KR20020085209A - 고해상 전자 지하탐사방법 및 지하탐사시스템 - Google Patents

Abstract

상·하수도관, 가스관, 통신케이블 등의 지하매설물과 매장문화재 등의 문화유적에서의 위치확인 및 토목공사를 위한 지하지반의 물성파악 등 지하정보를 탐사지역 주위의 환경에 영향을 받지 않고 30m 심도까지의 정확한 탐사가 가능하도록, 2㎑∼10㎒의 1차 전자기장을 발생시켜 지하로 전파하는 송신부와, 송신부에서 전파한 1차 전자기장이 지하매설물 및 매장문화재 등을 만나 발생되는 유도전류에 의한 전기장 및 2차 전자기장의 세기와 위상을 비접촉방식으로 측정하는 수신부와, 송신부에서 전파하는 1차 전자기장과 수신부에서 측정하는 2차 전자기장의 세기와 위상을 비교 분석하여 물성 및 지하매설물의 위치와 깊이 등을 산출하며 송신부와 수신부에 대한 제어를 행하는 제어부를 포함하는 고해상 전자 지하탐사시스템을 제공한다.

송신부는 2㎑∼10㎒의 교류전류를 발생시키는 펄스발생장치와 수직루프에 교류전류가 흐르면서 1차 전자기장을 발생시켜 지하로 전파하는 송신안테나로 이루어지고, 수신부는 지하 매질 및 매설물에 의해 발생하는 2차 전자기장의 전기장을 측정하는 전기장측정기와 자기장을 측정하는 자기장측정기로 이루어진다.

Description

고해상 전자 지하탐사방법 및 지하탐사시스템 {High Resolution Electromagnetic Underground Detecting Method and The Same System}

본 발명은 고해상 전자 지하탐사방법 및 탐사시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전자기장을 이용하여 최대 30m까지의 지하 매질 및 매설물 등의 위치를 탐사하는 것이 가능하고 물성도 분석할 수 있는 고해상 전자 지하탐사방법 및 탐사시스템에 관한 것이다.

일반적으로 수도관, 가스관, 통신 및 전선 케이블, 송유관 등의 지하매설물이 매설된 깊이나 방향 등을 탐지하는 방법으로 전기탐사법, 전자탐사법, 지표투과레이더(GPR;Ground Penetration Rader)를 이용한 탐사법(이하 레이더탐사법이라 한다) 등이 주로 사용된다.

상기에서 전기탐사법은 측정하고자 하는 지점에 전극을 설치하고 이 전극을 통하여 전류를 흘려주고 측정되는 비저항의 차이에 의하여 지하매설물을 탐지하는 방법이고, 전자탐사법은 측정하고자 하는 지점에 전자파를 전파시키고 지하매설물에 의하여 유기되는 와전류에 의한 자기장을 측정하는 것에 의하여 지하매설물을 탐지하는 방법이다.

상기한 레이더탐사법은 전자탐사법의 일종으로, 10㎒∼수㎓의 고주파대역의 전자파를 사용하며, 주로 지하 수미터(m)의 천부탐사에 사용한다.

상기한 종래의 전기탐사법은 일일히 전극을 지면에 설치하여야 하므로 넓은 지역을 탐사하는 경우에 시간이 많이 소요되고, 아스팔트나 시멘트 등으로 포장되어 있는 지역에서는 전극을 설치할 수 없으므로 탐사가 불가능하며, 탐사를 위해서는 포장된 아스팔트나 시멘트를 제거해야 하므로 장시간이 소요되며, 매우 번거로운 작업이 수반된다.

그리고 상기한 레이더탐사법은 고주파대역의 전자파를 사용하므로 수미터의 천부탐사에는 적합하지만 지하 10미터 이상의 심부탐사는 어려우며, 탐사지역 주변에 전자파를 방출하는 설비나 장치 등이 존재하는 경우에는 교란이나 노이즈(잡음)가 측정결과에 크게 영향을 미치므로 정밀한 탐사가 불가능하다.

또 상기한 레이더탐사법은 지하매설물의 위치나 깊이를 전자파가 지하매설물과 만나면서 형성되는 회절현상에 의한 쌍곡선으로 분석하므로, 지하매설물의 크기에 대한 정확한 판단이 어려우며, 위치나 깊이 등도 경험에 의하여 판단하여야 하므로 숙련도가 요구되며 결과가 부정확하다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전자기장을 이용하여 전기장과 자기장을 함께 측정하므로 탐사지역 주변의 외부 환경에 영향을 받지 않는 정확한 탐사가 가능하며 비접촉 용량전극에 의해 전기전극을 지면에 설치할 필요가 없는 신속한 조사가 가능하며 최대 30미터까지의 심부탐사가 가능한 고해상 전자 지하탐사방법 및 탐사시스템을 제공하기 위한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 고해상 전자 지하탐사시스템의 일실시예를 개략적으로 나타내는 블럭도.

도 2는 본 발명에 따른 고해상 전자 지하탐사시스템의 일실시예에 있어서 송신부, 수신부, 제어부의 구성을 개략적으로 나타내는 블럭도.

도 3은 본 발명에 따른 고해상 전자 지하탐사시스템의 일실시예의 구성을 설명하기 위한 개념도.

도 4는 본 발명에 따른 고해상 전자 지하탐사시스템의 일실시예에 있어서 송신부를 나타내는 정면도.

도 5는 본 발명에 따른 고해상 전자 지하탐사시스템의 일실시예에 있어서 수신부를 나타내는 사시도.

도 6은 본 발명에 따른 고해상 전자 지하탐사시스템의 일실시예에 있어서 전기장측정기를 접은 상태를 나타내는 정면도.

도 7은 본 발명에 따른 고해상 전자 지하탐사시스템의 일실시예에 의하여 측정된 값을 처리하여 탐사결과를 출력한 일예를 나타내는 그래프.

본 발명이 제안하는 고해상 전자 지하탐사방법은 송신부의 수직루프에 2㎑∼10㎒의 교류전류를 흘려주어 1차 전자기장을 발생시켜 지하로 전파하고, 이 1차 전자기장이 지하의 매질이나 도체(conductor)인 매설물을 만나 발생되는 유도전류에 의한 2차 전자기장의 세기(intensity)와 위상(phase)을 비접촉방식으로 수신부에서 측정하고, 상기한 송신부에서 전파한 1차 전자기장과 상기한 수신부에서 측정한 2차 전자기장의 세기와 위상을 비교 분석하여 지하매설물의 위치와 형태 및 전기비저항값을 산출한다.

또 본 발명이 제안하는 지하탐사시스템은 2㎑∼10㎒의 1차 전자기장을 발생시켜 지하로 전파하는 송신부와, 상기한 송신부에서 전파한 1차 전자기장이 도체인 지하매설물을 만나 발생시키는 유도전류에 의한 2차 전자기장의 세기와 위상을 비접촉방식으로 측정하는 수신부와, 상기한 송신부에서 전파하는 1차 전자기장과 상기한 수신부에서 측정하는 2차 전자기장의 세기와 위상을 비교 분석하여 지하매설물의 위치와 깊이 등을 산출하며 상기한 송신부와 수신부에 대한 제어를 행하는 제어부를 포함하여 이루어진다.

상기한 송신부는 2㎑∼10㎒의 교류전류를 발생시키는 펄스발생장치와, 상기한 펄스발생장치에 연결되어 수직루프(loop)형상으로 설치되고 상기한 펄스발생장치로부터 발생되는 교류전류가 흐르면서 1차 전자기장을 발생시켜 지하로 전파하는 송신안테나로 이루어진다.

상기한 수신부는 지하매설물에 의해 발생하는 2차 전자기장의 전기장을 비접촉 용량전극에 의해 측정하는 전기장측정기와, 자기장을 측정하는 자기장측정기로 이루어진다.

다음으로 본 발명에 따른 고해상 전자 지하탐사시스템의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

먼저 본 발명에 따른 지하탐사시스템의 일실시예는 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 2㎑∼10㎒의 1차 전자기장을 발생시켜 지하로 전파하는 송신부(10)와, 상기한 송신부(10)에서 전파한 1차 전자기장이 도체인 지하매설물(2)을 만나 발생시키는 유도전류에 의한 2차 전자기장의 세기와 위상을 비접촉방식으로 측정하는 수신부(20)와, 상기한 송신부(10)에서 전파하는 1차 전자기장과 상기한 수신부(20)에서 측정하는 2차 전자기장의 세기와 위상을 비교 분석하여 지하매설물(2)의 위치와 깊이 등을 산출하며 상기한 송신부(10)와 수신부(20)에 대한 제어를 행하는 제어부(30)를 포함하여 이루어진다.

상기한 송신부(10)는 도 2∼도 4에 나타낸 바와 같이, 2㎑∼10㎒의 교류전류를 발생시키는 펄스발생장치(12)와, 상기한 펄스발생장치(12)에 연결되어 수직루프(loop)형상으로 설치되고 상기한 펄스발생장치(12)로부터 발생되는 교류전류가 흐르면서 1차 전자기장을 발생시켜 지하로 전파하는 송신안테나(14)로 이루어진다.

상기한 펄스발생장치(12)에서 발생시키는 교류전류는 최대 30m까지의 심부탐사가 가능하도록 대략 2㎑∼10㎒정도 범위에서 설정한다.

상기한 송신안테나(14)는 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 수직루프형상으로 형성한다.

또 상기한 송신안테나(14)는 도 4에 나타낸 바와 같이, 쌍루프형상으로 형성하는 것도 가능하다.

상기한 송신안테나(14)는 도 4에 나타낸 바와 같이, 상기한펄스발생장치(12)의 케이스에 고정되는 지지프레임(15)에 절연물질로 이루어진 고정부재(16)로 고정하는 것에 의하여 루프형상을 유지한다.

상기한 지지프레임(15)은 강체를 이용하여 형성하고, 무게를 줄이기 위하여 중공형상의 파이프를 이용하는 것이 바람직하다.

그리고 상기한 펄스발생장치(12)의 케이스에는 이동이나 운반중에 손으로 잡을 수 있도록 손잡이(13)를 설치하는 것이 바람직하다.

상기한 송신안테나(14)는 손실을 줄이기 위하여 광섬유를 이용하여 형성하는 것이 바람직하다.

상기한 펄스발생장치(12)에는 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 상기한 제어부(30)로 1차 전자기장을 기준값으로 전송하기 위한 기준신호입력선(18)이 연결된다.

상기한 수신부(20)는 도 2∼도 3 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 지하매설물(2)에 의해 발생하는 2차 전자기장의 전기장을 측정하는 전기장측정기(22)와, 자기장을 측정하는 자기장측정기(24)로 이루어진다.

상기한 자기장측정기(24)는 도 3 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 수직루프형상으로 형성하며, 금속파이프를 이용하여 형성한다.

상기한 자기장측정기(24)에는 도 5에 나타낸 바와 같이, 이동이나 운반중에 손으로 잡을 수 있도록 손잡이(25)를 설치한다.

상기한 손잡이(25)는 측정하는 자기장에 영향을 미치지 않도록 절연물질인 고무 등으로 형성한다.

상기한 전기장측정기(22)는 도 5에 나타낸 바와 같이, 한쌍의 판형상으로 형성하며, 표면은 절연물질인 고무 등으로 감싼다.

상기한 전기장측정기(22)는 비접촉으로 전기장을 측정할 수 있도록 용량전극(capacitive-coupled electrode)으로 구성한다.

상기한 전기장측정기(22)에는 도 5에 나타낸 바와 같이, 측정중에 수평상태를 유지할 수 있도록 잡아주는 지지부재(54)를 설치하기 위한 고리(52)가 설치된다.

상기한 고리(52)에는 걸림구멍(53)이 형성되어 있어서 줄이나 끈 등으로 이루어지는 상기한 지지부재(54)가 고정된다.

또 상기한 전기장측정기(22)에는 보관시 상기한 자기장측정기(24)에 삽입하여 보관공간을 줄이기 위하여 결합구멍(56)을 형성한다.

상기와 같이 결합구멍(56)을 형성하는 경우에는 도 6에 나타낸 바와 같이, 전기장측정기(22)를 세워서 결합구멍(56)에 자기장측정기(24)를 삽입하는 것에 의하여 수신부(20)의 크기를 최소화하는 것이 가능하다.

상기와 같이 이루어지는 전기장측정기(22) 및 자기장측정기(24)로 구성되는 수신부(20)에는 상기한 제어부(30)가 소정의 케이스안에 설치된다.

또 도 3 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 상기한 제어부(30)에 컴퓨터(40)를 연결하여 데이터의 저장과 제어값의 입력을 수행하도록 구성한다.

그리고 상기한 제어부(30)에는 도 1에 나타낸 바와 같이, 상기한 송신부(10) 및 수신부(20)로부터 입력되는 데이터와 상기한 제어부(30)에서 처리한 데이터를저장하기 위한 저장장치(44)와, 상기한 제어부(30)에서 처리한 데이터의 결과 및 데이터값을 화면으로 출력하는 표시장치(42)와, 상기한 제어부(30)에 소정의 제어값과 보정값, 데이터 처리방법 등의 제어신호를 입력하는 입력장치(46)가 연결된다.

또 상기한 제어부(30)에는 도면에 나타내지 않았지만 데이터의 결과 및 데이터값을 인쇄하는 프린터를 연결하는 것도 가능하다.

상기한 제어부(30)는 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기한 수신부(20)로부터 입력되는 측정값을 증폭시키는 신호증폭기(32)와, 상기한 신호증폭기(32)를 통하여 증폭된 아날로그신호를 디지탈신호를 변환하는 아날로그/디지탈 변환기(34)와, 상기한 아날로그/디지탈 변환기(34)를 통하여 변환된 데이터에서 잡음(노이즈)과 특이점을 제거하여 원하는 데이터만을 선별하여 제공하는 신호처리기(36)와, 상기한 신호처리기(36)에서 처리한 측정신호와 상기한 송신부(10)로부터 입력된 기준신호를 소정의 프로그램(소프트웨어)을 통하여 비교 분석하여 결과를 산출하는 연산기(38)를 포함한다.

상기한 송신부(10)의 펄스발생장치(12)와 제어부(30)를 연결하는 기준신호입력선(18)은 전송손실 및 전송지연시간을 최소화하도록 전송효율이 좋은 광섬유를 사용하는 것이 바람직하다.

다음으로 상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 지하탐사시스템의 사용방법을 설명한다.

먼저 상기한 송신부(10)와 수신부(20)를 대략 10미터 정도의 간격을 두고 위치시킨 다음, 상기한 송신부(10)의 펄스발생장치(12)를 작동시켜 2㎑∼10㎒의 교류전류를 송신안테나(14)에 흘려주는 것에 의하여 1차 전자기장을 전파시킨다.

상기에서 2㎑∼10㎒ 범위의 주파수대역을 사용하는 것에 의하여 탐사가 가능한 심도는 대략 30미터 정도이다. 이 심도는 토목공사에서 가장 관심이 높은 경제적인 심도이며, 대부분의 인공 매설물은 이 범위내의 지하에 매설되므로, 효과적인 탐사영역을 제공한다.

상기한 송신부(10)의 펄스발생장치(12)에서 송신안테나(14)로 교류전류를 흘려줌과 동시에 상기한 제어부(30)로 동일한 교류전류를 기준신호로 전송한다.

또 상기한 송신부(10)의 펄스발생장치(12)는 상기한 제어부(30)의 제어신호에 따라 소정의 간격으로 1차 전자기장의 전파와 차단을 수행하여 상기한 수신부(20)에서 수신되는 2차 전자기장과의 위상차를 구하도록 작동한다.

상기와 같이 송신부(10)로부터 지하로 전파된 1차 전자기장이 도체인 지하매설물(2)에 접하게 되면, 도체인 지하매설물(2)에 의하여 유도전류가 발생하고, 이 유도전류에 의한 2차 전자기장이 지상으로 전파된다.

상기한 수신부(20)의 전기장측정기(22)에서는 상기와 같이 도체인 지하매설물(2)의 유도전류에 의하여 형성되어 지상으로 전파되는 2차 전자기장의 전기장을 측정하여 상기한 제어부(30)로 전송한다.

또 상기한 수신부(20)의 자기장측정기(24)에서는 자기장을 측정하여 상기한 제어부(30)로 전송한다.

상기한 전기장측정기(22) 및 자기장측정기(24)에서는 각각 2차 전자기장의세기와 위상을 측정한다.

상기한 제어부(30)에서는 상기한 전기장측정기(22)와 자기장측정기(24)로부터 전송된 측정신호를 증폭하고, 아날로그신호인 측정신호를 디지털신호를 변환한 다음, 소정 구역내에서의 편차를 계산하여 잡음이나 특이점을 제거하여 측정값의 신뢰도를 향상시키고, 상기한 송신부(10)의 펄스발생장치(12)로부터 전송된 기준신호와 측정신호 사이의 지연시간, 세기변화, 위상차 등을 비교 분석하여 지하매설물(2)의 위치와 형태를 결정하고, 결과값을 저장하고 출력한다.

상기와 같이 처리하여 얻어진 결과값의 예를 도 7에 나타낸다.

도 7에 있어서, 등전위선이 소정의 형상을 이루며 공간부가 존재하는 부분이 도체가 있는 지점이며, 이 지점을 면밀히 분석하면 5개의 관로가 매설되어 있음을 알 수 있다.

또 상기한 전기장측정기(22) 및 자기장측정기(24)로부터 측정된 2차 전자기장의 전기장 및 자기장 성분의 비인 임피던스(impedence)를 계산하면, 이 임피던스로부터 전기비저항을 구할 수 있으며, 이 전기비저항값의 분포로부터 토질과 지반상황의 변화, 지하매설물 및 문화유적지 등을 용이하게 판별할 수 있다.

즉 임피던스는 다음의 수학식 1로부터 계산할 수 있으며, 전기비저항은 수학식 2로부터 구할 수 있다.

상기에서 Z는 임피던스이고, E는 전기장이며, H는 자기장이다.

상기에서 ρ는 전기비저항이고, ω는 각주파수이며, μ는 투자율이고, Z는 임피던스이다.

상기와 같이 구해지는 전기비저항을 이용하여 지하의 토질과 지반상황의 변화, 지하매설물 및 문화유적지 등을 판별하는 방법은 일반적으로 알려진 다양한 소프트웨어를 사용하여 행할 수 있으므로 상세한 설명은 생략한다.

상기에서는 본 발명에 따른 고해상 전자 지하탐사방법 및 탐사시스템의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명에 따른 고해상 전자 지하탐사방법 및 탐사시스템에 의하면, 지면에 전극을 꽂지 않고 비접촉식으로 2차 전자기장을 측정하므로 아스팔트나 시멘트 등으로 포장된 장소에서도 지하매설물에 대한 탐사가 가능하다.

그리고 본 발명에 따른 고해상 전자 지하탐사시스템은 2차 전자기장의 전기장과 자기장을 동시에 측정하므로, 이로부터 전기비저항값을 구할 수 있어 지하의 물성에 대한 정보도 얻을 수 있다.

또 본 발명에 따른 고해상 전자 지하탐사시스템은 전기성분과 자기성분을 각각 측정하므로 전자파에 의한 회절 현상 등이 나타나지 않으며, 전자파를 교란시키거나 잡음을 일으키는 주변환경의 영향을 받지않고 지하매설물을 탐사하는 것이 가능하다.

그리고 본 발명에 따른 고해상 전자 지하탐사시스템은 최대 30미터까지의 가탐심도를 가지므로 토목공사를 위한 지하지반의 물성파악 등에 유용하게 적용될 수 있다.

본 발명에 따른 고해상 전자 지하탐사시스템은 수도관, 가스관, 송유관, 전력 및 통신 케이블 등의 인공적인 지하매설물 뿐만아니라, 매장문화재 등의 문화유적이나 광물 등의 지하매설물에 대한 탐사에도 다양하게 적용하는 것이 가능하다.

Claims (7)

1. 2㎑∼10㎒의 1차 전자기장을 발생시켜 지하로 전파하는 송신부와,

   상기한 송신부에서 전파한 1차 전자기장이 지하 매질 및 지하매설물 등을 만나 발생되는 유도전류에 의한 2차 전자기장의 세기와 위상을 비접촉방식으로 측정하는 수신부와,

   상기한 송신부에서 전파하는 1차 전자기장과 상기한 수신부에서 측정하는 2차 전자기장의 세기와 위상을 비교 분석하여 지하매설물의 위치와 깊이를 산출하며 상기한 송신부와 수신부에 대한 제어를 행하는 제어부를 포함하여 이루어지는 고해상 전자 지하탐사시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기한 송신부는 2㎑∼10㎒의 교류전류를 발생시키는 펄스발생장치와, 상기한 펄스발생장치에 연결되어 수직루프형상으로 설치되고 상기한 펄스발생장치로부터 발생되는 교류전류가 흐르면서 1차 전자기장을 발생시켜 지하로 전파하는 송신안테나로 이루어지고,

   상기한 펄스발생장치에는 상기한 제어부로 1차 전자기장을 기준값으로 전송하기 위한 기준신호입력선이 연결되는 고해상 전자 지하탐사시스템.
3. 제1항에 있어서, 상기한 수신부는 2차 전자기장의 전기장을 비접촉방식으로 측정하는 판형상의 용량전극으로 구성되는 전기장측정기와,

   자기장을 측정하는 수직루프형상의 자기장측정기로 이루어지는 고해상 전자 지하탐사시스템.
4. 제3항에 있어서, 상기한 전기장측정기에는 측정중에 수평상태를 유지할 수 있도록 잡아주는 지지부재를 설치하기 위한 고리를 설치하고, 보관시 상기한 자기장측정기에 삽입하여 보관공간을 줄이기 위하여 결합구멍을 형성하는 고해상 전자 지하탐사시스템.
5. 제1항에 있어서, 상기한 제어부에는 데이터의 저장과 제어값의 입력을 수행하는 컴퓨터 또는 상기한 송신부 및 수신부로부터 입력되는 데이터와 상기한 제어부에서 처리한 데이터를 저장하기 위한 저장장치와 상기한 제어부에서 처리한 데이터의 결과 및 데이터값을 화면으로 출력하는 표시장치와 상기한 제어부에 소정의 제어값과 보정값, 데이터 처리방법 등의 제어신호를 입력하는 입력장치가 연결되는 고해상 전자 지하탐사시스템.
6. 제1항에 있어서, 상기한 제어부는 상기한 수신부로부터 입력되는 측정값을 증폭시키는 신호증폭기와, 상기한 신호증폭기를 통하여 증폭된 아날로그신호를 디지탈신호를 변환하는 아날로그/디지탈 변환기와, 상기한 아날로그/디지탈 변환기를 통하여 변환된 데이터에서 잡음과 특이점을 제거하여 원하는 데이터만을 선별하여 제공하는 신호처리기와, 상기한 신호처리기에서 처리한 측정신호와 상기한 송신부로부터 입력된 기준신호를 소정의 프로그램을 통하여 비교 분석하여 결과를 산출하는 연산기를 포함하는 고해상 전자 지하탐사시스템.
7. 송신부의 수직루프에 2㎑∼10㎒의 교류전류를 흘려주어 1차 전자기장을 발생시켜 지하로 전파하고,

   이 1차 전자기장이 지하 매질 및 지하매설물을 만나 발생되는 유도전류에 의한 2차 전자기장의 세기와 위상을 수신부에서 비접촉방식으로 자기장과 전기장으로 나누어 측정하고,

   상기한 송신부에서 전파한 1차 전자기장과 상기한 수신부에서 자기장과 전기장으로 나누어 측정한 2차 전자기장의 세기와 위상을 비교 분석하여 지하매설물의 위치와 형태 및 전기비저항값을 산출하는 고해상 전자 지하탐사방법.