[논문]지하 매설관 탐지를 위한 지하탐사레이다 신호의 특성에 관한 연구

현승엽

doi:10.5515/kjkiees.2017.28.1.42

지하 매설관 탐지를 위한 지하탐사레이다 신호의 특성에 관한 연구
A Study on Characteristics of Ground-Penetrating Radar Signals for Detection of Buried Pipes 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.28 no.1, 2017년, pp.42 - 48

현승엽 (제주대학교 전기전자통신컴퓨터공학부)

초록
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지하에 매설된 관을 탐지하기 위해 지하탐사레이다(GPR) 신호의 특성을 수치해석으로 조사하였다. GPR 시스템의 송수신부, 지하매질, 유전체로 채워진 플라스틱 관을 시간영역유한차분법(FDTD)으로 모델링하였다. GPR 신호의 양상을 관찰하기 위해서 관의 지름과 관 속에 채워진 물질의 유전율 변화에 따른 FDTD 모의계산을 수행하였다. 유전체로 채워진 플라스틱 관에 의해 산란된 GPR 신호는 관 외부의 전방 볼록면 반사파와 관 내부의 후방 오목면 반사파의 중첩으로 나타났다. 두 파의 진폭, 극성, 지연시간은 플라스틱 관 사이즈와 관 내부 충진 물질의 유전율에 종속되어 있음을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Characteristics of ground-penetrating radar(GPR) signals for detecting buried pipes are investigated numerically. Transmitting and receiving parts of a GPR system, a subsurface soil and a plastic pipe filled with a dielectric material are modeled by using the finite-difference time-domain(FDTD) method. FDTD simulations for observing aspects of GPR signals are performed as a function of the diameter of the pipe and the permittivity of the filling material in the pipe. GPR signals scattered by a dielectric filled pipe appear as a superposition of two waves, such as the specular wave from the front convex surface of the pipe and the axial wave from the rear concave surface of the pipe. We show that the amplitude, the polarity, the delay time of two waves depend on the size of the pipe and the permittivity of the filling material in the pipe.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 지하에 매설된 플라스틱관의 지름과 관 속에 채워진 물질의 유전율에 따른 GPR 신호의 변화양상을 전자파 수치해석으로 조사하고, 신호의 주요 특성을 분석하였다. GPR 신호에서 플라스틱 매설관 외부의 전방 볼록면과 관 내부의 후방 오목면에 의한 산란파의 진폭, 극성, 지연시간의 차이는 관의 지름과 관 속에 채워진 물질의 유전율과 상호 연관성이 있음을 제시하였다.

가설 설정

GPR 문제 상황은 그림 1과 같이 지하에 유전체로 채워진 플라스틱관이 매설되어 있을 경우로 가정하였다. GPR을 지표면을 따라 수평방향으로 이동시키면서 지하로 시간적으로 매우 좁은 펄스 신호를 보내고, 매설관에 의한 산란파를 수신한다.

제안 방법

그래서, 그림 1에서 GPR의 송수신 안테나는 두 개의 전계 E_y성분에 대해서 x축 방향으로 서로 s만큼 떨어져 있고, 지표면으로부터 h위치한 것으로 고려하였다. FDTD 영역의 최외각 경계에서 전자기파의 무반사와 충분한 흡수를 위해서 6층으로 구성된 CPML(Convolution Perfectly Matched Layer)^[10]로 종단시켰다.
GPR을 이용하여 지하에 매설된 플라스틱관의 탐지 가능성을 수치해석으로 조사하였다. 관의 지름과 관 속에 채워진 매질의 유전율 변화에 따른 GPR 신호의 변화 양상을 FDTD 해석한 결과, 다음과 같은 2가지 특성을 알 수 있었다.
이는 마치 축 방향으로 무한길이를 갖는 다이폴(infinite dipole) 안테나와 유사한 역할을 한다. 따라서, 2차원 FDTD상에서는 안테나의 3차원 구조를 직접 모델링하는 대신에 y축 방향으로 선형편파를 갖는 무한길이의 다이폴안테나를 전계 E_y성분으로 모델링하였다. 그래서, 그림 1에서 GPR의 송수신 안테나는 두 개의 전계 E_y성분에 대해서 x축 방향으로 서로 s만큼 떨어져 있고, 지표면으로부터 h위치한 것으로 고려하였다.
그래서, FDTD 계산영역은 ∊_rs = 5인 지하 배경매질을 기준으로 약19분의 1파장에 해당하는 공간간격인 Δx = Δz = 1 cm를 갖는 정사각형 격자로 구성하였다. 따라서, 매설관의 원형 단면은 계단형 근사(staircase approximation)로 모델링하였다. 시간간격은 CFL(Courant-Friedrich-Lewy) 안정조건^[9]을 만족하는 Δt=16.
송수신안테나의 간격 s=10 cm이고, 지표면으로부터 h=2 cm 높이에서 x축 방향으로 1 m에서 4 m까지 10 cm마다 31개의 지점에서 A-scan 탐사자료를 FDTD 모의계산으로 획득하고, 이로부터 하나의 B-scan 탐사자료를 구성하였다.
송신 신호는 그림 2와 같이 주파수 성분이 약 250 MHz에서 최대인 시간영역 미분형 가우시안 펄스(time-domain differential Gaussian pulse) 파형을 인가하였다. 일반적으로 가우시안 펄스신호에서 의미 있는 주파수 성분은 첨두치(peak)의 약 10 %까지 유효하므로, 그림 2와 같은 신호의 최대주파수는 약 700 MHz에 해당한다.
첫 번째 비교 상황은 ∊rs = 5인 지하매질 속에 공기(∊rp =1)로 채워진 플라스틱 관이 지표면으로부터 d=0.5 m 깊이에 지름이 각각 D=20, 40, 60 cm로 매설한 경우이다.

대상 데이터

시간간격은 CFL(Courant-Friedrich-Lewy) 안정조건[9]을 만족하는 Δt=16.7 ps로 선정하였다.

이론/모형

이와는 달리, 시간-공간 영역 상의 맥스웰 방정식을 유한차분 근사로 전자파 수치해석을 수행하는 시간영역유한차분(FDTD, finite-difference time-domain)^[9]법은 한 번의 모의계산으로 광대역 특성을 알아낼 수 있어서 매우 효율적이다. 그래서, 본 논문에서는 GPR 신호의 수치해석을 위해서 FDTD 법을 도입하였다.

성능/효과

관의 지름과 관 속에 채워진 매질의 유전율 변화에 따른 GPR 신호의 변화 양상을 FDTD 해석한 결과, 다음과 같은 2가지 특성을 알 수 있었다. (1) 관의 지름이 증가하거나 관 속을 채운 물질의 유전율이 높을수록 관 상단의 볼록면에 의한 초기반사파와 관 하단의 오목면에 의한 축방향 반사파 사이의 시간차가 커져서 GPR 신호에서 두 파는 시간적으로 분리된다. (2) 관 속을 채운 물질의 유전율이 지하 배경매질의 유전율보다 낮은 경우와 높은 경우에 대한 GPR 신호의 극성은 서로 정반대가 된다.
(1) 관의 지름이 증가하거나 관 속을 채운 물질의 유전율이 높을수록 관 상단의 볼록면에 의한 초기반사파와 관 하단의 오목면에 의한 축방향 반사파 사이의 시간차가 커져서 GPR 신호에서 두 파는 시간적으로 분리된다. (2) 관 속을 채운 물질의 유전율이 지하 배경매질의 유전율보다 낮은 경우와 높은 경우에 대한 GPR 신호의 극성은 서로 정반대가 된다. 따라서, 지하 배경매질의 유전율을 사전에 알고 있으면 GPR 신호의 진폭, 극성, 시간지연의 특성으로부터 매설된 플라스틱 관의 지름과관 속에 채워진 물질에 대한 정보를 알아낼 수 있을 것이다.
본 논문은 지하에 매설된 플라스틱관의 지름과 관 속에 채워진 물질의 유전율에 따른 GPR 신호의 변화양상을 전자파 수치해석으로 조사하고, 신호의 주요 특성을 분석하였다. GPR 신호에서 플라스틱 매설관 외부의 전방 볼록면과 관 내부의 후방 오목면에 의한 산란파의 진폭, 극성, 지연시간의 차이는 관의 지름과 관 속에 채워진 물질의 유전율과 상호 연관성이 있음을 제시하였다.

후속연구

(2) 관 속을 채운 물질의 유전율이 지하 배경매질의 유전율보다 낮은 경우와 높은 경우에 대한 GPR 신호의 극성은 서로 정반대가 된다. 따라서, 지하 배경매질의 유전율을 사전에 알고 있으면 GPR 신호의 진폭, 극성, 시간지연의 특성으로부터 매설된 플라스틱 관의 지름과관 속에 채워진 물질에 대한 정보를 알아낼 수 있을 것이다. 본 연구에서 지하 배경매질을 무손실, 비분산, 균일로 가정하였으나, 실제 지하는 손실, 분산, 비균일 특성을 갖는 경우가 많다.
이로 인하여 매설관 내부의 물질의 특성 파악뿐만 아니라, 매설관 자체의 탐지 가능성도 현저하게 낮아질 것이다. 향후 다양한 지하환경에 대한 FDTD 해석과 측정 실험을 수행하여 관련 내용을 후속 논문으로 제시할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지하를 직접 파헤치지 않고서도 지상에서 비파괴적인 방법으로 매설관의 정보를 얻을 수 있는 방법이 필요한 이유는 무엇인가?	신규 매설관의 재질, 지름, 깊이, 경로 등에 대한 매설정보는 토목공학의 측량법으로 체계적으로 관리하고 있다. 그러나, 기존에 매설된 관은 정보가 없는 경우가 대부분이다. 매설정보가 없는 노후 상하수도관이 손상된 경우에는 수자원 손실과 환경오염을 비롯하여 심각한 경우에는 도로 하부의 갑작스런 함몰로 인한 싱크홀(sinkhole)의 발생으로 확대되기도 한다. 또한, 도로나 지하철 공사 중에 지하를 파헤치다가 인접한 가스관을 잘 못 건드려서 폭발사고가 발생하기도 한다. 따라서, 지하를 직접 파헤치지 않고서도 지상에서 비파괴적인 방법으로 매설관의 정보를 얻을 수 있는 방법이 필요하다.
	금속관 탐지기는 어떠한 방법이 이용되는가?	국내의 지하매설물탐사업체에서는 주로 금속관 탐지기(MPL: Metal Pipe Locator)를 이용하여 금속관의 매설위치와 경로를 알아낸다. 금속관 탐지기는 금속이 존재하면 전자기 유도(electromagnetic induction)에 의해 자계(magnetic field) 패턴이 교란되는 특성을 이용한 방법이다. MPL은 인접한 모든 금속에 대해 반응하기 때문에 금속관 이외의 주변 금속 물체를 구분하지 못한다.
	지하탐사레이다는 어떠한 방법을 사용하는가?	또한, 비금속성분에 대해서는 전혀 반응하지 않기 때문에 비금속관의 탐지는 불가능하다. 이와는 달리, 지하탐사레이다(GPR: Ground-Penetrating Radar)[2],[3]는 전자기파 신호를 광대역안테나를 통해서 지하로 송신하고, 지하로부터 되돌아온 신호를 수신 및 분석하여 지하표적의 위치, 모양, 구성성분 등에 대한 정보를 알아내는 방법이다. GPR의 전자기파 신호는 금속관과 비금속관 모두에 대해 반응한다.

참고문헌 (11)

국토교통부, 국토지반정보 통합 DB구축사업, 국가지반정보 통합DB센터, https://www.geoinfo.or.kr
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현승엽, 김세윤, "목조 건축물의 비파괴 검사를 위한 표면하부 탐사 레이더의 적용 가능성 검토: FDTD 모의계산과 실험 측정", 한국전자파학회논문지, 13(8), pp. 790-796, 2002년 9월.

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오헌철, 조유선, 현승엽, 김세윤, "지하 탐사 레이더를 이용한 누수탐지 가능성 연구", 한국전자파학회논문지, 14(6), pp. 616-624, 2003년 6월.

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현승엽, 김세윤, "지하 탐사 레이더 영상에서 지하의 비균일 클러터 저감을 위한 고유 영상기반 신호처리", 한국전자파학회논문지, 23(11), pp. 1307-1314, 2012년 11월.

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홍진영, 주정명, 한승훈, 오이석, "다양한 주파수 및 토양 조건에서 지뢰 탐지용 지표투과 레이더 수신신호의 수치해석", 한국전자파학회논문지, 23(12), pp. 1412-1415, 2012년 12월.

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현승엽, 김세윤, "매설관 주변 지하 공동 탐지를 위한 지하 탐사 레이다의 모의실험", 한국전자파학회논문지, 27(2), pp. 131-137, 2016년 2월.

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A. Taflove, S. C. Hagness, Computational Electrodynamics: The Finite-Difference Time-Domain Method, 3rd Ed. Boston, MA: Artech House, 2005.
J. A. Roden, S. D. Gedney, "Convolution PML(CPML): an efficient FDTD implementation of the CFS-PML for arbitrary media", Microw. Opt. Technol. Lett., vol. 27, no. 5, pp. 334-339, Dec. 2000.

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D. E. Barrick, "A note on scattering from dielectric bodies by the modified geometrical optics method", IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 16, no. 2, pp. 275-277, Mar. 1968.

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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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