KR101903880B1 - Apparatus and method for detecting buried structure - Google Patents

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KR101903880B1 KR1020170024053A KR20170024053A KR101903880B1 KR 101903880 B1 KR101903880 B1 KR 101903880B1 KR 1020170024053 A KR1020170024053 A KR 1020170024053A KR 20170024053 A KR20170024053 A KR 20170024053A KR 101903880 B1 KR101903880 B1 KR 101903880B1
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    • G01V3/12—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with electromagnetic waves
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Abstract

지중 매설물 탐지 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명에 의한 지중 매설물 탐지 장치는, 설정간격을 갖고 배열되는 안테나 어레이와, 안테나 어레이를 통해 지중으로 방사될 전자파를 생성하는 전자파 생성부와, 전자파 생성을 위한 전자파생성 구동신호를 생성하여 전자파 생성부로 전달하고, 지중 매설물로부터 반사된 반사파를 이용하여 방향 정보 및 거리 정보를 산출하며, 방향 정보 및 거리 정보로부터 이미지를 생성하는 제어부와, 이미지를 출력하는 디스플레이를 포함한다. 또한, 본 발명에 의한 지중 매설물 탐지 방법은, 생성된 전자파를 송신측 안테나 어레이를 통해 방사하는 단계와, 전자파의 반사파를 수신측 안테나 어레이를 통해 수신하는 단계와, 수신신호 에너지로부터 방향 정보 및 거리 정보를 산출하는 단계와, 방향 정보 및 거리 정보를 이용하여 이미지화하는 단계를 포함한다. 본 발명에 따르면, 안테나 어레이를 이용하여 지중 매설물을 명확하게 이미지화함으로써 지중 매설물에 대한 더욱 정확한 정보습득이 가능하다.An apparatus and method for detecting an underground buried object are disclosed. An underground buried matter detection apparatus according to the present invention comprises an antenna array arranged with a set interval, an electromagnetic wave generator for generating an electromagnetic wave to be radiated to the ground via an antenna array, an electromagnetic wave generating drive signal for generating electromagnetic waves, A control unit for calculating direction information and distance information using reflected waves reflected from the underground buried object, generating an image from the direction information and the distance information, and a display for outputting the image. The method further includes the steps of: radiating the generated electromagnetic waves through the transmitting-side antenna array; receiving reflected waves of the electromagnetic wave through the receiving-side antenna array; Calculating the information, and imaging the image using the direction information and the distance information. According to the present invention, an underground buried object is clearly imaged using an antenna array, so that it is possible to acquire more accurate information about an underground buried object.

Description

지중 매설물 탐지 장치 및 방법{Apparatus and method for detecting buried structure}FIELD OF THE INVENTION [0001] The present invention relates to an apparatus and method for detecting a buried sub-

본 발명은 지중 매설물 탐지 장치 및 방법에 관한 것이다. 더 구체적으로는 안테나 어레이를 이용하여 지중 매설물의 이미지를 생성하는 지중 매설물 탐지 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for detecting an underground buried object. And more particularly, to an apparatus and method for detecting an underground buried object that generates an image of an underground buried object using an antenna array.

지중(地中)에는 수도관, 하수도관, 전선관, 신호선관 등이 매설되어 있다.Water pipes, sewage pipes, conduits, signal lines are buried in the ground.

이들 지중 매설물의 위치 확인에 있어, 지표면상에 해당 위치를 표시하거나, 매설물에 전자장치를 설치하거나, 탐지 장치를 이용하는 탐지하는 등의 다양한 방법이 있다.In determining the location of these underground objects, there are various methods such as marking the location on the ground surface, installing an electronic device on the buried object, or detecting using a detection device.

탐지 장치를 이용하는 경우에는 지중 매설물의 위치나 깊이를 검출하는 데 전자파를 이용하고 있다. 즉, 지중 매설물에 대해 지표(地表)로부터 방사된 전자파를 수신(반사파)하여 화상처리하고, 이로부터 얻어진 이미지로부터 지중 매설물을 검출 및 확인할 수 있도록 하고 있다.In the case of using a detection device, electromagnetic waves are used to detect the position and depth of the underground. That is, an electromagnetic wave radiated from an earth surface is received (reflected wave) for an underground buried object to perform image processing, and an underground buried object can be detected and confirmed from an image obtained therefrom.

이 때, 전자파는 주파수를 낮게 하면 지중으로의 전파 깊이가 커지고, 높게 하면 감쇠량이 커지며, 전압을 높게 하면 S/N을 좋게 할 수 있다.At this time, when the frequency of the electromagnetic wave is lowered, the depth of propagation to the ground becomes larger. When the electromagnetic wave is made higher, the attenuation becomes larger. When the voltage is raised, the S / N can be improved.

그런데, 아직까지는 지중 매설물이 위치한 곳의 다양한 환경조건에 따라 반사파가 균일성을 유지하지 못하므로 이미지를 명확하게 표현하는데 한계가 있다. 또한, 전선관이나 신호선과 같이 관직경이 작은 지중 매설물의 경우에는 화상처리하여도 이미지화하는데 한계가 있을 수 있다.However, since the reflected wave can not maintain uniformity according to various environmental conditions at the place where the underground buried object is located, there is a limit to express the image clearly. Further, in the case of an underground buried object such as a conduit or a signal line having a small diameter, there is a limit to the image processing even after image processing.

이에, 지중 매설물이 위치한 곳의 다양한 환경조건에서도 명확한 이미지를 생성할 수 있는 기술이 필요하다할 것이다.Therefore, it is necessary to develop a technique that can generate a clear image even under various environmental conditions where the underground buried object is located.

문헌 1. 대한민국특허청 특허공개번호 제2002-0096270호, "매설관 검출방법 및 장치"Literature 1. Korea Patent Publication No. 2002-0096270, "buried pipe detection method and apparatus"

따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 안테나 어레이를 이용하여 방향 정보 및 거리 정보를 획득하고, 구면좌표계를 이용하여 이미지화함으로써, 지중 매설물의 이미지를 명확하게 생성할 수 있도록 하는 지중 매설물 탐지 장치 및 방법을 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION It is therefore an object of the present invention to provide an apparatus and a method for acquiring direction information and distance information using an antenna array and imaging the same using a spherical coordinate system, And a method of detecting an underground buried object.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 지중 매설물 탐지 장치는, 바람직하게는 설정간격을 갖고 배열되는 안테나 어레이; 상기 안테나 어레이를 통해 지중으로 방사될 전자파를 생성하는 전자파 생성부; 전자파 생성을 위한 전자파생성 구동신호를 생성하여 상기 전자파 생성부로 전달하고, 지중 매설물로부터 반사된 반사파를 이용하여 방향 정보 및 거리 정보를 산출하며, 상기 방향 정보 및 거리 정보로부터 이미지를 생성하는 제어부; 및 상기 이미지를 출력하는 디스플레이를 포함할 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided an apparatus for detecting an underground buried object, comprising: an antenna array arranged at a predetermined interval; An electromagnetic wave generator for generating an electromagnetic wave to be radiated to the ground through the antenna array; A controller for generating an electromagnetic wave generation drive signal for generating an electromagnetic wave and transmitting the generated electromagnetic wave drive signal to the electromagnetic wave generator, calculating direction information and distance information using reflected waves reflected from the underground object, and generating an image from the direction information and the distance information; And a display for outputting the image.

이 때, 상기 안테나 어레이는, 상기 전자파에 대한 빔포밍을 수행하는 다수의 안테나를 포함하는 송신측 안테나 어레이; 및 상기 반사파로부터 빔포밍을 수행하는 다수의 안테나를 포함하는 수신측 안테나 어레이를 포함하는 것이 바람직하다.In this case, the antenna array includes a transmitting antenna array including a plurality of antennas for performing beamforming on the electromagnetic waves; And a receiving antenna array including a plurality of antennas for performing beamforming from the reflected waves.

한편, 본 발명의 지중 매설물 탐지 방법은, 바람직하게는 생성된 전자파를 송신측 안테나 어레이를 통해 방사하는 단계; 상기 전자파의 반사파를 수신측 안테나 어레이를 통해 수신하는 단계; 수신신호 에너지로부터 방향 정보 및 거리 정보를 산출하는 단계; 및 상기 방향 정보 및 거리 정보를 이용하여 이미지화하는 단계를 포함할 수 있다.In the meantime, the method of detecting an underground buried object of the present invention preferably includes: radiating generated electromagnetic waves through a transmitting-side antenna array; Receiving a reflected wave of the electromagnetic wave through a receiving-side antenna array; Calculating direction information and distance information from the received signal energy; And imaging the image using the direction information and the distance information.

이 때,

Figure 112017018772603-pat00001
방향의 상기 수신신호 에너지는 아래 (식)과 같이 계산할 수 있다.At this time,
Figure 112017018772603-pat00001
Direction can be calculated as shown in the following equation.

Figure 112017018772603-pat00002
Figure 112017018772603-pat00002

(여기서,

Figure 112017018772603-pat00003
은 n번째 안테나의 수신신호,
Figure 112017018772603-pat00004
는 파장,
Figure 112017018772603-pat00005
는 안테나간 거리를 각각 의미함.)(here,
Figure 112017018772603-pat00003
Is the received signal of the nth antenna,
Figure 112017018772603-pat00004
The wavelength,
Figure 112017018772603-pat00005
Denotes the distance between antennas.)

한편, 상기 수신신호 에너지로부터 거리를 산출하며, 상기 거리의 산출은, 주파수 변조 연속파(Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW)를 사용하여 수신신호 에너지로부터 주파수 차이를 판단하는 단계; 및 상기 주파수 차이로부터 지중 매설물까지의 거리를 산출하는 단계를 포함한다.Meanwhile, the distance is calculated from the received signal energy, and the distance is calculated by using a frequency modulated continuous wave (FMCW) to determine a frequency difference from the received signal energy. And calculating a distance from the frequency difference to the underground buried object.

그리고, 공간상의 한 점에서의 반사파 에너지는 아래 (식)과 같이 계산하며, 모든 점에 대한 반사파 에너지에 대한 연산을 통해 지중 매설물의 이미지를 생성할 수 있다.Then, the reflected wave energy at a point in space is calculated as shown below, and the image of the underground object can be generated by calculating the reflected wave energy for all the points.

Figure 112017018772603-pat00006
Figure 112017018772603-pat00006

(여기서,

Figure 112017018772603-pat00007
은 송신 안테나 갯수,
Figure 112017018772603-pat00008
은 안테나간 거리,
Figure 112017018772603-pat00009
는
Figure 112017018772603-pat00010
일 때
Figure 112017018772603-pat00011
송신안테나로부터의
Figure 112017018772603-pat00012
안테나 수신신호,
Figure 112017018772603-pat00013
는 상기 전자파의 주파수 변동율을 각각 의미함.)(here,
Figure 112017018772603-pat00007
The number of transmit antennas,
Figure 112017018772603-pat00008
Is the distance between antennas,
Figure 112017018772603-pat00009
The
Figure 112017018772603-pat00010
when
Figure 112017018772603-pat00011
From the transmit antenna
Figure 112017018772603-pat00012
Antenna receive signal,
Figure 112017018772603-pat00013
Represents the frequency variation rate of the electromagnetic wave.)

상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 지중 매설물 탐지 장치 및 방법에 따르면, 안테나 어레이를 이용하여 지중 매설물을 명확하게 이미지화함으로써 지중 매설물에 대한 더욱 정확한 정보습득이 가능하다.As described above, according to the apparatus and method for detecting an underground buried object according to the present invention, an underground buried object is clearly imaged by using an antenna array, thereby obtaining more accurate information about an underground buried object.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 지중 매설물 탐지 장치의 제어블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 안테나 어레이의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 지중 매설물 탐지 방법의 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 안테나 배치도이다.1 is a control block diagram of an underground burial detection apparatus according to an embodiment of the present invention.
2 is a configuration diagram of an antenna array according to an embodiment of the present invention.
3 is a flowchart of a method of detecting an underground buried object according to an embodiment of the present invention.
4 is an antenna layout diagram according to an embodiment of the present invention.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예 및 첨부하는 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하되, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭함을 전제하여 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to preferred embodiments of the present invention and the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to like elements.

발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에서 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 당해 구성요소만으로 이루어지는 것으로 한정되어 해석되지 아니하며, 다른 구성요소들을 더 포함할 수 있는 것으로 이해되어야 한다.It is to be understood that when an element is referred to as being "comprising" another element in the description of the invention or in the claims, it is not to be construed as being limited to only that element, And the like.

또한, 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에서 "~수단", "~부", "~모듈", "~블록"으로 명명된 구성요소들은 적어도 하나 이상의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이들 각각은 소프트웨어 또는 하드웨어, 또는 이들의 결합에 의하여 구현될 수 있다.Also, in the description of the invention or the claims, the components named as "means", "parts", "modules", "blocks" refer to units that process at least one function or operation, Each of which may be implemented by software or hardware, or a combination thereof.

이하에서는 본 발명의 지중 매설물 탐지 장치 및 방법이 구현된 일 예를 특정한 실시예를 통해 설명하기로 한다.Hereinafter, an embodiment of the apparatus and method for detecting an underground buried object according to the present invention will be described with reference to specific embodiments.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 지중 매설물 탐지 장치의 제어블록도이다.1 is a control block diagram of an underground burial detection apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 지중 매설물 탐지 장치는, 설정간격을 갖고 배열되는 안테나 어레이(1)와, 안테나 어레이(1)를 통해 지중으로 방사될 전자파를 생성하는 전자파 생성부(2)와, 전자파 생성을 위한 전자파생성 구동신호를 생성하여 전자파 생성부(2)로 전달하고, 지중 매설물로부터 반사된 반사파를 이용하여 방향 정보 및 거리 정보를 산출하며, 방향 정보 및 거리 정보로부터 이미지를 생성하는 제어부(3)와, 이미지를 출력하는 디스플레이부(4)를 포함한다.Referring to FIG. 1, an underground buried matter detection apparatus according to the present invention comprises an antenna array 1 arranged with a predetermined interval, an electromagnetic wave generating section 2 for generating an electromagnetic wave to be radiated through the antenna array 1, Generates an electromagnetic wave generation drive signal for electromagnetic wave generation, transfers the electromagnetic wave generation drive signal to the electromagnetic wave generation unit 2, calculates direction information and distance information using reflected waves reflected from the underground object, and generates an image from the direction information and the distance information A control unit 3, and a display unit 4 for outputting an image.

여기에, 사용자 조작부 등이 더 포함될 수 있다. 사용자 조작부는 전원 공급, 시스템 구동, 전자파의 주파수 선택, 이미지 확대와 축소 등의 기능을 지원할 수 있다. 일례로서, 사용자 조작부에는 주파수 선택부가 형성될 수 있다. 주파수 선택부에 대응하여, 저주파를 이용할 경우에는 큰 지중 매설물의 해상도를 향상시킬 수 있고, 상대적으로 고주파를 이용할 경우에는 작은 지중 매설물의 해상도를 향상시킬 수 있다. 또한, 사용자 조작부는 샘플링 간격, 스태킹(stacking) 횟수 등 탐사에 필요한 여러 변수들을 선택할 수 있도록 지원할 수 있다.Here, a user operation unit and the like may be further included. The user control unit can support functions such as power supply, system operation, frequency selection of electromagnetic waves, enlargement and reduction of images. As an example, a frequency selection section may be formed on the user operation section. When a low frequency wave is used in correspondence to the frequency selection unit, the resolution of a large underground embedding material can be improved. When a relatively high frequency wave is used, a resolution of a small underground material can be improved. In addition, the user operation unit can support selection of various parameters required for exploration, such as a sampling interval and a number of stacking times.

한편, 안테나 어레이(1)는 지표면과 나란하게 배열되는 것이 바람직하며, 안테나간 거리가 임의로 조절될 수 있다.On the other hand, it is preferable that the antenna array 1 is arranged in parallel with the ground surface, and the distance between the antennas can be arbitrarily adjusted.

그리고, 제어부(3)에는 반사파를 증폭하는 증폭부와, 증폭된 신호를 디지털화시키는 아날로그/디지털 변환기 등이 포함될 수 있으며, 이미지 처리를 위한 전처리부 등이 더 포함될 수 있다. 여기서, 전처리부는 지중 매설물이 위치한 곳의 다양한 환경조건에 의해 함께 수신되는 잡음 등을 제거하는 잡음 제거 기능을 포함한다.The control unit 3 may include an amplifying unit for amplifying the reflected wave, an analog-to-digital converter for digitizing the amplified signal, and the like, and may further include a preprocessor for image processing. Here, the pre-processing unit includes a noise canceling function for removing noise or the like received together due to various environmental conditions at the location of the underground buried object.

또한, 제어부(3)는 지중 매설물로부터 반사되는 반사파가 공간과 시간 그래프에서 쌍곡선의 형태를 취하므로, 쌍곡선의 꼭지점을 획득하여 모두 조합하여 이미지화하는 그래픽처리 프로세서를 포함할 수 있다. 이에 지중 매설물에 대한 정확한 이미지 및 정보를 확인할 수 있을 것이다.In addition, the control unit 3 may include a graphic processing processor that acquires the vertexes of the hyperbola and combines them to form an image because the reflected waves reflected from the underground embedment take the form of hyperbola in space and time graphs. Therefore, accurate images and information about the buried underground can be confirmed.

이와 같이 구성된 본 발명의 지중 매설물 탐지 장치는, 전자파 생성부(2)에서 생성된 전자파가 안테나 어레이(1)로부터 방사되고, 방사된 전자파가 매질로 전파해 나가다가 지중 매설물에 부딪혀 반사되면, 반사된 반사파는 안테나 어레이(1)에 의해 수신된다. 이에 제어부(3)에서는 지중 매설물로부터 반사된 반사파를 이용하여 방향 정보 및 거리 정보를 산출하며, 방향 정보 및 거리 정보로부터 이미지를 생성한다. 이 때, 방향 정보는 안테나간 거리 및 반사파의 수신 시간차에 의해 산출될 수 있으며, 거리 정보는 전자파 속도, 전자파 방사시간 및 반사파 수신시간으로부터 산출될 수 있다.When the electromagnetic wave generated in the electromagnetic wave generating unit 2 is radiated from the antenna array 1 and the radiated electromagnetic wave propagates through the medium and is reflected by the underground buried object, The reflected wave is received by the antenna array 1. The controller 3 calculates the direction information and the distance information using the reflected wave reflected from the underground object, and generates an image from the direction information and the distance information. At this time, the direction information can be calculated by the distance between the antennas and the reception time difference of the reflected wave, and the distance information can be calculated from the electromagnetic wave velocity, the electromagnetic wave radiation time, and the reflected wave reception time.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 안테나 어레이의 구성도이다.2 is a configuration diagram of an antenna array according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명의 안테나 어레이(1)는, 송신측 안테나 어레이(TX Array)와 수신측 안테나 어레이(RX Array)를 포함한다.Referring to FIG. 2, the antenna array 1 of the present invention includes a transmitting antenna array (TX Array) and a receiving antenna array (RX Array).

송신측 안테나 어레이(TX Array)는, 다수의 안테나를 이용하여 전파의 도달 영역을 특정한 방향으로 집중시켜 지향성(directivity)를 증대시킬 수 있다. 송신측 안테나 어레이(TX Array)는, 선형어레이(linear array), 평면어레이(planar array)를 포함하는 다양한 형태를 가질 수 있다. 송신 빔포밍을 사용하면 신호의 지향성 증대를 통해 전송 거리를 증가시킬 수 있고, 또한 해당 방향 이외의 다른 방향으로는 신호가 거의 전송되지 않기 때문에 외부 잡음 간섭을 크게 줄일 수 있다.The transmitting side antenna array (TX Array) can increase the directivity by concentrating the arrival region of the radio wave in a specific direction by using a plurality of antennas. The transmitting side antenna array (TX Array) may have various forms including a linear array, a planar array, and the like. The use of transmission beamforming can increase the transmission distance by increasing the directivity of a signal, and since signals are hardly transmitted in directions other than the direction, external noise interference can be greatly reduced.

수신측 안테나 어레이(RX Array) 역시, 다수의 안테나를 이용하여 빔포밍을 수행할 수 있으며, 이에 전파의 수신을 특정 방향으로 집중시켜 해당 방향으로 들어오는 수신 신호 감도를 증가시키고, 해당 방향 이외의 방향에서 들어오는 신호를 수신 신호에서 배제함으로써 간섭 신호를 차단하는 이득을 얻을 수 있다.The receiving side antenna array (RX Array) can also perform beam forming using a plurality of antennas, thereby concentrating reception of the radio waves in a specific direction to increase the sensitivity of received signals coming in the corresponding direction, It is possible to obtain an advantage of blocking the interference signal by excluding the incoming signal from the received signal.

한편, 본 발명에서는 일례로서, 주파수 변조 연속파(Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW)를 사용하여 송수신 신호의 주파수 차이를 계산하여 거리를 측정하는 방식을 사용한다. 또한, 사용 주파수 대역폭을 증감하여 거리 분해능을 적절히 조절할 수 있다. 이에, 안테나 어레이(1)는 배치 방식에 따라 도 2에 도시된 바와 같이 T형과 L형 등이 적용될 수 있다. 물론, 안테나 어레이(1)의 배치는 선형, 평면, 3차원 등의 다양한 형태를 포함할 수 있다.Meanwhile, as an example of the present invention, a method of measuring a distance by calculating a frequency difference between transmission and reception signals using a frequency modulated continuous wave (FMCW) is used. In addition, the distance resolution can be adjusted appropriately by increasing or decreasing the frequency bandwidth used. The antenna array 1 may be of a T-shape or an L-shape, as shown in FIG. 2, depending on the arrangement thereof. Of course, the arrangement of the antenna array 1 may include various shapes such as linear, planar, and three-dimensional.

이와 같이 구성된 안테나 어레이(1)는, 송신측 안테나 어레이(TX Array)와 수신측 안테나 어레이(RX Array)가 쌍을 이루고 있으며, 송신측 안테나 어레이(TX Array)로부터 방출된 전자파는 지중으로 전파된다. 지중으로 전파된 신호(RF)는 주변 토양과 전기적 물성이 임의의 물체 등과 부딪치면 반사하게 된다. 즉, 지중 매설물이나 지중 공동(空洞; void) 등으로부터 신호가 반사된다. 지중 매설물로부터 반사된 반사파는 수신측 안테나 어레이(RX Array)에서 수신한다. 이 때, 송신측 안테나 어레이(TX Array)에서 방사된 시간과 수신측 안테나 어레이(RX Array)에 수신된 경과 시간이 체크된다. 체크된 시간에 근거하여 지중 매설물의 방향 및 거리가 산출될 수 있다.In the antenna array 1 configured as described above, the transmitting antenna array (TX Array) and the receiving antenna array (RX Array) are paired, and the electromagnetic wave emitted from the transmitting antenna array (TX Array) . The signal (RF) propagated to the ground is reflected when the electrical property of the surrounding soil is hit with any object. That is, the signal is reflected from an underground buried object, a void, or the like. Reflected waves reflected from the underground are received at the receiving antenna array (RX Array). At this time, the time radiated by the transmitting antenna array (TX Array) and the elapsed time received by the receiving antenna array (RX Array) are checked. The direction and distance of the underground buried object can be calculated based on the checked time.

그러면, 여기서 상기와 같이 구성된 지중 매설물 탐지 장치를 이용한 본 발명의 지중 매설물 탐지 방법에 대해 설명하기로 한다.Hereinafter, a method of detecting an underground buried object according to the present invention using the underground buried object detection apparatus constructed as described above will be described.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 지중 매설물 탐지 방법의 흐름도이다.3 is a flowchart of a method of detecting an underground buried object according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 먼저, 지중 매설물의 존재 유무, 매설 깊이, 매설 방향을 탐지하기 위해 전자파 생성부(2)에서 전자파를 생성하여 송신측 안테나 어레이(TX Array)를 통해 방사한다(S1).Referring to FIG. 3, an electromagnetic wave is generated in the electromagnetic wave generator 2 to radiate through a TX array (S1) in order to detect the presence, depth of buried depth, and burial direction of an underground buried substance.

이 때, 방사되는 전자파는 다음과 같은 시간함수로 표현할 수 있다.At this time, the radiated electromagnetic wave can be expressed by the following time function.

Figure 112017018772603-pat00014
--- (식 1)
Figure 112017018772603-pat00014
--- (1)

여기서,

Figure 112017018772603-pat00015
는 전자파 신호,
Figure 112017018772603-pat00016
는 진폭,
Figure 112017018772603-pat00017
은 안테나간 거리,
Figure 112017018772603-pat00018
는 파장,
Figure 112017018772603-pat00019
는 시간을 각각 의미한다.here,
Figure 112017018772603-pat00015
An electromagnetic wave signal,
Figure 112017018772603-pat00016
The amplitude,
Figure 112017018772603-pat00017
Is the distance between antennas,
Figure 112017018772603-pat00018
The wavelength,
Figure 112017018772603-pat00019
Respectively.

한편, 전자파는 지중 매설물에 부딪쳐 반사되고, 반사된 반사파는 수신측 안테나 어레이(RX Array)에 수신된다(S2).On the other hand, the electromagnetic wave is reflected by colliding with the underground object, and the reflected wave is received by the receiving antenna array (RX Array) (S2).

이 때, 도 4에 도시된 N개로 이루어진 수신측 안테나 어레이(RX Array)는

Figure 112017018772603-pat00020
방향 수신신호 에너지를 다음과 같이 계산할 수 있다(S3).At this time, the N receiving antenna arrays (RX Arrays) shown in Fig. 4
Figure 112017018772603-pat00020
The directional received signal energy can be calculated as follows (S3).

Figure 112017018772603-pat00021
--- (식 2)
Figure 112017018772603-pat00021
--- (Equation 2)

여기서,

Figure 112017018772603-pat00022
은 n번째 안테나의 수신신호,
Figure 112017018772603-pat00023
는 안테나간 거리를 각각 의미한다.here,
Figure 112017018772603-pat00022
Is the received signal of the nth antenna,
Figure 112017018772603-pat00023
Denotes the distance between the antennas.

제어부(3)에서는 수신신호 에너지의 크기로부터 지중 매설물 방향을 판단한다. 또한, 주파수 변조 연속파(Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW)를 사용하여 수신신호 에너지로부터 주파수 차이를 계산하고(S4), 주파수 차이로부터 거리를 측정한다(S5).The control unit 3 determines the direction of the underground weir from the magnitude of the received signal energy. Further, the frequency difference is calculated from the received signal energy using the frequency modulated continuous wave (FMCW) (S4), and the distance is measured from the frequency difference (S5).

수신신호 에너지로부터 획득된 방향 정보와 거리 정보를 이용하여 공간을 탐색할 수 있다. 즉, 이러한 레이더를 사용하여 지중 매설물을 3차원으로 이미지화할 수 있다.The space can be searched using the direction information and the distance information obtained from the received signal energy. That is, the radar can be used to image an underground buried object in three dimensions.

공간상의 한 점에서의 반사파 에너지는 구면좌표계를 사용하여 표현하면, 다음과 같다(S6).The reflected wave energy at one point in space is expressed using a spherical coordinate system as follows (S6).

Figure 112017018772603-pat00024
--- (식 3)
Figure 112017018772603-pat00024
--- (Equation 3)

여기서,

Figure 112017018772603-pat00025
은 송신 안테나 갯수,
Figure 112017018772603-pat00026
는
Figure 112017018772603-pat00027
일 때
Figure 112017018772603-pat00028
송신안테나로부터의
Figure 112017018772603-pat00029
안테나 수신신호,
Figure 112017018772603-pat00030
는 송신파의 주파수 변동율을 각각 의미한다.here,
Figure 112017018772603-pat00025
The number of transmit antennas,
Figure 112017018772603-pat00026
The
Figure 112017018772603-pat00027
when
Figure 112017018772603-pat00028
From the transmit antenna
Figure 112017018772603-pat00029
Antenna receive signal,
Figure 112017018772603-pat00030
Represents the frequency variation rate of the transmission wave.

결국, 모든 점에 대한 반사파 에너지에 대한 연산을 통해 지중 매설물의 이미지를 생성할 수 있다(S7).As a result, an image of the underground buried object can be generated by calculating the reflected wave energy for all the points (S7).

한편, 지중 매설물은 일반적으로 재질과 형상의 변화가 없는 균일한 원기둥 형태이므로, 반사파의 양상은 그 반사하는 위치에 상관없이 좁은 범위 안에서 유사할 것이고, 수신신호 에너지를 분석하여 유사한 신호가 측정되는 부분을 연속적으로 이미지화한다면 최종적으로 지중 매설물의 형상을 확인할 수 있다. 이 때, 사용하는 송신측 안테나 어레이(TX Array)의 개수를 변경하거나, 방사되는 전자파의 빔 폭을 조절함으로써, 방향 분해능을 조절할 수 있으며, 또한 거리 분해능도 조절할 수 있으므로, 이러한 조합 제어를 통해 탐지 정밀도, 신호처리 연산량, 이미지 명확도 등을 필요에 따라 가변적으로 조절할 수 있을 것이다.On the other hand, since the underground buried material is a uniform cylindrical shape generally having no change in material and shape, the shape of the reflected wave will be similar within a narrow range regardless of the position where the reflected wave is reflected. If you continuously image it, you can finally check the shape of the underground. At this time, since the direction resolution can be adjusted and the distance resolution can be adjusted by changing the number of the transmission side antenna arrays (TX Array) to be used or adjusting the beam width of the radiated electromagnetic wave, Precision, signal processing amount of computation, image clarity, etc. can be adjusted as needed.

한편, 지중 매설물이 주로 원기둥 형태를 취하는 것을 고려하여, 원기둥 형태의 반사파를 이미지화한다.On the other hand, in consideration of the fact that the underground material mainly takes the shape of a cylinder, the reflection wave of a cylindrical shape is imaged.

마지막으로, 생성된 지중 매설물 이미지는 디스플레이부(4)에 출력된다(S8).Finally, the generated underground buried image is outputted to the display unit 4 (S8).

이상 몇 가지의 실시예를 통해 본 발명의 기술적 사상을 살펴보았다.The technical idea of the present invention has been described through several embodiments.

본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기재사항으로부터 상기 살펴본 실시예를 다양하게 변형하거나 변경할 수 있음은 자명하다. 또한, 비록 명시적으로 도시되거나 설명되지 아니하였다 하여도 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기재사항으로부터 본 발명에 의한 기술적 사상을 포함하는 다양한 형태의 변형을 할 수 있음은 자명하며, 이는 여전히 본 발명의 권리범위에 속한다. 첨부하는 도면을 참조하여 설명된 상기의 실시예들은 본 발명을 설명하기 위한 목적으로 기술된 것이며 본 발명의 권리범위는 이러한 실시예에 국한되지 아니한다.It will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications may be made to the embodiments described above from the description of the present invention. Further, although not explicitly shown or described, those skilled in the art can make various modifications including the technical idea of the present invention from the description of the present invention Which is still within the scope of the present invention. The above-described embodiments described with reference to the accompanying drawings are for the purpose of illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited to these embodiments.

1 : 안테나 어레이
2 : 전자파 생성부
3 : 제어부
4 : 디스플레이부1: antenna array
2:
3:
4:

Claims (6)

설정간격을 갖고 배열되는 안테나 어레이;
상기 안테나 어레이를 통해 지중으로 방사될 전자파를 생성하는 전자파 생성부;
전자파 생성을 위한 전자파생성 구동신호를 생성하여 상기 전자파 생성부로 전달하고, 지중 매설물로부터 반사된 반사파를 이용하여 방향 정보 및 거리 정보를 산출하며, 상기 방향 정보 및 거리 정보로부터 이미지를 생성하는 제어부; 및
상기 이미지를 출력하는 디스플레이를 포함하며,
공간상의 한 점에서의 반사파 에너지는 아래 (식)과 같이 계산하며, 모든 점에 대한 반사파 에너지에 대한 연산을 통해 지중 매설물의 이미지를 생성하는 지중 매설물 탐지 장치.
Figure 112018029098203-pat00048
--- (식)
(여기서,
Figure 112018029098203-pat00049
은 송신 안테나 갯수,
Figure 112018029098203-pat00050
은 안테나간 거리,
Figure 112018029098203-pat00051
는
Figure 112018029098203-pat00052
일 때
Figure 112018029098203-pat00053
송신안테나로부터의
Figure 112018029098203-pat00054
안테나 수신신호,
Figure 112018029098203-pat00055
는 상기 전자파의 주파수 변동율을 각각 의미함.)An antenna array arranged with a set interval;
An electromagnetic wave generator for generating an electromagnetic wave to be radiated to the ground through the antenna array;
A controller for generating an electromagnetic wave generation drive signal for generating an electromagnetic wave and transmitting the generated electromagnetic wave drive signal to the electromagnetic wave generator, calculating direction information and distance information using reflected waves reflected from the underground object, and generating an image from the direction information and the distance information; And
And a display for outputting the image,
The reflected wave energy at one point in space is calculated as shown below and the image of underground buried object is generated through calculation of the reflected wave energy for all points.
Figure 112018029098203-pat00048
--- (expression)
(here,
Figure 112018029098203-pat00049
The number of transmit antennas,
Figure 112018029098203-pat00050
Is the distance between antennas,
Figure 112018029098203-pat00051
The
Figure 112018029098203-pat00052
when
Figure 112018029098203-pat00053
From the transmit antenna
Figure 112018029098203-pat00054
Antenna receive signal,
Figure 112018029098203-pat00055
Represents the frequency variation rate of the electromagnetic wave.) 제1항에 있어서,
상기 안테나 어레이는,
상기 전자파에 대한 빔포밍을 수행하는 다수의 안테나를 포함하는 송신측 안테나 어레이; 및
상기 반사파로부터 빔포밍을 수행하는 다수의 안테나를 포함하는 수신측 안테나 어레이를 포함하는 지중 매설물 탐지 장치.The method according to claim 1,
The antenna array includes:
A transmitting antenna array including a plurality of antennas for performing beamforming on the electromagnetic waves; And
And a receiving antenna array including a plurality of antennas for performing beamforming from the reflected waves. 생성된 전자파를 송신측 안테나 어레이를 통해 방사하는 단계;
상기 전자파의 반사파를 수신측 안테나 어레이를 통해 수신하는 단계;
수신신호 에너지로부터 방향 정보 및 거리 정보를 산출하는 단계; 및
상기 방향 정보 및 거리 정보를 이용하여 이미지화하는 단계를 포함하며,
공간상의 한 점에서의 반사파 에너지는 아래 (식)과 같이 계산하며, 모든 점에 대한 반사파 에너지에 대한 연산을 통해 지중 매설물의 이미지를 생성하는 지중 매설물 탐지 방법.
Figure 112018029098203-pat00056
--- (식)
(여기서,
Figure 112018029098203-pat00057
은 송신 안테나 갯수,
Figure 112018029098203-pat00058
은 안테나간 거리,
Figure 112018029098203-pat00059
는
Figure 112018029098203-pat00060
일 때
Figure 112018029098203-pat00061
송신안테나로부터의
Figure 112018029098203-pat00062
안테나 수신신호,
Figure 112018029098203-pat00063
는 상기 전자파의 주파수 변동율을 각각 의미함.)Radiating the generated electromagnetic wave through the transmission-side antenna array;
Receiving a reflected wave of the electromagnetic wave through a receiving-side antenna array;
Calculating direction information and distance information from the received signal energy; And
And imaging the image using the direction information and the distance information,
The reflected wave energy at one point in space is calculated as shown below and the image of the underground buried object is generated through the calculation of the reflected wave energy for all points.
Figure 112018029098203-pat00056
--- (expression)
(here,
Figure 112018029098203-pat00057
The number of transmit antennas,
Figure 112018029098203-pat00058
Is the distance between antennas,
Figure 112018029098203-pat00059
The
Figure 112018029098203-pat00060
when
Figure 112018029098203-pat00061
From the transmit antenna
Figure 112018029098203-pat00062
Antenna receive signal,
Figure 112018029098203-pat00063
Represents the frequency variation rate of the electromagnetic wave.) 제3항에 있어서,
Figure 112018029098203-pat00064
방향의 상기 수신신호 에너지는 아래 (식)과 같이 계산하는 지중 매설물 탐지 방법.
Figure 112018029098203-pat00032
---(식)
(여기서,
Figure 112018029098203-pat00033
은 n번째 안테나의 수신신호,
Figure 112018029098203-pat00034
는 파장,
Figure 112018029098203-pat00035
는 안테나간 거리를 각각 의미함.)The method of claim 3,
Figure 112018029098203-pat00064
And the received signal energy in the direction is calculated as follows: < EMI ID = 1.0 >
Figure 112018029098203-pat00032
---(expression)
(here,
Figure 112018029098203-pat00033
Is the received signal of the nth antenna,
Figure 112018029098203-pat00034
The wavelength,
Figure 112018029098203-pat00035
Denotes the distance between antennas.) 제4항에 있어서,
상기 수신신호 에너지로부터 거리를 산출하며,
상기 거리의 산출은,
주파수 변조 연속파(Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW)를 사용하여 수신신호 에너지로부터 주파수 차이를 판단하는 단계; 및
상기 주파수 차이로부터 지중 매설물까지의 거리를 산출하는 단계를 포함하는 지중 매설물 탐지 방법.5. The method of claim 4,
Calculating a distance from the received signal energy,
The calculation of the distance may be performed,
Determining a frequency difference from received signal energy using a frequency modulated continuous wave (FMCW); And
And calculating a distance from the frequency difference to an underground buried object. 삭제delete
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