KR101028779B1 - 시간-주파수 변화량 및 가변 임계값을 이용한 지진파 자동 검출 장치 및 그 방법 - Google Patents

시간-주파수 변화량 및 가변 임계값을 이용한 지진파 자동 검출 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

지진파 검출센서로부터 검출된 아날로그 신호를 수신하여, 디지털 신호로 변환한 후, 시간-주파수영역의 변화량 및 가변 임계값에 기초하여 P파를 검출하는 시간-주파수 변화량 기반 지진파 자동 검출 장치 및 방법에 있어서, 디지털 신호로부터 각 시간의 시간-주파수영역 변화량을 구하되, 해당 시간으로부터 소정의 크기를 갖는 데이터 구간에서의 시간영역 변화량과 주파수영역 변화량을 계산하고, 시간영역 변화량 및 주파수영역 변화량으로부터 시간-주파수영역 변화량을 구하는 변화량 연산부; 각 시간의 임계값을 직전 시간의 임계값과 직전 시간의 시간-주파수영역 변화량을 이용하여 구하되, 초기 시간의 임계값(이하 기준 임계값)은 초기화 시간 동안의 시간-주파수영역 변화량의 평균을 이용하여 구하는 임계값 연산부; 및, 각 시간의 시간-주파수영역 변화량을 구하여, 해당 시간의 시간-주파수영역 변화량이 기준 임계값 및 해당 시간의 임계값을 연속적으로 초과하면 지진 P파가 도달한 것으로 판단하는 지진파 검출부를 포함하는 구성을 마련한다.
상기와 같은 장치 및 방법에 의하여, 시간-주파수 변화량 및 가변 임계값을 이용하여 지진파를 검출함으로써, 배경잡음과 지진파를 구분하여 종래 방법으로 검출이 불가능한 미세지진까지 실시간으로 검출할 수 있다.

Description

시간-주파수 변화량 및 가변 임계값을 이용한 지진파 자동 검출 장치 및 그 방법 { A seismic wave auto-detection system using time-frequency domain changes and variable threshold values and the method thereof }
본 발명은 지진파 검출센서로부터 검출된 아날로그 신호를 수신하여, 디지털 신호로 변환한 후, 시간-주파수영역의 변화량 및 가변 임계값에 기초하여 P파를 검출하는 시간-주파수 변화량 기반 지진파 자동 검출 장치 및 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 변환된 디지털 신호를 버터워스(butterworth) IIR(infinite impulse response filter) 필터로 필터링(또는 전처리)하여 사용하는 시간-주파수 변화량 기반 지진파 자동 검출 장치 및 방법에 관한 것이다.
지진의 발생 및 지진 피해예방을 위한 지진 감시 시스템(Earthquake Monitoring System)에서 지진 발생 시 진원(Epicenter), 진원시(Origin time), 규모(Magnitude) 등을 결정하기 위해 신속하고 정확한 지진파 검출은 필수적이다.
이러한 지진요소를 결정하기 위한 종래의 기술은 크게 지진파 감지장치의 출력신호에 대해 시간영역(time domain)에서 단순히 진폭(Amplitude)이나 에너지(Energy) 변화를 이용하는 방법과 주파수 영역에서 푸리에 변환(Fourier Transform) 또는 웨이블릿 변환(Wavelet Transform)을 기반으로 한 방법들로 분류할 수 있다.
이들 종래의 기술들은 시간 또는 주파수 영역 중 어느 한 영역에서 지진파 감지장치 출력신호의 진폭, 포락선(Envelope), 또는 에너지 변화가 사전에 선택된 고정된 임계값(threshold value) 이상이 되었을 때 지진파를 검출하게 된다.
종래 기술의 일례로서, [일본공개특허 제2009-103672호(2009.05.14.공개), "지진과 노이즈에 의한 진동을 식별하는 해석법"](이하 선행기술 1)에 개시되고 있다. 상기 선행기술 1은 정수의 연산만으로 용이하게 계산되는 지배적인 주파수의 계산, 지진파의 발생을 표시하기 위한 파라미터(parameter), 및 양자의 관계를 이용하여 지진파의 특징을 표시하고, 그 속성을 가지지 않은 지진 관측 데이터(data)를 노이즈(noise)이라고 판정하는 기술을 개시하고 있다.
그러나 상기와 같은 종래 기술들은 측정장소별 실제 지진파와 배경잡음(Background Noise)의 조건에 맞도록 운용(Operation)에 필요한 파라미터(Parameter)들의 복잡한 조정방법과 이에 따른 많은 연산량이 요구된다.
이러한 문제점을 해결하고자, 현재 실시간 지진파 검출을 위해 사용되는 기술은 단시간 평균(Short Time Average)과 장시간 평균(Long Time Average) 구간에 대한 지진파 감지장치의 출력신호 변화율을 이용하는 STA/LTA 방법 또는 STA/LTA의 수정된 형태의 방법들이 가장 널리 사용되고 있다.
상기와 같은 단시간 평균 및 장시간 평균의 비율을 이용하여 지진파를 검출하는 기술의 일례가 [한국등록특허 제10-0594625호(2006.06.30.공개), "지진파 검출 시스템"](이하 선행기술 2)에 개시되고 있다. 상기 선행기술 2는 지진파 신호를 입력받아 필터링한 후 지진파 신호에 대한 단시간평균(Short Time average)과 장시간평균(Long Time average)의 비율을 일정한 타임윈도우(TimeWindow)의 구간 값으로 교차하면서 값을 체크해 나가는 단시간평균(ST)과 장시간평균(LT) 구간에 의한 지진파 신호변화율을 측정하고, 측정된 아날로그 신호를 미분하고, 미분을 해나갈 때 임의의 두 구간이 기울기로 제어될 수 있도록 지진파 변수의 대입, 저장, 기록제어, 연산 등을 제어하는 기술을 개시하고 있다.
그러나 상기와 같은 STA/LTA 형(Type) 기술은 신호변화율을 구하기 위해 많은 연산량이 요구되는 힐버트 변환과 같은 사전처리와 많은 데이터 저장공간이 요구되는 단점이 있다. 또한 미세 지진(Micro Earthquake)이 발생했을 때 배경잡음과 지진파의 진폭(Amplitude)이 구별되지 않아 지진파 검출성능이 현저히 저하되므로 정확한 지진요소 결정이 불가능한 단점이 있다.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 지진파 검출센서로부터 검출된 아날로그 신호를 수신하여, 디지털 신호로 변환한 후, 시간-주파수영역의 변화량 및 가변 임계값에 기초하여 P파를 검출하는 시간-주파수 변화량 기반 지진파 자동 검출 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
특히, 본 발명의 목적은 시간-주파수영역의 변화량이 임계값을 연속하여 초과할 때 P파로 판단하되, 임계값을 각 시간별로 구해지는 시간-주파수영역의 변화량으로 보정하여 이용하는 시간-주파수 변화량 기반 지진파 자동 검출 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 지진파 검출센서로부터 검출된 아날로그 신호를 수신하여 지진파를 검출하는 시간-주파수 변화량 기반 지진파 자동 검출 장치에 관한 것으로서, 상기 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기; 상기 디지털 신호로부터 각 시간의 시간-주파수영역 변화량을 구하되, 해당 시간으로부터 소정의 크기를 갖는 데이터 구간에서의 시간영역 변화량과 주파수영역 변화량을 계산하고, 상기 시간영역 변화량 및 상기 주파수영역 변화량으로부터 시간-주파수영역 변화량을 구하는 변화량 연산부; 각 시간의 임계값을 직전 시간의 임계값과 직전 시간의 시간-주파수영역 변화량을 이용하여 구하되, 초기 시간의 임계값(이하 기준 임계값)은 초기화 시간 동안의 시간-주파수영역 변화량의 평균을 이용하여 구하는 임계값 연산부; 및, 각 시간의 시간-주파수영역 변화량을 구하여, 해당 시간의 시간-주파수영역 변화량이 상기 기준 임계값 및 상기 해당 시간의 임계값을 연속적으로 초과하면 지진 P파가 도달한 것으로 판단하는 지진파 검출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 시간-주파수 변화량 기반 지진파 자동 검출 장치에 있어서, 상기 장치는, 버터워스(butterworth) IIR(infinite impulse response filter) 필터를 이용하여 상기 디지털 신호를 필터링하는 신호필터부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 시간-주파수 변화량 기반 지진파 자동 검출 장치에 있어서, 시간 n 에서의 시간-주파수영역 변화량은 시간영역 변화량 Qt(n)과 주파수영역 변화량 Qf(n)의 합으로 계산하되, 상기 Qt(n)과 Qf(n)는 [수식 1]에 의해 구하는 것을 특징으로 한다.
[수식 1]
Figure 112011004542551-pat00001
단, X(n)은 시간 n의 디지털 신호,
L은 데이터 구간의 크기,
α는 스케일링을 위한 양의 상수.
또, 본 발명은 시간-주파수 변화량 기반 지진파 자동 검출 장치에 있어서, 상기 해당 시간 n의 임계값 TH(n)은 [수식 2]에 의해 구하는 것을 특징으로 한다.
[수식 2]
Figure 112011004542551-pat00002
단, ATFC(n-1)은 직전 시간(n-1)의 시간-주파수영역 변화량,
β는 조정 이득(adjustment gain)을 위한 상수,
THREF 는 기준 임계값.
또, 본 발명은 시간-주파수 변화량 기반 지진파 자동 검출 장치에 있어서, 상기 기준 임계값은 초기화 시간 T 구간의 시간-주파수영역 변화량의 평균값에 2배를 곱하여 구하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 시간-주파수 변화량 기반 지진파 자동 검출 장치에 있어서, 상기 지진파 검출부는 P파가 검출되면, 검출된 P파의 도착시간에 보정계수를 더하여 보정하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 시간-주파수 변화량 기반 지진파 자동 검출 장치에 있어서, 상기 지진파 검출부는, 해당시간의 시간-주파수영역 변화량이 해당시간의 임계값 이상이면 제1 파라미터를 1씩 증가시키고 해당시간의 임계값 이하이면 0으로 설정하고, 상기 해당시간의 시간-주파수영역 변화량이 상기 기준 임계값 이상이면 제2 파라미터를 1씩 증가시키고 해당시간의 임계값 이하이면 0으로 설정하고, 상기 제1 파라미터가 미리 정해진 제1 상수 이상이 되고 상기 제2 파라미터가 미리 정해진 제2 상수 이상이 되면 P파가 도달한 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 지진파 검출센서로부터 검출된 아날로그 신호를 수신하여 지진파를 검출하는 시간-주파수 변화량 기반 지진파 자동 검출 방법에 관한 것으로서, (a) 상기 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 단계; (b) 상기 디지털 신호로부터 각 시간의 시간-주파수영역 변화량을 구하되, 해당 시간으로부터 소정의 크기를 갖는 데이터 구간에서의 시간영역 변화량과 주파수영역 변화량을 계산하고, 상기 시간영역 변화량 및 상기 주파수영역 변화량으로부터 시간-주파수영역 변화량을 구하는 단계; (c) 각 시간의 임계값을 직전 시간의 임계값과 직전 시간의 시간-주파수영역 변화량을 이용하여 구하되, 초기 시간의 임계값(이하 기준 임계값)은 초기화 시간 동안의 시간-주파수영역 변화량의 평균을 이용하여 구하는 단계; 및, (d) 각 시간의 시간-주파수영역 변화량을 구하여, 해당 시간의 시간-주파수영역 변화량이 상기 기준 임계값 및 상기 해당 시간의 임계값을 연속적으로 초과하면 지진 P파가 도달한 것으로 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 시간-주파수 변화량 기반 지진파 자동 검출 장치 및 방법에 의하면, 검출 신호로부터 시간영역에서의 변화량과 주파수영역에서의 변화량을 구하고 이 두 변화량을 동시에 사용하여 중규모이상의 지진뿐만 아니라 미세지진을 검출할 수 있는 효과가 얻어진다.
또한, 본 발명에 따른 시간-주파수 변화량 기반 지진파 자동 검출 장치 및 방법에 의하면, 임계값을 각 시간별로 구해지는 시간-주파수영역의 변화량으로 보정하여 이용함으로써, 측정장소의 환경에 따라 실시간으로 조정되어 배경잡음을 제거하여 지진파 검출의 성능을 향상할 수 있는 효과가 얻어진다.
또한, 본 발명에 따른 시간-주파수 변화량 기반 지진파 자동 검출 장치 및 방법에 의하면, 버터워스(butterworth) IIR 필터로 필터링함으로써, 각종 부가 잡음을 제거하고 지진파를 강화하여 시간영역의 진폭 변화량 및 주파수영역의 순간 변화량에 의해 발생되는 오차를 줄일 수 있는 효과가 얻어진다.
도 1과 2는 본 발명을 실시하기 위한 전체 시스템 구성의 일례를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 시간-주파수 변화량 기반 지진파 자동 검출 장치의 구성에 대한 블록도이다.
도 4와 5는 본 발명의 일실시예에 따른 시간-주파수 변화량 기반 지진파 자동 검출 방법을 설명한 흐름도이다.
도 6은 지진의 규모에 따라 지진 신호의 주파수 응답 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 7은 미세 지진의 특징인 주파수 변화에 따른 변화량 (Qf)을 이론적으로 검증하기 위한 실험 결과를 도시한 것이다.
도 8은 중 규모 이상 지진의 특징인 진폭 변화에 따른 변화량(Qt)을 이론적으로 검증하기 위한 실험 결과를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명에 따른 시간-주파수 변화량 기반 지진파 자동 검출 장치 및 방법의 기준 임계값 설정의 이론적 검증을 위한 실험 결과를 도시한 것이다.
도 10은 본 발명에 따른 시간-주파수 변화량 기반 지진파 자동 검출 장치 및 방법의 중규모 및 미세 지진의 실제 사례에 대하여 시뮬레이션한 결과를 표시한 것이다.
도 11은 종래기술과 본 발명에 따른 지진파 검출 장치 및 방법에 의해 지진파를 검출하는 시각을 비교한 것이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 지진의 진원지 20 : 지진파 검출센서
30 : 지진파 검출 장치 31 : 아날로그-디지털 변환기
32 : 신호필터부 33 : 변화량 연산부
34 : 임계값 연산부 35 : 지진파 검출부
36 : 메모리 40 : 중앙서버
50 : 전송서버 60 : 기관서버
이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 도면에 따라서 설명한다.
또한, 본 발명을 설명하는데 있어서 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.
먼저, 본 발명을 실시하기 위한 전체 시스템 구성의 예들을 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한다.
도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명을 실시하기 위한 전체 지진 경보 시스템은 지진파 검출 장치(30), 중앙서버(40), 전송 서버(50), 및, 기관 서버(60)로 구성된다.
지진파 검출 장치(30)는 각 관측소에 설치되어 지진파, 특히 P파를 검출하는 장치이다. 지진이 발생하면, 지진이 발생된 위치(10)에서 여러 방향의 다수의 관측소의 지진파 검출 장치(30)에서 지진파를 검출한다. 각 지진파 검출 장치(30)는 지진파의 P파를 검출하여 검출된 지진파의 도착시각 등 관측 데이터를 중앙서버(40)에 전송한다. 그 후 발생되는 S파 등의 관측 데이터도 계속 중앙서버(40)에 전송한다.
중앙서버(40)는 다수의 지진파 검출 장치(30)로부터 관측된 데이터를 취합하여, 진원의 위치, 깊이, 규모 등을 산출하고 S파 도달시간, 진도 등을 측정한다. 그리고 중앙서버(40)는 지진의 규모 등에 해당하는 적절한 긴급 상황을 전송서버(50)를 통해, 각 기관의 서버(60)에 전송한다.
특히, 중앙서버(40)는 P파의 초기 미동으로 지진의 발생, 진원의 위치 및 규모 등을 판단하여, S파가 도달하기 전에 각 기관에 신속히 긴급 상황을 통지할 수 있다. 즉, 중앙서버(40)는 지진 조기에 각 기관에 경보를 할 수 있다.
각 기관 서버(60)는 공장, 가스 시설, 화학 시설, 원자력 발전 설비, 다리 등 지진에 취약한 시설들의 서버이다. 기관 서버(60)는 조기에 지진 경보를 수신하여, 지진에 대한 조치를 사전에 취하도록 한다.
한편, 도 2에서 보는 바와 같이, 지진파 검출 장치(30)는 지진파 검출센서(20)로부터 검출된 신호를 입력 받아 P파를 검출하는 장치이다. 지진파 검출센서(20)는 가속도 또는 속도 센서로서, 대지, 또는, 강, 바다 등에 설치되어 진동을 감지하는 센서이다.
지진파 검출 장치(30)는 지진파 검출센서(20)로부터 수신한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여, 디지털 신호의 데이터를 이용하여 지진파, 특히, P파를 검출한다. 또한, 지진파 검출 장치(30)는 출력장치(30a)를 구비하여, 지진파의 파형 또는 지진파 검출 여부를 출력장치(30a)에 출력한다.
지진파 검출 장치(30)는 프로그램으로 구성되어 컴퓨터 단말에 설치되어 실행될 수 있다. 컴퓨터 단말에 설치된 프로그램은 하나의 시스템과 같이 동작할 수 있다. 한편, 다른 실시예로서, 지진파 검출 장치(30)는 ASIC(주문형 반도체) 등 하나의 전자회로로 구성되어 실시될 수 있다. 즉, 소프트웨어 형태, FPGA 칩이나 여러 개의 회로소자로 구성된 전자회로의 형태로 구성될 수도 있다. 또, 지진파 검출 장치(30)는 마이크로프로세서를 내장한 하나의 전자 장치로서 구성될 수 있다. 그 외 가능한 다른 형태도 실시될 수 있다. 그러나 이하에서 설명의 편의를 위해 하나의 전자장치로 설명하기로 한다.
다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 시간-주파수 변화량 기반 지진파 자동 검출 장치(30)(이하 지진파 검출 장치)를 도 3을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 3에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 지진파 검출 장치(30)는 아날로그-디지털 변환기(31), 변화량 연산부(33), 임계값 연산부(34), 및, 지진파 검출부(35)로 구성된다. 추가적으로, 신호필터부(32)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 또, 데이터를 저장하기 위한 메모리(36)를 더 포함하여 구성된다.
아날로그-디지털 변환기(31)는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다. 아날로그 신호는 파형 등 시간을 축으로 하여 연속적인 값을 갖는 데이터이다. 이러한 아날로그 신호를 일정한 크기의 신호로 단락하여 샘플링한다. 단락된 신호들은 양자화되어 일련의 디지털 데이터로 변환된다.
변환된 디지털 데이터를 X(n)으로 표시한다. 이때, n은 일련의 데이터의 순서를 의미하나, 아날로그 신호의 시간 축에서의 순서이다. 따라서 이하에서 n을 시간 또는 시각 이라는 용어로 표현하기로 한다. 즉, "X(n)은 시간 n에서의 신호 크기를 표시하는 것"으로 한다.
신호필터부(32)는 버터워스(butterworth) IIR(infinite impulse response filter) 필터를 이용하여 상기 디지털 신호를 필터링한다.
상기 필터는 디지털 필터로서 지진파를 검출하기 좋은 특정영역의 주파수를 통과시켜주는 대역통과필터를 설계하여 사용한다. 바람직하게는, 상기 IIR필터는 5 ~ 15Hz 대역통과 버터워스(butterworth) IIR 필터를 사용한다. 상기 IIR 대역통과필터를 이용함으로써, 상기 디지털 신호로부터 신호측정 및 변환 시 부가된 각종 잡음신호을 제거하고 실 지진파 신호를 강화(enhancement)할 수 있다.
변화량 연산부(33)는 상기 디지털 신호로부터 각 시간의 시간-주파수영역 변화량을 구한다. 특히, 변화량 연산부(33)는 해당 시간(n)으로부터 소정의 크기(L)를 갖는 데이터 구간에서의 시간영역 변화량 Qt(n)과 주파수영역 변화량 Qf(n)을 계산하고, 상기 시간영역 변화량 및 상기 주파수영역 변화량으로부터 시간-주파수영역 변화량(ATFC, Accumulated Time-Frequency Change) ATFC(n)을 구한다.
다음 [수학식 1]과 [수학식 2]를 이용하여, 필터링된 신호 X(n)으로부터 일정한 크기를 갖는 데이터 구간(L)에서 시간영역 변화량 Qt(n)과 주파수영역 변화량 Qf(n)을 계산한다.
[수학식 1]
Figure 112011004542551-pat00003
[수학식 2]
Figure 112011004542551-pat00004
여기서 L은 전처리(필터링)된 지진파 신호 X(n)로 구성되는 데이터 세그먼트(segment)의 크기이다. [수학식 3]에서 보는 바와 같이, 상기 데이터 세그먼트는 X(n)으로부터 이전 시간의 지진파 신호들로 구성되고, 그 크기가 L이다.
[수학식 3]
Figure 112011004542551-pat00005
그리고 [수학식 2]의 α는 스케일링을 위한 양의 상수이다.
다음으로, [수학식 4]와 같이, ATFC(n)은 시간영역 변화량 Qt(n)와 주파수영역 변화량 Qf(n)을 합산하여 계산된다.
[수학식 4]
Figure 112011004542551-pat00006

임계값 연산부(34)는 각 시간의 임계값을 직전 시간의 임계값과 직전 시간의 시간-주파수영역 변화량을 이용하여 구하되, 초기 시간의 임계값(이하 기준 임계값)은 초기화 시간 동안의 시간-주파수영역 변화량의 평균을 이용하여 구한다.
먼저, 기준 임계값 THREF를 구한다. 기준 임계값은 시스템의 파라미터를 초기화할 때 구해두고, 고정 파라미터(fixed parameter)로 사용한다. 바람직하게는, 부팅(Booting)단계에 한번 또는 주기적(1회/달, 1회/일)으로 기준 임계값을 구해둔다.
기준 임계값 THREF 는 초기화 시간 동안의 시간-주파수영역 변화량 ATFC(n)의 평균을 이용하여 구한다. 즉, 일정 시간(초기화 시간)인 T 구간의 ATFC(n)의 평균을 구하고 그 값의 2배를 THREF로 설정한다. 즉, 다음 [수학식 5]에 의하여, 기준 임계값 THREF를 구한다.
[수학식 5]
Figure 112011004542551-pat00007

다음으로, 조건(또는 해당시간 n)에 따라 조정되는 해당시간 n의 임계값(이하 순시 임계값) TH(n)을 구한다. 임계값 TH(n)의 초기값을 TH(0) = THREF로 설정한다. 그리고 임계값 TH(n)을 다음 [수학식 6]에 의하여 조정한다.
[수학식 6]
Figure 112011004542551-pat00008
이때, △TH는 다음 [수학식 7]에 의하여 구한다.
[수학식 7]
Figure 112011004542551-pat00009
단, β는 스텝 사이즈(step size) 파라미터로서, 조정 이득(adjustment gain)에 대한 상수이다.
즉, 각 시간 n에서의 임계값을 구하는 수식은 [수학식 8]과 같다.
[수학식 8]
Figure 112011004542551-pat00010

지진파 검출부(35)는 각 시간의 시간-주파수영역 변화량을 구하여, 해당 시간의 시간-주파수영역 변화량이 상기 기준 임계값 및 상기 해당 시간의 임계값을 연속적으로 초과하면 지진 P파가 도달한 것으로 판단한다.
바람직하게는, 지진파 검출부(35)는 해당시간의 시간-주파수영역 변화량이 해당시간의 임계값 이상이면 제1 파라미터 PreTRG 를 1씩 증가시키고 해당시간의 임계값 이하이면 0으로 설정한다.
즉, 제1 파라미터 PreTRG를 다음 [수학식 9]에 의해, 1씩 증가시키거나, 0으로 리셋(reset)한다.
[수학식 9]
Figure 112011004542551-pat00011
또한, 동일한 방식으로, 지진파 검출부(35)는 상기 해당시간의 시간-주파수영역 변화량이 상기 기준 임계값 이상이면 제2 파라미터를 1씩 증가시키고 해당시간의 임계값 이하이면 0으로 설정한다.
즉, 제2 파라미터 TRG를 다음 [수학식 10]에 의해, 1씩 증가시키거나, 0으로 리셋(reset)한다.
[수학식 10]
Figure 112011004542551-pat00012
따라서 제1 및 제2 파라미터는 시간-주파수 변화량이 연속적으로 임계이상의 값을 가진 횟수를 나타내는 파라미터이다.
그리고 지진파 검출부(35)는 상기 제1 파라미터가 미리 정해진 양의 제1 상수 N 이상이 되고 상기 제2 파라미터가 미리 정해진 양의 제2 상수 M 이상이 되면 P파가 도달한 것으로 판단한다.
즉, 다음 [수학식 11]에 의하여, 지진 P파가 도달했음이 판단된다.
[수학식 11]
Figure 112011004542551-pat00013

다음으로, 지진파 검출부(35)는 P파가 검출되면, 검출된 P파의 도착시간에 보정계수를 더하여 보정한다. 그리고 보정된 시각으로 P파 검출시각을 표시한다.
즉, 지진 P파 도착이 검출되면 최종적으로 도착시각의 정확도를 높이기 위해, 다음 [수학식 12]의 보정계수에 의해 결정시각 보정이 이루어진다.
[수학식 12]
Figure 112011004542551-pat00014
즉, 앞서와 같이, 최종검출단계에서 TRG ≥ M 이 만족될 때 지진파 검출이 이루어진다. 이때 M은 기준 임계값 초과횟수로 디지털 변환된 신호의 샘플 수를 단위로 하므로 시간단위로 환산하면, 아날로그 신호를 디지털신호로 변환시에 사용되는 샘플링 주파수가 100Hz 일 때 샘플링 주기(샘플간 시간 간격은) 1/100Hz = 0.01 sec와 같이 계산된다. 따라서 실제 지진파가 도착한 시각은 최종검출단계에서 지연된 0.01 × M 초의 보정을 통해 확정된다.
한편, 입력된 지진파 신호는 메모리(36)에 저장되고 저장된 지진파 신호를 출력장치에 표시된다.
다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 시간-주파수 변화량 기반 지진파 자동 검출 방법을 도 4 및 도 5를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 4에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 시간-주파수 변화량 기반 지진파 자동 검출 방법은 (a) 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 단계(S10); (b) 디지털 신호를 필터링하는 단계(S20); (c) 디지털 신호로부터 각 시간의 시간-주파수영역 변화량을 구하는 단계(S30); (d) 각 시간의 임계값을 구하는 단계(S40,S41); (e) 해당 시간의 시간-주파수영역 변화량이 기준 임계값 및 해당 시간의 임계값을 연속적으로 초과하는지를 나타내는 제1 및 제2 파라미터를 구하는 단계(S50); 및, (f) 제1 및 제2 파라미터의 값으로부터 지진파를 검출하는 단계(S60)로 구분된다.
상기 (c)단계에서, 해당 시간으로부터 소정의 크기를 갖는 데이터 구간에서의 시간영역 변화량과 주파수영역 변화량을 계산하고, 상기 시간영역 변화량 및 상기 주파수영역 변화량으로부터 시간-주파수영역 변화량을 구한다(S30).
그리고 시간-주파수영역 변화량으로부터 초기 시간의 임계값(이하 기준 임계값)을, 초기화 시간 동안의 시간-주파수영역 변화량의 평균을 이용하여 구한다(S41). 이렇게 구한 기준 임계값은 고정 파라미터로 이용된다.
또한, 매 시간 n의 시간-주파수영역 변화량으로부터 각 시간에서의 임계값(또는 순시 임계값)을 조정한다(S40).
그리고 매 시간의 시간-주파수영역 변화량이 임계값 이상인지를 확인하여, 연속적으로 초과하는 횟수를 계산한다(S50). 이 횟수를 제1 및 제2 파라미터로 정한다. 제1 파라미터는 순시 임계값을 연속하여 초과(이상)하는 횟수이고, 제2 파라미터는 기준 임계값을 연속하여 초과하는 횟수이다.
상기 제1 및 제2 파라미터가 미리 정한 상수보다 큰지를 확인하여(S61), 지진파 검출여부를 판단한다. 즉, 크면, 지진파를 검출한 것으로 판단하여(S60), 검출시각을 보정하여 그 값을 출력한다(S62). 만약 제1 및 제2 파라미터가 상수보다 작으면, 다시 처음 단계로 돌아가 수신한 신호로부터 다음 시간에서의 지진파 검출여부를 판단한다.
한편, 상기 방법에서 계산되는 수학식 연산을 표시한 흐름도는 도 5에서 보는 바와 같다.
상기 암호화 또는 복호화 장치에 대한 설명 중 생략한 부분은 앞서 설명한 암호화 또는 복호화 방법의 기재를 참조한다.
다음으로, 본 발명의 이론적 검증 실험에 대하여 도 6 내지 도 9를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
본 발명의 핵심적인 기술 내용은 지진파의 시간 영역과 주파수 영역에서 변화량을 동시에 사용한다는 것과, 측정 환경에 따라 임계값을 조정하는 것이다.
지진 규모에 따라 P파가 도달할 때의 지진 신호는 다음과 같은 특징이 있다.미세 지진인 경우, P파의 진폭 변화가 작으며, 주파수는 증가한다. 예를 들어, 주파수가 1Hz이하에서 5Hz 이상으로 증가한다. 반면, 중규모 이상의 지진인 경우, P파의 진폭 변화가 매우 크다. 또한, 주파수가 증가하고 스펙트럼도 확대된다.
도 6a에서 보는 바와 같이, 규모 3.0이하의 미세 지진 신호인 경우, 지진 신호의 주파수 응답을 보면, 5Hz 이상에서 주파수 성분이 검출된다. 또, 도 6b와 같이, 규모 4 이상의 중규모 지진 신호인 경우, 지진 신호의 주파수 응답을 보면, 1Hz 이상에서 주파수 성분이 검출된다.
따라서 지진의 규모가 증가할수록 주파수 성분 범위가 넓어짐을 알 수 있다. 즉, 주파수가 증가하고, 이에 따라 신호 변화가 크다. 이로 인해, 샘플값 간의 거리도 증가하게 된다.
또한, 시간영역 변화량에서도 진폭이 급격히 증가한다.
즉, 적절한 길이로 선택된 데이터 블록 내(일정한 시간 구간 내에서의 데이터들)에서 시간 및 주파수 영역별 변화량을 누적하여, 이 변화량을 통해 P파 검출을 보다 정확하게 수행할 수 있다.
도 7은 미세 지진의 특징인 주파수 변화에 따른 변화량 (Qf)을 이론적으로 검증하기 위한 실험 결과를 나타내고 있다.
도 7에서 보는 바와 같이, 지진파의 각 샘플값 간 거리를 누적하면, 주파수 변화를 감지할 수 있다. 즉, 주파수가 증가하면, 신호 변화가 크게 나타난다. 이로 인해, 기울기가 증가하고, 샘플값 간의 거리가 증가한다.
앞서 본 [수학식 2]와 같이, 주파수 변화에 따른 변화량 Qf(n)의 값은 증가한다.
또한, 도 8은 중 규모 이상 지진의 특징인 진폭 변화에 따른 변화량(Qt)을 이론적으로 검증하기 위한 실험 결과를 나타내고 있다.
도 8에서 보는 바와 같이, 일정 구간 내 신호의 누적 합을 이용하면, 진폭 변화를 감지할 수 있다. 즉, 앞서 본 [수학식 2]와 같이, 진폭 변화에 따라 변화량 Qt(n)의 값이 증가한다.
도 9는 기준 임계값 THREF 설정의 이론적 검증을 위한 실험 결과를 나타내고 있다.
도 9에서 보는 바와 같이, 배경잡음 구간의 시간-주파수영역 변화량(ATFC)은 정현파 형태를 가지며, 기준 임계값 (THREF)을 일정 시간동안의 ATFC 평균의 2배로 정의하면, 이상적으로 ATFC > 0 이므로 THREF는 배경잡음 최대값보다 크다. 따라서 기준 임계값 설정의 타당함을 위 실험을 통해 확인할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 효과를 도 10 및 도 11을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 10은 중규모 및 미세 지진의 실제 사례에 대하여 시뮬레이션한 결과를 표시한 것이다. 도 10a는 지진 규모가 4.9인 중규모 지진의 사례이고, 도 10b는 규모 2.5의 미세 규모 지진에 관한 사례이다.
도 10a 및 도 10b의 가장 상단에 있는 그래프는 실제 지진파 신호를 표시한 것이고, 마지막 그래프가 본 발명에 따른 시뮬레이션 결과로 지진을 검출한 것을 표시한 것이다.
도 10의 2개의 사례에서 보듯이, 지진의 초기에 지진파를 검출한 것을 알 수 있다.
도 11은 200km 거리에서 지진이 발생한 경우, 종래기술과 본 발명에 따른 지진파 검출 장치에 의해 지진파를 검출하는 시각을 비교한 것이다.
도 11에서 보는 바와 같이, 200km 거리에서 지진이 발생한 경우, 종래기술에 의한 지진파 검출 장치는 지진 발생 후 120초가 지난 뒤에 지진 검출 및 분석이 완료되어 지진발생 속보가 발령된다. 이 시간에는 이미 지진이 대부분의 지역에 영향을 미치는 시간이므로, 지진에 대비할 시간적인 여유가 거의 없다. 더욱이, 지진파의 지진요소를 확정하고 검증 후 통보하기까지의 시간이 지진발생 후 5분까지 소요된다.
이에 반해, 본 발명에 따른 지진파 검출장치는 지진 발생 후 불과 50초이내에 지진파 검출 및 지진요소 확정이 완료되어 지진발생 속보 발령이 가능하고, 120초 내에 검증 완료로 지진통보 및 시설제어가 가능하다.
따라서 본 발명에 따른 지진파 검출장치 및 방법에 의하면, 지진을 조기에 검출함으로써, 지진에 대한 사전 대비 작업을 신속히 취할 수 있고, 이로 인해, 인명 피해 및 2차 재해 방지가 가능하고, 경제적 손실도 대폭 경감할 수 있다.
이상, 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
본 발명은 1회 호출되는 코드블록을 직전 호출 코드블록으로 암/복호화하고, 2회 이상 호출되는 코드블록을 난수로 생성한 암호키로 암/복호화하는 인덱스 테이블 기반 코드 암호화 및 복호화 장치를 개발하는 데 유용하다.

Claims (8)

  1. 지진파 검출센서로부터 검출된 아날로그 신호를 수신하여 지진파를 검출하는 시간-주파수 변화량 기반 지진파 자동 검출 장치에 있어서,
    상기 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기;
    상기 디지털 신호로부터 각 시간의 시간-주파수영역 변화량을 구하되, 해당 시간으로부터 소정의 크기를 갖는 데이터 구간에서의 시간영역 변화량과 주파수영역 변화량을 계산하고, 상기 시간영역 변화량 및 상기 주파수영역 변화량으로부터 시간-주파수영역 변화량을 구하는 변화량 연산부;
    각 시간의 임계값을 직전 시간의 임계값과 직전 시간의 시간-주파수영역 변화량을 이용하여 구하되, 초기 시간의 임계값(이하 기준 임계값)은 초기화 시간 동안의 시간-주파수영역 변화량의 평균을 이용하여 구하는 임계값 연산부; 및,
    각 시간의 시간-주파수영역 변화량을 구하여, 해당 시간의 시간-주파수영역 변화량이 상기 기준 임계값 및 상기 해당 시간의 임계값을 연속적으로 초과하면 지진 P파가 도달한 것으로 판단하는 지진파 검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 시간-주파수 변화량 기반 지진파 자동 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 장치는,
    버터워스(butterworth) IIR(infinite impulse response filter) 필터를 이용하여 상기 디지털 신호를 필터링하는 신호필터부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시간-주파수 변화량 기반 지진파 자동 검출 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    시간 n 에서의 시간-주파수영역 변화량은 시간영역 변화량 Qt(n)과 주파수영역 변화량 Qf(n)의 합으로 계산하되, 상기 Qt(n)과 Qf(n)는 [수식 1]에 의해 구하는 것을 특징으로 하는 시간-주파수 변화량 기반 지진파 자동 검출 장치.
    [수식 1]
    Figure 112011004542551-pat00015

    단, X(n)은 시간 n의 디지털 신호,
    L은 데이터 구간의 크기,
    α는 스케일링을 위한 양의 상수.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 해당 시간 n의 임계값 TH(n)은 [수식 2]에 의해 구하는 것을 특징으로 하는 시간-주파수 변화량 기반 지진파 자동 검출 장치.
    [수식 2]
    Figure 112011004542551-pat00016

    단, ATFC(n-1)은 직전 시간(n-1)의 시간-주파수영역 변화량,
    β는 조정 이득(adjustment gain)을 위한 상수,
    THREF 는 기준 임계값.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기준 임계값은 초기화 시간 T 구간의 시간-주파수영역 변화량의 평균값에 2배를 곱하여 구하는 것을 특징으로 하는 시간-주파수 변화량 기반 지진파 자동 검출 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 지진파 검출부는 P파가 검출되면, 검출된 P파의 도착시간에 보정계수를 더하여 보정하는 것을 특징으로 하는 시간-주파수 변화량 기반 지진파 자동 검출 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 지진파 검출부는,
    해당시간의 시간-주파수영역 변화량이 해당시간의 임계값 이상이면 제1 파라미터를 1씩 증가시키고 해당시간의 임계값 이하이면 0으로 설정하고,
    상기 해당시간의 시간-주파수영역 변화량이 상기 기준 임계값 이상이면 제2 파라미터를 1씩 증가시키고 해당시간의 임계값 이하이면 0으로 설정하고,
    상기 제1 파라미터가 미리 정해진 제1 상수 이상이 되고 상기 제2 파라미터가 미리 정해진 제2 상수 이상이 되면 P파가 도달한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 시간-주파수 변화량 기반 지진파 자동 검출 장치.
  8. 지진파 검출센서로부터 검출된 아날로그 신호를 수신하여 지진파를 검출하는 시간-주파수 변화량 기반 지진파 자동 검출 방법에 있어서,
    (a) 상기 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 단계;
    (b) 상기 디지털 신호로부터 각 시간의 시간-주파수영역 변화량을 구하되, 해당 시간으로부터 소정의 크기를 갖는 데이터 구간에서의 시간영역 변화량과 주파수영역 변화량을 계산하고, 상기 시간영역 변화량 및 상기 주파수영역 변화량으로부터 시간-주파수영역 변화량을 구하는 단계;
    (c) 각 시간의 임계값을 직전 시간의 임계값과 직전 시간의 시간-주파수영역 변화량을 이용하여 구하되, 초기 시간의 임계값(이하 기준 임계값)은 초기화 시간 동안의 시간-주파수영역 변화량의 평균을 이용하여 구하는 단계; 및,
    (d) 각 시간의 시간-주파수영역 변화량을 구하여, 해당 시간의 시간-주파수영역 변화량이 상기 기준 임계값 및 상기 해당 시간의 임계값을 연속적으로 초과하면 지진 P파가 도달한 것으로 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 시간-주파수 변화량 기반 지진파 자동 검출 방법.
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