1. 서 론
2. 배경이론
2.1 지표 투과 레이더 원리
2.2 신호 처리
3. 실험 방법
3.1 지표 투과 레이더 측선 설정
3.2 신호 설정 및 처리
4. 결 과
5. 고 찰
6. 결 론
1. 서 론
통신 케이블은 인터넷 사용의 증가와 케이블 지하화 사업으로 인해 도심지 대부분에 걸쳐 매설되고 있으며 전국에 통신 광케이블만 총 길이 920,000km에 걸쳐 매설되어 있다(Kim et al., 2015). 매설 통신 케이블은 위치, 형태 그리고 매설 깊이에 대한 정확한 도면 및 정보가 없으며 다른 목적의 타 공사(토목 공사, 도로 공사, 구조물 공사) 중 통신 케이블의 단선이 발생한다. 최근 2년간은 연 평균 약 380건의 케이블 단선이 발생했다. 이를 예방하기 위해 국내 통신사는 공사 시 주변 매설된 통신 케이블의 위치를 알려주는 알림 앱을 개발하여 단선에 대해 예방하고 있다. 하지만 해당 알림 시스템에 등록되지 않은 통신 케이블이 존재하며 위치를 확인하는 방법은 일반적으로 지표 투과 레이더(Ground Penetrating Radar)를 사용한다. 지표 투과 레이더는 비파괴 개념의 지구 물리 탐사이며 지반에 전자기파를 투영시켜 반사되는 파형을 통해 이상체를 파악하는 방법이다(Maser, 1996; AI-Qadi and Appea, 2003; Jol, 2008).
Fąfara et al.(2018)은 금속 강관에서 누출되는 오일을 지표 투과 레이더를 통해 조사하였다. 해당 연구는 오일 누출에 따른 주변 지반의 유전율 변화를 레이더 반사 파형을 통해 간접적으로 유추하였다. Crocco et al.(2010)은 수도관이 누출되는 상황을 묘사한 지반 조성을 통해 지표 투과 레이더의 반사 파형을 이미지화 시키는 토모그래피를 이용하여 침출수의 범위를 간접적으로 측정하였다. 해당 연구들은 직접적인 매설관의 위치 측정이 아닌 누수 된 주변 지반의 유전율 변화를 이용한 지표 투과 레이더 반사 파형을 이용하였으며 정상적인 매설관의 위치를 찾는 것에 어려움이 있다. 또한, 매설관은 비교적 직경이 큰 단면으로 탐지가 용이하나 통신 케이블의 경우 단면적이 작기 때문에 작은 반사 파형으로 탐지가 어렵다. 지표 투과 레이더를 이용한 케이블 탐지의 어려움을 극복하기 위해 여러 연구들이 진행 중에 있다. Jiang et al.(2019)는 지표 투과 레이더의 2차원 단면인 B-scan 결과를 기반으로 케이블의 3D 맵핑을 수행하였다. 해당 연구는 일정 간격의 2차원 반사파 단면을 3차원으로 변환하는 단계에서 측정 간격에 따른 오차율을 계산하였다. 해당 연구에서 밝혔듯이 3D 변환에 따른 오차율이 발생하며 정확한 케이블의 위치 탐지를 위해 기술적인 문제를 해결할 부분이 있다. Liu et al.(2020)은 매설된 케이블의 연결부를 지표 투과 레이더를 통해 조사하였으며 분해능과 정확도를 높이기 위해 특수한 안테나 형상과 디지털 필터링 기술을 적용하였다. 해당 안테나 형상은 일반적인 지표 투과 레이더 안테나 형상이 아닌 변형된 형상으로 기성 제품이 아닌 실내 실험 스케일에 맞는 안테나 크기이다. 일반적인 지표 투과 레이더를 사용한 케이블 탐지는 측정 방법론적인 개념으로 접근하여 탐지 성능과 신뢰성을 확보할 필요가 있다. 따라서 본 연구는 실제 도로 개발 현장에 매설된 케이블을 일반적인 지표 투과 레이더를 이용하여 다양한 측선 방향과 측선 개수를 증가시키는 측정 방법으로 케이블 탐지 결과를 도출한다.
본 연구는 지표 투과 레이더의 기본적인 원리와 해당 실험에 사용된 일반적인 신호 처리에 대해 설명한다. 실험 방법은 수행한 케이블 매설 지역 특성을 반영한 측선 방향과 측선 수에 대해 설명하며 케이블 탐지를 위한 접합한 실험 방법을 제시한다. 결과는 신호 분석에 따른 전자기파 반사 파형을 도출하며 케이블에서 나타나는 하이퍼볼라를 탐지 및 분석하여 케이블을 위치를 추정한다. 최종적으로는 지표 투과 레이더로 추정된 케이블 위치와 케이블 위치 도면과 비교하여 검증한다.
2. 배경이론
2.1 지표 투과 레이더 원리
지표 투과 레이더는 전자기파를 매개체로 지반에 투영하여 반사된 파형을 이용하며 지반에서 반사된 파형의 변화에 따라 내부 이상층을 파악하는 비파괴 조사 방법이다. 지표 투과 레이더는 두 가지 주요 구성 요소(송신기와 수신기)로 이루어져 있으며 송신기는 지표면 가까이에 위치한 안테나를 통해 고주파 전자기파를 펄스 형태로 방출한다(Han, 2018; Go and Lee, 2021; Ryu et al., 2023). 방출된 펄스는 지하를 통과하면서 다양한 물질과 상호 작용하며, 수신기에 도달하게 된다. 전자기파가 지하를 통과할 때 다양한 물질의 전기적 특성(유전율)에 따라 속도가 달라지며 건조한 모래나 암석에서는 전자기파가 빠르게 전파되지만, 물이 많거나 전기 전도성이 높은 물질에서는 느리게 전파된다(Jeon and Kim, 2022). 전자기파는 지하의 다른 매질로 구성된 경계면에 도달하면 일부가 반사되며 해당 반사는 경계면에서 물질의 유전율이 변할 때 발생한다. 따라서, 토양과 매설된 파이프 사이 또는 건조한 토양과 습한 토양 사이의 경계면에서 반사 신호가 발생할 수 있다. 지표면으로 돌아온 신호는 지표 투과 레이더의 수신기 안테나에 의해 수집되며 수신된 신호의 강도와 시간 지연은 지하의 물체나 구조물에 대한 정보를 제공한다. 시간 지연은 전자기파가 송신기에서 반사 지점까지 그리고 다시 수신기까지 돌아오는 데 걸린 시간을 의미한다. 하지만, 지표 투과 레이더 데이터의 해석은 복잡할 수 있으며 지하 조건에 따라 결과의 정확도가 달라질 수 있다. 따라서, 높은 전기 전도성을 가진 물질과 같은 점토나 습한 토양은 전자기파를 흡수하여 신호의 깊이와 해상도를 제한할 수 있으며 작은 물체나 근접한 여러 물체는 구분하기 어려울 수 있다.
2.2 신호 처리
전자기파는 주변에 전도체가 있을 경우 전기장이 교란되어 왜곡된 신호를 보여준다(Park et al., 2013; Yoon, 2023). 이를 제거하기 위하여 신호처리 기법이 적용되며 다양한 신호처리 방법 중 본 연구에서는 일반적으로 사용되는 4가지의 필터 방법을 활용하였다(Hong et al., 2015). Move Start Time 방법은 측정 데이터의 지형 변화를 고려하여 데이터가 첫 번째로 도시되는 위치를 결정하며 이때 반영된 값이 지표면으로 설정된다. Background Removal 방법은 지표 투과 레이더 탐사 시 진행 방향에서 일정한 규칙으로 반복되는 잡음을 제거하기 위하여 사용된다. Gain은 측정된 전자기파는 깊이에 따라 감쇠가 발생하여 동일한위치에서 측정된 파형이라도 파형들의 크기(amplitude)가 달라지는 현상이 나타난다. 이에 모든 파형들의 크기를 균등하게 조절하기 위하여 Gain이 사용되며 대상체가 있을 것 같은 지역의 깊이를 입력 후 그 위치의 값으로 전체 값을 규범화(Normalized) 시킨다. Vertical & Horizontal Bandpass Filter는 중심주파수 대역에서 벗어나 있는 잡음을 제거하기 위한신호처리 과정이며, 양질의 신호를 획득하기 위하여 Low cut와 High cut에 해당하는 주파수를 설정한다. 본 연구에서는 측정데이터에 맞춰 자동적으로 설정되는 Move Start Time과 Background Removal 방법은 고정값으로 신호처리를 수행하였으며 Gain 값은 측정된 데이터를 고려하여 시각적으로 신호의 해상도가 높게 나타나는 값을 선택하였다.
3. 실험 방법
3.1 지표 투과 레이더 측선 설정
본 연구는 도로 건설 예정 지인 평택시 고덕지구 부근에서 수행하였으며 확대 실사진은 Fig. 1과 같다. 실험 전체 면적은 1,963.7m2 이며 전체 면적 포함할 수 있는 큰 스케일의 실험을 1차적으로 수행하였다. 파란 점선은 측선을 나타내며 화살표는 지표 투과 레이더를 실험한 방향이다. 실험 방향은 반사 파형 결과에서 시점과 종점으로 구분하여 나타냈다. 1차 지표 투과 레이더 측선은 케이블의 대략적인 위치를 조사하기 위한 목적으로 Fig. 1과 같이 설치하였다. Fig. 1과 같이 총 측선 개수는 10개이며 좌측 L1부터 우측 L10까지로 명칭을 정하였다. 측선의 길이는 L1~L10 순으로 각각 40m, 10m, 10m, 10m, 15m, 8m, 8m, 10m, 3m 그리고 3m이다. 면적을 크게 A, B 그리고 C 3개 구역으로 구분하였으며 각 구역의 측선은 탐사 결과 신뢰성을 높이기 위해 가장 긴 측선(L1, L5 그리고 L8)을 기준으로 직교하는 측선을 일정 간격으로 설치하였다. A 구역의 작은 측선 간격은 15m이며 A2와 A3는 각각 10m와 8m 간격으로 설치하였다. 측선이 설치되지 않은 중앙부는 수목으로 인한 공간적 제약으로 배제하였다.
사용된 지표 투과 레이더는 IDS 사의 RIS MF Hi-Mod 모델로서 두가지 안테나 주파수 대역을 설정할 수 있는 두가지 모드가 있다. 첫번째 모드는 주파수 대역 200MHz~600MHz이며 두번째 모드 주파수 대역은 400MHz~900MHz이다. 탐지 대상 물체의 크기 및 분해능에 따라 선정을 하며 본 연구는 케이블의 작은 단면적을 고려하여 높은 분해능을 가지는 400MHz~900MHz 모드를 사용하였다. 고주파수 대역은 분해능은 높지만 가탐 심도가 낮은 단점이 있으나 일반적인 케이블 매설 심도가 낮은 것을 고려하면 해당 주파수 대역을 사용하여도 무방할 것으로 판단한다.
3.2 신호 설정 및 처리
지표 투과 레이더 탐사 결과는 제작사에서 제공하는 해석전용 GRED HD프로그램을 이용하였으며, 무작위 잡음(Random noise)을 제거하기 위해 Background Removal과 깊이에 따른 감쇠를 보정하기 위한 Gain(linear gain: 40m, smoothed gain: 1m)을 설정하였다. 해당 데이터는 현장에서 특별한 노이즈가 관측된 것이 없어 추가적인 신호처리 과정 없이 거의 raw data에 가까운 신호를 보여준다. 지표 투과 레이더의 주파수는 파장과 주기가 긴 저주파 대역과 파장과 주기가 짧은 고주파 대역이 있다. 저주파대역은 가탐 심도는 높으나 물체를 구분하는 분해능 성능이 떨어지며 고주파는 가탐 심도는 낮지만 분해능 성능이 높다(Noon, 1996; Hong et al., 2017; Kim et al., 2024). 본 연구에서는 주파수 400MHz와 900MHz에서 측정하였지만 두께가 얇은 케이블 특성을 고려하여 분해능 성능이 높은 고주파 대역인 900MHz의 이미지를 분석하였다. 해당 주파수 대역의 한계 분해능 깊이는 대략 3m로 예상되어 도로 상부 노반의 성토층 및 이상 구간을 고려하여 2m까지 도시하였다.
4. 결 과
지표 투과 레이더 결과는 반사 파형의 세기를 나타내는 volt 값에 따라 흑백의 컬러로 나타냈으며 각 구역으로 구분하여 도출하였다. 탐사 심도 2m 대비 측선 길이가 긴 측선은 원 스케일로 나타낼 경우 y 축 심도 결과가 작아지기 때문에 7배와 5배로 확대하였으며 x 축은 원 스케일로 나타냈다. A 구역 결과는 Fig. 2와 같으며 L1측선은 x축 7배 확대 스케일 이미지로 나타냈으며 나머지 L2, L3 그리고 L4 측선은 5배 스케일로 나타냈다. 결과 값의 범위는 최소 약 -0.98 volt에서 최대 0.98volt를 나타낸다. Fig. 1(a)는 L1 측선 결과로 시점 0m로부터 4~5m 지점에서 심도에 따른 연속된 강한 반사 파형이 획득되는 것을 확인할 수 있었다. 반사 파형을 나타내는 하이퍼볼라 폭은 1m 내로 확인되며 폭과 0.9volt 이상의 강한 파형 세기로 볼 때 케이블에 따른 하이퍼볼라라 판단된다. 5m~40m 지점은 상부 지표면으로부터 약 0.3m 부근에서 연속된 파형으로 나타나며 도로 상부 노반의 지층 두께에 따른 파형으로 사료된다. 15m, 25m 그리고 37m 지점에서 나타나는 하이퍼볼라는 심도가 깊지 않으며 강한 세기의 파형이 아닌 것으로 보아 자갈 및 암석으로 추정된다. Fig. 1(b), (c) 그리고 (d)는 각각 L2, L3 그리고 L4 결과로 간한 세기를 보이는 하이퍼볼라는 나타나지 않았다.
B 구역 결과는 Fig. 3과 같으며 A 구역과 동일하게 L5측선은 x축 7배 확대 스케일 이미지로 나타냈으며 나머지 L6과 L7 측선은 5배 스케일로 나타냈다. 결과 값의 범위는 최소 약 -0.11 volt에서 최대 0.11volt를 나타낸다. Fig. 3(a), (b) 그리고 (c)는 L5, L6 그리고 L7 결과이며 강한 세기를 보이는 하이퍼볼라는 나타나지 않았다. 불규칙적인 파형은 지표면을 육안으로 관찰한 결과 자갈과 같은 골재에 의한 파형으로 판단된다. 해당 구역은 케이블로 특정할만한 강한 세기의 하이퍼볼라가 나타나지 않았다.
C 구역 결과는 Fig. 4와 같으며 L8 측선은 x축 7배 확대 스케일 이미지로 나타냈으며 나머지 L9과 L10 측선은 측선 거리가 3m로 상대적으로 짧기 때문에 원 스케일로 나타냈다. 결과 값의 범위는 최소 약 -0.17 volt에서 최대 0.17volt를 나타낸다. Fig. 4(a), (b) 그리고 (c)는 L8, L9 그리고 L10 결과이며 지표면으로부터 0.1m와 0.7m 부근에서 성토 다짐에 의한 연속된 파형이 도출되었다. Fig. 4(a)는 L8 측선 결과이며 27m~28m 지점에서 세기가 약하지만 연속된 하이퍼볼라를 확인하였다. 해당 하이퍼볼라가 나타난 지점은 L10 측선(Fig. 4(c))의 1.8m~2m 지점과 동일한 위치로 0.17 volt 이상의 강한 세기를 가지는 하이퍼볼라를 확인할 수 있다. A, B 그리고 C 구역을 종합적으로 평가한 결과는 Fig. 1의 공용중인 도로 인근에서 강한 하이퍼볼라가 나타나는 것으로 보아 케이블 매설 위치로 추정된다. 따라서, 1차 실험 결과를 기반으로 케이블의 대략적인 매설 위치를 확인하였으며 해당 하이퍼볼라가 나타나는 위치를 중심으로 2차 지표 투과 레이더 실험을 수행하였다.
5. 고 찰
본 연구에서는 정확한 케이블 매설 위치를 파악하기 위해 2차 지표 투과 레이더 실험을 수행하였으며 2차 실험의 측선은 Fig. 5와 같다. 1차 실험 결과를 통해 케이블 매설 지역으로 추정되는 지역을 A와 B 구역으로 나뉘어 측선 명칭에 각각 A와 B로 명명하였다. A 지역은 총 측선 수 4개이며 A1, A2, A3 그리고 A4이다. 각 측선의 길이는 순서상으로 10m, 10m, 5m 그리고 5m이다. B지역은 A지역과 동일하게 총 측선 수 4개로 B1부터 B4까지 설치하였으며 A 지역과 동일하게 측선 길이를 선정하였다. 해당 측선은 1차 결과에서 하이퍼볼라가 도출된 지점을 기준으로 직교할 수 있는 방향으로 선정하였다. 직교하는 방향으로 선정한 이유는 명확한 하이퍼볼라의 탐지를 위해서이다.
Fig. 6은 2차 실험 중 A 지역에 대한 각 측선 결과이며 1차 실험과 다르게 적색부터 파란색의 volt 범위를 이미지로 나타냈다. 적색과 파란색으로 나타낸 이유는 명확한 하이퍼볼라를 구분하기 위해 변화시켰으며 값이 클수록 적색, 값이 작을수록 파란색이다. 또한, 하이퍼볼라 구간은 하얀 점선의 상자로 표시하였다. Fig. 6은 모든 측선이 -1.2~1.2 volt로 범위가 동일하며 1차 실험과 동일하게 y축 심도 값을 확대 스케일로 나타냈다. Fig. 6(a)에서 하이퍼볼라는 시점 부근인 0~1m 지점에서 나타났으며 A2 측선은 정반대인 종점 부근인 6~7m 지점에서 하이퍼볼라가 측정된다. 짧은 측선인 Fig. 6(c)와 (d)의 A3와 A4 측선은 중간 지점인 2.5m 지점에서 하이퍼볼라가 나타난다.
Fig. 7은 A 지역의 측선 결과와 유사한 경향을 보였다. Fig. 7은 A 지역과 동일하게 모든 측선이 -1.2~1.2 volt로 범위로 설정하였으며 스케일도 동일하게 설정하였다. Fig. 7(a)에서 하이퍼볼라는 시점 부근인 0~1m 지점에서 나타났으며 B2 측선은 정반대인 종점 부근인 10m 지점에서 하이퍼볼라가 측정된다. Fig. 7(c)와 (d)의 A3와 A4 측선은 중간 지점인 각각 2m와 2.5m 지점에서 하이퍼볼라가 나타난다. 2차 실험의 모든 측선의 종합적인 평가는 지도상 같은 선상에서 하이퍼볼라가 나타났으며 이를 통해 케이블 매설 위치가 공용 도로선을 기준으로 2m 간격으로 일직선에 위치하는 것으로 볼 수 있다. 해당 추정 매설 케이블 위치를 검증하기 위해 케이블 매설 설계 도면을 확인하였으며 Fig. 5에 나타낸 노란 점선 상자가 매설 위치다. 검증 결과 하이퍼볼라 위치와 동일 선상에 위치하는 것을 확인하였다. 본 연구는 케이블의 매설 위치를 조사하기 위해 1, 2차에 실험을 수행하였으며 측정 방법론을 제시하였으며 검증을 통해 신뢰성을 확보하였다.
6. 결 론
본 연구는 지표투과 레이더를 통해 매설된 케이블의 위치를 조사하였으며 1차와 2차 실험 수행을 통해 케이블 매설 위치를 확인하였다. 또한, 케이블에서 반사되는 하이퍼볼라 파형을 통해 케이블 조사의 방법론을 제시하였다. 핵심적인 연구 내용 및 결과는 다음 설명과 같다.
(1) 본 연구는 비파괴 기반의 지구물리탐사 기법 중 지표 투과 레이더를 사용하여 지하 매설 케이블을 탐지하였다. 케이블에서 반사되는 특징적인 하이퍼볼라를 획득하였으며 해당 반사 파형을 기준으로 케이블 매설 위치를 조사하는 방법론을 계획하였다.
(2) 방법론은 1차 실험을 통한 전체적인 케이블 위치를 탐지하는 방법과 2차 실험을 통한 명확한 케이블의 위치 방향을 추정하였다. 2차 실험에서는 명확한 하이퍼볼라 도출을 위해 직교 방향의 측선 설치 방법을 사용하였으며 설계 도면을 통해 케이블의 위치를 검증하였다.
(3) 해당 방법론은 지하 매설 케이블 탐지에 적합한 지표 투과 레이더 방법론을 제시하고 검증하였다. 이후 다양한 경우의 케이블 매설 지역에 적용하여 신뢰성 높은 케이블 조사 방법론을 완성할 수 있을 것으로 판단된다.
