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Design and implementation of UWB modules for borehole radar system
조재형 Graduate School, Yonsei University 2009 국내석사
In this thesis, UWB modules for cross borehole pulse radar system are designed and implemented. Pulse generator and ultra-wide band (UWB) low-noise amplifier (LNA) with auto gain control (AGC) are implemented and tested for verifying those performances.The total path loss of underground medium including an empty cavity is calculated to organize each budget for the system design. The maximum path loss of about 140 dB is estimated when transmitting and receiving antennas are apart each other 20 m and an air cavity with the cross-section of about 2 m by 2 m is located at the center of two antennas. According to the frequency range of 20 MHz to 200 MHz and the noise level of the receiver, the specification of the TX is determined. The pulse width of the TX is lower than 5ns and the signal level is more than +68 dBm. UWB LNA is designed to have minimum noise figure, variable gain range of 90 dB and adequate frequency range.+73 dBm and +71 dBm of the TX level were achieved by the 5th and 3rd stage avalanche mode pulse generators, respectively. Pulse width of 5 ns was made in the frequency range up to 200 MHz. Heat radiating problem of the implemented TX was solved using high power resistors in series without insulating oil. It took under fifteen minutes to reach steady state in comparison with other generator of thirty minutes.The minimum noise figure of 3.77 dB, of which value should extend the range of investigation, was measured. -20 dB to over 70 dB of gain variation range accommodated drastically changeable underground situation properly. Unwanted interference signal was rejected by low pass filtering. The 3rd order high pass filter could suppress relatively high signal level in low frequency. In practice, time domain wave form is changed by the order and cutoff frequency of the filter. The time-domain system which was mainly estimated using the first arrival peak signal should have the minimum order and low cutoff frequency of the filter.Comparing the implemented system with the existing system, we found that the blind area in an operational site could be probed and the noise in the received signal pattern was reduced due to the low noise amplifier. It leads us to conclude that the implemented system provides the longer range detection and the higher resolution. And the possibility of clear indication by adjusting filtering effects was found. This system will be effectively used for abandoned mines and cavity detection, geophysical application, etc. 본 논문에서는 펄스형 시추공 레이더 시스템에 사용되는 UWB 모듈인 송신기와 광대역 가변이득 저잡음 증폭기를 설계하고 제작하였다. 우선 공동을 포함하는 지하 매질의 최대 경로 손실을 구하여서 시스템 버짓(budget)을 잡는데 사용하였다. 송, 수신 안테나가 각각 삽입된 두 시추공들은 서로 20 m 정도 떨어져 있고, 그 사이에 단면의 크기가 약 2 m 인 공동을 가정하였을 때, 송신 안테나의 전원에서 수신 안테나의 수신기까지의 모든 경로 손실을 구하여 합한 결과 최대 140 dB정도로 계산되었다. 송신기의 설계 조건은 20 MHz 에서 200 MHz의 주파수 범위와 수신기의 잡음 레벨에 의해서 +68 dBm이상의 신호 레벨과 5 ns 미만의 펄스폭을 갖도록 결정되었다. 따라서 광대역 저잡음 증폭기는 주파수 범위 내에서 최저의 잡음지수와 90 dB의 가변 이득 범위 가지게끔 설계하였다.제작된 송신기는 40 kHz의 펄스 반복율을 가지고, 5단 과 3단 펄스 발생기에서 각각 +73 dBm 과 +71 dBm의 펄스 신호를 발생하였다. 펄스폭은 5 ns 미만으로 측정되었다. 송신기는 절연유등을 사용하지 않고 고출력 저항을 직렬로 연결해서 열을 분산시켜서 방열문제를 해결하였다. 그래서 다른 송신기에 비해서 유지보수가 쉽고 예열시간도 30분 이상에서 15분 이하로 줄일 수 있었다.제작된 수신기의 시스템 잡음지수는 3.77로 측정이 되었고, 이득조절 범위는 -20 dB에서 70 dB이상으로 변화가 심한 땅 속의 상황에 적절하게 대처 할 수 있도록 하였다. 간섭신호를 포함하는 원하지 않는 신호들은 저역통과 필터로 제거되고, 상대적으로 신호의 크기가 큰 낮은 주파수 성분의 신호들은 고역통과 필터로 억제하였다. 실제로 시간영역의 파형은 필터의 차수와 차단 주파수에 의해서 변한다. 그래서 시추공 레이더와 같이 가장 처음 도착하는 피크 신호를 사용해서 감지를 하는 시스템의 경우에는 낮은 차수와 낮은 차단 주파수를 사용하도록 조정하였다.제작된 시스템을 실제 두 시추공이 있는 시험장에서 시험결과 낮은 잡음지수를 갖는 증폭기에 의해서 다른 기존 시스템에서 탐사가 되지 않는 영역에서 탐사가 가능함을 확인하였다. 이는 본 연구를 통해 제작된 펄스형 시추공 레이더 시스템이 기존의 시스템에 비해 탐사 거리와 감도면에서 우수함을 나타낸다. 또한 필터링 효과를 적절하게 조절해서 수신 신호상에서 가장 처음에 도착하는 피크의 감지를 명확하게 해 줌으로서 공동의 신호가 더 뚜렷하게 보일 수 있음을 보였다. 본 연구를 통해 개발된 시추공 레이더 시스템은 폐광 탐사, 지하공동 탐사, 물리 탐사 등의 적용분야에도 효과적으로 사용할 수 있을 것으로 기대한다.향후 개발된 펄스형 시추공 레이더 시스템의 성능을 개선하기 위한 방안으로 잡음지수를 더 낮추면 탐사거리가 더 늘어 날 것이다. 또한, 필터링 효과의 최적 차수를 결정하거나 가변하는 것은 탐사의 성공여부를 결정하는 중요한 조건으로 최적 상태를 구하기 위해서는 실제 탐사 상황을 고려한 향후 더 많은 연구가 필요하다.
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