KR100806207B1 - Multi-frequency ip inversion method - Google Patents

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KR100806207B1
KR100806207B1 KR1020070013134A KR20070013134A KR100806207B1 KR 100806207 B1 KR100806207 B1 KR 100806207B1 KR 1020070013134 A KR1020070013134 A KR 1020070013134A KR 20070013134 A KR20070013134 A KR 20070013134A KR 100806207 B1 KR100806207 B1 KR 100806207B1
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손정술
김정호
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한국지질자원연구원
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Abstract

A multi-frequency IP(Induced Polarization) inversion method is provided to invert multiple materials at the same time by utilizing a relationship of the materials by extending an inverted algorithm to the maximum. A multi-frequency IP inversion method includes the steps of: defining the distribution of complex electrical resistivity in a space as a model vector, (a) modeling the distribution as complex potential by using the model vector, and defining complex impedance measured by an induced polarization survey as a data vector(S110); and (b) defining an inversion-objected function applying a similarity limitation condition between multiple frequency materials and calculating the distribution of complex electrical resistivity by simultaneously inverting the complex frequency materials with the inversion-objected function(S130). The multi-frequency IP inversion method further includes a step of (c) calculating a frequency characteristic parameter by using the distribution of the complex electrical resistivity after the step (b).

Description

다중 주파수 유도분극 역산 방법{Multi-frequency IP inversion method}Multi-frequency IP inversion method

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 다중 주파수 IP 역산 방법의 흐름도이다.1 is a flowchart of a multi-frequency IP inversion method according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 다중 주파수 자료 사이에 유사성 제한조건을 적용한 역산의 특성을 관찰하기 위해 설정한 수치 모델을 도시한 것이다.FIG. 2 illustrates a numerical model set up to observe characteristics of inversion applied to similarity constraints between multi-frequency data according to an embodiment of the present invention.

도 3의 (a)는 잡음 수준만 다른 5개의 IP 자료를 독립적으로 역산한 결과 중 전기비저항 단면을 도시한 것이며, 도 3의 (b)는 본 발명의 일실시예에 따른 모든 자료의 모델 변화량 차이의 합을 제한한 목적함수를 이용한 역산 결과 중 전기 비저항 단면을 도시한 것이다.Figure 3 (a) is a cross-sectional view showing the electrical resistivity cross-section of the results of the independent inversion of the five IP data of only the noise level, Figure 3 (b) is the amount of model change of all the data according to an embodiment of the present invention The electric resistivity cross section is shown in the inversion result using the objective function that limits the sum of the differences.

도 4의 (a)는 잡음 수준만 다른 5개의 IP 자료를 독립적으로 역산한 결과 중 위상단면을 도시한 것이며, 도 5의 (b)는 본 발명의 일실시예에 따른 모든 자료의 모델 변화량 차이의 합을 제한한 목적함수를 이용한 역산 결과 중 위상 단면을 도시한 것이다.Figure 4 (a) shows the phase cross-section of the result of inverting the five IP data that differ only in noise level independently, Figure 5 (b) is the difference in the amount of model change of all the data according to an embodiment of the present invention The phase cross section is shown in the inversion result using the objective function that limits the sum of.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 역산 중심 블록에 대하여 추정된 값과 실제값의 주파수별 차이를 도시한 것이다.FIG. 5 illustrates a frequency-specific difference between an estimated value and an actual value for an inversion center block according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 유도분극(Induced Polarization, IP) 역산 방법으로서, 상세하게는 유도분극 탐사 자료의 복소 전기비저항을 이용한 주파수 영역에서의 다중 주파수 IP 역산 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an induction polarization (IP) inversion method, and more particularly, to a multi-frequency IP inversion method in a frequency domain using complex electrical resistivity of induction polarization sensing data.

유도분극 탐사는 과거에 금속광물의 탐사에 주로 사용되었던 탐사방법으로, 탐사기기의 발달로 인하여 토양층 내에서의 미세한 IP 측정이 가능하게 됨에 따라서 오염물질의 탐지 및 수리학적인 특성 탐지 등의 환경 분야로의 적용이 증가하고 있다(Vanhala et al., 1992, Weller and Borner, 1996). Inductive polarization exploration has been used mainly in the exploration of metal minerals in the past, and the development of probes enables fine IP measurements in the soil layer. The application of is increasing (Vanhala et al., 1992, Weller and Borner, 1996).

유도 분극 현상은 매질에 전류가 유입되고 있는 동안 매질 내부에서의 기계적, 전기적 및 화학적인 변화로 인하여 발생하는 것으로 알려져 있으나, 그 발생 기작은 정확히 밝혀지지 않고 있다. 다만, 다양한 시료에 대한 실험적인 연구를 통하여 매질내부의 화학적인 변화가 가중 중요한 발생요인으로 여겨지고 있다.Induced polarization is known to occur due to mechanical, electrical and chemical changes inside the medium while current is flowing into the medium, but the mechanism of occurrence thereof is not known. However, through experimental studies on various samples, chemical changes in the medium are considered to be important factors.

유도 분극 탐사자료는 대부분 Seigel(1959)이 제시한 충전성을 이용한 해석을 하고 있으나(Oldenburg and Li, 1994), 최근에는 복소 전기비저항을 이용하여 IP 현상을 정의하고 해석하기 위한 노력이 시도되었으며(Weller et al., 1996; Kemna, et al, 2000), 복소 전기비저항을 이용한 주파수 영역 IP 역산해석에 대한 연구도 발표되고 있다. Most of the inductive polarization exploration data are interpreted using the chargeability suggested by Seigel (1959) (Oldenburg and Li, 1994), but recently, efforts have been made to define and analyze IP phenomena using complex electrical resistivity. Weller et al., 1996; Kemna, et al, 2000), a study on frequency domain IP inversion analysis using complex electrical resistivity has also been published.

복소 전기비저항을 이용한 해석기법은 주파수 영역에서의 해석기법으로 크기와 위상 정보를 이용하여 매질내부의 입자 크기 및 분포상황 그리고 그 종류까지 해석할 수 있는 장점을 가진다. 주파수 영역에서의 IP 탐사에서는 각각의 주파수에 대한 자료가 서로 독립되어 있어 개별적으로 역산 해석한 후 이의 분석을 통해 IP 파라미터를 해석한다. 다수의 자료를 개별적으로 역산하는 경우에는 역산의 인위적인 오차가 포함될 가능성도 많으며, 각각의 자료의 연관성을 이용하기 어려운 한계점이 있다.The analysis technique using complex electrical resistivity is an analysis technique in the frequency domain and has the advantage of analyzing the particle size and distribution in the medium and its type using size and phase information. In the IP exploration in the frequency domain, the data for each frequency are independent of each other, so that the inverse analysis is performed separately and then the IP parameters are analyzed through the analysis. In case of inverting a large number of data individually, there is a high possibility that an artificial error of inversion is included, and there is a limitation that it is difficult to use the correlation of each data.

본 발명은 IP 역산 방법에 있어서, 복소 전기비저항을 이용한 수치 모델링 및 역산 알고리듬을 확장하여 다수의 자료를 서로의 연관성을 최대한 활용한 다중 자료의 동시역산 기법을 개발하는데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to develop a multi-data simultaneous inversion scheme utilizing a plurality of data to maximize the correlation between the numerical modeling and inversion algorithm using complex electrical resistivity in the IP inversion method.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다중 주파수 IP 역산 방법은, 유도분극(IP, induced polarization)탐사 자료로부터 지하물성분포를 산출하기 위한 역산 방법으로서, (a) 공간상의 복소 전기비저항 분포를 모델 벡터로 정의하고 상기 모델 벡터를 이용하여 복소전위로 모델링하며, 유도분극 탐사로 측정된 복소 임피던스를 데이터 벡터로 정의하는 단계; (b) 다중 주파수 자료 사이에 유사성 제한 조건을 적용한 역산 목적 함수를 정의하고, 상기 역산 목적 함수를 이용하여 복수의 주파수 자료를 동시에 역산하여 복소 전기 비저항 분포를 산출하는 단계;를 포함한다.In order to achieve the above object, the multi-frequency IP inversion method of the present invention is an inversion method for calculating a groundwater component gun from induced polarization (IP) sensing data, and (a) models a complex electrical resistivity distribution in space. Defining as a vector, modeling with a complex potential using the model vector, and defining a complex impedance measured by inductive polarization exploration as a data vector; and (b) defining an inversion objective function to which the similarity constraint condition is applied between the multi-frequency data, and calculating a complex electrical resistivity distribution by simultaneously inverting a plurality of frequency data using the inversion objective function.

또한, 상기 (b) 단계 이후에, (c) 상기 복소 전기 비저항 분포를 이용하여 주파수 특성 파라미터를 계산하는 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, after the step (b), (c) may further comprise the step of calculating the frequency characteristic parameter using the complex electrical resistivity distribution.

본 발명에서 역산은, 유도분극 탐사로 측정된 자료와 상기 모델 벡터를 이용하여 복소전위로 모델링한 자료 사이의 복소 L2 norm의 크기가 기준값 이하가 될 때까지 반복적으로 수행된다.In the present invention, the inversion is a complex L 2 between the data measured by inductive polarization exploration and the data modeled by complex potential using the model vector. It is repeated until the size of norm is below the reference value.

이러한 본 발명은 다중 주파수 자료 사이에 제한 조건을 적용한 역산 목적 함수를 이용하여 복수의 주파수를 자료를 동시에 역산함으로써 평활화된 복소 전기비저항 분포를 산출하고, 이를 이용하여 주파수 특성 파라미터를 간접적으로 계산하는 방법을 이용한다. 이러한 본 발명의 IP 역산 방법은 단순 역산된 결과의 후처리를 통하여 파라미터를 계산하는 방법보다는 안정적인 변수 계산이 가능하며, 광대역 IP 특성을 정의하기 위한 이론적인 모델의 선택에서도 유연성을 가지게 되는 장점이 있다.The present invention calculates a smoothed complex electrical resistivity distribution by simultaneously inverting a plurality of frequencies by using an inverse objective function applied with a constraint between multiple frequency data, and indirectly calculating frequency characteristic parameters using the same. Use The IP inversion method of the present invention is more stable than the parameter calculation method through the post-processing of the simple inversion result, and has the advantage of flexibility in the selection of a theoretical model for defining the broadband IP characteristics. .

또한, 상기 (a) 단계에서는, 공간상의 복소 전기비저항 분포를 모델 벡터로 정의하고 이를 이용하여 복소전위로 변환하여 모델링하게 된다. 구체적으로 전기 비저항을 모델링 하고자 하는 영역의 공간주파수에 대한 복소수 형태로 표현하고, 공간주파수에 대한 지배방정식을 정의한 후 선택된 공간주파수에 대해 지배방정식의 해를 구하여 공간상의 복소 전위로 푸리에 변환하여 모델링한다.In addition, in the step (a), the complex electrical resistivity distribution in space is defined as a model vector and converted into a complex potential using the model vector to model. Specifically, the electrical resistivity is expressed in the form of a complex number for the spatial frequency of the region to be modeled, the governing equation for the spatial frequency is defined, and the solution of the governing equation for the selected spatial frequency is Fourier transformed into the complex potential in the spatial model. .

여기서, 지배방정식은 모델링 하고자 하는 영역에서 주향 방향으로 모델 벡터의 변화가 없다고 가정하고 주향 방향에 대한 푸리에 변환을 통하여 산출된 하기의 수학식 A이다. 수치 모델링에서의 인위적 경계면 처리를 위한 경계조건으로 하 기의 수학식 B의 혼합경계조건을 적용한다.Here, the governing equation is the following Equation A calculated through Fourier transform for the direction of assuming that there is no change of the model vector in the direction to be modeled in the region to be modeled. The mixed boundary condition of Equation B is applied as the boundary condition for artificial boundary treatment in numerical modeling.

[수학식 A]Equation A

Figure 112007011779130-pat00001
Figure 112007011779130-pat00001

[수학식 B]Equation B

Figure 112007011779130-pat00002
Figure 112007011779130-pat00002

(상기 수학식 A 및 수학식 B에서

Figure 112007011779130-pat00003
는 푸리에 영역에서의 복소전위,
Figure 112007011779130-pat00004
는 공간주파수,
Figure 112007011779130-pat00005
은 경계에 수직인 벡터,
Figure 112007011779130-pat00006
는 복소 전기비저항,
Figure 112007011779130-pat00007
는 경계의 특성을 반영하는 계수임.)(In Equations A and B,
Figure 112007011779130-pat00003
Is the complex potential in the Fourier region,
Figure 112007011779130-pat00004
Is the spatial frequency,
Figure 112007011779130-pat00005
Is a vector perpendicular to the boundary,
Figure 112007011779130-pat00006
Complex electrical resistivity,
Figure 112007011779130-pat00007
Is a coefficient that reflects the nature of the boundary.)

상기 수학식 A를 통해 계산된 복소 전위는 기하학적 전극 배열에 따른 계수를 곱하여 복소 임피던스(

Figure 112007011779130-pat00008
)가 계산된다.The complex potential calculated by Equation A is multiplied by a coefficient according to the geometrical electrode arrangement to obtain a complex impedance (
Figure 112007011779130-pat00008
) Is calculated.

상기 (a) 단계에서, 모델 벡터(m*) 및 데이터 벡터(d*)는 하기 수학식 C로 정의하게 된다.In the step (a), the model vector m * and the data vector d * are defined by the following equation C.

[수학식 C]Equation C

Figure 112007011779130-pat00009
Figure 112007011779130-pat00009

(상기 수학시 C에서

Figure 112007011779130-pat00010
는 분할된 역산 블록의 복소 전기비저항,
Figure 112007011779130-pat00011
는 복 소 전위의 복소 임피던스,
Figure 112007011779130-pat00012
은 역산블록의 개수,
Figure 112007011779130-pat00013
는 측정자료의 개수임.)(In Math C above
Figure 112007011779130-pat00010
Is the complex electrical resistivity of the divided inversion block,
Figure 112007011779130-pat00011
Is the complex impedance of the complex potential,
Figure 112007011779130-pat00012
Is the number of inversion blocks,
Figure 112007011779130-pat00013
Is the number of measurement data.)

또한 본 발명의 상기 (c) 단계에서, 역산 목적 함수는 기준 모델에 평활화 제한 조건을 가하여 최종적으로 얻어지는 하기의 수학식 D의 정규방정식을 이용하게 된다.In addition, in the step (c) of the present invention, the inversion objective function uses a regular equation of Equation D, which is finally obtained by applying a smoothing constraint to a reference model.

[수학식 D][Equation D]

Figure 112007011779130-pat00014
Figure 112007011779130-pat00014

(상기 수학식 D에서

Figure 112007011779130-pat00015
는 자코비안 행렬,
Figure 112007011779130-pat00016
은 평활화 제한 연산자,
Figure 112007011779130-pat00017
는 수치 모델링 연산자,
Figure 112007011779130-pat00018
는 모델 벡터,
Figure 112007011779130-pat00019
는 데이터 벡터,
Figure 112007011779130-pat00020
는 제한의 정도를 조절하는 라그랑지 계수(Lagrangian multiplier)임.)(Equation D above
Figure 112007011779130-pat00015
The Jacobian procession,
Figure 112007011779130-pat00016
Is the smoothing limit operator,
Figure 112007011779130-pat00017
Is a numerical modeling operator,
Figure 112007011779130-pat00018
Model vector,
Figure 112007011779130-pat00019
Is the data vector,
Figure 112007011779130-pat00020
Is the Lagrangian multiplier that controls the degree of restriction.)

본 발명의 역산은 측정된 자료와 모델링을 통해 계산된 자료 사이의 복소 L2 norm을 최소함으로써 이루어지며, 라그랑지 계수

Figure 112007011779130-pat00021
를 통해서 모델의 평활화 제한 조건을 가하여 이루어지며, 최종적으로 얻어지는 정규방정식은 수학식 D와 같다.The inversion of the present invention is achieved by minimizing the complex L 2 norm between the measured data and the data calculated through modeling, and the Lagrangian coefficient.
Figure 112007011779130-pat00021
It is made by applying the smoothing constraint of the model through, and finally the regular equation is obtained as in Equation D.

또한 본 발명의 상기 (b) 단계에서, 역산 목적 함수는 각 모델 수정 벡터(Δm*) 사이의 차이의 합을 최소화하는 제한조건을 적용하여 정의하는 것이 바람직하다. 이때, 역산 목적 함수(Φ)는 이러한 제한조건을 적용한 하기의 수학식 E가 된다. 하기의 수학식 E에서 첫번째 항과 두번째 항은 각 개별 주파수 자료의 역산 목적 함수의 단순합을 의미하고, 마지막 항은 모든 주파수 자료의 모델 변화량의 차 이의 합을 최소화하는 제한조건이다.In addition, in the step (b) of the present invention, it is preferable that the inverse objective function is defined by applying a constraint that minimizes the sum of the differences between the respective model correction vectors Δm * . In this case, the inverse objective function Φ becomes Equation E below applying such a constraint. In Equation E below, the first term and the second term mean a simple sum of the inverse objective functions of each individual frequency data, and the last term is a constraint for minimizing the sum of the difference of model variation amounts of all frequency data.

[수학식 E][Equation E]

Figure 112007011779130-pat00022
Figure 112007011779130-pat00022

(상기 수학식 E에서

Figure 112007011779130-pat00023
는 평활화 제한 연산자,
Figure 112007011779130-pat00024
는 수치 모델링 연산자,
Figure 112007011779130-pat00025
는 모델 벡터,
Figure 112007011779130-pat00026
는 데이터 벡터,
Figure 112007011779130-pat00027
Figure 112007011779130-pat00028
는 제한의 정도를 조절하는 라그랑지 곱수임.)(Equation E above
Figure 112007011779130-pat00023
Is the smoothing limit operator,
Figure 112007011779130-pat00024
Is a numerical modeling operator,
Figure 112007011779130-pat00025
Model vector,
Figure 112007011779130-pat00026
Is the data vector,
Figure 112007011779130-pat00027
And
Figure 112007011779130-pat00028
Is the Lagrange product that controls the degree of restriction.)

한편, 수학식 E에와 같이 모든 주파수 자료의 모델 변화량의 차이의 합을 제한하는 조건을 적용하는 방법 이외에, 근접한 두 개의 모델 수정 벡터(Δm*) 사이의 차이의 합을 최소화하는 제한조건을 적용하여 역산 목적 함수를 정의하는 것이 보다 바람직하다. 이때, 역산 목적 함수는 이러한 제한조건을 적용한 하기의 수학식 F가 된다.On the other hand, in addition to applying a condition for limiting the sum of the difference in model variation of all frequency data as shown in Equation E, a constraint for minimizing the sum of the difference between two adjacent model modification vectors ( Δm * ) is applied. It is more preferable to define the inverse objective function. In this case, the inverse objective function is expressed by Equation F below applying such a constraint.

[수학식 F]Equation F

Figure 112007011779130-pat00029
Figure 112007011779130-pat00029

(상기 수학식 F에서

Figure 112007011779130-pat00030
는 평활화 제한 연산자,
Figure 112007011779130-pat00031
는 수치 모델링 연산자,
Figure 112007011779130-pat00032
는 모델 벡터,
Figure 112007011779130-pat00033
는 데이터 벡터,
Figure 112007011779130-pat00034
Figure 112007011779130-pat00035
는 제한의 정도를 조절하는 라그랑지 곱수임.)(Equation F above
Figure 112007011779130-pat00030
Is the smoothing limit operator,
Figure 112007011779130-pat00031
Is a numerical modeling operator,
Figure 112007011779130-pat00032
Model vector,
Figure 112007011779130-pat00033
Is the data vector,
Figure 112007011779130-pat00034
And
Figure 112007011779130-pat00035
Is the Lagrange product that controls the degree of restriction.)

이하에서 첨부된 도면을 참고하여, 본 발명의 일실시예에 의한 다중 주파수 IP 역산 방법을 상세히 설명한다.Hereinafter, a multi-frequency IP inversion method according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 다중 주파수 IP 역산 방법의 흐름도이다.1 is a flowchart of a multi-frequency IP inversion method according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다중 주파수 IP 역산 방법은, (a) IP 수치모델링과 데이터 벡터 및 모델 벡터의 정의 단계(S110) 및 (b) 다중 주파수 자료 사이에 제한 조건을 가한 역산 목적 함수를 이용한 동시 역산 단계(S130)를 포함하여 이루어진다.As shown in Figure 1, the multi-frequency IP inversion method of the present invention, (a) IP numerical modeling and the definition of the data vector and model vector (S110) and (b) inverse constraints between the multi-frequency data It comprises a simultaneous inversion step (S130) using the objective function.

또한, (b) 단계(S130) 이후에, (c) 역산을 통하여 산출된 복소 전기 비저항 분포를 이용하여 주파수 특성 파라미터를 계산하는 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, after step (b) (S130), (c) may further comprise the step of calculating the frequency characteristic parameter using the complex electrical resistivity distribution calculated through inversion.

먼저 (a) 단계(S110)는 공간상의 복소 전기비저항 분포를 모델 벡터로 정의하고 유도분극 탐사로 측정된 복소 임피던스를 데이터 벡터로 정의한다. 전기 비저항(또는 전기전도도)을 모델링 하고자 하는 영역의 공간주파수에 대한 복소수 형태로 표현하고, 공간주파수에 대한 지배방정식을 정의한 후 선택된 공간주파수에 대해 지배방정식의 해를 구한 후 공간상의 복소 전위로 변환하여 모델링한다.First, in step (a), the complex electrical resistivity distribution in space is defined as a model vector, and the complex impedance measured by inductive polarization exploration is defined as a data vector. Express the electrical resistivity (or electrical conductivity) in the form of a complex number for the spatial frequency of the area to be modeled, define the governing equation for the spatial frequency, solve the governing equation for the selected spatial frequency, and then convert it to the complex potential in the spatial To model.

암석의 전기전도도는 분극현상을 포함하는 경우,

Figure 112007011779130-pat00036
의 시간변화의 주파수 영역에서 수학식 1과 같이 복소수 형태로 표현된다. 실수 성분 및 허수 성분은 모두 주파수에 따라 변한다.If the electrical conductivity of the rock includes polarization,
Figure 112007011779130-pat00036
In the frequency domain of the time change of is expressed in a complex form as shown in equation (1). Real and imaginary components both vary with frequency.

Figure 112007011779130-pat00037
Figure 112007011779130-pat00037

여기서,

Figure 112007011779130-pat00038
는 각 주파수를
Figure 112007011779130-pat00039
는 복소 상수를 의미한다. 수학식 1에서 실수 성분은 전기전도도와 허수 성분은 분극효과와 연관된다. 수학식 1의 전기전도도 값은 다음의 수학식 2와 같이 크기와 위상값으로 나타낼 수 있다.here,
Figure 112007011779130-pat00038
Each frequency
Figure 112007011779130-pat00039
Denotes a complex constant. In Equation 1, the real component is the electrical conductivity and the imaginary component is associated with the polarization effect. The conductivity value of Equation 1 may be represented by a magnitude and a phase value as shown in Equation 2 below.

Figure 112007011779130-pat00040
Figure 112007011779130-pat00040

수학식 2에서 위상은 송신 전류와 수신 전압 사이의 분극현상에 의한 위상차를 의미한다. IP 현상을 모델링 하기 위해서는 전기전도도 혹은 전기비저항에 대한 주파수 의존성을 고려한 적절한 모델을 설정하는 것이 필요하다. 일반적으로 cole-cole 모델 및 CPA(constant phase angle) 모델이 이용된다.In Equation 2, the phase means a phase difference due to polarization between the transmission current and the reception voltage. In order to model IP phenomena, it is necessary to set up an appropriate model that takes into account frequency dependence on conductivity or resistivity. In general, a cole-cole model and a constant phase angle (CPA) model are used.

위와 같이 복소수 형태로 표현된 측정 자료를 수치 모델링하기 위해 지배방정식을 도출한다. 본 발명의 일실시예에서는 모델링 하고자 하는 영역에서 주향 방향(y)으로 모델 변화가 없다고 가정하고(2차원 모델), 주향 방향에 대한 푸리에 변환을 통하여 아래의 수학식 3과 같은 공간주파수 k에 대한 2차원의 지배방정식을 얻는다.The governing equation is derived to numerically model the measured data expressed in the form of complex numbers as above. In an embodiment of the present invention, it is assumed that there is no model change in the direction of the direction y in the region to be modeled (two-dimensional model), and through the Fourier transform for the direction of the direction, for the spatial frequency k as shown in Equation 3 below: Obtain a two-dimensional governing equation.

Figure 112007011779130-pat00041
Figure 112007011779130-pat00041

수학식 3에서,

Figure 112007011779130-pat00042
는 푸리에 영역에서의 복소전위,
Figure 112007011779130-pat00043
는 주향 방향에 대한 푸리에 주파수,
Figure 112007011779130-pat00044
는 복소전기비저항을 나타낸다.In Equation 3,
Figure 112007011779130-pat00042
Is the complex potential in the Fourier region,
Figure 112007011779130-pat00043
Is the Fourier frequency,
Figure 112007011779130-pat00044
Denotes the complex electrical resistivity.

또한, 수치 모델링에서의 인위적 경계면 처리를 위한 경계조건으로는 아래의 수학식 4와 같은 혼합경계조건을 적용하였다.In addition, as boundary conditions for artificial boundary surface treatment in numerical modeling, a mixed boundary condition such as Equation 4 below was applied.

Figure 112007011779130-pat00045
Figure 112007011779130-pat00045

수학식 4에서,

Figure 112007011779130-pat00046
은 경계에 수직인 벡터를 의미하며,
Figure 112007011779130-pat00047
는 경계의 형태를 의미하는 상수이다. In Equation 4,
Figure 112007011779130-pat00046
Means a vector perpendicular to the boundary,
Figure 112007011779130-pat00047
Is a constant representing the shape of the boundary.

수학식 3의 미분방정식을 유한요소법을 이용하여 풀며, 선택된 몇 개의 공간주파수(k)에 대해 계산된 복소 전위를 푸리에 변환을 통해 공간상의 복소 전위로 변환하여 모델링을 수행한다. 이렇게 계산된 복소 전위는 기하학적 전극배열에 따른 거리계수를 곱하여 복소 임피던스(

Figure 112007011779130-pat00048
) 가 계산된다.The differential equation of Equation 3 is solved using the finite element method, and modeling is performed by converting the complex potentials calculated for several selected spatial frequencies k into the complex potentials in space through Fourier transform. The complex potential calculated in this way is multiplied by the distance coefficient according to the geometry of the electrode array.
Figure 112007011779130-pat00048
) Is calculated.

다음으로, 각각의 주파수별 모델 벡터(m*)과, 데이터 벡터(d*)를 수학식 5와 같이 정의한다. Next, each frequency model vector m * and data vector d * are defined as in Equation 5.

Figure 112007011779130-pat00049
Figure 112007011779130-pat00049

수학식 5에서,

Figure 112007011779130-pat00050
는 분할된 역산 블록의 복소 전기비저항,
Figure 112007011779130-pat00051
는 복소 전위의 복소 임피던스,
Figure 112007011779130-pat00052
은 역산블록의 개수,
Figure 112007011779130-pat00053
는 측정자료의 개수를 나타낸다.In Equation 5,
Figure 112007011779130-pat00050
Is the complex electrical resistivity of the divided inversion block,
Figure 112007011779130-pat00051
Is the complex impedance of the complex potential,
Figure 112007011779130-pat00052
Is the number of inversion blocks,
Figure 112007011779130-pat00053
Indicates the number of measurement data.

이상과 같이, 데이터 벡터 및 모델 벡터를 정의한 후 IP 수치 모델링을 한 후 역산 목적 함수를 정의하여 역산을 진행한다.As described above, after defining a data vector and a model vector, IP numerical modeling is performed, and then an inversion is performed by defining an inversion objective function.

상기 (b) 단계에서는, 다중 주파수 자료 사이에 유사성 제한 조건을 가하여 역산 목적 함수를 정의한 후 이를 이용하여 복수의 주파수 자료를 동시에 역산하여 복소 전기비저항 분포를 산출한다.(S130)In the step (b), by applying a similarity constraint condition between the multi-frequency data to define the inversion objective function, using the same to invert a plurality of frequency data at the same time to calculate the complex electrical resistivity distribution (S130).

역산은 측정된 자료와 모델링을 통해 계산된 자료 사이의 복소 L2 norm을 최소화함으로써 이루어지며, 라그랑지 계수

Figure 112007011779130-pat00054
를 통해서 모델의 평활화 제한 조건을 가하여 이루어진다. 최종적으로 얻어지는 정규방정식은 아래와 같은 수학식 6의 형태를 가지게 된다.Inversion is achieved by minimizing the complex L 2 norm between measured and modeled data, and the Lagrangian coefficient.
Figure 112007011779130-pat00054
This is done by applying the smoothing constraint of the model. Finally, the regular equation obtained has the form of Equation 6 below.

Figure 112007011779130-pat00055
Figure 112007011779130-pat00055

수학식 6에서,

Figure 112007011779130-pat00056
는 자코비안 행렬,
Figure 112007011779130-pat00057
은 평활화 제한 연산자,
Figure 112007011779130-pat00058
는 수 치 모델링 연산자,
Figure 112007011779130-pat00059
는 모델 벡터,
Figure 112007011779130-pat00060
는 데이터 벡터,
Figure 112007011779130-pat00061
는 제한의 정도를 조절하는 라그랑지 계수(Lagrangian multiplier)이다.In Equation 6,
Figure 112007011779130-pat00056
The Jacobian procession,
Figure 112007011779130-pat00057
Is the smoothing limit operator,
Figure 112007011779130-pat00058
Is a numerical modeling operator,
Figure 112007011779130-pat00059
Model vector,
Figure 112007011779130-pat00060
Is the data vector,
Figure 112007011779130-pat00061
Is the Lagrangian multiplier that controls the degree of restriction.

역산은 복소 L2 norm의 크기가 정해진 레벨 이하가 될 때까지 반복적으로 수행하게 된다. 기존의 전기비저항 역산과 비교하여 그 과정은 동일하나, 복소 전기비저항을 이용하는 것으로 인하여 모든 벡터 및 행렬의 연산이 복소수로 이루어진다는 차이가 있다. Inversion is performed repeatedly until the size of the complex L 2 norm is below a predetermined level. Compared with the conventional electrical resistivity inversion, the process is the same, but there is a difference in that all vectors and matrices are made of complex numbers by using complex electrical resistivity.

복수의 주파수 자료를 동시에 역산하기 위해서는 이에 맞는 목적함수를 정의하는 것이 필요하다. 다만, 각각의 주파수 자료는 수학식 1의 미분방정식에서 알 수 있듯이 주파수와 상관없이 독립적으로, Cole-cole 모델과 같이 수학적인 모델을 가정하는 경우에만 각각의 주파수 자료의 상관관계를 정의할 수 있다. In order to simultaneously invert a plurality of frequency data, it is necessary to define a corresponding objective function. However, as shown in the differential equation of Equation 1, each frequency data can be defined independently of the frequency only when a mathematical model such as Cole-cole model is assumed. .

미리 정해진 수학적인 모델을 이용하여, 다중주파수 자료에 대한 상관관계를 이용하는 경우에는 각각의 주파수 자료사이의 제한조건을 가하는 것이 손쉽게 이루어지므로 평활화된 변수분포를 계산할 수 있다는 장점을 가지고 있으나, 주파수 특성과 관련된 변수가 역산에 직접적으로 이용되므로 이론적인 모델을 바꾸기가 매우 어려운 단점을 가지고 있다. 반면에, 역산된 복소 전기비저항의 선형회귀법을 이용하는 경우에는 다중 주파수 자료 사이에 제한 조건을 가하는 것이 불가능하나, 수치 모델의 선택에는 제한이 없는 장점을 가지고 있다. In case of using correlations for multi-frequency data by using a mathematical model, it is easy to apply the constraint between each frequency data, which has the advantage that smoothed variable distribution can be calculated. It is very difficult to change the theoretical model because related variables are directly used for inversion. On the other hand, in the case of using the inverted complex electrical resistivity linear regression method, it is impossible to impose constraints between the multi-frequency data, but the numerical model has the advantage of unlimited.

본 발명에서는 이 두 가지 기법의 장점을 결합하는 접근방법을 시도하였다. 역산과정에서는 직접적으로 복소 전기비저항을 이용하나, 서로의 자료에 대하여 각 모델 수정벡터(Δm*)의 차이의 합을 최소화하는 제한 조건을 적용하여 평활화된 복소 전기비저항 분포를 계산해내고 이를 이용하여 주파수 특성 파라미터를 간접적으로 계산하는 방법을 이용하였다. The present invention attempts an approach that combines the advantages of both techniques. In the inversion process, the complex electrical resistivity is directly used, but the smoothed complex electrical resistivity distribution is calculated by applying a constraint that minimizes the sum of the difference of each model correction vector ( Δm * ) for each other data. A method of indirectly calculating the characteristic parameters was used.

이러한 방법은, 단순 역산된 결과의 후처리를 통하여 파라미터를 계산하는 방법보다는 보다 안정적인 변수계산이 가능하며, 광대역 IP 특성을 정의하기 위한 이론적인 모델의 선택에서도 유연성을 가지게 되는 장점을 가진다.This method has a more stable parameter calculation than a method of calculating a parameter through post-processing of a simple inversed result, and has flexibility in selecting a theoretical model for defining broadband IP characteristics.

각 주파수별 제한조건으로 본 발명에서는 역산 반복과정에서의 변화량의 차이를 제한하는 조건을 가하였다. 이 제한조건은 각 주파수 자료의 역산결과가 모두 비슷하다는 가정에서 출발한 것으로 실제로 각 주파수별 역산결과가 그리 다르지 않을 것이므로 비교적 타당한 제한조건으로 판단된다. In the present invention, a condition for limiting the difference in the amount of change in the inversion iteration was added as a restriction condition for each frequency. This constraint is based on the assumption that the inversion results of each frequency data are similar. In fact, the inversion results for each frequency will not be very different, so it is considered a relatively reasonable constraint.

수학식 7은 이러한 제한조건을 적용한 다중 주파수자료 역산의 목적함수(Φ)를 제시한 것이다. 첫번쩨 항과 두번째 항은 각 개별 주파수자료의 역산 목적 함수의 단순합을 의미하여, 마지막 항은 모든 주파수 자료의 모델변화량의 차이의 합을 최소화하는 제한조건이다.Equation (7) shows the objective function ( Φ ) of the multi-frequency data inversion applying this constraint. The first and second terms represent the simple sum of the inverse objective function of each individual frequency data, and the last term is a constraint that minimizes the sum of the differences in the model variation of all frequency data.

Figure 112007011779130-pat00062
Figure 112007011779130-pat00062

수학식 7에서,

Figure 112007011779130-pat00063
는 평활화 제한 연산자,
Figure 112007011779130-pat00064
는 수치 모델링 연산자,
Figure 112007011779130-pat00065
는 모델 벡터,
Figure 112007011779130-pat00066
는 데이터 벡터,
Figure 112007011779130-pat00067
Figure 112007011779130-pat00068
는 제한의 정도를 조절하는 라그랑 지 계수이다.In Equation 7,
Figure 112007011779130-pat00063
Is the smoothing limit operator,
Figure 112007011779130-pat00064
Is a numerical modeling operator,
Figure 112007011779130-pat00065
Model vector,
Figure 112007011779130-pat00066
Is the data vector,
Figure 112007011779130-pat00067
And
Figure 112007011779130-pat00068
Is the Lagrangian coefficient that controls the degree of restriction.

위 수학식 7을 행렬식으로 표현하면 아래의 수학식 8로 나타난다.If Equation 7 is expressed as a determinant, Equation 8 is shown below.

Figure 112007011779130-pat00069
Figure 112007011779130-pat00069

수학식 8에서, 주 대각 성분은 각각의 개별 주파수자료의 역산목적함수의 정규방정식 형태이며, 보조 대각 성분이 각 개별 자료의 총합을 제한하는 제한조건으로 작용하게 된다. In Equation 8, the main diagonal component is a regular equation of the inversion objective function of each individual frequency data, and the auxiliary diagonal component acts as a constraint for limiting the sum of each individual data.

수학식 7에서는 모든 주파수 자료의 모델변화량의 차이의 합을 제한하는 조건을 적용하였으나, 경우에 따라서는 모든 주파수자료를 모두 동일한 형태의 구조로 역산되게 하는 문제점을 야기할 수 있다. Equation (7) applies a condition for limiting the sum of the difference in the model variation of all frequency data, but in some cases it may cause a problem that all the frequency data is inverted to the same structure.

이러한 경우에는, 모든 자료를 이용하여 제한 조건을 가하는 경우보다는 인접한 두 개의 자료에 대한 제한조건을 가하는 경우가 보다 나은 해석결과를 제공할 수 있을 것이다. 다중 주파수 자료가 적절히 나열되어 있다면 근접한 두 개의 주파수 자료의 역산결과는 그리 크지 않을 것이므로 보다 적절한 선택이 될 수 있을 것이다. 이 경우 역산 목적 함수(Φ)는 아래의 수학식 9와 같이 정의된다. In this case, it would be better to impose constraints on two adjacent data rather than all data. If the multi-frequency data are properly listed, the inversion of two adjacent frequency data will not be very large, so it may be a more appropriate choice. In this case, the inversion objective function Φ is defined as in Equation 9 below.

Figure 112007011779130-pat00070
Figure 112007011779130-pat00070

위 수학식 9를 행렬식으로 표현하면 아래의 수학식 10으로 정리된다.If Equation 9 is expressed as a determinant, Equation 10 is summarized below.

Figure 112007011779130-pat00071
Figure 112007011779130-pat00071

수학식 10을 수학식 8과 비교하여 보면, 주 대각 성분은 거의 동일하나 보조 대각성분은 인접한 두 개 주파수 자료에만 존재하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 제한 조건을 가함으로써, 각 개별 주파수 탐사자료의 역산결과를 보다 안정적으로 계산할 수 있게 된다. Comparing Equation 10 with Equation 8, it can be seen that the main diagonal components are almost the same but the auxiliary diagonal components exist only in two adjacent frequency data. By applying these constraints, the inversion result of each individual frequency probe can be calculated more stably.

본 발명에서는 다중 주파수자료를 주파수별 상관관계를 이용한 제한조건을 가한 다중주파수 역산을 통해서 계산된 복소 전기비저항을 이용하여 후 처리를 통하여 주파수 특성 파라미터를 계산하는 방식을 취하고 있다. 이 경우 복소 전기비저항의 주파수 특성을 표현하는 이론적인 모델의 선택에서 유연성을 가지므로 임의의 모델을 설정하는 것이 가능하다. In the present invention, a frequency characteristic parameter is calculated through post-processing using a complex electrical resistivity calculated through multi-frequency inversion where a multi-frequency data is applied with a constraint using frequency-specific correlation. In this case, it is possible to set an arbitrary model since it has flexibility in selecting a theoretical model representing the frequency characteristics of the complex electrical resistivity.

여기서는, 다중주파수 자료로부터의 주파수 특성 파리미터를 추출하기 위한 예시로 일반적으로 많이 이용되는 Cole-Cole 모델을 선택하여, 알고리듬의 적용성을 확인한다. Here, the Cole-Cole model, which is commonly used as an example for extracting frequency characteristic parameters from multi-frequency data, is selected to confirm the applicability of the algorithm.

Cole-Cole 모델에 대하여, 각 주파수별 복소 전기비저항은 다음과 같은 수학식 11로 주어진다.For the Cole-Cole model, the complex electrical resistivity for each frequency is given by Equation 11 below.

Figure 112007011779130-pat00072
Figure 112007011779130-pat00072

수학식 11에서,

Figure 112007011779130-pat00073
는 DC에서의 전기비저항을 의미하며,
Figure 112007011779130-pat00074
는 충전성(chargeability),
Figure 112007011779130-pat00075
는 시간상수,
Figure 112007011779130-pat00076
는 완화(relaxation)상수로서 분할된 역산블록의 j번째 요소의 값들을 의미한다. 본 발명에서는 다중주파수 역산 알고리듬으로 계산된 각 개별 블록의 값들을 변형된 Levenberg-Marquardt 알고리듬을 이용하여 계산하였다. 이 알고리듬은 역산된 복소 전기비저항과 예측된 전기비저항 값과의 RMS 값을 최소화함으로서 이루어진다. In Equation 11,
Figure 112007011779130-pat00073
Means electrical resistivity at DC,
Figure 112007011779130-pat00074
Chargeability,
Figure 112007011779130-pat00075
Is the time constant,
Figure 112007011779130-pat00076
Denotes the values of the j th element of the inversion block divided as a relaxation constant. In the present invention, the values of each individual block calculated by the multi-frequency inversion algorithm are calculated using the modified Levenberg-Marquardt algorithm. This algorithm is achieved by minimizing the RMS value of the inverted complex resistivity and the predicted resistivity value.

이하에서는, 본 발명의 IP 역산 방법의 유효성을 고찰하기 위한 수치실험 결과를 설명한다.Hereinafter, the numerical experiment results for examining the effectiveness of the IP inversion method of the present invention will be described.

각 반복단계별 변화량이 차이에 제한을 가한 목적함수의 수치적인 특성을 살펴보기 위하여, 동일한 모델에 대하여 잡음수준만 다르게 설정한 총 5개의 자료를 가지고 위의 목적함수를 적용하여 보았다. In order to examine the numerical characteristics of the objective function that the variation of each repetition step is limited to the difference, the above objective function was applied with a total of five data sets with different noise levels for the same model.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 다중 주파수 자료 사이에 유사성 제한조건을 적용한 역산의 특성을 관찰하기 위해 설정한 수치 모델을 도시한 것이다.FIG. 2 illustrates a numerical model set up to observe characteristics of inversion applied to similarity constraints between multi-frequency data according to an embodiment of the present invention.

시험에 사용한 모델은 2개의 이상대가 존재하는 모델로서, 한쪽에는 100 Ohm-m의 배경치와 같은 전기비저항을 가지나, 30 mrad 정도의 위상을 가지는 이상체를 가정하였으며, 다른 하나는 위상의 경우에는 배경치인 5 mrad의 위상값을 가지나, 전기비저항만 200 Ohm-m의 이상치를 가지도록 설정하였다. 또한, 각각의 잡음수준은 계산된 겉보기 비저항 및 위상의 평균값의 최대 5, 30, 10, 2, 2 %의 수준이 되도록 설정하였다. 비교적 양호한 잡음수준을 가지는 자료 사이에 30 %, 10 %의 잡음이 많이 포함된 자료가 존재하는 경우를 가정하였다. The model used for the test is a model in which two ideal bands exist. On the one hand, an ideal body having an electrical resistivity equal to a background value of 100 Ohm-m but having a phase of about 30 mrad was assumed. Although it has a phase value of 5 mrad which is a background value, only the electrical resistivity was set to have an outlier value of 200 Ohm-m. In addition, each noise level was set to be a maximum of 5, 30, 10, 2, 2% of the average value of the calculated apparent resistivity and phase. It is assumed that there are 30% and 10% noise-rich data among the data with relatively good noise level.

도 3은 각각을 개별적으로 역산한 결과와 모든 주파수 자료 모델변수의 차이의 합을 제한한 목적함수를 이용하여 역산을 수행한 결과 중 전기비저항 단면을 도시한 것이다. 도 3의 (a)는 잡음 수준만 다른 5개의 IP 자료를 독립적으로 역산한 결과 중 전기비저항 단면을 도시한 것이며, 도 3의 (b)는 본 발명의 일실시예에 따른 모든 자료의 모델 변화량 차이의 합을 제한한 목적함수를 이용한 역산 결과 중 전기 비저항 단면을 도시한 것이다. 잡음 수준은 위에서부터 각 5, 30, 10, 2, 2%이며, 단위는 Ohm-m 이다.Figure 3 shows the electrical resistivity cross-section of the results of the inversion by using the objective function of limiting the sum of the difference between the results of the individual inversion and the difference of all the frequency data model variables. Figure 3 (a) is a cross-sectional view showing the electrical resistivity cross-section of the results of the independent inversion of the five IP data of only the noise level, Figure 3 (b) is the amount of model change of all the data according to an embodiment of the present invention The electric resistivity cross section is shown in the inversion result using the objective function that limits the sum of the differences. Noise levels are 5, 30, 10, 2, and 2% from the top, respectively, and the unit is Ohm-m.

잡음 수준이 30%인 두 번째 영상단면에서는 높은 수준의 잡음으로 인하여 영상단면상에 이상대의 모양이 주어진 모델과 차이를 보이며, 입력 모델에 존재하지 않았던 이상대가 단면상에서 나타나는 것이 확인된다. 잡음 수준이 10%인 세 번째 단면 역시 높은 잡음으로 인한 영상의 왜곡이 역산결과에서 확인되나, 본 발명에서 제한한 목적함수를 적용한 경우에는 이러한 영상왜곡이 모두 제거되어 이상대가 선명하게 나타나는 것을 볼 수 있다. 특히, 고 잡음 수준으로 인한 영상단면의 왜곡을 아주 효과적으로 제거하고 있는 것 또한 확인할 수 있다.In the second image section where the noise level is 30%, the high level noise shows a difference from the model given the shape of the ideal band on the image section, and it is confirmed that the abnormal band which does not exist in the input model appears in the cross section. In the third section with the noise level of 10%, the distortion of the image due to the high noise is confirmed in the inversion result. However, when the objective function limited in the present invention is applied, all of the image distortion is removed and the ideal band appears clearly. have. In particular, it can be seen that the distortion of the image section due to the high noise level is effectively removed.

도 4는 같은 모델에 대한 역산 실험 결과 중 위상 단면을 도시한 것이다.Figure 4 shows the phase cross section of the inversion experiment results for the same model.

도 4의 (a)는 잡음 수준만 다른 5개의 IP 자료를 독립적으로 역산한 결과 중 위상단면을 도시한 것이며, 도 5의 (b)는 본 발명의 일실시예에 따른 모든 자료의 모델 변화량 차이의 합을 제한한 목적함수를 이용한 역산 결과 중 위상 단면을 도시한 것이다. 잡음 수준은 위에서부터 각 5, 30, 10, 2, 2%이며, 단위는 mrad이다.Figure 4 (a) shows the phase cross-section of the result of inverting the five IP data that differ only in noise level independently, Figure 5 (b) is the difference in the amount of model change of all the data according to an embodiment of the present invention The phase cross section is shown in the inversion result using the objective function that limits the sum of. Noise levels are 5, 30, 10, 2, and 2% from the top, respectively, in mrad.

전체적인 양상은 도 3의 전기비저항 영상 단면과 유사하게 나타난다. 30%와 10%의 고잡음 자료의 경우에는 이로 인한 위상 단면에서의 왜곡이 강하게 나타나고 있으나, 이 연구에서 제한한 목적함수를 이용하여 역산을 수행한 결과에서는 이러한 단면상의 왜곡이 아주 효과적으로 제거되어 있음을 확인할 수 있다. The overall aspect is similar to that of the electrical resistivity image cross section of FIG. 3. In the case of 30% and 10% high-noise data, the distortion in the phase cross-section is shown to be strong.However, the inverse calculation using the objective function limited in this study has effectively removed this distortion in the cross-section. can confirm.

여기서는 모든 자료를 이용한 제한조건에 의한 결과만을 보였으며, 서로 인접한 자료만을 이용한 제한조건에 대한 결과는 제시하지 않았다. 그러나, 역산결과의 양상은 전체에 대한 제한을 경우와 크게 다르지 않으며, 다만 역산되는 값이 실제값에 더 가까우며 경계부가 좀 더 명확하게 역산되는 양상에 약간의 차이가 있을 뿐이다.Here, only the results of the constraints using all the data are shown, and the results of the constraints using only the adjacent data are not presented. However, the aspect of the inversion result does not differ much from the case of the limitation on the whole, but there is only a slight difference in the inversion value is closer to the actual value and the boundary is more clearly inverted.

[표 1]이상대 중심 블록에서 계산된 Cole-Cole 변수[Table 1] Cole-Cole Variables Calculated in Ideal Center Block

Figure 112007011779130-pat00077
Figure 112007011779130-pat00077

표 1은 개발된 SIP 변수 추정알고리듬을 적용한 결과의 한 예로 수학식 11의 Cole-cole 모델에 대하여, DC 전기비저항은 10 Ohm-m, 충전율은 0.15, 시간상수는 10, relaxation 상수는 0.55인 모델이 100 Ohm-m, 0 mrad 의 배경 매질에 포함되어 있는 모델에 대한 역산결과 중 이상체 블록에 대한 추정결과를 실제값과 비교한 것이다. 변수의 추정에는 총 0.01에서 100 Hz 까지의 총 9개 주파수를 이용하였으며, 모든 주파수의 자료에는 임의 잡음을 5%정도 추가하여 이 연구에서 개발된 다중주파수 알고리듬을 이용하여 역산을 수행하였다. Table 1 shows an example of applying the developed SIP parameter estimation algorithm. For Cole-cole model of Equation 11, DC resistivity is 10 Ohm-m, charging rate is 0.15, time constant is 10, relaxation constant is 0.55. The estimation result of the ideal block among the inversion results for the model included in the 100 Ohm-m, 0 mrad background medium is compared with the actual value. A total of nine frequencies ranging from 0.01 to 100 Hz were used to estimate the variables. Inverse data was performed using the multi-frequency algorithm developed in this study, adding random noise by 5% to all data.

SIP 변수추정 알고리듬을 적용하기 위해서는 각 역산된 블록이 SIP 특성이 있는지를 판단할 필요가 있다. 본 발명에서 사용한 모델은 이상체 만이 SIP 특성을 가지고 있는 것으로 가정하였으며, 저주파수와 고주파수 자료의 위상비를 계산한 후 이 값이 일정 크기 이상인 경우에만 SIP 추정 알고리듬을 적용하였다. 지표 탐사의 한계상 심부의 분해능이 떨어지는 현상은 피할 수 없으며, 추정된 값들 역시 하부에서 많은 오차를 보이고 있는 현상이 관측되었다. 동일한 이유로 인하여 시간상수와 relaxation 상수는 하부에서 SIP 특성을 주지 않았음에도 불구하고, 이상 값으로 추정되는 결과를 보였다. 추정된 값들은 실제 값과 어느 정도 차이를 보이기는 하나, 비교적 정확한 값을 찾아가고 있음을 보여주고 있다. 전기비저항은 실 제보다 높게 추정되었으며, 나머지 값들은 실제보다 낮게 추정되었다.In order to apply the SIP parameter estimation algorithm, it is necessary to determine whether each inverted block has SIP characteristics. The model used in the present invention assumes that only the ideal body has SIP characteristics, and after calculating the phase ratio of the low frequency and high frequency data, the SIP estimation algorithm is applied only when the value is above a certain size. It is inevitable that the resolution of the core is inevitable due to the limitation of the surface exploration, and the estimated values also show a lot of error at the bottom. For the same reason, although the time constant and relaxation constant did not give the SIP characteristics at the bottom, the results were estimated to be outliers. The estimated values are somewhat different from the actual values, but show that they are looking for relatively accurate values. The electrical resistivity was estimated to be higher than actual, and the remaining values were estimated to be lower than actual.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 역산 중심 블록에 대하여 추정된 값과 실제값의 주파수별 차이를 도시한 것이다. 도 5의 (a)는 실수성분을 비교한 것이고 (b)는 허수성분을 비교한 것이다.FIG. 5 illustrates a frequency-specific difference between an estimated value and an actual value for an inversion center block according to an embodiment of the present invention. (A) of FIG. 5 compares real components, and (b) compares imaginary components.

실수 성분에서는 잡음 등의 영향에 의하여 실제값과 약간의 차이를 보이기는 하나 그 변화양상을 잘 따라가고 있는 것을 알 수 있으며, 허수 성분인 경우에는 잡음의 영향에도 불구하고 두 결과가 서로 잘 일치하고 있는 양상이 확인된다. 이를 통해 제안된 변수 추정 알고리듬이 실제 값과 근사된 결과를 제공하고 있음을 확인할 수 있었다.The real component shows a little difference from the actual value due to the influence of noise, but it follows the change pattern well. In the imaginary component, the two results agree well despite the influence of noise. Aspect is confirmed. This suggests that the proposed parameter estimation algorithm provides an approximation to the actual value.

본 발명에서는 다수의 주파수 자료를 동시에 역산하기 위하여 각 역산단계별 모델변화량 차이의 총 합을 제한하는 새로운 목적함수를 정의하였으며, 이를 동일한 모델에 잡음수준이 서로 다른 5개의 수치결과에 적용하여 그 효과를 확인하였다. 각각의 역산된 결과가 서로 크게 다르지 않는다고 가정하여, 모델의 변화량에 제한을 가함으로써 양호한 잡음수준의 자료들 사이에 포함된 잡음수준이 높은 자료의 역산해석에서 잡음으로 인한 해석상의 오차를 줄일 수 있음을 확인할 수 있었다. In the present invention, in order to invert multiple frequency data simultaneously, we defined a new objective function that limits the total sum of the difference in model variation for each inversion step, and applies the effect to five numerical results with different noise levels in the same model. Confirmed. Assuming that each inverted result is not very different from each other, by limiting the amount of change in the model, the error of interpretation due to noise can be reduced in the inversion analysis of the high noise data contained between the data of good noise level. Could confirm.

다중주파수 변수추정을 위하여 변형된 Levenberg-Marquardt 알고리듬을 이용한 Cole-Cole 모델 변수 추정 알고리듬을 개발하였다. 또한, SIP 특성을 설명하기 위하여 Cole-cole 모델만을 가정하였으나, 주변매질의 특성에 따라 다양한 수치적인 모델의 설정이 가능하므로, 실내실험 자료 등과 연계하여 보다 타당성 있는 결 과를 얻는 것이 가능할 것이다.A Cole-Cole model parameter estimation algorithm was developed using the modified Levenberg-Marquardt algorithm for multi-frequency parameter estimation. In addition, although only Cole-cole model is assumed to explain SIP characteristics, various numerical models can be set according to the characteristics of the surrounding medium, and thus, more valid results can be obtained in connection with indoor experimental data.

이상에서 설명한 본 발명에 의하여, 복소 전기비저항을 이용한 수치 모델링및 역산 알고리듬을 확장하여 다수의 자료를 서로의 연관성을 최대한 활용하여 다중 자료를 동시에 역산 역산할 수 있는 신뢰성 있는 IP 역산 방법을 제공할 수 있다.According to the present invention described above, it is possible to provide a reliable IP inversion method capable of inverting multiple data at the same time by maximizing the correlation between a plurality of data by expanding the numerical modeling and inversion algorithm using complex electrical resistivity. have.

Claims (7)

유도분극(IP, induced polarization)탐사 자료로부터 지하물성분포를 산출하기 위한 역산 방법으로서,As an inversion method for calculating the groundwater composition of the IP from induced polarization (IP) survey data, (a) 공간상의 복소 전기비저항 분포를 모델 벡터로 정의하고 상기 모델 벡터를 이용하여 복소전위로 모델링하며, 유도분극 탐사로 측정된 복소 임피던스를 데이터 벡터로 정의하는 단계;(a) defining a complex electrical resistivity distribution in space as a model vector, modeling at a complex potential using the model vector, and defining a complex impedance measured by inductive polarization exploration as a data vector; (b) 다중 주파수 자료 사이에 유사성 제한 조건을 적용한 역산 목적 함수를 정의하고, 상기 역산 목적 함수를 이용하여 복수의 주파수 자료를 동시에 역산하여 복소 전기 비저항 분포를 산출하는 단계;(b) defining a inversion objective function to which the similarity constraint condition is applied between the multi-frequency data, and calculating a complex electrical resistivity distribution by simultaneously inverting a plurality of frequency data using the inversion objective function; 를 포함하는 다중 주파수 IP 역산 방법.Multi-frequency IP inversion method comprising a. 청구항 1에 있어서, 상기 (b) 단계 이후에,The method according to claim 1, after the step (b), (c) 상기 복소 전기 비저항 분포를 이용하여 주파수 특성 파라미터를 계산하는 단계;(c) calculating a frequency characteristic parameter using the complex electrical resistivity distribution; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 주파수 IP 역산 방법.The multi-frequency IP inversion method further comprises. 청구항 1에 있어서, 상기 역산은,The method according to claim 1, wherein the inversion is, 상기 유도분극 탐사로 측정된 자료와 상기 모델 벡터를 이용하여 복소전위로 모델링한 자료 사이의 복소 L2 norm의 크기가 기준값 이하가 될 때까지 반복적으로 수행되는 다중 주파수 IP 역산 방법.Complex L 2 between the data measured by the induced polarization exploration and the data modeled at the complex potential using the model vector A multi-frequency IP inversion method that is performed repeatedly until the size of norm is below the reference value. 청구항 1에 있어서, 상기 (b) 단계에서,The method according to claim 1, wherein in step (b), 상기 역산 목적 함수는 각 모델 수정 벡터(Δm*) 사이의 차이의 합을 최소화하는 제한조건을 적용하여 정의하는 것을 특징으로 하는 다중 주파수 IP 역산 방법.The inverse objective function is defined by applying a constraint that minimizes the sum of the differences between each model correction vector ( Δm * ). 청구항 4에 있어서, 상기 역산 목적 함수(Φ)는 The method of claim 4, wherein the inverse objective function Φ is 상기 제한조건을 적용한 하기의 수학식 E인 것을 특징으로 하는 다중 주파수 IP 역산 방법.A multi-frequency IP inversion method characterized by the following Equation applying the above constraints. [수학식 E][Equation E]
Figure 112007011779130-pat00078
Figure 112007011779130-pat00078
(상기 수학식 E에서
Figure 112007011779130-pat00079
는 평활화 제한 연산자,
Figure 112007011779130-pat00080
는 수치 모델링 연산 자,
Figure 112007011779130-pat00081
는 모델 벡터,
Figure 112007011779130-pat00082
는 데이터 벡터,
Figure 112007011779130-pat00083
Figure 112007011779130-pat00084
는 제한의 정도를 조절하는 라그랑지 계수임.)
(Equation E above
Figure 112007011779130-pat00079
Is the smoothing limit operator,
Figure 112007011779130-pat00080
A numerical modeling operator,
Figure 112007011779130-pat00081
Model vector,
Figure 112007011779130-pat00082
Is the data vector,
Figure 112007011779130-pat00083
And
Figure 112007011779130-pat00084
Is the Lagrange coefficient that controls the degree of restriction.)
청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 역산 목적 함수는 근접한 두 개의 모델 수정 벡터(Δm*) 사이의 차이의 합을 최소화하는 제한조건을 적용하여 정의하는 것을 특징으로 하는 다중 주파수 IP 역산 방법.The inverse objective function is defined by applying a constraint that minimizes the sum of the differences between two adjacent model correction vectors ( Δm * ). 청구항 6에 있어서, 상기 역산 목적 함수(Φ)는,The method according to claim 6, wherein the inverse objective function Φ , 상기 제한조건을 적용한 하기의 수학식 F인 것을 특징으로 하는 다중 주파수 IP 역산 방법.The multi-frequency IP inversion method characterized in that the following equation to which the constraint is applied. [수학식 F]Equation F
Figure 112007011779130-pat00085
Figure 112007011779130-pat00085
(상기 수학식 F에서
Figure 112007011779130-pat00086
는 평활화 제한 연산자,
Figure 112007011779130-pat00087
는 수치 모델링 연산자,
Figure 112007011779130-pat00088
는 모델 벡터,
Figure 112007011779130-pat00089
는 데이터 벡터,
Figure 112007011779130-pat00090
Figure 112007011779130-pat00091
는 제한의 정도를 조절하는 라 그랑지 곱수임.)
(Equation F above
Figure 112007011779130-pat00086
Is the smoothing limit operator,
Figure 112007011779130-pat00087
Is a numerical modeling operator,
Figure 112007011779130-pat00088
Model vector,
Figure 112007011779130-pat00089
Is the data vector,
Figure 112007011779130-pat00090
And
Figure 112007011779130-pat00091
Is the Lagrange product that controls the degree of restriction.)
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