쌍극자 안테나를 고려한 3차원 지표레이다 탐사 모델링과 방사 패턴에 대한 고찰

Dipole Antennas and Radiation Patterns in the Three-Dimensional GPR Modeling

지표 레이다(Ground Penetrating Radar; GPR) 탐사를 모사하기 위해서, 시간 영역 유한 차분법을 이용하여 송수신 안테나를 고려한 3차원 모델링 알고리듬을 개발하였다. 국내에서 주로 사용되는 GPR탐사기기인 쌍극자 안테나를 모사하고, 안테나 끝점에서의 내부반사(ringing) 현상을 줄이기 위해 subcellular법을 사용하였다. 반무한 매질에서 종단 저항에 따른 출력 전압의 변화를 비교하여, 종단 저항의 수가 많아지면 내부반사가 줄어드는 반면 출력 전압이 작아진다는 사실을 알 수 있었고, 이 결과를 토대로 내부반사를 줄이는 쌍극자 안테나를 구현하였다. 각도에 따른 전기장 분포를 알기 위해 안테나에 직교하는 면과 안테나를 포함하는 면에서 방사 패턴을 구하였다. 안테나를 포함하는 면의 전기장 에너지가 안테나에 직교하는 면보다 안테나 직하부로 집중되는 현상을 볼 수 있었다.

A three-dimensional finite difference time-domain modeling algorithm based on staggered grid and considering transmitting and receiving antennas has been developed to simulate Ground Penetrating Radar (GPR) survey. This algorithm adopted the subcellular method to simulate the dipole antennas being used in GPR system and added resistors to reduce ringing caused by the reflections at the ends of an antenna. Comparison of the output voltages in the presence of the resistors for half-space said that the ringing and the amplitude of output voltage decreased as the number of resistors increased, and the antenna was designed based upon this result. Radiation patterns were derived to understand the distribution of electric field energy in the planes including or normal to the antenna. The electric field energy concentrated on vertical direction in the plane including antenna more than in normal plane.