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KR100413831B1 - 지반탐사 레이더 - Google Patents

지반탐사 레이더 Download PDF

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KR100413831B1
KR100413831B1 KR10-2001-0054169A KR20010054169A KR100413831B1 KR 100413831 B1 KR100413831 B1 KR 100413831B1 KR 20010054169 A KR20010054169 A KR 20010054169A KR 100413831 B1 KR100413831 B1 KR 100413831B1
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transmission
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유동욱
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윤동기
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한국전기연구원
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Abstract

본 발명은 지하에 매설되어져 있는 금속 및 비금속 물질의 위치를 비파괴적으로 분석하고 측정할 수 있도록 한 지반탐사 레이더에 관한 것으로, 지표면하의 피탐사체에게 소정의 신호를 입사하는 송신 안테나, 및 상기 피탐사체에게서 반사되어 되돌아오는 반사 신호를 수신하는 수신 안테나로 구성된 안테나; 상기 송신 안테나에게 상기 소정의 신호를 제공하고, 상기 수신 안테나를 통해 수신된 반사 신호를 입력받아 상기 송신 신호와 상기 수신 신호간의 차를 얻는 탐사신호 송수신 수단; 상기 탐사신호 송수신 수단으로부터의 신호에 근거하여 소정의 발진 주파수 제어신호를 생성한 후 상기 탐사신호 송수신 수단에게 전송하고, 상기 탐사신호 송수신 수단으로부터의 신호를 실시간 A/D변환한 후 고속 퓨리에 변환을 하여 그 결과값을 출력하는 디지털 신호 처리 수단; 및 소정의 기능을 포함한 프로그램이 내장되고, 상기 디지털 신호 처리 수단에서 출력되는 결과값에 근거하여 상기 피탐사체에 대한 이미지를 화면상에 디스플레이시키는 정보 제공 수단을 구비함으로써, 지하에 매설된 금속 및 비금속체의 매설 위치를 비파괴적으로 간단히 검사할 수 있다.

Description

지반탐사 레이더{Ground penetration radar}
본 발명은 지반탐사 레이더에 관한 것으로, 보다 상세하게는 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave)를 이용하여 지하에 매설된 금속 및 비금속의 위치를 파악하도록 한 지반탐사 레이더에 관한 것이다.
종래에 지반탐사 레이더를 사용하여 지표면 위에서 지하의 물체를 탐사하는 방법으로는 크게 두 가지로 나눌 수가 있다. 첫 번째로 두 개의 시추공을 뚫어 각각의 시추공에 송·수신 안테나를 넣어 측정하는 방법이 있고, 두 번째로 지표면에 근접하여 전자기파를 지표면이나 구조물 표면으로부터 그 표면 안쪽으로 입사시킨 후, 연속적으로 매질 경계 면에서 반사되어 오는 신호를 수신하는 방법이 있다.
그런데, 전자의 시추공 방법을 사용하였을 경우에는 지표면에 시추공을 뚫어야 하는 단점과 구조상의 안전문제, 시추공을 뚫는 과정에서 지하에 매설되어 있는 공공 시설물(예컨대, 전기, 가스관, 통신 선로 등)이 파괴되는 등의 문제점을 발생시킨다.
그리고, 후자의 두 번째 방법을 사용하였을 경우에는 금속체에 대한 탐지만 가능하고, 근접거리(예컨대, 30cm이내)에서는 탐지가 어렵다는 단점이 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 표토면의 유전율, 표면상태 등의 제한을 극복하고 가탐범위를 넓힐 수 있도록 한 지반탐사 레이더를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 지하에 매설되어져 있는 금속 및 비금속 물질의 위치를 비파괴적으로 분석하고 측정할 수 있도록 한 지반탐사 레이더를 제공함에 있다.
도 1은 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave)방식이 채용된 본 발명의 실시예의 레이더의 주파수와 시간의 관계를 설명하는 그래프,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 지반탐사 레이더의 블록도,
도 3은 도 2에 도시된 안테나부의 구성도,
도 4는 도 2에 도시된 디지털 신호 처리부의 상세 구성도,
도 5는 도 4에 도시된 디지털 신호 처리부의 입력부분을 구성하는 필터의 예를 도시한 도면,
도 6a는 도 4에 도시된 AD변환기의 동작 화면을 나타낸 도면,
도 6b는 도 4에 도시된 DA변환기의 동작 화면을 나타낸 도면,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 지반탐사 레이더에 대한 전체적인 규격을 나타낸 도면,
도 8은 도 4에 도시된 디지털 신호 처리부의 동작을 설명하는 플로우차트,
도 9는 도 8에서 고속 퓨리에 변환 과정을 보다 상세히 설명하는 플로우차트,
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 지반탐사 레이더에 의해 모니터상에 디스플레이되는 탐사 결과 화면 예를 나타낸 도면이다.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 탐사신호 송수신부 11 : 마이크로파 가변 주파수 발진기
12 : 필터 13 : 방향성 결합기
14 : 지연 선로 15 : 증폭기
16 : 믹서 20 : 안테나부
21 : 송신 안테나 22 : 수신 안테나
30 : 디지털 신호 처리부 31 : 저역 통과 필터
32 : 저주파 증폭기 33 : 제어 회로부
34 : 아날로그/디지털 변환부 40 : 컴퓨터
51, 52 : 아날로그 필터 53, 54 : AD변환기
55 : 디지털 신호 프로세서 56, 57 : DA변환기
58 : UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter;범용 비동기 송수신기)칩
59 : MAX232칩
상기와 같은 목적들을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 지반탐사 레이더는, 지표면하의 피탐사체에게 소정의 신호를 입사하는 송신 안테나, 및 상기 피탐사체에게서 반사되어 되돌아오는 반사 신호를 수신하는 수신 안테나로 구성된 안테나; 상기 송신 안테나에게 상기 소정의 신호를 제공하고, 상기 수신 안테나를 통해 수신된 반사 신호를 입력받아 상기 송신 신호와 상기 수신 신호간의 차를 얻는 탐사신호 송수신 수단; 상기 탐사신호 송수신 수단으로부터의 신호에 근거하여 소정의 발진 주파수 제어신호를 생성한 후 상기 탐사신호 송수신 수단에게 전송하고, 상기 탐사신호 송수신 수단으로부터의 신호를 실시간 A/D변환한 후 고속 퓨리에 변환을 하여 그 결과값을 출력하는 디지털 신호 처리 수단; 및 소정의 기능을 포함한 프로그램이 내장되고, 상기 디지털 신호 처리 수단에서 출력되는 결과값에 근거하여 상기 피탐사체에 대한 이미지를 화면상에 디스플레이시키는 정보 제공 수단을 구비한다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 지반탐사 레이더에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 1의 그래프를 참조하여 본 발명의 실시예의 원리에 대해 설명한다.
FMCW에서 송신 주파수는 시간의 함수로 변화한다. 송신 주파수가 시간에 따라 선형적으로 도 1에서와 같이 증가한다고 가정하면, 거리 R만큼 떨어진 곳에 반사체가 존재할 경우 신호는 T=2R/c 시간 후에 귀환된다.
그런데, 이 신호가 다이오드와 같은 비선형 소자를 통하여 송신신호와 헤테로다인(heterodyne)된다면 비트 음부(beat note) fb를 발생하게 된다. 그리고, 도플러 주파수 천이가 존재하지 않는다면 비트 주파수(차주파수)는 표적의 거리를 측정하게 되어 fb=fr이 된다. 여기서, fr은 표적거리에 따른 비트 주파수이다. 반송파 주파수의 변화율을 f0라고 하면 비트 주파수는 다음의 식 1과 같이 된다.
[식 1]
실질적으로, FMCW레이더에서는 주파수가 한쪽 방향으로 끊임없이 변화하는 것이 아니고 삼각파 주파수 변조 파형과 같은 주기성 변조가 필요하다. 그러나, 변조는 반듯이 삼각 파형일 필요는 없으며, 톱니 파형, 정현 파형 또는 다른 어떤 파형도 될 수 있다. 삼각파 변조인 경우 시간의 함수로 되는 비트 주파수는 상기식 1과 같이 된다. 주파수가 Δf범위에서 fm의 비율로 변조된다면 비트 주파수를 측정함으로서 거리 R을 결정할 수 있다. 거리 측정을 할 경우, 주파수 변조한 송신 신호와 목표물까지 전파된 후 되돌아오는 신호의 시간 지연으로 인한 차주파수를 얻고, 이 측정 데이터를 고속 퓨리에 변환(FFT)을 이용하여 거리정보를 얻을 수 있다. 이러한 선형 FMCW 레이더의 거리와 차주파수의 관계식은 다음의 식 2와 같다.
[식 2]
여기서, c는 광속[m/s], R은 물체와의 거리[m],는 대역폭[GHz], epsilon 는 매질의 유전상수이고 T는 소인 시간(sweep time)이다. 여기서, 차 주파수 fb가 일정한 값으로 유지되기 위해서는 전압제어발진기(VCO)의 주파수 변조 특성이 우수하여야 한다. 전압제어발진기 주파수 특성을 평가하는 척도인 선형도(linearity) L은 다음의 식 3과 같이 정의한다.
[식 3]
여기서,와은 변조 주파수 범위 내에서 튜닝 감도의 최대값과 최소값을 각각 나타낸다. 튜닝 감도 S는 단위 제어전압 변화에 대한 출력 주파수 변화의 비. 즉, 전압-주파수 변조 특성 곡선의 기울기를 나타내는 값이다. 그 튜닝 감도 S는 다음의 식 4와 같이 나타내어진다.
[식 4]
상기 식 4에서, 0%의 선형도는 전압-주파수 변조 특성 곡선이 직선임을 의미하며, 양호한 FMCW 레이더 시스템 설계를 위해서는 0.1% 이하의 선형도가 유지되어야 한다.
그리고, 송신된 신호 주파수 Ft및 수신된 신호 주파수 Fr은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Ft=f0+(Br/T)t~~~~~~~~~~~~~~~~~~~0<t<T Ft=f0+Br-(Br/T)(2T-t)~~~~~T<t<2T
그리고
Fr=f0+(Br/T)(t+t)+fd~~~~~~~~~~~0<t<T
Fr=f0+Br-(Br/T)(2T-t-τ)+fd~~~T<t<2T~
여기서 Ft= 송신된 신호 주파수, Fr= 수신된 신호 주파수,Br= 주파수 변조 대역폭, f0= 시간 t=0t에서의 주파수, fd= 도플러 주파수 천이, t = 소인(sweep) 출발로부터의 시간,T= 송수신기의 소인(sweep) 반복 구간, τ = 송신기에서 물체와 후방까지 신호의 경과시간이다. IF 출력 주파수는 속도 Vd에 관해서 이동하는 물체에 대한 주기 T와 2T에서의 차이이다. 이 범위에서 시간지연에 기인한 주파수 천이 fr과 도플러 주파수 fd는 다음의 식 5와 같이 정의된다.
[식 5]
fr=(2R/C)(Br/T)
fd=2Vdf/C
여기서, Vd= 물체의 방사속도, C=전파속도, f=동작 주파수, R=물체의 범위이다. 레이더 송수신기의 범위은 sweeping 대역폭 B_r에 의존하므로 상기 식 5에 근거하여
이 되고, 만약 한 주기에서 하나의 주파수는 ()이므로 이론적 탐지 범위 분해능은
와 같다. 그러므로, 1m 탐지 범위를 얻기 위해서, 이론적인 FM 대역폭은 적어도 150MHz가 요구된다.은 FM 소인(sweep) 대역폭과 FFT 비트(beat) 신호 샘플 간격에 의존하고, 범위 측정의 정확성은 FM 소인(sweep) 선형성에 의존한다. 그러므로, 정확한 거리 정보와 세밀한 분해능(resolution)을 얻기 위해서는 소인(sweep)하는 주파수 대역폭을 넓게 해야 하지만, 일반적인 전압제어발진기(VCO)의 경우 주파수 대역폭이 넓어지면 출력주파수가 제어전압에 선형적인 비례관계를 나타내지 못하므로 거리정보는 정확한 한 지점으로 집중되지 못한다.
이러한 이유로 본 발명에서 사용하는 광대역 주파수 가변 발생기(즉, 마이크로파 가변 주파수 발진기)는 대부분 YIG(이트륨 철 가닛(Yttrium Iron Garnet))를 사용하여 만든다.
상기와 같은 원리를 갖는 본 발명의 실시예에 따른 지반탐사 레이더에 의하면, 전자기파를 지표면이나 구조물의 표면으로부터 그 표면 안쪽으로 입사시킨 후, 연속적으로 매질 경계 면에서 반사되어 되돌아오는 파를 수신하게 된다. 전자기파는 매질 특성이 달라지는 경계 면에서 그 일부가 반사되고 일부는 다른 매질 층으로 투과하여 계속 진행하는데, 이 전자기파의 전파 속도 및 파장은 전자기파가 통과하는 각 매질의 유전상수(Dielectric Constant)에 따라 달라지고 반사특성은 서로 다른 매질간의 유전상수 차에 의존한다. 그러므로, 매질의 특성(유전상수)과 매질을 통과한 시간을 알고 있다면 매질 층의 두께 및 위치를 파악할 수 있고, 매질간 경계면, 내부 균열 또는 공동 등의 존재 여부와 심도, 위치, 규모 등을 밝혀 낼 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 지반탐사 레이더의 블록도로서, 지표면 또는 구조물내의 피탐사체에게 소정의 신호를 입사하는 송신 안테나(21), 및 상기 피탐사체에게서 반사되어 되돌아오는 반사 신호를 수신하는 수신 안테나(22)로 구성된 안테나부(20); 상기 송신 안테나(21)에게 상기 소정의 신호를 제공하고, 상기 수신 안테나(22)를 통해 수신된 반사 신호를 입력받아 상기 송신 신호와 상기 수신 신호간의 차를 얻는 탐사신호 송수신부(10); 상기 탐사신호 송수신부(10)로부터의 신호에 근거하여 소정의 발진 주파수 제어신호를 생성한 후 상기 탐사신호 송수신부(10)에게 전송하고, 상기 탐사신호 송수신부(10)로부터의 신호를 실시간 A/D변환한 후 고속 퓨리에 변환을 하여 그 결과값을 출력하는 디지털 신호 처리부(30); 및 소정의 기능을 포함한 프로그램이 내장되고, 상기 디지털 신호 처리부(30)에서 출력되는 결과값에 근거하여 상기 피탐사체에 대한 이미지를 화면상에 디스플레이시키는 컴퓨터(40)를 구비한다.
상기 탐사신호 송수신부(10)는, 시간에 대하여 선형적으로 변화하는 일정한진폭과 주파수(예컨대, 3∼6GHz의 주파수)를 가진 사인파를 발생시키고 YIG(이트륨 철 가닛; Yttrium Iron Garnet)라는 물질을 사용한 마이크로파 가변 주파수 발진기(11); 상기 마이크로파 가변 주파수 발진기(11)에서 발생되는 고조파성분을 제거하는 저역 통과 필터의 특성을 지닌 필터(12); 상기 필터(12)를 통한 3∼6GHz의 주파수를 분리하여 상기 송신 안테나(21)에게 전달함과 더불어 상기 수신 안테나(22)에서 수신한 반사 신호를 처리하는 회로로 전달하는 방향성 결합기(13); 상기 송신 안테나(21)로부터 송신된 신호가 상기 수신 안테나(22)에서 수신될 때까지의 대략적인 지연시간만큼 발진신호를 지연시켜 수신단에서 송/수신 동기를 맞추도록 하는 지연 선로(14); 상기 수신 안테나(22)에 수신된 반사 신호를 소정 레벨로 증폭하는 증폭기(15); 및 상기 지연 선로(14)를 통해 입력되는 송신 신호와 상기 증폭기(15)를 통해 입력되는 수신 신호와의 차를 만들어내는 믹서(16)를 구비한다.
상기 디지털 신호 처리부(30)는, 입력되는 신호를 AD변환하여 디지털 신호로 만들고 이 신호를 이용하여 상기 컴퓨터(40)에게로 신호를 전달하고, 상기 탐사신호 송수신부(10)의 마이크로파 가변 주파수 발진기(11)의 주파수를 3∼6GHz까지 가변하기 위하여 전원을 가변해 주는 역할을 한다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는 상기 디지털 신호 처리부(30)가 전체 구성에 대한 총괄적인 제어를 담당한다.
상기 디지털 신호 처리부(30)는, 상기 믹서(16)를 거쳐 입력된 신호가 1MHz 이하의 저주파 성분과 소정 GHz대역의 고주파 신호가 혼합되어 있으므로 필요한 신호인 저주파 신호만 통과시키는 저역 통과 필터(31); 상기 저역 통과 필터(31)를 통과한 저주파 신호를 후단에서 신호처리가 가능하도록 소정 레벨로 증폭시키는 저주파 증폭기(32); 송수신 회로간의 동기를 맞춰주고 상기 마이크로파 가변 주파수 발진기(11)의 발진 주파수를 결정해 주는 제어신호(예컨대, 전압성분임)를 가변하여 출력하는 제어 회로부(33); 및 상기 저주파 증폭기(32)에서 출력되는 1MHz 이하의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 상기 컴퓨터(40)에게로 전송하는 아날로그/디지털 변환부(34)를 구비한다.
상기 컴퓨터(40)는 상기 아날로그/디지털 변환부(34)에서의 AD변환을 거쳐 디지털로 변환된 신호를 입력받아 내부에 프로그래밍된 프로그램에 근거하여 화면 표시해 주는 정보 제공 수단이다. 본 발명에서는 상기 컴퓨터(40)는 Boland사의 Delphi(MS사의 Visual Basic과 매우 유사함)라는 프로그램을 사용하여 사용자 인터페이스를 구성하였고, 그 프로그램에 근거하여 현재 수신된 레이더 신호에 대한 최적 결과가 모니터 화면상에 디스플레이된다. 즉, 상기 컴퓨터(40)는 내부적으로 GUI(Graphic User Interface)가 구성되어 있어서 상기 디지털 신호 처리부(30)에서 처리된 후 출력되는 디지털 신호를 입력받아 모니터상에 이미지 처리된 화면을 디스플레이시킨다. 그리고, 상기 컴퓨터(40)에 내장된 프로그램에는 보정 기능, 분해능 조정 기능, 파형 분석 기능 등이 있다.
상기 보정 기능은 상기 디지털 신호 처리부(30)로부터 입력된 신호의 세기를 초기화해주는 기능으로서, 하드웨어의 초기 설정에 중요한 역할을 한다. 물론, 보정 기능없이도 프로그램은 구동되지만 확인하고자 하는 대상물체에 대한 분해능이 떨어지게 되고, 형체를 쉽게 구분하지 못하게 된다. 따라서, 하드웨어를 최초로 구동하여 데이터를 얻을 때 보정 작업이 매우 중요하다.
그리고, 상기 분해능 조정 기능은 모니터상에 출력되는 결과를 단계적으로 조절하여 대상물체의 확인을 보다 쉽게 수행할 수 있도록 처리해 주는 기능이다.
상기 파형 분석 기능은 얻어진 결과를 저장하여 평균을 취하거나 각종 수치연산을 수행하여 최적화된 결과를 얻을 수 있도록 해주는 기능이다. 단순히 실시간으로 파형을 관찰하여 데이터 분석이 어려운 경우에 메모리에 저장한 후 데이터 처리 과정을 해 주어 보다 정확한 결과를 얻도록 한다.
본 발명의 실시예에서는 정보 제공 수단으로서 상기 컴퓨터(40)를 예시하였으나, 노트북 또는 PDA 등과 같은 휴대가능한 기기에서 상기 보정 기능과 분해능 조정 기능 및 파형 분석 기능을 갖춘 프로그램 내장이 가능하고 이미지 처리가 가능하다면 상기 휴대가능한 기기에게까지 적용할 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 안테나부의 구성도로서, 상기 송신 안테나(21) 및 수신 안테나(22)가 안테나부를 구성하게 되는데, 상기 송신 안테나(21)와 수신 안테나(22)의 특성은 동일하다.
도 3에서, SMA 커넥터는 커넥터의 일종으로서, 1GHZ 이하의 주파수에서 사용하는 BNC 커넥터가 3∼6GHz대역에서는 감쇄가 크기 때문에 18GHz까지 사용가능한 SMA 커넥터가 사용된다.
도 3의 안테나부의 경우, 모노폴 안테나 뒷면에 캐비티(cavity)를 씌워 사용하기 때문에 지향성이 한쪽으로만 형성되어 일반 모노폴(monopole)에 비해 이득이 높다.
따라서, 도 3의 안테나부는 cavity-backed monopole 안테나를 사용하여 C밴드(3∼6GHz) 주파수 대역을 만족한다. 상기 cavity-backed monopole 안테나가 사용되는 이유는 subsurface레이더용 안테나는 지표면과 밀접하게 위치시켜서 지반으로 더 많은 에너지를 방사시켜야 하므로 공기중으로는 최소한의 지향성과 전력손실을 가져야 하는데, 상기 cavity-backed monopole 안테나가 이를 해결해 준다. 상기 도 3의 안테나부의 정재파비(SWR)는 실험결과 3∼6GHz대역에서 1:1.5 이하로 나타난다.
그리고, 도 3의 안테나부는 지표면(또는 임의의 구조물의 표면)에서 적어도 2cm 사이의 간격을 가지고 동작한다. 그리해야 되는 이유는 안테나는 표면에 밀착하여 좋은 이동성을 가지고 있어야 하지만, 표면이 항상 평탄한 것만은 아니기 때문에 표면으로부터 일정한 거리에서 안테나가 동작할 수 있게 해야만 한다. 이러한 경우, 공기와 표면 사이에서 비유전율 상수에 의존하는 반사가 생성된다. 이 원하지 않는 반사(즉, 표면 반사)는 안테나 효율을 감소시키는 것 뿐만 아니라 물체를 불확실하게 탐지하므로, 안테나와 지표면(또는 임의의 구조물의 표면) 사이의 간격을 2cm로 하여 이동성을 원활하게 하였다. 그리고, 상기 표면 간격의 의미는 안테나의 성능을 변하게 하고 지표면으로부터 강한 반사를 만들어 물체를 탐지하는 지반탐사 레이더의 능력을 감소시키지만, 지연 선로(14)를 설정하여 최소화시켰다.
도 4는 도 2에 도시된 디지털 신호 처리부의 상세 구성도로서, 상기 디지털 신호 처리부(30)는 데이터 처리속도를 높이기 위해 아날로그 입력단자가 2개의 채널로 구성된다. 상기 아날로그 입력단자1,2에서 입력되는 아날로그 신호는 각각 대응되게 연결된 아날로그 필터(51, 52)로 입력된다. 그 아날로그 필터(51, 52)는 도 2에 도시된 저역 통과 필터(31)의 기능을 수행한다.
상기 아날로그 필터(51, 52)에서 필터링된 저주파 신호는 각각 AD변환기(53, 54)에게로 입력되는데, 상기 아날로그 필터(51, 52)와 상기 AD변환기(53, 54) 사이에는 도 2의 저주파 증폭기(32)가 위치하여야 되지만 이는 일반적인 사항이므로 도 4에서는 상기 저주파 증폭기(32)를 생략하였다.
즉, 상기 디지털 신호 처리부(30)의 입력부는 크게 Anti-Aliasing 특성을 가지는 butter-worth형의 아날로그 필터(51, 52)와 AD변환기(53, 54)로 구성된다. 상기 아날로그 필터(51, 52)는 디지털 시스템의 에일리어싱(Aliasing)을 막아주는 부분으로서, 입력신호와 디지털 시스템의 샘플링 주파수를 고려하여 구성한다. 그에 따라, 본 발명에서는 상기 아날로그 필터(51, 52)의 컷오프(cut-off) 주파수는 상기 탐사신호 송수신부(10)의 출력신호의 최대주파수를 고려하여 2KHz로 한다. 그리고, 상기 Anti-Aliasing 특성을 가지는 butter-worth형의 아날로그 필터(51, 52)는 도 5에 도시된 바와 같이, 저항(R1, R2)과 콘덴서(C1, C2) 및 OP 앰프로 구성시킬 수 있는데, 입력단(Vi)과 출력단(Vo) 사이에 위치한 OP 앰프의 비반전 단자(+)에 상기 저항(R1, R2)을 직렬 접속시키고, 그 OP 앰프의 비반전 단자(+)에 상기 콘덴서(C1)를 접지시키며, 상기 OP 앰프의 출력측 및 상기 저항(R1, R2)의 중간에 상기 콘덴서(C2)를 접속시켜 구성시킬 수 있다.
상기 AD변환기(53, 54)에서 AD변환되어 출력되는 디지털 신호는 디지털 신호프로세서(55)에게로 전송된다. 여기서, 상기 AD변환기(53, 54)의 동작 파형은 도 6a에 예시된 바와 같다. 상기 디지털 신호 프로세서(55)는 고성능이면서 실시간 FFT(고속 퓨리에 변환)와 플로팅(floating) 연산이 가능한 TI사의 TMS320C32-50보드를 사용하여 구성된다. 그 디지털 신호 프로세서(55)에 의해 디지털 필터링 등의 변환작업을 거쳐 UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter; 범용 비동기 송수신기)칩(58) 및 MAX232칩(59)을 통해 사용자 인터페이스수단(40)인 컴퓨터의 시리얼 포트로 연결된다.
그리고, 상기 디지털 신호 프로세서(55)에서 출력되는 신호는 DA변환기(56, 57)에게도 입력되는데, 그 DA변환기(56, 57)는 도 2의 제어 회로부(33)가 된다. 상기 DA변환기(56, 57)는 상기 탐사신호 송수신부(10)의 마이크로파 가변 주파수 발진기(11)의 입력을 발생하는 장치로서, 16비트의 해상도를 가지고 있어 상기 마이크로파 가변 주파수 발진기(11)의 정밀한 주파수 제어가 가능하다. 상기 DA변환기(56, 57)의 동작 파형은 도 6b에 예시된 바와 같다.
그리고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 지반탐사 레이더에 대한 전체적인 규격(예컨대, 방식, 사용 주파수, 측정방법, 측정거리, 안테나 사양, DSP칩의 사양, ADC의 사양, 사용전원, 오차율, 소프트웨어, 스캐닝 포인트 등에 대한 특성)을 나타낸다.
이어, 본 발명의 실시예에 따른 지반탐사 레이더의 동작에 대해 설명하면 다음과 같다.
먼저, 탐사신호 송수신부(10)에서의 동작을 살펴보면, 만약 매질에서 마이크로웨이브의 속도가 알려져 있다면, 양방향 진행속도와 지연시간τ 측정에 의해서 물체의 거리 측정이 가능하다.
즉, 마이크로파 가변 주파수 발진기(11)의 주파수와 수신된 주파수(다른 주파수) 사이의 차이가 시간에 대하여 선형적으로 변화하므로 항상 일정하고 양방향 진행시간τ에 대하여 비례한다. 이것의 결과로서 차 주파수 측정에 대한 방법을 찾을 수 있다.
먼저, 삼각함수 공식을 사용하여 보면:
만약, 마이크로파 가변 주파수 발진기(11)에서 발진되어 필터(12)에서 필터링된 후 방향성 결합기(13)에 의해 송신 안테나(21)를 통해 지표면내로 송신된 신호를 S1이라 하고, 그 지표면내의 피탐사체에서 반사되어 수신 안테나(22)에 수신된 신호를 S2라 하면, 송신된 신호 S1과 수신된 신호S2가 다음과 같이 정의된다. (A1은 일반적으로 A2보다 상당히 크다)
상기 신호 S1과 S2결과를 상술한 삼각함수 공식을 사용하여 계산하면,
여기서, F는 차 주파수(Hz) 이고, s는 물체(m)로부터의 경로의 전체길이이고, c는 광속(m/s),[Hz]이다. 차 주파수 F는 양방향 진행시간에 직선적으로 비례하고, S_3의 진폭은 목표물(즉, 피탐사체)의 반사성에 직선적으로 비례한다. 복합적인 물체들의 경우에는A1A2(라고 가정하면), 차 주파수와 진폭들을 가진 코사인 파 신호들의 합을 얻을 수 있다.
그러므로, 상기 마이크로파 가변 주파수 발진기(11)에서 발진된 기준 신호 S1의 형태에 대하여 방향성 결합기(13)에서 일부 전력을 분리하여 지연 선로(14)를 통해 믹서(16)로 전송한다. 그에 따라, 그 믹서(16)는 아날로그 형태의 반사된 신호 S2로 기준 신호 S1를 곱하고 그 결과로부터 낮은 주파수 성분 S3(차 주파수)를 선택한다.
이후, 상기 믹서(16)에서 만들어진 데이터(즉, 차 주파수)는 디지털 신호 처리부(30)에게로 입력된다.
그에 따라, 그 디지털 신호 처리부(30)의 저역 통과 필터(31)에서는 상기 믹서(16)에서 입력되는 신호가 1MHz이하의 저주파 성분과 GHz대역의 고주파 신호가 같이 혼합되어 있으므로 그중에서 필요한 신호인 저주파 신호만을 통과시킨다. 그 통과된 저주파 신호는 저주파 증폭기(32)에서 소정 레벨 증폭된 후 제어 회로부(33) 및 아날로그/디지털 변환부(34)로 전송된다. 상기 제어 회로부(33)에서는 상기 탐사신호 송수신부(10)의 마이크로파 가변 주파수 발진기(11)의 발진 주파수를 결정해 주는 전압을 가변하여 출력하고, 상기 아날로그/디지털 변환부(34)는 차 주파수와 물체(즉, 지표면하의 피탐사체)의 반사성 값들을 결정하기 위해서 차 주파수 성분 S3의 고속 퓨리에 변환(FFT)하여 물체의 위치를 탐지한다.
도 8의 플로우차트를 참조하여, 상술한 디지털 신호 처리부(30)에서의 동작에서부터 재차 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
상기 믹서(16)로부터의 데이터(아날로그 신호)가 입력되면(단계 S10) 그 입력된 데이터는 도 4의 아날로그 필터(51, 52)에서 필터링된 후 AD변환기(53, 54)에서 실시간으로 샘플링에 의한 디지털 변환된 후 디지털 신호 프로세서(55)에서 FFT(고속 퓨리에 변환)과정을 거치게 된다(단계 S12, S14).
그 후, DA변환기(56, 57)에서 아날로그 변환된 신호가 상기 마이크로파 가변 주파수 발진기(11)에 대한 발진 주파수 제어 신호로 출력되고, 다른 한편으로는 UART칩(58) 및 MAX232칩(59)을 통하여 시리얼로 상기 컴퓨터(40)의 입력부로 전송된다.
그에 따라, 상기 컴퓨터(40)에서는 그 입력된 디지털 값을 기초로 이미지 프로세싱을 하여 모니터에 피탐사체의 이미지를 디스플레이시킨다(단계 S16).
여기서, 상기 FET과정을 거친 값이 상기 컴퓨터(40)의 입력부로 전송되는 과정에 대해서 도 9의 플로우차트를 참조하여 보다 상세히 설명하면, 상기 단계 S12에서 샘플링되어 입력된 값(i)이 기 설정한 사이즈(size, 샘플링 사이즈를 의미함)의 값보다 클 경우(도 9의 단계 S20에서 "No") 그 샘플링되어 입력된 값(i)을 2배로 한 후 재차 고속 퓨리에 변환을 행한다(단계 S22. S24).
만약, 상기 샘플링되어 입력된 값(i)이 기 설정한 사이즈(size)의 값보다 작을 경우(단계 S20에서 "Yes")에는 그 샘플링되어 입력된 값(i)에 근거하여 고속 퓨리에 변환을 한다.
그 고속 퓨리에 변환의 결과값(value)이 "1"보다 작을 경우(단계 S26에서 "Yes")에는 디지털 신호 프로세서(55)에서는 그에 상응하는 신호(즉, 파랑색으로 표시되어야 함을 의미하는 신호)를 UART칩(58) 및 MAX232칩(59)을 통해 상기 컴퓨터(40)에게 전송(단계 S28)하고, 상기 고속 퓨리에 변환의 결과값(value)이 "1"보다 클 경우(단계 S26에서 "No")에는 단계 S30으로 진행하여 그 고속 퓨리에 변환의 결과값(value)이 "2"보다 큰지 작은지를 파악한다.
상기 단계 S30에서, 그 고속 퓨리에 변환의 결과값(value)이 "2"보다 작은 경우에는 디지털 신호 프로세서(55)에서는 그에 상응하는 신호(즉, 노랑색으로 표시되어야 함을 의미하는 신호)를 UART칩(58) 및 MAX232칩(59)을 통해 상기컴퓨터(40)에게 전송(단계 S32)하고, 그 고속 퓨리에 변환의 결과값(value)이 "2"보다 큰 경우에는 디지털 신호 프로세서(55)에서는 그에 상응하는 신호(즉, 빨강색으로 표시되어야 함을 의미하는 신호)를 UART칩(58) 및 MAX232칩(59)을 통해 상기 컴퓨터(40)에게 전송한다(단계 S34).
그에 따라, 상기 컴퓨터(40)에서는 상기 디지털 신호 처리부(30)에서 전송되는 디지털 신호를 입력받아 보정과 분해능 조정 및 파형 분석 등을 통하여 최적의 결과 화면을 모니터상에 이미지지 형태로 디스플레이시킨다(도 10 참조). 도 10의 경우, 이미지 출력이 가능한 프로그램(즉, 보정 기능, 분해능 조정 기능, 파형 분석 기능이 수록된 프로그램)이 내장된 상기 컴퓨터(40)를 구동하여 플라스틱으로 구성된 플라스틱 지뢰(M14), 금속공, 금속 파이프를 젖은 모래로 채워진 상자에 10cm 깊이에 묻어두고 측정한 결과이다. 주변의 영향은 고려하지 않았으며, 상기 프로그램은 최초에 보정 작업을 거친 후 측정하였다. 그 측정 결과 플라스틱보다는 금속에서 강한 신호가 탐지되고, 금속 파이프의 경우에는 다른 물체보다 깊게 묻혀 있음에도 불구하고 더 강한 신호가 탐지되었다. 그리고, 금속 탐지기에서 찾을 수 없었던 플라스틱 물체도 검출이 가능함을 알 수 있다.
이상 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 지연 선로를 설정하여 표면 반사를 최소화시킴으로써 지하 구조의 영상 분해능이 향상되고, 토양의 깊이에 따른 신호의 감쇄 현상을 고속 퓨리에 변환을 이용하여 최대한 보상해 줌으로써,지하에 매설된 금속 및 비금속체의 매설 위치를 비파괴적으로 간단히 검사할 수 있다.
그리고, 상술한 본 발명은 비파괴 검사장비, 플라스틱 지뢰 탐사, 건축물 구조 진단, 단거리 레이더 시스템, 이미징 시스템 등에 응용이 가능하다.
한편, 본 발명은 상술한 실시예로만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 수정 및 변형하여 실시할 수 있고, 그러한 수정 및 변형이 가해진 기술사상 역시 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

Claims (9)

  1. 지표면하의 피탐사체에게 소정의 신호를 입사하는 송신 안테나, 및 상기 피탐사체에게서 반사되어 되돌아오는 반사 신호를 수신하는 수신 안테나로 구성된 안테나;
    시간에 따라 선형적으로 변하는 일정한 진폭과 주파수를 갖는 신호를 발진하도록 이트륨 철 가닛(YIG)을 사용하는 마이크로파 가변 주파수 발진기, 상기 마이크로파 가변 주파수 발진기에서 발생되는 고조파성분을 제거하는 필터, 상기 필터를 통한 송신 신호를 분리하여 상기 송신 안테나에게 전달함과 더불어 상기 수신 안테나에서 수신한 반사 신호를 처리하는 회로로 전달하는 방향성 결합기, 상기 방향성 결합기에서 제공되는 송신 신호를 소정시간 지연시키는 지연 선로, 및 상기 지연 선로로부터의 송신 신호와 상기 수신 안테나로부터 입력되는 수신 신호와의 차를 만들어내는 믹서로 구성된 탐사신호 송수신 수단;
    상기 믹서로부터 입력되는 신호중 저주`파 신호만을 통과시키는 저역 통과 필터; 상기 복수의 저역 통과 필터를 통한 저주파 신호를 디지털 신호로 변환하는 AD변환기; 상기 디지털 신호를 입력받아 고속 퓨리에 변환을 하여 그 결과값을 상기 정보 제공 수단에게로 송신하는 디지털 신호 프로세서; 및 상기 디지털 신호 프로세서로부터의 신호에 근거하여 발진 주파수 제어신호를 생성한 후 상기 마이크로파 가변 주파수 발진기에게 제공하는 제어 회로부로 구성된 디지털 신호 처리 수단; 및
    소정의 기능을 포함한 프로그램이 내장되고, 상기 디지털 신호 처리 수단에서 출력되는 결과값에 근거하여 상기 피탐사체에 대한 이미지를 화면상에 디스플레이시키는 정보 제공 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 지반탐사 레이더.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 안테나는 일정한 동작 주파수대역을 만족하고 상기 지표면과의 간격을 일정하게 유지하는 후치 용기(cavity-backed)형의 모노폴 안테나인 것을 특징으로 하는 지반탐사 레이더.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 안테나가 만족하는 일정한 동작 주파수대역은 3∼6GHz이고, 상기 지표면과의 간격은 2cm인 것을 특징으로 하는 지반탐사 레이더.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 정보 제공 수단에 내장된 프로그램에는 상기 디지털 신호 처리 수단으로부터 입력된 신호의 세기를 초기화해 주는 보정 기능, 모니터상에 출력되는 결과를 단계적으로 조절하여 상기 피탐사체의 확인이 쉽게 수행되도록 처리해 주는 분해능 조정 기능, 및 상기 디지털 신호 처리 수단으로부터의 결과값을 저장한 후 평균 계산 및 각종 수치 연산을 수행하여 최적화된 결과를 얻는 파형 분석 기능이 갖추어진 것을 특징으로 하는 지반 탐사 레이더.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 정보 제공 수단의 모니터상에 디스플레이되는 이미지는 금속체, 비금속체에 대한 이미지인 것을 특징으로 하는 지반 탐사 레이더.
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