KR100962419B1 - 다배열 지하레이더를 이용한 3차원 시뮬레이션 시스템 및그 지하정보 영상구현방법 - Google Patents

다배열 지하레이더를 이용한 3차원 시뮬레이션 시스템 및그 지하정보 영상구현방법 Download PDF

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Abstract

해당 지하영역에 대한 정보를 3차원 영상으로 구현하는 것이 가능하도록, 내부에 디지털 컨트롤러 및 타이밍서킷트리를 포함하는 본체와, 상기 본체의 디지털 컨트롤러 및 타이밍서킷트리로부터 연계되는 적어도 하나의 트랜스미터를 구비하고, 상기 트랜스미터로부터 각각 고주파대역 전자파를 발생시켜 해당 지하영역으로 주사하는 송신부와, 상기 본체의 디지털 컨트롤러 및 타이밍서킷트리에 의해 상기 송신부와 연계되는 적어도 두 개의 리시버를 구비하여 해당 지하영역을 탐사한 상기 고주파대역 전자파의 반사신호를 각각 상기 리시버로 받아 증폭 및 변환하는 수신부와, 상기 본체로부터 전송케이블로 연결되고, 기 설정된 변수에 따라 해당 지하영역에 대한 다수의 2차원 탐사 단면 자료의 수집 및 3차원 영상으로의 집대성이 가능하게 이루어지는 데이터처리수단을 포함하는 다배열 지하레이더를 이용한 3차원 시뮬레이션 시스템을 제공한다.
GPR, 지하레이더, 지하, 탐사, 3차원, 고주파대역, 전자파, 지구공간통계학, 단순 크리깅 기법, 자료처리, 지반정보, 지하정보, 크레바스

Description

다배열 지하레이더를 이용한 3차원 시뮬레이션 시스템 및 그 지하정보 영상구현방법{Simulation System of Three Dimensions use of Multi-Array GPR and Imaging Method for Underground Information use of The Same}
본 발명은 다배열 지하레이더를 이용한 3차원 시뮬레이션 시스템 및 그 지하정보 영상구현방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자료처리과정을 최소화하는 동시에 해당 지하영역에 대한 다수의 2차원 탐사 단면 형태의 원시정보로부터 3차원 영상구현이 가능한 다배열 지하레이더를 이용한 3차원 시뮬레이션 시스템 및 그 지하정보 영상구현방법에 관한 것이다.
일반적으로 레이더를 이용한 지하탐사장비는 도 1에서처럼 크게 컴퓨터(1)와, 송신기(2a) 및 수신기(2b)를 포함하는 탐사기기(2)로 구성된다. 상기 컴퓨터(1)는 각종 측정변수의 설정, 자료처리, 저장 및 출력과 같은 기능구현을 위한 것으로 대개는 노트북을 많이 사용한다.
이와 같은 탐사기기(2)는 송신신호의 제어는 물론, 수신신호의 정확한 도달시간을 측정하기 위한 소정의 전자회로로 구성되고, 상기 수신신호를 중합 및 저장하여 상기 컴퓨터(1)로 전송할 수 있도록 이루어진다.
상기 송신기(2a)는 도 2에서처럼 상기 탐사기기(2)에서 소정의 제어신호가 인가되면, 고전압 펄스(2c)를 발생시켜 해당 지하로 주사하고, 상기 수신기(2b)는 상기 고전압 펄스(2c)의 반사신호(2d)를 받아 증폭하고, 소정의 디지털 신호로 변환하기 위한 것이다.
이때, 상기 수신기(2b)는 상기 탐사기기(2)에서 제어하는 송수신 트리거신호(trigger signal)로부터 상기 송신기(2a)에서 주사된 고전압 펄스(2c)가 반사신호(2d)로 도달할 때까지 걸린 시간과 크기를 측정한다.
상기 탐사기기(2)와 송·수신기(2a)(2b) 간의 통신은 광케이블을 적용하여 각종 잡음의 개입을 차단하는 것이 일반적이다.
또, 레이더 탐사에서 송신 펄스의 중심 주파수 및 대역폭은 레이더 파의 침투 심도 및 분해성능을 결정하는 중요한 요인이 된다. 이에 따라, 레이더 탐사 장비에서 중심 주파수 및 대역폭은 주로 송·수신용 안테나의 특성에 의해 좌우되므로, 통상의 탐사장비는 중심 주파수가 다른 여러 개의 안테나를 구비하게 된다.
뿐만 아니라, 모든 전자기기는 자체 내에서 잡음이 발생 된다. 레이더 탐사장비의 경우에도 기기마다 고유의 잡음수준을 가진다. 레이더 시스템의 성능은 방사되는 신호의 크기와 수신기(2b)의 잡음크기에 의해 좌우된다.
가령, 상기 송신기(2a)에서 주사되어 지하 매질을 거쳐 수신기(2b)에 도달한 신호의 크기가 상기 수신기(2b)의 잡음수준 이하가 된다면, 이 경우에는 해당 지하에 대한 정보자료의 취득이 불가능하게 된다.
그러므로 탐사장비는 송신신호의 크기와 수신기(2b)의 잡음크기의 비로 정해 지는 시스템 성능(system performance, dB)을 키우는 것이 좋다. 최근 상업용 레이더 탐사장비의 시스템 성능은 대략 120~160dB 정도로 양산되고 있다.
또, 과거의 현장탐사용 장비들은 아날로그 기록방식이 적용되었으나, 종래의 탄성파 및 고주파대역 전자파 장비들은 대부분 디지털 기록매체와 연동가능하게 구성된다. 아날로그와 디지털의 차이는 명백하다.
아날로그 기록방식에서는 증폭 및 필터링(Filtering) 과정을 거친 신호가 직접 기록계로 전달되어 연속적으로 변하는 전압의 형태로 기록된다. 잉크 펜이 입력 전압에 따라 연속적으로 움직이면서 두루마리로 된 종이 위에 소정의 곡선을 그리는 연속 용지 기록계가 그 좋은 예라 할 수 있다.
초기 탄성파 및 고주파대역 전자파 탐사에서는 대부분의 아날로그 기록을 사진 종이(photographic paper)에 기록하거나, 자기 테이프에 기록하는 형태로 이루어졌었다. 그러나 어떤 경우에든 아날로그 기록방식으로 신호의 자세한 부분까지 기록하기에는 그 자체 내의 기술적 한계가 많다.
이에 비해, 디지털 방식은 기록상에 있어서 아날로그 방식의 한계를 해소하는 특징이 발휘된다. 디지털 방식의 기록에서 가장 큰 기술적인 특징은 신호 조절 이후에 나타난다. 즉, 조절된 신호는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시켜주는 변환기로 보내진다. 여기서 일정한 간격마다 샘플링이 이루어지고, 매 순간마다 신호의 진폭을 부호로 된 숫자로 나타내게 된다.
이러한 방식은 매 순간의 신호가 아무리 크더라도 이를 숫자로 표현하므로, 이론적으로는 기록될 신호의 최대 진폭과 최소 진폭의 비(dynamic range)에 아무런 제약이 따르지 않게 된다.
그러나 샘플링 간격이 너무 멀면 신호의 원래 모양이 보존되지 않고, 고주파 성분이 손실되기 때문에 샘플링 간격이 중요하게 된다. 따라서 실제 디지털 시스템에서는 많은 숫자를 저장하는 동시에 매우 조밀하게 샘플링(Sampling)해야 하므로 디지털 기록매체의 메모리가 상당히 커야 하는 문제점이 있다.
위와 같은 문제점을 제외하면, 디지털 기록방식은 신호의 신뢰성을 높이는 등 몇 가지 중요한 기술적 특징을 거둔다. 예를 들면, 자료를 자기 매체(디스크)에 디지털 형태로 저장할 수 있고, 자료 처리나 디스플레이를 하고자 할 때에는 소정의 컴퓨터 시스템을 통해 간단하고 신속하게 직접 읽어 들여 확인할 수 있게 된다.
또, 탄성파 및 고주파대역 전자파를 이용한 지하탐사장비 내에 소정의 신호향상(signal enhancement) 기능을 부가함으로써, 다수의 신호로부터 얻은 파형을 더할 수도 있다.
뿐만 아니라, 상기와 같은 일련의 과정을 통해 파의 진폭을 향상 또는 증가시킬 수 있으므로 고주파대역 전자파의 에너지가 작아서 확인이 어려운 작은 진폭이라 하더라도 각각의 파형들을 더하는 보강 또는 간섭을 통해 궁극적으로는 구별가능하게 할 수 있는가 하면, 배경 잡음의 경우에는 무작위적인 형태로 인해 파형 보강시 상쇄되는 간섭을 통해 줄어들게 된다.
나아가, 종래의 지하탐사장비는 디지털 방식의 기록 기능 외, 오실로스코프 디스플레이 기능을 갖추고 있어 상기 수신기(2b)로 들어오는 신호에 따른 파형을 현장에서 직접 확인가능하다. 이것은 기록될 신호의 품질을 즉각적으로 확인할 수 있게 되므로 다양한 현장 기법을 적용함에 있어 유용하게 된다.
그러나 상기와 같은 종래의 레이더 탐사장비는 도 1에 나타내는 바와 같이, 한 개의 송신기(Transmitter)(2a)와 수신기(Receiver)(2b)로 구성되고, 도 2에서와 같은 작동관계를 통해 이들 송신기(2a) 및 수신기(2b) 간의 중심에서부터 수직으로 내려가는 지하 지점들에 대한 정보를 한 번에 하나씩 탐지할 수밖에 없는 기술적 한계를 가진 것에 불과하다.
즉, 종래의 레이더 탐사장비는 트레이스(trace)를 출력할 때, 아날로그 방식의 기록과 비슷한 표준 위글트레이스(wiggly-line trace) 또는, 위글트레이스와 가변 면적(variable-area)에 색을 부여하는 방법 등이 적용된다. 표준 위글트레이스 기록은 굴절법 탐사시 적용되는 것인데 비해, 위글 및 가변 면적 트레이스는 탄성파 및 고주파대역 전자파 탐사시에 적용된다.
도 3 및 도 4의 좌측 편에서와 같이, 특정 지점에서의 깊이와 함께 소정의 신호가 주사되었다가 반사되어 되돌아 오는 왕복시간(two-way travel time)에 따른 해당 지하에 대한 정보는 주사된 신호의 강약으로 표시되는 하나의 트레이스(trace) 상태로 얻게 된다.
그러므로, 특정 지점에 대한 지하의 정보를 해석하기 위해서는 탐사장비를 이동하면서 여러 개의 트레이스를 얻는 과정을 반복해야 하고, 그 과정에서 작업자가 직접 탐사기기(2)를 이동시키게 되므로 다수의 상기 트레이스 간에는 오차가 발생할 소지가 많아 진다.
이에 따라, 일정거리마다 트레이스상에 소정의 표시(marking)를 한다. 이때, 일정거리마다 트레이스의 개수는 다를 수 있고, 이럴 경우 여러 가지 기법을 이용하여 도 4의 중간에서처럼 트레이스 간의 간격을 일정하게 조절하는 과정을 거쳐야 한다.
이러한 조절과정을 거친 트레이스들의 집합으로부터 궁극적으로는 도 4의 우측 편과 같은 고주파대역 전자파 탐사 단면이 얻어지지나, 도면을 통해서도 알 수 있듯이, 최종적인 탐사 단면상에는 해당하는 지하의 실질적인 상태 이외에 고주파대역 전자파의 반사파나 회절파 및 잡음 등이 포함되게 되므로 탐사 단면 해석상의 노하우를 쌓은 전문가가 아니라면, 해당하는 지하의 정보를 직관적으로 파악하기가 쉽지 않다.
본 발명은 위와 같은 종래의 문제점을 조감하여 이루어진 것으로, 고주파대역 전자파(10MHz ~ 수 GHz)와 그 반사신호의 송수신이 가능하도록 다수로 이루어지는 송·수신부를 채택하여 해당 지하영역에 대한 정보를 3차원 영상으로 구현할 수 있는 다배열 지하레이더를 이용한 3차원 시뮬레이션 시스템 및 그 지하정보 영상구현방법을 제공하는 것에 우선적인 목적이 있다.
그리고 본 발명의 다른 목적은 자료처리에 소요되는 불필요한 시행착오의 과정을 줄이는 동시에, 해당 지하영역에 대한 소기의 정보를 얻기 위한 작업시간이나 노동력을 줄일 수 있는 다배열 지하레이더를 이용한 3차원 시뮬레이션 시스템 및 그 지하정보 영상구현방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 해당 지하영역에 대한 정보를 3차원으로 영상화하여 자료해석상의 현장 노하우가 쌓인 전문가가 아니라도 직관적으로 파악할 수 있는 다배열 지하레이더를 이용한 3차원 시뮬레이션 시스템 및 그 지하정보 영상구현방법을 제공하기 위한 것에 있다.
본 발명이 제안하는 다배열 지하레이더를 이용한 3차원 시뮬레이션 시스템은 내부에 디지털 컨트롤러 및 타이밍서킷트리를 포함하는 본체와, 상기 본체의 디지털 컨트롤러 및 타이밍서킷트리로부터 연계되는 적어도 하나의 트랜스미터를 구비하고, 상기 트랜스미터로부터 각각 고주파대역 전자파를 발생시켜 해당 지하영역으 로 주사하는 송신부와, 상기 본체의 디지털 컨트롤러 및 타이밍서킷트리에 의해 상기 송신부와 연계되는 적어도 두 개의 리시버를 구비하여 해당 지하영역을 탐사한 상기 고주파대역 전자파의 반사신호를 각각 상기 리시버로 받아 증폭 및 변환하는 수신부와, 상기 본체로부터 전송케이블로 연결되고, 기 설정된 변수에 따라 해당 지하영역에 대한 다수의 2차원 탐사 단면 자료의 수집 및 3차원 영상으로의 집대성이 가능하게 이루어지는 데이터처리수단을 포함하여 구성된다.
상기 송신부의 트랜스미터와 상기 수신부의 리시버는 각각 상호 간에 1:1로 대응되게 이루어지는 형태로도 실시될 수 있고, 상기 송신부는 상기 고주파대역 전자파를 각기 다른 각도로 동시다발적으로 주사가능한 하나의 트랜스미터로 구성하고, 상기 수신부의 리시버는 각기 다른 각도로 주사된 상기 고주파대역 전자파의 반사신호 각각에 대해 수신가능한 복수의 형태로도 실시가능하다.
또, 상기 수신부의 리시버는 상기 송신부의 트랜스미터보다 하나가 적게 구성하되, 각각 상기 트랜스미터가 배치되는 간격 사이의 중간지점에서 상기 본체의 진행방향으로 연장된 일직선상에 배치되고, 각각의 상기 리시버는 근접하게 위치한 두 개의 상기 트랜스미터에서 주사되는 각각의 상기 고주파대역 전자파의 반사신호를 받을 수 있도록 구성가능하다.
그리고, 본 발명이 제안하는 다배열 지하레이더를 이용한 3차원 시뮬레이션 시스템의 지하정보 영상구현방법은 적어도 하나의 트랜스미터를 포함하는 송신부로부터 동시다발적으로 고주파대역 전자파를 발생시켜 해당 지하영역으로 주사한 후, 적어도 두 개의 리시버를 포함하는 수신부를 통해 상기 고주파대역 전자파의 반사 신호를 받아 한 번에 해당 지하영역에 대한 심도에 따른 다수의 2차원 탐사 단면 형태의 원시정보를 수집하는 정보수집단계와, 본체의 디지털 컨트롤러로부터 전송케이블을 통해 상기 원시정보를 전송받은 데이터처리수단의 프로세서상에서 다수의 상기 원시정보 간에 지구공간통계학(Geostatistics)을 적용하여 해당 지하영역 중 밀도가 낮거나 상관도가 낮은 특정 관심영역에 대한 정보를 추정하는 영역정보추정단계와, 상기 데이터처리수단을 통해 다수의 상기 원시정보 및 추정정보를 집대성하는 자료처리를 수행토록 하여 해당 지하영역에 대한 정보를 3차원 영상으로 구현하는 3차원영상구현단계를 포함하여 이루어진다.
상기 영역정보추정단계에서 적용되는 상기 지구공간통계학은
Figure 112008051042543-pat00001
에 따른 단순 크리깅(Simple Kriging) 기법과
Figure 112008051042543-pat00002
및
Figure 112008051042543-pat00003
에 따른 영역 평균값 산출방식을 통합적으로 활용하는 형태로 이루어지고, 상기 영역 평균값은 정상성(定常性: Stationaryty)의 결정에 의해 위치에 의존하지 않고, 상기 관심영역에 대한 광역적 정보를 제공하게 된다.
본 발명에 따른 다배열 지하레이더를 이용한 3차원 시뮬레이션 시스템 및 그 지하정보 영상구현방법에 의하면, 고주파대역 전자파와 그 반사신호의 송신 및 수신을 위한 소자가 다수 개로 배열된 형태를 채택하여 해당 지하영역의 정보취득을 위한 2차원 탐사 단면의 동시다발적으로 얻을 수 있는 등 작업과정을 간소화하게 된다.
그리고 본 발명에 따른 다배열 지하레이더를 이용한 3차원 시뮬레이션 시스템 및 그 지하정보 영상구현방법에 의하면, 송신부와 수신부가 각각 상호 복수로 대응되게 이루어지고, 송신부에서 주사되어 해당 지하영역을 탐사한 고주파대역 전자파의 반사신호를 각각에 대응하는 수신부에서 2차원 탐사 단면을 구성하기 위한 증폭 및 변환을 단번에 실시하게 되므로 작업소요시간을 단축시키는 것은 물론, 자료처리시에도 불필요한 시행착오를 방지한다.
또, 본 발명에 따른 다배열 지하레이더를 이용한 3차원 시뮬레이션 시스템 및 그 지하정보 영상구현방법에 의하면, 해당 지하영역에 대한 탐지작업에 필요한 구성인력의 최적화를 돕는 등 프로젝트 수행시 소요예산을 절감하는 등 경제적인 파급효과를 얻을 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 다배열 지하레이더를 이용한 3차원 시뮬레이션 시스템 및 그 지하정보 영상구현방법에 의하면, 한번에 얻어지는 다수의 2차원 탐사 단면으로부터 해당 지하영역에 대한 정보를 실제 지형을 대면하는 것처럼 직관적으로 파악할 수 있는 3차원 영상으로 구현하므로 지하정보에 대한 자료해석이 용이하 게 된다.
다음으로 본 발명에 따른 다배열 지하레이더를 이용한 3차원 시뮬레이션 시스템 및 그 지하정보 영상구현방법에 대한 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
먼저 본 발명에 따른 다배열 지하레이더를 이용한 3차원 시뮬레이션 시스템은 도 5에서와 같이, 해당 지하영역에 대해 다수의 2차원 탐사 단면으로 슬라이싱(Slicing) 가능하게 구성되고, 다수의 2차원 탐사 단면에 대한 자료처리를 통해 해당 지하영역의 정보를 3차원 영상으로 구현할 수 있는 것으로, 바람직하게는 도 7에서와 같은 소정 형태의 본체(10)와, 송신부(20), 수신부(30) 및 데이터처리수단(40)을 포함하여 이루어진다.
상기 본체(10)는 내부에 디지털 컨트롤러(11)와 타이밍서킷트리(12)를 포함하고, 도 6에서처럼 소정의 바퀴(51)와 손잡이(52)가 구비된 이송수단(50)으로부터 탈·부착가능한 형태로 이루어진다.
상기 디지털 컨트롤러(11)는 소정의 디지타이저 된 자료의 수집이나 컨트롤과 같은 기능을 가지며, 상기 타이밍서킷트리(12)와 연계되게 구성된다.
또, 상기 타이밍서킷트리(12)는 일종의 시한회로로써, 상기 송신부(20)의 임펄스제너레이터(21a)와, 상기 수신부(30)의 샘플러헤드(31c) 및 에이디컨버터(31d)와 연계되고, 소정의 제어신호 즉, 트리거 신호(Trigger signals)를 인가하게 된다. 이때, 상기 타이밍서킷트리(12)의 정밀도는 최소한 50ps(pico second)보다는 높게 구성하는 것이 좋다.
상기 송신부(20)는 상기 본체(10)의 디지털 컨트롤러(11) 및 타이밍서킷트리(12)로부터 연계되는 적어도 하나의 트랜스미터(21)를 포함하는 것으로, 상기 트랜스미터(21)는 각각 고주파대역 전자파(22)를 발생시켜 해당 지하영역으로 주사가능하게 구성된다.
상기 송신부(20)의 트랜스미터(21)는 다시 임펄스제너레이터(21a)와, 트랜스밋안테나(21b)를 포함한다.
상기 임펄스제너레이터(21a)는 상기 본체(10)의 타이밍서킷트리(12)에서 인가되는 트리거 신호(Trigger signals)로부터 소정의 고주파대역 전자파(22)를 발생시키고, 상기 트랜서밋안테나(21b)는 상기 임펄스제너레이터(21a)로부터 상기 고주파대역 전자파(22)를 인계받아 해당 지하영역으로 주사시키도록 이루어진다.
상기 수신부(30)는 상기 본체(10)의 디지털 컨트롤러(11) 및 타이밍서킷트리(12)에 의해 상기 송신부(20)와 연계되는 적어도 두 개의 리시버(31)로 구성되고, 해당 지하영역을 탐사한 상기 고주파대역 전자파(22)의 반사신호(22a)를 각각 상기 리시버(31)로 받아 증폭 및 변환하기 위한 것이다.
상기 수신부(30)의 리시버(31)는 다시 리시버안테나(31a)와 프리앰플리파이어(Pre-amplifier)(31b), 샘플러헤드(31c) 및 에이디컨버터(31d)로 이루어진다.
상기 리시버안테나(31a)는 상기 트랜스미터(21)에서 주사되어 해당 지하영역을 탐사한 각각의 상기 고주파대역 전자파(22)의 반사신호(22a)를 받기 위해 구비된다.
여기서, 상기 트랜서밋안테나(21b)나 리시버안테나(31a)는 설계에 따라 상기 고주파대역 전자파(22)의 방출각도, 투과심도 및 신호의 감도 등을 결정하기 때문에 다양한 조건을 고려해야 한다. 예를 들면, 광대역 성격을 가지는 동시에 중심주파수가 계획된 범위에 들어가야 하고, 지표면과의 커플링 상태가 좋아야 하며, 상황에 따라서는 민감도가 높지 않아야 한다. 지표면과의 커플링 상태가 좋지 않다거나 민감도가 높다면 상기 트랜서밋안테나(21b)나 리시버안테나(31a)가 지표면으로부터 일정 거리 이상 떨어졌을 때, 좋지 않은 결과를 가져올 수 있기 때문이다. 그리고 상기 트랜서밋안테나(21b)나 리시버안테나(31a)는 가격이 저렴하면서도 제조가 간편하게 이루어지는 형태가 좋다.
일반적으로 상기 트랜서밋안테나(21b)나 리시버안테나(31a)의 경우, 보우타이(Bow-tie), 우킹(Wu-king), 혼(Horn)과 같은 다이폴 타입(Dipoel Type)이 좋다.
그리고, 상기 프리앰플리파이어(31b)는 상기 반사신호(22a)에 대한 이득보정은 물론, 정보유실을 방지하기 위한 것으로, 상기 리시버안테나(31a)의 밴드폭 전체를 포함해서 -3dB의 평활도를 가지도록 설계되어야 한다. 예컨데, 500MHz의 안테나인 경우, 적어도 750MHz(-3dB) 정도가 좋다.
또, 프리앰플리파이어(31b)는 저주파대역통과필터(low-pass filter)를 적용해 입출력시 노이즈의 발생을 억제할 수 있도록 한다.
상기 샘플러헤드(31c)는 상기 반사신호(22a)의 레벨을 기록하여 유지시키기 위한 것으로, 트랙 앤 홀드 방식(Track and hold mode)과 샘플 앤 홀드 방식(Sample and hold mode)이 있다.
트랙 앤 홀드 방식(Track and hold mode)은 간단하게 트랙방식이라고도 하며, 회로에 입력신호가 들어오면 버퍼증폭기에서 출력이 될 때까지 스위치에서 충분히 긴 시간 즉, 파형을 복제하는데 소요되는 충분한 시간 동안 닫혀 있도록 구성되는 방식을 말한다.
그리고 샘플 앤 홀드 방식(Sample and hold mode)은 트랙방식과 달리 입력에 요구되는 시간이 매우 짧기 때문에 캐패시터(Capacitor)는 입력전압에 비례하여 충전할 수 있도록 이루어지고, 입력은 스위치가 어퍼츄어시간(Aperture time) 동안의 직류전압으로 나타낸다. 이에 따라, 알씨필터(RC-filter)는 가지지 않고, 상기 어퍼츄어시간과 함께 캐패시터의 용량에 따라 버퍼증폭기의 입력터미널상의 전압을 결정하게 된다. 이 방식은 매우 짧은 어퍼츄어 시간을 다루는데 유용하다. 예를 들면, 500MHz 주파수의 경우, 200ps(pico time)에 해당하는 어퍼츄어 시간이 요구되고, 2GHz에서는 50ps 정도가 요구된다.
상기 에이디컨버터(31d)는 상기 반사신호(22a)를 디지털신호로 변환하기 위한 것으로, 에이디컨버터(31d)의 디지털 출력은 상기 본체(10)의 디지털 컨트롤러(11)에 의해 직접 불러들여 질 수도 있고, 저장도 가능하며, 평균값으로의 변환은 물론, 표시장치나 저장장치로의 이동이 가능하게 구성된다.
상기 송신부(20)의 트랜스미터(21)와 상기 수신부(30)의 리시버(31)는 각각 도 8에서처럼 상호 간에 1:1로 대응되게 구성할 수 있다. 이와 같은 형태에서는 도 9에서 나타내는 바와 같이 한 번의 진행시마다 다수의 탐사 단면을 얻을 수 있게 된다.
그리고, 도 10에서처럼 상기 송신부(20)는 상기 고주파대역 전자파(22)를 각기 다른 각도로 동시다발적으로 주사가능한 하나의 트랜스미터(21)로 구성되고, 상기 수신부(30)의 리시버(31)는 각기 다른 각도로 주사된 상기 고주파대역 전자파(22)의 반사신호(22a) 각각에 대하여 수신가능한 복수로도 구성가능하다. 도 10에서와 같은 실시형태에서는 해당 지하영역에 대한 다수의 탐사 단면을 도 11에서와 같이 얻는 동시에 상기 본체(10)의 소형화 및 경량화를 도모하게 된다.
그러나, 도 12와 도 13의 좌측 편에서 나타낸 바와 같이, 상기 송신부(20)의 트랜스미터(21)에서 주사된 고주파대역 전자파(22)는 심도가 동일한 수평면상에서 반사된다 하더라도, 상기 송신부(20)의 트랜스미터(21)와 복수로 이루어지는 상기 수신부(30)의 리시버(31) 상호 간의 거리 차로 인해 상기 송신부(20)의 트랜스미터(21)에서 멀어질수록 상기 반사신호(22a)의 도달시간이 달라지는 '수직경로시차(Normal Move-Out:NMO)' 현상을 일으키게 된다.
따라서, 이와 같은 실시형태에서는 도 13에서처럼 각 층의 평균속도값을 시행착오(trial and error) 방식으로 찾아 상기 수직경로시차(NMO)를 보정 한 후 해당 지하영역에 대한 정보를 3차원 영상으로 구현하게 된다.
또한, 본 발명은 도 14에서처럼 상기 수신부(30)의 리시버(31)는 상기 송신부(20)의 트랜스미터(21)보다 하나가 적게 구성된 복수의 형태로도 가능하다. 이때, 상기 수신부(30)의 리시버(31)와 상기 송신부(20)의 트랜스미터(21)는 엇갈린 간격이 λ/4이 되도록 하여 최적의 수평 분해능(resolution)이 유지될 수 있도록 하고, 한 개의 트랜스미터(21)에서 이웃한 두 개의 상기 리시버(31)로 신호가 전달 될 수 있도록 배치한다.
즉, 상기 수신부(30)의 리시버(31)는 각각 상기 트랜스미터(21)가 배치되는 간격 사이의 중간지점에서 상기 본체(10)의 진행방향으로 연장된 일직선상에 배치하고, 각각의 상기 리시버(31)에서는 근접한 두 개의 상기 트랜스미터(21)에서 주사되는 각각의 상기 고주파대역 전자파(22)의 반사신호(22a)를 받을 수 있도록 구성한다.
도 15에서 확인할 수 있는 바와 같이, 도 14에서와 같은 실시형태의 경우, 도 8에서와 같은 실시형태에서보다 한 번에 얻을 수 있는 탐사 단면의 수가 배로 늘어날뿐만 아니라, 도 10에서와 같은 실시형태에서처럼 수직경로시차(NMO)에 대한 보정 없이 해당 지하영역에 대한 정보를 3차원 영상으로 신속하고 정확하게 구현가능하게 된다.
상기 데이터처리수단(40)은 상기 본체(10)로부터 전송케이블(41)에 의해 연결되고, 기 설정된 변수에 따라 해당 지하영역에 대한 다수의 2차원 탐사 단면 자료의 수집은 물론, 그를 기초로 3차원 영상으로 집대성 가능하게 이루어진다.
상기 데이터처리수단(40)은 각종 측정변수의 설정은 물론, 수집된 해당 지하영역에 대한 다수의 2차원 탐사 단면 자료를 기초로 상기 지하영역에 대한 3차원 영상으로 집대성할 수 있는 프로세서를 포함하는 컴퓨터 특히, 노트북 형태로 실시될 수 있다.
상기 전송케이블(41)의 경우, 광케이블(Optical fibers), 특수케이블(Special cable), 동축케이블(Coaxial cable) 중 어느 하나를 채택할 수 있으나, 길이에 따른 데이터의 손실이 없고, 각종 터미널에서의 반사파의 발생을 방지할 수 있는 광케이블(Optical fibers)을 적용하는 것이 좋다.
다음으로 상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 다배열 지하레이더를 이용한 3차원 시뮬레이션 시스템의 지하정보 영상구현방법을 도면을 참조하여 간략하게 설명한다.
도 16에서 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 다배열 지하레이더를 이용한 3차원 시뮬레이션 시스템의 지하정보 영상구현방법은 해당 지하영역에 대한 원시정보를 수집하는 정보수집단계(S10)와, 해당 지하영역 중 밀도가 낮거나 상관도가 낮은 특정 관심영역에 대한 정보를 추정하는 영역정보추정단계(S20)와, 해당 지하영역에 대한 정보를 3차원 영상으로 구현하는 정보영상화단계(S30)를 포함하여 이루어진다.
상기 정보수집단계(S10)는 다시 지피알(GPR)지하탐사과정(S11)과 원시정보수집과정(S12)을 포함하여 이루어진다.
상기 지피알(GPR)지하탐사과정(S11)에서는 적어도 하나의 트랜스미터(21)를 포함하는 송신부(20)로부터 동시다발적으로 고주파대역 전자파(22)를 발생시켜 해당 지하영역으로 주사하고, 상기 고주파대역 전자파(22)의 반사파(22a)로부터 상기 지하영역을 탐사하게 된다.
이후, 원시정보수집과정(S12)에서는 적어도 두 개의 리시버(31)를 포함하는 수신부(30)를 통해 상기 고주파대역 전자파(22)의 반사신호(22a)를 받아 한 번에 상기 지하영역에 대한 심도에 따른 다수의 2차원 탐사 단면 형태의 원시정보를 수 집하게 된다.
상기 영역정보추정단계(S20)는 본체(10)의 디지털 컨트롤러(11)로부터 전송케이블(41)을 통해 상기 원시정보를 전송받은 데이터처리수단(40)의 프로세서상에서 다수의 상기 원시정보 간에 지구공간통계학(Geostatistics)을 적용하여 특정 관심영역에 대한 정보를 추정한다.
여기서, 지구공간통계학이라 함은, 공간상의 임의의 점에 대한 정보를 추정하는 과정에서 주관심 대상의 측정값은 물론, 관련이 있는 다른 정보를 활용하여 추정하는 방식을 말한다. 이러한 추정은 추가 정보의 밀도가 높을수록 향상되는데, 특히 주관심 대상의 기본 데이터에 대한 공간적 밀도가 낮거나 공간상에서의 상관도가 낮을수록 추가정보에 의한 추정은 향상되게 이루어진다.
상기 영역정보추정단계(S20)은 다시 단순 크리깅(Simple Kriging) 기법 적용과정(S21)과, 영역 평균값 산출방식을 통합적으로 활용하는 과정(S22) 및 정보추정과정(S23)으로 이루어진다.
즉, 상기 영역정보추정단계(S20)에서 적용되는 상기 지구공간통계학은 단순 크리깅(Simple Kriging) 기법과 영역 평균값 산출방식을 통합적으로 활용하는 과정을 통해 이루어진다.
상기 단순 크리깅(Simple Kriging) 기법 적용과정(S21)의 추정식은 다음의 수학식 1과 같이 표현된다.
Figure 112008051042543-pat00004
여기서,
Figure 112010004730111-pat00005
는 임의의 점 u에서의 크리깅(SK) 추정값이며, m은 크리킹(SK) 평균값,
Figure 112010004730111-pat00006
는 측정값
Figure 112010004730111-pat00007
으로부터 결정된 크리깅(SK) 가중치이다.
상기 영역 평균값은 정상성(定常性: Stationaryty)의 결정에 의해 위치에 의존하지 않고, 추정 값을 구하고자하는 상기 관심영역에 대한 광역적 정보를 제공하게 된다. 이웃한 측선 사이의 2차 정보를 얻기 위한 식은 다음의 수학식 2와 같다.
Figure 112008051042543-pat00008
여기서도,
Figure 112010004730111-pat00032
는 임의의 점 u에서의 크리깅(SK) 추정값이며, m은 크리킹(SK) 평균값,
Figure 112010004730111-pat00033
는 측정값
Figure 112010004730111-pat00034
으로부터 결정된 크리깅(SK) 가중치이고, 크리깅 가중치
Figure 112010004730111-pat00009
은 다음의 수학식 3을 유도함으로써 구하게 된다.
Figure 112008051042543-pat00010
여기서,
Figure 112008051042543-pat00011
는 잔차 R(u)=Z(u)-m(u)의 공분산 함수이다.
이와 같이 자료처리 과정을 최소화하면서 상기 원시정보로부터 3차원 지하정보를 얻기 위하여 취득한 2차원 탐사 단면을 처리하는 과정에 지구공간통계학적 기법을 활용한다.
상기 정보영상화단계(S30)는 상기 데이터처리수단(40)을 통해 다수의 상기 원시정보 및 추정정보를 집대성하는 자료처리과정(S31)과, 해당 지하영역에 대한 정보를 3차원 영상으로 구현하는 과정(S32)을 포함하여 이루어진다.
즉, 다수의 2차원 탐사 단면 결과들로부터 임의로 구성된 조밀한 3차원 공간상의 임의의 지점에 대한 추정값을 구하여 해당 지하영역에 대한 3차원 지하 영상을 구현한다. 이때, 3차원 영상 지하정보는 양파의 껍질과 같이 해당 지하영역을 한층 한층 벗겨 도 17과 같은 슬라이싱(Slicing)을 통해 심도에 따른 2차원 평면도를 구현하고, 이를 기초로 빙하 내의 crevasse 또는 해당 지하영역의 규모 및 형상을 파악하게 된다.
슬라이싱(Slicing) 된 2차원 평면도로부터 심도에 따른 3차원 영상으로 구현한 것이 도 17의 아래쪽 그림이며, 이것은 2차원 평면에서보다 해당 지하영역의 정보를 더 구체적이면서 직관적으로 파악할 수 있게 된다.
상기에서는 본 발명에 따른 다배열 지하레이더를 이용한 3차원 시뮬레이션 시스템 및 그 지하정보 영상구현방법의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서, 여러 가지로 변형하여 실시하는 것 또한 본 발명의 범위에 속한다.
도 1은 종래 레이더를 이용한 지하탐사장비의 기술구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2은 종래 레이더를 이용한 지하탐사장비의 작동상태를 개괄적으로 나타내는 개략도이다.
도 3은 종래 레이더를 이용한 지하탐사장비의 고전압 펄스에 따른 하나의 반사신호와 트레이스(trace)에 대한 디스플레이 상태를 나타내는 도면이다.
도 4는 종래 레이더를 이용한 지하탐사장비로부터 해당 지하에 대한 정보취득을 위한 트레이스(trace)와, 트레이스(trace) 간의 조절과정 및 디스플레이 상태를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 다배열 지하레이더를 이용한 3차원 시뮬레이션 시스템의 해당 지하영역에 대한 2차원 탐사 단면상의 슬라이싱 상태를 개략적으로 나타내는 모식도이다.
도 6은 본 발명에 따른 다배열 지하레이더를 이용한 3차원 시뮬레이션 시스템의 본체에 대한 실시예를 나타내는 사시도이다.
도 7은 본 발명에 따른 다배열 지하레이더를 이용한 3차원 시뮬레이션 시스템를 나타내는 블록도이다.
도 8은 본 발명에 따른 다배열 지하레이더를 이용한 3차원 시뮬레이션 시스템의 제1실시예를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 9는 본 발명의 다배열 지하레이더를 이용한 3차원 시뮬레이션 시스템의 제1실시예에 따른 해당 지하영역에 대한 탐사상태를 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 10은 본 발명에 따른 다배열 지하레이더를 이용한 3차원 시뮬레이션 시스템의 제2실시예를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 11은 본 발명의 다배열 지하레이더를 이용한 3차원 시뮬레이션 시스템의 제2실시예에 따른 해당 지하영역에 대한 탐사상태를 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 12는 본 발명에 따른 다배열 지하레이더를 이용한 3차원 시뮬레이션 시스템에 대한 제2실시예의 탐사시 작동상태를 나타내는 블록도이다.
도 13은 본 발명에 따른 다배열 지하레이더를 이용한 3차원 시뮬레이션 시스템에 대한 제2실시예에 있어서, 트랜스미터와 리시버 간의 거리로 인한 수직경로시차 보정상태를 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명에 따른 다배열 지하레이더를 이용한 3차원 시뮬레이션 시스템의 제3실시예를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 15는 본 발명의 다배열 지하레이더를 이용한 3차원 시뮬레이션 시스템의 제3실시예에 따른 해당 지하영역에 대한 탐사상태를 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 16은 본 발명에 따른 다배열 지하레이더를 이용한 3차원 시뮬레이션 시스템의 지하정보 영상구현방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 17은 본 발명의 다배열 지하레이더를 이용한 3차원 시뮬레이션 시스템의 지하정보 영상구현방법을 통해 슬라이싱된 심도에 따른 2차원 평면도와 3차원 영상도이다.

Claims (11)

  1. 내부에 디지털 컨트롤러 및 타이밍서킷트리를 포함하는 본체와;
    상기 본체의 디지털 컨트롤러 및 타이밍서킷트리로부터 연계되는 적어도 하나의 트랜스미터를 구비하고, 상기 트랜스미터로부터 각각 고주파대역 전자파를 발생시켜 해당 지하영역으로 주사하는 송신부와;
    상기 본체의 디지털 컨트롤러 및 타이밍서킷트리에 의해 상기 송신부와 연계되는 적어도 두 개의 리시버를 구비하여 해당 지하영역을 탐사한 상기 고주파대역 전자파의 반사신호를 각각 상기 리시버로 받아 증폭 및 변환하는 수신부와;
    상기 본체로부터 전송케이블로 연결되고, 기 설정된 변수에 따라 해당 지하영역에 대한 다수의 2차원 탐사 단면 자료의 수집 및 3차원 영상으로의 집대성이 가능하게 이루어지는 데이터처리수단을 포함하는 다배열 지하레이더를 이용한 3차원 시뮬레이션 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 송신부의 트랜스미터와 상기 수신부의 리시버는 각각 상호 간에 1:1로 대응되게 이루어지는 다배열 지하레이더를 이용한 3차원 시뮬레이션 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 송신부는 상기 고주파대역 전자파를 각기 다른 각도로 동시다발적으로 주사가능한 하나의 트랜스미터로 구성되고, 상기 수신부의 리시버는 각기 다른 각도로 주사된 상기 고주파대역 전자파의 반사신호 각각에 대하여 수신가능하게 복수로 구성되는 다배열 지하레이더를 이용한 3차원 시뮬레이션 시스템.
  4. 청구항 1항에 있어서,
    상기 수신부의 리시버는 상기 송신부의 트랜스미터보다 하나가 적게 구성하되, 각각 상기 트랜스미터가 배치되는 간격 사이의 중간지점에서 상기 본체의 진행방향으로 연장된 일직선상에 배치되고, 각각의 상기 리시버는 근접하게 위치한 두 개의 상기 트랜스미터에서 주사되는 각각의 상기 고주파대역 전자파의 반사신호를 받을 수 있도록 구성되는 다배열 지하레이더를 이용한 3차원 시뮬레이션 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 송신부의 트랜스미터는 상기 본체의 타이밍서킷트리로부터 상기 고주파대역 전자파를 발생시키는 임펄스제너레이터와, 상기 고주파대역 전자파를 해당 지하영역으로 주사시키는 트랜스밋안테나를 포함하여 이루어지는 다배열 지하레이더를 이용한 3차원 시뮬레이션 시스템.
  6. 청구항 1항에 있어서,
    상기 수신부의 리시버는 상기 트랜스미터에서 주사되어 해당 지하영역을 탐사한 각각의 상기 고주파대역 전자파의 반사신호를 받는 리시버안테나와, 상기 반 사신호에 대한 이득보정은 물론, 정보유실을 방지하기 위한 평활도를 넓히는 프리앰플리파이어와, 상기 반사신호의 레벨을 기록하여 유지시키는 샘플러헤드와, 상기 반사신호를 디지털신호로 변환하는 에이디컨버터를 포함하는 다배열 지하레이더를 이용한 3차원 시뮬레이션 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 데이터처리수단은 각종 측정변수의 설정은 물론, 수집된 상기 지하영역에 대한 다수의 2차원 탐사 단면 자료를 기초로 상기 지하영역에 대한 3차원 영상으로 집대성할 수 있는 프로세서를 포함하는 컴퓨터 형태로 이루어지는 다배열 지하레이더를 이용한 3차원 시뮬레이션 시스템.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 본체는 바퀴와 손잡이를 포함하는 이송수단으로부터 탈·부착가능한 형태로 이루어지는 다배열 지하레이더를 이용한 3차원 시뮬레이션 시스템.
  9. 적어도 하나의 트랜스미터를 포함하는 송신부로부터 동시다발적으로 고주파대역 전자파를 발생시켜 해당 지하영역으로 주사한 후, 적어도 두 개의 리시버를 포함하는 수신부를 통해 상기 고주파대역 전자파의 반사신호를 받아 한 번에 해당 지하영역에 대한 심도에 따른 다수의 2차원 탐사 단면 형태의 원시정보를 수집하는 정보수집단계와;
    본체의 디지털 컨트롤러로부터 전송케이블을 통해 상기 원시정보를 전송받은 데이터처리수단의 프로세서상에서 다수의 상기 원시정보 간에 지구공간통계학(Geostatistics)을 적용하여 해당 지하영역 중 밀도가 낮거나 상관도가 낮은 특정 관심영역에 대한 정보를 추정하는 영역정보추정단계와;
    상기 데이터처리수단을 통해 다수의 상기 원시정보 및 추정정보를 집대성하는 자료처리를 수행토록 하여 해당 지하영역에 대한 정보를 3차원 영상으로 구현하는 정보영상화단계를 포함하는 다배열 지하레이더를 이용한 3차원 시뮬레이션 시스템의 지하정보 영상구현방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 영역정보추정단계에서 적용되는 상기 지구공간통계학은,
    Figure 112010004730111-pat00012
    여기서,
    Figure 112010004730111-pat00035
    는 임의의 점 u에서의 크리킹 추정값이며, m은 크리킹 평균값,
    Figure 112010004730111-pat00036
    는 측정값
    Figure 112010004730111-pat00037
    으로부터 결정된 크리깅 가중치에 해당하는 단순 크리깅 기법과,
    Figure 112010004730111-pat00013
    여기서도,
    Figure 112010004730111-pat00038
    는 임의의 점 u에서의 크리깅(SK) 추정값이며, m은 크리킹(SK) 평균값,
    Figure 112010004730111-pat00039
    는 측정값
    Figure 112010004730111-pat00040
    으로부터 결정된 크리깅(SK) 가중치에 해당하는 수학식 및
    Figure 112010004730111-pat00014
    여기서,
    Figure 112010004730111-pat00041
    는 잔차 R(u)=Z(u)-m(u)의 공분산 함수에 해당하는 영역 평균값 산출방식을 통합적으로 활용하는 다배열 지하레이더를 이용한 3차원 시뮬레이션 시스템의 지하정보 영상구현방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 영역 평균값은 정상성(定常性: Stationaryty)의 결정에 의해 위치에 의존하지 않고, 상기 관심영역에 대한 광역적 정보를 제공하는 다배열 지하레이더를 이용한 3차원 시뮬레이션 시스템의 지하정보 영상구현방법.
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