KR101945824B1 - 지면 이격형 지표투과레이다 안테나 - Google Patents

지면 이격형 지표투과레이다 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지면 이격형 바이스태틱 지표투과레이다 안테나에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수신기 지점에 루프 안테나를 안테나 평면에 수직이 되게 놓고 급전방향을 송신기의 급전방향 및 지표면과 직교가 되게 구성하여 지표투과레이다 안테나(Ground Penetrating Radar, 이하 GPR이라 칭함)의 수신측에서 수신하는 경우 시스템의 영상화 성능을 제한하는 요소인 직접파를 감소시킨 지면 이격형 지표투과레이다 안테나에 관한 것으로서, 지면에서 이격하여 구성된 지면 이격형 GPR 안테나에 있어서, 지면으로 지향시키고 내부로 전파를 침투시키도록 구성되는 송신안테나; 상기 송신안테나로부터 방사되어 상기 지중으로부터 반사되어 돌아오는 전파를 수신하고 상기 송신안테나의 급전 방향 및 지표면과 직각을 이루도록 급전받는 수신안테나;를 포함하고, 상기 송신안테나는 지향성을 갖는 혼 안테나를, 상기 수신안테나는 안테나의 물리적 평면이 지표면에 대해 수직을 이루도록 위치시킨 루프 안테나를 사용하도록 구성되어 지면 이격형 지표투과레이다 시스템의 레이다 탐지 성능을 향상시키는 효과가 있다.

Description

지면 이격형 지표투과레이다 안테나{AIR-COUPLED TYPE GROUND PENETRATING RADAR ANTENNA}
본 발명은 지면 이격형 지표투과레이다 안테나에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 일반적으로 지면 이격형 지표투과레이다에 사용되는 방향성 안테나를 송신기 지점에 놓은 후, 수신기 지점에 루프 안테나를 송수신 안테나 평면과 수직이 되게 놓고 급전방향을 송신기의 급전방향과 직교가 되게 구성하여 지표투과레이다 안테나(Ground Penetrating Radar, 이하 GPR이라 칭함)의 수신측에서 수신하는 경우 시스템의 영상화 성능을 제한하는 직접파 신호의 크기를 감소시킬 수 있는 지면 이격형 지표투과레이다 안테나에 관한 것이다.
일반적으로 GPR 안테나는 형태에 따라 지면 밀착형과 지면 이격형으로 구분된다.
지면밀착형은 상대적으로 깊은 심도(1m~10m)의 이상체나 불연속면을 탐지하는 데에 사용되지만, 땅에 붙여야 하므로 방향성이 상대적으로 떨어지는 평면형 안테나를 사용하게 된다. 이와 같은 지면밀착형 GPR 안테나로는 다이폴 안테나(Dipole antenna)와 보우타이 안테나(Bowtie antenna)가 대표적이다.
지면이격형은 상대적으로 얕은 심도(0.3~1m)의 포장체, 교량 등의 안전진단에 사용되며 지면에 떨어져서 운용하므로 방향성이 높은 안테나가 사용된다. 이와 같은 지면이격형 GPR 안테나로는 혼 안테나(Horn antenna)와 비발디 안테나(Vivaldi antenna)가 대표적이다.
도 1은 일반적인 바이스태틱 안테나의 전파의 흐름을 간략하게 나타낸 도면이고, 도 2는 바이스태틱 안테나의 수신측 안테나에서 수신되는 신호들을 나타낸 그래프이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 동적범위(Dynamic range)는 가장 큰 신호 진폭(보통 직접파)과 인식 가능한 최소 진폭(잡음레벨 이상)의 비율로서, 시스템 성능의 주요 지표로서의 의미가 있다.
도 3은 일반적인 GPR 안테나에서의 전기장과 자기장의 방향 및 전파경로를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 송신안테나(10)와 수신안테나(20)가 도시되어 있으며 가시적으로 보여지는 도면에 수직으로 나오는 방향으로 표시되어있다. 즉, 송신안테나(10)와 수신안테나(20)는 수평인 상태이다.
송신안테나(10)로부터 수신안테나(20)로의 전파경로는 적색으로 표시되어 있으며 전파경로는 직접파(12)와 레이다 불연속면에 대한 반사파(14)로 구성되어 있다. 송신안테나(10)와 수신안테나(20)는 xy평면, 즉 안테나 평면(22) 상에서 수평한 상태이다.
송신안테나(10)에서 방사된 전자파의 전기장(Ex field)(11) 방향은 송신안테나(10)의 급전 방향과 동일한 x축 방향(Ex)이다. 전기장(11)의 방향(Ex)은 도 3에서는 동심원형으로 표시되어 있으며, 이 의미는 가시적으로 보여지는 도면에서 도면과 수직하게 나오는 방향임을 의미한다. 또한, 송신안테나(10)에 그려진 동심원형은 급전 방향이 도면과 수직하게 나오는 방향임을 의미한다. 송신안테나(10)에서 방사된 후, 레이다 불연속면에서 반사되어 돌아오는 전파(14)인 경우에는 레이다 불연속면이 완전도체로 이루어져 있을 때, 전기장(Ex field)(15) 방향이 반대로 바뀌므로, 도면과 수직하게 들어가는 방향이 된다. 이와 같이 직접파(12)의 전기장 방향(11)과 반사파(14)의 전기장 방향(15)은 도 3의 상황에서 서로 반대이나, 그 성분(Ex)은 변함없이 유지된다. 수신안테나(20)의 급전 방향 또한 도 3에서 동심원형으로 표시되어 있으며, 그 의미는 가시적으로 보여지는 도면에 수직으로 나오는 방향으로 급전되고 있음을 의미한다.
송신안테나(10)로부터 수신안테나(20)까지의 전파경로를 보면 적색 실선으로 표시된 직접파(12)는 전부 안테나 평면에 대한 접선 성분이 되고, 적색 실선으로 표시된 반사파(14) 중, 적색 점선으로 표시된 일부(14a)는 반사파(14)의 안테나 평면에 대한 접선성분(14a)이 되며, 적색 점선으로 표시된 나머지 일부(14b)는 반사파(14)의 안테나 평면에 대한 법선성분(14b)이 된다.
반사파(14)의 접선성분(14a)은 전파방향이 안테나 평면과 평행한 y축 방향이고, 전기장 방향(15)이 x축 방향이므로 자기장 방향(16a)은 z축 방향이 된다. 반면, 반사파(14)의 법선성분(14b)은 전파방향이 안테나 평면과 수직인 z축 방향이고, 전기장 방향(15)은 변함없이 x축 방향이므로 자기장 방향(16b)은 y축 방향이 된다. 이와 같이 송수신 안테나가 동일한 형태로서 동일한 편파특성을 가질 때, 직접파와 반사파는 하나의 편파성분(Ex)만을 가지게 되므로, 이 경우 수신 안테나는 직접파와 반사파 신호를 모두 온전히 수신하게 된다. 시스템 동적범위는 GPR 시스템마다 각각 고유한 값으로 고정되어 있고, 이와 같은 상황에서 탐사를 통해 얻어진 GPR 영상에서 보다 작은 레벨의 레이다 신호를 탐지하기 위해서는 송신안테나(10)에서 수신안테나(20)로 바로 들어오는 직접파(12)의 신호를 줄일 필요가 있다. 즉, 지중구조를 탐지하기 위해 사용되는 반사파(14) 이외의 신호인 직접파는 시스템의 영상화 성능을 제한하는 요소로 작용할 수 있으므로 데이터 취득 단계에서 최소화되는 것이 바람직하다.
한국 특허 등록 공보 제10-1551824호(발명의 명칭 : 매설물 탐지 레이다 및 탐지 방법)
따라서 본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 일반적으로 지면 이격형 지표투과레이다에 사용되는 방향성 안테나를 송신기 지점에 놓은 후, 수신기 지점에 루프 안테나를 송수신 안테나 평면과 수직이 되게 놓고 급전방향을 송신기의 급전방향과 직교가 되게 구성하여 지표투과레이다 안테나(Ground Penetrating Radar, 이하 GPR이라 칭함)의 수신측에서 수신하는 경우 시스템 영상화 성능을 제한할 수 있는 직접파 신호의 크기를 감소시켜 지면 이격형 지표투과레이다의 지중 불연속면에 대한 탐지성능을 향상시킨 지면 이격형 지표투과레이다 안테나를 제공하기 위한 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 지면 이격형 지표투과레이다 안테나는, 지면에서 이격하여 구성된 지면 이격형 GPR 안테나에 있어서,
지면으로 지향시키고 내부로 전파를 침투시키도록 구성되는 송신안테나;
상기 송신안테나로부터 방사된 후, 상기 지중의 불연속면에서 반사되어 돌아오는 전파를 수신하고 상기 송신안테나의 급전 방향 및 지면과 직각을 이루도록 급전받는 수신안테나;를 포함하고,
상기 송신안테나는 지향성을 갖는 혼 안테나를 사용하도록 구성될 수 있다.
상기 수신안테나를 루프 안테나로 구성하고 상기 송신안테나에 대하여 상기 루프 안테나를 지면과 평행인 방향으로 배치하고 상기 수신안테나의 급전 방향을 상기 송신안테나의 급전방향 및 지면에 대하여 수직을 이루도록 구성될 수 있다.
상기 수신안테나를 루프 안테나로 구성하고 상기 루프 안테나의 안테나 평면이 상기 송수신 안테나 평면에 대하여 수직을 형성하도록 구성될 수 있다.
상기 각각의 송신안테나와 수신안테나는,
안테나 설계 파라미터를 입력변수로 받아 계산되는 임피던스 값을 가지는 임피던스 소자를 안테나 내부 해당 지점에 로딩(loading)하도록 구성될 수 있다.
상기 송신안테나와 수신안테나는,
안테나 주변에 금속 박스로 차폐를 한 후, 금속 박스 내부에 전파 흡수재를 채워 넣어 전파가 공기중으로의 불요방사되는 것을 억제하도록 구성될 수 있다.
따라서 본 발명의 지면 이격형 지표투과레이다 안테나는 수신기 지점에 루프 안테나를 송수신 안테나 평면에 수직이 되게 놓고 수신 안테나의 급전방향을 송신안테나의 급전방향 및 지면과 직교가 되게 구성하여 지표투과레이다 안테나(Ground Penetrating Radar, 이하 GPR 이라 칭함)의 수신측에서 수신하는 경우 노이즈로 작용하는 직접파를 감소시켜 지면 이격형 지표투과레이다 시스템의 레이다 탐지 성능을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 바이스태틱 레이다를 구성하는 송수신 안테나의 전파의 흐름을 간략하게 나타낸 도면.
도 2는 바이스태틱 GPR의 수신측 안테나에서 수신되는 신호들을 나타낸 그래프.
도 3은 일반적인 바이스태틱 GPR을 구성하는 송수신 안테나에서의 전파경로 및 전자기장의 방향을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 송신안테나와 수신안테나의 구성에 따른 전파경로 및 전자기장의 방향을 나타낸 도면.
도 5는 일반적인 지면 이격형 GPR에서의 송신안테나와 수신안테나의 배치를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 지면 이격형 GPR에서의 송신안테나와 수신안테나의 배치를 나타낸 도면.
도 7은 일반적인 지면 이격형 GPR의 수신안테나를 통해 얻어진 신호를 나타낸 그래프.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 지면 이격형 GPR의 수신안테나를 통해 얻어진 신호를 나타낸 그래프.
이하, 본 발명의 실시예를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 송신안테나와 수신안테나의 구성에 다른 전파경로 및 전자기파의 방향을 나타낸 도면이다. 도 5는 일반적인 지면 이격형 GPR에서의 송신안테나와 수신안테나의 배치를 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 지면 이격형 GPR에서의 송신안테나와 수신안테나의 배치를 나타낸 도면이다. 도 7은 도 5와 같이 구성된 지면 이격형 GPR의 수신안테나에서 얻은 신호를 나타낸 그래프이고, 도 8은 도 6과 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 지면 이격형 GPR의 수신안테나에서 얻은 신호를 나타낸 그래프이다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 먼저 본 발명의 지면 이격형 지표투과레이다 안테나는 크게 송신안테나(100)와 수신안테나(200)로 구성된다.
본 발명의 실시예에서는 송신안테나(100)로 지향성이 높은 혼안테나를, 수신안테나(200)로 루프안테나를 사용하여 가상실험을 수행하였고, 일반적인 지면 이격형 지표투과레이다 안테나인 혼안테나를 송신(10) 및 수신(20) 안테나로 사용하여 가상실험을 수행한 결과와 비교하였다.
먼저, 송신안테나(100)는 지향성이 높은 안테나를 지면으로 지향시키도록 하고 지면의 내부로 전파를 침투시키도록 구성된다.
수신안테나(200)는 송신안테나(100)로부터 상기 지면을 침투하여 지중에서 반사되어 돌아오는 전파를 수신한다. 수신안테나(200)의 급전 방향은 송신안테나(100)의 급전 방향 및 지면과 직각을 이루도록 구성된다. 바람직하게는 송신안테나(100)는 지향성을 갖는 혼 안테나를 사용한다.
도 4의 본 발명의 일 실시예에 따른 송수신안테나의 구성에서, 송신안테나(100)의 급전 방향과 송신안테나(100)에서 방사되는 전자기파의 전기장(224)(E field) 방향은 모두 x축 방향(Ex)이다. 그리고 적색 점선으로 표시된 반사파(220)중에 적색 실선으로 표시된 일부가 안테나 평면(110)에 대한 법선성분(222)이 됨을 알 수 있다. 이와 같이 상기 법선성분(222)의 방향은 안테나 평면(110)과 수직인 z축 방향이 되고, 전기장(E field) 방향이 x축 방향이므로 전기장 및 전파방향과 직각을 이루는 자기장 방향은 y축 방향(Hy)이 된다.
도 3에서 전기장의 x축 성분(Ex)을 수신하는 일반적인 지면 이격형 GPR에서는 직접파(12)와 반사파(14)가 모두 온전히 수신되는 반면, 본 발명의 일실시예에서는 도 4와 같이 자기장의 y축 방향 성분(Hy), 즉 반사파(220) 중, 안테나 평면(110) 법선성분(222)만을 얻기 위해 도 6과 같이 수신기 지점에 루프 안테나를 루프 안테나의 물리적 평면이 안테나 평면(110)과 수직이 되게 놓고, 수신안테나(200)의 급전방향이 송신안테나(100)의 급전방향 및 안테나 평면(110)과 직교하도록 배치하였다. 이와 같이 구성함으로써, 직접파가 배제된 y축 방향의 자기장(Hy) 신호만을 획득할 수 있다.
도 7 및 도 8은 각각 도 5 및 도 6과 같이 구성된 지면 이격형 GPR의 수신안테나에서 얻은 신호의 가상실험 결과를 나타낸 그래프이다. 도 5 및 도 6의 가상실험을 수행하는데 있어서, 송수신 안테나 사이의 거리는 60cm, 송수신 안테나의 높이는 지면 기준 1m이고, 지하 80cm 깊이에 반경 5cm의 원형 완전도체 표적이 위치한다. 또한 지하 매질의 전기물성은 유전율 10, 전기비저항 500Ωm이고, 송신 안테나로는 첨두전압 2V, 중심주파수 500MHz인 모노사이클 펄스신호가 인가되어 있다.
도 7에서, 일반적인 지면 이격형 GPR 안테나에서는 2nsec 부근에서 나타나는 직접파(120)와 24nsec 부근에서 나타나는 반사파(140) 신호가 모두 온전히 수신됨을 알 수 있다. 두 신호의 첨두값 비율은 0.109mV/20mV = 0.547%로 확인된다. 반면 도 8에서, 본 발명의 일실시예에 따른 지면 이격형 GPR 안테나에서는 반사파의 일부, 즉 안테나평면 법선성분만 제외하고는 전파가 대부분 제거된 상태로 수신되므로 직접파(130) 내지 지면반사파와 반사파의 법선성분(222)의 첨두값 비율(0.04mV/1.9mV = 2.102%)이 4배가량 증가하는 것으로 관찰된다. 이상적으로 도 8의 직접파(130) 신호는 모두 제거되나, 가상실험에서는 지향성 안테나의 편파손실에 의해 미약한 크기를 가지는 것으로 관찰되는데, 이를 감안하더라도 도 8의 결과는 지중에서 반사되어 돌아오는 미약한 신호를 탐지하는 성능에 있어서 도 7의 결과 대비 현저한 효과를 가져옴을 확인할 수 있다.
상기 각각 송신안테나(100)와 수신안테나(200)로 사용되는 지향성 안테나(혼안테나)와 루프 안테나에는 각각 전기장 및 자기장 펄스 신호를 송신 및 수신하기 위해 임피던스 로딩기법을 적용할 수 있다. 상기 임피던스 로딩 기법은 안테나 설계 파라미터, 즉 안테나의 길이 내지 폭 등을 입력변수로 받아 안테나 내부 임의 지점 각각에 대해 소정의 수식을 통해 계산되는 임피던스 값을 가지는 임피던스 소자를 안테나 내부 해당 지점에 로딩(loading)하는 형태로 구현할 수도 있고, 경험적으로 임의의 값을 가지는 임피던스 소자들을 안테나 내부의 지점들에 로딩하여 구현할 수도 있다. 상기 임피던스 로딩 기법이 적용되지 않은 일반적인 지향성 안테나(혼안테나) 및 루프 안테나 등에서는, 안테나 내부에서 발생하는 링잉으로 인해, 송수신되는 전자파 펄스 신호가 크게 왜곡될 수 있으나, 상기 임피던스 로딩 기법에 의해 안테나에 인가되는 전자파 펄스 신호의 파형 왜곡을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명의 송수신 안테나(100, 200)는 안테나 주변을 금속 박스로 차폐하고, 금속 박스 내부에 전파 흡수재를 채워 넣어 구성하여 전파가 공기중으로의 불요방사되는 것을 억제시킬 수 있다.
상기 본 발명의 내용은 도면에 도식된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100 : 송신안테나 200 : 수신안테나

Claims (5)

  1. 지면에서 이격하여 구성된 지면 이격형 바이스태틱 GPR 안테나에 있어서,
    지면으로 지향시키고 지중으로 전파를 침투시키도록 구성되는 송신안테나;
    상기 송신안테나로부터 상기 지중으로부터 반사되어 수신되는 전파를 수신하고 상기 송신안테나의 급전방향 및 지표면 각각에 대응하여 급전방향이 모두 직각을 이루도록 구성되는 수신안테나;를 포함하고,
    상기 송신안테나는 지향성을 갖는 혼 안테나를 사용하도록 구성되는 지면 이격형 지표투과레이다 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수신안테나를 루프 안테나로 구성하고 상기 루프 안테나가 상기 송신안테나의 급전방향과 지표면 평면상에서 수직인 방향으로 지표면과 평행이 되게 배치하는 것인 지면 이격형 지표투과레이다 안테나.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수신안테나를 루프 안테나로 구성하고 상기 송신안테나에 대하여 상기 루프안테나의 물리적 평면이 지표면에 대해 직각을 이루도록 구성하는 지면 이격형 지표투과레이다 안테나.
  4. 제1항에 있어서, 상기 각각의 송신안테나와 수신안테나는,
    소정의 임피던스 값을 가지는 임피던스 소자를 안테나 내부의 지점들에 로딩하여 구성하되, 상기 송신안테나와 수신안테나 내부에서 발생하는 링잉을 최소화시키도록 상기 안테나 내부의 지점에 로딩시켜 설치되는 것인 지면 이격형 지표투과레이다 안테나.
  5. 제1항에 있어서, 상기 송신안테나와 수신안테나는,
    안테나 주변에 금속 박스로 차폐를 한 후, 금속 박스 내부에 전파 흡수재를 채워 넣어 전파가 공기중으로의 불요방사되는 것을 억제하도록 구성되는 것인 지면 이격형 지표투과레이다 안테나.
KR1020180088834A 2018-07-30 2018-07-30 지면 이격형 지표투과레이다 안테나 KR101945824B1 (ko)

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