[논문]저주파수 레이더(GPR)에 의한 콘크리트 상판 및 터널 라이닝 배면 공동의 크기 및 두께 추정에 관한 실험 연구

박석균

저주파수 레이더(GPR)에 의한 콘크리트 상판 및 터널 라이닝 배면 공동의 크기 및 두께 추정에 관한 실험 연구
An Experimental Study on Estimation of Size and Thickness of Cavitation(Void)s under Concrete Slabs and Tunnel Linings Using Law Frequency Type Radar(GPR) 원문보기

구조물진단학회지 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance Inspection, v.10 no.6 = no.40, 2006년, pp.95 - 104

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콘크리트 도로 상판 또는 터널 라이닝의 배면 공동은 구조물의 함몰 또는 붕괴로까지 이어질 가능성이 있다. 이 공동을 비파괴로 검출하기 위한 방법 중의 하나가 저주파수대 레이더(GPR)의 사용이다. 그러나 이와 같은 토목구조물에는 분해능이 좋지 않은 저주파수대의 레이더를 사용할 수밖에 없기 때문에 작은 공동의 크기나 두께까지 탐사하는 일은 현재 기술로는 거의 불가능하다. 본 연구는 이와 같은 문제와 한계를 극복하기 위해 다양한 공동의 크기와 두께, 깊이를 대상으로 많은 량의 실측 실험을 통해, 저주파 레이더 측정치와 공동 간의 상관관계를 분석함으로 해서 공동의 깊이, 크기와 두께까지를 추정하기 위한 새로운 해석방법을 제안하고 그 적용성을 검토하였다. 또한 본 검토에서는 공동만을 그 크기(횡폭)에 맞게 화상처리에 의해 나타낼 수 있는 역치를 산정하였다. 그 결과, 본 연구에서 제안된 방법에 의해 실험실 수준에서는 정도 좋게 공동의 깊이와 크기, 두께를 추정하는 것이 가능하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The presence of cavitations under pavements or behind tunnel linings of concrete is likely to result in collapse. One method of detecting such voids by non-destructive means is low frequency type radar(GPR). By the way, the size and thickness of small cavitation can't be detected by the present radar technology with low frequency and low resolution when it apply to civil structures like that. To overcome these problems and limitations, this study aims to develope and propose a new analysis method for estimating the depth, cross-sectional size and thickness of cavitations using low frequency radar. A new proposed method is based on the experiments that are carried out for analyzing the correlation between the measurement values(the amplitudes of radar return) of low frequency radar and various type of cavitations. In this process, the threshold value for radar image processing which aims to represent only cavitations to be fitted size can be obtained. As the results, it is clarified that a proposed method has a possibility of estimating cavitation depth, size and thickness with good accuracy in laboratory scale.

주제어

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문제 정의

각종 경계와 이물질 등으로부터의 잡신호가 목표물로부터의 신호와 혼합되어 버리기 때문에, 현재의 레이더 기술로는 해당 구조물 배면 공동의 크기까지 검출하는 것은 거의 불가능하다. 본 연구는 이와 같은 문제를 해결하기 위해 저주파수대의 지중 탐사용 레이더(GPR : Ground Probing Radar) 를이용해 다양한 공동의 크기와 깊이를 대상으로 실험을 하여, 공동만을 검출하고 그 크기(두께와 폭)를 추정하기 위한 새로운 화상처리방법을 개발하고 제안하는 것이 목적이다. 이를 위해 다양한 공동의 크기와 깊이를 대상으로 레이더 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 공동의 임의 두께(1cm이상) 및 크기 (표면적, 두께)에 관계없이 공동에 대해서 측정된 레이더의 최대반사강도로부터 공동의 두께를 추정하는 방법에 대해서 검토하였다.

제안 방법

참고로, 본 연구에서 사용한 탐사장치의 STC 처리등급은 "약”부터 "강”까지 7등급(구분상 STC 1, 5, 10, 20, 40, 80, 160으로 표기되어 있다)으로 편의상 나누어져 있고, 그 중, 대표로서 STC 1, 20, 80의 각 등급별 깊이에 따른 신호의 강조특성 비교예를 Fig. 6 에 나타내었다. 이 그림으로부터 알 수 있는 바와 같이 동일 탐사결과에 대한 깊이별 신호강도에도 불구하고, 각 STC처리특성(등급)에 따라 깊이별 신호강도가 강조되는 모양이 다르게 나타나고 있기 때문에, 본 기능을 탑재한 장치에서는 그 장치에 맞는 STC 처리 특성을 식(4)에 의해 구하여 반드시 이의 보정을 하여야 한다.
다음으로 상기 조건하에서 동일 깊이 및 동일 두께의 공동에 대해서 공동의 표면적 변화별 상관관계를 분석하였다. 끝으로 동일 깊이 및 동일 표면적 공동에 대해서 공동의 두께특성을 검토함으로써 이들 각 검토항목별로 얻은 상관관계식을 비례식 원리에 의해 종합하여 식(3)과 같은 일반식을 도출하였다.
검토하였다. 다음으로 상기 조건하에서 동일 깊이 및 동일 두께의 공동에 대해서 공동의 표면적 변화별 상관관계를 분석하였다. 끝으로 동일 깊이 및 동일 표면적 공동에 대해서 공동의 두께특성을 검토함으로써 이들 각 검토항목별로 얻은 상관관계식을 비례식 원리에 의해 종합하여 식(3)과 같은 일반식을 도출하였다.
대상 현장의 측정대상 조건에 대한 대표 특성치를 얻기 위해 일정 크기와 두께를 갖는 표본 공동을 일정 깊이에 배치하고 이에 대한 측정작업을 실시한다. 이 때, 표본 공동은 스티로폼으로 제작하여 배치한다.
8과 같이 제작하였다. 두께 10cm의 무근 콘크리트 상판 하에 배면 재료로서 모래를 채운 후 그 안에 공동을 스티로폼으로 인공제작한 후 매설하여 레이더탐사실험을 수행하였다. 실험에 사용된 시험체의 종류는 Table 2와 같이 각 깊이별 공동의 크기와 두께에 따라 다양한 조건으로 하였다.
이에 의하면 레이더 펄스의 시간 폭이 보통의 지중탐사 레이더에서와 같은 2ns이상(주파수 500MHz이하)에서는 30cm 이하의 공동두께를 반사신호의 식별에 의해 해석할 수 없다는 것을 알 수 있다. 따라서 본 연구에서는 상기와 같은 이유로 인해 공동의 두께를 반사신호에 대한 해석 방법에 의존하지 않고 실험적인 상관관계로부터 추정하는 방법을 적용하였다.
이를 위해 Table 2에 나타낸 실험조건에서와 같이 먼저 동일 두께 (H) 및 동일 표면적 (WxD)의 공동에 대해서 각 깊이(Depth)별로 공동으로부터의 레이더 최대반사 강도와의 변화특성(상관관겨〕)을 검토하였다. 다음으로 상기 조건하에서 동일 깊이 및 동일 두께의 공동에 대해서 공동의 표면적 변화별 상관관계를 분석하였다.
이상의 과정을 마쳤으면, 실제 현장 구조물의 원하는 구간에 대해 레이더 탐사작업을 실시한다.
이상의 실제 탐사대상 조건하에서의 표본 공동에 대한 예비실험 후, 표본 공동의 크기에 맞추어 그 공동만의 가로크기(거리축상)의 신호가 얻어지도록 역치를 설정해 둔다. 이 작업은 공동의 가로크기에 해당하는 반 사화 상상의 구간(기울기벡터가 수직방향을 이루는 구간)을 선정하고 그 구간거리를 이용하면 된다.

대상 데이터

본 실험에서는 지중탐사형 레이더인 GPR(Ground Probing Radar)을 사용하였다(Fig. 9). 주파수 범위는 20MHz~1GHz의 광대역이고 중심주파수는 600MHz 이다.
본 연구는 이와 같은 문제를 해결하기 위해 저주파수대의 지중 탐사용 레이더(GPR : Ground Probing Radar) 를이용해 다양한 공동의 크기와 깊이를 대상으로 실험을 하여, 공동만을 검출하고 그 크기(두께와 폭)를 추정하기 위한 새로운 화상처리방법을 개발하고 제안하는 것이 목적이다. 이를 위해 다양한 공동의 크기와 깊이를 대상으로 레이더 실험을 수행하였다.
9). 주파수 범위는 20MHz~1GHz의 광대역이고 중심주파수는 600MHz 이다. 안테나는 3다이폴 타입이고 신호획득은 FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave)방식이다.

이론/모형

이와 같은 과정에서 역치를 결정하는 방법 중에는 다양한 방법이 있지만, 본 연구에서는 일반적으로 많이 사용되는 모드법에 의하였다. 그러나 레이더 탐사에서는 얻어지는 특정신호의 강도 및 그 분포가 화상의 전 영역에서 항상 일정하게 유지되지 않는다.

성능/효과

한다. (7) 2치화 처리화상에서의 표면파 신호성분의 제거 이상의 2치화 처리결과, 그 처리화상에 나타난 신호는 역치 이상의 신호, 즉 공동만의 신호가 얻어진다. 그러나 일반적으로 레이더의 측정대상 표면으로부터의 반사파와 배면경계로부터의 반사파는 다른 신호보다 강한 반사강도를 갖고 있기 때문에 2치화 처리 화상에 남을 가능성이 있다.
1) 본 연구에서 제안된 레이더 화상처리기법을 이용하면 레이터 탐사화상으로부터 공동의 크기만을 화상상에 나타내는 것이 가능함을 알 수 있었다. 이 경우, 각종 크기의 모의 공동에 대해 공동의 깊이변화별, 수평면적별, 두께별로 실험한 후 공동만의 크기를 검출한 결과, 전체 상대오차의 평균이 -1.
2) 두께 추정방법에 의한 검출결과도 가로, 세로 각각 40cm의 일정 수평면적 크기 이상의 공동에 대해서 10~70cm의 깊이와 10~30cm의 두께 범위의 공동에 대해 검출한 결과, -2.0~+1.5cm의 오차범위를 나타내었다.
3) 따라서, 전반적으로 양호한 결과가 얻어져, 본 방법에 의한 공동신호만의 검출을 위한 화상처리기법은 실험실적 수준에서는 유효한 것으로 판단된다. 따라서 향후 현장조건에서의 적용 가능성에 대한 보완 연구가 필요할 것으로 사료된다
따라서 본 방법에 의한 공동신호만의 검출을 위한 화상처리기법은 실험실적 수준에서는 유효한 것으로 판단된다.
두께가 10cm이상인 공동에 대한 두께의 추정에 유효하다. 왜냐하면, 본 방법에 의한 실험조건 중동일 깊이에서의 공동의 표면적 크기별 최대반사강도의 변화특성 (상관관계)을 검토한 Fig. 7의 실험결과에의하면, 공동의 표면적은 레이더 안테나의 크기에 의하기도 하지만 가로, 세로의 크기가 각각 40cm(또는직경 40cm)전후 크기 이상에서는 공동에 대한 최대반사강도의 변화가 거의 일정하게 유지(수렴)되는특성을 나타냄을 알 수 있어, 이 크기 이상의 공동에 대해서는 표면적 변화에 의한 영향을 무시할 수 있다. 아울러 본 연구의 대상 공동은 평탄하게 배치된 등방성 공동에 대해 유효하다.
이결과로부터 알 수 있는 바와 같이 가로, 세로 각각 40cm, 두께 10cm의 일정 크기의 공동에 대해서 깊이를 10~70cm 의 범위 내에서 변화시킨 경우는 크기 (폭)검출시의 평균오차가 -1.5cm, 공동 두께 10cm 의 일정조건하에서 공동의 수평면적을 변화시킨 경우는 평균오차가 +3.5cm, 가로, 세로 각각 40cm의 일정 수평면적 크기의 공동에 대해서 두께를 변화시킨 경우는 평균오차가 -4.0cm, 이들을 종합한 전체의 경우는 상대오차의 평균이 -1.4cm(절대 평균치는 2.6cm) 로 나타나, 전반적으로 양호한 결과가 얻어졌다.
이상의 기본원리 및 개념으로부터 유추할 수 있는 바와 같이, 본 연구에서 제안된 방법은 거의 평탄하게 배치된 등방성 공동에 대해서 유효하다.

후속연구

따라서 향후 현장조건에서의 적용 가능성에 대한 보완 연구가 필요할 것으로 사료된다

참고문헌 (7)

？박석균 : 3다이폴 안테나 방식 레이더에 의한 콘크리트 터널 라이닝 배면공동의 형상 추정, 한국콘크리트학회 논문집, Vol.17, No.2, pp.221-227, 2005. 4.

원문보기 상세보기
A. Kovacs, and R.M.Morey : Detection of Cavities Under Concrete Pavement, CRREL Report 83-18, pp.1-41, 1983. 7.
C.L.Bertram et.al : Feasibility Study for Rapid Evaluation of Airfield Pavements, AFWL-TR-71-178, pp.1-94, 1974. 6.
J.R. Moore, J.D. Echard, Radar Detection of Voids under Concrete Hiways, IEEE Inter- national Radar Conference, pp.131-135, 1980.
Moore et. al : Radar Detection of Voids under Concrete highways, Georgia Institute of Technology, NCHRP 10-14, 1980.
Steinuray, Echart, Lake : Locating Voids Beneath Pavement using Pulsed Electro- magnetic Waves, Georgia Inst. of Tech., April 1981.
Parry N.S.&Davis J.L. : Ground Probing Radar Systems for Roads and Bridges, Geological Survey of Finland, Special paper 16, 1992.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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