KR101807116B1 - 지하 모형 시험장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 매질을 수용하는 케이스; 일 방향으로 연장되도록 형성되고, 일부가 상기 매질에 수용되는 유리관; 상기 유리관 내부에서 이동 가능하도록 배치되고, 전자기파를 송수신하는 안테나를 구비하며, 상기 안테나에 의해 수신되는 전자기파를 분석하는 스캐닝 장치; 상기 케이스에 수용되는 매질의 복소유전율을 측정하고, 측정된 상기 복소유전율로부터 유전율 및 도전율을 추출하는 복소유전율 측정 및 환산 장치; 및 상기 복소유전율 측정 및 환산 장치로부터 수신된 상기 유전율 및 도전율 정보에 따라 상기 케이스에 액체를 공급하여 상기 매질의 조성을 조절하고, 상기 매질의 특성을 변화시키는 액체 공급 장치를 포함하며, 상기 안테나에 의해 수신되는 전자기파를 분석하여 상기 매질 내부에 위치되는 목표물을 탐지하는 지하 모형 시험장치에 관한 것이다.

Description

지하 모형 시험장치{TEST APPARATUS OF UNDERGROUND MODEL}
본 발명은 지하 환경을 모형화하고, 지하 모형에 존재하는 목표물을 탐지하는 장치에 관한 것이다.
지하에 위치하는 목표물을 탐지하기 위해서는 지하 탐사 레이더 시스템을 사용하는 것이 일반적이다. 시추공 레이더 시스템(Borehole Radar System)은 지하 탐사 레이더 시스템(Ground Penetrating Radar System) 중 하나로서 시추공 레이더 시스템은 전기 신호를 지하의 시추공을 따라 위치한 송신기에 보내고, 송신기에서 전자파 신호가 송신 안테나를 통해 방사되어 지하를 통해 전파된 전자파 신호를 수신하여 그 전자파 신호를 분석함으로써 지하에 대한 정보를 획득하는 시스템이다.
지표면 위에서 전자기파를 방사하게 되면, 전자기파는 지상에서 감쇄된 후 목표물에 충돌되면서 그 크기가 더 작아지게 된다. 이에, 시추공 레이더 시스템은 지표면 아래에 시추공을 뚫은 후, 송수신기를 시추공 속에 투입함으로써 지하 깊은 곳에 위치하는 목표물을 탐지한다.
이러한 시추공 레이더 시스템을 이용하여 목표물을 탐지하고 그 효율을 향상시키기 위해서는, 지하의 환경을 변화시켜가면서 다양한 시험을 할 필요가 있게 된다. 다만, 실제 시험장을 구성하여 시추공 레이더 시스템을 이용하여 목표물을 탐지하게 된다면, 지하 깊은 곳까지 시추공을 뚫는데 많은 장비 및 비용이 요구되고, 외부 환경에 영향을 받게 되는 단점이 있다. 또한, 한번 시험장을 제작하면 그 교체가 쉽지 않으므로 다양한 시험 환경을 구현하기 어렵게 된다.
본 발명의 일 목적은, 지하의 다양한 환경을 구현하기 위해 매질의 조성 및 특성을 변화시킬 수 있는 지하 모형 시험장치를 제안하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은, 다양한 매질의 조성 및 특성하에서 목표물을 탐지하고 그 특성을 분석할 수 있는 장치를 제안하기 위한 것이다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예와 관련된 지하 모형 시험장치는, 매질을 수용하는 케이스; 일 방향으로 연장되도록 형성되고, 일부가 상기 매질에 수용되는 유리관; 상기 유리관 내부에서 이동 가능하도록 배치되고, 전자기파를 송수신하는 안테나를 구비하며, 상기 안테나에 의해 수신되는 전자기파를 분석하는 스캐닝 장치; 상기 케이스에 수용되는 매질의 복소유전율을 측정하고, 측정된 상기 복소유전율로부터 유전율 및 도전율을 추출하는 복소유전율 측정 및 환산 장치; 및 상기 복소유전율 측정 및 환산 장치로부터 수신된 상기 유전율 및 도전율 정보에 따라 상기 케이스에 액체를 공급하여 상기 매질의 조성을 조절하고, 상기 매질의 특성을 변화시키는 액체 공급 장치를 포함하며, 상기 안테나에 의해 수신되는 전자기파를 분석하여 상기 매질 내부에 위치되는 목표물을 탐지한다.
본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 액체 공급 장치는, 상기 복소유전율 측정 및 환산 장치로부터 상기 유전율 및 도전율을 전달받아 상기 유전율 및 도전율이 기설정된 값을 가지도록 상기 케이스 내부에 서로 다른 액체를 공급한다.
이때, 상기 액체는 물, 설탕 용액 및 소금 용액 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 액체 공급 장치는, 상기 매질이 기설정된 유전율을 가지도록, 상기 추출된 유전율이 설정된 값보다 작으면 상기 물을 상기 케이스 내부로 투입하고, 상기 추출된 유전율이 설정된 값보다 크면 상기 설탕 용액을 상기 케이스 내부로 투입할 수 있다.
상기 액체 공급 장치는, 상기 매질이 기설정된 도전율을 가지도록, 상기 추출된 도전율이 설정된 값보다 작으면 상기 소금 용액을 상기 케이스 내부로 공급하고, 상기 추출된 도전율이 설정된 값보다 크면 상기 물을 상기 케이스 내부로 공급할 수 있다.
본 발명과 관련된 다른 일 예에 따르면, 상기 액체 공급 장치는 상기 매질이 고형화되어 고체층을 형성하도록 상기 케이스 내부에 고형화 물질을 공급할 수 있다.
이때, 상기 액체 공급장치는, 상기 고체층 위에 다른 고체층이 형성되도록, 상기 고체층 상에 유전율 및 도전율이 상이한 매질을 형성시키고, 상기 매질에 상기 고형화 물질을 공급할 수 있다.
또한, 상기 고체층은 상기 매질이 설정된 형상으로 고체화되어 형성될 수 있다.
본 발명과 관련된 다른 일 예에 따르면, 상기 스캐닝 장치는 상기 안테나에 의해 수신된 전자기파를 전송받아 분석하여 상기 목표물의 형상 및 위치 정보를 추출할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 스캐닝 장치로부터 목표물의 형상 및 위치 정보를 수신하여 표시하는 디스플레이부를 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 다른 일 예에 따르면, 상기 케이스의 일면에 설치되고, 상기 액체 공급 장치에 의해 공급된 액체 및 상기 매질을 혼합시키도록 회전력을 제공하는 날개를 구비하는 매질 혼합기를 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 다른 일 예에 따르면, 상기 케이스의 하단에는 상기 매질을 외부로 배출 가능하게 하는 배출부가 형성될 수 있다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 매질의 유전율 및 도전율을 설정된 값으로 변화시킬 수 있고, 매질의 고체화를 이용하여 지하의 다양한 환경을 구현하고 이에 대해 실험할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 안테나를 통해 송수신되는 전자파를 이용하여 매질 속에 있는 목표물을 탐지하고 그 형상 및 위치 정보를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명인 지하 모형 시험장치의 개념도.
도 2a는 고체층으로 형성된 매질의 형상을 나타내는 사시도.
도 2b는 도 2a를 aa' 선을 따라 자른 단면도.
도 3a는 고체층으로 형성된 매질의 형상을 나타내는 다른 실시예.
도 3b는 도 3a를 aa' 선을 따라 자른 단면도.
도 4a는 고체층으로 형성된 매질의 형상을 나타내는 또 다른 실시예.
도 4b는 도 4a를 aa' 선을 따라 자른 단면도.
도 5a는 고체층으로 형성된 매질의 다른 형상을 나타내는 사시도.
도 5b는 도5a를 aa' 선을 따라 자른 단면도.
도 6은 비균질 물질이 포함된 매질의 형상을 나타내는 사시도.
도 7은 매질 혼합기의 사시도.
도 8은 액체 공급 장치에서의 매질 생성 과정을 나타내는 순서도.
도 9는 디스플레이부를 더 포함하는 지하 모형 시험장치를 나타내는 개념도.
이하, 본 발명에 관련된 지하 모형 시험장치에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.
지표면의 아래에는 흙, 돌, 모래와 같은 물질들이 존재하고, 단층 형상을 가지거나 비균일한 상태를 가지는 등 다양한 특성 및 형상을 가지는 것이 일반적이다. 지하 시험장은 이러한 지표면 아래의 환경을 연출하기 위해 다양하게 제작되게 된다. 다만, 다양한 지하 환경에 대해 실험하기 위하여 지하 시험장을 구현하는 것은 시간, 공간 및 비용에 있어서 제약이 있게 된다.
지하 모형 시험장치(100)는 지하에 위치하는 목표물(10)을 탐지하는 시험장의 다양한 환경을 구축하기 번거롭고, 시공간 및 비용 등의 제약으로 인해 다양한 실험을 수행하기 어려움 점을 해결하기 위한 것이다. 지하 모형 시험장치(100)는 목표물(10)이 놓이는 환경을 다양하게 변형시킬 수 있고, 배경 매질과 매질의 전기적인 특성 변화시킴으로써 지하 환경을 작은 사이즈로 구현할 수 있게 된다.
지하 모형 시험장치(100)에서 수행된 실험을 통해 지면 아래 위치하는 물질을 찾아 그 정보를 추출할 수 있고, 실제로 구축된 지하 시험장에서의 실험 결과와 동일하거나 혹은 유사한 결과를 얻어낼 수 있게 된다.
이하, 지하 모형 시험장치(100)의 각 구성에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명인 지하 모형 시험장치(100)를 나타내는 개념도이다. 지하 모형 시험장치(100)는 실제 지하 환경을 구현하기 위해 지하의 형상을 모형화한 것으로, 케이스(110)에 수용된 매질을 변화시키고 그 결과를 이용하여 실제 지하 환경에 대한 정보를 얻을 수 있다.
도 1에 나타나듯이, 지하 모형 시험장치(100)는 케이스(110), 유리관(120), 스캐닝 장치(130), 복소유전율 측정 및 환산 장치(140), 액체 공급 장치(150)를 포함한다.
지하 모형 시험장치(100)는 매질을 수용할 수 있는 용기인 케이스(110)를 포함한다. 케이스(110)는 액체로 구성되어 특정 유전율 및 도전율을 갖는 매질을 수용한다. 케이스(110)는 상부가 개방되고, 내부에 매질을 수용되도록 구성된다. 매질은 케이스(110) 내에 수용되는 액체로 이루어지는 것으로 특정한 복소 유전율 값을 가지며, 액체 공급 장치(150)에서 액체 공급관(151)을 거쳐 케이스(110) 내부로 물이나 소금 용액 또는 설탕 용액이 유입됨으로써 유전율 및 도전율 값이 변화된다.
케이스(110)는 매질을 수용하는 용기를 의미하는 것으로, 도 1과 같이 상부가 개방된 형상을 가진다. 케이스(110)는 통상적으로 직육면체 혹은 정육면체로서 3차원 형상을 가지는 것이 일반적이지만, 매질을 수용할 수 있다면 그 형상이 제한되지 않을 것이다. 케이스(110)는 PVC, 아크릴, 유리 등의 재료로 이루어질 수 있다.
도 1과 같이 케이스(110)의 일 면에는 매질 혼합기(111)가 위치된다. 도 7은 매질 혼합기(111)의 예를 나타내는 것으로, 매질 혼합기(111)는 회전력을 제공하는 날개를 구비하여, 날개를 회전시킴으로써 매질 내로 투입되는 소금 용액, 설탕 용액, 고형화 물질이 잘 섞이도록 하는 역할을 한다. 다만, 도 7에 나타난 형상 외에도 매질을 혼합할 수 있다면 다양한 형상을 가질 수 있을 것이다.
케이스(110)의 일 측에는 매질이 외부로 배출되도록 하는 배출부(113)가 위치된다. 배출부(113)는 신호를 받아 수용된 매질을 배출하는 역할을 하는 것으로, 여닫을 수 있는 구조를 가지며, 평시에 매질이 외부로 유출되지 않도록 고무로 이루어지는 패킹을 구비하게 된다. 다만, 배출부(113)는 상기와 같은 기능을 수행하는 것이라면, 도 1에 나타난 형상 이외에도 다양한 형상을 가질 수 있을 것이며, 설치되는 위치 또한 제한되지 않을 것이다.
유리관(120)은 도 1과 같이, 상하 방향으로 연장되도록 형성될 수 있다. 유리관(120)은 지하 물질을 탐지할 때 지표면 아래를 향해 뚫어서 생기는 구멍인 시추공을 의미하는 것으로, 긴 원통형의 형상을 가지며 안쪽에는 안테나(132)가 이동될 수 있는 공간을 가지므로 유리관(120)의 안쪽 공간을 따라 안테나(132)는 이동 가능하다.
유리관(120)은 안테나(132)가 전자기파를 송수신할 때 신호를 왜곡시키지 않는 특성이 있다. 유리관(120)은 전자기파 신호에 영향을 주지 않도록 유리를 가공하여 형성된다. 신호의 변형을 초래하게 되면 그 결과값이 달라질 수 있기 때문이다. 유리관(120)은 도 1과 같이 일부가 케이스(110) 내의 매질에 수용되고, 일부분은 공기 중으로 노출된다.
안테나(132)는 매질 내부를 향해 전자기파를 송신하고, 매질 및 매질 내부에 있는 목표물(10)로부터 반사되는 신호를 수신하게 된다. 안테나(132)는 유리관(120) 내부에서 상하로 이동 가능하다. 안테나(132)는 스캐닝 장치(130)와 동축선(133)을 통해 연결되어 신호를 주고받는다. 동축선(133)은 내측에 위치되는 도선을 외측의 절연 물질이 감싸는 형상을 가진다.
도 1과 같이 동축선(133) 내부의 도선은 유리관(120) 내부로 삽입되고, 삽입된 도선의 말단부에는 안테나(132)가 위치된다. 안테나(132)는 전자기파를 송수신하는 역할을 하는 것으로 다양한 형상을 가질 수 있으므로 도 1에 나타난 형상으로 제한되지 않을 것이다.
도 1은 스캐닝 장치(130)와 연결된 동축선(133) 및 안테나(132)가 각각 두 개씩 구비되는 것을 나타내고 있으나, 안테나(132)는 전자기파를 송수신을 할 수 있는 것이라면, 각각 한 개씩만 설치되는 것도 가능할 것이다. 이 경우 유리관(120)도 하나만 설치될 수 있다.
스캐닝 장치(130)는 안테나(132)와 동축선(133)을 통해 연결된다. 스캐닝 장치(130)는 안테나(132)로부터 수신된 신호를 분석하는 역할을 하는 장치이다. 신호는 전자기파를 의미한다. 스캐닝 장치(130)는 안테나(132)가 수신하는 신호를 분석하여 목표물(10)을 탐지할 수 있고, 목표물(10)의 형상 및 위치에 관한 정보를 얻어내는 역할을 하게 된다. 스캐닝 장치(130)는 상기와 같은 기능을 하는 것이면 되고, 그 형상에는 특별한 제한이 없다.
복소유전율 측정 및 환산 장치(140)는 케이스(110)에 수용되는 매질의 복소유전율을 측정하고, 측정된 복소유전율로부터 유전율 및 도전율을 추출하는 역할을 한다. 매질의 복소유전율 측정은 복소유전율 측정 및 환산 장치(140)에 연결된 탐지기(141)를 통해 가능하다.
복소유전율(complex permittivity)은 전기적 특성 중 하나로 복소유전율의 측정은 공동공진기법(cavity resonator method), 전송선로법(transmission-line method) 및 동축선 프로브법(coaxial-line probe method) 등이 주로 이용된다.
본 발명에서는 탐지기(141)는 동축선 프로브(Coaxial Probe) 일 수 있고, 이를 통해 복소유전율의 측정이 가능하다.
동축선 프로브법은 매질의 표면에 동축선 프로브를 접촉시켜 반사되는 전자파로부터 반사계수를 측정하고, 이로부터 복소유전율을 환산하는 방식이다. 동축선 프로브법은 매질에 특별한 가공 없이도 프로브와 매질의 접촉만으로 전기적 특성을 측정하게 된다. 동축선 프로브법은 한 번의 측정으로 넓은 주파수 대역에서 전기적 특성을 측정할 수 있는 장점이 있고, 고체 형태의 매질뿐 아니라 액체, 분말에 대해서도 측정이 가능하다. 본 발명에서의 탐지기(141)는 동축선 프로브와 같이 매질의 전기적 신호를 탐지 또는 감지하는 것을 말하며, 탐지기(141)는 개방단말 동축선 프로브(Open-Ended Coaxial Probe)일 수 있다.
복소유전율은 유전율을 복소수의 형태로 나타내는 것으로, 아래의 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있고, [수학식 1]을 변환하여 하기와 같이 [수학식 2]을 얻을 수 있다.
Figure 112015106998339-pat00001
(ε: 복소유전율, ε’:유전율)
Figure 112015106998339-pat00002
(ε:복소유전율, ε’:유전율, ε”/ε’:손실탄젠트, 도전율)
즉, 복소유전율 측정 및 환산 장치(140)를 통해 매질의 복소유전율이 측정되면, 상기와 같은 방법으로 복소유전율로부터 매질의 유전율 및 도전율을 환산할 수 있게 된다.
액체 공급 장치(150)는 복소유전율 측정 및 환산 장치(140)로부터 유전율 및 도전율 정보를 수신하여 설정된 매질의 유전율 및 도전율에 따라 케이스(110)에 액체를 공급하여 매질의 조성을 바꾸며, 매질의 특성을 변화시킬 수 있게 된다.
액체 공급 장치(150)는 도 1에서 보는 바와 같이, 여러 개로 나누어진 챔버(A, B, C, D)가 존재하고, 각 챔버(A, B, C, D)에는 일정한 농도의 소금 용액, 일정한 농도의 설탕 용액, 물 및 고형화물질이 저장되고, 복소유전율 측정 및 환산 장치(140)로부터 유전율 및 도전율을 전달받아 유전율 및 도전율이 기설정된 값을 가지도록 각 챔버(A, B, C, D)로부터 케이스(110) 내부로 서로 다른 액체를 공급하게 된다. 여기서 액체는 물, 설탕 용액 및 소금 용액 중 적어도 어느 하나를 의미한다.
매질이 기설정된 유전율을 가지도록, 복소유전율 측정 및 환산 장치(140)로부터 추출된 유전율이 설정된 값보다 작으면 물을 케이스(110) 내부의 매질로 투입시키고, 추출된 유전율이 설정된 값보다 크면 설탕 용액을 상기 케이스(110) 내부로 투입시키게 된다. 설탕 용액은 매질의 유전율을 높이는 역할을 한다. 액체 공급 장치(150)에 저장된 설탕 용액의 농도는 특정 값일 수 있으며, 사용자에 의해 임의로 정해질 수 있다.
액체 공급 장치(150)는 매질이 기설정된 도전율을 가지도록, 추출된 도전율이 설정된 값보다 작으면 소금 용액을 케이스(110) 내부의 매질로 공급하고, 추출된 도전율이 설정된 값보다 크면 물을 케이스(110) 내부로 공급하게 된다. 여기서 소금 용액은 매질의 도전율을 높이는 역할을 하게 된다. 액체 공급 장치(150)에 저장된 소금 용액의 농도는 특정한 값일 수 있으며, 사용자에 의해 임의로 정해질 수 있다.
즉, 액체 공급 장치(150)는 복소유전율 측정 및 환산 장치(140)로부터 전달받은 매질의 유전율 및 도전율이 기설정된 유전율 및 도전율이 되도록 소금 용액 및 물을 이용하여 매질의 도전율을 조절하고, 설탕 용액 및 물을 이용하여 매질의 유전율을 조절하게 된다.
또한, 액체 공급 장치(150)는 실제 지하 환경을 구현하기 위해 매질을 고형화시키기 위해 액체 공급 장치(150)에 저장된 고형화 물질을 매질 내로 투입하게 된다. 여기서 고형화 물질이란, 한천, 겔화 물질 등과 같이 매질에 투입되어 매질을 고체화시킬 수 있는 물질을 의미한다.
이하, 지하 모형 시험장치(100)의 원리에 대해 설명한다.
도 1과 같이 상부가 개방된 형상을 가지는 케이스(110)는 매질을 수용하고, 유리관(120)은 매질 속에 수용된다. 전자기파를 송수신할 수 있는 안테나(132)는 유리관(120) 내부에서 상하 방향으로 이동하면서 전자기파를 매질을 향해 송신한 후, 반사되는 전자기파를 수신하게 된다. 안테나(132)에 의해 수신된 전자기파 신호는 스캐닝 장치(130)로 전송되고, 스캐닝 장치(130)에서는 전자기파 신호를 이용하여 위치하는 목표물(10)을 탐지하게 된다.
매질 속에는 목표물(10)이 위치되고, 목표물(10)은 매질과 그 성분 및 조성이 다르므로 목표물(10)에서 반사되는 전자기파는 그 신호의 형태 및 파형이 매질로부터 반사되는 전자기파와는 다른 양상을 가지게 된다. 이러한 점을 이용하여, 지하 모형 시험장치(100)는 목표물(10)의 형상, 특성 및 위치 정보를 탐지할 수 있게 된다.
이때, 지하 모형 시험장치(100)는 다양한 실제 지하 상황의 구현을 위해 유전율과 도전율을 측정하고, 유전율과 도전율을 변화시킬 수 있다. 또한, 케이스(110)에 수용된 매질에 고형화 물질을 공급하여 매질을 고형화시킴으로써 복수의 매질을 경사지게 구성시키거나, 다양한 형상을 가지도록 매질을 구성시켜 실제 지하의 지층, 단층, 크랙과 같은 비균일한 지하 상황을 구현할 수 있게 된다. 케이스(110)에 수용된 매질은 복소유전율 측정 및 환산 장치(140)와 액체 공급 장치(150)를 통해 그 조성 및 특성이 제어된다. 즉, 지하 모형 시험장치(100)는 사용되는 매질은 사용자가 원하는 유전율 및 도전율을 가지도록 구성하고, 매질이 경사를 가지고 기울어지도록 하거나 특정한 형상을 가지도록 할 수 있다.
복소유전율 측정 및 환산 장치(140)를 통해 분석된 매질의 특성이 연결선(143)을 통해 액체 공급 장치(150)에 전달되면, 액체 공급 장치(150)는 사용자가 원하는 매질의 특성으로 변화시키기 위해 액체 공급 장치(150)의 각 챔버(A, B, C, D)에 저장된 소금 용액, 설탕 용액 및 물을 매질에 투입시키게 된다. 매질에 소금 용액, 설탕 용액 또는 물이 투입된 후, 복소유전율 측정 및 환산 장치(140)의 탐지기(141)는 다시 매질의 복소유전율을 측정하여 매질의 유전율 및 도전율을 추출하고, 추출된 정보를 액체 공급 장치(150)에 전송하게 된다.
액체 공급 장치(150)는 전송받은 매질의 유전율 및 도전율이 설정된 매질의 특성과 부합하는지 판단하여 부합하지 않게 되면, 매질 내로 소금 용액이나 설탕 용액 혹은 물을 투입하는 과정을 거치게 된다. 이런 과정을 통해 매질의 유전율 및 도전율을 사용자가 설정하는 매질의 특성과 일치시킬 수 있게 된다.
매질의 유전율 및 도전율을 설정하는 순서는 도 8에 나타내었다.
도 8을 참조하면, 임의의 특성을 가지는 액체가 혼합되어 이루어지는 매질이 케이스(110) 내로 수용되면, 복소유전율 측정 및 환산 장치(140)는 매질의 복소유전율을 측정하고 유전율 및 도전율 정보를 추출하게 된다. 그 후, 추출된 유전율 및 도전율이 사용자가 설정한 매질의 유전율 및 도전율과 부합하는지 판단하는 과정을 거치게 되는데, 구체적으로 설정된 유전율보다 매질의 유전율이 작으면 케이스에 수용된 매질에 물을 공급하고, 설정된 유전율보다 매질의 유전율이 크면 설탕 용액을 매질에 공급하는 과정을 거치게 된다. 설탕 용액이나 물을 매질에 투입한 후에는 다시 유전율을 측정하는 과정을 거치게 되고, 사용자가 설정한 유전율과 매질의 유전율이 일치시키게 된다. 마찬가지로 설정된 도전율이 매질의 도전율과 일치되도록 소금 용액 또는 물이 공급되는 과정을 거치게 된다. 그 후, 사용자가 설정하는 양의 매질만 남겨지도록 설정된 범위를 벗어난 매질은 배출부(113)를 통해 외부로 배출되게 된다. 이로써 케이스(110)에 수용된 매질의 양을 조절할 수 있게 된다.
지하 모형 시험장치(100)는 실제 지하의 환경이 축소된 것으로, 지하 모형 시험장치(100)에 따른 결과값을 이용하면 실제 지하 물질의 탐지에 있어 응용 가능하다. 배경 매질의 유전율 및 도전율을 각각 특정 값을 가진다고 할 때, 해당 매질과 실제 지하 환경의 축적 비율을 얻어내어 당해 매질에서의 탐사 거리를 실제 지하 환경에서의 탐사 거리로 환산하는 방법을 이용하게 된다. 만일 배경 매질이 물이라 할 때, 물과 실제 지하 환경에서의 축적 비율을 통해서, 지하 탐사 간격에 따른 해당 매질에서의 탐사 간격을 결정할 수 있게 된다.
여기서 축척 비율이란, 지하 모형 시험장치(100)에서 사용하려는 주파수와 매질의 전기적인 특성에 의해서 결정되는 값으로, 축적 비율은 아래의 [수학식 3]에서 구해지는 파장(λ)의 비율로부터 구할 수 있다.
Figure 112015106998339-pat00003
(λ: 파장, f: 최대주파수, c: 빛의 속도, ε: 매질의 유전율)
통상적으로 사용하는 전자기파의 최대주파수의 반파장보다 목표물(10)이 크면 탐지가 가능하다. 예를 들어, 실제 지하 환경에서의 유전율이 6.5(F/m)이라고 하면, 실제 지하 환경에서 공기로 형성된 목표물(10) 1m를 탐지하는데 얻어지는 최대주파수는 대략 60 MHz 을 얻을 수 있고, [수학식 3]으로부터 계산된 λ지하는 1.96 m 라는 결과를 얻을 수 있다. 매질이 물이라면, 실험에서 사용되는 최대주파수는 1.5 GHz라고 하고, 물의 유전율ε물 은 60(F/m)이므로, 상기 [수학식 3]을 통해 얻어지는 λ물는 약 0.022 m 라는 결과를 얻을 수 있게 된다. 이로부터 축척 비율(SF) SF = λ지하/λ물 = 1.96/0.022 = 75.4 라는 값을 얻을 수 있게 된다.
위에서 얻어진 축척 비율 75.4 로부터 만일 배경 매질이 물이라면, 실제 지하 목표물(10)이 2 m 의 상하좌우 크기를 가질 때 상기 축척 비율 75.4 로부터 지하 모형 시험장치(100)에서의 목표물(10)은 상하좌우가 2.27 cm 로 축소시킬 수 있고, 같은 방법으로 실제 지하 환경에서의 탐지 간격이 20 cm 단위라면, 축소된 지하 모형 시험장치(100)에서는 2.26 mm 간격으로 탐지하면 된다. 매질이 물이 아닌 다른 물질이라도 측정된 유전율 값을 통해 축척 비율을 구해 지하 모형 시험장치(100)로부터 실제 지하 환경을 구현하는 것이 가능하다.
즉, 지하 환경에 맞춰 축소된 지하 모형 시험장치(100)를 구성하여 지하 모형 시험장치(100)에서의 탐지 결과값을 실제 지하 환경에서의 탐지 결과값으로 대체할 수 있는 효과를 얻을 수 있게 된다.
지하 모형 시험장치(100)는 케이스(110)에 수용되는 매질의 특성을 변화시킴으로써 지면 아래에 있는 흙, 돌, 모래와 같은 환경을 구현할 수 있고, 케이스(110)에 수용되는 매질을 고형화시킴으로써 단층이나 비균일한 환경을 구현할 수 있다. 도 2 내지 도 6은 매질에 고형화 물질을 투입하여 매질을 고체화하여 비균일한 지하 환경을 구현하는 것을 보여준다.
도 2a를 보면, 일정한 유전율 및 도전율을 가지는 매질 1(20)을 형성시키고, 액체 공급 장치(150)로부터 고형화 물질을 투입하여 매질 1(20)을 고형화시킨다. 그 후 고형화된 매질 1(20) 상에 매질 1(20)과 다른 유전율 및 도전율을 가지는 매질 2(21)를 형성시킨 후 다시 고형화 물질을 매질 2(21)에 투입하여 매질 2(21)를 고체화한다. 도 2a는 실제 지하의 지층을 나타내게 되고, 지층이 있을 때의 환경에 대해서 실험을 수행할 수 있게 된다. 도 2a에서 aa' 선을 따라 절단된 단면은 도 2b에 나타내었다. 도 2b는 가장 아래쪽부터 매질 1(20), 매질 2(21) 및 공기층(23)이 차례대로 형성된 것으로 지층을 나타내게 된다.
도 3a은 일정한 유전율 및 도전율을 가지는 매질 1(20)을 도 3a와 같이 경사를 가지도록 한 후 고형화 물질을 케이스(110) 내부에 투입하여 고체화시키고, 그 위에 매질 2(21)를 형성시킨 모습을 나타낸다. 매질의 경사는 유리판이나 아크릴판 같은 재료를 이용하여 형성시키는 것이 가능할 것이다. 도 3a의 aa' 선을 따라 자른 단면은 도 3b에 나타내었다. 도 3b는 아래부터 차례대로 매질 1(20), 매질 2(21) 및 공기층(23)으로 형성된 것으로, 경사를 가지는 지층을 나타내게 된다.
도 4a는 각기 다른 유전율 및 도전율을 가지는 매질 1(20), 매질 2(21), 매질 3(22)이 형성된 모습을 나타내고, 도 4b는 도 4a를 aa'선을 따라 자른 단면을 나타낸다. 도 4a 및 도 4b는 복수의 경사를 가지도록 매질을 형성시킬 수 있음을 보여주는 예이다.
도 5a는 케이스(110)의 가장 아래쪽에 위치되는 매질 1(20)의 표면 형상이 물결 모양을 가지는 것으로, 매질 2(21)는 매질 1(20)위에 형성되고 그 위에 공기층(23)이 형성된다. 이는 단층을 형상화 한 것으로, 지하 모형 시험장치(100)를 이용하여 지하의 다양한 형상을 나타낼 수 있음을 보여준다. 도 5b는 도 5a를 aa' 선을 따라 절개한 단면을 나타낸다.
도 6은 매질에 결정성 물질이 위치하는 모습을 나타낸다. 실제 지하에는 여러 가지 결정성 물질이 존재하므로 지하 모형 시험장치(100)는 이를 형상화하기 위해 케이스(110) 내부에 결정성 물질을 투입시킴으로써 이를 형상화 하는 것이 가능하다.
이상에서 설명한 도 2 내지 도 6은 지하 모형 시험장치(100)를 통해서 구성이 가능한 지하 환경의 예로서, 지하 모형 시험장치(100)는 도 2 내지 도 6 이외에도 다양하게 비균일한 매질을 형성시키고 지하 환경을 구현시킬 수 있다. 또한, 색소를 이용하여 각 매질이 시각적으로도 구분되도록 할 수 있을 것이다.
도 9는 디스플레이부(160)가 더 포함된 지하 모형 시험장치(100)를 나타낸다. 디스플레이부(160)는 사용자에게 시각적으로 관련 정보를 나타내는 표시부를 가지므로 스캐닝 장치(130)에서 획득된 신호 및 분석된 목표물(10)에 관한 정보를 표시부를 통해 나타내는 역할을 한다.
이상에서 설명한 지하 모형 시험장치는 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
100: 지하 모형 시험장치 110: 케이스
111: 매질혼합기 113: 배출부
120: 유리관 130: 스캐닝 장치
131: 도선 132: 안테나
133: 동축선 140: 복소유전율 측정 및 환산 장치
141: 탐지기 150: 액체 공급 장치
151: 액체 공급관 160: 디스플레이부

Claims (12)

  1. 매질을 수용하는 케이스;
    일 방향으로 연장되도록 형성되고, 일부가 상기 매질에 수용되는 유리관;
    상기 유리관 내부에서 이동 가능하도록 배치되며 전자기파를 송수신하는 안테나를 구비하고, 상기 안테나에 의해 수신되는 전자기파를 분석하여 상기 매질 내부에 위치되는 목표물을 탐지하는 스캐닝 장치;
    상기 케이스에 수용되는 매질의 복소유전율을 측정하고, 측정된 상기 복소유전율로부터 유전율 및 도전율을 추출하는 복소유전율 측정 및 환산 장치; 및
    상기 복소유전율 측정 및 환산 장치로부터 수신된 상기 유전율 및 도전율 정보에 따라 상기 케이스에 액체를 공급하여 상기 매질의 조성을 조절하고, 상기 매질의 특성을 변화시키는 액체 공급 장치를 포함하되,
    상기 액체 공급 장치는 상기 매질이 고형화되어 고체층을 형성하도록 상기 케이스 내부에 고형화 물질을 더 공급하고,
    상기 매질은 상기 액체 공급 장치가 상기 케이스로 공급하는 액체에 의해 액체 형태로 형성된 후, 상기 액체 공급 장치가 상기 케이스로 공급하는 고형화 물질에 의해 고형화되는 것을 특징으로 하는 지하 모형 시험장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 액체 공급 장치는,
    상기 복소유전율 측정 및 환산 장치로부터 상기 유전율 및 도전율을 전달받아 상기 유전율 및 도전율이 기설정된 값을 가지도록 상기 케이스 내부에 서로 다른 액체를 공급하는 것을 특징으로 하는 지하 모형 시험장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 액체는 물, 설탕 용액 및 소금 용액 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 지하 모형 시험장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 액체 공급 장치는,
    상기 매질이 기설정된 유전율을 가지도록, 상기 추출된 유전율이 설정된 값보다 작으면 물을 상기 케이스 내부로 투입하고, 상기 추출된 유전율이 설정된 값보다 크면 설탕 용액을 상기 케이스 내부로 투입하는 것을 특징으로 하는 지하 모형 시험장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 액체 공급 장치는,
    상기 매질이 기설정된 도전율을 가지도록, 상기 추출된 도전율이 설정된 값보다 작으면 소금 용액을 상기 케이스 내부로 공급하고, 상기 추출된 도전율이 설정된 값보다 크면 물을 상기 케이스 내부로 공급하는 것을 특징으로 하는 지하 모형 시험장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 액체 공급장치는,
    상기 고체층 위에 다른 고체층이 형성되도록, 상기 고체층 상에 유전율 및 도전율이 상이한 매질을 형성시키고, 상기 매질에 상기 고형화 물질을 공급하는 것을 특징으로 하는 지하 모형 시험장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 고체층은 상기 매질이 설정된 형상으로 고체화되어 형성되는 것을 특징으로 하는 지하 모형 시험장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 스캐닝 장치는 상기 안테나에 의해 수신된 전자기파를 전송받아 분석하여 상기 목표물의 형상 및 위치 정보를 추출하는 것을 특징으로 하는 지하 모형 시험장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 스캐닝 장치로부터 목표물의 형상 및 위치 정보를 수신하여 표시하는 디스플레이부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지하 모형 시험장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 케이스의 일면에 설치되고, 상기 액체 공급 장치에 의해 공급된 액체 및 상기 매질을 혼합시키도록 회전력을 제공하는 날개를 구비하는 매질 혼합기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지하 모형 시험장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 케이스의 하단에는 상기 매질을 외부로 배출 가능하게 하는 배출부가 형성되는 것을 특징으로 하는 지하 모형 시험장치.
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