[논문]지하투과레이더를 이용한 이상구간 평가 시 안테나 지향성의 영향

강성훈; 이종섭; 이성진; 박영곤; 홍원택

doi:10.7843/kgs.2017.33.11.21

지하투과레이더를 이용한 이상구간 평가 시 안테나 지향성의 영향
The Effect of Directivity of Antenna for the Evaluation of Abnormal Area Using Ground Penetrating Radar 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.33 no.11, 2017년, pp.21 - 34

강성훈 (고려대학교 건축사회환경공학부) , 이종섭 (고려대학교 건축사회환경공학부) , 이성진 (한국철도기술연구원, 광역도시교통연구본부) , 박영곤 (한국철도기술연구원, 광역도시교통연구본부) , 홍원택 (고려대학교 건축사회환경공학부)

초록
AI-Helper

지하투과레이더 신호는 같은 대상지반에 대하여 탐사를 수행하더라도 안테나의 지향성에 따라 신호의 진폭이 다르게 측정될 수 있으므로 이상구간 평가 시 안테나의 지향성을 고려하여야 한다. 본 논문의 목적은 전자기파의 반사특성분석을 통하여 안테나의 지향성을 조사하고, 지향성에 따른 이상구간의 검측이 가능한 각도의 유효범위를 평가하는 것이다. 지향성 측정을 위하여 원형의 금속봉을 반사체로 설정하고 전자기파의 E-평면(E-plane)과 H-평면(H-plane)에 대하여 안테나와 이루는 각도와 거리를 조절하며 반사파를 측정하였다. 측정된 반사파의 분석을 통하여 안테나에 대한 영역의 경계를 설정하였으며, 근거리장 및 원거리장 영역에서 각각 서로 거리가 다른 두 지점을 설정하여 근거리장 및 원거리장 영역에서의 방사 패턴을 조사하였다. 방사 패턴 측정 결과, 근거리장에서는 E-평면 및 H-평면 모두 최소 $50^{\circ}$ 이상의 구간에서 부엽이 나타나 주엽 방향 및 부엽 방향에 대하여 지향성을 보인 반면, 원거리장에서는 주엽 방향에 대해서만 지향성을 보였다. 근거리장 영역에서는 반사파의 진폭이 변동을 보이긴 하나 반사파와 잡음의 구분이 가능하여 분석의 신뢰도가 높은 반면 원거리장 영역에서는 반사파의 진폭은 안정된 모습을 보였으나 전자기파손실이 크기 때문에 반사파와 잡음의 구분이 어려워 분석의 신뢰도가 낮을 것으로 판단되었다. 본 연구에서 수행된 근거리장과 원거리장에서의 지향성 평가는 도심지와 같이 임의의 위치 및 깊이에 존재할 수 있는 이상구간 평가시 신뢰도 향상에 활용될 수 있음을 보여준다.

Abstract ▼ AI-Helper

The ground penetrating radar (GPR) signal can be measured with different amplitudes according to the directivity, so the directivity of the antenna should be considered. The objective of this study is to investigate the directivity of antenna by analyzing the reflection characteristics of electromagnetic waves radiated from the antenna, and to evaluate effective range of angle that can inspect an abnormal area according to the directivity of antenna. For the measurement of the directivity, a circular metal bar is used as reflector and the signals are measured by changing the angle and the distance between reflector and antenna in the E- and H-plane. The boundary distance between the near field and the far field is determined by analyzing the amplitudes of reflected signals, and two points with different distances from each of near and far fields are designated to analyze radiation patterns in near and far fields. As a result of radiation pattern measurement, in the near field, minor lobes are observed at angle section at more than $50^{\circ}$ in both E- and H-plane. Therefore, antenna has the directivity for the direction of main lobe and minor lobes in near field. In the far field, antenna has the directivity for a single direction of main lobe because minor lobes are not observed. The amplitude of the signal reflected from the near field is unstable, but it can be distinguished from noise. Therefore, in the near field, the ground anomaly can be detected with high reliability. On the other hand, the amplitude of the signal reflected from the far field is stable, but it is hard to distinguish between reflected signal and noise because of the excessive loss of electromagnetic wave. The analyses of directivity in the near and the far fields performed in this study may be effectively used to improve the reliability of the analyses of abnormal area.

주제어

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	도심지 지반 이완현상의 주된 발생사유는?	, 2005). 도심지 지반 이완현상은 지반 내에 매설된 시설물의 노후화 및 파손에 의하여 발생하는 토사유출이 주된 발생사유이므로 도심지 내 매설물이 존재하는 임의의 위치에서 발생할 수 있다(Kwak et al., 2015).
	비파괴 탐사법의 장점은?	도심지 지반의 이상구간은 진행 초기에 육안으로 식별하기에 어려우며, 발생규모 대비 막대한 피해를 야기할 수 있으므로 이를 사전에 조사할 수 있는 방법에 대한 연구가 요구된다. 지반 이상구간 조사방법 중 비파괴 탐사법은 원위치 관입시험법에 비하여 상대적으로 소요 시간이 짧고, 넓은 범위의 지반에 대한 조사가 가능하다는 장점이 있으므로 시험공간 및 소요시간이 한정된 도심지에 대한 적용성이 우수하다.
	안테나의 지향성을 구분하는 방법은?	안테나의 지향성은 안테나와 반사체가 이루는 각도에 따른 측정된 신호의 진폭 분포를 좌표계에 나타낸 방사 패턴(radiation pattern)을 통하여 평가할 수 있다. 방사 패턴이 특정 방향에 대하여 강한 진폭의 분포를 나타낼 경우, 안테나는 해당 방향에 대하여 더 높은 지향성을 보인다고 할 수 있다. 안테나의 방사 패턴에서 비교적 윤곽이 명확한 둥근 돌출부 하나를 엽(lobe)이라고 지칭하며 엽 중 최대의 진폭 분포를 보이는 엽을 주엽(main lobe), 주엽 이외의 엽을 통틀어 부엽(minor lobe)이라고 한다(Stutzman and Thiele, 2012).

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