KR101966329B1 - 철도 자갈도상용 gpr 탐사장치 및 이를 포함하는 시스템 - Google Patents

철도 자갈도상용 gpr 탐사장치 및 이를 포함하는 시스템 Download PDF

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장승엽
황성호
신지훈
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한국철도기술연구원
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Abstract

본 발명의 철도자갈도상용 GPR 탐사 장치는, GPR(Ground Penetrating Radar) 신호를 생성하고 출력하는 송신 안테나; 상기 송신 안테나로부터 철도 레일과 평행한 방향으로 소정의 거리 이격되어 위치하고, 상기 송신 안테나로부터 출력된 GPR 신호를 수신하는 제1 수신 안테나; 상기 송신 안테나로부터 철도 레일과 수직한 방향으로 소정의 거리 이격되어 위치하고, 상기 송신 안테나로부터 출력된 GPR 신호를 수신하는 제2 수신 안테나; 및 상기 제2 수신 안테나로부터 철도 레일과 평행한 방향으로 소정의 거리 이격되어 위치하고, 상기 송신 안테나로부터 출력된 GPR 신호를 수신하는 제3 수신 안테나를 포함하고, 상기 송신 안테나와 제2 수신 안테나 및 상기 제1 수신 안테나와 제3 수신 안테나 사이에 상기 철도 레일이 위치하도록 설치된다.

Description

철도 자갈도상용 GPR 탐사장치 및 이를 포함하는 시스템{GROUND PENETRATING RADAR DEVICE FOR RAILWAY BALLAST TRACK AND SYSTEM HAVING THE SAME}
본 발명은 철도 자갈도상용 GPR 탐사장치 및 이를 포함하는 시스템에 관한 것이다.
철도 자갈도상궤도에서는, 열차가 주행하게 되는 레일을 지지하기 위하여, 자갈도상 위에 침목이 설치된다.
열차가 레일을 주행할 때 레일에 가해지는 하중은 침목에 개별적으로 가해지고, 침목은 이러한 하중을 자갈도상을 통해서 지반으로 전달하게 된다. 따라서 개별 침목에 하중이 집중되고, 경우에 따라서는 침목 하부에 자갈 입자들이 충분히 채워지지 않은 경우 혹은 노반의 상태가 나쁜 경우, 침목에 큰 하중이 집중될 수 있다. 이러한 하중에 의해 자갈입자가 마모 또는 파쇄 되거나, 자갈도상이 옆으로 밀려 나가거나 또는 하부 노반에 관입되면서 침목의 위치가 가라앉게 되고, 그에 따라 레일에 연직 또는 수평변위가 발생하게 되어 열차 주행안전을 위협하거나 승차감을 저해하는 상황이 발생할 수 있다.
또한, 노반이 되어 있는 지하의 내부에 공동이 있으면, 노면의 함몰 등에 의해 큰 사고에 연결될 가능성이 있다. 이러한 사고를 미연에 방지하기 위해, 지하 공동의 유무를 미리 검지하는 것이 바람직하다.
이와 더불어 자갈도상의 두께와 자갈입자가 파쇄되어 잔골재가 도상하부에 쌓이게되면, 자갈궤도의 침하가 가속되어 잦은 유지보수가 필요함으로 도상의 두께와 잔골재층의 유무를 검지하는 기술이 필요하다.
한편, 이와 관련하여 대한민국등록특허 제10-1241313호(발명의 명칭: 지하 탐사 레이더를 이용한 포장 도로 안전 진단 시스템 및 방법)에서는, 지하 탐사 레이더를 이용하여 지하 공동을 탐지하는 구성을 개시하고 있다.
하지만 이러한 종래의 지하 탐사 레이더 장치는 송수신기가 일체형으로 형성되어, 지중을 검사할 경우, 침목으로 인하여 자갈도상까지 전자기파가 투과 및 반사가 되지 않으며, 침목 사이에 위치하더라도 침목과 침목 내부의 강선의 영향으로 노이즈가 심하게 발생하는 문제점이 있다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 침목의 하부를 투과 및 반사한 GPR 신호를 수신하여, 효율적으로 지중을 탐사할 수 있는 철도 자갈도상용 GPR 탐사장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제1 측면에 따른 철도 자갈도상용 GPR 탐사장치는, 철도자갈도상용 GPR 탐사 장치는, GPR(Ground Penetrating Radar) 신호를 생성하고 출력하는 송신 안테나; 상기 송신 안테나로부터 철도 레일과 평행한 방향으로 소정의 거리 이격되어 위치하고, 상기 송신 안테나로부터 출력된 GPR 신호를 수신하는 제1 수신 안테나; 상기 송신 안테나로부터 철도 레일과 수직한 방향으로 소정의 거리 이격되어 위치하고, 상기 송신 안테나로부터 출력된 GPR 신호를 수신하는 제2 수신 안테나; 및 상기 제2 수신 안테나로부터 철도 레일과 평행한 방향으로 소정의 거리 이격되어 위치하고, 상기 송신 안테나로부터 출력된 GPR 신호를 수신하는 제3 수신 안테나를 포함하고, 상기 송신 안테나와 제2 수신 안테나 및 상기 제1 수신 안테나와 제3 수신 안테나 사이에 상기 철도 레일이 위치하도록 설치된다.
한편, 본원의 제2 측면에 따른 철도 자갈도상용 GPR 탐사 시스템은, 철도 레일과 각각 대응되도록 위치하는 GPR 탐사 장치; 상기 GPR 탐사 장치가 고정되도록 소정의 형상을 가지는 프레임; 및 상기 프레임에 구비된 복수의 차륜을 포함하고, 상기 철도 레일을 따라 이동하면서 지중을 탐사한다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 하나의 송신 안테나와 3개의 수신 안테나로 분리하여, 침목의 하부에 위치하는 지중의 상태를 정확하게 측정할 수 있는 효과가 있다.
또한, 침목 센서부를 통해 하중이 집중되는 침목의 하부에 대한 집중 탐사가 가능하고, 측정 데이터량을 최소화하여, 탐사 속도를 향상할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 철도 자갈도상용 GPR 탐사장치의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 철도 자갈도상용 GPR 탐사장치를 이용하여 지중을 탐사하는 예를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 철도 자갈 도상용 GPR 탐사 시스템의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 철도 자갈 도상용 GPR 탐사 시스템의 접힌 모습을 도시화한 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~ 를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본원은 철도 자갈도상용 GPR(Ground Penetrating Radar) 탐사장비 및 이를 포함하는 시스템에 관한 것이다. 또한, 철도 자갈도상용 GPR 탐사장비는 지중(자갈도상 및 노반)으로 GPR 신호를 투과시켜 반사되는 GPR 신호를 측정하고, 측정된 신호를 분석하여, 자갈도상의 상태(두께와 파울링정도), 지중구조물(매설물 등), 지하공동, 지층특성 등의 평가를 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 철도 자갈도상용 GPR 탐사장비의 모식도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 철도 자갈도상용 GPR 탐사장비를 이용하여 지중을 탐사하는 예를 나타내는 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 철도 자갈 도상용 GPR 탐사 시스템의 개략도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 철도 자갈 도상용 GPR 탐사 시스템의 접힌 모습을 도시화한 도면이다.
우선, 본원의 일 실시예에 따른 철도 자갈도상용 GPR 탐사장치(100)(이하, 'GPR 탐사 장치(100) '라 함)에 대해 설명한다.
도 1을 참조하면, GPR 탐사 장치(100)는 하나의 송신 안테나(110) 및 3개의 수신 안테나(121, 122, 123)를 포함한다.
송신 안테나(110)는 GPR(Ground Penetrating Radar) 신호를 생성하고 지중, 즉 자갈도상 및 노반을 향해 출력한다.
3개의 수신 안테나(121, 122, 123)는 송신 안테나(110)로부터 출력되어, 지중으로부터 반사되는 GPR 신호를 수신한다. 또한, 송신 안테나(110) 및 3개의 수신 안테나(121, 122, 123)는 사각형 형태로 배치된다.
상세하게는, 수신 안테나(121, 122, 123)는 송신 안테나(110)로부터 철도 레일(R)과 평행한 방향으로 소정의 거리 이격되어 위치하고, 송신 안테나(110)로부터 출력된 GPR 신호를 수신하는 제1 수신안테나(121), 송신 안테나(110)로부터 철도 레일(R)과 수직한 방향으로 소정의 거리 이격되어 위치하고, 송신 안테나(110)로부터 출력된 GPR 신호를 수신하는 제2 수신 안테나(122), 및 제2 수신 안테나(122)로부터 철도 레일(R)과 평행한 방향으로 소정의 거리 이격되어 위치하고, 송신 안테나(110)로부터 출력된 GPR 신호를 수신하는 제3 수신 안테나(123)를 포함할 수 있다.
다시 말해, 도 2를 참조하면, 제1 수신 안테나(121)는 송신 안테나(110)로부터 열차진행방향으로 소정의 거리 이격되어 위치하고, 레일(R) 부근의 열차진행방향 지중의 상태를 탐사할 수 있다. 또한, 제1 수신 안테나(121)는 송신 안테나(110)로부터 이격된 거리가 침목(S)의 폭방향보다 길고, 침목(S)과 인접한 침목(S)까지의 거리보다 짧을 수 있다. 이에 따라, GPR 탐사 장치(100)는 송신 안테나(110)로부터 출력된 GPR 신호가 침목(S)에 영향을 받지 않고, 지중에서 반사되는 GPR 신호를 수신할 수 있어, 지중의 상태를 정확하게 측정할 수 있는 효과가 있다.
제2 수신 안테나(122)는 열차진행방향과 수직된 방향으로 소정의 거리 이격되어 위치하고, 열차하중을 받는 자갈도상의 횡방향 상태를 탐사할 수 있다. 또한, 제2 수신 안테나(122)는 송신 안테나(110)로부터 레일(R)의 폭방향보다 긴 거리에 위치하는 것이 바람직하다.
제3 수신 안테나(123)는 송신 안테나(110)의 대각선 방향으로 소정의 거리 이격되어 위치할 수 있다. 다시 말해, 제3 수신 안테나(123)는 제2 수신 안테나(122)로부터 열차진행방향으로 소정의 거리 이격되고, 제1 수신 안테나(121)로부터 열차진행방향의 수직된 방향으로 소정의 거리 이격되어 위치할 수 있다. 이에 따라, 송신 안테나(110)와 3개의 수신 안테나는 사각 형태로 배치되고, 송신 안테나(110)와 제1 수신 안테나(121) 및 제2 수신 안테나(122)와 제3 수신 안테나(123)는, 지중 탐사시, 철도 레일(R)을 기준으로 서로 대칭되도록 위치될 수 있다.
GPR 탐사 장치(100)는 침목(S)의 체결구를 인식하는 침목 센서부(130)를 더 포함할 수 있다.
예시적으로, 침목 센서부(130)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 송신 안테나(110)와 제1 수신 안테나(121) 사이에 위치하여, 침목(S)의 위치를 감지할 수 있으나, 이에 한하지는 않는다. 또한, 침목 센서부(130)는 침목(S)에 위치한 체결구를 인지할 수 있는 근접 자계 센서일 수 있다.
또한, GPR 탐사 장치(100)는 침목 센서부(130)를 통해 침목(S)의 체결구가 인식될 경우, 송신 안테나(110)로부터 GPR 신호를 출력하여, 침목(S)의 하부에 위치한 지중을 탐사할 수 있다.
즉, GPR 탐사 장치(100)는 하중이 집중되는 침목(S)의 하부의 지중을 집중적으로 탐사하여, 데이터량을 최소화할 수 있다. 이에 따라, GPR 탐사 장치(100)는 탐사 속도와 분석 효율을 향상할 수 있는 효과가 있다.
이하, 도 3 및 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 GPR 측정 시스템에 대해서 설명한다.
GPR 측정 시스템은 철도 레일과 각각 대응되도록 위치하는 GPR 탐사 장치(100) 및 GPR 탐사 장치(100)가 고정되도록 소정의 형상을 가지는 프레임(200), 및 프레임(200)에 구비된 복수의 차륜(300)을 포함한다. 다시 말해, GPR 측정 시스템은 사용자가 철도 레일(R)을 따라 이동하면서, 지중을 효율적으로 탐사할 수 있다. 예시적으로, GPR 측정 시스템은 사용자가 수동으로 철도 레일(R)을 따라 이동하면서 지중을 탐사할 수 있으나, 이에 한하지 않고 별도의 모터를 구비하여 자동으로 철도 레일(R)을 따라 이동하면서 지중을 탐사할 수도 있다.
도 3을 참조하면, 프레임(200)은 중앙 프레임(210), 제1 절첩 프레임(220), 제2 절첩 프레임(230), 및 수직 프레임(240)을 포함할 수 있다.
중앙 프레임(210)은 사각 형상으로 형성될 수 있으나, 이에 한하지는 않는다.
제1 절첩 프레임(220)은 중앙 프레임(210)의 일측에 힌지 결합되고, 제1 GPR 탐사 장치(100)가 고정될 수 있다. 제2 절첩 프레임(230)은 중앙 프레임(210)의 타측에 힌지 결합되고, 제2 GPR 탐사 장치(100)가 고정될 수 있다. 상술한 중앙 프레임(210)의 일측이란 도 3의 4시 방향이고, 중앙 프레임(210)의 타측이란 도 3의 10시 방향일 수 있다.
수직 프레임(240)은 중앙 프레임(210)의 상부방향으로 연장형성되고, 중앙 프레임(210)에 힌지결합될 수 있다.
예시적으로, 프레임(200)은 GPR 신호의 반사를 최소화하기 위해 플라스틱 재질로 제작되고, 송수신간의 전자파 간섭을 제거하기 위해 전자파 흡수 재질을 적용하는 것이 바람직하다.
프레임(200)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 사용 시에만 펼쳐서 사용하고, 보관 또는 이동 시에는 접어 공간효율을 높일 수 있다.
차륜(300)은 제1 절첩 프레임(220) 및 제2 절첩 프레임(230)에 각각 구비될 수 있다. 또한, GPR 탐사 장치(100)는 차륜(300)을 중심으로 일측에 송신 안테나(110) 및 제1 수신 안테나(121)가 위치하고, 타측에 제2 수신 안테나(122) 및 제3 수신 안테나(123)가 위치할 수 있다.
또한, 차륜(300)은 궤도 회로와의 갑섭을 피할 수 있도록 절연 재질로 제작되는 것이 바람직하다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : GRP 탐사 장치
110 : 송신 안테나
121 : 제1 수신 안테나 122 : 제2 수신 안테나
123 : 제3 수신 안테나 124 : 제4 수신 안테나
130 : 침목 센서부
200 : 프레임
210 : 중앙 프레임
220 : 제1 절첩 프레임
230 : 제2 절첩 프레임
240 : 수직 프레임
300 : 차륜
R : 철도 레일 S : 침목

Claims (9)

  1. 철도자갈도상용 GPR 탐사 장치에 있어서,
    GPR(Ground Penetrating Radar) 신호를 생성하고 출력하는 송신 안테나;
    상기 송신 안테나로부터 철도 레일과 평행한 방향으로 소정의 거리 이격되어 위치하고, 상기 송신 안테나로부터 출력된 GPR 신호를 수신하는 제1 수신 안테나;
    상기 송신 안테나로부터 철도 레일과 수직한 방향으로 소정의 거리 이격되어 위치하고, 상기 송신 안테나로부터 출력된 GPR 신호를 수신하는 제2 수신 안테나;
    상기 제2 수신 안테나로부터 철도 레일과 평행한 방향으로 소정의 거리 이격되어 위치하고, 상기 송신 안테나로부터 출력된 GPR 신호를 수신하는 제3 수신 안테나; 및
    침목의 체결구를 인식하는 침목 센서부를 포함하고,
    상기 송신 안테나와 제2 수신 안테나 및 상기 제1 수신 안테나와 제3 수신 안테나 사이에 상기 철도 레일이 위치하도록 설치되고,
    상기 송신 안테나와 상기 제1 수신 안테나가 이격된 거리는 침목의 폭방향 길이보다 길고, 침목과 인접한 침목까지의 거리보다 짧고,
    상기 침목 센서부를 통해 상기 침목의 체결구가 인식될 경우, 상기 송신 안테나로부터 GPR 신호를 출력하여 침목의 하부에 위치한 지중을 탐사하는 것인 철도 자갈도상용 GPR 탐사 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 철도 자갈도상용 GPR 탐사 시스템에 있어서,
    철도 레일과 각각 대응되도록 위치하는 제1항에 따른 GPR 탐사 장치;
    상기 GPR 탐사 장치가 고정되도록 소정의 형상을 가지는 프레임; 및
    상기 프레임에 구비된 복수의 차륜을 포함하고,
    상기 철도 레일을 따라 이동하면서 지중을 탐사하는 철도 자갈도상용 GPR 탐사 시스템
  5. 제4항에 있어서,
    상기 프레임은
    중앙 프레임;
    상기 중앙 프레임의 일측에 힌지 결합되고, 제1 GPR 탐사 장치가 위치하는 제1 절첩 프레임;
    상기 중앙 프레임의 타측에 힌지 결합되고, 제2 GPR 탐사 장치가 위치하는 제2 절첩 프레임; 및
    상기 중앙 프레임의 상부방향으로 연장형성되고, 상기 중앙 프레임에 힌지결합되며, 수직 프레임을 포함하는 것인 철도 자갈도상용 GPR 탐사 시스템
  6. 제4항에 있어서,
    상기 프레임은
    플라스틱 재질로 형성되고, 전자파 흡수 재질을 사용하는 것인 철도 자갈도상용 GPR 탐사 시스템.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 차륜은 궤도회로와의 간섭을 피할 수 있도록 절연재질로 제작되는 것인 철도 자갈도상용 GPR 탐사 시스템.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 송신 안테나와 상기 제1 수신 안테나가 이격된 거리는 침목의 폭방향 길이보다 길고, 침목과 인접한 침목까지의 거리보다 짧은 것인 철도 자갈도상용 GPR 탐사 시스템.
  9. 제4항에 있어서,
    침목의 체결구를 인식하는 침목 센서부를 더 포함하고,
    상기 침목 센서부를 통해 상기 침목의 체결구가 인식될 경우, 상기 송신 안테나로부터 GPR 신호가 출력되어 철도 자갈 도상을 탐사하는 것인 철도 자갈도상용 GPR 탐사 시스템.
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