레이다탐사의 모든 것

1. 원리

레이다탐사는 송신 안테나로부터 발사된 후, 지하의 불균질대에서 반사되거나 혹은 투과되어 수신안테나에 감지된 전자기파의 도달 주시를 이용하여 지반 구조, 지하 매설물 등을 영상화하는 물리탐사법이다. 레이다탐사는 지표에서 수행하는 지표 레이다탐사와 시추공 레이다탐사로 구분할 수 있으며 지표 레이다탐사가 가장 많이 사용된다. 기록된 전자기파 시계열 신호는 적정한 신호처리를 거친 후, 전자기파 단면도 혹은 영상을 작성하여 지하 매설물의 위치 혹은 지하구조 등을 추정한다.

레이다탐사는 수십 MHz에서 수 GHz에 걸친 고주파수 전자기파를 사용하는데, 펄스 형태의 전기기파를 이용하는 시간영역 탐사가 주를 이루며, 상용화된 대부분의 레이다탐사기 또한 펄스형 전자기파를 사용한다. 그러나 단일 주파수의 연속파(continuous wave)를 이용하는, 즉 주파수 영역에서 측정하는 연속파 레이다도 개발되고 있다. 연속파 레이다는 연속파의 주파수를 일정 간격으로 변화시키면서 송신하고, 수신된 주파수 영역의 전자기파 신호를 다시 시계열 신호로 변화시킴으로써 펄스 레이다와 동일한 전자기파 시계열 신호를 획득하는 방법이다.

레이다탐사에서 중요한 물리적인 성질은 지하의 전기비저항과 유전율의 차이이다. 금속 매설물이나 매설 전선과 같이 지반과의 전기비저항 차이가 매우 큰 지하 경계면을 제외하면, 전자기파의 반사는 유전율이 다른 경계면에서 주로 발생한다.

지표 레이다탐사는 지표에 특정한 손상을 가하지 않고 탐사하기 때문에 비파괴 검사법으로 볼 수 있으며, 아스팔트나 콘크리트 위에서도 측정이 가능하다. 시추공 레이다탐사 또한 가능한데, 시추공 보호를 위하여 파이프를 삽입할 필요가 있는 경우에는 PVC 파이프와 같은 비전도성 관을 사용하여야 한다.

2. 탐사 종류

레이다탐사는 지표에서 안테나를 설치하고 탐사하는 지표 레이다탐사(Ground Penetrating Radar, GPR)와 시추공에 안테나를 삽입하여 측정하는 시추공 레이다탐사로 나눌 수 있다. GPR 탐사는 송수신 안테나를 지표에 위치시키고 지하에서 반사된 전자기파를 이용하여 지하를 영상화하는 방법으로, 각종 레이다탐사 중 가장 많이 사용되며 특별한 언급 없이 레이다탐사라 할 경우에는 GPR 탐사를 의미한다. 시추공 레이다 탐사에는 GPR 탐사와 같이 레이다 반사파를 이용하여 지하를 영상화하는 반사법 시추공 레이다 탐사와 지하의 불균질대를 투과한 전자기파를 이용하는 시추공 레이다 토모그래피 등이 있다. GPR 탐사 측정법에는 송수신 안테나의 간격을 고정시키고 안테나를 측선 상에서 이동하면서 측정하는 측선 탐사, 공통송신점 탐사(CSP 탐사), 다중 채널 탐사 등이 있으며, 일반적으로 GPR 탐사라 함은 측선 탐사를 의미한다.

3. 탐사심도

일반적으로 주파수가 낮아짐에 따라 파장이 길어지고 영상의 분해능은 낮아지나, 탐사심도는 증가한다. 이에 반해 주파수가 높아짐에 따라 파장이 짧아지며 영상의 분해능은 높아지며, 탐사심도는 낮아진다. 지표 하부 수 m 이내의 지표 천부 매설물이나 공동을 탐사하기 위한 경우에는 수 백 MHz 이상의 높은 중심 주파수를 갖는 안테나가 사용된다. 수 m 이상의 심도에 대한 탐사가 필요한 경우에는 100 MHz 이하의 낮은 중심 주파수를 갖는 안테나를 사용하지만, 전자기파의 감쇠 현상 때문에 10m 이상의 심도까지 탐사가 가능한 경우는 암반이 지표에 노출되어 있는 지역을 제외하고는 드물다. 그러므로 기반암 내의 단층, 파쇄대, 공동 등을 조사하기 위해서 전자기파의 감쇠가 토양층보다 심하지 않은 기반암 내에 안테나를 위치시켜 탐사하는 시추공 레이다탐사가 이용되기도 한다.

고주파수 전자기파의 감쇠 정도는 지반의 전기비저항과 반비례하므로, 암반과 같은 고비저항의 지반에서는 탐사 심도가 깊어지며, 이에 반해 점토와 같은 저비저항의 지반에서는 탐사 심도가 얕아진다.

레이다탐사의 분해능은 파장의 절반 정도로 간주하고 있으며, 통상적인 환경의 토양을 가정할 때에 500 MHz는 약 10cm, 100 MHz는 약 50cm 정도의 분해능을 갖는다.

4. 측정･해석으로부터 얻는 정보

레이다탐사는 레이다 반사파 단면도에서 나타나는 반사 양상으로부터 (시추공 레이다 토모그래피 탐사의 경우는 레이다 토모그램) 지하 이상체의 위치, 심도, 규모, 형상 등을 탐사한다. 구체적으로 예를 들면, ① 매설관로, ② 폐기물 등의 매설물, ③ 공동(특히 포장도로 하부 또는 터널 배면 공동)․갱도․지하실 등의 지하 공동 탐사, ④ 매몰 유적 탐사, ⑤ 단층․단열․균열(특히 물을 포함한 상태), ⑥ 지하수면, 대수층, ⑦ 기반암 경계면, 지층 경계면 등의 지반 조사, ⑧ 강 바닥, 호수 바닥 퇴적물 등의 탐사에 많이 응용된다.

5. 사용 기기

레이다탐사기는 송수신 안테나와 컴퓨터에 의한 제어 장치로 구성된다. 송수신 안테나는 모두 동일한 중심 주파수의 안테나를 채택하여야 한다. 과거에는 측정한 자료를 단지 화면 또는 프린터에만 출력하는 기기도 있었으나, 근래의 탐사기기는 거의 대부분 디지털 자료로 저장되어 현장 탐사 이후 정밀 분석이 가능하다.

6. 조사 방법

GPR 탐사는 개념도에 예시한 바와 같이 송신 안테나와 수신 안테나의 간격을 고정시키고, 측선상에서 일정 간격으로 이동하면서 탐사를 수행하는 측선 탐사를 통상적으로 이용한다. 전자기파의 전파 속도를 구할 경우에는, 송신 안테나를 한 지점에 고정하고, 수신 안테나를 이동하여 안테나 간격을 넓히면서 측정하는 공통송신점 탐사를 이용한다. 이때 수신 안테나를 고정하고 송신 안테나를 이동할 수도 있다. 다중채널 탄성파탐사와 같이 하나 이상의 송신 안테나와 다수의 수신 안테나를 측선 상에 이동하면서 자료를 획득하는 다중채널 레이다탐사가 가능한 탐사기도 최근에 개발되어 상업화 되어 있다. 측정 또는 이동 간격은 수 cm~1m 의 범위에서 탐사 대상의 크기와 사용 주파수를 고려하여 결정한다. 측정 간격이 좁을수록 분해능은 향상되지만, 낮은 주파수를 이용하는 경우는 고주파수 안테나를 사용하는 경우보다 분해능이 떨어지므로 탐사효율을 고려하여 측정 간격을 상대적으로 증가시키는 것 또한 가능하다.

기반암 하부의 영상을 획득하기 위하여 주로 사용되는 시추공 레이다탐사에는 반사법 시추공 레이다탐사, 토모그래피, VRP 탐사(Vertical Radar Profiling) 등이 있다. 이들 중 반사법 시추공 레이다탐사는 GPR 탐사의 측선이 시추공으로 변경되었다는 것을 제외하고는 GPR 탐사와 그 측정 방법이 동일하며 시추공 GPR 탐사라고 부르기도 한다. 레이다 토모그래피 탐사는 두 개의 시추공을 이용하여 송수신 안테나를 각각 다른 시추공에 삽입하고 불균질대를 통과하여 수신된 전자기파를 이용하여 지하구조를 영상화하는 방법이다.

7. 해석 방법

불균질대에서 반사된 전자기파를 이용한 GPR, 시추공 레이다탐사, 그리고 불균질대를 투과한 전자기파를 이용하는 토모그래피 탐사는 근본적인 원리가 다르므로 자료처리와 해석 방법이 다르다.

반사파를 이용하는 GPR 탐사에서 측정한 자료는 신호대잡음비를 향상시키기 위하여 적절한 신호처리를 거친 후 파형의 형태, 혹은 흑백 또는 칼라 명암도로 영상화 한다. 지하 단면 영상에서 나타나는 반사 패턴의 인식이 GPR 탐사 자료의 해석에서 중요한 위치를 차지한다. 안테나 주파수, 조사 목적, 탐사 대상 등에 부합하도록 일련의 신호처리 과정을 구성하고 자료처리 변수를 설정하여야 한다. 연속파를 이용한 레이다탐사 자료는 먼저 푸리에 변환 등을 이용하여 시간영역 자료, 즉 펄스 형태의 자료로 변환한다. 각종 신호처리 중 간단한 자료처리는 탐사기에서 자동적으로 이루어지는 경우가 많으며, 탐사 후 실내에서 자료처리를 수행함으로써 좀 더 정밀한 영상의 획득과 정확한 해석이 가능하다.

통상적으로 측정단면 또는 영상에 나타나는 반사파의 양상을 분석함으로써 이상체의 위치나 형상을 추정한다. 매설물이나 공동과 같은 점 반사원인 경우에는 구조보정 처리(migration)를 적용함으로써 실제의 위치나 형상에 가까운 영상을 얻을 수 있으며, 지층 경계면 또한 구조보정 처리에 의하여 실제의 부존 위치, 경사에 근접하는 영상의 획득이 가능하다.

지하를 투과해 온 전자기파를 이용하는 토모그래피탐사 자료의 처리는 초기 도달파의 도달 주시 혹은 진폭의 발췌와 발췌된 자료를 역산하여 토모그래피 영상을 구성하는 두 단계로 나뉘어진다. 레이다 토모그래피 역산 알고리즘은 탄성파 토모그래피에서 사용하는 방법과 거의 비슷하다. 초기 도달파의 진폭 보다는 역산 알고리즘은 탄성파 토모그래피에서 사용하는 방법과 거의 비슷하다. 초기 도달파의 진폭 보다는 도달주시를 이용하는 경우가 많으며, 도달 주시를 역산하여 얻은 영상은 지하 구조를 전자기파의 전파속도로 표현하는 속도 토모그램이 된다. 전자기파 전파속도의 분포로서 암반의 상대적인 신선도, 지하수 함량 등을 추정할 수 있으며, 공동 등과 같이 고립된 이상체를 영상화 할 수 있다.

8. 적용상의 문제점

레이다탐사를 적용할 때에 고려하여야 할 가장 중요한 사항은 고주파수 전자기파를 이용하기 때문에 발생할 수 있는 심한 감쇠 현상이다. 전자기파의 감쇠 정도는 지하 매질의 전기비저항에 반비례하며, 사용 안테나의 주파수에 비례한다. 그러므로 점토 함량이 높은 토양층과 같이 저비저항을 갖는 지반에서는 심한 감쇠 현상 때문에 GPR 탐사의 가탐심도가 얕아진다. 수신된 전자기파의 세기가 약하므로 상대적으로 주변 전자기파 잡음의 영향이 커지며 해석 정밀도 또한 저하된다. 극단적으로 전기비저항이 낮은 갯벌과 같은 해수 침입 지역에서는 레이다탐사는 불가능하다고 보아야 한다.

한편 수상에서 탐사를 할 경우, 강 또는 호수의 바닥은 대단히 강한 반사면을 형성하여 대부분의 전자기파 에너지는 물 바닥면에서 반사되고, 일부 에너지만이 지하로 전파되므로 지하로의 가탐심도는 얕아지게 된다. 이러한 현상은 전자기파의 감쇠가 심한 고주파수 안테나를 이용할 경우 더욱 심화된다. 동일한 원리에 의하여 수 백 MHz 이상의 주파수를 이용할 경우, 지하수면 하부의 이상체는 탐사가 불가능한 경우가 많다. 그러나 물과 물 하부 지반과의 경계면이 매우 강한 반사면을 형성한다는 점을 이용하여, 호수나 강 바닥의 깊이를 측정함으로써, 바닥면을 영상화하기 위한 좋은 방법으로 활용할 수도 있다.

한편 구조물을 대상으로 탐사할 경우, 구조물 철망이나 철근이 전자기파 차폐막의 역할을 할 수 있으므로 이에 의한 영향이 매우 크다. 경사면에서 탐사를 할 경우에 사면의 보강을 위하여 사면이 철망으로 뒤덮여 있거나 앵커, 볼트 등이 설치되어 있을 경우가 많으며, 이들에 의한 반사파가 매우 강할 뿐만 아니라 이들이 일종의 전자기파 차폐막 역할을 하여 탐사가 불가능해질 수 있다. 구조물의 철근이나 철망은 그 내부에 있는 구조를 차폐막 역할을 하여 탐사가 불가능해질 수 있다. 구조물의 철근이나 철망은 그 내부에 있는 구조를 탐지하는데에 방해 요인으로 작용하지만 이들이 강한 반사체로 작용한다는 점을 이용하여 보강 목적으로 설치한 철근 혹은 철망 시공의 건전성 여부를 판별하는 비파괴 검사로 응용할 수 있다.

다중 반사나 링잉(ringing) 등과 같은 거짓 반사를 지하구조로 잘못 해석할 수도 있다. 이 경우 디콘볼루션 처리를 적용하면 다중반사파나 링잉을 제거할 수도 있으나 링잉과 반사파의 파형은 상이하므로 단순한 디콘볼루션 처리로 링잉을 제거하기가 어려운 경우가 많다. 자료처리 과정이 복잡해질수록 거짓 반사 양상이 발생할 가능성도 있을 수 있다. 연속파 레이다탐사 자료의 경우에는 시간영역 자료로 변환시켜 펄스 레이다 자료와 같은 형태로 바꾼 후 자료와 같은 형태로 바꾼 후 자료처리를 적용한다.

시추공 레이다 탐사의 경우에도 전자기파의 감쇠정도는 가장 중요한 고려 사항이 된다. 파쇄가 매우 심한 암반이나 광화대, 혹은 탄전지대에서는 전기비저항이 낮으므로 전자기파의 투과거리는 짧아진다. 특히 전기비저항이 낮은 지역에서 레이다 토모그래피를 적용할 경우에는 심한 감쇠 때문에 레이다파를 수신할 수 없는 경우도 발생할 수 있으므로, 탐사의 가능성과 두 시추공간의 거리 등에 매우 세심한 주의를 요한다.

 

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