KR101783815B1 - 자기유도를 이용한 지하환경변화 감지방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 지하환경변화를 감지하는 감지방법에 관한 것이다.
본 발명의 감지방법은 자기유도방식(magnetic induction)으로 지중(underground)을 통해 전파되는 교류신호를 반복적으로 센싱하는 단계; 및 상기 교류신호의 변화로부터 지하환경변화를 모니터링하는 단계를 포함한다.
본 발명의 감지방법은 자기유도방식(magnetic induction)으로 지중(underground)을 통해 전파되는 교류신호를 반복적으로 센싱하는 단계; 및 상기 교류신호의 변화로부터 지하환경변화를 모니터링하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 지하환경변화를 감지하는 감지방법에 관한 것이다.
최근 도심지에 싱크홀이 발생했다는 기사가 심심치 않게 보도된다. 싱크홀(sinkhole)은 지하에 분포하는 공동이 공동 상부의 지반 또는 구조물의 무게를 견디지 못하는 경우 주저 앉게 되는데, 이때 지표와 연결되는 큰 구멍을 의미한다.
고도화된 현대도시에 싱크홀과 같은 지중 이벤트가 발생하는 경우 재산적 피해는 물론 인적 피해가 발생할 수 있다.
싱크홀과 같은 지중 이벤트가 발생하는 원인으로는 자연적 현상이외에도, 대규모 토목공사와 같은 인위적 요인이 있는 것으로 연구되고 있다. 때문에, 대규모 토목공사가 진행되는 지역의 주민들은 언제 싱크홀이 발생할지 모른다는 불안감에 시달리는 경우가 많아, 큰 사회적 이슈를 낳는다.
따라서, 국민적 불안감을 해소하고, 지중 이벤트 발생으로 인한 인적, 물적 손해를 최소화하기 위한 지하환경변화 모니터링기술의 필요성이 대두되고 있다.
대한민국 특허출원번호 제10-2013-0051175호는 “지피알 탐사장비의 신호처리에 의한 지하시설물 탐측시스템”을 개시한 바 있다. 종래 기술에 따른 지피알 탐사장비는 카트(cart) 상에 지피알 탐사장비를 적재하여 장치 자체를 소형화 하였으며, 소형화된 탐측장치를 지상에서 이동시키면서 지하시설물의 이상여부를 탐측한다.
그러나, 종래 기술에 따른 지하매설물 탐측장치는 카트를 작업자가 직접 이동시키며 탐측해야하므로 광범위한 지역을 감시하기 어렵다는 공간적 제약이 있으며, 사람의 노동력을 이용해야한다는 점에서 24시간 상시 모니터링할 수 없다는 시간적 제약이 있다.
따라서 본 발명의 발명자는 그런 문제점을 해결하기 위해서 오랫동안 연구하고 시행착오를 거치며 개발한 끝에 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명의 목적은 자기유도 방식으로 센싱한 신호의 경로손실을 분석하여 지하환경변화를 검출할 수 있는 지하환경변화 감지방법을 제공함에 있다.
지하환경변화는 지하공간의 지질환경변화, 지하수 분포와 변화, 도시철도를 포함한 도시 구조물과 주변 지반 변화, 상하수도 관로 상태변화를 포함할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.
이와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 제1국면은 지하환경변화 감지센서를 이용하여 지하환경변화를 감지하는 감지방법으로서, 지하환경변화 감지센서가:
(a) 지중(underground)에서 발신되어 자기유도(magnetic induction) 방식으로 전달되는 주파수 신호를 제1코일을 이용하여 센싱하는 단계;
(b) 센싱된 주파수 신호의 크기를 측정하는 단계 - 상기 주파수 신호의 크기는 주파수 신호의 전파경로의 매질특성에 따른 경로손실(path loss)이 반영됨 -; 및
(c) 사전에 설정된 주기마다 상기 (a) 단계 및 (b) 단계를 반복하여 시간추이에 따른 경로손실 변화량을 측정하는 단계를 포함하는, 지하환경변화 감지방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예는, (d) 상기 시간추이에 따른 경로손실 변화량이 사전에 설정된 임계범위를 벗어나는 경우 지하환경변화이벤트가 발생한 것으로 판정하는 단계를 더 포함하는 것이 좋다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예는, 지중에 상기 지하환경변화 감지센서를 매설하기 전 또는 매설 후에, 다른 지하환경변화 감지센서와 임피던스를 매칭하는 단계를 더 포함하는 것이 좋다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 (b) 단계는 센싱된 주파수 신호를 정류하여 아날로그 신호를 출력하는 단계; 및 상기 아날로그 신호를 디지털 신호로 출력하는 단계를 포함하고, 상기 (c) 단계는 상기 디지털 신호의 크기 변화를 이용하여서 상기 경로손실 변화량을 측정하는 것이 좋다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 (a) 단계는 자기공명(magnetic resonance)을 강화하기 위해 제1코일 및 상기 제1코일 보다 큰 인덕턴스(inductance)를 갖는 제2코일을 동시에 사용하여 상기 주파수 신호를 센싱하는 것이 좋다.
이와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 제2국면은, (가) 지중 3차원 공간에 X, Y, 및 Z 방향으로 소정의 거리만큼 이격되어 매설된 복수의 감지센서가, 사전에 설정된 주기마다 지중에서 자기유도(magnetic induction) 방식으로 신호를 송수신하는 단계;
(나) 지하환경변화 감지서버가, 한 주기 동안에 상기 복수의 감지센서 사이에서 송수신한 신호를 분석하여, 각 감지센서 사이의 경로손실(path loss)을 기록한 3차원 경로손실 데이터를 추출하는 단계; 및
(다) 지하환경변화 감지서버가, 복수의 주기마다 추출한 3차원 경로손실 데이터를 분석하여, 시간추이에 따른 3차원 경로손실 변화량 데이터베이스를 생성하는 단계를 포함하는, 지하환경변화 감지방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예는, (라) 지하환경변화 감지서버가, 3차원 경로손실 변화량 데이터베이스를 분석하여, 사전에 설정된 임계값 이상의 변화가 감지되면, 지중환경변화이벤트가 발생한 것으로 판정하는 단계를 더 포함하는 것이 좋다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예는, (라) 지하환경변화 감지서버가, 3차원 경로손실 변화량 데이터베이스를 분석하여, 사전에 설정된 주기 이상 연속하여 경로손실이 발생되면, 지중환경변화이벤트의 발생을 예고하는 단계를 더 포함하는 것이 좋다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예는, 지하환경변화 감지서버가, 감지센서가 매설된 위치가 표시된 지도 상에, 지중환경변화이벤트가 발생한 적어도 둘 이상의 감지센서의 위치를 표시하고, 표시된 적어도 둘 이상의 감지센서 사이의 공간에 지중환경변화이벤트 발생을 표시하는 단계를 더 포함하는 것이 좋다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 지하환경변화이벤트는 싱크홀 발생, 상하수도 누수, 지하구조물 변형, 농업용 토지 수분함유량 감소 중 적어도 하나를 포함하는 것이 좋다.
위와 같은 본 발명의 과제해결수단에 의해서 본 발명은 자기유도 방식, 바람직하게는 자기공명 방식으로 지하환경변화를 검출할 수 있는 효과가 있다. 종래에는 지하환경변화를 검출하는데 자기유도 방식으로 전달되는 신호의 경로손실을 이용하여 지하환경변화를 검출하는 경우가 없었기 때문에, 본 발명은 종래에 없던 전혀 새로운 방식의 지하환경변화 검출방법을 제안한다.
또한, 본 발명은 특정 지역의 지하환경변화를 실시간으로 그리고 지속적으로 모니터링할 수 있는 효과가 있다. 센서가 지중에 매설되어 있기 때문에 주기적으로 센서를 통해 지하환경변화를 측정할 수 있기 때문이다. 따라서, 본 발명은 차량 등을 이용하여 수동으로 측정장치를 이동시키며 지하환경변화를 측정하지 않아도 된다.
또한, 본 발명은 특정 지역의 지하환경변화를 3차원적으로 검출할 수 있는 효과가 있다. 본 발명의 감지센서는 지평면을 구성하는 x, y 축 방향뿐 아니라 깊이방향인 z 축 방향으로도 (복수의)센서가 매설되므로, 지하환경변화에 대한 3차원 맵을 작성할 수 있기 때문이다.
한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 있어서 지하환경변화 감지시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 있어서 지중에 매설된 지하환경변화 감지센서를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 지하환경변화 감지센서의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 지하환경변화 감지센서의 제어부 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 발신부와 수신부의 신호처리를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 복수의 주기 동안 측정한 디지털 신호를 분석하여 지하환경변화 이벤트를 검출하는 것을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 제어부의 매칭부를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 제어부가 임피던스 매칭하는 것을 나타내는 순서도이다.
도 9는 본 발명에 따른 일 실시예에 있어서, 큐팩터를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 제2코일을 이용하여 자기공명을 강화하는 것을 나타내는 도면이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 복수의 감지센서 상호 간에 신호를 주고 받는 것을 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 지하환경변화 감지방법을 나타내는 순서도이다.
※ 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 있어서 지중에 매설된 지하환경변화 감지센서를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 지하환경변화 감지센서의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 지하환경변화 감지센서의 제어부 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 발신부와 수신부의 신호처리를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 복수의 주기 동안 측정한 디지털 신호를 분석하여 지하환경변화 이벤트를 검출하는 것을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 제어부의 매칭부를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 제어부가 임피던스 매칭하는 것을 나타내는 순서도이다.
도 9는 본 발명에 따른 일 실시예에 있어서, 큐팩터를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 제2코일을 이용하여 자기공명을 강화하는 것을 나타내는 도면이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 복수의 감지센서 상호 간에 신호를 주고 받는 것을 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 지하환경변화 감지방법을 나타내는 순서도이다.
※ 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.
본 발명에서 자기유도(magnetic induction)를 이용한 교류신호의 전달은, 유도결합(inductive coupling)된 발신부와 수신부가 자기유도 방식으로 신호를 전달한다는 의미로 사용된다.
또한, 본 발명에서 자기공명(magnetic resonance)를 이용한 교류신호의 전달은, 동일한 공진주파수를 갖는 공진 코일 사이(발신부 및 수신부)에 형성되는 강한 자계결합을 이용하여 신호를 전달한다는 의미로 사용된다.
본 발명에서 특별히 부가설명하지 않는 한 자기유도 방식의 신호 센싱은 자기공명 방식의 신호 센싱을 포함하는 것으로 정의한다.
본 발명은 지중의 상태를 일상적, 주기적으로 모니터링하여 실시간으로 발생하는 지중 이벤트, 예컨대 싱크홀 발생을 탐지하기 위한 것이다. 종래기술에서도 언급하였듯이 GPR 방식 등은 별도의 탐지수단을 이용하여 간헐적 또는 이벤트적으로 센싱을 수행해야 하기 때문에 실시간 안전 관리라는 측면에서는 많은 한계를 노출한다. 본 연구진은 지중 이벤트에 대한 탐지는 주기성, 연속성, 실시간성이 보장되어야 한다는 개념하에서 본 발명을 도출하였다. 구체적 수단으로는 자기유도방식에 의한 검출을 채택하였다. 지중에서 자기유도방식을 적용한 예는 지중 통신과 전력 전송 등 전력, 통신분야에 한정되었다. 그러나 이러한 분야에서 자기유도방식에 의한 신호나 전력의 전송은 이른바 경로손실(path loss)이라는 한계를 극복하지 못하는 관계로 활성화되지 못하였다. 즉, 신호나 전력을 전송하는 데 있어서 가장 중요한 요소는 신호나 전력손실량을 최소화시키는 것인데, 신호가 지반을 통해서 전달되면 경로손실이 매우 크다.
그러나 통신분야에서의 경로손실이라는 약점은 지중환경변화를 탐지하는 기술분야에서는 매우 유용한 센싱 요소로 탈바꿈된다. 즉, 매질에 변화가 생기면 경로손실의 양에 변화가 생기게 되는데, 이를 통하여 지중환경변화가 탐지될 수 있다. 표준상태와 비정상상태가 경로손실양의 변화에 의해서 탐지될 수 있다. 본 발명은 역발상을 통해 통신분야에서의 약점을 지중이벤트 탐지의 강점으로 변화시켰다는데 중요한 의미가 있다. 이하에서는 자기유도방식을 통한 지중이벤트 탐지가 어떻게 이루어지는지에 대해서 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 있어서 지하환경변화 감지시스템을 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 있어서 지중에 매설된 지하환경변화 감지센서를 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2에서 알 수 있듯이, 본 발명의 지하환경변화 감지시스템(10)은 복수의 지하환경변화 감지센서(100), 중계기(200), 지하환경변화 감지서버(300)를 포함할 수 있다.
복수의 지하환경변화 감지센서(100)는 상호 이격되어 지중에 설치되며, 하나의 센서네트워크를 형성한다. 개별 감지센서는 유선 또는 무선 통신기능을 포함한다. 따라서, 본 발명의 센서네트워크는 사물인터넷(IoT)을 이용한 센서 그리드일 수 있다.
복수의 지하환경변화 감지센서(100)는 지평면을구성하는 x, y 축 방향으로 소정 간격으로 이격되어 배치된다. 또한, 깊이방향인 z 축 방향으로 소정의 깊이에 매설된다.
바람직한 실시예에서 개별 지하환경변화 감지센서(100)는 중계기(200)와 유선 또는 무선으로 연결될 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 다른 실시예에서 개별 지하환경변화 감지센서(100)는 중계기(200)와 연결되는 것이 아니라, 개별 지하환경변화 감지센서(100) 상호 간에 유선 또는 무선으로 연결될 수 있다. 개별 지하환경변화 감지센서(100)가 상호 간에 연결되면 중계기(200)를 적게 설치하거나 설치하지 않아도 감지센서에서 출력하는 데이터를 지하환경변화 감지서버(300)로 전달할 수 있다.
감지센서(100)는 지중에 매설되어, 다른 감지센서가 자기유도(magnetic induction) 방식으로 발신한 교류신호를 센싱한다. 하나의 감지센서(100)는 교류신호를 센싱할 수 있지만, 동시에 또는 시간차를 두고 다른 감지센서에 교류신호를 발신할 수도 있다.
예를 들어, 도 2의 감지센서(100-1)은 코일(La)을 통해 다른 감지센서(100-2)에 교류신호를 발신한다. 교류신호는 자기유도 방식으로 다른 감지센서(100-2)에 전달된다. 감지센서(100-2)는 코일(Lb)를 통해 교류신호를 센싱한다. 한편, 감지센서(100-2)는 코일(Lc)를 통해 또 다른 감지센서(100-3)에 교류신호를 발신할 수 있다. 또 다른 감지센서(100-3)은 코일(Ld)를 통해 교류신호를 센싱한다.
감지센서(100)는 센싱한 교류신호의 크기로부터 교류신호의 전파경로의 매질특성에 따른 경로손실(path loss)을 측정할 수 있다. 감지센서가 센싱한 교류신호의 크기는 교류신호의 전파경로의 매질특성에 따른 경로손실(path loss)이 반영되어 있기 때문이다. 예를 들면, 감지센서(100-2)가 코일(Lb)를 통해 센싱한 교류신호의 크기는 감지센서(100-3)이 코일(Ld)를 통해 센싱한 교류신호의 크기와 상이할 것이다. 교류신호의 전파경로 상에 있는 매질(1)이 다르기 때문이다. 매질(1)의 특성에 따라서 교류신호의 경로손실은 증가하거나 감소할 수 있다. 예를 들면, 공동이 발생한 경우 경로손실이 감소할 수 있고, 공동에 지하수가 만입한 경우 경로손실이 증가할 수 있다.
중계기(200)는 복수의 감지센서(100)가 발신한 신호를 수신하여 감지서버(300)로 전달한다. 다만, 감지센서(100)가 매설된 영역이 넓지 않은 경우, 또는 감지센서(100)가 직접 감지서버(300)와 유무선으로 연결될 수 있는 경우, 또는 기타의 이유가 있는 경우에는 중계기(200)의 설치를 생략할 수 있다.
지하환경변화 감지서버(300)는 복수의 감지센서(100)에서 센싱한 교류신호의 크기를 분석하여 매설된 지역의 지하환경변화를 감지한다.
지하환경변화는 예를 들어, 지하공간의 지질환경변화, 지하수 분포와 변화, 도시철도를 포함한 도시 구조물과 주변 지반 변화, 상하수도 관로 상태변화를 포함할 수 있다.
따라서, 지하환경변화 감지서버(300)는 싱크홀(sinkhole)이 발생했거나, 대수층(aquifer)의 면적이 증가했거나, 상하수도관에 누수가 발생했거나, 가스관, 송유관, 전기라인, 도시철도와 같은 지하구조물에 변형이 발생했거나, 농업용지의 지중에 수분함유량이 변동했음을 모니터링할 수 있다. 또한, 방사능 폐기물 등과 같은 위험시설의 구조물 변화를 모니터링할 수 있다.
한편, 본 발명의 지하환경변화 감지시스템은 다양한 응용장치와 결합될 수 있다. 예를 들어, 지하환경변화 감지서버는 지상의 스프링쿨러와 결합될 수 있다. 지상의 스프링쿨러는 농업용지의 지중에 수분함유량이 감소했음을 통지받아, 자동으로 급수를 시작할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 지하환경변화 감지시스템은 지하공간의 이상 징후를 사전에 감지 예측 대응하는 것을 목적으로 한다.
지하환경변화 감지서버(300)는 센싱한 교류신호의 전파경로에 있는 매질의 특성이 변화됨에 따라 경로손실(path loss)이 변화한다는 점에 착안하여 지하환경변화를 감지한다. 센싱한 교류신호의 크기는 교류신호의 전파경로의 매질특성에 따른 경로손실(path loss)이 반영되어 있으므로, 센싱한 교류신호의 크기를 소정의 주기마다 비교하면 결과적으로 지하환경변화를 감지할 수 있다.
이상의 실시예에서는 감지센서(100)에서 교류신호의 크기를 측정하면, 감지서버(300)가 이를 분석하여 지하환경변화의 발생 여부를 감지하는 것을 설명하였지만, 본 발명의 실시예가 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
다른 실시예에서 감지센서는 측정한 교류신호의 크기를 자체적으로 분석하여 신호의 크기 변화가 사전에 설정된 임계범위를 초과하는 경우, 지하환경변화가 발생하였음을 직접 결정할 수 있다. 이 경우 감지서버(300)는 감지센서(100)로부터 센싱한 교류신호의 크기가 아니라, 이벤트 발생 결과만을 수신할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 지하환경변화 감지센서의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3에서 알 수 있듯이, 바람직한 실시예에서, 감지센서(100)는 지중에 형성된 매설공(20) 내부 공간(21)에 설치될 수 있다. 일 실시예에서 매설공(20)은 감지센서(100)의 회전부(150)를 고정하는 하부고정부(23), 감지센서(100)의 상부를 지지하는 상부고정부(25), 감지센서(100)에 전력을 공급하는 전력공급부(27), 감지센서(100)가 노출되지 않도록 매설공(20)을 덮는 상부커버(29)를 포함할 수 있다.
바람직한 실시예에서 지하환경변화 감지센서(100)는 외부케이스(110), 코일부(120), 제어부(130), 회전부(150), 깊이조절부(160)를 포함한다.
외부케이스(110)는 내부에 코일부(120) 및 제어부(130)를 수납할 수 있다. 외부케이스(110)는 수납된 부품을 보호하기 위해 방진, 방수 기능을 갖는다. 외부케이스(110)는 코일부(120)가 자기유도방식으로 교류신호를 송수신하는데 방해가 되지 않는 재질로 형성된다.
코일부(120)는 교류신호를 발신하고, 센싱할 수 있는 코일을 포함한다. 본 발명의 코일부(120)는 하나의 코일을 포함할 수도 있지만, 바람직한 실시예에서 코일부(120)는 복수의 코일을 포함할 수 있다.
본 발명의 코일은 코일의 감긴 형태에 따라 스파이럴 코일(spiral coil) 또는 헬리컬 코일(helical coil)을 포함할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
스파이럴 코일은 중심축 방향에 대해 수직으로 형성된 가상의 평면 상에 일정 직경을 갖는 스파이럴 형상으로 형성된 코일을 의미할 수 있다. 헬리컬 코일은 중심축 방향을 따라 일정 높이를 갖는 헬리컬 형상으로 형성된 코일을 의미할 수 있다.
본 발명의 코일부(120)는 두 가지 이상의 형태의 코일이 동시에 사용될 수 있다. 예를 들어, 제1 코일부로 스파이럴 코일을 사용하고, 제2 코일부로 헬리컬 코일을 사용할 수 있다.
헬리컨 코일은 스파이럴 코일에 비해 지향성이 우수하므로 신호 전달에 있어 손실이 감소되는 특징이 있다.
본 발명의 코일부는 제1코일부 및 제2코일부를 포함할 수 있다. 제2코일부는 제1코일부 보다 큰 인덕턴스(inductance)를 갖거나, 제1코일부와 다른 코일 형태를 갖는 코일일 수 있다. 예를 들어, 제1코일부는 스파이럴 코일(spiral coil)이고, 제2코일부는 헬리컬 코일(helical coil)일 수 있다.
일 실시예에서 제2코일부는 적어도 둘 이상의 제1코일부와 연동되어 신호를 센싱하거나 발신할 수 있다. 예를 들어 4개의 제1코일부가 1개의 제2코일부와 연동되는 구조로 형성될 수 있다. 이를 위해서 제1코일부의 크기는 제2코일부의 크기보다 작게 형성될 수 있다.
일 실시예에서 코일부(120)는 깊이방향(z축 방향)으로 사전에 설정된 간격으로 이격된 복수의 코일을 포함할 수 있다.
다른 실시예에서 코일부(120)는 서로 다른 인덕턴스를 갖는 다른 크기의 코일을 적어도 두 개 이상 포함할 수 있다. 서로 다른 특성의 코일을 동시에 사용하여 Q-factor를 증가시키면, 자기공명(magnetic resonance)을 강화시킬 수 있다. 이에 대한 구체적인 설명은 도 10을 이용하여 후술한다.
제어부(130)는 외부케이스(110) 내부공간(또는 외부공간)에 배치되며 코일부(120)와 연결된다. 제어부(130)은 코일부(120)를 통한 교류신호의 발신 및 수신을 제어한다. 다만, 제어부(130)의 구체적 구성에 대해서는 도 4와 함께 후술한다.
회전부(150)는 코일부(120)를 회전시켜, 코일부(120)가 지향하는 방향을 조절한다. 코일부(120)가 지향하는 방향을 조절하면, 교류신호의 센싱 효율이 상승할 수 있다. 회전부(150)는 제어부(130)로부터 회전량 및 회전시기에 대한 제어정보를 수신할 수 있다.
바람직한 실시예에 있어서 회전부(150)는 외부케이스(110) 하단에 위치할 수 있다. 회전부(150)는 하부고정부(23)에 고정되어, 회전부(150) 자체가 고정부(23) 위에서 헛도는 것을 방지할 수 있다.
다른 실시예에서, 회전부는 외부케이스 내부공간에 배치될 수도 있다. 또한, 회전부는 복수개 있을 수 있으며, 복수의 회전부는 코일부(120)를 구성하는 복수의 코일마다 설치될 수 있다. 이와 같은 실시예에서는 코일부(120)를 구성하는 복수의 코일이 지향하는 방향이 서로 상이하게 제어될 수 있다.
깊이조절부(160)는 코일부(120)에 연결되며 코일부(120)의 깊이를 조절한다. 코일의 깊이를 조절하면 하나의 코일을 이용해서 각각 다른 깊이에서 교류신호를 발신하거나 수신할 수 있다. 따라서, 깊이조절부(160)는 적은 수의 코일로도 서로 다른 깊이에서 교류신호를 센싱할 수 있도록 하는 효과가 있다.
바람직한 실시예에서 깊이조절부(160)는 외부케이스(110) 상단에 설치될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 깊이조절부(160)는 코일부(120)의 깊이 조절을 위해, 코일부(120)의 이동을 가이드하는 가이드레일과 깊이 조절을 위한 모터를 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 지하환경변화 감지센서의 제어부 구성을 나타내는 도면이다.
도 4에서 알 수 있듯이, 감지센서(100)는 코일부(120) 및 제어부(130)를 포함할 수 있다. 코일부(120) 및 제어부(130) 사이에는 멀티플렉서(multiplexer, 140)가 더 포함될 수 있다. 멀티플렉서(140)는 코일부에 포함된 복수의 코일(120-1 내지 120-n)을 하나의 제어부(130)에 연결할 수 있다.
제어부(130)는 통신부(131), 중앙처리부(132), 발신부(133), 수신부(134), 및 매칭부(135)를 포함할 수 있다.
통신부(131)는 무선 또는 유선의 통신모듈을 포함한다. 통신부(131)는 복수의 감지센서 상호 간에 통신하거나, 중계기와 통신하거나, 감지서버와 통신할 수 있다. 통신부(131)는 감지센서에서 측정한 교류신호 크기 자체 또는 제어부(130)의 지하환경변화 감지 결과 등을 송신할 수 있다.
중앙처리부(132)는 통신부(131), 발신부(133), 수신부(134), 및 매칭부(135)와 연결되며, 각 구성요소를 유기적으로 동작시키기 위해 내장된 펌웨어를 실행할 수 있다.
발신부(133)는 교류신호를 발신한다. 바람직한 실시예에서 발신부(133)는 교류신호 발진을 위한 오실레이터, 발진된 신호를 증폭하기 위한 증폭기를 포함할 수 있다. 발신부(133)에서 발진된 교류신호는 코일부(120)를 통해서 자기유도방식으로 다른 감지센서에 전달된다.
수신부(134)는 코일부(120)를 통해 교류신호를 센싱한다. 바람직한 실시예에서 수신부(134)는 센싱한 교류신호를 정류하는 정류기, 정류된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 컨버터를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 수신부(134)는 주파수를 낮추어 출력하는 주파수 하향 변환기(down conversion mixer)를 포함할 수 있다.
바람직한 실시예에서 하나의 제어부는 발신부 및 수신부를 포함하고, 발신부 및 수신부는 하나의 코일부와 연결될 수 있다. 즉, 발신부와 수신부는 동일한 코일을 통해 신호를 발신하거나 센싱할 수 있다. 이와 같은 실시예에서 제어부는 발신부가 동작할 때는 수신부의 동작을 차단하고, 수신부가 동작할 때는 발신부의 동작을 차단할 수 있다.
다만, 본 발명이 반드시 이와 같은 실시예에 한정되는 것은 아니다. 다른 실시예에서 발신부는 코일부(120)에 포함된 복수의 코일 중에서 제1코일 그룹에 연결되고, 수신부는 코일부(120)에 포함된 복수의 코일 중에서 제2코일 그룹에 연결될 수 있다. 제1코일 그룹은 제2코일 그룹과 상이한 코일이다. 예를 들어, 발신부는 홀수번째 코일에 연결되고, 수신부는 짝수번째 코일에 연결될 수 있다. 이와 같은 실시예에서 제어부는 제1코일 그룹과 다른 제2코일 그룹을 동시에 이용하여 교류신호의 발신과 센싱을 동시에 진행할 수 있다.
발신부와 수신부의 동작을 보다 구체적으로 설명하기 위해 도 5 및 도 6을 참고하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 발신부와 수신부의 신호처리를 나타내는 도면이다. 도 5 (a)는 한 주기 동안 발신부에서 발신되는 신호를 나타내고, 도 5 (b)는 센싱한 신호를 처리하는 과정을 나타낸다.
도 5 (a)에서 알 수 있듯이, 발신부는 한 주기 동안 특정 교류신호를 발진한다. 한 주기의 시작과 끝에는 소정의 휴지 시간이 있을 수 있다.
도 5 (b)에서 알 수 있듯이, 수신부는 소정의 시간(t1) 동안 회로를 리셋한 후, 입력된 신호를 정류한다(t2). 그 후 정류된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다(t3). 변환 후에는 다시 소정의 시간(t4) 동안 회로를 리셋한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 복수의 주기 동안 측정한 디지털 신호를 분석하여 지하환경변화 이벤트를 검출하는 방법을 나타내는 도면이다. 지하환경변화 이벤트를 검출하는 주체는 감지센서 또는 감지서버일 수 있음은 앞서 설명한 바와 같다.
도 6에 표시한 바와 같은 임계범위(threshold)를 설정하기 위해, 우선 지하환경변화 모니터링을 시작하기 전에, 예를 들면 감지센서를 매설한 직후에 서로 다른 두 개의 감지센서 사이에 교류신호를 주고받아 레퍼런스 데이터를 생성한다(다만, 다른 실시예에서는 이와 같은 레퍼런스 데이터를 생성하지 않을 수 있다).
그 다음, 레퍼런스 데이터를 중심으로 레퍼런스 데이터의 상하에 소정의 임계범위를 설정한다.
그 다음, S1 주기를 시작하여 본격적인 지하환경변화 모니터링을 시작한다. S1 내지 S3 주기와 같이 이례적인 상황(anomaly)이 발생하지 않는 경우에는 측정한 디지털 신호가 사전에 설정된 임계범위를 벗어나지 않는다.
그러나, S4 주기와 같이 이례적인 상황(anomaly)이 발생하면 측정한 디지털 신호가 임계범위를 벗어난다. 디지털 신호가 임계범위를 벗어나면 지하환경변화가 발생한 것으로 판정할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 제어부의 매칭부를 설명하기 위한 도면이다.
매칭부(135)는 교류신호를 효율적으로 발신하고 센싱하기 위해 임피던스를 매칭한다. 즉, 임피던스 매칭을 통해 발신측과 수신측의 공진주파수를 일치시켜 신호센싱의 효율을 증가시키는 것이다.
바람직한 실시예에서 매칭부(135)는 적어도 하나 이상의 가변 커패시터를 포함할 수 있다. 적어도 하나 이상의 가변 커패시터는 코일에 직렬, 병렬, 또는 직병렬 혼합 구조로 연결될 수 있다.
매칭부(135)는 코일부(120) 및 매칭부(135)의 임피던스(ZIN)을 조절하기 위해, 매칭부(135)에 포함된 가변 커패시터의 커패시턴스를 조절할 수 있다.
제어부는 임피던스 매칭을 위해 매칭부를 제어할 수 있다. 이를 보다 구체적으로 설명하기 위해 도 8을 참고하면 다음과 같다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 제어부가 임피던스 매칭하는 것을 나타내는 순서도이다.
도 8에서 알 수 있듯이, 제어부는 공진주파수가 일치되지 않았다고 판단되면, 임피던스 매칭을 위해 우선 매칭부의 커패시턴스를 증가시킨다(S1100).
그 다음, 다시 교류신호를 센싱하여 측정된 주파수와 공진주파수가 일치했는지 판단한다(S1200).
공진주파수가 일치되지 않은 경우에는 공진주파수와 측정된 주파수의 차이가 감소했는지 확인한다(S1300).
주파수의 차이가 감소했다면, 다시 커패시턴스를 증가시키는 단계(S1100)로 돌아가서 상술한 단계를 반복한다.
주파수의 차이가 증가했다면, 커패시턴스를 증가시키는 것이 잘못된 방향의 매칭이었다는 의미이므로, 커패시턴스를 감소시킨다(S1400). 커패시턴스를 감소시킨 이후에는 S1200 및 S1300 단계를 반복하여 공진주파수를 일치시킨다.
상술한 바와 같은 실시예에서는 처음에 커패시턴스를 증가(S1100)시키는 방향으로 임피던스 매칭을 시작하였지만, 다른 실시예에서는 임피던스를 감소시키는 방향으로 임피던스 매칭을 시작할 수도 있다.
임피던스 매칭을 통해 신호를 주는 곳과 받는 곳의 공진주파수를 일치시키면 교류신호를 보다 효율적으로 전달할 수 있다.
도 9는 본 발명에 따른 일 실시예에 있어서, 큐팩터를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 공진주파수(f0)를 중심으로 한 임피던스 매칭 이외에 추가로 큐팩터(Q factor)를 고려한다.
무선통신에서는 데이터 용량을 고려하여 낮은 큐팩터를 갖는 코일을 사용한다. 즉, 넓은 대역폭(BW2)을 확보하기 위해 큐팩터(Q2)를 낮추게 된다.
그러나, 본 발명은 데이터를 송수신하는 무선통신을 목적으로 하는 것이 아니다. 본 발명의 목적은 자기유도 방식을 이용하여 지하환경변화를 감지하는 센서를 제공하는 것이다. 따라서, 더욱 긴 센싱거리와 높은 센서감도를 확보하기 위해 대역폭(BW1)을 희생하고 높은 큐팩터(Q1)를 갖는 코일을 사용한다.
f는 공진주파수, L은 코일의 인덕턴스, r은 코일의내부저항이라고 정의할 때, 큐팩터(Q)는 다음과 같은 수식으로 정의할 수 있다.
Q = wL/r, whrer w=2πf
따라서, L이 크고, r이 작은 재료를 이용하면 코일의 큐팩터를 증가시킬 수 있다.
다만, 큐팩터가 큰 경우에는 센서의 민감도도 함께 상승하므로 안정성(stability)이 감소하는 문제가 있을 수 있다. 따라서, 센서의 설치목적, 설치장소와 설치간격, 지중매질특성에 따라서 적절한 큐팩터를 설계해야한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 제2코일을 이용하여 자기공명을 강화하는 것을 나타내는 도면이다.
본 발명의 코일부(도 4의 120)는 제1코일부(121, 125) 및 제2코일부(123, 127)를 포함할 수 있다.
제1발신코일(121) 및 제2발신코일(123)은 발신부에 포함된 코일이다. 제1수신코일(125) 및 제2수신코일(127)은 수신부에 포함된 코일이다. 제1발신코일(121) 및 제2발신코일(123)에서 발신된 교류신호는 강한 자계결합을 통해 제1수신코일(125) 및 제2수신코일(127)로 전달된다.
바람직한 실시예에서 제2코일부(123, 127)는 제1코일부(121, 125) 보다 높은 인덕턴스를 갖는다.
제2코일부(123, 127)를 사용하면 발신부와 수신부의 큐팩터를 상승시켜 공진특성을 강화할 수 있는 효과가 있다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 복수의 감지센서 상호 간에 신호를 주고 받는 것을 나타내는 도면이다.
도 11는 복수의 감지센서(S11 내지 S44)가 매설된 특정 지역을 내려다 보는 평면도이고, 도 12는 복수의 감지센서 상호간 신호 수신을 설명하기 위한 단면도이다.
도 11에 도시된 복수의 감지센서는 하나의 센서네트워크를 형성한다. 센서네트워크에 포함된 센서는 상호 간에 교류신호를 주고 받는다. 감지센서 상호 간에 교류신호를 주고 받는 순서는 다양한 실시예가 있을 수 있다.
일 실시예에서, S11에서 S14까지의 감지센서가 각각 교류신호를 순차적으로 발신하면 나머지 감지센서가 신호를 수신할 수 있다. 그 후에는 다음열인 S21에서 S24까지의 감지센서가 각각 교류신호를 순차적으로 발신하는 방식으로 진행할 수 있다. 예를 들면, S11 감지센서가 신호를 발신하면 인접한 S12 및 S21 감지센서가 신호를 수신할 수 있다. 다음으로 S12 감지센서가 신호를 발신하면 S11, S13, S22 감지센서가 신호를 수신할 수 있다.
다른 실시예에서, 하나의 감지센서는 회전하면서 인접한 다른 감지센서에 신호를 발신할 수 있다. 예를 들어, S33 감지센서는 회전부(도 3의 150)를 이용하여 회전하며 신호를 발신할 수 있다. S33 감지센서는 S23 감지센서를 지향하여 신호를 발신한 후에, S34를 향해 회전할 수 있다. 마찬가지로 S33 감지센서는 S34를 지향하여 신호를 발신한 후에, S43 감지센서를 향해 회전할 수 있다. 이와 같이 감지센서가 인접한 감지센서를 지향하여 신호를 발신하면 송수신 효율이 상승하는 효과가 있다.
도 12에서 알 수 있듯이, 하나의 감지센서에 포함된 복수의 코일은 깊이에 따라서 시간차를 두고 신호를 송수신할 수 있다.
도 12 (a)과 같은 실시예에서는, L1 코일이 각각 L5, L6, L7, L8 코일을 지향하여 순차적으로 신호를 발신할 수 있다. 도 12 (b)와 같은 실시예에서는, L1 코일이 L5 코일을 지향하여 신호를 발신한 후에, L2 코일이 L6 코일을 지향하여 신호를 발신하는 방식으로, L4 코일이 L8 코일을 지향하여 신호를 발신할 수 있다.
도 11 및 도 12의 실시예를 결합하면, 복수의 감지센서가 매설된 지중 3차원 공간에 대한 3차원 경로손실 변화 데이터를 수집할 수 있다. 또한, 이를 이용하여 3차원 공간의 경로손실을 표시한 3차원 공간맵을 작성할 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 지하환경변화 감지방법을 나타내는 순서도이다.
도 13에서 알 수 있듯이, 우선, 지중에 상기 지하환경변화 감지센서를 매설하기 전 또는 매설 후에, 감지센서가 다른 감지센서와 임피던스를 매칭한다(S2100). 임피던스를 매칭하면 자기공명 효율을 상승시킬 수 있다.
다음, 감지센서가 지중(underground)에서 교류신호를 발신한다(S2200).
다음, 감지센서가 자기유도(magnetic induction) 방식으로 전달되는 교류신호를 제1코일을 이용하여 센싱한다(S2300).
구체적으로, 감지센서는 센싱된 교류신호의 크기를 측정한다. 교류신호의 크기는 교류신호의 전파경로의 매질특성에 따른 경로손실(path loss)이 반영되어 있으므로, 신호의 크기를 측정하면 경로손실을 측정할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 감지센서는 센싱된 교류신호를 정류하여 아날로그 신호를 출력하는 단계 및 아날로그 신호를 디지털 신호로 출력하는 단계를 수행하여 센싱한 신호의 크기를 정량화 할 수 있다. 디지털 신호의 크기 변화를 이용하면 신호 전달경로 상의 지하환경변화에 따른 경로손실 변화를 알 수 있음은 앞서 설명한 바와 같다.
다른 실시예에서, 감지센서는 자기공명(magnetic resonance)을 강화하기 위해 제1코일 및 상기 제1코일 보다 큰 인덕턴스(inductance)를 갖는 제2코일을 동시에 사용하여 상기 교류신호를 센싱할 수 있다.
다음, 감지센서가 사전에 설정된 주기마다 신호를 발신하고 센싱하는 단계를 반복하여 시간추이에 따른 경로손실 변화량을 측정한다(S2400).
다음, 감지센서 또는 감지서버가 시간추이에 따른 경로손실 변화량이 사전에 설정된 임계범위를 벗어나는 경우 지하환경변화이벤트가 발생한 것으로 판정한다(S2500).
다른 실시예에 있어서, 지하환경변화 감지방법은 우선, 지중 3차원 공간에 X, Y, 및 Z 방향으로 소정의 거리만큼 이격되어 매설된 복수의 감지센서가, 사전에 설정된 주기마다 지중에서 자기유도(magnetic induction) 방식으로 신호를 송수신한다.
다음, 지하환경변화 감지서버가, 한 주기 동안에 상기 복수의 감지센서 사이에서 송수신한 신호를 분석하여, 각 감지센서 사이의 경로손실(path loss)을 기록한 3차원 경로손실 데이터를 추출한다.
다음, 지하환경변화 감지서버가, 복수의 주기마다 추출한 3차원 경로손실 데이터를 분석하여, 시간추이에 따른 3차원 경로손실 변화량 데이터베이스를 생성한다.
다음, 지하환경변화 감지서버가, 3차원 경로손실 변화량 데이터베이스를 분석하여, 사전에 설정된 임계값 이상의 변화가 감지되면, 지중환경변화이벤트가 발생한 것으로 판정한다.
다른 실시예에서 지하환경변화 감지서버는, 3차원 경로손실 변화량 데이터베이스를 분석하여, 사전에 설정된 주기 이상 연속하여 경로손실이 발생되면, 지중환경변화이벤트의 발생을 예고할 수 있다. 임계값 이상의 변화가 감지되지는 않았지만, 사전에 설정된 주기 이상 연속하여 경로손실이 증가하거나 감소하여 임계값 이상의 변화가 예측되는 경우 이를 예고할 수 있다.
다음, 지하환경변화 감지서버가, 감지센서가 매설된 위치가 표시된 지도 상에, 지중환경변화이벤트가 발생한 적어도 둘 이상의 감지센서의 위치를 표시하고, 표시된 적어도 둘 이상의 감지센서 사이의 공간에 지중환경변화이벤트 발생을 표시한다.
지하환경변화이벤트는 싱크홀 발생, 상하수도 누수, 지하구조물 변형, 농업용 토지 수분함유량 감소 중 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다. 즉, 본 발명은 싱크홀이 발생하여 동공이 발생했거나, 상하수도가 누수되어 지중 수분함유량이 증가했거나, 지하구조물이 파손되는 등 변형이 발생했거나, 농업용지의 토지 수분함유량이 감소하여 수분 공급이 필요한 경우 등을 예상할 수 있다.
[다른 실시예]
본 발명의 다른 실시예에서 수신부는 지중에 매설되고, 발신부는 지상에 위치할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서 발신부와 수신부는 모두 지상에 매설될 수 있다. 이 경우 발신부가 발신한 신호는 지중을 통과하여 수신부에 수신될 수 있다. 경우에 따라 발신신호를 반사하여 수신부로 보내기 위한 반사장치가 더 포함될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서 발신부와 수신부는 하나의 감지센서에 포함될 수도 있고, 서로 다른 감지센서에 포함될 수도 있다.
본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.
Claims (12)
- 삭제
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- 소정의 지역의 지중에 매설되어 유선 또는 무선으로 연결된 복수의 감지센서를 포함하는 센서네트워크를 이용하여 지하환경변화를 감지하는 방법으로서,
(가) 서로 다른 위치에 배치된 복수의 감지센서가 자기유도방식으로 지중을 통해 전파되는 교류신호를 반복적으로 송신하고 센싱하는 단계; 및
(나) 교류신호가 전파되는 경로 상의 매질특성 변화에 기인한 상기 교류신호의 변화로부터, 각 감지센서 사이의 전파경로 상의 매질에 발생한 지하환경변화를 모니터링하는 단계를 포함하는, 지하환경변화 감지방법. - 제3항에 있어서,
상기 모니터링하는 단계는 지하공간의 지질환경변화, 지하수 분포변화, 상하수도관, 가스관, 송유관, 전기라인, 도시철도 중 적어도 하나를 포함하는 지하구조물의 변형 및 그 주변 지반 변화 중 적어도 하나를 모니터링하는 것을 특징으로 하는, 지하환경변화 감지방법. - 제3항에 있어서,
상기 모니터링하는 단계는, 상기 교류신호가 임계범위를 벗어나는 경우 지하환경변화가 발생한 것으로 판정하는 것을 특징으로 하는, 지하환경변화 감지방법. - 제3항에 있어서,
상기 모니터링하는 단계는, 상기 교류신호가 임계횟수 이상 연속하여 증가하거나 감소한 경우 지하환경변화의 발생을 경고하는 것을 특징으로 하는, 지하환경변화 감지방법. - 제3항에 있어서,
상기 모니터링하는 단계는,
상기 교류신호의 변화로부터 상기 교류신호가 전파되는 경로 상의 매질특성 변화에 따른 경로손실(path loss) 변화량을 측정하는 단계; 및
상기 경로손실 변화량을 이용하여 지하환경변화를 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 지하환경변화 감지방법. - 제3항에 있어서,
상기 센싱하는 단계 이전에, 교류신호를 송수신하는 감지센서 사이에 임피던스를 매칭하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 지하환경변화 감지방법. - 제3항에 있어서,
상기 센싱하는 단계는 교류신호를 발신하는 코일과 수신하는 코일 상호간의 자기공명(magnetic resonance)을 이용한 자기공명방식으로 상기 교류신호를 센싱하는 것을 특징으로 하는, 지하환경변화 감지방법. - 제3항에 있어서,
상기 센싱하는 단계는 자기공명(magnetic resonance)을 위해 적어도 하나 이상의 코일을 동시에 사용하여 상기 교류신호를 센싱하는 것을 특징으로 하는, 지하환경변화 감지방법. - 제3항에 있어서,
상기 센싱하는 단계는,
센싱된 교류신호를 정류하여 아날로그 신호를 출력하는 단계; 및
상기 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 지하환경변화 감지방법. - 제3항에 있어서,
지도 상에 지중환경변화의 발생 위치 또는 경고 위치를 표시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 지하환경변화 감지방법.
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Citations (5)
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|---|---|---|---|---|
| JP2004286461A (ja) * | 2003-03-19 | 2004-10-14 | Fujitsu Ltd | 地中探知方法及び装置 |
| KR101038005B1 (ko) * | 2010-12-07 | 2011-06-02 | (주)바이텍코리아 | 지진 영향 감지가 가능한 지하수 자동 관측 시스템 및 이를 이용한 지하수 자동 관측 방법 |
| JP2011205757A (ja) * | 2010-03-25 | 2011-10-13 | Toyota Central R&D Labs Inc | 電磁界共鳴電力伝送装置 |
| JP2013221864A (ja) * | 2012-04-17 | 2013-10-28 | Fuji Electric Co Ltd | ワイヤレスセンサシステムおよび信号検出装置 |
| US20150177413A1 (en) * | 2013-12-20 | 2015-06-25 | Schlumberger Technology Corporation | Method And Apparatus To Generate A Crosswell Data Set |
-
2015
- 2015-07-14 KR KR1020150099781A patent/KR101783815B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004286461A (ja) * | 2003-03-19 | 2004-10-14 | Fujitsu Ltd | 地中探知方法及び装置 |
| JP2011205757A (ja) * | 2010-03-25 | 2011-10-13 | Toyota Central R&D Labs Inc | 電磁界共鳴電力伝送装置 |
| KR101038005B1 (ko) * | 2010-12-07 | 2011-06-02 | (주)바이텍코리아 | 지진 영향 감지가 가능한 지하수 자동 관측 시스템 및 이를 이용한 지하수 자동 관측 방법 |
| JP2013221864A (ja) * | 2012-04-17 | 2013-10-28 | Fuji Electric Co Ltd | ワイヤレスセンサシステムおよび信号検出装置 |
| US20150177413A1 (en) * | 2013-12-20 | 2015-06-25 | Schlumberger Technology Corporation | Method And Apparatus To Generate A Crosswell Data Set |
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