファクタを上昇させて、共振特性を強化できるという効果がある。

図１１及び図１２は、本発明の一実施の形態において、複数の感知センサの相互間に信号をやり取りすることを示す図である。

図１１は、複数の感知センサ（Ｓ１１ないしＳ４４）が埋設された特定地域を見下ろす平面図で、図１２は、複数の感知センサの相互間の信号受信を説明するための断面図である。図１１に示す複数の感知センサは、一つのセンサネットワークを構成する。センサネットワークに含まれたセンサは、相互間に交流信号をやり取りする。感知センサの相互間に交流信号をやりとりする順序は、多様な実施の形態がありうる。

一実施の形態において、Ｓ１１からＳ１４までの感知センサがそれぞれ交流信号を順次に発信すると、残りの感知センサが信号を受信することができる。その後には、次の列であるＳ２１からＳ２４までの感知センサがそれぞれ交流信号を順次に発信する方式で進行できる。例えば、Ｓ１１感知センサが信号を発信すると、隣接したＳ１２及びＳ２１感知センサが信号を受信することができる。次に、Ｓ１２感知センサが信号を発信すると、Ｓ１１、Ｓ１３、Ｓ２２感知センサが信号を受信することができる。

他の実施の形態において、一つの感知センサは、回転しながら隣接した他の感知センサに信号を発信できる。例えば、Ｓ３３感知センサは、回転部（図３の１５０）を利用して回転しながら信号を発信できる。Ｓ３３感知センサは、Ｓ２３感知センサを指向して信号を発信した後に、Ｓ３４に向かって回転できる。同様に、Ｓ３３感知センサは、Ｓ３４を指向して信号を発信した後に、Ｓ４３感知センサに向かって回転できる。このように感知センサが隣接した感知センサを指向して信号を発信すると、送受信効率が上昇するという効果がある。

図１２から分かるように、一つの感知センサに含まれた複数のコイルは、深さに応じて時間差をおいて信号を送受信できる。図１２（ａ）のような実施の形態では、Ｌ１コイルがそれぞれＬ５、Ｌ６、Ｌ７、Ｌ８コイルを指向して順次に信号を発信できる。図１２（ｂ）のような実施の形態では、Ｌ１コイルがＬ５コイルを指向して信号を発信した後に、Ｌ２コイルがＬ６コイルを指向して信号を発信する方式で、Ｌ４コイルがＬ８コイルを指向して信号を発信できる。

図１１及び図１２の実施の形態を結合すると、複数の感知センサが埋設された地中３次元空間に対する３次元経路損失変化データを収集できる。また、これを利用して３次元空間の経路損失を表示した３次元空間マップを作成することができる。

図１３は、本発明の一実施の形態において、地下環境変化感知方法を示すフローチャートである。図１３から分かるように、まず、地中に前記地下環境変化感知センサを埋設する前または埋設後に、感知センサが他の感知センサとインピーダンスをマッチングする（Ｓ２１００）。インピーダンスをマッチングすると、磁気共鳴効率を上昇させることができる。

次に、感知センサが地中（ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ）から交流信号を発信する（Ｓ２２００）。

次に、感知センサが磁気誘導（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ）方式で伝達される交流信号を第１コイルを利用してセンシングする（Ｓ２３００）。

具体的に、感知センサは、センシングされた交流信号の大きさを測定する。交流信号の大きさは、交流信号の伝播経路の媒質特性に応じる経路損失（ｐａｔｈ ｌｏｓｓ）が反映されているので、信号の大きさを測定すると、経路損失を測定できる。

好ましい実施の形態において、感知センサは、センシングされた交流信号を整流してアナログ信号を出力するステップ、及びアナログ信号をデジタル信号として出力するステップを行って、センシングした信号の大きさを定量化することができる。デジタル信号の大きさ変化を利用すると、信号伝達経路上の地下環境変化に応じる経路損失変化が分かることは、上述のとおりである。

他の実施の形態において、感知センサは、磁気共鳴（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）を強化するために、第１コイル及び前記第１コイルより大きなインダクタンス（ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ）を有する第２コイルを同時に使用して、前記交流信号をセンシングできる。

次に、感知センサが事前に設定された周期ごとに信号を発信しセンシングするステップを繰り返して、時間推移に応じる経路損失変化量を測定する（Ｓ２４００）。

次に、感知センサまたは感知サーバが時間推移に応じる経路損失変化量が事前に設定された臨界範囲から外れる場合、地下環境変化イベントが発生したと判定する（Ｓ２５００）。

他の実施の形態において、地下環境変化感知方法は、まず、地中３次元空間にＸ、Ｙ、及びＺ方向に所定の距離分だけ離隔されて埋設された複数の感知センサが、事前に設定された周期ごとに地中で磁気誘導（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ）方式で信号を送受信する。

次に、地下環境変化感知サーバが、一周期の間に前記複数の感知センサの間で送受信した信号を分析して、各感知センサ間の経路損失（ｐａｔｈ ｌｏｓｓ）を記録した３次元経路損失データを抽出する。

次に、地下環境変化感知サーバが、複数の周期ごとに抽出した３次元経路損失データを分析して、時間推移に応じる３次元経路損失変化量データベースを生成する。

次に、地下環境変化感知サーバが、３次元経路損失変化量データベースを分析して、事前に設定された閾値以上の変化が感知されると、地中環境変化イベントが発生したと判定する。

他の実施の形態において地下環境変化感知サーバは、３次元経路損失変化量データベースを分析して、事前に設定された周期以上連続して経路損失が発生すると、地中環境変化イベントの発生を予告できる。閾値以上の変化が感知されなかったが、事前に設定された周期以上連続して経路損失が増加または減少して、閾値以上の変化が予測される場合、これを予告できる。

次に、地下環境変化感知サーバが、感知センサの埋設位置が表示された地図上に地中環境変化イベントが発生した少なくとも二つ以上の感知センサの位置を表示し、表示された少なくとも二つ以上の感知センサ間の空間に地中環境変化イベントの発生を表示する。

地下環境変化イベントは、シンクホール発生、上下水道水漏れ、地下構造物の変形、農業用土地水分含有量減少のうち、少なくとも一つを含むことでありうる。すなわち、本発明は、シンクホールが発生して空洞が発生するか、上下水道に水濡れが発生して地中水分含有量が増加したり、地下構造物が破損する等変形が発生したり、農業用地の土地水分含有量が減少して水分供給が必要な場合などを予想できる。

（他の実施の形態）
本発明の他の実施の形態において受信部は、地中に埋設され、発信部は、地上に位置できる。本発明の他の実施の形態において発信部と受信部は、全部地上に埋設されることができる。この場合、発信部が発信した信号は、地中を通過して受信部に受信されることができる。場合によって発信信号を反射して受信部に送るための反射装置がさらに含まれることができる。

本発明の他の実施の形態において発信部と受信部は、一つの感知センサに含まれることができ、互いに異なる感知センサに含まれることもできる。

本発明の保護範囲が以上明示的に説明した実施の形態の記載と表現に制限されるものではない。また、本発明が属する技術分野における自明な変更または置き換えによって、本発明の保護範囲が制限されてはならないことを再度言い添える。

Claims (15)

1. 磁気誘導方式で地中を通じて伝播される交流信号を繰り返し的にセンシングするステップと、
   前記交流信号の変化から地下環境変化をモニタリングするステップと
   を含む、地下環境変化感知方法。
2. 前記モニタリングするステップは、前記交流信号が臨界範囲から外れる場合、地下環境変化が発生したと判定することを特徴とする、請求項１に記載の地下環境変化感知方法。
3. 前記モニタリングするステップは、前記交流信号が臨界回数以上連続して増加または減少した場合、地下環境変化の発生を警告することを特徴とする、請求項１に記載の地下環境変化感知方法。
4. 前記モニタリングするステップは、
   前記交流信号の変化から前記交流信号が伝播される経路上の媒質特性変化に応じる経路損失（ｐａｔｈ ｌｏｓｓ）変化量を測定するステップと、
   前記経路損失変化量を利用して、地下環境変化を検出するステップと
   を含むことを特徴とする、請求項１に記載の地下環境変化感知方法。
5. 前記センシングするステップ以前に、交流信号を送受信する感知センサの間にインピーダンスをマッチングするステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の地下環境変化感知方法。
6. 磁気誘導方式で地中を通じて伝播される交流信号をセンシングするコイル部と、
   前記交流信号を繰り返し的にセンシングして、前記交流信号の変化量を測定する制御部と
   を含む、地下環境変化感知センサ。
7. 前記コイル部は、磁気共鳴方式で前記交流信号をセンシングすることを特徴とする、請求項６に記載の地下環境変化感知センサ。
8. 前記コイル部は、第１コイル部及び第１コイル部より大きなインダクタンスを有する第２コイル部を含むことを特徴とする、請求項７に記載の地下環境変化感知センサ。
9. 前記第１コイル部は、スパイラルコイルで、前記第２コイル部は、ヘリカルコイルであることを特徴とする、請求項８に記載の地下環境変化感知センサ。
10. 前記第２コイル部は、少なくとも二つ以上の第１コイル部と連動して、前記交流信号をセンシングすることを特徴とする、請求項８に記載の地下環境変化感知センサ。
11. 少なくとも一つ以上の可変キャパシタを含むマッチング部をさらに含み、
    前記制御部は、可変キャパシタのキャパシタンスを調節して、他の地下環境変化感知センサとインピーダンスマッチングを行うことを特徴とする、請求項６に記載の地下環境変化感知センサ。
12. 前記コイル部は、地中深さ方向に離隔して配置される少なくとも二つ以上のコイルを含むことを特徴とする、請求項６に記載の地下環境変化感知センサ。
13. 磁気誘導方式で地中を通じて伝播される交流信号を繰り返し的に送受信する複数の地下環境変化感知センサと、
    前記複数の地下環境変化感知センサで受信された前記交流信号の変化から地下環境変化をモニタリングする地下環境変化感知サーバとを含む地下環境変化感知システム。
14. 磁気誘導方式で交流信号を送信する少なくとも一つの第１感知センサと、
    前記第１感知センサから離隔して地中を通じて伝播される前記交流信号をセンシングする少なくとも一つの第２感知センサと、
    前記第２感知センサでセンシングされた前記交流信号の変化量を繰り返して測定して地下環境変化を感知する地下環境変化感知サーバとを含む地下環境変化感知システム。
15. 前記地下環境変化感知サーバは、地下空間の地質環境変化、地下水の分布変化、上下水道管、ガス管、送油管、電気ライン、都市鉄道のうち、少なくとも一つを含む地下構造物の変形及びその周辺地盤変化のうち、少なくとも一つをモニタリングすることを特徴とする、請求項１３に記載の地下環境変化感知システム。

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