[논문]MT 탐사자료에 나타나는 전자기적 인공잡음의 송신원 위치 추정

이춘기; 권병두; 송윤호; 이태종

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한반도 중부에서 얻은 자기지전류(MT) 탐사 자료의 dead band 주파수에서는 극심한 인공잡음의 영향이 나타난다. 이 연구에서는 송신원 위치 추정 기법을 MT 탐사 자료에 적용하여 인공잡음의 송신원 위치를 추정하였다. 일반적인 빔형성 기법은 전자기장 송신원 위치 추정에 적합하지 않으므로 정합장 처리 기법과 유전자 알고리즘을 이용하여 전자기장 송신원의 위치와 분극 방향을 계산하였다. 강한 잡음 신호에 대한 송신원 위치 추정 해는 매우 좁은 지역에 밀집되어 나타나지만 자연적인 MT 신호의 송신원 위치 추정해는 무작위적인 분포를 보여준다. 강한 잡음의 송신원은 경기도 서부 지역에 위치한다.

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Magnetotelluric data recorded in the middle part of the Korean Peninsula are contaminated by severe noises at dead-band frequencies. In this study, we estimated the location of noise source using a source localization method. Since conventional beamforming techniques were not adequate for the locali...

Magnetotelluric data recorded in the middle part of the Korean Peninsula are contaminated by severe noises at dead-band frequencies. In this study, we estimated the location of noise source using a source localization method. Since conventional beamforming techniques were not adequate for the localization of electromagnetic sources, we used the matched field processing and a genetic algorithm. The solutions for the strong noise signals tend to be localized in a narrow area, whereas those for natural MT signals shows randomly distributed patterns. The strong noise sources are mainly located in the western part of Kyonggi-do.

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문제 정의

이 연구의 목적은 측정된 전자기 신호로부터 송신원 위치와 분극 특성을 추정하는 것이다. 전자기장 송신원의 정확한 위치와 분극 특성을 정량적으로 결정하는 것은 주변의 잡음 환경을 이해하는데 도움이 될 뿐만 아니라 탐사 측점 선정 및 탐사 설계 등 향후 MT 탐사 자료 획득에 유용한 정보를 제공해줄 수 있다.

가설 설정

특히, 지표면 위에 분포하는 송신원의 경우 기하학적인 면에서 볼 때 수평 전기쌍극자로의 근사가 타당하다. MT 탐사의 경우 좋은 자료의 질을 확보하기 위해 인공 시설물들로부터 최대한 멀리 떨어진 탐사 측점을 선택하는 것이 일반적이며 측점 간격 역시 수 km에 달하므로 이 연구에서는 잡음원을 점원(point source)의 분포형태로 가정한다.
합성자료를 생성하기 위한 측점배열은 측점의 개수가 5개, 측점 간격이 5 km이며 측점은 일렬로 배열된 형태를 가정한다. 지하매질의 전기비저항은 1000 ohm-m, 주파수는 0.

제안 방법

그러나 자기장 성분은 근거리장에서 매질의 전기전도도에 무관하며 원거리장에서도 전기장에 비해 전기전도도에 민감하지 않다(Zonge and Hughes, 1991). 따라서 이 연구에서는 자기장 성분을 이용한 송신원 위치 추정을 시도하였으며 바람과 같은 물리적 요인에 민감한 수직 자기장 성분을 제외하고 수평 자기장 성분만을 이용하여 실험하였다.
이 연구에서는 이 잡음원의 정확한 위치를 밝히기 위하여 측점 배열을 이용하는 송신원 위치 추정(source localization) 기법을 적용하였다. 먼저 합성자료에 대하여 송신원 위치 추정 기법의 정확성을 평가하고 다중 측점에서 측정된 현장 MT 자료에 적용하여 0.1 ~ 1 Hz 대역의 dead band에서 나타나는 뚜렷한 인공잡음에 대하여 송신원 위치 추정을 시도하였다.
즉, 집단내의 개체들이 세대(generation)을 거치면서, 교배(crossover), 변이(mutation)와 유사한 과정으로 번식하여 점점 더 적합도가 높은 개체들이 만들어지게 되는 원리이다. 이 연구에서는 유전인자, 즉 모델변수는 송신원의 위치(x, y) 좌표와 분극 방향이며, 모델반응과 측정 자료의 적합도가 높은 개체를 선택하여 최적의 송신원 위치와 분극방향을 구하도록 하였다. 개체 집단의 크기를 나타내는 세대 크기(generation size)는 200, 교배 비율(crossover fraction)은 0.

대상 데이터

MT 탐사에서 획득되어지는 자료는 전기장 2성분과 자기장 3성분이다. 전기장의 경우 지하의 전기비저항 구조에 의해 크게 좌우되고 국지적 이상체에 의해 심하게 왜곡되는 경우가 많으므로 송신원 위치 추정에 전기장 성분을 사용하는 것은 매우 어려운 일이다.
경기도 지역의 탐사는 4 ~ 5 측점에서 동시에 측정이 이루어졌으며 측점 배열이 양호한 6일간의 자료를 이용하여 6개의 배열 셑(A1 ~ A6)을 구성하였다(Fig. 6). Fig.
각각의 시간 윈도우에서 구해진 Fourier 변환계수는 식 (5)와 같이 공분산 행렬로 중합된다. 공분산 행렬에 사용되는 시간윈도우의 개수는 10개로 설정하였으며 그 결과 각 배열 마다 210개씩의 위치추정 해를 구하였다. 얻어진 위치추정 해들을 인공잡음이 극심한 시간대(17시 ~ 24시)와 약한 시간대(01시 ~ 05시)로 나누어 송신원 쌍극자의 위치와 방향을 도시하면 Fig.
이러한 전자기장의 공간적 변화양상을 이해하기 위하여 송신원 위치 추정 기법을 MT 자료에 적용하였다. 특히, 다수의 측점에서 동시에 측정이 이루어지고 인공잡음의 영향도 극심한 경기도 지역의 MT 자료를 시험적으로 적용하였다.

이론/모형

MT 탐사 자료에 포함되어 있는 강한 인공잡음의 송신원을 추정하기 위하여 송신원 위치 추정 기법을 적용하였다. 전기쌍극자에 의한 자기장의 순산모델링과 목적함수의 최적화를 통해 송신원의 위치와 분극을 추정할 수 있다.
4. Results from the source localization using the hybrid method of genetic algorithm and gradient descent algorithm. The subplots are same as in Fig.
이러한 특성은 주변의 강력한 인공 잡음원(특히, 직류전류를 사용하는 지하철 시스템)에 의한 영향으로 생각되나 인공 잡음의 발생 지점을 명확히 규정하기는 어려웠다. 이 연구에서는 이 잡음원의 정확한 위치를 밝히기 위하여 측점 배열을 이용하는 송신원 위치 추정(source localization) 기법을 적용하였다. 먼저 합성자료에 대하여 송신원 위치 추정 기법의 정확성을 평가하고 다중 측점에서 측정된 현장 MT 자료에 적용하여 0.
지역 시간으로 약 01시부터 05시까지(세계시간으로 16시부터 20시까지)를 제외한 모든 시간대에서 이 인공잡음이 지속되며 파워 스펙트럼과 분극 방향이 공간적으로 균일하지 않은 양상을 보인다. 이러한 전자기장의 공간적 변화양상을 이해하기 위하여 송신원 위치 추정 기법을 MT 자료에 적용하였다. 특히, 다수의 측점에서 동시에 측정이 이루어지고 인공잡음의 영향도 극심한 경기도 지역의 MT 자료를 시험적으로 적용하였다.
이러한 오차함수의 공간적 특성으로 인해 구배하강법을 사용하는 경우 적절하지 못한 초기값을 사용하는 경우 국지해에 수렴할 가능성이 높다. 초기값의 영향을 받지 않고 전역적 최적해를 구하기 방법으로서 몬테카를로법(Monte Carlo method), 시뮬레이티드 어닐링(simulated annealing), 유전자 알고리즘(genetic algorithm) 등이 있으며(Sen and Stoffa, 1995), 이 연구에서는 유전자 알고리즘을 이용하였다.

성능/효과

전기쌍극자에 의한 자기장의 순산모델링과 목적함수의 최적화를 통해 송신원의 위치와 분극을 추정할 수 있다. 유전자 알고리즘을 이용하여 합성 자료에 대해 위치 추정을 실시한 결과 높은 정확도를 보였으나 가우시안 잡음을 포함시켰을 때는 위치 추정의 결과가 잡음에 민감하다. 현장자료에 적용한 결과 강한 인공잡음이 존재하는 시간대에는 추정된 송신원의 위치가 특정지역에 밀집되어 나타나는 것을 볼 수 있다.

후속연구

전자기장 송신원의 정확한 위치와 분극 특성을 정량적으로 결정하는 것은 주변의 잡음 환경을 이해하는데 도움이 될 뿐만 아니라 탐사 측점 선정 및 탐사 설계 등 향후 MT 탐사 자료 획득에 유용한 정보를 제공해줄 수 있다. 또한 송신원의 위치는 MT 신호와 잡음을 구별하는 지표가 될 수 있어 통계적 기법의 적용이 어려운 극심한 잡음 환경에서 임피던스 추정 정확성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 또한 잡음을 이용하여 지하의 전기전도도 구조를 해석할 수 있는 가능성을 열어준다.
또한 송신원의 위치는 MT 신호와 잡음을 구별하는 지표가 될 수 있어 통계적 기법의 적용이 어려운 극심한 잡음 환경에서 임피던스 추정 정확성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 또한 잡음을 이용하여 지하의 전기전도도 구조를 해석할 수 있는 가능성을 열어준다. 따라서 송신원 위치 추정 기법은 한반도와 같이 인공 잡음이 MT 탐사 수행에 제한을 가하는 지역에서는 의미 있는 연구가 될 수 있다.
이 연구의 목적은 측정된 전자기 신호로부터 송신원 위치와 분극 특성을 추정하는 것이다. 전자기장 송신원의 정확한 위치와 분극 특성을 정량적으로 결정하는 것은 주변의 잡음 환경을 이해하는데 도움이 될 뿐만 아니라 탐사 측점 선정 및 탐사 설계 등 향후 MT 탐사 자료 획득에 유용한 정보를 제공해줄 수 있다. 또한 송신원의 위치는 MT 신호와 잡음을 구별하는 지표가 될 수 있어 통계적 기법의 적용이 어려운 극심한 잡음 환경에서 임피던스 추정 정확성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
따라서 인공잡음의 강도가 MT 신호보다 충분히 크다면 위치 추정 기법을 통하여 인공잡음 송신원 위치를 추정할 수 있다. 향후 지하매질의 전기전도도 구조를 포함한 위치추정, 전기장을 이용한 위치추정, 추정 위치의 정확도 향상 등의 개선이 이루어진다면 한반도의 전자기적 잡음환경 분석에 좋은 결과를 제공할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	송신원 위치 추정은 어떤 기법인가?	송신원 위치 추정(source localization) 기법은 뇌우 위치 추정, 음파의 음원 추정, 뇌파 발생 위치 추정, 무선 통신 네트워크, 군 감시체제 등 매우 다양한 분야에서 이용되는 자료처리 기법이다(Chen et al., 2002).
	MT 탐사에서 획득되어지는 자료는 무엇인가?	MT 탐사에서 획득되어지는 자료는 전기장 2성분과 자기장 3성분이다. 전기장의 경우 지하의 전기비저항 구조에 의해 크게 좌우되고 국지적 이상체에 의해 심하게 왜곡되는 경우가 많으므로 송신원 위치 추정에 전기장 성분을 사용하는 것은 매우 어려운 일이다.
	정합장 처리 기법은 무엇과 유사한가?	, 1993). 이 방법은 측정 자료와 파동 방정식의 해와의 차이인 오차함수를 최소화시킴으로써 모델 변수를 추정하여 지구물리학에서 다루게 되는 일반적인 역산 문제와 유사하다. 정합장 처리 기법은 음향해양학뿐만 아니라 전자기장 전파 문제에서도 적용될 수 있으며, 천해의 선박 위치 추정(Birsan, 2006), 대류권 시뮬레이션(Gingras et al.

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