Development of GPR System for Landmine Detection by Using Optical Electric Field Sensor

(1)

광전계센서를 이용한 지뢰탐지 GPR 시스템 개발 연구

조성준¹⁾* ․ Ryohey Tanaka²⁾․ Motoyuki Sato²⁾․ 김정호¹⁾

Development of GPR System for Landmine Detection by Using Optical Electric Field Sensor

Seong-Jun Cho

*

, Ryohey Tanaka, Motoyuki Sato and Jung-Ho Kim

Abstract :In order to apply to landmine detection effectively, a ground penetrating radar (GPR) system using an optical electric field sensor (OEFS) as a receiver has been developed. The OEFS is very small and light. It uses optical fiber instead of metallic coaxial cable and doesn’t need any electric device inside and near electrode for the measurement of electric filed, which can lead to reduce the deformation of electric field. The sensor has been tested in stepped frequency radar system which consists of a vector network analyzer, a fixed double-ridged horn antenna as a transmitter, laser generator and optical demodulator. The system, however, has serious problem for real application on the landmine detection; it needs very long measurement time. To overcome the problem, an impulse radar system has also been developed using a digital oscilloscope and an impulse generator. The impulse radar system could reduce the scanning time down to 1/100 compared to the stepped frequency system without compromising the sensitivity. It was applied to a PMN2 mine model buried in a sand pit in laboratory and the PMN2 mine could be identified clearly from the scanned image with sufficient resolution.

Key words :Optical electric field sensor, Stepped frequency radar, Impulse radar, Landmine detection 요 약: 광전계 센서를 이용한 지뢰탐지GPR(Ground penetrating radar) 시스템을 개발하였다 광전계 센서는. 측정되는 전기장의 왜곡을 최소화하며 크기와 무게가 매우 적어 측정 장치로 운용하기가 용이하므로 지뢰탐지와, 같이 세밀한 주의가 요구되는 곳에 적합하다 송수신 장치 역할을 하는 벡터 네트워크 분석기 광신호 발생기와. , 광검파기를 탑재한 광변조기 그리고, double-ridged horn송신 안테나와 광전계 센서를 이용한 수신부로 구성된 스텝 주파수 레이더 시스템과 이 시스템의 매우 긴 측정시간의 단점을 극복하기 위해 임펄스 발생기와 오실로스 코프로 구성된 임펄스 레이더 시스템을 또한 개발하였다 두 시스템을 비교한 결과. S/N비 등 측정된 자료의 수준은 거의 동일하나 측정시간은 임펄스 레이더 시스템이 스텝 모드 측정의 경우 배 이상 빠르고 연속 모드로8 , 측정한 경우는100배 이상 빨라 질 수 있음을 확인하였다 또한 이 임펄스 레이더 시스템을. PMN2지뢰모형에 대해 현장과 비슷한 환경에서 실험실내 모형실험에 적용하여 성공적으로 지뢰모형의 영상을 획득하였다.

주요어:광전계 센서 스텝 주파수 레이더 임펄스 레이더 지뢰탐지, , ,

서 론

천부 지질구조 지장물 탐지 지하수 탐사 등에 효과, , 적으로 사용되어 온 지반투과레이더(ground penetrating 탐사는 년대 후반부터 대인 지뢰탐지 radar; GPR) 1990

분야에도 그 적용 범위를 넓히기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다(Daniels, 2004; Sato et al, 2005).지뢰탐 지는 지표에 가벼운 접촉만으로도 폭발을 야기 시킬 수 있어 매우 위험하며 탐지작업 또한 조심스럽게 이루어 져야 하는 까다로운 작업이다 이러한 지뢰탐지에 일반. 적인GPR시스템을 적용할 경우 안테나의 크기와 무게 는 때때로 문제를 발생 시킬 소지가 있어 좀 더 가볍고 탐사작업이 편리한 지뢰탐지 시스템이 요구되고 있다.

최근 새로운 개념의 전기장 측정 센서로 각광 받고 있 는 광전계 센서(optical electric field sensor; OEFS)는 전기장에 의해 변조되는 광신호를 탐지하는 센서로 센 서 내부의 전기장 측정 전극을 제외하고는 금속 성분이

년 월 일 접수 년 월 일 채택

2007 3 8 , 2007 5 29

한국지질자원연구원 지반안전연구부 1)

도호쿠 대학 동북아시아 연구센터 2)

*Corresponding Author(조성준) E-mail; [email protected]

Address; Div. of Geotechnical Engineering, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources, Daejeon 305-350, Korea

연구논문

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광전계센서를 이용한 지뢰탐지GPR 시스템 개발 연구 219

전혀 없고 수동 소자라 내부 전자회로가 필요 없으며 또, 한 광케이블을 사용하기 때문에 측정 전기장의 왜곡을 원천적으로 피할 수 있다(Kuwabara et al., 1992;이주현 등, 2003; Takayama and Sato, 2005).

또한 광전계 센서는 크기와 무게가 매우 적어 측정 장, 비에 운용하기가 용이하므로 지뢰탐지와 같이 세밀한 주 의가 요구되는 곳에 적합하다 할 수 있다 그러나 광전계. 센서는GPR용으로 개발 된 것이 아니어서GPR탐사에 적합한 주파수 범의와 S/N비를 가지기 위해서 연구와 개량이 이루어졌으며(Tanaka and Sato, 2004), 이 연구 에서는 개량된 광전계 센서를 수신안테나로 이용하여 지 뢰탐지를 위한 GPR 시스템을 구축하고자 하였다.

이 논문에서는 먼저 광전계 센서의 전기장 측정 원리 에 대해 설명하고 송수신 장치 역할을 하는 벡터 네트워, 크 분석기 광신호 발생기와 광검파기를 탑재한 광변조, 기, double-ridged horn송신 안테나와 광전계 센서로 구 성된 스텝 주파수 레이더 시스템을 기술한 뒤 이 시스템, 의 매우 긴 측정시간의 단점을 극복하기 위해 개발한 임 펄스 레이더 시스템에 대해 기술한다 이후 스텝 주파수. , 레이더와 임펄스 레이더 시스템에 의한 측정 자료를 비 교하고 임펄스 레이더 시스템을, PMN2 지뢰모형에 대 해 현장과 비슷한 환경에서의 실험실 실험에 적용한 결 과를 기술한다.

광전계 센서

광전계 센서는 전기장에 의해 변조되는 광신호를 측정 하여 전기장을 측정하는 수동소자로 부가적인 전자회로 없이 전기장을 측정할 수 있어 전기장의 왜곡을 피할 수 있는 센서이다(Kuwabara et al, 1992). Fig. 1은 광전계 센서의 구조를 설명하는 그림으로 그림 왼쪽의 광케이블 은 레이저 다이오드(LD)에 연결되어 있으며 이 레이저 다이오드는 단일한 파장과 세기를 가지는 광신호를 광케 이블을 통해 보내게 된다 이 광신호는. LiNbO3를 매질

로 하는 광 도파관을 따라서 전파하다 두 개의 도파관으 로 나뉘어져 이 중 하나는 전기장 전극 사이를 통과하는 도파관을 다른 하나는 아무것도 없는 도파관을 통과하, 여 다시 만나게 된다 이때 전기장 전극 사이를 통과하는. 광신호는 외부 전기장에 의해 영향 받아 굴절계수가 변 한 도파관을 통과하게 되며 이는 위상 변화를 일으키게 된다 이후 다시 합쳐지게 되면 신호가 변조되어 세기와. 위상이 변하며 이를, optical detector를 통해 복조하여 전기장을 측정하게 된다.

이 센서는 길이가10 cm정도이며 매우 가벼워 제어, 하기가 쉬우며 전기장 전극 부분을 제외하고는 금속부, 분이 없어 측정 전기장의 왜곡이 적다 특히 동축 케이. , 블을 사용하지 않아 전자기장에 대한 왜곡 뿐만 아니라 신호의 감쇠도 피할 수 있다 사용한 제품은. Fig. 1오른 쪽의NEC-TOKIN 제품으로 작동 주파수는30 MHz부 터5 GHz이며sensitivity는60 140～ dB Vμ /m 이다

먼저 이 센서의 특성을 살펴보기 위해Fig. 2(a)의 비발 디 안테나(Sato et al., 2004)와의 비교 실험을 수행하였 다 송신기는. double-ridged horn 안테나(EMCO model 를 사용하였고 송신기와 수신 안테나까지의 거리

3106) ,

는1.5 m 이며 벡터 네트워크 분석기를 이용하여 주파, 수 영역에서 실험을 수행하였다 주파수 영역에서의 결. 과를Fig. 2(b)에 도시하였다 그림에서 붉은선은 비발디. 안테나를 이용한 결과를 푸른선은 광전계 센서를 이용한 결과를 나타낸다 그림에서 보면 광전계 센서의 적정한. 주파수 범위는200 MHz부터4 GHz 정도까지인 것을 알 수 있다 비발디 안테나는. 1 GHz에서1.8 GHz까지 의 구간에서 광전계 센서에 비해 감도가 좋은 것을 알 수 있으며 특히3.5 GHz 이상의 고주파수에서 좋은 전 달 특성을 가짐을 알 수 있다.

은 위의 주파수 영역의 신호를 시간 영역으로 변 Fig. 3

환한 결과이다 시간 영역에서의 신호를 비교하면 직접. 파의 포락선이 비발디 안테나에 비해 광전계 센서에서 긴 것을 알 수 있으며 이는 분해능 저하의 원인이 된다.

Fig. 1. Optical electric field sensor (left: the structure of OEFS, right: the scenery of OEFS).

(3)

이후 자료 처리 과정에서 디콘볼루션과 같은 필터를 적 용하여 파를 압축시킬 필요가 있음을 보여준다 하겠다.

스텝 주파수 레이더와 임펄스 레이더

광전계 센서를 이용하여 스텝 주파수 레이더 시스템과 임펄스 레이더 시스템 두 종류의GPR 시스템을 개발하 였다(Fig. 4).스텝 주파수 레이더 시스템에서는Fig. 4(a) 의 네트워크 분석기에서 만들어진10 MHz에서5 GHz까 지의 스텝 주파수 신호가 고정된 송신 안테나인double-

안테나를 통해 복사되며 전기장의 변화는 ridged horn ,

광전계 센서를 통해 감지되어 광신호로 변환된다 광전. 계 센서는 광송신기와 광검파기로 구성된 광변조기에 두 조의 광케이블로 연결되어 있다 광케이블을 통해 광검. 파기로 간 신호는 다시 전기 신호로 변환되어 벡터 네트 워크 분석기로 가게 된다 광전계 센서의 측정 위치를 제. 어하는 위치 제어기와 벡터 네트워크 분석기의 제어는 케이블을 통해 에서 하게 된다 특히 벡터 네

GPIB PC . ,

트워크 분석기는 송신부와 수신부의 기능을 동시에 가지 고 있어 별도의 수신장치 및 샘 링 기법이 필요하지 않픞

(a) Small vivaldi antenna (b) Comparison result

Fig. 2. Comparison of measured transmissions with OEFS and small vivaldi antenna shown at (a). Double-ridged horn antenna is used as a transmitter and the distance between the transmitter and the receiver is 1.5 m.

(a) Result from OEFS (b) Result from vivaldi antenna

Fig. 3. Comparison of measured transmissions in time domain between the double ridged horn antenna and (a) optical electric field sensor and (b) vivaldi antenna at a distance of 1.5 m.

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으며 주파수 대역을 임의로 선정할 수 있어 다양한 안테, 나의 적용 및 시험이 용이한 장점이 있어RF대역의송 수신 시스템을 구성할 때 자주 사용된다 조성준 등( , 2002).

스텝 주파수 레이더 시스템은 연구개발 초기 광전계 센서의 낮은sensitivity를 극복하기 위해S/N비가 높은 측정 시스템 구축의 필요에 의한 것으로 특히 센서의 특 성 실험 등을 위해서도 높은 수준의S/N비를 가지는 측 정이 가능한 벡터 네트워크 분석기의 사용은 필수적이었 다. 그런데 높은 수준의S/N비를 유지하기 위해서는 벡 터 네트워크 분석기의 IF BW(Intermediate Frequency 중간 주파수 대역폭 를 낮추어 주파수 선택 Bandwidth, )

도를 높여야 하는데 이렇게 되면 측정시간이 매우 길어 지게 된다 예를 들어. 1 m×1 m의 넓이를1cm의 간격으 로 격자망 측정을 할 경우 측정 시간만16시간 이상 걸 리게 된다 이는 실제 지뢰탐지 현장에 적용할 경우에는. 심각한 결함이 될 수 있으며 이 연구에서는 이를 보완하, 기 위해 임펄스 레이더 시스템을 개발하였다(Fig. 4 (b)).

이 시스템의 송신부는 임펄스 발생기로 구성되며 수신, 부는 오실로스코프로 구성된다 입력 임펄스의 펄스 폭. 은250 psec로 주주파수는4 GHz에 해당한다 임펄스 발. 생기에서 만든 임펄스가Fig. 5에 나와 있다 이 입력 임. 펄스는1 MHz의 빠르기로 반복 재생되며 마이크로웨이 브divider를 통해 송신 안테나와 오실로스코프의 트리거 신호로 나뉘어 진다 사용된 오실로스코프는. Agilent사 의Infiniium 54885A로 실시간 최대 샘플링 속도는20 이며 의 신호까지 샘플링이 가능하 G sample/sec 6 GHz

다 한편 광변조기로부터. 4 MHz정도의 잡음이 발생하 므로 이를 제거하기 위해 아날로그 저주파 통과 필터를 사용하였다 이 경우 위에 언급한 동일한 측정에 대해. 2 시간 이내의 시간밖에 걸리지 않으며 이를 연속 측정 모 드로 측정할 경우에는 10분 이내로 측정할 수 있다 임.

펄스 레이더 시스템의 장점은 빠른 측정시간에 있다 그. 러나 자료의 질이 스텝 주파수 레이더 시스템에 비해 많 이 떨어진다면 적용할 수 없게 된다 이를 확인하기 위해. 동일한 조건하에서 실험을 통해 각기의 신호를 비교해 보았다(Fig. 6). Fig. 6의(a)는 스텝 주파수 레이더 시스 템과 임펄스 레이더 시스템 신호의 주파수 영역에서의 비교이며(b)와(c)는 시간영역에서의 비교이다. (a)의 주 파수 영역 신호를 비교하면, 2 GHz 이하의 신호에서는 임펄스 레이더 시스템의 신호가 좀 더 강하고3.5 GHz 이상에서는 스텝 주파수 레이더의 신호가 좀 더 강한 것 으로 나타나지만 전반적으로 두 신호가 매우 유사함을 알 수 있다.

자료의 획득 이후 이를 영상화하기 위해서는 자료처리 과정이 필요하다. Fig. 7의 왼쪽은 스텝 주파수 레이더 시스템의 자료처리 과정이며 오른쪽은 임펄스 레이더, 시스템의 자료처리 과정이다 두 자료처리의 가장 큰 차.

PC optical source

vector network analyzer position

controller

x-y stage

Tx Rx

object optical cable

coaxial cable optical detector

GPIB PC optical source

vector network analyzer position

controller

x-y stage

Tx Rx

coaxial cable optical detector

GPIB

PC optical source

oscilloscope position

controller

x-y stage

Tx Rx

coaxial cable

optical detector GPIB

filter

trigger signal pulse generator PC

optical source

oscilloscope position

controller

x-y stage

Tx Rx

coaxial cable

optical detector GPIB

filter

trigger signal pulse generator

(a) Stepped frequency radar system (b) Impulse radar system Fig. 4. Block diagrams of (a) stepped frequency radar and (b) impulse radar systems.

Fig. 5. Input impulse generated by impulse generator.

(5)

이점은 측정 자료가 주파수영역이냐 시간영역 자료냐의 차이로부터 오는 영역 변환 과정이다 그 외에 공히 들. 어가는 것이inverse filtering인데 이는 파형 압축 기법 으로 지뢰가 일반적으로20 cm미만의 심도에 묻혀 있 기 때문에 직접파의 파형에 지뢰로부터의 반사 파형이 묻히기가 쉬어 파형 압축 기법을 도입하게 되었다 지뢰. 를 영상화하기 위한 가장 최종의 자료처리는 회절중합 이다 이는 송신기와 수신기의 기하 (diffraction stacking) .

학적인 배치를 고려하여 영상화하려는 차원 격자구조3 의 각점의 기하학적인 위치와 레이더 속도를 계산해 적 절한 회절 곡선을 계산하고 그 회절곡선 상에 놓이는 모 든 샘플값을 중합하여 구조보정 단면상의 대응하는 점에 서의 진폭으로 취하는 방법이다.

전자파 무반향실(Anechoic chamber) 내에서의 적용성 실험

광전계 센서를 이용한 레이더 탐사 시스템의 가능성을 확인하기 위해 인공적인 전자기적 잡음이 없는 전자파 무반향실 내의 바닥면에 도체구를 위치시킨 후 스텝 주 파수 레이더를 이용하여 반사 자료를 획득하였다. Fig.

은 실험 구성도이다 도체구로부터 떨어져

8 . 184.5 cm 99

의 높이에 급전점이 형성되는 안

cm double-ridged horn 테나를 위치시켜 벡터 네트워크 분석기로부터의 신호를 복사하며 복사된 전자기파는 직접 광전계 센서에 도달, 하거나 바닥면 또는 도체구에서 반사되어 광전계 센서에 도달 하게 된다 이때 광전계 센서는 도체구로 상부로부.

(a) (b) (c)

Fig. 6. Measured transmissions between the double-ridged horn antenna and the optical electric field sensor at a distance of 1.5 m. (a) Comparison of frequency domain signals by the stepped frequency radar system and the impulse radar system, (b) time domain signal by the stepped frequency radar system and (c) time domain signal by the impulse radar system

IFT

Time domain data

Intensity image Diffraction stacking Inverse filtering or Wiener inverse filtering Frequency domain data

Bandpass filtering

IFT

Time domain data

Intensity image Diffraction stacking Inverse filtering or Wiener inverse filtering Frequency domain data

Bandpass filtering

IFT Time domain data

Intensity image Diffraction stacking Wiener inverse filtering

FT

Frequency domain data

Time domain data IFT

Time domain data

Intensity image Diffraction stacking Wiener inverse filtering

FT

Frequency domain data

Time domain data

Fig. 7. Signal processing flow chart (left: stepped frequency radar system, right: impulse radar system).

(6)

터14.5 cm 상부80 cm×80 cm의 면적을1 cm 간격의 격자망으로 움직이며 자료를 얻게 된다. Fig. 9의(a)는 모드에서 자료를 획득하는 장면을 보여주며 는

TM , (b)

의 자료처리를 거쳐 획득된 차원 영상 중 도체구

Fig. 7 3

상부로부터5 cm높이의 평면 슬라이스를 보여준다 결. 과를 보면 광전계 센서가 도체구로부터 반사 이벤트를, 충분한S/N비를 가지고 탐지하는 것을 확인 할 수 있으 며 지뢰 탐지에의 적용성을 확인 할 수 있었다 그런데, . 이때 가장 큰 문제점이 측정 시간인데 충분한S/N비를 확보하기 위해 네트워크 분석기의IF BW를100 Hz로 낮추어 회 측정 시간은 약, 1 20초 이상 소요되었으며 전, 체 측정시간은 약 13시간에 이르렀다.

임펄스 레이더 시스템을 이용한 지뢰탐지

광전계 센서를 이용한 레이더 시스템이 실용성을 가 지기 위해서는 보다 빠른 측정시스템의 구성이 요구되 었다 이를 위해 임펄스 레이더를 탐사 시스템을 구성. 하고 이 탐사 시스템을 이용하여 실내 실험을 수행하 였다 본 연구에서 구성한 임펄스 레이더 탐사 시스템. 의 측정시간은 오실로스코프의 중합 속도와 컴퓨터와 의 송신 속도에 좌우된다 이 실험에서. 1 MHz의 반복 시간을 가지는 파형 발생기를 사용해1024번의 중합을 했으며 이때 걸리는 시간은1 ms정도이며, GPIB를 이 용한 송신 속도는100 ms 정도로 측정 되어 스텝 주파, 수 방식에 비해 측정 시간이 현저히 줄어드는 것을 알 0

z

Rx

Tx antenna

30°

scan surface

x 184.5cm 99cm

14.5cm y

0 z

Rx

Tx antenna

30°

scan surface

x 184.5cm 99cm

14.5cm y

Rx

Tx antenna y

84cm x

80cm

metallic sphere

Rx

Tx antenna y

84cm x

80cm

metallic sphere

(a) The side view (b) The top view

Fig. 8. Measurement configuration of the feasibility test for OEFS to be applied to landmine detection in the anechoic chamber by the stepped frequency radar system.

(a) (b)

Fig. 9. Measurement setup in TM mode (a) and reconstructed image (b). The optical electric field sensor is aligned to the incident polarization.

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수 있다.

지뢰모형을 이용하여 실내실험을 수행하고 임펄스 레 이더 시스템의 적용성 및 탐사속도를 고찰하였다 특히. 분내에 평방미터 내의 지뢰를 탐지하는 것을 비공 10 1

식적으로 지뢰탐지기의 실제 적용 가능의 기준으로 삼고 있는데 이 기준에 부합하는 속도로 자료를 얻었을 때 지 뢰의 영상화가 가능한지를 테스트 하고자 하였다 측정. 은 가지 방식으로 진행 되었는데 그 중 스텝 모드 측정2 , 은 위치제어기가 정해진 간격만큼 이동해 정지한 후 측 정하는 방법으로 위치의 정확도와 측정의 안정성을 기할 수 있으며 연속 모드 측정은 위치 제어기는 정지하지 않, 고 계속 움직이면서 정해진 위치에서 자료를 측정하는 것으로 측정시간을 현저히 단축시킬 수 있다.

은 실험에 사용된 지뢰모형을 Fig. 10 PMN2 , Fig. 11 은 실험 모식도를 보여준다. PMN2지뢰는 높이53 mm, 직경120 mm의 플라스틱 케이스에100 g의TNT가 포 함되어있으며 구소련에서 제작되어 아프가니스탄 앙골, , 라 아제르바이젠 등, 14개국에 매설되어 있는 대표적인 대인지뢰의 일종이다 좌표의 중점. 5 cm하부의 모래에 지뢰모형이 묻혀 있으며 광전계 센서는 측정간

PMN2 ,

격1 cm로100 cm×102 cm의 넓이를 격자망으로 이동 하며 측정한다 이때 센서의 높이는 지표로부터. 12 cm 이다 한편 송신기는. double-ridged horn 안테나를 썼으 며 이때 급전 위치는x= 238 cm, y=0 cm, z=111 cm이 다 지뢰모형이 묻힌 모래의 상대 유전율은. TDR로 측정 한 결과 4.82로 나타났다.

는 모드에서의 실험장면이며 은

Fig. 12 TM , Fig. 13 모드에 대한 스텝 모드 측정 결과로 회절 중합 후의 TM

영상 중 심도 의 결과이다 심

3D , -2 cm, -6 cm, -12 cm . 도는Fig. 14에서와 같이 지표로부터의 깊이 이며 심도

는 지뢰모형 상부의 모래층을 심도 는 지뢰

-2 cm , -6 cm

윗면에서1 cm 하단부를 심도, -12 cm는 지뢰모형 하부

의 모래층을 영상화 한 것이다. Fig. 13의(b)에서 보면 지뢰모형이 잘 영상화 되는 것을 알 수 있다 한편. Fig.

와 의 결과에서 영상이 비균질하게 도시되는 것 13(a) (c)

은 회절중합시double-ridged horn 안테나의 급전위치를 일정하다고 가정하는데 실제로는 수신기 위치에 따라,

Fig. 10. PMN2 landmine model to be tested for feasibility of this system.

0 z

Rx

Tx antenna 25°

scan surface 12cm x

5cm

111cm

238cm y

0 z

Rx

Tx antenna 25°

scan surface 12cm x

5cm

111cm

238cm y

(a) The side view

Rx

Tx antenna y

x 102cm

100cm object

Rx

Tx antenna y

x 102cm

100cm object

(b) The top view

Fig. 11.Measurement configuration of the sandbox experi- ment for detection of buried landmine by the impulse radar system.

Fig. 12.Photographic view for landmine detection in TM mode.

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상대적인 급전위치가 변해서 발생하는 것으로 이를 보정 하는 알고리듬의 개발이 필요하다 하겠다. Fig. 15는TM 모드의 스텝 모드 측정 결과와 연속 모드 측정 결과를 비교한 것이다 스텝 모드 측정에 의한 측정 시간은 약. 시간 정도 소요되었고 연속 모드 측정 방식은 이동 속

2 ,

도를 최대60 mm/s 향상 시키고 매40 mm이동 할 때 마다 자동 측정하도록 프로그래밍 하여 분여에 동일한9 면적에 대한 탐사가 완료되었다 예상했던 대로 스텝 모. 드 측정 결과가 지뢰모형을 효과적으로 영상화 시킴을 알 수 있으나 연속 모드 측정결과에서도 지뢰모형의 탐 지가 충분히 가능할 수 있도록 잘 영상화 됨을 확인할 수 있다 한편 결과에서. , (a)에 비해(b)의 측정 세기가 작은 것은(a)의 경우1 cm 마다 측정된 값을 회절 중합 한데 비해(b)는4 cm마다 측정된 값을 회절 중합하였 기 때문에 발생한 것이다 또한. , Fig. 15(b)의 지뢰 모형 위치가(a)에 비해 이동된 것으로 나타나는데 이는 측정 시작위치의 오차에 의해 발생한 것이다.

광전계 센서는 센서간의 간섭이 거의 없으므로 여러 개를 장착하여 수신기 배열 형태로 운용한다면 이보다

더 빠른 시간 내에 스텝 측정과 비슷한 분해능을 가지는 자료의 획득이 가능할 것이다.

(a) z=-2 cm (b) z=-6 cm (c) z=-12 cm

Fig. 13. Reconstructed images of the PMN2 buried in sand by TM mode for different depths.

z = 0 cm (a) z = -2 cm (b) z = -6 cm

(c) z = -12 cm z

PMN2 ground surface

5.4 cm 5 cm

z = 0 cm (a) z = -2 cm (b) z = -6 cm

(c) z = -12 cm z

PMN2 ground surface

5.4 cm 5 cm

Fig. 14. Definition of depths in Fig. 13.

(a) Step-mode data acquisition

(b) Continuous-mode data acquisition

Fig. 15.Comparison of the reconstructed images between step-mode and continuous-mode data acquisition in the same configuration of Fig. 9.

(9)

결 론

최근 새로운 개념의 전기장 측정센서로 각광 받고 있 는 광전계 센서를 이용한 지뢰탐지GPR 시스템을 구축 하였다 측정되는 전기장의 왜곡을 최소화 하는 광전계. 센서는 크기와 무게가 매우 적어 측정 장비에 운용하기 가 용이하므로 지뢰탐지와 같이 세밀한 주의가 요구되는 곳에 적합하다고 할 수 있다.

먼저 광전계 센서의GPR 탐사에의 적용성을 확인하 기 위해S/N비가 높은 측정 시스템인 벡터 네트워크 분 석기에 기반한 스텝 주파수 레이더 시스템을 개발하였으 며 전자기장 무반향실에서의 실험을 통해 광전계 센서, 의 적용 가능성을 확인하였다 또한 이 시스템의 매우. , 긴 측정시간의 단점을 극복하기 위해 동일한 수준의S/N 비를 가지는 임펄스 레이더 시스템을 개발하였다 두 시. 스템의 비교 결과 자료 수준은 거의 동일하나 측정시간 면에서는 스텝 주파수 레이더 시스템에 비해 임펄스 레 이더 시스템이 스텝 모드 측정의 경우 배 이상 연속 측8 , 정 모드의 경우100 배 이상 빨라 질 수 있음을 확인하 였다 또한 이 임펄스 레이더 시스템을. , PMN2 지뢰모형 에 대해 현장과 비슷한 환경에서의 실험실내 실험에 적 용한 결과 효과적으로 지뢰모형의 영상을 획득할 수 있 음이 확인되었다.

이 시스템은 전자기파의 간섭을 일으킬 수 있는 전자 회로나 동축 케이블의 사용이 없고 안테나간의 간섭이, 적기 때문에 다량의 수신안테나를 동시에 사용하여 자료 를 획득하는 시스템 구성이 가능해 실제 지뢰 탐지시 배 열 안테나를 이용한 신속한 탐사 시스템 구축에 활용될 수 있을 것이다.

사 사

이 연구는 한국과학재단의 해외Post-Doc.연수지원사 업 현재 학술진흥재단으로 사업 이관 과제번호( , C00249) 과 한국지질자원연구원의 전문연구사업 지하정밀 영상‘ 화 융합기술 개발 의 지원에 의해 연구되었으며 이에 감’ 사드립니다.

참고문헌

이주현 도쿠다 마사미추 하덕호, , , 2003,광전계 센서를 이 용한 구형loop antenna의 근접전계 특성, 한국전자파학 회논문지, Vol. 14, No. 3, pp. 217-225.

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조 성 준 Ryohey Tanaka

년 서울대학교 자원공학과 공학사 1991

년 서울대학교 자원공학과 1993

공학석사 물리탐사 전공( ) 년 서울대학교 자원공학과 2000

공학박사 물리탐사 전공( )

2003년B.E. in Aerospace Engineering, Tohoku University, Japan 2005년M.E. in Graduate School of

Environmental Studies, Tohoku University, Japan

현재 한국지질자원연구원 지반탐사연구실 선임연구원

(E-mail; [email protected]) (E-mail; [email protected])

Motoyuki Sato 김 정 호