[논문]시추공 탄성파 초동주시 기록의 정보정 연구

이두성

doi:10.7582/gge.2011.14.2.146

시추공 탄성파 초동주시 기록의 정보정 연구
A Study on the Static Correction for the First Arrival Travel-time of the Cross-well Seismic Data 원문보기

지구물리와 물리탐사 = Geophysics and geophysical exploration, v.14 no.2, 2011년, pp.146 - 151

초록
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시추공 탄성파 초동주시에 유입될 수 있는 잡음 중에서 주시토모그래피 결과에 심각한 영향을 미치는 체계적인 잡음인 송신원 종속적인 잡음과 수신점 종속적인 잡음을 해당기록의 정보정으로 산출하는 방법을 제안하였다. 이 방법은 공통 송신원 또는 공통 수신점 모음의 초동주시를 적합 하는 최소제곱근사 곡선으로부터 해당 송신점 또는 수신점 종속적인 정보정을 산출하는 방법이다. 제안한 방법의 적용성을 검토하기위하여 잡음제거 모의실험을 수행하였다. 대상 모델로 균질한 매질 내에 있는 소규모 터널모델을 설정하고, 파선추적법에 의하여 주어진 측선배열에 대한 초동주시를 산출하고 이 기록에 송신/수신점 종속적인 잡음을 첨가하고 이를 산출하는 실험을 수행하였다. 잡음의 rms가 이상대의 존재로 인한 최대 예상 주시지연의 25%인 경우, 제안한 방법을 7회 반복 시행함으로써 성공적으로 잡음을 추출할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

A method to evaluate and to reduce the source- and receiver- consistent noise in a cross-well travel time data was proposed. These systematic noises, which can cause some serious effects on the result of a travel time tomography, can be considered as the source and receiver statics. The method evaluates the statics through a curve-fitting of the first arrival travel times in the common source and common receiver gathers. Feasibility study was conducted on a synthetic data which simulates the cross-well travel time tomography to detect a small scale tunnel in a uniform background medium. First arrival travel times at a given source and receiver points are computed by a raytracing method, and the source consistent- and receiver consistent noises are added to the record. In case of the added noise with rms amounting to 25% of the maximum expected anomalous travel time delays, it is confirmed that the method successfully extracted the noise at the 7th step of iteration.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

논문에서는 적용성 검토를 위한 시추공 주시 토모그래피 모의실험을 수행하였다. 실험은 균질한 매질 내에 존재하는 소규모터널 탐지를 목적으로 한 시추공 주시토모그래피이다.
본 논문에서는 주시토모그래피 초동주시 영역에 첨가된 잡음 중에서 토모그래피 결과에 심각한 영향을 미치는 체계적인 잡음, 즉 송신점, 수신점 종속적인 잡음을 도출하는 방법을 제안하고 모의실험을 통하여 그 방법의 적용성에 대한 평가를 수행하였다. 여기서 잡음은 시추공 탄성파 자료 획득과정과 초동 발췌단계에서 유입된 잡음 즉 정보정(static)으로 고려하였으며, 제안한 잡음도출 방법은 그 절차와 적용법에 있어서 탄성파 반사법 잔여 정보정(residual statics) 처리방법을 참조하여 개발되었다.
본 논문의 주제는 시추공 초동주시 자료에 내재한 잡음의 추출 방법에 대한 연구이다. 여기서 잡음이란 특정 송신원 또는 특정 수신점 신호가 탄성파가 전파된 매질과 무관하게 상대적으로 타 기록에 비하여 시간 이동된 상태를 뜻하며 잡음 제거는 각 기록 간의 시간 편차를 보정하는 공정이다.
논문에서는 적용성 검토를 위한 시추공 주시 토모그래피 모의실험을 수행하였다. 실험은 균질한 매질 내에 존재하는 소규모터널 탐지를 목적으로 한 시추공 주시토모그래피이다. 설정된 속도모델 상에서 유한차분법에 기반한 파선추적을 통하여 각 송신/수신점에 해당하는 기록의 초동주시를 산출하고, 산출된 초동주시 기록에 송신점 또는 수신점에 종속적인 무작위 잡음을 첨가하고, 제안한 방법으로 잡음이 첨가된 기록으로부터 잡음을 도출하는 실험을 수행하였다.

제안 방법

Fig. 2의 잡음을 터널모델 초동주시 기록에 첨가하고 그 기록으로부터 송신원 종속적인 잡음과 수신점 종속적인 잡음 산출을 시도하였다. 송신원 정보정과 수신점 정보정은 각각 공통 송신점 기록(CSG)과 공통수신점 기록(CRG)에서 독립적으로 처리하였다.
잡음제거 효과를 관찰하기 위하여 a) 송신원 종속적인 잡음이 첨가된 기록, b) 수신점 종속적인 잡음이 첨가된 기록, c)송신원 종속적인 잡음과 수신점 종속적인 잡음 모두 첨가된 기록과 d) 기록 3에 정보정을 7회 반복 처리한 기록 e) 잡음이 없는 기록들을 사용하여 주시토모그래피를 실시하여 속도영상을 도출하였다.
실제 자료처리는 전산처리이므로 이상점을 시각적으로 판단할 수 없다. 따라서 일차 곡선맞춤으로 개략적인 근사 곡선을 도출하고 이 곡선과 실측 초동주시의 잔차(residual)분포를 참조하여 이상점을 선별한다. 선택된 이상점들을 제외한 이차 곡선 맞춤에서 정보정 값을 산출한다.
반사법 잔여 정보정과정에서 반복적으로 속도분석과 정보정을 수행하는 것과 같이 본 실험에서도 정보정 산출 및 적용을 반복하여 실시하였다(Fig. 5와 Fig. 6).
실험은 균질한 매질 내에 존재하는 소규모터널 탐지를 목적으로 한 시추공 주시토모그래피이다. 설정된 속도모델 상에서 유한차분법에 기반한 파선추적을 통하여 각 송신/수신점에 해당하는 기록의 초동주시를 산출하고, 산출된 초동주시 기록에 송신점 또는 수신점에 종속적인 무작위 잡음을 첨가하고, 제안한 방법으로 잡음이 첨가된 기록으로부터 잡음을 도출하는 실험을 수행하였다. 파선추적은 유한차분법에 기초한 von Trier and Symes(1991)가 제안한 방법을 사용하였다.
본 논문에서는 주시토모그래피 초동주시 영역에 첨가된 잡음 중에서 토모그래피 결과에 심각한 영향을 미치는 체계적인 잡음, 즉 송신점, 수신점 종속적인 잡음을 도출하는 방법을 제안하고 모의실험을 통하여 그 방법의 적용성에 대한 평가를 수행하였다. 여기서 잡음은 시추공 탄성파 자료 획득과정과 초동 발췌단계에서 유입된 잡음 즉 정보정(static)으로 고려하였으며, 제안한 잡음도출 방법은 그 절차와 적용법에 있어서 탄성파 반사법 잔여 정보정(residual statics) 처리방법을 참조하여 개발되었다.
그러나 실제 자료처리에서는 이 모의실험에서와 같은 정확한 정보정 값(입력 잡음)에 대한 정보가 없으므로 반복 횟수를 판단할 기준이 필요하다. 여기서는 각 반복단계에서 정보정 증분 값의 변이를 관찰하였다. Fig.
제안한 방법은 공통 송신원 또는 공통 수신점기록의 초동주시들을 대표하는 쌍곡선맞춤을 통하여 반복적으로 해당 송신점 및 수신점 정보정을 산출하는 방법이다. 모의실험 결과에 의하면 최대 예상 주시지연의 25% 크기의 잡음이 포함된 기록의 실험에서 7회 반복 연산함으로써 입력 잡음과 거의 동일한 수준의 정보정을 도출할 수 있었다.

대상 데이터

실험에 사용한 송신/수신기 종속적 잡음은 무작위 잡음으로 그 rms 크기가 최대 주시지연의 25% 정도이다(Fig. 2).

데이터처리

원본기록의 시간이동을 최소로 하기위하여 기준값(datum)값은 정보정의 평균값 또는 중앙값을 영(0)으로 하는 것이 일반적이다. 여기서는 산출된 정보정의 평균값을 구하고 모든 정보정 값에서 평균값을 뺀 값을 정보정으로 도출하였다.

이론/모형

본 연구에서 송신/수신점 종속적인 잡음 추출은 공통 송신점 기록(common source gather: CSG)과 공통 수신점 기록(common receiver gather: CRG)에서 기록의 오프셋에 대한 초동주시 곡선(무브아웃 곡선)은 기록 구간에서 매질 속도 변화가 크지 않을 경우 쌍곡선으로 근사할 수 있다는 사실에 기반을 둔다. 기록에 첨가된 미지의 잡음에 대한 분석방법으로 탄성파 반사법 자료처리 공정 중 하나인 잔여 정보정(residual statics correction) 개념을 도입하였다.
설정된 속도모델 상에서 유한차분법에 기반한 파선추적을 통하여 각 송신/수신점에 해당하는 기록의 초동주시를 산출하고, 산출된 초동주시 기록에 송신점 또는 수신점에 종속적인 무작위 잡음을 첨가하고, 제안한 방법으로 잡음이 첨가된 기록으로부터 잡음을 도출하는 실험을 수행하였다. 파선추적은 유한차분법에 기초한 von Trier and Symes(1991)가 제안한 방법을 사용하였다.

성능/효과

제안한 방법은 공통 송신원 또는 공통 수신점기록의 초동주시들을 대표하는 쌍곡선맞춤을 통하여 반복적으로 해당 송신점 및 수신점 정보정을 산출하는 방법이다. 모의실험 결과에 의하면 최대 예상 주시지연의 25% 크기의 잡음이 포함된 기록의 실험에서 7회 반복 연산함으로써 입력 잡음과 거의 동일한 수준의 정보정을 도출할 수 있었다. 반복적인 방법으로 안정적인 정보정 도출을 위해 고려할 사항은 각 반복 단계에서 속도의 변화가 크지 않아야하고 단계별 정보정 증분이 영으로 수렴하여야 할 것으로 생각된다.
본 연구에서 송신/수신점 종속적인 잡음 추출은 공통 송신점 기록(common source gather: CSG)과 공통 수신점 기록(common receiver gather: CRG)에서 기록의 오프셋에 대한 초동주시 곡선(무브아웃 곡선)은 기록 구간에서 매질 속도 변화가 크지 않을 경우 쌍곡선으로 근사할 수 있다는 사실에 기반을 둔다. 기록에 첨가된 미지의 잡음에 대한 분석방법으로 탄성파 반사법 자료처리 공정 중 하나인 잔여 정보정(residual statics correction) 개념을 도입하였다.
시추공을 이용하는 탄성파 주시 토모그래피로 소규모 이상대를 탐지하려면 이상대의 존재로 인한 초동주시 공간의 변위에 대한 높은 신뢰도가 확보되어야 한다. 소규모터널 탐지를 위한 주시토모그래피 모의실험 결과에 의하면 송신 또는 수신기 종속적인 주시오차(잡음)가 이상대의 존재로 인한 주시 변위의 대략 25%인 경우 속도영상에서 터널의 위치를 인지하는데 불확실성이 높은 것으로 분석되었다. 특히 경암 내에 존재하는 소규모 터널의 경우 예상되는 주시지연이 탄성파기록의 초동주시의 1 ~ 2% 퍼센트 정도로 미세함으로 기록에 첨가된 미세한 잡음도 토모그래피 결과에 심각한 영향을 미칠 수 있다(이두성, 2011).
위에서 논의한 바와 같이 잡음이 첨가된 기록으로부터 추출된 송신/수신 종속적인 정보정 값을 각각 해당 입력 잡음의 분포와 비교한 결과 이들 분포는 매우 유사한 패턴을 보이고 있으나 산출된 정보정 분포는 그 크기에 있어서 기록에 삽입된 잡음의 크기의 1/2 보다 다소 작게 산출되었다(Fig. 5a).
이 속도영상들은 5,000 m/s 상속도 초기모델을 사용하여 30회 반복 역산한 결과이다. 이 실험 결과는 송신점과 수신점에 종속적인 잡음은 제안한 정보정 방법에 의하여 효과적으로 처리될 수 있음을 보여준다고 하겠다.

후속연구

01 ms은 파선길이 5 cm 정도에 해당하는 오차이며 이는 송신원 간격 1 m 정도인 기록에서 특히 수작업으로 송신원을 이동시키는 탐사에서는 충분히 예상되는 수준의 오차이다. 따라서 이러한 탐사목적 달성을 위해서는 잡음 수준을 낮추는 전처리과정이 성공적인 주시토모그래피 탐사에 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	주시토모그래피 결과에 심각한 영향을 미치는 잡음은?	시추공 탄성파 초동주시에 유입될 수 있는 잡음 중에서 주시토모그래피 결과에 심각한 영향을 미치는 체계적인 잡음인 송신원 종속적인 잡음과 수신점 종속적인 잡음을 해당기록의 정보정으로 산출하는 방법을 제안하였다. 이 방법은 공통 송신원 또는 공통 수신점 모음의 초동주시를 적합 하는 최소제곱근사 곡선으로부터 해당 송신점 또는 수신점 종속적인 정보정을 산출하는 방법이다.
	시추공 초동주시 자료에 내재한 잡음의 추출 방법에 대한 연구 결과는?	제안한 방법은 공통 송신원 또는 공통 수신점기록의 초동주 시들을 대표하는 쌍곡선맞춤을 통하여 반복적으로 해당 송신 점 및 수신점 정보정을 산출하는 방법이다. 모의실험 결과에 의하면 최대 예상 주시지연의 25% 크기의 잡음이 포함된 기록의 실험에서 7회 반복 연산함으로써 입력 잡음과 거의 동일한 수준의 정보정을 도출할 수 있었다. 반복적인 방법으로 안정적인 정보정 도출을 위해 고려할 사항은 각 반복 단계에서 속도의 변화가 크지 않아야하고 단계별 정보정 증분이 영으로수렴하여야 할 것으로 생각된다.
	시추공을 이용하는 탄성파 주시 토모그래피로 소규모 이상 대를 탐지하기위해 확보되어야 하는 것은?	시추공을 이용하는 탄성파 주시 토모그래피로 소규모 이상 대를 탐지하려면 이상대의 존재로 인한 초동주시 공간의 변위에 대한 높은 신뢰도가 확보되어야 한다. 소규모터널 탐지를 위한 주시토모그래피 모의실험 결과에 의하면 송신 또는 수신기 종속적인 주시오차(잡음)가 이상대의 존재로 인한 주시 변위의 대략 25%인 경우 속도영상에서 터널의 위치를 인지하는데 불확실성이 높은 것으로 분석되었다.

참고문헌 (5)

이두성, 2003, 임펄시브형 시추공용 탄성파 송신신호 시작시간 측정에 관한 연구, 물리탐사, 6, 71-76.
이두성, 2009, 초동 주시 측정 오차로 제어된 공대공 주시 토모 그래피 사례연구, 물리탐사, 12, 3, 233-238.
이두성, 2011, 소규모 저속도 이상대 탐지를 위한 시추공 주시 토모그래피에서 잡음 영향 분석, 14, 2, 140-145.

원문보기 상세보기
von Trier, J. and W. W. Symes, 1991, Upwind finite-difference calculationmof traveltimes, Geophysics, 56, 812-821.
Wiggins, R. A., Larner, K. L., and Wisecup, R. D., 1976, Residual statics analysis as a general linear inverse problem, Geophysics, 41, 922-938.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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