지하 레이더(GPR)는 일반적으로 1에서 1000 MHz 주파수 범위의 라디오 파동을 사용하여 지하에 묻힌 구조물과 특성을 매핑하는 기술을 나타내는 용어입니다. 역사적으로 GPR은 주로 지하 구조물 매핑에 집중했으나 최근에는 비금속 구조물의 비파괴 검사에도 사용되고 있습니다.

지하 구조를 조사하기 위해 라디오 파동을 적용하는 개념은 새로운 것이 아닙니다. 이 분야에서 가장 성공적인 초기 작업 중 하나는 북극과 남극의 얼음 시트 두께를 매핑하기 위해 라디오 음파 탐지기를 사용한 것입니다. 비빙환경에서의 GPR 작업은 1970년대 초반에 시작되었습니다. 초기 작업은 영구 동토 지역 토양 응용 프로그램에 집중했습니다.

GPR의 응용 프로그램은 상상력과 적절한 장비의 가용성에만 제한됩니다. 요즘 GPR은 묻힌 유틸리티 위치 파악, 광산 평가, 법의학 조사, 고고학 발굴, 묻힌 지뢰 및 미폭발 탄약 검색, 스키 슬로프 관리 및 눈사태 예측을 위한 눈과 얼음 두께 및 품질 측정 등 다양한 분야에서 사용되고 있습니다.

어떻게 작동하나요?

GPR은 물고기 찾기기와 에코 사운더와 같습니다.

GPR은 왜 그렇게 어려운가요?

왜 파이프는 파이프처럼 보이지 않나요?

지반침투레이더(GPR)의 침투 깊이는 얼마인가요?

“얼마나 깊이 볼 수 있나요?”는 GPR 공급업체에게 가장 자주 묻는 질문입니다. 물리학은 잘 알려져 있지만, GPR을 처음 접하는 사람들은 물리적 한계가 있다는 사실을 잘 인식하지 못합니다.

많은 사람들은 GPR의 침투가 기기에 의해 제한된다고 생각합니다. 어느 정도 맞는 말이지만, 탐사 깊이는 주로 물질 자체에 의해 결정되며, 기기의 개선만으로는 물리적 한계를 극복할 수 없습니다.

침투를 제어하는 것은 무엇인가요?

라디오 파동은 토양, 암석 및 대부분의 인공 재료(예: 콘크리트)를 통과하지 못합니다. 자동차가 터널을 지나거나 지하 주차장에 들어갈 때 휴대폰 신호가 끊기는 것처럼, 이는 라디오 파동이 통과하지 못한다는 증거입니다.

GPR이 작동하는 것은 매우 민감한 측정 시스템과 특수한 환경 덕분입니다. 라디오 파동은 지수적으로 감소하며, 에너지를 흡수하는 물질에서는 곧 감지할 수 없게 됩니다. (그림 1 참조)

그림 1: GPR 신호는 토양과 암석에서 지수적으로 감쇠됩니다.

지수 감쇠 계수(a)는 주로 재료가 전류를 전도하는 능력에 의해 결정됩니다. 단순한 균일한 재료에서 이것이 일반적으로 주요 요소이며, 따라서 전기 전도도(또는 저항도)의 측정이 감쇠를 결정합니다.

대부분의 재료에서 에너지는 재료 변동성과 물이 존재하는 것에 의해 산란되며 손실됩니다. 물은 두 가지 영향을 미칩니다. 첫째, 물은 이온을 포함하고 있어 전체 전도도에 기여합니다. 둘째, 물 분자는 1000 MHz 이상의 높은 주파수에서 전자기 에너지를 흡수합니다(이는 전자레인지가 작동하는 원리와 동일합니다).

감쇠는 주파수와 함께 증가하며, 그림 2에서 볼 수 있듯이 GPR 측정에 적합한 환경에서는 감쇠 대 주파수 곡선에 "GPR 창"을 정의하는 평탄한 구간이 존재합니다.

그림 2: 감쇠는 여기 주파수와 재료에 따라 달라집니다. 이 그래프군은 일반적인 경향을 나타냅니다. 낮은 주파수(< 1000 MHz)에서는 물이 강한 에너지 흡수체입니다.

주파수를 낮추면 침투가 개선되나요?

주파수를 낮추면 탐사 깊이가 개선됩니다. 그 이유는 감쇠가 주로 주파수와 함께 증가하기 때문입니다. 그러나 주파수를 낮추면 GPR 측정의 두 가지 다른 기본적인 측면이 작용하기 시작합니다.

첫째, 주파수를 줄이면 해상도가 떨어집니다. 둘째, 주파수가 너무 낮으면 전자기장이 더 이상 파동으로 전파되지 않고 확산됩니다. 이는 유도형 EM 또는 와전류 측정 영역에 속합니다.

전송기 출력을 높이면 안 되나요?

전송기 출력을 높이면 탐사 깊이를 증가시킬 수 있습니다. 하지만 불행히도 깊이를 증가시키려면 출력이 지수적으로 증가해야 합니다.

그림 3: 감쇠가 탐사 깊이를 제한할 때, 출력을 깊이에 따라 지수적으로 증가시켜야 합니다.

그림 3은 그림 1에 표시된 감쇠에서 주어진 깊이를 탐사하기 위해 필요한 상대 출력을 보여줍니다. 탐사 깊이를 증가시키려면 큰 전력원이 필요하다는 것을 쉽게 알 수 있습니다.

실용적인 제약 외에도 정부는 발생할 수 있는 전파 방출 수준을 규제합니다. GPR 송신기 신호가 너무 커지면 다른 기기, TV, 라디오, 휴대전화에 간섭을 일으킬 수 있습니다. (불행히도 이러한 기기들은 GPR 수신기에서 발생하는 소음의 주요 원인입니다!)

탐사 깊이를 예측할 수 있나요?

네, 탐사할 재료가 전기적으로 알려져 있으면 많은 수치 계산 프로그램이 제공됩니다. 탐사 깊이에 대한 추정값을 얻는 가장 간단한 방법은 레이더 범위 방정식(RRE) 분석을 사용하는 것입니다. 이 계산을 수행할 수 있는 소프트웨어가 제공되며, 이에 대한 많은 논문이 있습니다. 기본 개념은 그림 4에 표시되어 있습니다.

그림 4: 레이더 범위, 여기 흐름도 형태로 표시되어 있으며, 에너지 분포를 결정하고 탐사 깊이를 추정하는 방법을 제공합니다.

RRE 분석은 파라메트릭 연구 및 민감도 분석에 매우 유용합니다.

레이더 범위는 너무 복잡해요!

많은 사용자들이 RRE는 일상적으로 사용하기 너무 복잡하다고 말합니다. 자세한 계산을 싫어하는 경우, 탐사 깊이를 추정하기 위한 더 간단한 경험법을 사용하는 것이 좋습니다:

D = 35/σ 미터, 여기서 σ는 전도도(mS/m)입니다. RRE만큼 신뢰할 수는 없지만, 이 경험법은 많은 지질 환경에서 꽤 유용합니다.

더 간단한 접근법은 일반적인 재료에서 얻을 수 있는 탐사 깊이에 대한 표나 차트를 사용하는 것입니다. GPR로 자주 접하는 일반적인 재료에 대한 예시 차트는 그림 5에 나와 있습니다.

그림 5: 일반적인 재료에서의 탐사 깊이 차트. 이 데이터는 "최선의 경우" 관찰을 기반으로 합니다. 그림 9에서 보여주듯이, 재료만으로는 탐사 깊이를 정확히 측정할 수 없습니다.

그림 6, 7, 8은 깊은 탐사에서 얕은 탐사까지의 예를 보여줍니다. 재료 유형이 탐사 깊이를 결정하는 것으로 보입니다. 불행히도, 탐사는 조사 지역의 재료만으로 예측할 수 없습니다.

그림 6: 대규모 화강암에서의 데이터 – 반사는 균열입니다. 그림 7: 습한 모래 퇴적물에서의 층별 데이터. 그림 8: 습하고 실트가 섞인 점토에서 드럼통의 반응을 보여주는 데이터.

그림 9는 지질이 기본적으로 균일하지만 탐사 깊이가 매우 가변적인 구간을 보여줍니다. 공극수 전도도가 변동하는 동안 지질 재료는 변하지 않습니다! 이 경우, 재료를 아는 것보다 전도도를 아는 것이 탐사 깊이를 더 잘 측정할 수 있습니다.

그림 9: 모래 환경에서의 GPR 구간. 탐사 깊이는 모래 재료가 아니라 공극수 전도도에 의해 결정됩니다. 매립지에서 용출되는 오염 물질이 전도도(및 탐사 깊이)와 위치에 따라 변동을 일으킵니다.

GPR 데이터 읽는 방법

GPR의 응용 분야는 무엇인가요?

GPR 응용 및 적합한 주파수

응용 분야	12.5 MHz	25 MHz	50 MHz	100 MHz	200 MHz	250 MHz	500 MHz	1000 MHz
심층 지질학, 빙하학	✓	✓	✓
지질학			✓	✓	✓
유틸리티, 지반 공학				✓	✓	✓
고고학					✓	✓	✓
법의학, 눈 및 얼음					✓	✓	✓
광업, 채석								✓
콘크리트, 도로, 교량								✓

응용 분야별 시스템 및 안테나