WO2017030284A1 - 지하 물성 탐사시스템 및 이를 이용한 지하 물성 분석방법 - Google Patents

지하 물성 탐사시스템 및 이를 이용한 지하 물성 분석방법 Download PDF

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WO2017030284A1
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WO
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underground
magnetic field
antenna
electric field
exploration system
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PCT/KR2016/007082
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French (fr)
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강웅
김정호
이명종
니코스파파도풀로스
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한국지질자원연구원
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V3/00—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation
    • G01V3/12—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with electromagnetic waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/885—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for ground probing

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and method for analyzing the physical properties of the underground by using the principle of underground radar exploration, more specifically, a dipole-type sensor that transmits and receives an electric field signal is mainly used loops, coils for transmitting and receiving magnetic field signals Due to the exclusion of the type of sensor, only underground images using electric field reflected waves can be obtained, and underground images using magnetic field reflected waves cannot be obtained, and radar using ground-penetrating radar (GPR) of the prior art.
  • GPR ground-penetrating radar
  • the present invention relates to an underground physical property exploration system and a method for measuring underground physical properties using the same.
  • the present invention in order to solve the problems of the prior art GPR probe techniques that mainly receive the electric field signal and exclude the reception of the magnetic field signal as described above, the transmission to copy the electromagnetic pulse signal located at a specific point of the ground Including an antenna and a receiving antenna pair for measuring the electric and magnetic field signals respectively formed by the above-mentioned radiation signal, the underground reaction of the electric field as well as the magnetic field is simultaneously performed by operating the electric field signal receiving sensor and the magnetic field signal receiving sensor in parallel.
  • the underground property exploration system configured to more accurately and effectively identify the underground physical properties than the existing ones, and About underground property analysis method to be.
  • a technique for exploring and analyzing underground physical properties includes radar exploration techniques for transmitting and receiving electromagnetic waves to explore underground physical properties, and electromagnetic induction exploration for exploring underground physical properties using magnetic fields. induction techniques are widely used.
  • the radar probe technique is a method of transmitting and receiving an electric field signal of approximately 100 MHz to 1 GHz for exploring underground physical properties
  • the electromagnetic (EM) induction technique is a magnetic field of several kHz or less. It is a method of exploring underground properties by transmitting and receiving signals.
  • an ultra-wideband pulse is used as another example of the related art related to the apparatus and method for performing underground exploration using GPR as described above. It is possible to detect more precisely, to facilitate the interface of each module, to detect the site and to move the equipment, and to be able to detect the speed of 4km / Day, thereby improving the work efficiency and reducing the cost through compact integration.
  • the signal analysis device for the detection of underground facilities using the GIRP system which is configured to be possible has been presented.
  • a low frequency band pulse signal A low frequency radar module that generates and radiates a response signal reflected from an underground cavity formed on the lower side of the pavement, and generates and radiates a high frequency band pulse signal and recognizes the metal wire mesh between the middle and base layers of the pavement and between the base and soil layers.
  • a plurality of high frequency radar modules for acquiring a response signal reflected from the ruler and an image processing device for displaying the signals obtained from the low frequency radar module and the signals obtained from the high frequency radar module.
  • Underground exploration level configured to detect underground cavities at high speed simultaneously It has been suggested a paved road safety inspection system and method for more.
  • a dipole type antenna that is light and simple and has a small difference in radiation pattern according to frequency change is advantageous to use than a loop type.
  • a dipole type sensor is mainly used.
  • the senor in EM induction using a lower frequency band than GPR, in the electromagnetic induction range, the sensor has a very small structure relative to the wavelength, which is advantageous in that the loop shape is relatively impedance compared to the dipole shape. For this reason, a loop or coil type sensor has been mainly used as a sensor for transmitting and receiving magnetic field signals.
  • the electric field signal receiving sensor and the magnetic field signal receiving sensor are operated in parallel. It is desirable to provide a new configuration of underground property exploration system and method configured to acquire underground images as well as underground images, but there are no devices or methods that satisfy all such requirements. to be.
  • the present invention is to solve the problems of the prior art as described above, and therefore the object of the present invention is that a dipole type sensor for transmitting and receiving an electric field signal is mainly used and a loop, coil type sensor for transmitting and receiving a magnetic field signal is excluded. Therefore, in order to solve the problems of the conventional ground-penetrating radar (GPR) exploration techniques that have been relatively excluded, the underground image using the electric field reflected wave and the acquisition of the underground image using the magnetic field reflected wave have been relatively excluded. It is intended to provide an underground property exploration system and underground property analysis method using the same by operating a signal receiving sensor in parallel to acquire underground images using magnetic field reflected waves as well as underground images using existing electric field reflected waves.
  • GPR ground-penetrating radar
  • Another object of the present invention in order to solve the problems of the GPR survey techniques of the prior art that has been mainly obtained the underground image using the electric field reflected wave and the acquisition of the underground image using the magnetic field reflected wave as described above, It consists of a transmitting antenna located at a specific point on the ground and radiating electromagnetic pulse signals, and a pair of receiving antennas measuring electric and magnetic field signals formed by the above-mentioned radiation signals, thereby simultaneously conducting underground reactions of the electric field as well as the magnetic field.
  • the purpose of the present invention is to provide an underground property exploration system and an underground property analysis method using the same, which are configured to more accurately and effectively identify the physical properties of the underground than by the conventional measurement.
  • the underground underground radar (GPR) of the prior art which mainly acquires underground images using electric field reflected waves and acquires underground images using magnetic field reflected waves, has been excluded.
  • the transmission antenna unit comprising at least one transmission antenna installed on the ground of a specific point predetermined for the area to be explored to radiate an electromagnetic wave pulse signal;
  • a reception antenna unit including at least one pair of electric field signal receiving antennas and magnetic field signal receiving antennas for measuring electric and magnetic field signals respectively formed by radiation signals of the transmitting antenna unit;
  • An analysis unit for analyzing physical properties of the underground medium based on the signals collected through the transmission antenna unit and the reception antenna unit;
  • a control unit for controlling the overall operation of the exploration system, and by operating the electric field signal receiving sensor and the magnetic field signal receiving sensor in parallel, the underground image using the magnetic field reflected wave as well as the underground image using the existing electric field reflected wave.
  • Underground property exploration system is provided, characterized in that it is also possible to obtain
  • the transmission antenna of the transmission antenna unit any antenna can be used as long as it is an antenna capable of radiating an ultra-wideband electromagnetic wave pulse.
  • the electric field signal receiving antenna of the receiving antenna unit is characterized in that it is configured in the form of a dipole antenna capable of receiving an ultra-wideband pulse signal is provided with two conductive radiators side by side based on the feed point.
  • the magnetic field signal receiving antenna of the receiving antenna unit is characterized in that it is configured in the form of a loop antenna that is installed in the form of a single conductive radiator wound to receive an ultra-wideband pulse signal.
  • the transmitting antenna is installed on the ground, and through the separate electric field signal receiving antenna and the magnetic field signal receiving antenna, respectively, the electric and magnetic fields formed by electromagnetic wave signals radiated from the transmitting antenna.
  • the electric field by a single source obtained by theoretical modeling ( ) And magnetic field ( ) Is represented by the following equation,
  • the underground physical property exploration system by measuring the electric and magnetic field signal by the radiation of a single transmission antenna in the air medium at each of the same point away from the transmission antenna through each receiving antenna ( And ),
  • the ratio of electric and magnetic field sizes in air Is the intrinsic impedance (
  • a correction function for correcting the ratio of the electric field signal and the magnetic field signal received at each of the antennas of the reception antenna unit based on the intrinsic impedance, when Is performed so that the respective antennas of the transmitting antenna portion and the receiving antenna portion are used in vacuum or air so that the ratio when the electric field signal and the magnetic field signal are obtained has a constant characteristic regardless of frequency. Characterized in that configured to have.
  • the underground property exploration system is configured to perform the process for obtaining the correction function in the same manner for other mediums other than air, so that the correction function may be used in combination with two or more different types of media. It is characterized in that it is configured to.
  • the underground physical property exploration system places the transmission antenna on the ground, not in the air, and places the electric and magnetic field signals radiated by the transmission antenna at the same point on the ground at a different point from the transmission antenna.
  • the measurement is performed through the electric field signal and the magnetic field signal receiving antenna, respectively, so that in addition to the electric field response corresponding to the conventional GPR image, the magnetic field response or the measurement data for the magnetic field image can be obtained. It is characterized by.
  • the underground physical property exploration system when the transmission antenna is installed on the ground to measure the electric field signal and the magnetic field signal, the characteristics of each of the receiving antenna is the correction function ( Is compensated for by the ratio of the receiver function ) Is eliminated so that a process for obtaining the properties of the underground medium by the measurement is performed using the following equation.
  • the underground physical property analysis method it is configured to measure and analyze underground physical properties using the underground physical property exploration system described above, so that not only underground images using existing electric field reflected waves but also underground images using magnetic field reflected waves can be obtained.
  • the physical property analysis method is provided, characterized in that it is configured to more accurately and effectively measure and analyze the physical properties of the underground medium.
  • the basement configured to acquire not only the underground image using the existing electric field reflected wave but also the underground image using the magnetic field reflected wave.
  • a dipole type sensor that transmits and receives an electric field signal is mainly used, and a loop and coil type sensor that transmits and receives a magnetic field signal is excluded, thereby acquiring underground images using electric field reflected waves.
  • the acquisition of the underground image using the magnetic field reflected wave can solve the problems of the conventional ground-penetrating radar (GPR) exploration techniques that have been relatively excluded.
  • GPR ground-penetrating radar
  • An underground physical property exploration system comprising a transmitting antenna positioned at a specific point and radiating an electromagnetic wave pulse signal, and receiving antenna pairs measuring electric and magnetic field signals formed by the above-described radiation signal, and an underground physical property analysis method using the same
  • FIG. 1 is a block diagram schematically showing the overall configuration of an underground physical property exploration system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram schematically illustrating a process of measuring and analyzing physical properties of an underground medium by using an underground physical property exploration system according to an exemplary embodiment of the present invention shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram schematically illustrating a process of measuring and analyzing physical properties of an underground medium by theoretical modeling.
  • the present invention since a dipole type sensor that transmits and receives an electric field signal is mainly used, and a loop or coil type sensor that transmits and receives a magnetic field signal is excluded, an underground image using an electric field reflected wave is mainly obtained, and a magnetic field reflected wave is used.
  • GPR ground-penetrating radar
  • the present invention to solve the problems of the conventional GPR exploration techniques of the prior art that obtain the underground image using the electric field reflection wave and the acquisition of the underground image using the magnetic field reflection wave is relatively excluded, It consists of a transmitting antenna which is located at a specific point and radiates an electromagnetic wave pulse signal, and a pair of receiving antennas measuring the electric and magnetic field signals formed by the above-mentioned radiation signals, thereby simultaneously measuring the underground response of the magnetic field as well as the electric field.
  • the present invention relates to an underground property exploration system and a method for analyzing underground properties using the same, which are configured to more accurately and effectively identify underground properties than before.
  • FIG. 1 is a block diagram schematically illustrating the overall configuration of an underground physical property exploration system according to an embodiment of the present invention.
  • the underground physical property exploration system 10 is largely divided to analyze underground physical properties using the principle of underground radar exploration such as a ground-penetrating radar (GPR).
  • a transmission antenna unit 11 including at least one transmission antenna positioned at a specific point on the ground to radiate an electromagnetic wave pulse signal, and an electric and magnetic field signal formed by the radiation signal of the transmission antenna unit 11 described above.
  • a received antenna unit 12 including at least one pair of electric field signal receiving antennas and magnetic field signal receiving antennas for measurement, and the signals collected through the transmitting antenna unit 11 and the receiving antenna unit 12.
  • receiving antenna unit 12 and the exploration system 10 It may be configured to include a control unit 14 for controlling.
  • the electric field signal reception antenna for measuring the electric field may be configured in the form of a dipole antenna having two conductive radiators side by side based on the feed point.
  • the electric field signal receiving antenna for measuring the electric field may be configured in the form of the impedance of a part or the whole of the antenna arm in order to increase the resolution of the received signal.
  • the magnetic field signal reception antenna for measuring the magnetic field may be configured in the form of a loop antenna wound around a single conductive radiator.
  • the magnetic field signal reception antenna for measuring the magnetic field may be configured to be loaded with an impedance having a specific value at a single point of the antenna or a constant value for a plurality of sections. .
  • the transmission antenna for copying the electromagnetic wave pulse signal may be configured as one of the antennas described above, but is not necessarily limited to the above configuration, in addition to the ultra-wideband electromagnetic wave Note that any antenna can be used as long as the pulse can be radiated.
  • each of the antennas of the transmitting antenna portion 11 and the receiving antenna portion 12 described above is used in vacuum or air so that When the magnetic field signal is obtained, the ratio may be configured to include a calibration function to have a constant characteristic regardless of frequency.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram schematically illustrating a process of measuring and analyzing physical properties of an underground medium by using the underground physical property exploration system 10 according to the exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram schematically illustrating a process of measuring and analyzing physical properties of an underground medium by theoretical modeling.
  • FIG. Is the source signal copied through the transmitting antenna during the measurement, Is the receiver function of the electric field signal receiving antenna during the measurement, Is the receiver function of the magnetic field receiving antenna during the measurement, And Is the electric and magnetic fields (measured values) from the source signal, And Denotes the underground physical property system obtained by the measurement, respectively.
  • FIG. I the source signal in theoretical modeling and is applied directly without an antenna, Is ignored because there is no antenna as a function of electric field receiver in theoretical modeling, Is ignored because there is no antenna as a function of magnetic field signal receiver in theoretical modeling, And Is the electric and magnetic fields (theoretical modeling values) from the source signals, And Denote each underground physical system obtained by theoretical modeling.
  • the transmission antenna is installed on the ground
  • the electric field and the magnetic field formed by the electromagnetic wave signals radiated by the transmitting antenna are received at the same point through separate electric field signal receiving antennas and magnetic field signal receiving antennas.
  • Equation 1 the electric and magnetic fields by a single source obtained by theoretical modeling ( And ) can be represented by Equation 1 below.
  • Equation 2 when Fourier transform of the above-described Equation 1 into the frequency domain is performed, the following Equation 2 is used.
  • the inversion problem is a common analysis target of the geophysical exploration, and is a problem of obtaining a reaction due to the water component of the underground medium and obtaining an unknown component of the underground medium from it.
  • the complete waveform inversion of the GPR survey data is used to update the properties of the underground medium (electric conductivity and permittivity) by iterative calculation method in order to minimize the residual between the measured radar survey data and the theoretical survey data simulated through numerical modeling. It is a technique to find the electrical conductivity and permittivity distribution, which are the physical properties of underground.
  • the full waveform inversion algorithm requires a large amount of computation and computer resources because it compares the entire waveform in measurement data and theoretical modeling data.
  • the time-domain signal of the transmitter that is actually radiated underground must be known or accurately predicted.
  • the application of the electromagnetic pulse signal as the transmitting source is generally applied as it is at a specific point in the simulation, whereas in the measurement, since the pulse signal is fed to the transmitting antenna and then radiated from the antenna, the characteristics of the transmitting antenna Therefore, the distortion of the pulse signal is inevitable due to the electrical characteristics of the ground surface and the coupling state between the transmitting antenna and the ground surface.
  • the transmission signal ( ) Is the response signal (
  • the transmission signal is distorted by the transmission antenna, the subterranean physical properties, the coupling state of the antenna and the ground surface, the result of the full waveform inversion is not affected, and the accurate inversion result can be obtained.
  • the same transmission source should be applied to the same transmission antenna when receiving the electric and magnetic field signals, respectively.
  • the electric field signal caused by radiation of a single transmitting antenna in the air medium ( ) And magnetic field signals ( ) Is measured at each of the receiving antennas at the same point away from the transmitting antenna.
  • the ratio of the electric and magnetic field sizes in air ( ) Is the intrinsic impedance Is defined.
  • Equation 4 a function for correcting the ratio of the electric field and the magnetic field signal received at each receiving antenna; Can be obtained using the intrinsic impedance.
  • the calibration function obtained in the above process can be obtained in the same manner in other media (eg, water) than air, and the calibration function obtained for two or more media can be used in combination. have.
  • the above-described process is a process at the time of measurement, and in theoretical modeling, since the electric field and the magnetic field itself are calculated directly without transmitting and receiving antennas, the ratio of the electric field and magnetic field sizes in the air without a correction function This right To be obtained.
  • the electric field signal ( ) And magnetic field signals ( ) are measured at the same point on the ground located at a different point from the transmitting antenna through each of the electric and magnetic field signal receiving antennas.
  • the underground property exploration system and the underground property analysis method using the same according to the present invention can be implemented as described above.
  • the present invention by implementing the underground physical property exploration system and the underground physical property analysis method using the same according to the present invention as described above, by operating in parallel with the electric field signal receiving sensor and the magnetic field signal receiving sensor By providing the underground property exploration system and underground property analysis method using the same, it is possible to obtain underground image using magnetic field reflected wave and underground image using magnetic field reflected wave.
  • the ground-penetrating radar (GPR) exploration technique of the prior art which mainly acquires underground images using electric field reflected waves and acquires underground images using magnetic field reflected waves, due to the exclusion of loop and coil type sensors that transmit and receive signals. Solve their problems .
  • An underground physical property exploration system comprising a transmitting antenna positioned at a specific point and radiating an electromagnetic wave pulse signal, and receiving antenna pairs measuring electric and magnetic field signals formed by the above-described radiation signal, and an underground physical property analysis method using the same

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Abstract

본 발명은 지하 레이더 탐사의 원리를 이용하여 지하의 물성을 분석하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 전기장 반사파를 이용한 지하 영상을 주로 획득하고 자기장 반사파를 이용한 지하영상의 획득은 배제되어 왔던 종래기술의 지하탐사 레이더(Ground-penetrating radar, GPR) 기법들의 문제점을 해결하기 위해, 지면의 특정 지점에 위치하여 전자기파 펄스 신호를 복사하는 송신 안테나 및 상기한 복사신호에 의해 형성되는 전기장 및 자기장 신호를 각각 측정하는 수신 안테나 쌍을 포함하여, 기존의 전기장 반사파를 이용한 지하 영상뿐만 아니라 자기장 반사파를 이용한 지하 영상도 획득 가능하도록 구성됨으로써, 기존에 비해 지하의 물성을 더욱 정확하고 효과적으로 규명할 수 있도록 구성되는 지하 물성 탐사시스템 및 이를 이용한 지하 물성 분석방법이 제공된다.

Description

지하 물성 탐사시스템 및 이를 이용한 지하 물성 분석방법
본 발명은 지하 레이더 탐사의 원리를 이용하여 지하의 물성을 분석하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 전기장신호를 송수신하는 다이폴 형태의 센서가 주로 사용되고 자기장신호를 송수신하는 루프, 코일 형태의 센서는 배제됨으로 인해 전기장 반사파를 이용한 지하 영상만이 획득 가능하고 자기장 반사파를 이용한 지하영상은 획득할 수 없었던 종래기술의 지하탐사 레이더 또는 지반투과 레이더(Ground-penetrating radar, GPR)를 이용한 레이더 탐사기법들의 문제점을 해결할 수 있도록 구성되는 지하 물성 탐사시스템 및 이를 이용한 지하 물성 측정방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 상기한 바와 같이 전기장신호만을 주로 수신하고 자기장신호 수신은 배제해 왔던 종래기술의 GPR 탐사기법들의 문제점을 해결하기 위해, 지면의 특정 지점에 위치하여 전자기파 펄스 신호를 복사하는 송신 안테나 및 상기한 복사신호에 의해 형성되는 전기장 및 자기장 신호를 각각 측정하는 수신 안테나 쌍을 포함하여, 전기장 신호 수신센서와 자기장 신호 수신센서를 병행하여 운용하는 것에 의해 전기장뿐만 아니라 자기장의 지하 반응을 동시에 측정하여 기존의 전기장 반사파를 이용한 지하 영상뿐만 아니라 자기장 반사파를 이용한 지하 영상도 획득할 수 있도록 구성됨으로써, 기존에 비해 지하의 물성을 더욱 정확하고 효과적으로 규명할 수 있도록 구성되는 지하 물성 탐사시스템 및 이를 이용한 지하 물성 분석방법에 관한 것이다.
종래, 일반적으로, 지하의 물성을 탐사하여 분석하기 위한 기술로서, 전자기파를 송수신하여 지하의 물성을 탐사하는 레이더 탐사기법과, 자기장을 이용하여 지하의 물성을 탐사하는 전자기 유도 탐사(Electromagnetic(EM) induction) 기법이 널리 사용되고 있다.
더 상세하게는, 레이더 탐사기법은, 지하의 물성을 탐사하기 위해 대략 100MHz~1GHz의 전기장 신호를 송수신하는 방법이며, 반면, 전자기 유도 탐사(Electromagnetic(EM) induction) 기법은, 수 kHz 이하의 자기장 신호를 송수신하여 지하의 물성을 탐사하는 방법이다.
아울러, 최근에는, 전기장 신호를 송수신하여 지하의 물성을 탐사하는 지하탐사 레이더 또는 지반투과 레이더(Ground-penetrating radar, GPR)를 이용한 이른바 GPR 기법이 널리 사용되고 있다.
여기서, 상기한 바와 같이 GPR을 이용하여 지하 탐사를 수행하기 위한 장치 및 방법에 관한 종래기술의 예로는, 예를 들면, 먼저, 한국 등록특허공보 제10-1267017호에 따르면, 카트(cart) 상에 적재되어 이동성이 좋아지므로 작업자의 피로도를 줄이고, 송수신 시그널(signal) 손실을 최소화하기 위해 카트의 아래측에 지표와 밀착하여 안테나가 앞, 뒤로 부착됨으로써 전자파가 공기중으로 손실되지 않도록 구성되는 지피알 탐사장비의 신호처리에 의한 지하시설물 탐측시스템이 제시된 바 있다.
또한, 상기한 바와 같이 GPR을 이용하여 지하 탐사를 수행하기 위한 장치 및 방법에 관한 종래기술의 다른 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-1267016호에 따르면, 초광대역의 펄스를 이용하여 더욱 정확한 탐측이 가능하고, 각 모듈별 인터페이스, 현장의 탐측 및 장비의 이동이 간편해지며, 4㎞/Day의 탐측속도가 가능하도록 구성됨으로써, 소형 일체화를 통해 작업효율을 향상시키고 원가가 대폭 절감될 수 있도록 구성되는 지피알 시스템을 이용한 지하시설물 탐측의 신호해석 장치가 제시된 바 있다.
아울러, 상기한 바와 같이 GPR을 이용하여 지하 탐사를 수행하기 위한 장치 및 방법에 관한 종래기술의 또 다른 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-1241313호에 따르면, 저주파 대역 펄스신호를 생성하여 방사하고 포장도로 하부에 형성된 지하 공동으로부터 반사되는 응답신호를 획득하는 저주파 레이더 모듈, 고주파 대역 펄스신호를 생성하여 방사하고 포장도로의 중간층 및 기층 사이와 기층 및 토양층 사이에 금속 철망으로 구성된 인식자로부터 반사되는 응답신호를 획득하는 복수 개의 고주파 레이더 모듈 및 저주파 레이더 모듈에서 획득된 신호와 고주파 레이더 모듈에서 획득된 신호를 표시하는 영상처리장치를 포함하여, 포장도로 두께와 포장도로 아래에 존재하는 지하 공동을 동시에 고속으로 탐지할 수 있도록 구성되는 지하 탐사 레이더를 이용한 포장 도로 안전 진단 시스템 및 방법이 제시된 바 있다.
더욱이, 상기한 바와 같이 GPR을 이용하여 지하 탐사를 수행하기 위한 장치 및 방법에 관한 종래기술의 또 다른 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-0365141호에 따르면, 송신 및 수신 안테나를 통하여 제어장치에서 발생한 펄스를 방사시키며 매질을 통과한 후 매설물체에서 반사되어 돌아오는 신호를 받아들이는 단계와, 수신 안테나로부터 전송된 신호를 기록, 저장하여 실내에서의 자료처리를 위해 필요한 PC로 자료를 전송하고, 제어장치에서 신호가 기록되는 최초 시간, 아날로그(analog) 신호인 수신신호의 디지털 샘플링 간격, 신호가 기록되는 전체시간범위, 스태킹(stacking) 횟수 등 탐사에 필요한 여러 변수들을 결정하며, 결정된 변수에 적합한 송수신 펄스를 발생시켜 증폭시킨 후 송신 안테나를 통해서 방사하며, 샘플링 간격 및 트레이스(trace) 당 샘플링 간격 및 개수를 결정하는 단계 및 제어장치에서 획득한 펄스 자료를 영상으로 구현시키며, 처리된 데이터를 대상으로 고해상도의 화면을 다양한 구현 색상을 적용하여 보다 높은 분해능의 단면도를 나타내는 단계를 포함하여 구성되는 지피알 시스템을 이용한 지하매설물 탐측공법이 제시된 바 있다.
상기한 바와 같이, 종래, GPR을 이용한 지하 탐사장치 및 방법에 대하여 여러 가지 기술내용이 제시된 바 있으나, 상기한 바와 같은 종래기술의 GPR을 이용한 탐사장치 및 방법들은 다음과 같은 문제점이 있는 것이었다.
즉, GPR과 같이 센서가 복사하는 구조에서는 가볍고 간단한 형태의 복사체이며 주파수 변화에 따라 복사패턴의 차이가 적은 다이폴 형태의 안테나가 루프 형태보다 사용하기에 유리함으로 인해, 종래, 일반적으로, GPR에 있어서는, 전기장 신호를 송수신하기 위하여 다이폴 형태의 센서가 주로 사용되고 있다.
반면, GPR 보다 낮은 주파수 대역을 사용하는 전자기 유도 탐사(EM induction)에서는, 전자기 유도 우세영역(Induction range)에서 센서는 파장 대비 매우 작은 구조임으로 인해 다이폴 형태에 비해 루프 형태가 상대적으로 임피던스를 맞추기 유리한 이유로 자기장 신호를 송수신하는 센서로서 루프, 코일 형태의 센서가 주로 사용되어 왔다.
즉, 기존의 GPR 기법에 있어서는, 상기한 바와 같이 그 특성상 다이폴 센서를 사용하는 것이 유리한 이유로 인해 전기장 반사파를 이용한 지하 영상만을 주로 획득해 왔으며, 자기장 반사파를 이용한 지하영상의 획득은 상대적으로 배제되어 왔다.
그러나 보다 정확하고 효과적으로 지하 물성을 탐사하고 규명하기 위하여는, 전기장 신호에 의한 지하영상과 자기장 신호에 의한 지하영상을 모두 획득하여 종합적으로 분석하는 것이 바람직하다.
따라서 상기한 바와 같이 전기장신호만 사용되고 자기장신호는 배제되었던 종래기술의 GPR 탐사기법들의 문제점을 해결하기 위하여는, 전기장 신호 수신센서와 자기장 신호 수신센서를 병행하여 운용하는 것에 의해 기존의 전기장 반사파를 이용한 지하 영상뿐만 아니라 자기장 반사파를 이용한 지하 영상도 획득할 수 있도록 구성되는 새로운 구성의 지하 물성 탐사시스템 및 방법을 제공하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제공되지 못하고 있는 실정이다.
[선행기술문헌]
1. 한국 등록특허공보 제10-1267017호 (2013.05.16.)
2. 한국 등록특허공보 제10-1267016호 (2013.05.16.)
3. 한국 등록특허공보 제10-1241313호 (2013.03.04.)
4. 한국 등록특허공보 제10-0365141호 (2002.12.04.)
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 전기장신호를 송수신하는 다이폴 형태의 센서가 주로 사용되고 자기장신호를 송수신하는 루프, 코일 형태의 센서는 배제됨으로 인해 전기장 반사파를 이용한 지하 영상을 주로 획득하고 자기장 반사파를 이용한 지하영상의 획득은 상대적으로 배제되어 왔던 종래기술의 GPR(Ground-penetrating radar) 탐사기법들의 문제점을 해결하기 위해, 전기장 신호 수신센서와 자기장 신호 수신센서를 병행하여 운용하는 것에 의해 기존의 전기장 반사파를 이용한 지하 영상뿐만 아니라 자기장 반사파를 이용한 지하 영상도 획득할 수 있도록 구성되는 지하 물성 탐사시스템 및 이를 이용한 지하 물성 분석방법을 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기한 바와 같이 전기장 반사파를 이용한 지하 영상을 주로 획득하고 자기장 반사파를 이용한 지하 영상의 획득은 상대적으로 배제되어 왔던 종래기술의 GPR 탐사기법들의 문제점을 해결하기 위해, 지면의 특정 지점에 위치하여 전자기파 펄스 신호를 복사하는 송신 안테나 및 상기한 복사신호에 의해 형성되는 전기장 및 자기장 신호를 각각 측정하는 수신 안테나 쌍을 포함하여 구성됨으로써, 전기장뿐만 아니라 자기장의 지하 반응을 동시에 측정하는 것에 의해 기존에 비해 지하의 물성을 더욱 정확하고 효과적으로 규명할 수 있도록 구성되는 지하 물성 탐사시스템 및 이를 이용한 지하 물성 분석방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 전기장 반사파를 이용한 지하 영상을 주로 획득하고 자기장 반사파를 이용한 지하영상의 획득은 배제되어 왔던 종래기술의 지하탐사 레이더(Ground-penetrating radar, GPR) 기법들의 문제점을 해결하기 위한 지하 물성 탐사시스템에 있어서, 탐사하고자 하는 지역에 대하여 미리 정해진 특정 지점의 지면에 설치되어 전자기파 펄스 신호를 복사하는 적어도 하나의 송신안테나를 포함하여 이루어지는 송신안테부; 상기 송신안테나부의 복사신호에 의해 형성되는 전기장 및 자기장 신호를 각각 측정하기 위한 적어도 한 쌍의 전기장신호 수신안테나 및 자기장신호 수신안테나를 포함하여 이루어지는 수신안테나부; 상기 송신안테나부와 상기 수신안테나부를 통하여 수집된 신호에 근거하여 지하 매질의 물성에 대한 분석을 수행하는 분석부; 및 상기 탐사시스템의 전체적인 동작을 제어하는 제어부를 포함하여 구성됨으로써, 상기 전기장신호 수신센서와 상기 자기장신호 수신센서를 병행하여 운용하는 것에 의해 기존의 전기장 반사파를 이용한 지하 영상뿐만 아니라 자기장 반사파를 이용한 지하 영상도 획득 가능하여 상기 지하 매질의 물성을 더욱 정확하고 효과적으로 분석할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 지하 물성 탐사시스템이 제공된다.
여기서, 상기 송신안테나부의 상기 송신안테나는, 초광대역 전자기파 펄스를 복사할 수 있는 안테나라면 어떠한 안테나든지 사용 가능한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 수신안테나부의 상기 전기장신호 수신안테나는, 급전점을 기준으로 2개의 전도성 복사체가 나란히 설치되어 초광대역 펄스 신호를 수신할 수 있는 쌍극자 안테나의 형태로 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 수신안테나부의 상기 자기장신호 수신안테나는, 단일 전도성 복사체가 감긴 형태로 설치되어 초광대역 펄스 신호를 수신할 수 있는 루프 안테나의 형태로 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 지하 물성 탐사시스템은, 상기 송신안테나를 지면에 설치하고, 상기 송신안테나에서 복사하는 전자기파 신호에 의해 형성되는 전기장과 자기장을 각각 별도의 상기 전기장신호 수신안테나와 상기 자기장신호 수신안테나를 통하여 동일한 지점에서 수신하며, 이론 모델링에 의해 얻어진 단일 송신원(source)에 의한 전기장(
Figure PCTKR2016007082-appb-I000001
)과 자기장(
Figure PCTKR2016007082-appb-I000002
)을 각각 이하의 수학식으로 나타낼 때,
Figure PCTKR2016007082-appb-I000003
(여기서,
Figure PCTKR2016007082-appb-I000004
는 이론 모델링에서의 단일 전자기파 송신원,
Figure PCTKR2016007082-appb-I000005
는 이론 모델링에서의 지하 물성 특성을 나타내는 임펄스 응답(Impulse response),
Figure PCTKR2016007082-appb-I000006
는 이론 모델링에서의 전기장신호 수신안테나의 수신함수,
Figure PCTKR2016007082-appb-I000007
는 이론 모델링에서의 자기장신호 수신안테나의 수신함수를 나타냄)
상기 수학식을 주파수영역으로 푸리에 변환(Fourier transform) 하여 이하의 수학식으로 변환하고,
Figure PCTKR2016007082-appb-I000008
이하의 수학식을 이용하여 상기 전기장과 상기 자기장의 비를 구하는 처리가 수행되도록 구성됨으로써,
Figure PCTKR2016007082-appb-I000009
응답신호(
Figure PCTKR2016007082-appb-I000010
)에서 송신신호(
Figure PCTKR2016007082-appb-I000011
)가 소거되는 것에 의해, 측정시 상기 송신신호가 왜곡되더라도 완전파형역산 결과는 영향을 받지 않게 되어 종래의 GPR 기법에 비해 정확도가 높은 역산결과를 얻을 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 지하 물성 탐사시스템은, 공기 매질에서 단일 송신안테나의 복사에 의한 전기장신호 및 자기장신호를 각각의 수신안테나를 통해 상기 송신안테나와 떨어진 동일한 지점에서 각각 측정하고(
Figure PCTKR2016007082-appb-I000012
및
Figure PCTKR2016007082-appb-I000013
), 공기 중에서 전기장과 자기장 크기의 비율(
Figure PCTKR2016007082-appb-I000014
)이 고유임피던스(Intrinsic impedance)(
Figure PCTKR2016007082-appb-I000015
)로 정의될 때, 이하의 수학식을 이용하여, 상기 고유임피던스에 근거하여 상기 수신안테나부의 각각의 안테나들에 수신된 상기 전기장신호 및 상기 자기장신호의 비율을 보정하는 보정함수(calibration function ;
Figure PCTKR2016007082-appb-I000016
)를 구하는 처리가 수행되도록 구성됨으로써, 상기 송신안테나부 및 상기 수신안테나부의 각각의 안테나가 진공 또는 공기 중에서 사용되어 상기 전기장신호 및 상기 자기장신호가 얻어졌을 때의 비율이 주파수에 관계없이 일정한 특성을 가지도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
Figure PCTKR2016007082-appb-I000017
(여기서,
Figure PCTKR2016007082-appb-I000018
및
Figure PCTKR2016007082-appb-I000019
는 각각 측정에 의해 얻어진 자기장신호 수신기 및 전기장신호 수신기의 수신함수를 나타냄)
아울러, 상기 지하 물성 탐사시스템은, 공기가 아닌 다른 매질에 대하여도 동일한 방법으로 상기 보정함수를 구하는 처리가 수행되도록 구성됨으로써, 서로 다른 두 종류 이상의 매질에 대한 경우에도 상기 보정함수를 복합적으로 이용할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 지하 물성 탐사시스템은, 공기 중이 아닌 지면상에 상기 송신안테나를 위치시키고, 상기 송신안테나에 의해 복사되는 전기장신호 및 자기장신호를 상기 송신안테나와는 다른 지점의 지면상의 동일 지점에 위치한 각각의 상기 전기장신호 및 상기 자기장신호 수신안테나를 통해 각각 측정하는 처리가 수행되도록 구성됨으로써, 종래의 GPR 영상에 해당하는 전기장 반응에 더하여, 자기장 반응 또는 자기장 영상에 대한 측정데이터를 획득할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 지하 물성 탐사시스템은, 상기 지면상에 상기 송신안테나를 설치하여 상기 전기장신호 및 자기장신호를 측정시, 각각의 상기 수신안테나들의 특성이 상기 보정함수(
Figure PCTKR2016007082-appb-I000020
)에 의해 보상되면 상기 측정에 의한 수신기 함수의 비(
Figure PCTKR2016007082-appb-I000021
)가 소거되는 것에 의해, 이하의 수학식을 이용하여, 상기 측정에 의한 지하 매질의 물성을 구하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
Figure PCTKR2016007082-appb-I000022
(여기서,
Figure PCTKR2016007082-appb-I000023
는 측정에 의해 얻어진 지하매질의 물성시스템을 나타냄)
아울러, 본 발명에 따르면, 전기장 반사파를 이용한 지하 영상을 주로 획득하고 자기장 반사파를 이용한 지하영상의 획득은 배제되어 왔던 종래기술의 지하탐사 레이더(Ground-penetrating radar, GPR) 기법들의 문제점을 해결하기 위한 지하 물성 분석방법에 있어서, 상기에 기재된 지하 물성 탐사시스템을 이용하여 지하 물성을 측정하고 분석하도록 구성됨으로써, 기존의 전기장 반사파를 이용한 지하 영상뿐만 아니라 자기장 반사파를 이용한 지하 영상도 획득 가능하여 종래의 GPR 기법에 비해 상기 지하 매질의 물성을 더욱 정확하고 효과적으로 측정하고 분석할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는지하 물성 분석방법이 제공된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 전기장 신호 수신센서와 자기장 신호 수신센서를 병행하여 운용하는 것에 의해 기존의 전기장 반사파를 이용한 지하 영상뿐만 아니라 자기장 반사파를 이용한 지하 영상도 획득할 수 있도록 구성되는 지하 물성 탐사시스템 및 이를 이용한 지하 물성 분석방법이 제공됨으로써, 전기장신호를 송수신하는 다이폴 형태의 센서가 주로 사용되고 자기장신호를 송수신하는 루프, 코일 형태의 센서는 배제됨으로 인해 전기장 반사파를 이용한 지하 영상을 주로 획득하고 자기장 반사파를 이용한 지하영상의 획득은 상대적으로 배제되어 왔던 종래기술의 GPR(Ground-penetrating radar) 탐사기법들의 문제점을 해결할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 전기장 반사파를 이용한 지하 영상을 주로 획득하고 자기장 반사파를 이용한 지하 영상의 획득은 상대적으로 배제되어 왔던 종래기술의 GPR 탐사기법들의 문제점을 해결하기 위해, 지면의 특정 지점에 위치하여 전자기파 펄스 신호를 복사하는 송신 안테나 및 상기한 복사신호에 의해 형성되는 전기장 및 자기장 신호를 각각 측정하는 수신 안테나 쌍을 포함하여 구성되는 지하 물성 탐사시스템 및 이를 이용한 지하 물성 분석방법이 제공됨으로써, 전기장뿐만 아니라 자기장의 지하 반응을 동시에 측정하는 것에 의해 기존에 비해 지하의 물성을 더욱 정확하고 효과적으로 규명할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 지하 물성 탐사시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 지하 물성 탐사시스템을 이용하여 지하 매질에 대한 물성을 측정 및 분석하는 과정을 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 3은 이론적인 모델링에 의해 지하 매질에 대한 물성을 측정 및 분석하는 과정을 개략적으로 나타내는 개념도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 지하 물성 탐사시스템 및 이를 이용한 지하 물성 분석방법의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.
또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 전기장신호를 송수신하는 다이폴 형태의 센서가 주로 사용되고 자기장신호를 송수신하는 루프, 코일 형태의 센서는 배제됨으로 인해 전기장 반사파를 이용한 지하 영상을 주로 획득하고 자기장 반사파를 이용한 지하영상의 획득은 상대적으로 배제되어 왔던 종래기술의 GPR(Ground-penetrating radar) 탐사기법들의 문제점을 해결하기 위해, 전기장 신호 수신센서와 자기장 신호 수신센서를 병행하여 운용하는 것에 의해 기존의 전기장 반사파를 이용한 지하 영상뿐만 아니라 자기장 반사파를 이용한 지하 영상도 획득할 수 있도록 구성되는 지하 물성 탐사시스템 및 이를 이용한 지하 물성 분석방법에 관한 것이다.
아울러, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 전기장 반사파를 이용한 지하 영상을 주로 획득하고 자기장 반사파를 이용한 지하 영상의 획득은 상대적으로 배제되어 왔던 종래기술의 GPR 탐사기법들의 문제점을 해결하기 위해, 지면의 특정 지점에 위치하여 전자기파 펄스 신호를 복사하는 송신 안테나 및 상기한 복사신호에 의해 형성되는 전기장 및 자기장 신호를 각각 측정하는 수신 안테나 쌍을 포함하여 구성됨으로써, 전기장뿐만 아니라 자기장의 지하 반응을 동시에 측정하는 것에 의해 기존에 비해 지하의 물성을 더욱 정확하고 효과적으로 규명할 수 있도록 구성되는 지하 물성 탐사시스템 및 이를 이용한 지하 물성 분석방법에 관한 것이다.
계속해서, 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 지하 물성 탐사시스템 및 이를 이용한 지하 물성 분석방법의 구체적인 내용에 대하여 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 지하 물성 탐사시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 지하 물성 탐사시스템(10)은, 크게 나누어, GPR(Ground-penetrating radar)과 같은 지하 레이더 탐사의 원리를 이용하여 지하 물성을 분석하기 위해, 지면의 특정 지점에 위치하여 전자기파 펄스 신호를 복사하는 적어도 하나의 송신안테나를 포함하여 이루어지는 송신안테나부(11)와, 상기한 송신안테나부(11)의 복사신호에 의해 형성되는 전기장 및 자기장 신호를 각각 측정하기 위한 적어도 한 쌍의 전기장신호 수신안테나 및 자기장신호 수신안테나를 포함하여 이루어지는 수신안테나부(12)와, 상기한 송신안테나부(11)와 수신안테나부(12)를 통하여 수집된 신호에 근거하여 지하 매질의 물성에 대한 분석을 수행하는 분석부(13) 및 상기한 송신안테나부(11)와 수신안테나부(12) 및 탐사시스템(10)의 전체적인 동작을 제어하는 제어부(14)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기한 수신안테나부(12)에 있어서, 전기장을 측정하는 전기장신호 수신안테나는, 급전점을 기준으로 2개의 전도성 복사체가 나란히 구성되어 있는 쌍극자 안테나의 형태로 구성될 수 있다.
또한, 상기한 수신안테나부(12)에 있어서, 전기장을 측정하는 전기장신호 수신안테나는, 수신신호의 해상도를 높이기 위해 안테나 암의 일부분 또는 전체에 대해 임피던스가 장하된 형태로 구성될 수 있다.
아울러, 상기한 수신안테나부(12)에 있어서, 자기장을 측정하는 자기장신호 수신안테나는, 단일 전도성 복사체가 감긴 루프안테나(Loop antenna)의 형태로 구성될 수 있다.
더욱이, 상기한 수신안테나부(12)에 있어서, 자기장을 측정하는 자기장신호 수신안테나는, 안테나의 단일 지점에 특정 값 또는 복수의 구간에 대하여 일정한 값을 가지는 임피던스로 장하된 형태로 구성될 수 있다.
아울러, 상기한 송신안테나부(11)에 있어서, 전자기파 펄스 신호를 복사하는 송신안테나는 상기에 기재된 안테나들 중 하나로 구성될 수 있으나, 반드시 상기한 구성으로만 한정되는 것은 아니며, 그 밖에도 초광대역 전자기파 펄스를 복사할 수 있는 것이면 어떠한 안테나라도 사용 가능한 것임에 유념해야 한다.
더욱이, 본 발명의 실시예에 따른 지하 물성 탐사시스템(10)은, 바람직하게는, 상기한 송신안테나부(11) 및 수신안테나부(12)의 각각의 안테나가 진공 또는 공기 중에서 사용되어 전기장과 자기장 신호가 얻어졌을 때 그 비율이 주파수에 관계없이 일정한 특성을 가지도록 하기 위한 보정함수(calibration function)를 포함하도록 구성될 수 있다.
계속해서, 상기한 바와 같이 하겨 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 지하 물성 탐사시스템을 이용하여 지하 매질에 대한 물성을 측정 및 분석하는 구체적인 과정에 대하여 설명한다.
즉, 도 2를 참조하면, 도 2는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 지하 물성 탐사시스템(10)을 이용하여 지하 매질에 대한 물성을 측정 및 분석하는 과정을 개략적으로 나타내는 개념도이다.
또한, 도 3을 참조하면, 도 3은 이론적인 모델링에 의해 지하 매질에 대한 물성을 측정 및 분석하는 과정을 개략적으로 나타내는 개념도이다.
여기서, 도 2에 있어서,
Figure PCTKR2016007082-appb-I000024
는 측정시 송신안테나를 통해 복사된 송신원 신호이고,
Figure PCTKR2016007082-appb-I000025
는 측정시 전기장 신호 수신안테나의 수신기 함수이며,
Figure PCTKR2016007082-appb-I000026
는 측정시 자기장 신호 수신안테나의 수신기 함수이고,
Figure PCTKR2016007082-appb-I000027
및
Figure PCTKR2016007082-appb-I000028
는 송신원 신호에 의한 전기장 및 자기장(측정값)이고 ,
Figure PCTKR2016007082-appb-I000029
및
Figure PCTKR2016007082-appb-I000030
는 측정에 의해 획득한 지하 물성 시스템을 각각 의미한다.
아울러, 도 3에 있어서,
Figure PCTKR2016007082-appb-I000031
는 이론 모델링에서의 송신원 신호로서 안테나 없이 직접 인가되고,
Figure PCTKR2016007082-appb-I000032
는 이론 모델링에서의 전기장신호 수신기 함수로서 안테나가 없으므로 무시되며,
Figure PCTKR2016007082-appb-I000033
는 이론 모델링에서의 자기장 신호 수신기 함수로서 안테나가 없으므로 무시되고,
Figure PCTKR2016007082-appb-I000034
및
Figure PCTKR2016007082-appb-I000035
는 송신원 신호에 의한 전기장 및 자기장(이론 모델링값)이며,
Figure PCTKR2016007082-appb-I000036
및
Figure PCTKR2016007082-appb-I000037
는 이론 모델링에 의해 획득한 지하 물성 시스템을 각각 나타낸다.
더 상세하게는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 지하 물성 탐사시스템(10)을 이용하여 지하 매질에 대한 물성을 측정 및 분석하는 과정은, 먼저, 송신안테나를 지면에 설치하고, 송신 안테나에서 복사하는 전자기파 신호에 의해 형성되는 전기장과 자기장을 각각 별도의 전기장신호 수신안테나와 자기장신호 수신안테나를 통하여 동일한 지점에서 수신한다.
이때, 컨벌루션 지구 모델(Convolutional earth model)에 따르면, 이론 모델링에 의해 얻어진 단일 송신원(source)에 의한 전기장과 자기장(
Figure PCTKR2016007082-appb-I000038
및
Figure PCTKR2016007082-appb-I000039
)은 각각 이하의 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure PCTKR2016007082-appb-I000040
여기서, 상기한 [수학식 1]에 있어서,
Figure PCTKR2016007082-appb-I000041
는 이론 모델링에서의 단일 전자기파 송신원,
Figure PCTKR2016007082-appb-I000042
는 이론 모델링에서의 임펄스 응답(Impulse response) 으로서 지하물성 시스템 특성을 나타내고,
Figure PCTKR2016007082-appb-I000043
는 이론 모델링에서의 전기장신호 수신안테나의 수신함수,
Figure PCTKR2016007082-appb-I000044
는 이론 모델링에서의 자기장신호 수신안테나의 수신함수이다.
또한, 상기한 [수학식 1]을 주파수영역으로 푸리에 변환(Fourier transform) 하면 이하의 [수학식 2]와 같이 변환된다.
[수학식 2]
Figure PCTKR2016007082-appb-I000045
따라서 전기장과 자기장의 비를 구하면 이하의 [수학식 3]과 같이 되어 송신원항이 사라지게 된다.
[수학식 3]
Figure PCTKR2016007082-appb-I000046
여기서, 역산문제는 지구물리탐사의 공통적인 해석목표로서, 지하매질의 물성분포에 기인하는 반응을 획득하고 이로부터 미지의 지하매질 물성분포를 구하는 문제이다.
이 중, GPR 탐사자료의 완전파형역산은 측정 레이다 탐사자료와 수치 모델링을 통하여 시뮬레이션한 이론 탐사자료 간의 잔차를 최소화시키는 방향으로 반복 계산법에 의해 지하 매질의 물성(전기전도도 및 유전율)을 갱신시켜 나가면서 지하의 물성인 전기전도도와 유전율 분포를 규명해내는 기법이다.
이러한 완전파형역산 알고리즘은, 측정자료와 이론 모델링 자료에 있어 전체 파형을 비교하기 때문에 방대한 양의 계산과 컴퓨터 자원이 요구된다.
더욱이, 완전파형역산에 있어서 중요한 전제조건은, 잔차를 구하는 이론 모델링 자료와 측정자료가 서로 동일한 송신원을 사용했을 때의 결과이어야 한다는 점이다.
즉, 다시 말하면, 완전파형역산을 적용하기 위하여는, 지하에 실제적으로 복사되는 송신원의 시간영역 신호가 알려져 있거나, 또는, 정확하게 예측할 수 있어야 한다.
그러나 GPR 응용에 있어서, 송신원인 전자기파 펄스신호의 인가는 시뮬레이션에서 일반적으로 특정 포인트에서 그대로 인가되는 반면, 측정에서는 펄스신호가 송신안테나에 급전된 후 안테나에서 복사하는 형태로 이루어지므로, 송신안테나의 특성, 지표면의 전기적 특성, 그리고 송신안테나와 지표면과의 결합상태 등에 따라 펄스신호의 왜곡이 불가피하다.
그러므로 종래의 GPR 기법에 있어서는, 정확한 송신원 파형의 예측이 대단히 어려우며, 실제 측정에서의 송신원과 이론 모델링에서의 송신원이 일치되지 않기 때문에 필연적으로 잔차의 신뢰도가 낮아지는 문제가 있다.
그러나 상기한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따라 전기장과 자기장 간의 비율에 해당하는 GPR 응답을 얻었을 경우, 상기한 [수학식 3]에 나타낸 바와 같이 송신신호(
Figure PCTKR2016007082-appb-I000047
)가 응답신호(
Figure PCTKR2016007082-appb-I000048
)에서 소거되므로, 측정을 할 때 송신신호가 송신안테나, 지하물성, 안테나와 지표면의 결합상태 등에 의해 왜곡되더라도 완전파형역산 결과는 영향을 받지 않게 되어 정확도 높은 역산결과를 얻을 수 있게 된다.
이때, 이론 모델링이나 실제 측정의 어느 경우에도, 전기장과 자기장 신호를 각각 수신할 때 동일한 송신원이 동일한 송신 안테나에 인가되어야 한다.
계속해서, 상기한 바와 같이 하여 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 지하 물성 탐사시스템(10)을 이용한 지하 물성 분석방법의 송수신 안테나의 운용에 대하여 설명한다.
먼저, 공기 매질에서 단일 송신안테나의 복사에 의한 전기장신호(
Figure PCTKR2016007082-appb-I000049
) 및 자기장신호(
Figure PCTKR2016007082-appb-I000050
)를 각각의 수신안테나를 통해 송신안테나와 떨어진 동일한 지점에서 측정한다.
이때, 공기 중에서 전기장과 자기장 크기의 비율(
Figure PCTKR2016007082-appb-I000051
)은 고유임피던스(Intrinsic impedance)로서
Figure PCTKR2016007082-appb-I000052
으로 정의된다.
따라서 이하의 [수학식 4]에 나타낸 바와 같이, 각각의 수신안테나들에 수신된 전기장 및 자기장 신호의 비율을 보정하는 함수(calibration function ;
Figure PCTKR2016007082-appb-I000053
로 가정)를 고유임피던스를 이용하여 구할 수 있다.
[수학식 4]
Figure PCTKR2016007082-appb-I000054
여기서, 상기한 [수학식 4]에 있어서,
Figure PCTKR2016007082-appb-I000055
및
Figure PCTKR2016007082-appb-I000056
는 각각 측정에 의한 자기장 및 전기장 신호 수신기의 수신함수를 나타낸다.
또한, 상기한 과정에서 얻어지는 보정함수(calibration function)는 공기가 아닌 다른 매질(예를 들면, 물)에서도 동일한 방법으로 얻을 수 있으며, 두 종류 이상의 매질에 대한 경우에도 얻어진 보정함수를 복합적으로 이용할 수 있다.
여기서, 상기한 과정은 측정시의 과정이고, 이론 모델링에서는 송신 및 수신안테나 없이 전기장과 자기장 자체가 직접 계산되므로, 보정함수 없이 공기에서의 전기장과 자기장 크기의 비율
Figure PCTKR2016007082-appb-I000057
이 바로
Figure PCTKR2016007082-appb-I000058
으로 얻어지게 된다.
아울러, 상기한 과정과는 별도로, 공기 중이 아닌 지면상에 송신 안테나를 위치시키고, 이에 의한 전기장신호(
Figure PCTKR2016007082-appb-I000059
) 및 자기장신호(
Figure PCTKR2016007082-appb-I000060
)를 각각의 전기장신호 및 자기장신호 수신 안테나를 통해 송신안테나와는 다른 지점에 위치한 지면상의 동일지점에서 각각 측정한다.
이로부터 지하의 두 종류의 응답, 즉, 전기장 반응(예를 들면, 종래의 GPR 영상)과 본 발명에 의해 가능해지는 자기장 반응 또는 영상의 측정데이터를 획득할 수 있다.
여기서, 지면에서의 측정시 수신안테나들의 특성이 상기한 보정함수
Figure PCTKR2016007082-appb-I000061
에 의해 보상된다면, 상기한 [수학식 3]에서 측정된 수신기 함수의 비
Figure PCTKR2016007082-appb-I000062
는 소거되므로, 결국
Figure PCTKR2016007082-appb-I000063
는, 이하의 [수학식 5]에 나타낸 바와 같이, 측정에 의한 지하매질 물성시스템인
Figure PCTKR2016007082-appb-I000064
가 된다.
[수학식 5]
Figure PCTKR2016007082-appb-I000065
반면, 이론 모델링에서는 송신 및 수신안테나가 없이 전기장과 자기장 자체가 직접 계산되므로, 이하의 [수학식 6]에 나타낸 바와 같이, 보정함수 없이 이론 모델링을 통해 얻어진
Figure PCTKR2016007082-appb-I000066
가 그대로 이론 모델링에 의한 지하 매질 물성시스템인
Figure PCTKR2016007082-appb-I000067
가 된다.
[수학식 6]
Figure PCTKR2016007082-appb-I000068
따라서 상기한 바와 같이 하여 얻어진 전기장과 자기장 비율의 측정 및 이론 모델링 값 사이의 잔차를 최소화하는 방향으로 반복계산법을 수행함으로써, 완전파형역산을 수행하여 지하 물성 매질 시스템을 규명할 수 있다.
이상, 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 지하 물성 탐사시스템 및 이를 이용한 지하 물성 분석방법을 구현할 수 있다.
또한, 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 지하 물성 탐사시스템 및 이를 이용한 지하 물성 분석방법을 구현하는 것에 의해, 본 발명에 따르면, 전기장 신호 수신센서와 자기장 신호 수신센서를 병행하여 운용하는 것에 의해 기존의 전기장 반사파를 이용한 지하 영상뿐만 아니라 자기장 반사파를 이용한 지하 영상도 획득할 수 있도록 구성되는 지하 물성 탐사시스템 및 이를 이용한 지하 물성 분석방법이 제공됨으로써, 전기장신호를 송수신하는 다이폴 형태의 센서가 주로 사용되고 자기장신호를 송수신하는 루프, 코일 형태의 센서는 배제됨으로 인해 전기장 반사파를 이용한 지하 영상을 주로 획득하고 자기장 반사파를 이용한 지하영상의 획득은 상대적으로 배제되어 왔던 종래기술의 GPR(Ground-penetrating radar) 탐사기법들의 문제점을 해결할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 전기장 반사파를 이용한 지하 영상을 주로 획득하고 자기장 반사파를 이용한 지하 영상의 획득은 상대적으로 배제되어 왔던 종래기술의 GPR 탐사기법들의 문제점을 해결하기 위해, 지면의 특정 지점에 위치하여 전자기파 펄스 신호를 복사하는 송신 안테나 및 상기한 복사신호에 의해 형성되는 전기장 및 자기장 신호를 각각 측정하는 수신 안테나 쌍을 포함하여 구성되는 지하 물성 탐사시스템 및 이를 이용한 지하 물성 분석방법이 제공됨으로써, 전기장뿐만 아니라 자기장의 지하 반응을 동시에 측정하는 것에 의해 기존에 비해 지하의 물성을 더욱 정확하고 효과적으로 규명할 수 있다.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 지하 물성 탐사시스템 및 이를 이용한 지하 물성 분석방법의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.
[부호의 설명]
10. 지하 물성 탐사시스템 11. 송신안테나부
12. 수신안테나부 13. 분석부
14. 제어부

Claims (10)

  1. 전기장 반사파를 이용한 지하 영상을 주로 획득하고 자기장 반사파를 이용한 지하영상의 획득은 배제되어 왔던 종래기술의 지하탐사 레이더(Ground-penetrating radar, GPR) 기법들의 문제점을 해결하기 위한 지하 물성 탐사시스템에 있어서,
    탐사하고자 하는 지역에 대하여 미리 정해진 특정 지점의 지면에 설치되어 전자기파 펄스 신호를 복사하는 적어도 하나의 송신안테나를 포함하여 이루어지는 송신안테나부;
    상기 송신안테나부의 복사신호에 의해 형성되는 전기장 및 자기장 신호를 각각 측정하기 위한 적어도 한 쌍의 전기장신호 수신안테나 및 자기장신호 수신안테나를 포함하여 이루어지는 수신안테나부;
    상기 송신안테나부와 상기 수신안테나부를 통하여 수집된 신호에 근거하여 지하 매질의 물성에 대한 분석을 수행하는 분석부; 및
    상기 탐사시스템의 전체적인 동작을 제어하는 제어부를 포함하여 구성됨으로써,
    상기 전기장신호 수신센서와 상기 자기장신호 수신센서를 병행하여 운용하는 것에 의해 기존의 전기장 반사파를 이용한 지하 영상뿐만 아니라 자기장 반사파를 이용한 지하 영상도 획득 가능하여 종래의 GPR 기법에 비해 상기 지하 매질의 물성을 더욱 정확하고 효과적으로 측정하고 분석할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 지하 물성 탐사시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 송신안테나부의 상기 송신안테나는,
    초광대역 전자기파 펄스를 복사할 수 있는 안테나라면 어떠한 안테나든지 사용 가능한 것을 특징으로 하는 지하 물성 탐사시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 수신안테나부의 상기 전기장신호 수신안테나는,
    급전점을 기준으로 2개의 전도성 복사체가 나란히 설치되어 초광대역 펄스 신호를 수신할 수 있는 쌍극자 안테나의 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 지하 물성 탐사시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 수신안테나부의 상기 자기장신호 수신안테나는,
    단일 전도성 복사체가 감긴 형태로 설치되어 초광대역 펄스 신호를 수신할 수 있는 루프 안테나의 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 지하 물성 탐사시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 지하 물성 탐사시스템은,
    상기 송신안테나를 지면에 설치하고, 상기 송신안테나에서 복사하는 전자기파 신호에 의해 형성되는 전기장과 자기장을 각각 별도의 상기 전기장신호 수신안테나와 상기 자기장신호 수신안테나를 통하여 동일한 지점에서 수신하며,
    이론 모델링에 의해 얻어진 단일 송신원(source)에 의한 전기장(
    Figure PCTKR2016007082-appb-I000069
    )과 자기장(
    Figure PCTKR2016007082-appb-I000070
    )을 각각 이하의 수학식으로 나타낼 때,
    Figure PCTKR2016007082-appb-I000071
    (여기서,
    Figure PCTKR2016007082-appb-I000072
    는 이론 모델링에서의 단일 전자기파 송신원,
    Figure PCTKR2016007082-appb-I000073
    는 이론 모델링에서의 지하 물성 특성을 나타내는 임펄스 응답(Impulse response),
    Figure PCTKR2016007082-appb-I000074
    는 이론 모델링에서의 전기장신호 수신안테나의 수신함수,
    Figure PCTKR2016007082-appb-I000075
    는 이론 모델링에서의 자기장신호 수신안테나의 수신함수를 나타냄)
    상기 수학식을 주파수영역으로 푸리에 변환(Fourier transform) 하여 이하의 수학식으로 변환하고,
    Figure PCTKR2016007082-appb-I000076
    이하의 수학식을 이용하여 상기 전기장과 상기 자기장의 비를 구하는 처리가 수행되도록 구성됨으로써,
    Figure PCTKR2016007082-appb-I000077
    응답신호(
    Figure PCTKR2016007082-appb-I000078
    )에서 송신신호(
    Figure PCTKR2016007082-appb-I000079
    )가 소거되는 것에 의해 측정시 상기 송신신호가 왜곡되더라도 완전파형역산 결과는 영향을 받지 않게 되어 종래의 GPR 기법에 비해 정확도가 높은 역산결과를 얻을 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 지하 물성 탐사시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 지하 물성 탐사시스템은,
    공기 매질에서 단일 송신안테나의 복사에 의한 전기장신호 및 자기장신호를 각각의 수신안테나를 통해 상기 송신안테나와 떨어진 동일한 지점에서 각각 측정하고( 및
    Figure PCTKR2016007082-appb-I000081
    ),
    공기 중에서 전기장과 자기장 크기의 비율(
    Figure PCTKR2016007082-appb-I000082
    )이 고유임피던스(Intrinsic impedance)(
    Figure PCTKR2016007082-appb-I000083
    )로 정의될 때,
    이하의 수학식을 이용하여, 상기 고유임피던스에 근거하여 상기 수신안테나부의 각각의 안테나들에 수신된 상기 전기장신호 및 상기 자기장신호의 비율을 보정하는 보정함수(calibration function ;
    Figure PCTKR2016007082-appb-I000084
    )를 구하는 처리가 수행되도록 구성됨으로써,
    상기 송신안테나부 및 상기 수신안테나부의 각각의 안테나가 진공 또는 공기 중에서 사용되어 상기 전기장신호 및 상기 자기장신호가 얻어졌을 때의 비율이 주파수에 관계없이 일정한 특성을 가지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 지하 물성 탐사시스템.
    Figure PCTKR2016007082-appb-I000085
    (여기서,
    Figure PCTKR2016007082-appb-I000086
    및
    Figure PCTKR2016007082-appb-I000087
    는 각각 측정에 의해 얻어진 자기장신호 수신기 및 전기장신호 수신기의 수신함수를 나타냄)
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 지하 물성 탐사시스템은,
    공기가 아닌 다른 매질에 대하여도 동일한 방법으로 상기 보정함수를 구하는 처리가 수행되도록 구성됨으로써,
    서로 다른 두 종류 이상의 매질에 대한 경우에도 상기 보정함수를 복합적으로 이용할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 지하 물성 탐사시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 지하 물성 탐사시스템은,
    공기 중이 아닌 지면상에 상기 송신안테나를 위치시키고, 상기 송신안테나에 의해 복사되는 전기장신호 및 자기장신호를 상기 송신안테나와는 다른 지점의 지면상의 동일 지점에 위치한 각각의 상기 전기장신호 및 상기 자기장신호 수신안테나를 통해 각각 측정하는 처리가 수행되도록 구성됨으로써,
    종래의 GPR 영상에 해당하는 전기장 반응에 더하여, 자기장 반응 또는 자기장 영상에 대한 측정데이터를 획득할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 지하 물성 탐사시스템.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 지하 물성 탐사시스템은,
    상기 지면상에 상기 송신안테나를 설치하여 상기 전기장신호 및 자기장신호를 측정시, 각각의 상기 수신안테나들의 특성이 상기 보정함수(
    Figure PCTKR2016007082-appb-I000088
    )에 의해 보상되면 상기 측정에 의한 수신기 함수의 비(
    Figure PCTKR2016007082-appb-I000089
    )가 소거되는 것에 의해,
    이하의 수학식을 이용하여, 상기 측정에 의한 지하 매질의 물성을 구하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 지하 물성 탐사시스템.
    Figure PCTKR2016007082-appb-I000090
    (여기서,
    Figure PCTKR2016007082-appb-I000091
    는 측정에 의해 얻어진 지하매질의 물성시스템을 나타냄)
  10. 전기장 반사파를 이용한 지하 영상을 주로 획득하고 자기장 반사파를 이용한 지하영상의 획득은 배제되어 왔던 종래기술의 지하탐사 레이더(Ground-penetrating radar, GPR) 기법들의 문제점을 해결하기 위한 지하 물성 분석방법에 있어서,
    청구항 1항 내지 청구항 9항 중 어느 한 항에 기재된 지하 물성 탐사시스템을 이용하여 지하 물성을 측정하고 분석하도록 구성됨으로써,
    기존의 전기장 반사파를 이용한 지하 영상뿐만 아니라 자기장 반사파를 이용한 지하 영상도 획득 가능하여 종래의 GPR 기법에 비해 상기 지하 매질의 물성을 더욱 정확하고 효과적으로 측정하고 분석할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는지하 물성 분석방법.
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