KR20010026129A - 매설물 탐사장치 및 탐사방법 - Google Patents

Abstract

본 매설물 탐사장치는 고주파 변조를 한 임펄스를 발신하는 임펄스발신기와, 상기 임펄스 신호가 지하의 연속 매설물에 의해 반사되어 되돌아오는 반사파를 수신하는 안테나와, 상기 수신된 반사파 신호를 디지털화하여 처리/분석하는 신호처리장치와, 상기 안테나의 이동거리를 측정하여 상기 신호처리장치로 전달하는 인코더를 포함하여서, 상기 안테나의 위치를 지표면에 대하여 메트릭스 형태로 이동하면서 측정한 반사파의 수신시간을 이용하여 상기 연속 매설물의 위치좌표를 계산한다.

Description

매설물 탐사장치 및 탐사방법{Detection Device and Dection Method for under-ground laying objects}

본 발명은 지하 매설물 탐사 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연속된 지하 매설물의 3차원 위치좌표를 탐사하는 탐사 장치에 관한 것이다.

일반적으로 지하 매설물은 전기, 통신, 상수도, 가스관 등 현대생활에 있어서 필수적인 중요 기반시설물이다.

그러나 이와 같은 지하 매설물은 다양한 종류의 시설물들이 매우 복잡한 형태 및 상태로 불규칙하게 매설되어 있기 때문에 확인, 점검등의 신속한 안전관리가 미흡할 뿐만 아니라 적절한 시기에 매설물들을 교체, 보수하기 곤란한 문제점이 있다. 특히, 지하 매설물의 매설 현황이 초기 설계 자료와의 상이하고, 오래된 과거 매설 현황자료의 분실등으로 지하 매설 시설물들의 현황 자료가 완벽하지 않은 현실하에서는 조심스럽게 시험 굴착을 하여 지하 매설물의 매설 위치 및 깊이를 육안으로 직접 확인하는 방법을 사용할 수밖에 없었다.

그러나, 이와 같이 지하를 직접 굴착하여 매설물을 직접 확인조사하는 것은 시간, 노력, 비용이 많이 소요될뿐더러 통행에 불편을 주는 등 비효율적, 비경제적인 문제점을 가지고 있으며, 또한 지하 매설물의 개수 및 종류가 계속 많아짐에 따라 지하 매설물의 정확한 위치 및 형상 등을 시험 굴착하지 않고서도 확인할 수 있는 방법의 필요성이 절실하다.

한편, 지하구조는 저주파에 대하여는 비교적 침투가 잘 되지만 고주파로 갈수록 감쇠가 심하여 지하방향으로 전파되지 못하는 일종의 저역통과필터(Low Pass Filter)의 특성을 가지고 있으며, 지하 매설물을 탐지하기 위하여 고주파를 지면에서 지하로 발산한 후 수신되는 반사파를 신호처리하는 방법이 시도되어 왔으나, 이들은 다음과 같은 문제점이 있다.

예컨대, 단일 주파수의 신호인 연속파(Continuous Wave)를 발신하여 되돌아온 반사파와의 간섭에 의한 총 전계 패턴에 의해 표적의 정보를 알아내는 방법이 있으나, 이는 발신신호와 반사신호간의 직접결합(Direct Coupling)이 매우 커서 표적에 대한 신호를 추출하기 어려운 문제점이 있다.

또한, 주기적으로 일정시간 동안 주파수가 연속적으로 증가하는 신호인 주파수 변조 연속파(Frequency Modulation Contious Wave)를 발신하고 발신신호와 반사신호간의 시간지연을 주파수 혼합기를 사용하여 차 주파수 신호를 만들어내어 매설물의 위치를 탐사하는 방법이 있으나, 주파수 혼합기를 사용하는 등 시스템의 구성이 복잡해지며, 수신되는 반사파의 잡음이 심해서 정확한 데이터를 수집하는 데 효율적이지 않은 문제점이 있었다.

한편, 이와 같은 종래의 매설물 탐사장치들은 모두 반사신호를 단순히 디스플레이하는 것에 불과하므로 숙련된 경험자가 디스플레이된 신호자료를 이용하여 경험적으로 지하 매설물의 위치좌표를 인식하는 보조수단으로 이용하여 왔다. 따라서 숙련된 경험자가 아닌 한 종래의 탐사장치를 이용하여 매설물의 정확한 위치를 탐사하는 것은 지극히 곤란한 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 배관등의 연속된 지하 매설물의 3차원 위치좌표를 효과적으로 추출할 수 있는 탐사 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 지하 매설물 탐사장치는 고주파 변조를 한 임펄스를 발신하는 임펄스발신기와, 상기 임펄스 신호가 지하의 연속 매설물에 의해 반사되어 되돌아오는 반사파를 수신하는 안테나와, 상기 수신된 반사파 신호를 디지털화하여 처리/분석하는 신호처리장치와, 상기 안테나의 이동거리를 측정하여 상기 신호처리장치로 전달하는 인코더를 포함하여서, 상기 안테나의 위치를 지표면에 대하여 메트릭스 형태로 이동하면서 측정한 반사파의 수신시간을 이용하여 상기 연속 매설물의 위치좌표를 계산한다.

본 발명의 다른 목적은 연속된 지하 매설물의 3차원 위치좌표를 효과적으로 추출할 수 있는 탐사 방법을 제공하는 것이다.

이를 위하여 본 발명에 따른 탐사방법은 고주파 변조를 한 임펄스를 발신하는 임펄스발신기와, 상기 임펄스 신호가 지하의 연속 매설물에 의해 반사되어 되돌아오는 반사파를 수신하는 안테나와, 상기 수신된 반사파 신호를 디지털화하여 처리/분석하는 신호처리장치와, 상기 안테나의 이동거리를 측정하여 상기 신호처리장치로 전달하는 인코더를 구비한 매설물 탐사장치를 마련하는 단계와; 상기 안테나의 위치를 지표면에 대하여 메트릭스 형태로 이동하면서 측정한 반사파의 수신시간을 이용하여 상기 연속 매설물의 위치좌표를 계산하는 단계를 구비한다.

이때, 상기 신호처리기에서 상기 디지털 신호 중에 존재하는 노이즈 데이터를 제거하기 위하여 시간영역에서 외삽법과 이동 평균법을 사용한 필터링 처리를 수행하는 단계를 포함할 수 있으며, 또한 상기 필터링 처리 단계는 푸리에변환을 하여 주파수영역에서 윈도잉을 이용한 필터링 처리를 한 후 역푸리에 변환을 하는 단계를 더 포함할 수도 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 매설물 탐사장치의 구성도.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 매설물 탐사장치의 탐사 원리를 설명하기 위한 개념도.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 매설물 탐사장치가 이동하면서 탐사하는 원리를 설명하기 위한 개념도.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 매설물 탐사방법를 설명하는 흐름도.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

100...임펄스발신기 200...안테나

300...신호처리장치 310...증폭기

320...샘플러 330...A/D컨버터

340...신호처리기 400...인코더

410...카트

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 지하 매설물 탐사장치의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도1은 본 발명의 실시예에 따른 지하 매설물 탐사장치의 구성도를 나타낸 것이다.

본 지하 매설물 탐사장치는 임펄스발신기(100)와, 안테나(200)와, 신호처리장치(300)와, 인코더(400)를 포함한다.

임펄스발신기(100)는 고주파 변조를 한 임펄스를 발신한다. 사용되는 주파수는 탐사하고자하는 지하의 깊이에 따라 다소 상이한 주파수를 사용하나, 대략 수백 메가(Mega) 내지 수 기가(Giga) 헬츠(Hz)대의 고주파를 주로 사용하며, 통상 깊이가 깊어짐에 따라 적은 주파수를 사용하는 것이 보다 바람직하다.

안테나(200)는 상기 발신된 임펄스 신호가 지하의 연속 매설물에 의해 반사되어 되돌아오는 신호인 반사파를 수신하며, 넓은 주파수 대역을 수신할 수 있도록 함으로써 발신신호와 수신신호간의 직접결합신호 및 지표면 반사신호 등의 간섭신호로부터 표적반사신호를 효과적으로 구분할 수 있도록 하여야 한다. 여기서 반사파의 수신은 수신되는 신호가 일정치 이상의 크기인 것을 탐지하여 수신하며, 이렇게 탐지된 반사파는 신호처리장치(300)로 송출된다.

임펄스발신기(100)와 안테나(200)의 설치간격은 수 내지 수십 ㎝로 하는 것이 바람직하며, 임펄스발신기(100)와 안테나(200)는 동일한 카트(410)상에 설치되어 카트(410)의 이동에 따라 함께 이동되는 것이 바람직하다. 탐색장치 전체가 동일 카트(410)에 설치되는 것이 더욱 바람직하다.

인코더(400)는 상기 카트(410) 예컨대 카트(410)의 바퀴에 설치되는 것이 바람직하다. 인코더(400)에 의해 측정된 상기 안테나(200)의 이동거리는 신호처리장치(300)에 입력되어, 반사파를 수신하는 위치에서의 상기 안테나(200)의 정확한 위치가 신호처리장치(300)에 입력된다.

한편, 신호처리장치(300)는 상기 안테나(200)로부터 수신된 신호를 증폭하는 증폭기(310)와, 증폭기(320)로부터 증폭된 신호를 샘플링하는 샘플러(320)와, 샘플링된 신호를 디지털로 변환하는 컨버터(330)와, 상기 디지털 신호를 처리/분석하는 신호처리기(340)로 구성할 수 있다. 상기 신호처리기(340)는 임펄스발신기(100)에 발신신호의 발신 타이밍을 트리거하기 위한 제어신호를 공급한다.

따라서 신호처리기(340)는 인코더(400)로부터 입력된 상기 안테나(200)의 위치 자료와, 그 위치에서 수신된 반사파의 수신시간을 이용하여 매설물의 위치좌표를 계산한다.

즉, 도2에 도시된 바와 같이, 임의 위치()의 카트(410)에서 발신된 발신파(110)는 매설물(120)에 반사되어 반사파(130)가 안테나(200)에 수신된다. 여기서 반사파(130)가 매설물(120)에 의하여 발생되는 것은 매설물(120)과 지하 매질의 상대유전상수가 다른 성질을 이용하는 것으로서, 이를 이용하여 비단 매설물 만이 아니라 예컨대 상수도 파이프의 누수도 탐지할 수 있다. 왜냐하면 누수로 인한 수분의 증대가 매질의 상대유전상수를 변화시키기 때문에 이것이 반사파(130)에 의해 나타나기 때문이다.

이때 발신파(110)를 송신한 후에 반사파(130)가 수신될 때까지의 시간을 수신시간, 임펄스 신호가 매질내에서 전달되는 속도를 전달속도라고 하면, 안테나(200)에서 매설물(120)까지의 거리은=가 된다.

마찬가지 방법으로 일정한에 대하여 카트(410)를 x축방향으로 Δx만큼씩 이동하면서 측정한 거리을 각 카트(410)의 위치에서 z축에 대하여 나타내면 도3과 같이 도시되며, 이를 연결하면 점선으로 표시된 바와 같은 포물선이 된다.

여기서 매설물의 매설위치는 거리이 최소인 위치이므로 포물선의 꼭지점에 해당하는 좌표가 된다. 따라서 매설물의 x좌표는 포물선의 꼭지점에 해당하는 x좌표이고, y좌표는이고, 매설물의 매설깊이인 z좌표는 포물선의 꼭지점에서의으로 계산되기 때문에 x,z평면상에서 매설물의 매설위치를 계산할 수 있다. 만일 지하에 두 개의 파이프가 매설되어 있다면 포물선이 두 개로 나타나기 때문에 매설된 두 개의 파이프 각각을 탐지할 수 있으며, 전술한 바 매설물에 따라 상대유전상수가 다른 것을 이용(예컨대 유전상수의 차이에 따른 반사파 진폭이 차이)하면 매설물의 종류 예컨대 상수도 또는 가스 파이프인지 또는 전기,전화 케이블용 파이프인지를 구분하는 것도 가능하다.

그후에 카트(410)를 y축방향으로 Δy 이동한 후에 동일한 방법으로 측정을 하는 것을 반복하면서 카트(410)를 지표면에 대하여 메트릭스 형태로 이동하면 매설물의 연속된 위치좌표를 계산할 수 있다.

전술한 방법에 따른 매설물 탐사방법을 흐름도로 도시하면 도4와 같다. 즉, 안테나를 x축방향으로 Δx만큼씩 이동(650)하면서 각 위치에서 임펄스 신호를 발신(610)하고, 매설물에 의해 반사된 반사파 신호를 수신(620)한 후에, 반사파 신호를 필터링(630)하고, 반사파의 수신시간 및 그 때의 안테나 좌표를 저장(640)한다.

x방향으로 일정범위의 지표면을 스캔하여 스캔을 완료(660)한 후에는, x방향을 따라 수신된 반사파의 크기의 평균을 구해 그 값을 미리 설정된 문턱값(threshold value)과 비교(670)한다. 상기 평균이 문턱값보다 클 때에 x,z평면상의 매설물의 위치좌표(x,y,z)를 계산 및 저장(680)한다.

안테나를 y방향으로 Δy 만큼 이동(690)한 후에, y방향의 스캔이 완료(700)되지 않는 한 상기 과정(610-690)을 반복함으로써, 지표면에 대하여 메트릭스 형태로 안테나의 위치를 이동하면서 연속 매설물의 3차원 위치좌표를 계산한다.

여기서 반사파 신호를 필터링하는 단계(630)는 신호처리기(340)에서 상기 디지털 신호 중에 존재하는 잡음 데이터를 제거하기 위하여 시간영역에서 프리필터링(pre-filtering)으로서 외삽법을 이용하고 중간필터링(mid-filtering)으로서 이동 평균법(moving-average)을 이용하여 필터링 처리를 수행하는 것이 바람직하다.

중간필터링으로서 이용하는 이동평균법은 잡음이 섞인 데이터를 스무딩(smothing)하기 위한 기법으로서, 일정 크기 이상의 데이터가 입력될 경우 이는 노이즈에 의한 것으로 판단하여 그 데이터를 미리 설정된 개수의 데이터의 평균치로 대체함으써 고주파 성분을 필터링하는 것이며, 이에 더하여 버터워츠 필터(butterworth filter)를 거쳐 중간필터링에 의한 시간영역에서의 필터링을 수행할 수 있다.

또한 프리필터링으로서 이용하는 외삽법은 수신된 반사파 신호가 직전 샘플링 시간에 중간 필터링에서 얻어진 직전 데이터와 현재 입력되는 신규 데이터의 차이의 절대치가 미리 설정된 문턱값보다 클 경우, 이때의 신규 데이터는 잡음이 섞인 불량 데이터로 간주하여 직전의 중간필터링을 거친 데이터 값과 그 증가율 값을 이용하여 현재의 데이터를 외삽하는 방식을 말한다.

그리고 포스트필터링(post-filtering)으로서 이용하는 주파수 영역에서의 필터링은 중간필터링을 거친 신호를 푸리에변환을 하고 미리 결정된 크기의 윈도잉(windowing)을 이용하여 필터링을 한 후에 역푸리에 변환을 하여 포스트필터링을 마친다. 여기서 윈도잉을 이용한 필터링을 한 후에 적정한 주파수 전달함수를 곱하여 부가적으로 필터링을 더 할 수도 있다.

이상 실시예를 들어 본 발명에 대해 설명함에 있어 설명의 편의상 지하 매설물로 국한하여 설명하였지만, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상 및 기술범위내에서 각종 변경 및 개량이 가능하며, 본 발명에 따른 효과는 동일한 발명의 원리로서 수중 탐사물에도 적용될 수 있으며, 다리,대형건물 등의 구조물의 내부를 비파괴 검사하는 데도 광통신용 소자 제조 분야에서 다양하게 변형되어 이용될 수가 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 매설물 탐사장치 및 탐사방법은 숙련된 경험자가 아니더라도 지하에 매설된 매설물의 3차원 위치좌표를 용이하게 계산 및 추출해 주는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 고주파 변조를 한 임펄스를 발신하는 임펄스발신기(100)와, 상기 임펄스 신호가 지하의 연속 매설물에 의해 반사되어 되돌아오는 반사파를 수신하는 안테나(200)와, 상기 수신된 반사파 신호를 디지털화하여 처리/분석하는 신호처리장치(300)와, 상기 안테나(200)의 이동거리를 측정하여 상기 신호처리장치(300)로 전달하는 인코더(400)를 포함하여서, 상기 안테나(200)의 위치를 지표면에 대하여 메트릭스 형태로 이동하면서 측정한 반사파의 수신시간을 이용하여 상기 연속 매설물의 위치좌표를 계산하는 매설물 탐사장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 신호처리장치(300)는 상기 안테나(200)로부터 수신된 신호를 증폭하는 증폭기(310)와, 상기 증폭기(320)로부터 증폭된 신호를 샘플링하는 샘플러(320)와, 상기 샘플링된 신호를 디지털로 변환하는 컨버터(330)와, 상기 디지털 신호를 처리/분석하는 신호처리기(340)를 포함하는 것을 특징으로 하는 매설물 탐사장치.
3. 고주파 변조를 한 임펄스를 발신하는 임펄스발신기(100)와, 상기 임펄스 신호가 지하의 연속 매설물에 의해 반사되어 되돌아오는 반사파를 수신하는 안테나(200)와, 상기 수신된 반사파 신호를 디지털화하여 처리/분석하는 신호처리장치(300)와, 상기 안테나(200)의 이동거리를 측정하여 상기 신호처리장치(300)로 전달하는 인코더(400)를 구비한 매설물 탐사장치를 마련하는 단계와;

   상기 안테나(200)의 위치를 지표면에 대하여 메트릭스 형태로 이동하면서 측정한 반사파의 수신시간을 이용하여 상기 연속 매설물의 위치좌표를 계산하는 단계를 구비한 매설물 탐사방법.
4. 제3항에 있어서,

   상기 신호처리기(340)에서 상기 디지털 신호 중에 존재하는 노이즈 데이터를 제거하기 위하여 시간영역에서 외삽법과 이동 평균법을 사용한 필터링 처리를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 매설물 탐사방법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 필터링 처리 단계는 푸리에변환을 하여 주파수영역에서 윈도잉을 이용한 필터링 처리를 한 후 역푸리에 변환을 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 매설물 탐사방법.