KR102096540B1 - 수직 관측공 탄성파 탐사용 광섬유 센서 케이블 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄성파 탐사용 광섬유 센서 케이블 시스템에 관한 것으로서, 광섬유 센서를 관측공 내벽에 밀착되게 설치할 수 있는 시스템을 제공한다. 또한 본 시스템을 통해 관측공 내부의 물을 외부로 배출할 수 있는 구성을 제공한다. 광섬유 센서를 관측공 내벽에 밀착시켜 고정하고, 관측공 내 물을 배수함으로써, 워터 웨이브나 케이블 웨이브에 의한 잡음을 제거할 수 있어 탄성파 탐사의 정확성과 신뢰성이 향상되며, 신호처리도 용이하다는 이점이 있다.

Description

수직 관측공 탄성파 탐사용 광섬유 센서 케이블 시스템{OPTICAL FIBER SENSOR CABLE SYSTEM FOR VERTICAL SEISMIC PROFILING}

본 발명은 지반의 구조, 물성, 매장물의 탐지에 사용되는 물리탐사방법 중 탄성파 탐사에 관한 것으로서, 특히 광섬유 센서 케이블을 이용한 탄성파 탐사기술에 관한 것이다.

탄성파 탐사는 육상 또는 해상에서 인위적으로 발생시킨 탄성파가 지하 지층에서 반사되거나 또는 굴절되어 되돌아오는 신호를 수신기로 기록하여, 지하 지질구조나 암석의 물리적 특성을 규명하는 탐사를 말한다. 지하에 매장되어 있는 석유, 가스, 광물 자원을 탐사하는데 사용되거나, 지하에 매설된 케이블 등을 탐사하는 엔지니어링 목적으로 사용되기도 한다.

도 1은 해상 탄성파 탐사(상측)과 육상 탄성파 탐사(하측)를 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참고하면, 기존의 탄성파 탐사는 수신기, 즉 지오폰(geophone) 또는 하이드로폰(hydrophone)을 지반 또는 해수면에 일렬로 또는 매트릭스 형태로 삽입설치하고, 특정 지점에서 인위적으로 진동(source)을 발생시켜 지오폰이나 하이드로폰으로 수신되는 신호를 분석하여 탐사를 수행하였다.

최근에는 지오폰이나 하이드로폰을 대신하여 광섬유를 수신기로 이용하는 방법이 제시되고 있다. 광섬유를 이용한 탄성파 탐사의 개략도가 도 2에 도시되어 있다.

도 2를 참고하면, 광섬유 센서를 이용한 탄성파 탐사에서는 광섬유를 지반에 밀착되게 설치하고, 광원-광변조기-서큘레이터를 통해 광섬유를 통해 광신호(레이저)를 송출한다. 광신호는 광섬유를 따라 순방향으로 진행하지만, 광이 지나가는 광섬유의 각 지점(연속적)에서는 광의 산란에 의하여 거꾸로 반사되어 돌아오는 반사신호가 존재한다. 즉 광섬유를 전파하던 광은 광섬유 내 분자와 충돌하면서 산란이 일어나 역방향으로 반사신호를 발생시키는 것이다.

서큘레이터에서는 되돌아오는 반사신호를 광검출기 쪽으로 가이드한다. 아날로그 형태의 반사신호는 디지털 신호로 변환되어 프로세서에서 분석하게 된다.

정상상태에서는 반사신호가 일정한 패턴을 보이는데, 외부에서 탄성파를 인가하면 지하에서 반사 또는 굴절된 탄성파가 광섬유에 작용하여, 산란(레일리 산란 등)의 크기, 진동수 및 위상이 변화하므로 반사신호는 정상상태와는 다른 패턴을 보이게 된다. 즉, 탄성파의 인가에 의하여 반사신호의 패턴이 다르게 나타난다. 이렇게 탄성파의 존재, 탄성파의 진폭, 진동수 등에 따라 반사신호의 패턴이 다르게 나타나는 점을 이용하여 지반의 구조를 해석할 수 있다.

기존의 지오폰이나 하이드로폰을 이용한 탄성파 탐사에서는 도 1에 도시된 바와 같이 수신기를 일정 간격으로 배치(multi-poiny array)하여 수신기가 있는 지점에서만 굴절파, 반사파를 수신할 수 있었지만, 광섬유 센서를 이용하면 광섬유의 모든 지점(distributed)에서 반사신호를 얻을 수 있다. 즉 지오폰이나 하이드로폰들이 연속적으로 배치되어 있는 것과 동일한 효과가 발생한다. 광섬유 센서는 최소 1m 단위로 공간분해능을 가지는 바 기존에 단속적으로 배치되던 지오폰이나 하이드로폰에 비하여 훨씬 정교한 탐사결과를 획득할 수 있다.

또한 광섬유 센서는 전자기적 간섭에 영향을 받지 않으므로 기존의 코일 및 전자기 유도 방식의 지오폰에 비해 신호대 잡음비(S/N ratio)가 최소 20dB(100배) 이상 우수하다. 또한 광을 이용함에 따라 최대 50km까지 광역 스케일에 신호 수집이 가능해 기존의 탄성파 탐사에 비하여 경제적이며 효율적이다.

광섬유 센서를 이용한 탄성파 탐사는 초기 단계인만큼 이를 실제 필드에서 적용하기 위해서는 풀어야할 난제가 매우 많다. 그 중의 하나가 광섬유 센서를 지반 또는 관측공에 밀착해서 고정하는 것이다. 광섬유가 지반에 밀착해 있어야, 지층에서 반사 및 굴절되어 들어오는 탄성파가 정확하게 광섬유에 작용할 수 있기 때문이다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서 광섬유 센서를 지반 또는 관측공에 밀착되게 마운팅하여 탄성파 탐사의 정확성을 향상시킬 수 있는 광섬유 센서 케이블 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 따른 탄성파 탐사용 광섬유 센서 케이블 시스템은 상하방향으로 배치된 관측공에 삽입하여 설치되는 것으로서, 일단이 광원과 연결되어 광이 순방향으로 전파 될 때, 각 지점에서 광이 산란되면서 발생된 광반사신호가 역방향으로 전파되는 광섬유 센서; 상기 광섬유 센서가 장착되는 마운팅부재; 상기 마운팅부재에 부착되며 유체 또는 기체의 주입 및 배출에 따라 팽창 및 수축 가능한 팽창부재; 및 일단은 상기 팽창부재와 연결되며, 타단은 펌프와 연결되어 상기 유체가 이송되는 유체이송관;을 구비하는 것에 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 상기 마운팅부재는 환형으로 말려진 상태로 양단부가 상호 겹치게 배치되어, 상기 팽창부재의 팽창에 따라 양단부가 상호 벌어지는 방향으로 형상 변형 가능하다.

특히 상기 마운팅부재는 고무 재질로 이루어지며, 팽창부재와 접촉되는 부분은 부드러운 재질로 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 예에서, 상기 마운팅부재는 환형으로 말려져 형성되며, 상기 마운팅부재의 외주면과 내주면 중 적어도 어느 하나에는 상하방향을 따라 배수홈부가 형성되어 상기 관측공 내 물이 상기 배수홈부를 따라 상방으로 배출가능하다.

또한, 상하방향을 따라 길게 배치되어 상기 마운팅부재에 장착되는 것으로서. 띠가 스파이럴 형태로 감겨져 내부에 물이 유동할 수 있는 배수로가 형성되며, 감겨진 띠 사이로 물이 유입될 수 있는 스파이럴 튜브를 더 구비하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 마운팅부재의 외측면에는 상기 관측공과의 밀착력을 높이도록 수평방향으로 홈부가 형성되어 있는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 예에서, 상기 마운팅부재에는 상하방향을 따라 길게 장착홈부가 형성되며, 상기 광섬유 센서는 상기 장착홈부에 끼워져 설치된다. 그리고 상기 광섬유 센서가 이탈되는 것을 방지하도록 상기 광섬유 센서를 감싸며 상기 마운팅부재에 결합되는 클램프를 더 구비하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 예에서, 상기 팽창부재는 실리콘 또는 고무 재질로 이루어지며 내부에 상기 유체를 밀폐수용할 수 있는 수용부가 형성된다.

본 발명의 일 예에서, 상기 마운팅부재와 팽창부재의 조합을 하나의 마운팅유닛이라고 할 때, 복수의 상기 마운팅유닛이 상기 광섬유를 따라 일정 거리 이격되어 복수 개 배치될 수 있다. 상기 마운팅유닛의 상부와 하부에는 상기 팽창부재와 연결된 제1연결관과 제2연결관이 각각 설치되며, 상측에 배치된 마운팅유닛의 제2연결관과 하측에 배치된 마운팅유닛의 제1연결관은 커넥터에 의하여 상호 결합되어, 상기 유체이송관을 통해 이동하는 유체가 복수의 마운팅유닛에 주입가능하다.

본 발명에서는 광섬유 센서 케이블을 이용하여 탄성파 탐사를 정교하게 수행할 수 있다. 최소 1m의 공간분해능을 가진 센서 체계를 구축하게 되므로 탄성파 탐사의 정확성과 신뢰성이 증대될 수 있다. 그리고 광섬유를 이용함으로써 50km 이상의 광범위한 영역에서 탐사가 가능하다는 이점이 있다.

무엇보다도, 본 발명에서는 관측공 내 물을 제거할 수 있는 바 지하수에 의한 워터 웨이브를 제거할 수 있으며, 광섬유 센서가 공벽에 가압, 밀착되어 있으므로 지면파에 의한 케이블 웨이브를 제거할 수 있다. 워터 웨이브와 케이블 웨이브를 제거해 신호대 잡음비(S/N ratio)를 향상시킴으로써 신호처리가 용이할 뿐만 아니라, 탐사의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

작업의 효율성의 측면에서, 본 발명에 따른 광섬유 센서 케이블 시스템은 관측공의 공경에 상관없이 범용적으로 적용할 수 있다는 이점이 있다. 마운팅부재의 양단부가 상당 부분 겹쳐져 있어 일정 공경까지 마운팅부재로 관측공과의 밀착력을 높일 수 있으며, 관측공의 공경이 마운팅부재 보다 큰 경우에도 팽창부재가 관측공에 밀착됨으로 대부분의 공경에 적용할 수 있다.

또한 유체의 주입 및 배출에 따라 광섬유 센서의 공벽 밀착 및 해제가 가능하므로 케이블의 설치 및 해체가 매우 용이하다는 이점이 있다.

한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.

도 1은 탄성파 탐사의 원리를 설명하기 위한 개략적 도면이다.
도 2는 광섬유 센서를 이용한 탄성파 탐사의 원리를 설명하기 위한 개략적 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 예에 따른 탄성파 탐사용 광섬유 센서 케이블 시스템의 개략적 분리사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 탄성파 탐사용 광섬유 센서 케이블 시스템이 관측공에 설치되어 확장된 상태의 종단면도이다.
도 5는 도 4의 A-A선 개략적 단면도이다.
도 6은 도 5의 상태에서 유체가 배출되어 수축된 모습의 개략적 단면도이다.
도 7은 마운팅부재를 평평하게 펼친 상태로서, 배수홈부의 패턴을 설명하기 위한 것이다.
도 8은 복수의 마운팅유닛이 설치된 상태를 설명하기 위한 도면이다.
※ 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.

본 발명은 탄성파 탐사를 위한 광섬유 센서 케이블 시스템에 관한 것이다. 특히 지반을 천공하여 형성된 관측공 또는 시추공에 광섬유를 삽입하여 센서로 활용하는 시스템에 관한 것이다.

광섬유 센서를 이용한 탄성파 탐사는 현재 연구개발 초기 단계에 있으며, 정확성과 효율성을 높이기 위한 다양한 시도가 이루어지고 있다.

관측공을 만들 때는 일반적으로 그 내벽에 시멘팅을 하게 되는데, 광섬유 센서 케이블은 시멘팅 내에 매설되는 것이 유리하다. 처음부터 광섬유 센서 시스템을 이용하고자 계획한 경우라면 당연히 위와 같은 방법을 취하겠지만, 이미 완성된 관측공에 광섬유 센서 케이블 시스템을 적용하기 위해서는 별도의 장착구조가 요청된다.

별도의 장착구조가 없이 광섬유 센서 케이블을 관측공에 삽입하는 경우에는 다양한 잡음으로 인하여 측정의 정확성을 담보할 수 없기 때문이다. 예컨대, 탄성파 소스를 활용해 진동을 발생시킨 경우, 광섬유 센서에서는 지하의 지층이나 구조물에 의하여 반사된 반사파나, 굴절파를 수신하여 분석을 수행한다. 그러나 탄성파 소스에 의하여 지표가 흔들리면 지면파에 의해 광섬유 센서 케이블이 같이 흔들려서, 이른바 케이블파가 발생하게 되며, 이는 관심대상이 되는 반사파 또는 굴절파 보다 그 크기가 커 잡음으로 작용하여 얻고자 하는 신호의 측정이 어렵다. 또한 관측공은 짧게는 수백 미터에서 길게는 수 킬로미터까지 연장될 수 있는데, 관측공은 지하수층을 통해 유입된 지하수로 채워진다. 탄성파가 발생되면 관측공에 채워진 물이 흔들리면서 이른바 워터웨이브가 발생하여 잡음으로 작용한다. 잡음의 발생은 탄성파 탐사의 정확성을 저하시킬 뿐만 아니라, 필터링을 통해 이를 제거해야 하는 신호 처리상의 어려움이 남는다.

위와 같은 케이블 웨이브나 워터 웨이브를 배제하기 위해서는 센서 케이블을 관측공의 내벽에 밀착시켜야 하며, 관측공 내의 지하수도 배출시키는 것이 유리하다.

본 발명에서는 기완성된 관측공에서 광섬유 센서 케이블을 공벽에 밀착시킬 수 있으며, 관측공 내 지하수를 배출시킬 수 있는 시스템을 제공함으로써, 광섬유를 이용한 탄성파 탐사의 정확성을 향상시키고자 한다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여, 본 발명의 일 예에 따른 탄성파 탐사용 광섬유 센서 케이블 시스템에 대하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다.

다만, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.

도 3은 본 발명의 일 예에 따른 탄성파 탐사용 광섬유 센서 케이블 시스템의 개략적 분리사시도이며, 도 4는 도 3에 도시된 탄성파 탐사용 광섬유 센서 케이블 시스템이 관측공에 설치되어 확장된 상태의 종단면도이다.

도 3 및 도 4를 참고하면, 본 발명의 일 예에 따른 탄성파 탐사용 광섬유 센서 케이블 시스템(100, 이하 '광섬유 센서 케이블 시스템'이라 함)은 광섬유 센서(10), 마운팅부재(20), 팽창부재(30)를 구비한다.

광섬유 센서(10)는 가늘고 길게 형성된 광섬유 자체를 말하며, 이를 이용하여 센싱을 수행하므로 편의상 광섬유 센서라고 명명한다. 광섬유 센서(10)는 관측공(h)에 삽입되며, 일단은 광원(미도시)과 연결되어 광원으로부터 송출되는 광(레이저)을 전파한다. 그러나 광섬유를 통해 전파되는 광은 광섬유의 각 부분에서 광섬유를 이루는 분자들과 충돌하면서 산란되어, 역방향으로 산란광을 송출한다. 산란에 의해 역방향으로 진행하는 광(광산란신호라 함)은 광이 지나는 광섬유의 모든 영역에서 연속적으로 발생하게 된다. 광산란신호는 광원의 후단에 배치된 서큘레이터(미도시) 등에 의해 검출기(미도시)로 수신된다. 서큘레이터는 광신호의 송수신을 분리하는 역할을 수행한다.

광이 조사되면 광산란신호는 시차를 두고 연속적으로 발생하므로 검출기에서는 광산란신호의 도달시간에 의하여 광섬유의 어느 지점에서 산란된 것인지를 추정할 수 있는데, 이를 공간분해능이라 하며, 최소 1m 단위로 공간을 분해할 수 있는 것으로 알려져 있다. 다른 말로 하면, 기존의 지오폰을 최소 1m 단위로 연속적으로 매설한 것과 동일한 효과를 나타낼 수 있어, 탄성파 탐사의 효율을 획기적으로 높일 수 있다. 이러한 광섬유 센서를 이용한 센싱을 분산형(distributed) 시스템이라 한다.

광섬유 센서(10)는 마운팅부재(20)에 장착된다. 마운팅부재(20)는 광섬유 센서를 장착한 상태로 관측공(h)에 삽입된다. 본 예에서 마운팅부재(20)는 대략 환형으로 말려 있고 양단이 서로 포개져 있는 형태로 이루어진다. 그리고 마운팅부재(20)의 내측에는 팽창부재(30)가 설치된다. 본 예에서 팽창부재(30)는 실리콘이나 고무 재질로 이루어져 그 내부에는 유체가 충전될 수 있는 밀폐공간이 형성된다. 팽창부재(30)는 유체이송관(40)과 연결되어 밀폐공간에 유체가 주입되거나 배출될 수 있다.

유체가 가압 충전되면 실리콘 팽창부재는 도 5에 도시된 바와 같이 반경방향을 따라 팽창된다. 이 때 마운팅부재(20)에서는 겹쳐져 있던 양단부가 벌어지면서 함께 확장된다. 마운팅부재(20)의 양단부가 벌어지면서 확장되면 도 5와 같이 마운팅부재(20)의 외주면은 관측공(h)의 내벽에 밀착한다. 반대로 유체가 팽창부재(30)로부터 유체이송관(40)을 통해 배출되면 원래의 상태로 수축되는데, 이 때 마운팅부재(20)도 원래대로 양단부가 서로 겹쳐지면서, 관측공(h)의 내벽으로부터도 이격된다. 이러한 형태는 도 6에서 확인할 수 있다.

본 실시예에서 마운팅부재(20)는 관측공벽과의 밀착력을 높이기 위하여 고무 재질로 이루어진다. 또한 마운팅부재(20)는 이중 시트구조로 외측은 거칠지만 밀착력이 높은 고무 소재를, 내주면은 거칠지 않고 상대적으로 부드러운 재질의 고무를 이용할 수 있다. 마운팅부재(20)의 내주면은 팽창부재(30)와 접촉되기 때문에, 팽창부재(30)를 보호하기 위함이다.

광섬유 센서(10)는 마운팅부재(20)에 형성된 장착홈부(21)에 끼워져 설치된다. 물론 다른 예에서는 장착홈부 없이 마운팅부재의 외주면에 직접 부착될 수도 있다. 그러나 광섬유 센서의 안정적 장착 및 외부 잡음을 배제하기 위해서는 장착홈부(21)에 끼워져 삽입되는 것이 바람직하다. 본 예에서는 장착홈부(21)에 끼워진 광섬유 센서(10)가 이탈되는 것을 방지하도록 별도의 클램프(22)를 구비할 수 있다. 클램프(22)의 중앙부(221)는 광섬유 센서(10)를 감쌀 수 있게 볼록하게 형성되며, 그 양측에는 플랜지부(222)가 형성된다. 나사(미도시) 등의 결합수단이 플랜지부(222)와 마운팅부재(20)를 상호 결합시킬 수 있다.

한편, 위에서 설명한 바와 같이, 관측공(h) 내에서팽창부재(30)가 팽창하면 관측공(h)에 채워져 있던 지하수가 배출될 수 있어야 한다. 이에 본 예에서는 2가지 배수 기능을 도입하였다.

먼저 스파이럴 튜브(50)를 이용하여 관측공(h) 내의 지하수를 배수한다. 스파이럴 튜브(50)는 얇은 띠(51)를 나선형으로 감아서 길게 형성한 것으로서, 나선의 내측에는 물이 유동될 수 있는 배수로(52)가 형성된다. 또한 띠(51)가 나선형으로 감길 때 나선의 사이에 틈이 생기는데, 이 틈이 지하수를 배수로(52)로 유입시킬 수 있는 유입로(53)로 사용된다. 스파이럴 튜브(50)는 상하방향으로 길게 배치되어 마운팅부재(20)의 외측에 결합되어 배수기능을 수행한다. 보다 구체적으로, 스파이럴 튜브(50)는 본 실시예와 같이 마운팅부재(20)의 외주면에 형성된 홈부(23)에 끼워져 설치될 수도 있으며, 마운팅부재의 외측면에 별도로 부착될 수도 있다. 스파이럴 튜브(50)는 강성 재질로 이루어져 마운팅부재(20)가 관측공(h)의 공벽에 밀착될 때에도 압착되지 않으므로 배수로(52)를 확보할 수 있다.

두 번째 배수기능은 마운팅부재(20) 자체에 배수홈부(25)를 형성하여 구현한다. 도 7은 마운팅부재를 평평하게 펼친 상태로서, 배수홈부의 패턴을 설명하기 위한 것이다. 도 7을 참고하면, 마운팅부재(20)의 외주면에는 상하방향을 따라, 또는 경사방향을 따라 길게 배수홈부(25)가 형성된다. 마운팅부재(20)에 관측공(h)의 공벽에 밀착되면 배수홈부(25)를 따라 지하수가 상측으로 유동될 수 있다. 또한 도시하지는 않았지만, 마운팅부재(20)의 내주면에도 동일한 형태의 배수홈부를 형성하여 배수를 촉진할 수 있다.

한편, 도 7에서 가로방향의 홈부(26)는 마운팅부재(20)와 관측공(h) 내벽 사이의 밀착력을 향상시키기 위한 것이다.

또한 마운팅부재는 광섬유 센서(10), 스파이럴 튜브(50)가 끼워져 설치되는 부분, 예컨대 중앙부를 가장 두껍게 형성하고, 양단부로 갈수록 두께를 얇게 형성한다. 중앙부는 광섬유 등이 설치되어야 하고 강성이 있어야 하므로 상대적으로 두껍게, 그리고 양단부는 팽창부재의 팽창에 따라 쉽게 벌어질 수 있어야 하므로 얇게 형성한다.

상기한 구성으로 이루어진 광섬유 센서 케이블 시스템(100)은 권양기(윈치) 등에 연결되어 상부에서 지지하는 구조로 이루어진다. 예컨대, 마운팅부재(20)와 팽창부재(30)는 윈치에 감겨져 있는 로프에 각각 연결되어 지지될 수 있다. 또는 마운팅부재(20)와 팽창부재(30) 중 어느 하나에만 로프가 연결되고, 마운팅부재(20)와 팽창부재(30)는 상호 결합된 형태로 제작될 수도 있다. 또한 팽창부재(30)는 유체이송관(40)에 연결되어 있으므로, 유체이송관(40)에 매달려 지지될 수도 있다. 이러한 구체적인 결합 형태나 매달림 구조는 다양하게 변형가능한 바 자세한 설명은 생략하기로 한다.

지금까지는 광섬유 센서 케이블 시스템(100)에서 마운팅부재(20)와 팽창부재(30)가 하나만 있는 것으로 설명 및 도시하였으나, 관측공의 심도가 깊은 경우라면 복수 개가 필요하다. 마운팅부재(20)와 팽창부재(30)를 하나의 세트로 조합하고, 이를 편의상 마운팅유닛(60)이라고 할 때, 마운팅유닛(60)은 광섬유 센서(10)의 배치를 따라 서로 이격되어 복수 개 마련될 수 있다.

이러한 형태의 예가 도 8에 도시되어 있다. 도 8을 참고하면, 광섬유 센서(10)는 관측공(h)의 외부로부터 내측을 향해 일렬로 길게 늘어져 있고, 광섬유 센서(10)의 중간중간에 마운팅유닛(60)이 설치된 것을 확인할 수 있다.

또한 마운팅유닛(60)의 상부와 하부에는 각각 제1연결관(41)과 제2연결관(42)이 설치된다. 제1연결관(41) 및 제2연결관(42)은 모두 팽창부재의 내측과 연동되어 있다. 제1연결관(41)과 제2연결관(42)은 커넥터(49)에 의하여 상호 접속된다.

유체이송관(40)을 통해 가장 상부에 배치된 마운팅유닛(60)의 제1연결관(41)과 커넥터(49)에 의하여 접속된다. 그리고 첫 번째 배치된 마운팅유닛(60)의 하부의 제2연결관(42)은 두 번째 배치된 마운팅유닛의 제1연결관(41)과 커넥터(49)에 의하여 연결된다. 상기한 방식으로 마운팅유닛(60)을 복수 개 연결할 수 있다. 유체이송관(40)과 팽창부재(30), 제1연결관(41) 및 제2연결관(42)은 모두 연동되어 있으므로, 유체를 주입 및 배출하면 복수의 마운팅부재(60)는 약간의 시차를 두고 함께 팽창 및 수축하게 된다.

상기한 구성으로 이루어진 광섬유 센서 케이블 시스템(100)은 광섬유 센서(10)를 관측공(h)에 삽입하면서 정해진 위치에서 적어도 하나의 마운팅유닛(60)을 광섬유 센서(10)에 장착시킨다. 마운팅유닛(60)은 광섬유 센서(10)의 하강시에 함께 하강하여 관측공(h) 내 정해진 위치에 배치된다.

상기한 상태에서 유체이송관(40)을 통해 유체(압축공기, 물, 오일 등)를 주입하면 팽창부재(30)가 팽창하면서 마운팅부재(20)를 관측공의 공벽에 밀착시킨다. 광섬유 센서(10) 역시 공벽에 밀착된 상태가 된다. 팽창부재가 팽창하면서 관측공 내 물은 스파이럴 튜브(50)와 배수홈부(25)를 따라 상방으로 유동하여 배수된다. 유체이송관(40)의 초입부에는 압력게이지(70), 밸브(80) 및 펌프(90)가 순차적으로 설치되어, 주입되는 유체의 압력을 조절할 수 있다.

유체의 주입압력이 일정 기준에 다다르면 밸브(80)를 잠그고 펌프(90)의 가동을 중단하여 광섬유 센서 케이블 시스템(100)의 설치를 완료한다.

설치가 완료되면, 광섬유 센서에 광을 조사하고 광반사신호를 수신하여 분석을 수행한다. 탄성파 소스를 통해 진동을 부여하면, 도 4에 도시된 바와 같이, 탄성파가 지층, 매설물 등에 의하여 굴절 및 반사되어 광섬유 센서(10)에 작용하게 된다. 탄성파 신호가 광섬유에 도달하는 위치, 지연 시간 및 크기 분석을 통해 탄성파 탐사를 수행하게 된다.

탐사가 완료되면 밸브(80)를 열고 유체를 배출시키면 팽창부재가 수축하고, 이에 따라 마운팅부재도 원래의 상태로 겹쳐지므로, 광섬유 센서 케이블을 관측공(h) 외부로 인출할 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 광섬유 센서 케이블을 이용하여 탄성파 탐사를 정교하게 수행할 수 있다. 최소 1m의 공간분해능을 가진 센서 체계를 구축하게 되므로 탄성파 탐사의 정확성과 신뢰성이 증대될 수 있다. 그리고 광섬유를 이용함으로써 50km 이상의 광범위한 영역에서 탐사가 가능하다는 이점이 있다.

무엇보다도, 본 발명에서는 관측공 내 물을 제거할 수 있는 바 지하수에 의한 워터 웨이브를 제거할 수 있으며, 광섬유 센서가 공벽에 가압, 밀착되어 있으므로 지면파에 의한 케이블 웨이브를 제거할 수 있다. 워터 웨이브와 케이블 웨이브를 제거함으로써 신호처리가 용이할 뿐만 아니라, 탐사의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

작업의 효율성의 측면에서, 본 발명에 따른 광섬유 센서 케이블 시스템은 관측공의 공경에 상관없이 범용적으로 적용할 수 있다는 이점이 있다. 마운팅부재의 양단부가 상당 부분 겹쳐져 있어 일정 공경까지 마운팅부재로 관측공과의 밀착력을 높일 수 있으며, 관측공의 공경이 마운팅부재 보다 큰 경우에도 팽창부재가 관측공에 밀착됨으로 대부분의 공경에 적용할 수 있다.

또한 유체의 주입 및 배출에 따라 광섬유 센서의 공벽 밀착 및 해제가 가능하므로 케이블의 설치 및 해체가 매우 용이하다는 이점이 있다.

한편, 지금까지는 각 마운팅유닛에 유체를 주입할 때 직렬적으로 연속하게 주입하는 것으로 설명 및 도시하였으나, 다른 예에서는 각 마운팅유닛별로 유체이송관을 별도로 설치하여 개별적으로 유체를 주입할 수도 있을 것이다.

미설명한 참조부호 g는 지반이다.

본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한번 첨언한다.

100 …광섬유 센서 케이블 시스템
10 …광섬유 센서, 20 …마운팅부재
21 …장착홈부, 22 …클램프
23 …배수홈부, 30 …팽창부재
40 …유체이송관 50 …스파이럴 튜브
60 …마운팅유닛, 70 …압력게이지
80 …밸브 90 …펌프
g …지반, h …관측공

Claims (11)

1. 상하방향으로 배치된 관측공에 삽입하여 설치되는 것으로서,
   일단이 광원과 연결되어 광이 순방향으로 전파될 때, 각 지점에서 광이 산란되면서 발생된 광산란신호가 역방향으로 전파되는 광섬유 센서;
   상기 광섬유 센서가 장착되는 마운팅부재;
   유체의 주입 및 배출에 따라 팽창 및 수축 가능하여, 팽창시 상기 마운팅부재를 상기 관측공의 내벽에 밀착시키는 팽창부재; 및
   일단은 상기 팽창부재와 연결되며, 타단은 펌프와 연결되어 상기 유체가 이송되는 유체이송관을 구비하며,
   상기 마운팅부재는 환형으로 말려진 상태로 양단부가 상호 겹치게 배치되어,
   상기 팽창부재의 팽창에 따라 양단부가 상호 벌어지는 방향으로 형상 변형 가능하고,
   상기 팽창부재는 환형의 상기 마운팅부재의 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 탄성파 탐사용 광섬유 센서 케이블 시스템.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 마운팅부재는 고무 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 탄성파 탐사용 광섬유 센서 케이블 시스템.
4. 제1항에 있어서,
   상기 마운팅부재는 환형으로 말려져 형성되며,
   상기 마운팅부재의 외주면과 내주면 중 적어도 어느 하나에는 상하방향을 따라 적어도 하나의 배수홈부가 형성되어 상기 관측공 내 물이 상기 배수홈부를 따라 배출가능한 것을 특징으로 하는 탄성파 탐사용 광섬유 센서 케이블 시스템.
5. 제1항에 있어서,
   상하방향을 따라 길게 배치되어 상기 마운팅부재에 장착되는 것으로서. 띠가 스파이럴 형태로 감겨져 내부에 물이 유동할 수 있는 배수로가 형성되며, 감겨진 띠 사이로 물이 유입될 수 있는 스파이럴 튜브를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 탄성파 탐사용 광섬유 센서 케이블 시스템.
6. 제1항에 있어서,
   상기 마운팅부재의 외측면에는 상기 관측공과의 밀착력을 높이도록 수평방향으로 적어도 하나의 홈부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 탄성파 탐사용 광섬유 센서 케이블 시스템.
7. 제1항에 있어서,
   상기 마운팅부재에는 상하방향을 따라 길게 장착홈부가 형성되며, 상기 광섬유 센서는 상기 장착홈부에 끼워져 설치되는 것을 특징으로 하는 탄성파 탐사용 광섬유 센서 케이블 시스템.
8. 제1항 또는 제7항에 있어서,
   상기 광섬유 센서가 이탈되는 것을 방지하도록 상기 광섬유 센서를 감싸며 상기 마운팅부재에 결합되는 클램프를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 탄성파 탐사용 광섬유 센서 케이블 시스템.
9. 제1항에 있어서,
   상기 팽창부재는 실리콘이나 고무 재질로 이루어지며 내부에 상기 유체를 밀폐수용할 수 있는 수용부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 탄성파 탐사용 광섬유 센서 케이블 시스템.
10. 제1항에 있어서,
    상기 마운팅부재와 팽창부재의 조합을 하나의 마운팅유닛이라고 할 때, 복수의 상기 마운팅유닛이 상기 광섬유 센서를 따라 일정 거리 이격되어 복수 개 배치되는 것을 특징으로 하는 탄성파 탐사용 광섬유 센서 케이블 시스템.
11. 제10항에 있어서,
    상기 마운팅유닛의 상부와 하부에는 상기 팽창부재와 연결된 제1연결관과 제2연결관이 각각 설치되며,
    상측에 배치된 마운팅유닛의 제2연결관과 하측에 배치된 마운팅유닛의 제1연결관은 커넥터에 의하여 상호 결합되어, 상기 유체이송관을 통해 이동하는 유체가 복수의 마운팅유닛에 주입가능한 것을 특징으로 하는 탄성파 탐사용 광섬유 센서 케이블 시스템.

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