地下物性勘探系统及利用其的地下物性分析方法与流程

本发明涉及利用地下雷达勘探原理来分析地下的物性的装置及方法，更详细地，涉及如下的地下物性勘探系统及利用其的地下物性测定方法，即，本发明用于解决因主要使用收发电场信号的偶极形态的传感器并排除收发磁场信号的环形形态、线圈形态的传感器而仅可获取利用电场反射波来形成的地下影像而无法获取利用磁场反射波来形成的地下影像的作为现有技术的利用地质雷达或探地雷达(ground-penetratingradar，gpr)的雷达勘探技术的问题。

并且，本发明涉及如下的地下物性勘探系统及利用其的地下物性分析方法，即，为了解决主要仅接收电场信号而排除接收磁场信号的作为现有技术的探地雷达技术的问题，包括位于地面的特定地点来放射电磁波脉冲信号的发射天线及分别测定通过上述放射信号形成的电场信号及磁场信号的一对接收天线，通过并行运用电场信号接收传感器和磁场信号接收传感器，同时测定电场和磁场的地下反应，由此不仅可获取现有的基于电场反射波的地下影像，而且还可获取基于磁场反射波的地下影像，从而比以往更准确、有效地探明地下的物性。

背景技术：

以往，通常作为勘探及分析地下物性的技术，广为使用通过收发电磁波来勘探地下物性的雷达勘探技术和利用磁场勘探地下物性的电磁感应勘探(electromagnetic(em)induction)技术。

更详细地，雷达勘探技术为为了勘探地下的物性而收发约100mhz～1ghz的电场信号的方法，另一方面，电磁感应勘探技术为通过收发数khz以下的磁场信号来勘探地下物性的方法。

并且，近来广为使用通过收发电场信号来勘探地下物性的地质雷达或利用探地雷达的所谓探地雷达技术。

其中，作为如上所述的利用探地雷达来执行地下勘探的装置及方法的现有技术的一例，例如，首先，在韩国授权专利公报第10-1267017号中提出了如下的基于探地雷达勘探装备的信号处理的地下设施物探测系统，即，由于通过装载于推车(cart)上来使得移动性变好，因而可减少操作人员的疲劳度，为了使收发信号(signal)损失最小化，在推车的下侧以与地表相紧贴的方式在前后附着天线，从而防止电磁波在空气中产生损失。

并且，作为如上所述的利用探地雷达来执行地下勘探的装置及方法的现有技术的再一例，例如，在韩国授权专利公报第10-1267016号中提出了如下的利用探地雷达系统的地下设施物探测信号解析装置，即，可利用超宽带的脉冲来更准确地进行探测，各个模块的界面、现场探测及装备的移动变得便捷，可使探测速度达到4km/day，从而可通过实现小型一体化来提高作业效率，并可大幅度减少成本。

并且，作为如上所述的利用探地雷达来执行地下勘探的装置及方法的现有技术的另一例，例如，在韩国授权专利公报第10-1241313号中提出了如下的利用地下勘探雷达的铺装路面安全诊断系统及方法，即，包括：低频雷达模块，生成并放射低频带脉冲信号，并获取从形成于铺装路面下部的地下空洞反射的响应信号；多个高频雷达模块，生成并放射高频带脉冲信号，并获取从在铺装路面的中间层与基层之间和基层与土壤层之间由金属铁网构成的识别体反射的响应信号；以及影像处理装置，用于显示由低频雷达模块获取的信号和由高频雷达模块获取的信号，从而可同时告诉探测铺装路面的厚度和存在于铺装路面下侧的地下空洞。

尤其，作为如上所述的利用探地雷达来执行地下勘探的装置及方法的现有技术的还有一例，例如，在韩国授权专利公报第10-0365141号中提出了如下的利用地下勘探雷达的地下埋设物探测工法，即，包括如下步骤：在通过收发天线来放射在控制装置中产生的脉冲并使脉冲通过介质后接收从埋设物体反射回来的信号；记录并存储从接收天线传送的信号来向用于在室内进行资料处理所需的个人计算机(pc)传送资料并确定在控制装置记录到信号的最初时间、作为模拟(analog)信号的接收信号的数字采样间隔、信号被记录的总时间范围、堆积(stacking)次数等勘探所需的多个变数，在通过产生适合被确定的变数的收发脉冲并放大后，通过发射天线进行放射，从而确定采样间隔及每个痕迹(trace)的采样间隔以及数量；以及以影像的方式呈现由控制装置获取的脉冲资料，以被处理的数据作为对象并通过对高清晰度的画面采用多种呈现颜色来显示更高分辨率的剖视图。

如上所述，以往对于利用探地雷达的地下勘探装置及方法提出了多种技术内容，但是，基于如上所述的现有技术的利用探地雷达的勘探装置及方法具有如下问题。

即，在如同探地雷达的由传感器进行放射的结构中，比起环形形态，使用形成形态轻而简单的放射体且根据频率变化来使得放射图案的差变少的偶极形态的天线更为有利，因此，以往通常在探地雷达方面主要使用偶极形态的传感器，来用于接收电场信号。

另一方面，在使用比探地雷达低的频率带的电磁感应勘探过程中，在电磁感应优势区域(inductionrange)中，因形成相对于波长很小的结构而比起偶极形态相对更适合以环形形态调配阻抗，因而传感器作为收发磁场信号的传感器，主要使用环形形态、线圈形态的传感器。

即，在现有的探地雷达技术中，如上所述，因其特性，使用偶极传感器更为有利，因而主要仅获取利用电场反射波形成的地下影像，相对排除了获取利用磁场反射波形成的地下影像。

但是，为了更准确、有效勘探及探明地下物性，优选地，获取基于电场信号的地下影像和基于磁场信号的地下影像来进行综合分析。

因此，为了解决如上所述地仅使用电场信号而排除磁场信号的现有技术的探地雷达勘探技术的问题，优选地提供通过并行运用电场信号接收传感器和磁场信号接收传感器来不仅可获取现有的基于电场反射波的地下影像且还可获取基于磁场反射波的地下影像的新结构的地下物性勘探系统及方法，但是，目前为止，尚不能提供满足所有这种要求的装置或方法。

现有技术文献

1.韩国授权专利公报第10-1267017号(2013年5月16日)

2.韩国授权专利公报第10-1267016号(2013年5月16日)

3.韩国授权专利公报第10-1241313号(2013年3月4日)

4.韩国授权专利公报第10-0365141号(2002年12月4日)

技术实现要素：

技术问题

本发明用于解决如上所述的现有技术的问题，因此，本发明的目的在于，提供如下的地下物性勘探系统及利用其的地下物性分析方法，即，为了解决因主要使用用于收发电场信号的偶极形态传感器而排除用于收发磁场信号的环形形态、线圈形态的传感器而主要获取利用电场反射波形成的地下影像并相对排除获取利用磁场反射波的地下影像的现有技术的探地雷达勘探技术的问题，通过并行运用电场信号接收传感器和磁场信号接收传感器来不仅可获取现有的基于电场反射波的地下影像且还可获取基于磁场反射波的地下影像。

并且，本发明的另一目的在于，提供如下的地下物性勘探系统及利用其的地下物性分析方法，即，为了解决如上所述的因主要获取利用电场反射波形成的地下影像并相对排除获取利用磁场反射波的地下影像的现有技术的探地雷达勘探技术的问题，包括位于地面的特定地点来放射电磁波脉冲信号的发射天线及分别测定通过上述放射信号形成的电场信号及磁场信号的一对接收天线，由此通过同时测定电场及磁场的地下反应，从而可比以往更准确、有效地探明地下的物性。

技术方案

为了实现如上所述的目的，根据本发明，提供如下的地下物性勘探系统，即，用于解决主要利用电场反射波来获取地下影像而排除利用磁场反射波来获取地下影像的现有技术的探地雷达技术的问题的地下物性勘探系统的特征在于，包括：发射天线部，包括至少一个发射天线，上述发射天线通过设置于预定的特定地点的地面来对所要勘探的地区放射电磁波脉冲信号；接收天线部，包括至少一对电场信号接收天线及磁场信号接收天线，上述至少一对电场信号接收天线及磁场信号接收天线分别用于测定通过上述发射天线部的放射信号来形成的电场信号及磁场信号；分析部，根据通过上述发射天线部和上述接收天线部收集的信号来对地下介质的物性进行分析；以及控制部，用于控制上述勘探系统的整体动作，通过并行运用上述电场信号接收传感器和上述磁场信号接收传感器，不仅可获取现有的利用电场反射波的地下影像，而且还可获取利用磁场反射波的地下影像，与以往的探地雷达技术相比，可更加准确、有效地测定及分析上述地下介质的物性。

其中，本发明的特征在于，只要是可放射超宽带电磁波脉冲的天线，则上述发射天线部的上述发射天线就可使用任何天线。

并且，本发明的特征在于，上述接收天线部的上述电场信号接收天线呈由两个传导性放射体以馈电点为基准并排设置来可接收超宽带脉冲信号的偶极子天线形态。

而且，本发明的特征在于，上述接收天线部的上述磁场信号接收天线呈由单一传导性放射体以卷绕的形态设置来可接收超宽带脉冲信号的环形天线的形态。

尤其，本发明的特征在于，上述地下物性勘探系统通过在地面设置上述发射天线并通过单独的上述电场信号接收天线和上述磁场信号接收天线在相同的地点分别接收由从上述发射天线放射的电磁波信号所形成的电场和磁场，

当分别以以下的数学式表示基于通过理论建模得到的单一发射源(source)的电场和磁场时，即，

其中，为理论建模中的单一电磁波发射源，为表示理论建模中的地下物性特性的脉冲响应，为理论建模中的电场信号接收天线的接收函数，为理论建模中的磁场信号接收天线的接收函数，

通过频域对上述数学式进行傅里叶变换来变换成以下数学式，

利用以下数学式来执行求得上述电场与上述磁场之比，

当通过从响应信号消除发射信号来进行测定时，即使上述发射信号失真，也使得全波形反演结果不受影响，与以往的探地雷达技术相比，能够得到准确度高的反演结果。

并且，本发明的特征在于，上述地下物性勘探系统在空气介质中通过各个接收天线来在与上述发射天线隔开距离的相同地点分别测定基于单一发射天线的放射的电场信号及磁场信号，即，及

当空气中的电场与磁场大小的比率被定义为固有阻抗η0≈377ω时，利用以下数学式，根据上述固有阻抗来求得对由上述接收天线部的各个天线所接收的上述电场信号及上述磁场信号的比率进行校准的校准函数数学式为

其中，及分别表示通过测定来得到的磁场信号接收器及电场信号接收器的接收函数，

从而使得当在真空或空气中使用上述发射天线部及上述接收天线部的各个天线而得到上述电场信号及上述磁场信号时的比率以与频率无关的方式具有规定特性。

而且，本发明的特征在于，上述地下物性勘探系统对不是空气的其他介质也通过相同的方法求得上述校准函数，在对于不同的两种以上的介质也可复合性地利用上述校准函数。

而且，本发明的特征在于，上述地下物性勘探系统通过在不是空气的地面上设置上述发射天线，通过分别位于与上述发射天线不同的地面上的相同地点的上述电场信号及上述磁场信号接收天线来对由上述发射天线放射的电场信号及磁场信号进行测定，从而除了与以往的探地雷达影像相关的电场反应之外，还可获取与磁场反应或磁场影像相关的测定数据。

并且，本发明的特征在于，当通过在上述地面上设置上述发射天线来测定上述电场信号及磁场信号时，若各个上述接收天线的特性借助上述校准函数被补偿，则上述地下物性勘探系统基于上述测定的接收器函数的比被消除，来利用以下数学式求得基于上述测定的地下介质的物性，数学式为

其中，表示通过测定来得到的地下介质的物性系统。

而且，本发明提供一种地下物性分析方法，用于解决主要利用电场反射波来获取地下影像而排除利用磁场反射波来获取地下影像的现有技术的探地雷达技术的问题，上述地下物性分析方法的特征在于，通过利用如上所述的地下物性勘探系统来测定及分析地下物性，不仅可获取现有的利用电场反射波的地下影像，而且还可获取利用磁场反射波的地下影像，与以往的探地雷达技术相比，可更加准确、有效地测定及分析上述地下介质的物性。

发明的效果

如上所述，根据本发明，提供如下的地下物性勘探系统及利用其的地下物性分析方法，即，通过并行运用电场信号接收传感器和磁场信号接收传感器，不仅可获取现有的利用电场反射波的地下影像，而且还可获取利用磁场反射波的地下影像，从而可解决因主要使用收发电场信号的偶极形态的传感器并排除收发磁场信号的环形形态、线圈形态的传感器而仅可获取利用电场反射波来形成的地下影像而无法获取利用磁场反射波来形成的地下影像的作为现有技术的探地雷达勘探技术的问题。

并且，根据本发明，为了解决主要获取利用电场反射波来形成的地下影像而相对排除获取利用磁场反射波的地下影像的作为现有技术的探地雷达技术的问题，提供如下的地下物性勘探系统及利用其的地下物性分析方法，即，包括位于地面的特定地点来放射电磁波脉冲信号的发射天线及分别测定通过上述放射信号形成的电场信号及磁场信号的一对接收天线，由此同时测定电场和磁场的地下反应，从而比以往更准确、有效地探明地下的物性。

附图说明

图1为简要示出本发明实施例的地下物性勘探系统的整体结构的块图。

图2为简要示出利用图1所示的本发明实施例的地下物性勘探系统对地下介质进行物性测定及分析的过程的概念图。

图3为简要示出基于理论性建模来对地下介质进行物性测定及分析的过程的概念图。

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明的地下物性勘探系统及利用其的地下物性分析方法的具体实施例进行说明。

其中，以下说明的内容仅属于用于实施本发明的一实施例，本发明并不仅限定于以下说明的实施例的内容。

并且，在对本发明的实施例进行说明的过程中，对于与现有技术的内容相同或相似的内容或者判断为本领域技术人员可轻松理解并实施的部分将省略其说明。

即，如后述内容，本发明涉及如下的地下物性勘探系统及利用其的地下物性分析方法，即，因主要使用收发电场信号的偶极形态的传感器并排除收发磁场信号的环形形态、线圈形态的传感器而主要获取利用电场反射波来形成的地下影像而相对排除获取利用磁场反射波来形成的地下影像的作为现有技术的探地雷达勘探技术的问题，通过并行运用电场信号接收传感器和磁场信号接收传感器，不仅可获取现有的利用电场反射波的地下影像，而且还可获取利用磁场反射波的地下影像。

而且，如后述内容，本发明涉及如下的地下物性勘探系统及利用其的地下物性分析方法，即，为了解决主要获取利用电场反射波来形成的地下影像而相对排除获取利用磁场反射波的地下影像的作为现有技术的探地雷达技术的问题，包括位于地面的特定地点来放射电磁波脉冲信号的发射天线及分别测定通过上述放射信号形成的电场信号及磁场信号的一对接收天线，由此同时测定电场和磁场的地下反应，从而比以往更准确、有效地探明地下的物性。

接着，参照附图，对本发明的地下物性勘探系统及利用其的地下物性分析方法的具体内容进行说明。

首先，参照图1，图1为简要示出本发明实施例的地下物性勘探系统的整体结构的块图。

如图1所示，本发明实施例的地下物性勘探系统10可大致包括：发射天线部11，为了利用探地雷达等的地下雷达勘探原理来分析地下物性而包括至少一个发射天线，上述发射天线通过设置于地面的特定地点来放射电磁波脉冲信号；接收天线部12，包括至少一对电场信号接收天线及磁场信号接收天线，上述至少一对电场信号接收天线及磁场信号接收天线分别测定通过上述发射天线部11的放射信号来形成的电场信号及磁场信号；分析部13，根据通过上述发射天线部11和上述接收天线部12收集的信号来对地下介质的物性执行分析；以及控制部14，用于控制上述发射天线部11、接收天线部12及勘探系统10的整体动作。

其中，在上述接收天线部12中，用于测定电场的电场信号接收天线以由两个传导性放射体以馈电点为基准并排设置的偶极子天线形态构成。

并且，在上述接收天线部12中，为了提高接收信号的清晰度，用于测定电场的电场信号接收天线可由在天线臂的一部分或整体设置有阻抗的形态构成。

而且，在上述接收天线部12中，用于测定磁场的磁场信号接收天线可由卷绕单一传导性放射体的环形天线(loopantenna)形态构成。

尤其，在上述接收天线部12中，用于测定磁场的磁场信号接收天线可由在天线的单一位置具有特定值或对于多个区间具有规定值的阻抗形态构成。

而且，在上述发射天线部11中，放射电磁波脉冲信号的发射天线可由如上所述的多个天线中的一个构成，但并不限定于如上所述的结构，除此之外，只要是可放射超宽带电磁波脉冲的天线，则可使用任何天线。

尤其，优选地，在本发明一实施例的地下物性勘探系统10中，包含校准函数(calibrationfunction)，以便当在真空或空气中使用上述发射天线部11及接收天线部12的各个天线而得到电场信号及磁场信号时的比率以与频率无关的方式具有规定特性。

接着，对利用以如上所述的方式构成的本发明实施例的地下物性勘探系统测定及分析地下介质的物性的具体过程进行说明。

即，参照图2，图2为简要示出利用图1所示的本发明实施例的地下物性勘探系统10对地下介质进行物性测定及分析的过程的概念图。

并且，参照图3，图3为简要示出基于理论性建模来对地下介质进行物性测定及分析的过程的概念图。

其中，图2中，为进行测定时通过发射天线放射的发射源信号，为进行测定时的电场信号接收天线的接收器函数，为进行测定时的磁场信号接收天线的接收器函数，及为基于发射源信号的电场及磁场(测定值)，及为通过测定获取的地下物性系统。

而且，在图3中，为在理论建模中的发射源信号，以无天线的方式直接施加，为理论建模中的电场信号接收器函数，由于没有天线而被忽略，为理论建模中的磁场信号接收器函数，由于没有天线而被忽略，及为基于发射源信号的电场及磁场(理论建模值)，及为通过理论建模获取的地下物性系统。

更详细地，如图2所示，在利用本发明实施例的地下物性勘探系统10测定及分析地下介质的物性的过程中，首先，在地面设置发射天线，在相同的地点通过单独的电场信号接收天线和磁场信号接收天线分别接收基于从发射天线放射的电磁波信号来形成的电场和磁场。

在此情况下，根据回旋地球模型(convolutionalearthmodel)，基于通过理论建模得到的单一发射源的电场和磁场(及)可分别由如下数学式1表示。

数学式1

其中，在上述数学式1中，为理论建模中的单一电磁波发射源，为理论建模中的脉冲响应(impulseresponse)，表示地下物性系统特性，为理论建模中的电场信号接收天线的接收函数，为理论建模中的磁场信号接收天线的接收函数。

并且，通过频域对上述数学式1进行傅里叶变换(fouriertransform)，则可变换成以下的数学式2。

数学式2

因此，若求得电场和磁场的比，则成数学式3，从而发射源项将被消除。

数学式3

其中，反演问题为地球物理勘探的共同解析目标，属于获取基于地下介质的物性分布的反应并由此求未知的地下介质物性分布的问题。

其中，探地雷达勘探资料的全波形反演为通过反复计算法来朝着使得测定雷达勘探资料与通过数值建模模拟的理论勘探资料之间的残差最小化的方向一边更新地下介质的物性(电传导度及电容率)一边探明作为地下物性的电传导度和电容率分布的技术。

这种全波形反演算法需要进行大量的计算和计算机资源，这是因为对测定资料和理论建模资料进行整体波形比较。

尤其，在全波形反演中，重要的前提条件为，求得残差的理论建模资料和测定资料应为使用相同发射源时的结果。

即，换句话讲，为了采用全波形反演，应知道实际向地下放射的发射源的时间区域信号或可准确进行预测。

但是，在探地雷达运用过程中，作为发射源的电磁波脉冲信号的施加通常在模拟过程中在特定点直接被施加，另一方面，在测定过程中，由于以在向发射天线供电后从天线放射脉冲信号的形态形成，因而，因发射天线的特性、地表面的电特性及发射天线与地表面之间的结合状态等而使得脉冲信号被失真是不可避免的。

因而，在以往的探地雷达技术中，准确的发射源波形的预测将非常困难，由于实际测定过程中的发射源和理论建模中的发射源无法达到一致，因而存在残差的可靠度必然降低的问题。

但是，如上所述，在根据本发明的实施例来得到相当于电场与磁场之间的比率的探地雷达响应的情况下，如上述数学式3所示，发射信号从响应信号中被消除，因而当进行测定时，即使发射信号因发射天线、地下物性、天线与地表面的结合状态等而被失真，全波形反演结果也不受影响，从而可得到准确度高的反演结果。

此时，在理论建模或实际测定等的任何情况下，当分别接收电场信号和磁场信号时，需向发射天线施加相同的发射源。

接着，对利用以如上所述的方式构成的本发明实施例的地下物性勘探系统10来进行的地下物性分析方法的收发天线的运用进行说明。

首先，通过各个接收天线在与发射天线隔开的相同地点测定基于空气介质中的单一发射天线的放射的电场信号及磁场信号

在此情况下，空气中的电场大小与磁场大小之间的比率为固有阻抗(intrinsicimpedance)，被定义为η0≈377ω。

因此，如以下的数学式4所示，可通过利用固定阻抗来求得对各个接收天线接收的电场信号及磁场信号的比率进行校准的校准函数，即，假设为

数学式4

其中，在上述数学式4中，及分别表示基于测定的磁场及电场信号接收器的接收函数。

并且，在上述过程中求得的校准函数可在不是空气的其他介质(例如，水)中也可通过相同方法求得，在两种以上的介质中也可复合性地利用所得到的校准函数。

其中，上述过程为测定时的过程，在理论建模中，电场和磁场本身以没有发射天线及接收天线的方式直接被计算，以没有校准函数的方式使空气中的电场大小与磁场大小之间的比率直接被求得为η0≈377ω。

而且，与上述过程不同地，通过使发射天线位于不是空气的地面上，来通过各个电场信号接收天线及磁场信号接收天线分别在位于与发射天线不同的地点的地面上的相同地点测定电场信号及磁场信号

由此，可获取地下的两个种类的响应，即，电场反应(例如，以往的探地雷达影像)和可通过本发明实现的磁场反应或影像的测定数据。

其中，在地面进行测定时，若接收天线的特性通过上述校准函数得到补偿，则通过上述数学式3测定的接收器函数的比被消除，最终，如数学式5所示，将成为作为基于测定的地下介质物性系统的

数学式5

另一方面，在理论建模中，电场和磁场本身以没有发射天线及接收天线的方式直接被计算，因而如以下数学式6所示，以没有校准函数的方式通过理论建模求得的将直接成为基于理论建模的地下介质物性系统

数学式6

因此，通过朝着使得以如上所述的方式得到的电场和磁场的比率的测定建模值与理论建模值之间的残差最小化的方向执行反复计算法，从而可通过执行全波形反演来探明地下物性介质系统。

以上，可通过如上所述的方式来体现本发明的地下物性勘探系统及利用其的地下物性分析方法。

并且，如上所述，通过体现本发明的地下物性勘探系统及利用其的地下物性分析方法，即，根据本发明，提供如下的地下物性勘探系统及利用其的地下物性分析方法，通过并行运用电场信号接收传感器和磁场信号接收传感器，不仅可获取现有的利用电场反射波的地下影像，而且还可获取利用磁场反射波的地下影像，从而可解决因主要使用收发电场信号的偶极形态的传感器并排除收发磁场信号的环形形态、线圈形态的传感器而仅可获取利用电场反射波来形成的地下影像而相对排除获取利用磁场反射波来形成的地下影像的作为现有技术的探地雷达勘探技术的问题。

而且，如上所述，根据本发明，为了解决主要获取利用电场反射波来形成的地下影像而相对排除获取利用磁场反射波的地下影像的作为现有技术的探地雷达勘探技术的问题，提供如下的地下物性勘探系统及利用其的地下物性分析方法，即，包括位于地面的特定地点来放射电磁波脉冲信号的发射天线及分别测定通过上述放射信号形成的电场信号及磁场信号的一对接收天线，由此同时测定电场和磁场的地下反应，从而比以往更准确、有效地探明地下的物性。

以上，通过如上所述的本发明的实施例来对本发明的地下物性勘探系统及利用其的地下物性分析方法的详细内容进行了说明，但本发明并不限定于在上述实施例中记载的内容，因此，本发明可由本发明所属技术领域的普通技术人员来根据设计上的需要及其他多种因素进行多种修改、变更、结合及代替等。

附图标记的说明

10：地下物性勘探系统11：发射天线部

12：接收天线部13：分析部

14：控制部