3차원 GPR 수치 모델링을 이용한 안테나 방향과 매설물의 주향에 따른 전자기장 반응 고찰
Electromagnetic Responsses According to Antenna Orientation and the Strike of the Pipe using Three-Dimensional Gpr Numerical Modeling
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초록
안테나에서 방사되는 전자기파의 반사 에너지는 지하 매질과 대상체 사이의 물성 차이에 따 른 경계조건 뿐만 아니라, 안테나의 방향과 대상체의 주향과의 관계에 따라 달라진다. 이와 같은 물성 차이 와 방향성에 따른 GPR 반응을 쌍극자 안테나를 고려한 3차원 시간영역 유한차분 알고리듬을 사용하여 수 치 계산하였다. 사용된 선형 쌍극자 안테나의 길이는 0.74m로, 공기 중에서 주주파수는 200MHz이다. 전 기적인 물성이 다른 대상체들에 의한 회절반응을 비교하기 위하여 반무한 매질에 쇠파이프 또는 공동이 존 재하는 지하구조를 설정하였으며, 대상체의 형태에 따른 비교를 위하여 사각기둥과 원통형 대상체를 사용하 였다. 안테나의 방향과 대상체의 주향이 같은 경우와 직교하는 두 경우에 대해 입사파와 대상체에 의해 회 절된 파들을 각각 세 평면에 대한 스냅샷으로 가시화하여 비교 분석하였다. 공동의 경우 대상체의 형태와 안 테나의 방향 변화가 반사파에 영향을 거의 주지 않았다. 이에 반해 쇠파이프에 의한 반사파는 대상체의 형 태, 주향과 안테나의 방향과의 관계에 따라 양상이 크게 달라졌다. 즉, 안테나와 쇠파이프의 주향이 직교하 는 경우 원통형 매설체에는 반사파에 wiggle이 생겼다.
Abstract
Reflection energies of electromagnetic waves radiating from a dipole antenna vary with not only boundary conditions between subsurface and an object but also antenna orientation relative to the strike of the target. To investigate GPR responses depending on the target property and geometry, we have conducted numerical simulation using the three-dimensional finite difference time-domain modeling algorithm considering a thin-wire dipole antenna. We used an antenna with 0.74m in length, and its main frequency in the air is 200MHz. We made a homogeneous half-space model containing a steel pipe or a void plastic pipe to compare the differences to the electromagnetic properties. We chose a cylinder or a box as the shapes of the objects, and two transmitting antenna orientations. We have visualized the main electric field distributions as a snapshot when the direction of the transmitting antenna was both parallel and perpendicular to the strike of the target. The reflection from the void pipe was not sensitive to either the orientation of the antenna or the shape of the pipe. For the case of buried steel pipe, however, reflection energy was sensitive to both its shape and the antenna direction relative to its strike. The reflection accompanied wiggles when the antenna orientation is orthogonal to the cylindrical steel pipe.