초록
지표 천부 불포화대의 특성화에서 중요한 토양수분함량의 측정을 위한 GPR 탐사에서 지중 직접파 측정 자료의 f-k 분석을 이용한 레이다파 속도 측정법의 응용성을 검토하였다. 상부 토양이 하부에 비하여 건조한 경우에는 f-k 스펙트럼 상에서 대부분의 에너지가 공기층과 건조 토양의 속도로 이루어지는 영역 내에 존재하며, 고주파수 자료를 이용하여 비교적 정확하게 상부층의 속도를 획득할 수 있었다. 이에 비하여 천부 토양층이 하부에 비하여 수분 함유량이 높은 조건하에서는 대부분의 에너지가 건조토양과 습윤토양의 속도로 형성되는 영역 내에 분포하고 있으며, 특히 이 경우 레이다파는 습윤 토양층을 통하여 비손실성으로 전파하는 레이다파의 분산성 가이드 현상을 나타내었다. 이와 같은 가이드 현상은 모드 전파이론으로 설명되며, 이 연구에서는 이를 이용하여 2층 층서구조의 각 층의 유전율과 층의 두께를 정확히 계산할 수 있는 역산 알고리듬을 개발하였다. FDTD 수치모델링 자료에 f-k 분석을 적용하여 속도분산곡선을 획득하고 이 자료에 개발된 역산 알고림듬을 적용함으로써 두층의 유전율과 두께를 정확하게 계산할 수 있었으며, 특히 역산 시 고차 모드를 포함함으로써 그 정확도를 향상시킬 수 있었다. 향후 비슷한 조건을 가지는 현장에 개발된 알고리듬을 적용하여 정량적인 전기적 물성을 획득할 수 있을 것으로 기대된다.
We have examined the applicability of f-k analysis to the GPR direct wave measurement for water content to characterize vadose zone condition. When the vadose zone consists of a dry surface layer over wet substratum, we obtained f-k spectra where most of the energy is bounded by the air and dry soil velocities. In this case, dry soil velocity was successfully estimated by using high frequency data. On the other hands, when wet soil overlies dry substratum, the f-k spectra show a contrasting response where most of the energy travels with the velocity bounded by dry and wet soil velocities. In this case, the radar waves are trapped and guided within wet soil layer, exhibiting velocity dispersion. By adopting modal propagation theory, we could formulae a simple inversion code to find two layer's dielectric constants as well as layer thickness. By inverting the velocity dispersion curve obtained from f-k spectra of synthetic modeling data, we could obtain good estimates of dielectric constants of each layer as well as first layer thickness. Moreover, we could obtain more accurate results by including the higher mode data. We expect this method will be useful to get the quantitative property of real subsurface when the field condition is similar.
