[논문]지하 환경 감시를 위한 자기공명 기반 모니터링 방법의 타당성 연구

류동우; 이기송; 김은희; 염병우

doi:10.7474/tus.2018.28.6.596

[국내논문] 지하 환경 감시를 위한 자기공명 기반 모니터링 방법의 타당성 연구
A experimental Feasibility of Magnetic Resonance Based Monitoring Method for Underground Environment 원문보기

터널과 지하공간: 한국암반공학회지 = Tunnel and underground space, v.28 no.6, 2018년, pp.596 - 608

류동우 (한국지질자원연구원) , 이기송 (충북대학교) , 김은희 (한국전자통신연구원) , 염병우 (한국지질자원연구원)

초록
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도시 기반시설이 노후화됨에 따라 도시 재난 발생 가능성이 증가하고 있다. 특히, 하수관로, 상수도관망, 지하철 등 노후화된 지하 시설물은 도심지 지반함몰을 유발하는 잠재적 원인이 된다. 도심지 지반함몰은 토양 침식 혹은 유실로 인해 생성된 지하 공동이 확장하여 지역적이고 갑작스런 지반 붕괴까지 이르는 현상으로 정의할 수 있다. 이는 석회암과 같은 용해성 암반에서 발생하는 싱크홀과는 구분된다. 지반 거동과 관련된 전통적인 계측 방식은 좁은 측정 범위와 각 센싱 지점에서의 계측값을 제공하기 때문에 불특정 다수 지역에서 발생할 수 있는 지반함몰 감시체계로서 한계가 있다. 따라서, 도시에 발생하는 지하 공동에 의한 지반함몰을 예방하기 위한 감시체계로서는 적절하지 않으며 지반 내 물리적 환경변화를 감시할 수 있는 새로운 상시 영역 감시 기술이 필요하다. 본 연구에서는 비방사 유도 자기장(자기공명) 기반 감시 체계의 기술적 타당성을 실험적으로 검토하였다. 공기, 물, 흙 등 매질과 공진 주파수, 임피던스 그리고 송 수신기 거리 등과 같은 환경변수에 따른 경로 손실 변화를 측정하는 방식으로 이루어졌다. 이론적으로 자기장의 전달 특성은 매질의 밀도와 독립된 것으로 알려졌으나, 실험 결과 매질의 조건에 따라 경로 손실에 의미있는 차이를 보이는 것으로 나타났다. 또한, 매질의 물리적 환경변화에 따라 경로손실보다는 반사계수가 명확한 차이를 보였으며, 입력 반사계수가 출력 반사계수에 비해 보다 판별이 용이한 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

As urban infrastructure is aging, the possibility of accidents due to the failures or breakdowns of infrastructure increases. Especially, aging underground infrastructures like sewer pipes, waterworks, and subway have a potential to cause an urban ground sink. Urban ground sink is defined just as a local and erratic collapse occurred by underground cavity due to soil erosion or soil loss, which is separated from a sinkhole in soluble bedrock such as limestone. The conventional measurements such as differential settlement gauge, inclinometer or earth pressure gauge have a shortcoming just to provide point measurements with short coverage. Therefore, these methods are not adequate for monitoring of an erratic subsidence caused by underground cavity due to soil erosion or soil loss which occurring at unspecified time and location. Therefore, an alternative technology is required to detect a change of underground physical condition in real time. In this study, the feasibility of a novel magnetic resonance based monitoring method is investigated through laboratory tests, where the changes of path loss (S21) were measured under various testing conditions: media including air, water, and soil, resonant frequency, impedance, and distances between transmitter (TX) and receiver (RX). Theoretically, the transfer characteristic of magnetic field is known to be independent of the density of the medium. However, the results of the test showed the meaningful differences in the path loss (S21) under the different conditions of medium. And it is found that the reflection coefficient showed the more distinct differences over the testing conditions than the path loss. In particular, input reflection coefficient (S11) is more distinguishable than output reflection coefficient (S22).

Keyword

표/그림 (18)

표 Table 1. Classification of subsidence
그림 Fig. 1. System model for a magnetic resonant WPT system
그림 Fig. 2. Equivalent circuit of a magnetic resonant WPT system
표 Table 2. Magnetic permeability and conductivity of various materials
그림 Fig. 3. MI coil deployment in the underground environment (Tan et al., 2015)
그림 Fig. 4. Received signal strength in underground environment with different VWC (Tan et al., 2015)
표 Table 3. Comparison of power transfer efficiency at air and salt water over frequency range (Askari et al., 2015)
그림 Fig. 5. Helical type coils and soil tank for the test
그림 Fig. 6. S21 parameter against distance between antenna coils, frequency and medium
그림 Fig. 7. Distribution of magnetic fields for the magnetic resonant wireless power transfer (WPT)
그림 Fig. 8. Relative positions of soil tank to antenna coils
그림 Fig. 9. Variations of S11 and S22 parameters over distance at f=4 MHz
표 Table 4. S21 values according to relation position of soil tank and frequency
그림 Fig. 10. Variations of S11 and S22 parameters over distance at f=6.78 MHz
그림 Fig. 11. Variations of S11 and S22 parameters over distance at f=12 MHz
그림 Fig. 12. Variations of S11 and S22 parameters over distance at f=4 MHz
그림 Fig. 13. Variations of S11 and S22 parameters over distance at f=8 MHz
표 Table 5. Requirements for the magnetic resonance-based ground sink monitoring system

AI 본문요약
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문제 정의

이를 위해 공기, 물, 흙 등 매질과 공진 주파수, 임피던스 그리고 송･수신 코일 안테나간 거리 등과 같은 안테나 변수에 따른 경로 손실 변화를 측정하는 방식으로 실내 실험을 수행하고, 경로손실 S21 및 반사계수 S11와 S22의 변화를 분석한다. 또한, 실험 결과로부터 상시･영역 감시체계로서의 자기공명 기반 체계 제원을 제시하고자 한다.
, 2000; Jang & Jovanovic, 2003). 이 기술은 송신 코일 안테나에 교류 전류가 흐르면 발생하는 자력선이 근접한 수신 코일 안테나에 전달되어, 전류와 전압을 유도하는 원리를 이용한 것이다. 전자기 유도 방식은 수 cm 이내의 짧은 거리에서만 사용이 가능하며, 송･수신 코일 안테나간 거리 및 상대적 위치에 민감하여 거리가 약간만 떨어지거나 틀어져도 전송 효율이 급감하는 단점이 있다.
본 연구에서는 고주파수 대역에서의 자기공명 신호 전달 특성의 변화로부터 지반 내 물리적 환경 변화를 상시･영역적으로 감시할 수 있는지를 확인하기 위해 실내 실험을 수행하였다. 공기, 물, 토양 등을 포함하는 다양한 매질, 공진 주파수, 정합, 송･수신 안테나 거리 등 다양한 환경변수에 대해 경로손실 S21 및 반사계수 S11과 S22 변화를 실내 실험을 통해 측정하였다.
본 연구에서는 최근 무선전력전송 기술에서 채택되고 있는 자기공명방식 기술과 관련 이론을 살펴보고, 지반 환경 변화에 대한 상시･영역 감시체계로서의 활용가능성에 대한 기술적 타당성을 검증하고자 한다. 이를 위해 공기, 물, 흙 등 매질과 공진 주파수, 임피던스 그리고 송･수신 코일 안테나간 거리 등과 같은 안테나 변수에 따른 경로 손실 변화를 측정하는 방식으로 실내 실험을 수행하고, 경로손실 S21 및 반사계수 S11와 S22의 변화를 분석한다.

가설 설정

자기장이 코일 안테나 주변에 모이는 사실을 근거로 ‘코일 안테나 주변에 표준사 박스를 위치시킬 때 측정된 S21이 공기 중에서 측정된 S21과 가장 큰 차이를 보일 것’이라는 가설을 세우고, 이를 실험을 통해 검증하고자 한다.

제안 방법

본 연구에서는 최근 무선전력전송 기술에서 채택되고 있는 자기공명방식 기술과 관련 이론을 살펴보고, 지반 환경 변화에 대한 상시･영역 감시체계로서의 활용가능성에 대한 기술적 타당성을 검증하고자 한다. 이를 위해 공기, 물, 흙 등 매질과 공진 주파수, 임피던스 그리고 송･수신 코일 안테나간 거리 등과 같은 안테나 변수에 따른 경로 손실 변화를 측정하는 방식으로 실내 실험을 수행하고, 경로손실 S21 및 반사계수 S11와 S22의 변화를 분석한다. 또한, 실험 결과로부터 상시･영역 감시체계로서의 자기공명 기반 체계 제원을 제시하고자 한다.
5). 또한, 본 실험에서는 매질 특성에 따른 전달계수 변화를 확인하고, 자기장 기반의 공동 센서를 구축할 때 가장 유리한 주파수 대역을 선정하고자 벡터 네트워크 분석기(Keysight사의 E5071C) 장비를 사용했다. 벡터 네트워크 분석기는 2-port 테스트 대상 장치(DUT, device under test)의 주파수에 대한 입력전압 대 출력전압의 비(S 파라미터)를 측정하기 위해 사용되는 장비이다.
송･신 코일 안테나(Tx 및 Rx)의 각 임피던스 측정 후, 자체 유도계수 L(inductance) 값에 대응되도록 전기용량C(capacitance)를 조정하여 공진을 수행하였다. 공진된 조건에서 매질변화, 즉 실험환경 변화에 따라 입력전압(Tx) 대비 출력전압(Rx)의 비인 경로손실(path loss) S21을 측정하는 방식으로 자기공명 신호 전달 특성 실험을 수행하였다.
송･신 코일 안테나(Tx 및 Rx)의 각 임피던스 측정 후, 자체 유도계수 L(inductance) 값에 대응되도록 전기용량C(capacitance)를 조정하여 공진을 수행하였다. 공진된 조건에서 매질변화, 즉 실험환경 변화에 따라 입력전압(Tx) 대비 출력전압(Rx)의 비인 경로손실(path loss) S21을 측정하는 방식으로 자기공명 신호 전달 특성 실험을 수행하였다. 환경변수로는 주파수(4 MHz, 8 MHz, 12 MHz), 매질(공기, 표준사), 송･수신 코일 안테나간 거리 등을 고려하였다.
공진된 조건에서 매질변화, 즉 실험환경 변화에 따라 입력전압(Tx) 대비 출력전압(Rx)의 비인 경로손실(path loss) S21을 측정하는 방식으로 자기공명 신호 전달 특성 실험을 수행하였다. 환경변수로는 주파수(4 MHz, 8 MHz, 12 MHz), 매질(공기, 표준사), 송･수신 코일 안테나간 거리 등을 고려하였다.
하지만, 실험 결과에서는 오히려 송･수신 코일 안테나간 거리가 늘어날수록 차이가 커지는 현상을 확인하였다. 이 현상의 원인을 파악하기 위해서 이종 매질의 상대적 위치 변화를 통해 신호전달 특성 인자를 분석하였다.
신호 전달 특성 비교를 위해 기준치로서 공기 중 S21과 이종매질로 설정한 토조 위치를 Fig. 8과 같이 변화시키면서 S21을 측정하였다.
송･수신 코일 안테나간 거리는 60 cm로 고정하였으며, 각각 40×30×50 cm3와 40×15×50 cm3의 토조에 표준사를 채워서 이종 매질을 구성하였다.
의 토조에 표준사를 채워서 이종 매질을 구성하였다. 또한, 공진 주파수를 맞추기 위해 코일 안테나의 자체 유도계수 L값에 따라 적합한 전기용량C를 구하여 직렬로 연결하였다. Case 1은 안테나 사이의 중앙에 폭 30 cm의 토조를 위치시켰으며, Case 2는 송신 코일 안테나 바로 앞에 폭 30 cm의 토조를 위치시켰다.
또한, 공진 주파수의 영향을 살펴보기 위해서 서로 다른 4개의 공진 주파수 대역에서 S21을 이종 매질의 상대 위치별로 측정하였다. 실험 결과로부터 6.
78 MHz에서는 가설과 동일한 결과를 보임을 확인할 수 있었으나, 4 MHz, 8 MHz, 12 MHz 등의 주파수에서는 가설과 동일하지 않은 결과를 보였다(Table 4). 이 원인을 파악하기 위해 스미스 차트(Smith chart) 상에서 송･수신 코일 안테나의 반사계수 S11과 S22를 확인하였다(Fig. 9~Fig. 10).
주파수 대역별 송･수신 코일 안테나간 거리에 따른 반사계수 S11과 S22의 변화 특성을 살펴보기 위해 토조를 송･수신 안테나의 중앙에 위치시킨 후 송･수신 코일 안테나간 거리를 32 cm, 40 cm, 50 cm, 60 cm로 변화시키며 측정하였다.
본 연구에서는 고주파수 대역에서의 자기공명 신호 전달 특성의 변화로부터 지반 내 물리적 환경 변화를 상시･영역적으로 감시할 수 있는지를 확인하기 위해 실내 실험을 수행하였다. 공기, 물, 토양 등을 포함하는 다양한 매질, 공진 주파수, 정합, 송･수신 안테나 거리 등 다양한 환경변수에 대해 경로손실 S21 및 반사계수 S11과 S22 변화를 실내 실험을 통해 측정하였다.

대상 데이터

주문진 표준사가 담긴40×30×50 cm3의 박스형 기구물을 이용하여 매질을 구성하였다(Fig. 5).
자기장 신호 전달 특성 실험을 위한 송･수신 코일 안테나는 리츠 와이어(Litz wire, NELD1725/48SPSN)를 피치 0.5 cm, 외부지름 30 cm인 Spiral type 기구물에 6회 감아서 제작하였다. 주문진 표준사가 담긴40×30×50 cm³의 박스형 기구물을 이용하여 매질을 구성하였다(Fig.

성능/효과

수식에서 알 수 있듯이 두 공진기 사이의 상호 인덕턴스는 매질의 투자율(μ)뿐만 아니라 매질의 전도율(σ)에도 영향을 받는 것을 알 수 있다. 또한, 주파수가 높아질수록 매질의 투자율과 전도율의 차이가 커져 매질에 따른 자기장 세기의 차이가 커짐을 예상할 수 있다.
서로 다른 함수율(volume water contents, VWC)을 갖는 토양에서 거리에 따른 자기장 신호의 세기를 측정한 결과, 함수율이 클수록 자기장 신호의 세기가 작아짐을 확인할 수 있었다(Fig. 4). 또한, 함수율에 따른 자기장 세기는 10~20 dBm까지 큰 차이를 보였다.
그러나, 이론적으로는 송･수신 코일 안테나 간 거리가 줄어들수록 흙을 통과하는 자기장의 비율이 커지며, 이로 인해 공기와 흙에서의 S21 차이가 커져야 한다. 하지만, 실험 결과에서는 오히려 송･수신 코일 안테나간 거리가 늘어날수록 차이가 커지는 현상을 확인하였다. 이 현상의 원인을 파악하기 위해서 이종 매질의 상대적 위치 변화를 통해 신호전달 특성 인자를 분석하였다.
실험을 통해 얻은 공진 상태에서 자기장 분포는 송･수신 코일 안테나 근처에 집중되는 것을 확인할 수 있다(Fig. 7).
또한, 공진 주파수의 영향을 살펴보기 위해서 서로 다른 4개의 공진 주파수 대역에서 S21을 이종 매질의 상대 위치별로 측정하였다. 실험 결과로부터 6.78 MHz에서는 가설과 동일한 결과를 보임을 확인할 수 있었으나, 4 MHz, 8 MHz, 12 MHz 등의 주파수에서는 가설과 동일하지 않은 결과를 보였다(Table 4). 이 원인을 파악하기 위해 스미스 차트(Smith chart) 상에서 송･수신 코일 안테나의 반사계수 S11과 S22를 확인하였다(Fig.
이 주파수 대역에서도 가설과 같이 Case 3 > Case 2 > Case 4 > Case 1 순으로 기준 환경과의 차이를 확인할 수 있었다. 따라서 각 Case 별 경로손실 S21은 기준 환경에서 측정된 경로손실과 비교했을 때 주파수에 따라서 가설과 다른 결과를 보였지만, 스미스 차트 상에서 반사계수인 S11과 S22는 기준 환경과 비교했을 때 모든 주파수 대역에서 가설과 같은 결과를 확인할 수 있었다.
12와 같다. 앞선 경로손실 S21의 측정결과와 비교했을 때, 송･수신 코일 안테나간 거리가 줄어들수록 흙을 통과하는 자기장의 비율이 증가하여 매질의 특성으로 인한 반사계수 S11과 S22의 차이가 커짐을 확인할 수 있다.
이 결과에서도 송･수신 코일 안테나간 거리가 줄어들수록 이종매질인 토조의 영향에 따른 반사계수 차이가 커졌다. 또한, 저주파수(4 MHz) 대역일 때보다는 고주파수(8 MHz) 대역에서 토조의 영향에 따른 반사계수 차이가 커지는 경향을 보였다.
매질 변화에 따른 자기공명 신호 전달 특성 실험 결과는 자기공명 기반 모니터링 체계가 지반 내 물리적 환경변화 감지 분야에 적용될 수 있는 가능성을 확인하였으며, 계측 물리량으로서 경로손실 S21보다는 반사계수인 S11과 S22를 이용하는 것이 보다 적합함을 확인하였다.
실험 결과로부터 i) 공진 주파수가 높을수록, ii) 자기장이 통과하는 구간의 변화된 매질의 비율이 높을수록, iii) 변화된 매질이 송신 및 수신 안테나 주변에 발생할수록 반사계수의 차이가 증가함을 확인하였다. 이는 공진 주파수 뿐만 아니라 매질 전도성, 이종매질의 상대위치 등 매질과 관련한 인자들이 자기공명신호 전달 특성에 영향을 미친다는 것을 의미한다.
이는 공진 주파수 뿐만 아니라 매질 전도성, 이종매질의 상대위치 등 매질과 관련한 인자들이 자기공명신호 전달 특성에 영향을 미친다는 것을 의미한다. 또한, 경로손실 S21보다는 반사계수 S11과 S22가 지반 내 물리적 환경 변화를 감시하기 위한 계측 대상 물리량으로 적합함을 확인하였다. 또한, 실내 실험 결과를 토대로 상시･영역 감시를 위한 자기공명 기반 체계 제원을 마련할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	도심지 지반함몰의 정의는 무엇인가?	특히, 하수관로, 상수도관망, 지하철 등 노후화된 지하 시설물은 도심지 지반함몰을 유발하는 잠재적 원인이 된다. 도심지 지반함몰은 토양 침식 혹은 유실로 인해 생성된 지하 공동이 확장하여 지역적이고 갑작스런 지반 붕괴까지 이르는 현상으로 정의할 수 있다. 이는 석회암과 같은 용해성 암반에서 발생하는 싱크홀과는 구분된다.
	노후화된 지하 시설물은 무엇의 잠재적 원인이 되는가?	도시 기반시설이 노후화됨에 따라 도시 재난 발생 가능성이 증가하고 있다. 특히, 하수관로, 상수도관망, 지하철 등 노후화된 지하 시설물은 도심지 지반함몰을 유발하는 잠재적 원인이 된다. 도심지 지반함몰은 토양 침식 혹은 유실로 인해 생성된 지하 공동이 확장하여 지역적이고 갑작스런 지반 붕괴까지 이르는 현상으로 정의할 수 있다.
	도심지 지반함몰은 무엇과 구분되는가?	도심지 지반함몰은 토양 침식 혹은 유실로 인해 생성된 지하 공동이 확장하여 지역적이고 갑작스런 지반 붕괴까지 이르는 현상으로 정의할 수 있다. 이는 석회암과 같은 용해성 암반에서 발생하는 싱크홀과는 구분된다. 지반 거동과 관련된 전통적인 계측 방식은 좁은 측정 범위와 각 센싱 지점에서의 계측값을 제공하기 때문에 불특정 다수 지역에서 발생할 수 있는 지반함몰 감시체계로서 한계가 있다.

참고문헌 (10)

Askari, A. R. Stark, J. Curran, D. Rule, K. Lin, Underwater wireless power transfer, Wireless Power Transfer Conference (WPTC), 2015 IEEE, pp. 1-4.
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상세보기
Jang, Y. T. and M. M. Jovanovic, 2003, A contactless electrical energy transmission system for portable-telephone battery chargers, IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 50, no. 3, pp. 520-527.

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상세보기
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상세보기
McSpadden, J. and J. Mankins, 2002, Space solar power programs and microwave wireless power transmission technology, IEEE Microw. Mag., vol. 3, no. 4, pp. 46-57.

상세보기
Sun, Z. and I. F. Akyildiz, 2010, Magnetic induction communications for wireless underground sensor networks, IEEE Trans. Antenna Propag., vol. 58, no. 7, pp. 2426-2435.

상세보기
Tan, X., Z. Sun, and I. F. Akyildiz, A testbed of magnetic induction-based communication system for underground applications, IEEE Antennas Propag. Mag., [Online]. Available: http://arxiv.org/abs/1503.02519

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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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