KR101108260B1 - Waveform Inverter Using Multiple Transforms in Laplace Domain - Google Patents
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Abstract
본 발명은 지하 탐사 기술에 관련되며 특히 라플라스 영역에서 파형 역산을 이용하여 지하 구조를 모델링하는 지하구조의 영상화 기술에 관련된다. 개시된 지하구조 영상화 장치는 수신기들로부터 입력된 측정 데이터를, 시간의 p 승 형태의 이득을 곱해서 라플라스 변환한 결과 데이터에 실질적으로 상당하는 데이터로 변환하는 측정 데이터 처리부와, 지하 구조에 대해 설정된 초기 모델링 파라메터를 갱신하되, 측정 데이터와 임의의 초기 모델로부터 산출된 모델링 데이터의 오차에 관련되며, 라플라스 감쇄 정수 s 에 관한 미분 항을 포함하는 목적함수를 최소화하는 방향으로 반복 갱신하는 지하구조 모델링부를 포함한다. The present invention relates to underground exploration techniques and in particular to imaging techniques of underground structures that model underground structures using waveform inversion in the Laplace region. The disclosed underground structure imaging apparatus includes a measurement data processor for converting measurement data input from receivers into data corresponding to the result of Laplace transform by multiplying the gain of the p-square form of time, and initial modeling set for the underground structure. Update the parameter, but includes an underground structure modeling section that is repeatedly updated in a direction that minimizes the objective function including the differential term relating to the Laplace attenuation constant s related to the error of the measurement data and the modeling data calculated from any initial model. .
Description
본 발명은 지하 탐사 기술에 관련되며 특히 라플라스 영역에서 파형 역산을 이용하여 지하 구조를 모델링하는 지하구조의 영상화 기술에 관련된다. The present invention relates to underground exploration techniques and in particular to imaging techniques of underground structures that model underground structures using waveform inversion in the Laplace region.
본 출원인에 의한 선출원인 한국특허출원 제2008-25876호는 라플라스 영역에서의 파동 방정식의 모델링에 의한 지하구조의 영상화 기술을 개시하고 있다. 이 기술은 측정대상지역에서 배열된 수신기들로부터 획득한 탄성파 신호를 라플라스 영역 파형 역산(Laplace domain waveform inversion) 처리하여 지하구조에 관한 모델링 파라메터를 산출한다. Korean Patent Application No. 2008-25876, filed by the present applicant, discloses a technique for imaging underground structures by modeling wave equations in the Laplace region. This technique calculates modeling parameters for the underground structure by performing Laplace domain waveform inversion on the seismic signals obtained from receivers arranged in the measurement target area.
모델링 파라메터는 반복법(iterative method)으로 산출한다. 먼저 개략적으로 정해지는 초기 모델링 파라메터에 의해 지하 구조가 추정되고, 이 추정된 모델에 송신원의 입력이 가해졌을 때 수신기들에서 획득될 수 있는 신호, 즉 모델링 데이터가 산출된다. 다음으로, 산출된 모델링 데이터와 실제 수신기에서 측정한 탄성파 신호와의 오차를 줄이는 방향으로 모델링 파라메터가 업데이트된다. 이후에 업데이트된 모델링 파라메터를 이용하여 전술한 과정이 반복된다. 모델링 데이터와 실제 수신기에서 측정한 탄성파 신호와의 오차가 소정치 이하가 되면 그때 모델링 파라메터가 최종적인 지하 구조에 대한 영상화 데이터로 채택된다. 모델링 파라메터들은 지하 매질에서의 속도 혹은 밀도 값등이 될 수 있는데, 지하구조 영상화 장치는 이 파라메터들을 컬러 영상으로 표현한다.Modeling parameters are calculated by iterative method. The underground structure is first estimated by the initial modeling parameters, which are outlined, and a signal that can be obtained at the receivers, i.e. modeling data, is obtained when an input from the source is applied to the estimated model. Next, the modeling parameters are updated to reduce the error between the calculated modeling data and the actual acoustic wave signal measured by the receiver. Thereafter, the above-described process is repeated using the updated modeling parameter. If the error between the modeling data and the actual acoustic wave signal measured by the receiver falls below a predetermined value, then the modeling parameters are taken as the imaging data for the final underground structure. The modeling parameters can be speed or density values in the underground medium, and the underground imaging device expresses these parameters as color images.
라플라스 영역에서의 파동장은 시간 영역에서 감쇄된 파동장의 0 주파수 성분으로 간주될 수 있다. 따라서 라플라스 영역의 파형 역산은 저주파수 부분의 해석을 개선한다. 그런데, 시간 영역에서 감쇄는 지하 깊은 곳으로부터 수신기에 도달하는 후기 신호들을 감쇄시켜 지하 깊은 곳의 구조 추정을 어렵게 한다. The wave field in the Laplace domain can be regarded as the zero frequency component of the wave field attenuated in the time domain. Thus, waveform inversion in the Laplace region improves the interpretation of the low frequency parts. However, in the time domain, attenuation attenuates late signals reaching the receiver from the basement depth, making it difficult to estimate the structure of the basement depth.
본 발명은 이 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 라플라스 영역의 파형 역산에 있어서 지하 깊은 곳의 구조 추정을 개선하는 것을 목적으로 한다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve such a problem, and an object thereof is to improve the structural estimation of the deep underground in the waveform inversion of the Laplace region.
상기 목적을 달성하기 위한 일 양상에 따른 지하구조 영상화 장치는 수신기들로부터 입력된 측정 데이터를, 시간의 p 승 형태의 이득을 곱해서 라플라스 변환한 결과 데이터에 실질적으로 상당하는 데이터로 변환하는 측정 데이터 처리부와, 지하 구조에 대해 설정된 초기 모델링 파라메터를 갱신하되, 측정 데이터와 임의의 초기 모델로부터 산출된 모델링 데이터의 오차에 관련되며, 라플라스 감쇄 정수 s 에 관한 미분 항을 포함하는 목적함수를 최소화하는 방향으로 반복 갱신하는 지하구조 모델링부를 포함한다. According to one aspect of the present invention, an underground imaging apparatus includes: a measurement data processor configured to convert measurement data input from receivers into data corresponding to a result of Laplace transform by multiplying a gain in the form of a p power of time; And to update the initial modeling parameters set for the underground structure, with respect to the error of the measurement data and the modeling data calculated from any initial model, and to minimize the objective function including the derivative term for the Laplace attenuation constant s. It includes an underground structure modeling unit to be updated repeatedly.
일 양상에 따르면, 측정 데이터 처리부는 수신기로부터 입력된 측정 데이터에 시간의 p 승 형태의 이득을 곱하는 증폭부와, 이 증폭부에서 출력되는 데이터를 라플라스 변환하는 라플라스 변환부를 포함한다. According to an aspect, the measurement data processor includes an amplifier that multiplies the measurement data input from the receiver by a p power form of time, and a Laplace transformer that Laplace transforms data output from the amplifier.
또다른 양상에 따르면, 측정 데이터 처리부는 수신기로부터 입력된 측정 데이터를 라플라스 영역의 데이터로 변환하는 라플라스 변환부와, 상기 라플라스 변환부에서 출력되는 데이터를 라플라스 영역의 감쇄 정수 s에 대해 p 번 미분하여 출력하는 미분처리부를 포함한다. According to another aspect, the measurement data processing unit may convert the measurement data input from the receiver into the data of the Laplace region, and differentiate the data output from the Laplace transform unit p times with respect to the attenuation constant s of the Laplace region. And a differential processing unit for outputting.
이는 시간 영역에서 탄성파 자료에 시간의 p 승 형태로 시간 함수 이득을 곱하는 것은 라플라스 영역에서 탄성파 자료를 감쇄정수 s로 미분한 것과 같은 효과를 가지기 때문이다. This is because multiplying the seismic data by the p-function of time in the time domain has the same effect as differentiating the seismic data by the attenuation constant s in the Laplace domain.
본 발명의 특징적인 일 양상에 따르면, 지하구조 모델링부는 모델링 파라메터로 특정되는 지하구조에 송신원으로부터 야기된 파동이 전파될 때 각 수신기에서 검출되는 모델링 데이터를 계산하는 모델링 데이터 계산부와, 이 모델링 데이터 계산부에서 계산된 모델링 데이터와, 측정 데이터 처리부에서 처리된 측정 데이터간의 오차에 관련되며, 라플라스 감쇄 정수 s 에 관한 미분 항을 포함하는 목적함수를 계산하는 목적함수 계산부와, 이 목적함수 계산부에서 계산된 목적함수가 감소하는 방향으로 모델링 파라메터를 갱신하여 상기 모델링 데이터 계산부로 공급하는 모델링 파라메터 갱신부, 그리고 목적함수 계산부에서 계산된 목적함수의 크기가 일정치 이하일 때 상기 모델링 파라메터 갱신부에서 계산된 모델링 파라메터를 지하구조 모델로 출력하는 지하구조 출력부를 포함한다. According to a characteristic aspect of the present invention, the underground structure modeling unit is a modeling data calculation unit for calculating modeling data detected at each receiver when a wave caused from a transmission source propagates to an underground structure specified by a modeling parameter, and the modeling data. An objective function calculation unit for calculating an objective function related to the error between the modeling data calculated in the calculation unit and the measurement data processed in the measurement data processing unit and including a derivative term relating to the Laplace attenuation constant s; The modeling parameter updater updates the modeling parameter in the direction of decreasing the objective function calculated by the controller and supplies it to the modeling data calculator, and when the size of the objective function calculated by the objective function calculator is less than or equal to a predetermined value, Export the calculated modeling parameters to the underground model And a subterranean output.
본 발명은 라플라스 영역에서의 파형 역산에서 탄성파 자료에 시간의 p 승 형태로 시간 함수 이득을 곱하거나 혹은 균등한 처리로 라플라스 영역의 탄성파 자료를 감쇄 정수 s로 미분하고, 감쇄정수 s 에 관한 미분항을 포함한 목적함수를 통해 모델링 파라메터를 갱신함으로써 지하 깊은 곳에서 반사된 파동장을 충분히 반영하여 보다 정밀한 지하 구조의 영상화를 가능하게 한다. The present invention multiplies the seismic data in the Laplace region by the attenuation constant s by multiplying or equalizing the seismic data in the form of p times of the time in the waveform inversion in the Laplace region, or by the equalization process, and the derivative term for the attenuation constant s. By updating the modeling parameters through the objective function including, it is possible to accurately image the underground structure by sufficiently reflecting the wave field reflected from the deep underground.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 지하구조 영상화 장치의 개략적인 구성을 도시한 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 지하구조 영상화 장치의 개략적인 구성을 도시한 블럭도이다. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of an underground imaging apparatus according to an embodiment of the present invention.
2 is a block diagram showing a schematic configuration of an underground imaging apparatus according to another embodiment of the present invention.
전술한 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 후술하는 실시예들을 통해 더욱 명확해질 것이다. 이하에서는 본 발명을 실시예들을 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있을 정도로 상세히 설명한다. The foregoing and additional aspects of the present invention will become more apparent through the following embodiments. Hereinafter, the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily understand and reproduce the present invention through embodiments.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 지하구조 영상화 장치의 개략적인 구성을 도시한 블럭도이다. 도시된 바와 같이, 일 양상에 따른 지하구조 영상화 장치는 수신기들로부터 입력된 측정 데이터를, 시간의 p 승 형태의 이득을 곱해서 라플라스 변환한 결과 데이터에 실질적으로 상당하는 데이터로 변환하는 측정 데이터 처리부(350)와, 지하 구조에 대해 설정된 초기 모델링 파라메터를 갱신하되, 측정 데이터와 임의의 초기 모델로부터 산출된 모델링 데이터의 오차에 관련되며, 라플라스 감쇄 정수 s 에 관한 미분 항을 포함하는 목적함수를 최소화하는 방향으로 반복 갱신하는 지하구조 모델링부(300)를 포함한다. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of an underground imaging apparatus according to an embodiment of the present invention. As shown, the underground imaging apparatus according to an aspect of the present invention is a measurement data processing unit for converting measurement data input from receivers into data substantially equivalent to the result of Laplace transform by multiplying a gain in the form of p power of time ( 350) and to update the initial modeling parameters set for the underground structure, while minimizing the objective function including the derivative term for the Laplace attenuation constant s, which is related to the error of the measurement data and the modeling data calculated from any initial model. It includes the underground
해상에서 지하 구조를 탐사하기 위해 탐사 선박은 수신기들이 격자 상으로 설치된 스트리머를 끌고 송신원인 에어건을 연속적으로 발사하면서 각 수신기에서 감지된 반사파를 측정한다. 스트리머(streamer)는 예를 들면 내부에 부유성 기름이 채워진 하이드로폰 케이블이다. 케이블 내부에는 압력의 변화를 감지하는 압전형 수신기가 배열되어 있다. 이들은 필요한 길이만큼 연결하여 사용하며, 통상 24개 내지 96개 정도의 채널로 구성된다. To explore underground structures at sea, the exploration vessel measures the reflected waves detected at each receiver as the receivers drag a streamer mounted on the grid and continuously fire the air gun as the transmitter. A streamer is, for example, a hydrophone cable filled with floating oil therein. Inside the cable is a piezoelectric receiver that detects a change in pressure. They are used to connect as necessary length, usually composed of about 24 to 96 channels.
측정 데이터에 시간 함수 이득을 줄 경우 후기 시간에 도달하는 신호, 즉 땅 속 깊은 곳에서 오는 신호를 증폭시키게 되어 땅 속 깊은 곳의 정보를 더 많이 얻을 수 있다. 즉, 순차적으로 입력되는 측정 데이터에 tp 을 곱한다. 이는 후기 신호를 더 많이 증폭시키는 가변 이득 증폭기이다. 이에 따라 깊은 심도의 속도까지 좀 더 잘 역산해낼 수 있다.Giving the measurement function a time function gain amplifies the signal that reaches the later time, that is, the signal from deep inside the ground, so that more information can be obtained from the ground deep. That is, t p is multiplied by the measured data sequentially input. It is a variable gain amplifier that amplifies more late signals. This allows us to do a better job of inverting deeper speeds.
일 양상에 따라, 측정 데이터 처리부(350)는 수신기로부터 입력된 측정 데이터에 시간의 p 승 형태의 이득을 곱하는 증폭부(351)와, 이 증폭부(351)에서 출력되는 데이터를 라플라스 변환하는 라플라스 변환부(353)를 포함한다. 즉, 측정 데이터는 tp 이 곱해진 후 라플라스 변환된다. According to an aspect, the
도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 지하구조 모델링부(300)는 모델링 파라메터로 특정되는 지하구조에 송신원으로부터 야기된 파동이 전파될 때 각 수신기에서 검출되는 모델링 데이터를 계산하는 모델링 데이터 계산부(330)와, 이 모델링 데이터 계산부(330)에서 계산된 모델링 데이터와, 측정 데이터 처리부(350)에서 처리된 측정 데이터간의 오차에 관련되며, 라플라스 감쇄 정수 s 에 관한 미분 항을 포함하는 목적함수를 계산하는 목적함수 계산부(370)와, 이 목적함수 계산부(370)에서 계산된 목적함수가 감소하는 방향으로 모델링 파라메터를 갱신하여 상기 모델링 데이터 계산부(330)로 공급하는 모델링 파라메터 갱신부(310), 그리고 목적함수 계산부(370)에서 계산된 목적함수의 크기가 일정치 이하일 때 상기 모델링 파라메터 갱신부(310)에서 계산된 모델링 파라메터를 지하구조 모델로 출력하는 지하구조 출력부(500)를 포함한다. As shown, the underground
종래기술에 따른 라플라스 영역에서의 파형 역산에 의한 지하 구조의 영상화 장치 및 방법은 전술한 한국 공개특허에 개시되어 있다. 측정된 신호는 측정 데이터 처리부(350)에서 라플라스 영역의 데이터로 변환되고 메모리(390)에 저장된다. 모델링 파라메터 갱신부(310)는 지하 구조의 초기 모델의 파라메터 값을 갖고 있다. 초기값은 임의로 정해질 수 있다. 모델링 데이터 계산부(330)는 모델링 파라메터들로 특정되는 지하구조에 등가 송신원으로부터 야기된 파동이 전파할 때 각 수신점에서 검출될 수 있는 모델링 데이터를 계산한다. 모델링 데이터는 모델링 파라메터에 의해 특정된 파동 방정식을 유한 요소법 혹은 유한 차분법등의 수치해석기법을 이용해 풀어서 구할 수 있다. 목적함수 계산부(370)는 메모리(390)에 저장된 측정 데이터와, 임의의 초기 모델로부터 산출된 모델링 데이터의 오차를 계산한다. 목적함수는 이 오차를 계산하는 함수로, 예를 들어 L2 norm, 두 값의 로그(log) 값의 차이나, p번 거듭제곱, 적분값 등 다양하게 선택될 수 있다. 오차가 소정치보다 큰 경우, 모델링 파라메터 갱신부(310)는 오차가 감소하는 방향으로 모델링 파라메터를 갱신한다. 이는 각 모델 파라메터에 대한 목적함수의 그래디언트(gradient)를 계산하여 목적함수를 최소화하는 모델 파라메터를 산출함으로써 이루어진다. 모델링 데이터 계산부(330)는 이 갱신된 모델링 파라메터로 특정된 지하구조에 송신원으로부터 야기된 파동이 전파할 때 각 수신점에서 검출될 수 있는 모델링 데이터를 계산한다. 목적함수 계산부(370)는 메모리(390)에 저장된 측정 데이터와, 갱신된 모델로부터 산출된 모델링 데이터와의 오차를 계산한다. 오차가 소정치보다 큰 경우, 모델링 파라메터의 갱신이 반복되고, 오차가 소정치보다 작은 경우 그때의 모델링 파라메터를 지하 구조에 대한 최종적인 모델링 파라메터로 판단하여 외부로 출력한다. 모델링 파라메터는 파동 방정식의 계수에 해당하며, 예를 들면 지하 매질에서의 속도, 밀도 등이 될 수 있다. An apparatus and method for imaging an underground structure by waveform inversion in a Laplace region according to the prior art are disclosed in the above-mentioned Korean Patent Publication. The measured signal is converted into data of the Laplace area by the
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 지하구조 영상화 장치 산출된 모델링 파라메터로부터 지하구조를 컬러 영상화하는 지하구조 출력부를 포함한다. 위치별 속도값 혹은 밀도값의 크기를 컬러로 매핑하여 컬러 영상으로 출력할 수 있다. According to an additional aspect of the present invention, an underground structure imaging apparatus includes an underground structure output unit for color imaging an underground structure from the calculated modeling parameters. The size of the speed value or density value for each location can be mapped to color and output as a color image.
본 발명은 이 같은 종래기술과 대비하여 특히 목적 함수와, 또 이 목적함수를 이용하여 모델링 파라메터를 갱신하는 모델링 파라메터 갱신부(310)에 있어서 구성이 차이가 있다. The present invention has a configuration different from that of the prior art, particularly in the objective function and in the
일 실시예에 있어서 목적함수 계산부(370)의 목적함수는 아래 수식과 같이 주어질 수 있다.In one embodiment, the objective function of the
수식 (1)Formula (1)
(Nf는 감쇄정수의 개수, Ns는 송신원의 발파(shot) 횟수, Nr은 수신기의 개수, Np는 파동장의 s에 대한 최고차 미분 차수, s는 라플라스 감쇄 정수, u 는 라플라스 영역에서의 파동장 모델링 데이터, d 는 라플라스 영역에서의 탄성파 데이터이다)(N f is the number of attenuation constants, N s is the number of shots from the transmitter, N r is the number of receivers, N p is the highest differential order for s in the wave field, s is the Laplace attenuation constant, u is the Laplace region) Wave field modeling data at, d is the seismic data in the Laplace region)
도 1에서 모델링 파라메터 갱신부(310)는 목적함수를 모델링 파라메터에 대해 미분한 값, 즉 그래디언트(gradient)를 이용해 갱신된다. 즉, 목적함수를 최소화하는 방향으로 갱신된다. 목적함수를 갱신하는 방법에는 뉴톤(newton) 역산 방법과 가우스-뉴톤(Gauss-Newton) 역산 방법이 있다. In FIG. 1, the
뉴톤(Newton) 역산 방법에서 모델링 파라메터의 갱신 방향은 다음 수식과 같이 정의된다. In the Newton inversion method, the update direction of modeling parameters is defined as the following equation.
여기서 v는 모델링 파라메터인 매질에서의 파동장의 전파속도이다. vk은 k번째 순환(iteration)에서의 속도값을 표시하며, 위 수식은 순환법에 의해 속도가 갱신되는 방법을 표현한다. 수식에서 속도 갱신치에 해당하는 δv는 두 개의 모델링 파라메터로 편미분한 파동장, 즉 헤시안(Hessian) 행렬이다.
Where v is the propagation velocity of the wave field in the medium, a modeling parameter. v k denotes a velocity value in the k th iteration, and the above expression expresses how the velocity is updated by the recursive method. Δ v , which corresponds to the velocity update in the equation, is a wave field, or Hessian matrix, which is divided into two modeling parameters.
가우스-뉴톤(Gauss-Newton) 역산에서 모델링 파라메터인 속도의 갱신 방향은 근사화된 헤시안(approximated Hessian)을 사용하여 다음과 같이 정의된다. The update direction of velocity, a modeling parameter in Gauss-Newton inversion, is defined as follows using approximated Hessian.
여기서 J는 모델링 파fk메터로 편미분한 파동장 자코비안(Jacobian) 행렬이다. Where J is the wavefield Jacobian matrix, which is a partial derivative of the modeling parameter fk.
위 식에서 목적함수의 모델링 파라메터에 대한 미분, 즉 그래디언트(gradient) 방향은 다음과 같이 계산된다. In the above equation, the derivative of the modeling parameter of the objective function, that is, the gradient direction, is calculated as follows.
(l=1,…,Nm)(l = 1,…, N m )
여기서 Nm은 모델링 파라메터의 갯수이며, E 는 목적함수, ν는 모델링 파라메터, s는 라플라스 감쇄 정수, Nf는 감쇄정수의 개수, Ns는 송신원의 발파(shot) 횟수, Nr은 수신기의 개수, Np는 파동장의 s에 대한 최고차 미분 차수, u 는 라플라스 영역에서의 파동장 모델링 데이터, d 는 라플라스 영역에서의 탄성파 데이터이다.
Where N m is the number of modeling parameters, E is the objective function, ν is the modeling parameter, s is the Laplace attenuation constant, N f is the number of attenuation constants, N s is the number of shots from the transmitter, N r is the receiver The number, N p, is the highest differential order for s of the wave field, u is the wave field modeling data in the Laplace region, and d is the seismic data in the Laplace region.
Newton 방법을 사용할 경우 헤시안, 가우스-뉴톤 역산을 이용할 경우 근사화된 헤시안을 사용하게 된다. 근사화된 헤시안을 통해 δ v 를 구하여 역산하는 방법에는 몇가지 방법이 있다. 일 실시예에 있어서, 근사화된 헤시안 행렬 전체를 사용하는 방법이 있다. 이 방법은 아래의 식을 행렬 연산을 통해 풀어서 δ v 를 구한다. Hessian is used when using the Newton method and Hessian is approximated when using the Gaussian-Newtonian inversion. There are several ways to invert and calculate δ v through approximated Hessian. In one embodiment, there is a method using the entire approximated Hessian matrix. This method solves δ v by solving matrix equation below.
여기서 r은 실제 파동장과 계산된 파동장의 로그적 차이, 즉 차분(residual)을 의미한다. 위의 그래디언트 식에서 자코비안은 에 해당하고, 차분(residual)은 에 해당한다. Where r is the logarithmic difference between the actual wave field and the calculated wave field, that is, residual. In the gradient expression above, Jacobian , And the residual is Corresponds to
또다른 실시예에 있어서, 유일 값 분해(singular value decomposition)를 이용하여 풀어서 δ v 를 구한다. In another embodiment, δ v is obtained by solving using singular value decomposition.
J δ v = -r J δ v = -r
또다른 실시예에 있어서, 근사화된 헤시안의 대각선(diagonal) 성분만 이용하여 그래디언트를 나누고 이를 통해 δ v 를 구한다.
In another embodiment, the gradient is divided using only the diagonal component of the approximated Hessian to obtain δ v .
본 발명의 또다른 양상에 따라, 모델링 파라메터 갱신부(310)는 헤시안 또는 근사화된 헤시안 행렬에 백색 잡음을 더하여 모델링 파라메터의 증분치를 계산한다. 헤시안 또는 근사화된 헤시안 행렬에는 매우 작은 값을 가진 항이 있을 수 있고, 이로 인해 δ v 에 불안정(singular) 값이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해 Levenberg-Marquardt의 방법을 사용하여 헤시안 또는 근사화된 헤시안에 백색잡음(white noise)을 더해준다. According to another aspect of the present invention, the
본 발명의 추가적인 양상에 따르면, 모델링 파라메터 갱신부(310)는 헤시안 또는 근사화된 헤시안 행렬에 상이한 크기를 가진 다수의 백색 잡음을 더하여 모델링 파라메터의 증분치를 구한 후 각 증분치를 정규화한 후 모두 합하여 최종적인 증분치로 출력한다. 일 실시예에 있어서, 백색 잡음을 헤시안 또는 근사화된 헤시안 행렬의 최대값의 10-3 배부터 10-1 배까지 100개로 하여 δ v 를 구하고, 각각을 정규화(normalize)한 후 모두 더해서 안정된(robust) 값을 얻는다. According to an additional aspect of the present invention, the
라플라스 영역에서의 파형 역산은 주파수 영역에서의 역산에 비해 초기 속도 모델에 덜 민감하기 때문에 초기 속도 모델로 균질(homogeneous) 매질에서의 속도 모델을 사용할 수 있다. 균질 매질에서의 속도 모델의 경우 라플라스 영역의 해석해가 존재하기 때문에 해석해를 사용하여 자코비안과 헤시안 혹은 근사화된 헤시안을 계산하면 한번에 상당히 정확한 속도 증분치를 구할 수 있다. 이에 의해 모델링 파라메터를 구하는 속도를 개선할 수 있다. 이렇게 구한 속도 증분치에 라인 탐색(line search) 등의 방법을 적용하여 속도를 한번 갱신한 후에는 기존의 파형 역산 방법을 사용하여 더 정확한 속도 모델을 얻을 수 있다. Since waveform inversion in the Laplace domain is less sensitive to the initial velocity model than inversion in the frequency domain, the velocity model in a homogeneous medium can be used as the initial velocity model. For velocity models in homogeneous media, there is an analytic solution for the Laplace domain, which can be used to calculate Jacobian and Hessian or approximated Hessian for a fairly accurate velocity increment at once. This can improve the speed of obtaining modeling parameters. After the velocity is updated once by applying a method such as a line search to the velocity increment obtained, a more accurate velocity model can be obtained by using a conventional waveform inversion method.
즉, 목적함수 계산부(370)에서 목적함수를 계산하기 위해서는 라플라스 영역에서의 파동장 uijk, 파동장의 감쇄정수 s에 대한 편미분 및 속도에 대한 편미분 파둥장을 구해야 한다. 본 발명의 일 양상에 따라 이들 값은 3차원 균질 매질에서의 라플라스 영역 그린 함수(green function)를 사용한다. That is, in order to calculate the objective function in the
자유면으로 인한 로이드-미러 효과(Lloyd mirror effect)를 고려하여 실제 송신원(10)과 가상 송신원(20)을 가정하면 해석해는 다음과 같이 구할 수 있다. Considering the Lloyd mirror effect due to the free surface, assuming that the actual transmission source 10 and the virtual transmission source 20 are assumed, the solution can be obtained as follows.
이 그린 함수에 각각의 감쇄 정수 s에 대한 송신원 진폭을 곱하여 파동장을 구하고, 파동장으로부터 s에 대한 미분과 속도에 대한 편미분 파동장을 구하면 다음과 같다. 여기서 송신원 진폭은 계산의 편의를 위해 1로 가정하였다. This green function is multiplied by the source amplitude for each attenuation constant s to obtain the wave field. From the wave field, the differential field for s and the partial derivative for velocity are as follows. Here, source amplitude is assumed to be 1 for convenience of calculation.
여기서 이다.here to be.
한편, 라플라스 영역에서의 탄성파 파동 방정식은 다음과 같이 표현될 수 있다. On the other hand, the seismic wave equation in the Laplace region can be expressed as follows.
여기서, s는 라플라스 감쇄 상수이고, c는 매질의 전파 속도(상수)이며, u는 라플라스 영역의 파동장(wavefield)의 모델링 파라메터, 즉 전파 속도이고, f는 라플라스 영역에서 송신원 함수(souce function)이다. 유한 차분법 혹은 유한 요소법을 사용하면, 위 탄성파 파동 방정식은 다음과 같은 선형대수방정식의 시스템으로 표현될 수 있다. Where s is the Laplace attenuation constant, c is the propagation velocity (constant) of the medium, u is the modeling parameter of the wavefield of the Laplace region, that is, the propagation velocity, and f is the source function in the Laplace region. to be. Using the finite difference method or finite element method, the seismic wave equation can be expressed as a system of linear algebraic equations.
SuSu =f= f
여기서 S 는 미분 연산자 를 근사화하는 임피던스 행렬이고, u 는 라플라스 영역 파동장 벡터이며, f 는 송신원 벡터이다. Where S is the derivative operator Is an impedance matrix approximating, u is a Laplace region wave field vector, and f is a source vector.
위 선형대수방정식의 양변을 모델링 파라메터로 미분하면, Differentiate both sides of the linear algebraic equation with the modeling parameters,
이므로, 그래디언트 게산에 필요한 편미분 파동장은 다음과 같이 구할 수 있다. Therefore, the partial differential wave field required for gradient calculation can be obtained as follows.
여기에서, From here,
이다. to be.
또한 감쇄정수 s로 미분한 편미분 파동장은 다음과 같다.In addition, the partial differential wave field differentiated by the damping constant s is as follows.
도 2는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 지하구조 영상화 장치의 개략적인 구성을 도시한 블럭도이다. 도시된 실시예에 있어서, 측정 데이터 처리부(350)는 수신기로부터 입력된 측정 데이터를 라플라스 영역의 데이터로 변환하는 라플라스 변환부(355)와, 이 라플라스 변환부(355)에서 출력되는 데이터를 라플라스 영역의 감쇄 정수 s에 대해 p 번 미분하여 출력하는 미분처리부(357)를 포함한다. 2 is a block diagram showing a schematic configuration of an underground imaging apparatus according to another embodiment of the present invention. In the illustrated embodiment, the measurement
이 실시예는 도 1에 도시된 실시예와 실질적으로 동일한데, 이는 시간 영역에서 탄성파 자료에 시간의 p 승 형태로 시간 함수 이득을 곱하는 것은 라플라스 영역에서 탄성파 자료를 감쇄정수 s로 미분한 것과 같은 효과를 가지기 때문이다. This embodiment is substantially the same as the embodiment shown in FIG. 1, where multiplying the seismic data by the time function gain in the form of p times of time in the time domain is such as the derivative of the seismic data by the attenuation constant s in the Laplace region. Because it has an effect.
수식 (2) Formula (2)
따라서 라플라스 영역에서 파형 역산을 할 때 목적함수에 감쇄정수 s에 관한 미분 항을 포함시키면 깊은 심도의 속도까지 좀 더 잘 역산해낼 수 있다. Therefore, when inverting the waveform in the Laplace region, including the derivative term for the attenuation constant s in the objective function can be inverted even to the depth of depth.
한편, 본 발명의 또다른 양상에 따르면, 목적함수는 각 항에 가중치를 주어 다음과 같이 변형될 수 있다. On the other hand, according to another aspect of the present invention, the objective function may be modified as follows by weighting each term.
이 경우 증분치에 관련된 목적함수의 그래디언트는 다음과 같이 구해진다. In this case, the gradient of the objective function related to the increment is obtained as follows.
이상에서 본 발명은 도면을 참조하여 기술되는 실시예를 중심으로 기재되었으나 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서 본 발명은 이러한 기재된 실시예로부터 자명하게 도출 가능한 많은 변형예들을 포괄하도록 의도된 특허청구범위에 의해 해석되어져야 한다. The present invention has been described above with reference to the embodiments described with reference to the drawings, but is not limited thereto. Therefore, the present invention should be construed by the claims, which are intended to cover many variations that can be obviously derived from this described embodiment.
300 : 지하구조 모델링부
310 : 모델링 파라메터 갱신부 330 : 모델링 데이터 계산부
350 : 측정 데이터 처리부 351 : 증폭부
353 : 라플라스 변환부 355 : 라플라스 변환부
357 : 미분 처리부 370 : 목적함수 계산부
390 : 메모리
500 : 지하구조 출력부300: underground structure modeling unit
310: modeling parameter updating unit 330: modeling data calculation unit
350: measurement data processing unit 351: amplification unit
353: Laplace converter 355: Laplace converter
357: derivative processing unit 370: objective function calculation unit
390: memory
500: underground structure output unit
Claims (20)
지하 구조에 대해 설정된 초기 모델링 파라메터를 갱신하되, 측정 데이터와 임의의 초기 모델로부터 산출된 모델링 데이터의 오차에 관련되며, 라플라스 감쇄 정수 s 에 관한 미분 항을 포함하는 목적함수를 최소화하는 방향으로 반복 갱신하는 지하구조 모델링부;
를 포함하는 지하구조 영상화 장치.
A measurement data processing unit for converting the measurement data input from the receivers into data substantially equivalent to the result data of the Laplace transform by multiplying a gain in the form of a p power of time;
Update the initial modeling parameters set for the underground structure, with repeated updates in order to minimize the objective function, which relates to the error of the measurement data and the modeling data calculated from any initial model, and includes a derivative term for the Laplace attenuation constant s. Underground structure modeling unit;
Underground imaging device comprising a.
수신기로부터 입력된 측정 데이터에 시간의 p 승 형태의 이득을 곱하는 증폭부와;
상기 증폭부에서 출력되는 데이터를 라플라스 변환하는 라플라스 변환부;
를 포함하는 지하구조 영상화 장치.
The method of claim 1, wherein the measurement data processing unit
An amplifier for multiplying the measured data input from the receiver by a p power form of time;
A Laplace transform unit for Laplace transforming data output from the amplifier;
Underground imaging device comprising a.
수신기로부터 입력된 측정 데이터를 라플라스 영역의 데이터로 변환하는 라플라스 변환부와;
상기 라플라스 변환부에서 출력되는 데이터를 라플라스 영역의 감쇄 정수 s에 대해 p 번 미분하여 출력하는 미분처리부;
를 포함하는 지하구조 영상화 장치.
The method of claim 1, wherein the measurement data processing unit
A Laplace transform unit converting the measurement data input from the receiver into the Laplace area data;
A derivative processor for differentiating the data output from the Laplace converter by p times with respect to the attenuation constant s of the Laplace region;
Underground imaging device comprising a.
모델링 파라메터로 특정되는 지하구조에 송신원으로부터 야기된 파동이 전파될 때 각 수신기에서 검출되는 모델링 데이터를 계산하는 모델링 데이터 계산부와;
상기 모델링 데이터 계산부에서 계산된 모델링 데이터와, 상기 측정 데이터 처리부에서 처리된 측정 데이터간의 오차에 관련되며, 라플라스 감쇄 정수 s 에 관한 미분 항을 포함하는 목적함수를 계산하는 목적함수 계산부와;
상기 목적함수 계산부에서 계산된 목적함수가 감소하는 방향으로 모델링 파라메터를 갱신하여 상기 모델링 데이터 계산부로 공급하는 모델링 파라메터 갱신부;
상기 목적함수 계산부에서 계산된 목적함수의 크기가 일정치 이하일 때 상기 모델링 파라메터 갱신부에서 계산된 모델링 파라메터를 지하구조 모델로 출력하는 지하구조 출력부;
를 포함하는 지하구조 영상화 장치.
According to claim 2 or 3, wherein the underground structure modeling unit
A modeling data calculator which calculates modeling data detected at each receiver when a wave caused from a transmission source propagates in an underground structure specified by a modeling parameter;
An objective function calculator for calculating an objective function related to an error between the modeling data calculated by the modeling data calculator and the measurement data processed by the measurement data processor, and including a derivative term relating to the Laplace attenuation constant s;
A modeling parameter updating unit updating the modeling parameter in a direction in which the objective function calculated by the objective function calculating unit decreases and supplying the modeling parameter to the modeling data calculating unit;
An underground structure output unit for outputting the modeling parameter calculated by the modeling parameter updating unit as an underground structure model when the size of the objective function calculated by the objective function calculating unit is less than or equal to a predetermined value;
Underground imaging device comprising a.
(Nf는 감쇄정수의 개수, Ns는 송신원의 발파(shot) 횟수, Nr은 수신기의 개수, Np는 파동장의 s에 대한 최고차 미분 차수, s는 라플라스 감쇄 정수, u 는 라플라스 영역에서의 파동장 모델링 데이터, d 는 라플라스 영역에서의 탄성파 데이터)의 수식으로 표현되는 지하구조 영상화 장치.
The object function of claim 4, wherein the object function of the object function calculation unit is
(N f is the number of attenuation constants, N s is the number of shots from the transmitter, N r is the number of receivers, N p is the highest differential order for s in the wave field, s is the Laplace attenuation constant, u is the Laplace region) Wave structure modeling data in, d is a seismic data in the Laplace region).
상기 모델링 파라메터의 증분치를 뉴톤(Newton) 방법에 의해 역산하여 구하고, 이 증분치로 순환법(iteration method)에 의해 기존 모델링 파라메터를 갱신해나가는 지하구조 영상화 장치.
The method of claim 4, wherein the modeling parameter update unit
An underground structure imaging apparatus for recalculating an incremental value of the modeling parameter by the Newton method, and updating the existing modeling parameter by an iteration method.
상기 모델링 파라메터의 증분치를 가우스-뉴톤(Gauss-Newton) 방법에 의해 역산하여 구하고, 이 증분치로 순환법(iteration method)에 의해 기존 모델링 파라메터를 갱신해나가는 지하구조 영상화 장치.
The method of claim 4, wherein the modeling parameter update unit
The underground structure imaging apparatus which obtains the incremental value of the modeling parameter by inversely calculating by Gauss-Newton method and updates the existing modeling parameter by the iteration method.
상기 모델링 파라메터 갱신부는 가우스-뉴톤 방법을 적용함에 있어서 목적함수의 모델링 파라메터에 대한 그래디언트를 다음의 수식에 의해 계산하는 지하구조 영상화 장치.
(l=1,…,Nm), 여기서 Nm은 모델링 파라메터의 갯수이며, E 는 목적함수, ν는 모델링 파라메터, s는 라플라스 감쇄 정수, Nf는 감쇄정수의 개수, Ns는 송신원의 발파(shot) 횟수, Nr은 수신기의 개수, Np는 파동장의 s에 대한 최고차 미분 차수, u 는 라플라스 영역에서의 파동장 모델링 데이터, d 는 라플라스 영역에서의 탄성파 데이터이다.The method of claim 7, wherein
And the modeling parameter updating unit calculates a gradient of the modeling parameter of the objective function using the following equation in applying the Gauss-Newton method.
(l = 1,…, N m ), where N m is the number of modeling parameters, E is the objective function, ν is the modeling parameter, s is the Laplace attenuation constant, N f is the number of attenuation constants, and N s is the source The number of shots, N r is the number of receivers, N p is the highest differential order for s of the wave field, u is wave field modeling data in the Laplace region, and d is the seismic data in the Laplace region.
8. The underground imaging apparatus of claim 7, wherein the modeling parameter updater calculates an increment of the modeling parameter by adding white noise to a Hessian or approximated Hessian matrix.
10. The underground structure imaging apparatus according to claim 9, wherein an increment of modeling parameters is obtained by adding a plurality of white noises having different magnitudes to a Hessian or approximated Hessian matrix, normalizing each incremental value, and adding all of them to a final incremental value. .
산출된 모델링 파라메터로부터 지하구조를 컬러 영상화하는 지하구조 영상화 장치.
The method of claim 4, wherein the underground structure output unit
An underground imaging apparatus for color imaging underground structures from the calculated modeling parameters.
지하 구조에 대해 설정된 초기 모델링 파라메터를 갱신하되, 측정 데이터와 임의의 초기 모델로부터 산출된 모델링 데이터의 오차에 관련되며, 라플라스 감쇄 정수 s 에 관한 미분 항을 포함하는 목적함수를 최소화하는 방향으로 반복 갱신하는 지하구조 모델링 단계;
를 포함하는 지하구조 영상화 방법.
A measurement data processing step of converting the measurement data input from the receivers into data substantially equivalent to the resultant data of the Laplace transform by multiplying a gain in the form of a p power of time;
Update the initial modeling parameters set for the underground structure, with repeated updates in order to minimize the objective function, which relates to the error of the measurement data and the modeling data calculated from any initial model, and includes a derivative term for the Laplace attenuation constant s. Underground structure modeling step;
Underground imaging method comprising a.
수신기로부터 입력된 측정 데이터에 시간의 p 승 형태의 이득을 곱하여 증폭하는 단계와;
상기 증폭된 데이터를 라플라스 변환하는 단계;
를 포함하는 지하구조 영상화 방법.
The method of claim 12, wherein the measuring data processing step
Multiplying the measurement data input from the receiver by multiplying the gain of the p power form of time;
Laplace transforming the amplified data;
Underground imaging method comprising a.
수신기로부터 입력된 측정 데이터를 라플라스 영역의 데이터로 변환하는 단계와;
라플라스 변환된 데이터를 라플라스 영역의 감쇄 정수 s에 대해 p 번 미분하는 단계;
를 포함하는 지하구조 영상화 방법.
The method of claim 12, wherein the measuring data processing step
Converting the measurement data input from the receiver into data of the Laplace region;
Differentiating the Laplace transformed data p times with respect to the attenuation constant s of the Laplace region;
Underground imaging method comprising a.
모델링 파라메터로 특정되는 지하구조에 송신원으로부터 야기된 파동이 전파될 때 각 수신기에서 검출되는 모델링 데이터를 계산하는 모델링 데이터 계산 단계와;
상기 모델링 데이터 계산 단계에서 계산된 모델링 데이터와, 상기 측정 데이터 처리 단계에서 처리된 측정 데이터간의 오차에 관련되며, 라플라스 감쇄 정수 s 에 관한 미분 항을 포함하는 목적함수를 계산하는 목적함수 계산 단계와;
상기 목적함수 계산 단계에서 계산된 목적함수가 감소하는 방향으로 모델링 파라메터를 갱신하여 상기 모델링 데이터 계산 단계로 공급하여 다음 처리를 반복하도록 하는 모델링 파라메터 갱신 단계;
상기 목적함수 계산 단계에서 계산된 목적함수의 크기가 일정치 이하일 때 상기 모델링 파라메터 갱신 단계에서 계산된 모델링 파라메터를 지하구조 모델로 출력하는 지하구조 출력 단계;
를 포함하는 지하구조 영상화 방법.
15. The method of claim 13 or 14, wherein the underground modeling step
A modeling data calculation step of calculating modeling data detected at each receiver when a wave caused from a transmission source propagates in an underground structure specified by a modeling parameter;
An objective function calculation step of calculating an objective function related to an error between the modeling data calculated in the modeling data calculation step and the measurement data processed in the measurement data processing step and including a derivative term relating to the Laplace attenuation constant s;
A modeling parameter updating step of updating a modeling parameter in a direction of decreasing the objective function calculated in the objective function calculating step and supplying the modeling parameter to the modeling data calculation step to repeat the next processing;
An underground structure outputting step of outputting the modeling parameter calculated in the modeling parameter updating step as an underground structure model when the size of the objective function calculated in the objective function calculating step is equal to or less than a predetermined value;
Underground imaging method comprising a.
(Nf는 감쇄정수의 개수, Ns는 송신원의 발파(shot) 횟수, Nr은 수신기의 개수, Np는 파동장의 s에 대한 최고차 미분 차수, s는 라플라스 감쇄 정수, u 는 라플라스 영역에서의 파동장 모델링 데이터, d 는 라플라스 영역에서의 탄성파 데이터)의 수식으로 표현되는 지하구조 영상화 방법.
16. The objective function of claim 15, wherein
(N f is the number of attenuation constants, N s is the number of shots from the transmitter, N r is the number of receivers, N p is the highest differential order for s in the wave field, s is the Laplace attenuation constant, u is the Laplace region) Wave field modeling data in, d is the seismic data in the Laplace region.
상기 모델링 파라메터의 증분치를 뉴톤(Newton) 방법에 의해 역산하여 구하고, 이 증분치로 순환법(iteration method)에 의해 기존 모델링 파라메터를 갱신해나가는 지하구조 영상화 방법.
16. The method of claim 15, wherein updating the modeling parameter
The underground structure imaging method of calculating the incremental value of the modeling parameter inversely by the Newton method and updating the existing modeling parameter by the iteration method.
상기 모델링 파라메터의 증분치를 가우스-뉴톤(Gauss-Newton) 방법에 의해 역산하여 구하고, 이 증분치로 순환법(iteration method)에 의해 기존 모델링 파라메터를 갱신해나가는 지하구조 영상화 방법.
16. The method of claim 15, wherein updating the modeling parameter
An underground structure imaging method in which an incremental value of the modeling parameter is obtained by inverse calculation by a Gauss-Newton method, and the existing modeling parameter is updated by an iteration method.
상기 모델링 파라메터 갱신부는 가우스-뉴톤 방법을 적용함에 있어서 목적함수의 모델링 파라메터에 대한 그래디언트를 다음의 수식에 의해 계산하는 지하구조 영상화 방법.
(여기서 E 는 목적함수의 그래디언트, ν는 모델링 파라메터, s는 라플라스 감쇄 정수, Nf는 감쇄정수의 개수, Ns는 송신원의 발파(shot) 횟수, Nr은 수신기의 개수, Np는 파동장의 s에 대한 최고차 미분 차수, u 는 라플라스 영역에서의 파동장 모델링 데이터, d 는 라플라스 영역에서의 탄성파 데이터이다)The method of claim 18,
And the modeling parameter updating unit calculates a gradient of the modeling parameter of the objective function using the following equation in applying the Gauss-Newton method.
Where E is the gradient of the objective function, ν is the modeling parameter, s is the Laplace attenuation constant, N f is the number of attenuation constants, N s is the number of shots from the transmitter, N r is the number of receivers, and N p is the wave Highest differential order for s of field, u is wave field modeling data in the Laplace region, d is seismic data in the Laplace region)
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