[논문]MT 탐사자료에 나타나는 전자기적 인공잡음의 송신원 위치 추정

이춘기; 권병두; 송윤호; 이태종

[국내논문] MT 탐사자료에 나타나는 전자기적 인공잡음의 송신원 위치 추정
Electromagnetic Source Localization of the Cultural Noise in MT data 원문보기

이춘기 (한국지질자원연구원 지하수지열연구부) , 권병두 (서울대학교 지구과학교육과) , 송윤호 (한국지질자원연구원 지하수지열연구부) , 이태종 (한국지질자원연구원 지하수지열연구부)

The cultural noise sources in magnetotellurics were localized using the source localization method. Conventional beamforming techniques are not applicable for electromagnetic source localization. In this study, the matched field processing and genetic algorithm are used to localize an electromagnetic source and estimate the polarization direction. The source localization using MT field data shows the characteristics of estimated source distribution related to the strength of cultural noise.

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문제 정의

하지만 남한 지역은 인구 밀도가 높고 전기 시설물들이 산재되어 있어 전자기적 잡음이 심각하다. 본 연구에서는 강한 인공잡음이 포함되어있는 MT 자료로부터 인공잡음 송신원의 위치와 분극을 추정함으로써 측점 주변의 잡음 환경을 분석해보고자 한다. 이를 위해 측점 배열을 이용하는 송신원 위치 추정(source localization) 기법을 적용하였다.

가설 설정

3.1 합성자료의 검증 MT 탐사 자료에 영향을 미치는 인공잡음의 송신원은 무수히 많고 지구조와의 상호 작용을 통해 매우 복잡한 양상을 가지지만 수치모델을 단순화하기 위하여 인공잡음 의 송신원은 수평 전기 쌍극자이며 지하매질은 알려진 전기비저항을 가지는 반무한 매질로 가정한다. 이러한 경우, 점원에 의한 모델 반응은 잘 알려져 있다(Zonge and Hughes, 1987).
합성자료를 생성하기 위한 측점배열은 측점의 갯수가 5개 측점 간격이 5km이며 측점은 일렬로 배열된 형태를 가정한다. 지하매질의 전기비저항은1000 ohm-m, 주파수는 0.

제안 방법

이를 위해 측점 배열을 이용하는 송신원 위치 추정(source localization) 기법을 적용하였다. 먼저 합성자료에 대하여 위치 추정 기법의 정확성을 평가하고 다중 측점에서 측정된 현장 MT 자료를 적용하 여 0.1 ~ 1 Hz 대역의 dead band에서 나타나는 뚜렷한 인공잡음에 대해 위치 추정을 시도하였다.
이러한 경우, 점원에 의한 모델 반응은 잘 알려져 있다(Zonge and Hughes, 1987). MT 탐사에서 획득되어지는 자료는 전기장 2성분과 자기장 3성분이다. 전기장의 경우 지하의 전기비저항 구조에 따라 매우 큰 변화를 보이므로 송신 원 위치 추정에 전기장 성분을 사용하는 것은 매우 어려운 일이다. 따라서 전기비 저항에 민감하지 않은 자기장 성분을 사용하는 것이 유리하며 바람과 같은 물리적 요인에 민감한 수직 자기장 성분을 제외하고 수평 자기장 성분만을 이용하여 실험 하였다.
공간상에서 위치 추정 기법의 정확도를 살 펴보기 위하여 Fig. 2(a)와 같이 측점 배열을 중심으로 하여 20km 간격으로 100개의 송 신원에 대해 각각 위치 추정을 실시하였다. 유전자 알고리즘을 사용한 결과 대부분 위 치오차가 1km이내, 분극오차는 1° 이내에서 정확하게 추정되었으나 몇몇 송신원에 대해 서는 상당히 큰 오차가 발생하였다(Fig.
경기도 지역의 탐사는 4~5측점에서 동시에 측정이 이루어졌으며 측점 배열이 양호 한 5일간의 자료를 이용하여 5개 자료 셑을 구성하였다. 0.11Hz 주파수 대역의 Fourier 변환계수를 얻기 위해 약 25초 길이의 시간 윈도우가 적용되었으며 공분산 행렬에 사용되는 시간윈도우 개수는 10개로 설정하여 각 자료 셑 마다 210개씩의 위치추정 해를 구하였다. 얻어진 위치추정 해들을 인공잡음이 극심한 시간대(17 시~24시)와 약한 시간대(01시~05시)로 나누어 그 위치를 도시하면 Fig.
지하매질의 전기비저항은1000 ohm-m 주파수는 0.1 Hz를 사용하였다 먼저 측점 배열의 중심에서 N, E 방향으로 각각 20km 떨어진 지점에 N30°E 방향의 분극을 가지는 전기 쌍극자 송신원이 존재하는 경우에 대하여 식 (2)를 이용하여 구해지는 목적함수의 공간적 분포를 살펴보았다(Fig 1).

대상 데이터

이러 한 전자기장의 공간적 변화양상을 이해하기 위하여 송신원 위치 추정 기법을 MT 자료에 적용하였다. 특히, 다수의 측점에서 동시에 측 정이 이루어지고 인공잡음의 영향도 극심한 경기도 지역의 MT 자료를 시험적으로 적용하였다.
경기도 지역의 탐사는 4~5측점에서 동시에 측정이 이루어졌으며 측점 배열이 양호 한 5일간의 자료를 이용하여 5개 자료 셑을 구성하였다. 0.

이론/모형

본 연구에서는 강한 인공잡음이 포함되어있는 MT 자료로부터 인공잡음 송신원의 위치와 분극을 추정함으로써 측점 주변의 잡음 환경을 분석해보고자 한다. 이를 위해 측점 배열을 이용하는 송신원 위치 추정(source localization) 기법을 적용하였다. 먼저 합성자료에 대하여 위치 추정 기법의 정확성을 평가하고 다중 측점에서 측정된 현장 MT 자료를 적용하 여 0.
보통 이 목적함수는 많은 국지 해(local minima)를 가지고 있어 일반적인 역산 해법인 구배하강법(gradient descent method)을 이용할 수 없는 경우가 많다. 광역해를 구하기 위해서는 유전자 알고리즘 이나 시뮬레이티드 어닐링(simulated annealing) 알고리즘을 적용하여야 한다(Gingras et al., 1997).
이러한 목적함수의 공간적 특성으로 인해 구배하강법을 사용하는 경우 국지해에 수렴할 가능성이 높으며 실제로는 송신원의 분극방향도 알려져 있지 않으므로 모델 변수로 추가되어야 하며, 지하 매질의 전기비저항이 모델변수로 추가되는 경우 등을 고려할 때 광역 최적화 기법이 반드시 필요하다. 본 연구에서는 목적 함수의 광역적 최적해를 구하기 위하여 유전자 알고리즘을 이용하였다.
5는 잡음이 강한 시간대와 잡 음이 약한 시간대의 분극방향의 차이를 보여 주는 것으로 분극방향의 분포만을 고려할 때 대도시의 위치와 관련된 것으로 보인다. 이러 한 전자기장의 공간적 변화양상을 이해하기 위하여 송신원 위치 추정 기법을 MT 자료에 적용하였다. 특히, 다수의 측점에서 동시에 측 정이 이루어지고 인공잡음의 영향도 극심한 경기도 지역의 MT 자료를 시험적으로 적용하였다.
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.

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 가우시 안 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.
현장자료에 적용한 결과 강한 인공잡음이 존재하는 시간대에는 추정된 송신원의 위치가 특정지역에 밀집되어 나타나는 것을 볼 수 있다. 따라서 잡음의 강도가 인공잡음의 강도가 MT 신호보다 충분히 크다면 위치 추정 기법을 통하여 인공잡음 송신원 위치를 추정 할 수 있을 것으로 생각된다. 향후 지하매질의 전기전도도 구조를 포함한 위치추정, 전기장을 이용한 위치추정, 추정 위치의 정확도 향상 등의 개선이 이루어진다면 한 반도의 전자기적 잡음환경 분석에 좋은 결과를 제공할 것이다.

후속연구

따라서 잡음의 강도가 인공잡음의 강도가 MT 신호보다 충분히 크다면 위치 추정 기법을 통하여 인공잡음 송신원 위치를 추정 할 수 있을 것으로 생각된다. 향후 지하매질의 전기전도도 구조를 포함한 위치추정, 전기장을 이용한 위치추정, 추정 위치의 정확도 향상 등의 개선이 이루어진다면 한 반도의 전자기적 잡음환경 분석에 좋은 결과를 제공할 것이다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

송신원 위치 추정 기법이란?

송신원 위치 추정 기법은 뇌우 위치 추정, 음파의 음원 추정, 뇌파 발생 위치 추정, 무선 통신 네트워크, 군 감시체제 등 매우 다양한 분야에서 이용되는 자료처리 기 법이다. 대기를 통해 전파하는 음향이나 고주파 전자기파 등의 경우와 같이 전파매 질의 물리적 특성과 전파경로가 단순하고 송신원의 형태가 결정되어있는 경우가 많 아서 주로 측정된 신호의 신호도착방향, 신호도착시간, 위상 속도와 군속도 차이 등 을 이용하는 빔형성(beamforming) 기법으로 송신원의 위치를 추정한다.

정합장 처리 기법이란?

그러나 층상 구조에서 다중 경로를 따라 전파하는 음향이나 전자기장 신호를 다루는 문제는 직 접적인 해가 존재하지 않는 복잡한 비선형 역산 문제이다. 해양 음향학에서는 완전 한 파동 전파 모델로 송신원의 위치나 전파 경로 주변의 물리적 파라미터를 효율적 으로 추정하는 기법을 이용하는데 이러한 기법을 정합장 처리(Matched-Field Processing) 기법이라고 부른다(Baggeroer, et al., 1993).

정합장 처리 기법의 특징은?

, 1993). 이 방법은 측정 자료와 파동 방정식의 해와의 차이인 오차함수를 최소화시킴으로써 변수를 추정하므로 지구물리 학에서 다루게 되는 일반적인 역산 문제와 유사하다. 정합장 처리 기법은 음향해양 학뿐만 아니라 다중 경로 전자기장 전파 문제에서도 적용될 수 있으며, 천해의 선 박 위치 추정(Birsan, 2006), 대류권 시뮬레이션(Gingras et al.

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