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[국내논문] 벡터 유한 요소를 이용한 고주파수 3차원 전자탐사 모델링 원문보기

대한자원환경지질학회 2001년도 춘계 공동학술발표회, 2001 Apr. 01, 2001년, pp.123 - 125  

손정술 (서울대학교 지구환경시스템공학부) ,  송윤호 (한국 지질자원연구원) ,  서정희 (서울대학교 지구환경시스템공학부)

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제안 방법

  • 그러나 최근 환경오염문제에 대한 적용 등을 목적으로, 유전율에 의한 변위전류를 함께 고려하는 고주파수 전자탐사의 필요성이 증대되고 있다. 고주파수 대역의 모델링에서는 종래의 절점에 기반한 유한요소법을 사용할 경우 벡터기생해에 의한 오차가 필연적으로 발생하므로, 이 연구에서는 벡터 유 한요소법을 이용하여 고주파수 대역의 3차원 전자탐사 수치 모델링 알고리듬을 개발하였다. 알고리듬 의 검증을 위해서 층서구조해와 비교하여 보았으며, 주파수를 100 MHz까지 높여서 고주파수 전자탐 사 모델링에의 적용성을 확인하였다.
  • 고주파수 대역의 모델링에서는 종래의 절점에 기반한 유한요소법을 사용할 경우 벡터기생해에 의한 오차가 필연적으로 발생하므로, 이 연구에서는 벡터 유 한요소법을 이용하여 고주파수 대역의 3차원 전자탐사 수치 모델링 알고리듬을 개발하였다. 알고리듬 의 검증을 위해서 층서구조해와 비교하여 보았으며, 주파수를 100 MHz까지 높여서 고주파수 전자탐 사 모델링에의 적용성을 확인하였다.
  • 송신항이 포함된 맥스웰의 방정식을 유한 요소법에 그대로 적용하는 경우에는 송신항의 특이성으로 인해 발생하는 수치적인 문제가 발생한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 전체장보다는 이차장만을 계산하도록 맥스웰의 방정식을 변형하였으며, 이를 변분식의 유도에 사용하였다. 변분식의 유도에는 비교적 이론이 간단하고, 임의의 미분방정식 에의 적용이 가능한 가중 잔여법을 이용하였다.
  • 이러한 문제점을 해결하기 위해 전체장보다는 이차장만을 계산하도록 맥스웰의 방정식을 변형하였으며, 이를 변분식의 유도에 사용하였다. 변분식의 유도에는 비교적 이론이 간단하고, 임의의 미분방정식 에의 적용이 가능한 가중 잔여법을 이용하였다. 한편, 자기장에 대한 미분방정식인 경우 전기적인 물 성인 전기전도도와 유전율과 관련되는 admittivity에 대한 공간적인 미분을 포함하고 있음으로 인해, 수치적인 오차를 유발하는 문제점을 가지고 있다.
  • 한편, 자기장에 대한 미분방정식인 경우 전기적인 물 성인 전기전도도와 유전율과 관련되는 admittivity에 대한 공간적인 미분을 포함하고 있음으로 인해, 수치적인 오차를 유발하는 문제점을 가지고 있다. 따라서, 이 연구에서는 일반적인 지구물리 모델링의 경우에 위와 같은 문제점이 없는 전기장에 대한 미분식을 이용하여 변분식을 유도하였다. 벡터 기생해 의 문제점을 해결하기 위해서 기저함수가 크기와 방향을 가지는 벡터요소를 유한요소법의 유도에 이용하였다.
  • 유한요소법을 적용하였을 경우 결과적으로 얻게되는 식은 Ax= B 와 같이 표현되는 행렬식이 며, 이와 같은 행렬식을 풀기 위한 방법으로 이 연구에서는 기억용량과 계산시간 면에서 유리한 반복 적인 방법을 사용하였다. 사용된 방법은 BiCG 법을 복소 행렬의 계산으로 확장한 CBCG (Complex Bi-Conjuate Gradient) 법 이며, 수렴속도를 향상시키 기 위한 선처 리기로서는 Point Jacobi 법을 사용하였다.
  • , 1995)의 결과를 이용하였다. 계산되는 값들은 전기장으로, 실제 해석에 이용되는 자료 인 자기장을 계산하기 위해서는 전기장을 미분하는 과정이 필요하게 되며, 이 연구에서는 전기장의미 분에서 일반적으로 이용하는 차분식을 사용하지 않고 맥스웰의 방정식의 적분식의 변형된 형태를 이용하여 자기장을 계산하였다.

대상 데이터

  • 그림 2는 본 연구에서 대상으로 하고 있는 고주파수 탐사에의 적용성을 확인하기 위하여 100 MHz 의 주파수를 이용하는 경우의 층서구조 모형을 도시한 것이다. 전체 모델의 크기는 6 m X 6 m X 6 m 모형을 설정하였으며, 격자간격은 0.1 m로, 송신원으로는 수직 자기 쌍극자를 이용하였다. 일차장의 영향이 적은 지하에서의 전기장 만을 결과의 비교에 사용하였으며, 송신원에서 1 m 떨어진 곳에 시추 공을 설정하였다.
  • 1 m로, 송신원으로는 수직 자기 쌍극자를 이용하였다. 일차장의 영향이 적은 지하에서의 전기장 만을 결과의 비교에 사용하였으며, 송신원에서 1 m 떨어진 곳에 시추 공을 설정하였다. 일차장과 계산되는 이차장 그리고, 이 둘을 더하여 계산되어지는 전체장과의 상관관계를 살펴보기 위해, 그림 3에 모든 자료를 함께 도시하였다.

이론/모형

  • 유한요소법을 이용한 3차원 전자기장의 계산은 맥스웰의 방정식으로부터 유도된 이차 미분 방정식 으로부터 유도된 등가의 변분식을 이용하여 계산하게 된다. 송신항이 포함된 맥스웰의 방정식을 유한 요소법에 그대로 적용하는 경우에는 송신항의 특이성으로 인해 발생하는 수치적인 문제가 발생한다.
  • 따라서, 이 연구에서는 일반적인 지구물리 모델링의 경우에 위와 같은 문제점이 없는 전기장에 대한 미분식을 이용하여 변분식을 유도하였다. 벡터 기생해 의 문제점을 해결하기 위해서 기저함수가 크기와 방향을 가지는 벡터요소를 유한요소법의 유도에 이용하였다. 그림 1에 본 연구에서 이용한 선형 일차 육면체 (hexahedron) 요소와 벡터 유한요소법을 적 용하기 위한 모서리를 도시하였다.
  • 유한요소법을 적용하였을 경우 결과적으로 얻게되는 식은 Ax= B 와 같이 표현되는 행렬식이 며, 이와 같은 행렬식을 풀기 위한 방법으로 이 연구에서는 기억용량과 계산시간 면에서 유리한 반복 적인 방법을 사용하였다. 사용된 방법은 BiCG 법을 복소 행렬의 계산으로 확장한 CBCG (Complex Bi-Conjuate Gradient) 법 이며, 수렴속도를 향상시키 기 위한 선처 리기로서는 Point Jacobi 법을 사용하였다.
  • 인위적인 경계면의 처리를 위해서, 이 연구에서는 비교적 그 수식이 간단하고 적용이 쉬운 2차 RBC를 사용하였으며, 송신항에 포함되는 일차장의 계산에는 반 무한 매질에서의 EM1D code (Pellerin et al., 1995)의 결과를 이용하였다. 계산되는 값들은 전기장으로, 실제 해석에 이용되는 자료 인 자기장을 계산하기 위해서는 전기장을 미분하는 과정이 필요하게 되며, 이 연구에서는 전기장의미 분에서 일반적으로 이용하는 차분식을 사용하지 않고 맥스웰의 방정식의 적분식의 변형된 형태를 이용하여 자기장을 계산하였다.
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