KR101459388B1 - Speed information derivation method of underground - Google Patents

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KR101459388B1
KR101459388B1 KR1020140046877A KR20140046877A KR101459388B1 KR 101459388 B1 KR101459388 B1 KR 101459388B1 KR 1020140046877 A KR1020140046877 A KR 1020140046877A KR 20140046877 A KR20140046877 A KR 20140046877A KR 101459388 B1 KR101459388 B1 KR 101459388B1
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하지호
정우근
신성렬
최연진
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한국해양대학교 산학협력단
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Abstract

An objective of the present invention is to provide a method of deducing underground speed information, and more specifically to a method of deducing underground speed information, capable of rapidly and accurately deducing the speed information underground through a simple calculation process. In order to accomplish the objective of the present invention, provided is the method of deducing underground speed information, which includes: inputting an initial speed model to input an observed acoustic wave material and initial speed information (S100); creating a numeric modeling material by calculating a physical property of an underground medium based on the speed model and by estimating a sound source waveform from the observed acoustic wave material (S200); calculating an inclination direction using back-propagation based on the numeric modeling material and the observed acoustic wave material and configuring a pseudo Hessian matrix (S300); and calculating and updating the speed information using the inclination direction and the pseudo Hessian matrix (S400).

Description

지하 속도정보 도출 방법{SPEED INFORMATION DERIVATION METHOD OF UNDERGROUND}[0001] SPEED INFORMATION DERIVATION METHOD OF UNDERGROUND [0002]

본 발명은 지하 속도정보 도출 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 시간영역에서의 탄성파 파형역산에 역전파 기법과 유사 헤시안 행렬을 이용한 지하 속도정보 도출 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of deriving an underground velocity information, and more particularly, to a method of deriving an underground velocity information using a back propagation method and a pseudo Hessian matrix in the inverse of an acoustic wave waveform in a time domain.

지하에 매장된 광물이나 원유 등 지하자원을 개발하기 위해서는 많은 비용과 노력이 필요하다. 구체적으로는 직간접적인 여러 가지 방법의 지질탐사를 통해 지하자원이 매장되어 있을 가능성이 높은 지역을 찾아내고, 그 중 몇몇 지점에 대해 직접 시추 또는 간접적인 자료분석을 통해 지하자원의 유무와 매장량 등을 확인해 보는 과정을 거친다.The development of underground resources such as minerals and crude oil buried underground requires a lot of cost and effort. In particular, the geological exploration of various methods directly or indirectly finds areas where underground resources are likely to be buried, and in some of them, direct drilling or indirect data analysis is conducted to determine the presence of underground resources and reserves It goes through the process of checking.

한편, 지하자원의 유무, 위치 등은 지진파와 같은 탄성파를 사용하여 알아낼 수 있다. 즉, 인공적으로 지진파를 발생시키고, 지하매질을 통과하여 수신된 지진파 데이터를 분석함으로써 지하매질의 밀도 등을 알아낼 수 있고, 이를 통해 지하매질의 구조를 파악함으로써 지하자원의 유무, 매장 위치 등을 알아낼 수 있다. 이 과정에서 측정된 데이터와의 오차를 최소화시키는 모델링 데이터를 제공하는 지하모델을 구하는 일반적인 파형역산 알고리즘이 적용된다.On the other hand, the existence and location of underground resources can be found by using seismic waves such as seismic waves. In other words, by seismically generating seismic waves and analyzing the seismic data received through the underground medium, the density of the underground medium can be determined. Through the structure of the underground medium, the existence of underground resources and the location . In this process, a general waveform inversion algorithm for obtaining a ground model that provides modeling data that minimizes the error with the measured data is applied.

일반적으로는 실제 측정된 탄성파 데이터와, 현장 지질답사나 시추 코어 분석 등을 통해 얻어진 사전 정보를 종합해 가정한 초기 지하매질(초기모델)에 대한 모델링 데이터를 가지고 파형역산을 수행하는데, 파형역산에 필요한 여러 파라미터를 반복적으로 갱신해가면서 지하매질에 대한 지진파의 속도와 지하매질의 밀도를 함께 계산한다.Generally, waveform inversion is performed with the modeling data for the initial underground medium (initial model), which is assumed to be a combination of actual measured seismic data and preliminary information obtained through field geological survey or drill core analysis. We calculate the velocity of the seismic wave against the underground medium and the density of the underground medium together while iteratively updating the necessary parameters.

탄성파 탐사(seismic survey)는 지표나 수중에서 인위적으로 탄성파를 발생시키고, 발생된 탄성파의 전파 거동을 분석함으로써 지하 구조 및 물성을 파악할 수 있는 기법이다. 이러한 탄성파 탐사를 사용하여 지하 구조를 명확하게 파악하기 위해서는 지하 매질의 탄성파 전파속도에 대한 정보가 필수적이다.Seismic survey is a technique that can grasp underground structures and properties by artificially generating seismic waves in the surface or water and analyzing the propagation behavior of the generated seismic waves. In order to clearly understand the underground structure using such seismic waves, it is necessary to provide information on the propagation velocity of the underground medium.

지하 매질의 속도정보를 도출하기 위해서는 탄성파 파형역산 기법(full waveform inversion)이 적용되고 있다. 하지만 탄성파 파형역산을 이용한 지하 속도모델 도출에는 막대한 계산량과 효율을 요구하기 때문에 많은 제약점이 따른다. 이러한 점을 극복하기 위해 기존에는 주파수나 라플라스 영역에서 역전파 기법(back-propagation algorithm)과 유사헤시안 행렬(pseudo-Hessian matrix)을 이용하는 방법이 개발되어 왔다.In order to derive the velocity information of the underground medium, full wave form inversion is applied. However, there are many limitations in deriving subsurface velocity model using seismic wave inversion because it requires huge amount of computation and efficiency. In order to overcome this problem, a method using a back-propagation algorithm and a pseudo-Hessian matrix has been developed in the frequency domain or the Laplace domain.

그러나, 기존의 파형역산을 이용한 속도정보 도출 기술은 주파수 및 라플라스 영역에서 주로 수행되며, 이를 위하여 시간영역의 탄성파 자료를 주파수나 라플라스 영역으로 변환하는 과정이 필요하기 때문에 속도정보 도출이 지연되는 문제점이 있다.However, the speed information derivation technique using the conventional waveform inversion is mainly performed in the frequency and Laplacian domain. To solve this problem, it is necessary to convert the time domain seismic data into the frequency or Laplacian domain, have.

또한, 주파수나 라플라스 영역에서 파형역산을 수행하기 위해서는 다수의 행렬 계산이 필요하기 때문에 계산이 복잡해지는 문제점이 있다.In addition, since a large number of matrix calculations are required to perform waveform inversion in the frequency or Laplace domain, the calculation becomes complicated.

KRKR 10-056577310-0565773 B1B1 KRKR 10-121974610-1219746 B1B1 KRKR 10-131899410-1318994 B1B1 KRKR 10-129033210-1290332 B1B1

앞선 배경기술에서 도출된 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 간단한 계산으로 신속하고 정확한 지하의 속도정보를 도출할 수 있도록 하는 방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method for quickly and accurately extracting underground speed information by simple calculation.

상기한 목적은, 본 발명의 실시예에 따라, 탄성파를 이용한 지하 속도정보 도출 방법에 있어서, (S100) 관측 탄성파 자료와 초기 속도정보를 입력하기 위한 초기 속도모델을 입력하는 단계와; (S200) 상기 속도모델을 바탕으로 지하매질의 물성을 계산하고 상기 관측 탄성파 자료로부터 음원 파형을 추정하여 수치 모델링 자료를 생성하는 단계와; (S300) 상기 수치 모델링 자료와 상기 관측 탄성파 자료를 바탕으로 역전파를 이용하여 경사방향을 계산하고 유사 헤시안 행렬을 구성하는 단계; 및 (S400) 상기 경사방향과 유사 헤시안 행렬을 사용하여 속도정보를 계산하고 업데이트하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 지하 속도정보 도출 방법에 의해 달성된다.According to an embodiment of the present invention, there is provided a method of deriving an underground velocity using an acoustic wave, the method comprising: inputting an initial velocity model for inputting an observed velocity and an initial velocity information; (S200) calculating a physical property of the underground medium based on the velocity model and generating a numerical modeling data by estimating a sound source waveform from the observed acoustic wave data; (S300) calculating a slant direction using back propagation based on the numerical modeling data and the observed seismic wave data, and constructing a pseudo Hessian matrix; And (S400) calculating and updating the velocity information using the slant direction and a pseudo-Hessian matrix.

바람직하게는, 상기 (S100)단계에서 관측 탄성파 자료는 시간영역으로 취득되는 것을 특징으로 한다.Preferably, in step (S100), the observed acoustic wave data is acquired in a time domain.

바람직하게는, 상기 (S100)단계에서 초기 속도모델은 임의의 값으로 설정된 지하매질의 P파 속도정보인 것을 특징으로 한다.Preferably, in the step (S100), the initial velocity model is P wave velocity information of an underground medium set to an arbitrary value.

바람직하게는, 상기 (S200)단계에서 상기 지하매질의 물성은 상기 P파 속도정보를 바탕으로 라메상수를 이용하여 지하매질의 물성을 계산하는 것을 특징으로 한다.Preferably, in step S200, the physical properties of the underground medium are calculated using the Lame constant based on the P wave velocity information.

바람직하게는, 상기 (S200)단계에서 상기 음원 파형은 디콘볼루션하여 다음의 수학식 Preferably, in step (S200), the sound source waveform is deconvoluted,

Figure 112014037315064-pat00001
(여기서, O(t)는 관측데이터, G(t)는 그린함수(green function), S(t)는 음원 파형을 나타낸다.)
Figure 112014037315064-pat00001
(T) is the observation function, G (t) is the green function, and S (t) is the sound source waveform.

을 바탕으로 상기 관측 탄성파 자료로부터 도출하는 것을 특징으로 한다.Based on the observed seismic wave data.

바람직하게는, 상기 (S200)단계에서 수치 모델링 자료는 시간영역에서 생성되며, 다음의 수학식 Preferably, in step (S200), the numerical modeling data is generated in the time domain,

Figure 112014037315064-pat00002
Figure 112014037315064-pat00002

Figure 112014037315064-pat00003
Figure 112014037315064-pat00003

Figure 112014037315064-pat00004
Figure 112014037315064-pat00004

Figure 112014037315064-pat00005
Figure 112014037315064-pat00005

Figure 112014037315064-pat00006
(여기서, vx,vz는 속도, τik(i,k=x,z)는 응력, fx,fz는 실제파에 의한 음원이며, rik(i,k=x,z)는 인장력에 의한 음원이다.)
Figure 112014037315064-pat00006
(Wherein, v x, v z is the speed, τ ik (i, k = x, z) is the stress, f x, f z is the source of the actual wave, r ik (i, k = x, z) is a It is a sound source by tensile force.)

의 속도와 응력과의 관계를 바탕으로 계산되는 것을 특징으로 한다.Is calculated on the basis of the relationship between the velocity and the stress.

바람직하게는, 상기 (S200)단계에서 수치 모델링 자료 생성은 엇격자 유한차분법을 이용하여 수치해석하는 것을 특징으로 한다.Preferably, in step (S200), numerical modeling data generation is performed by using a lattice finite difference method.

바람직하게는, 상기 (S300)단계는, (S320) 상기 수치 모델링 자료와 상기 관측 탄성파 자료를 바탕으로 역전파된 파동장을 계산하는 단계와,Preferably, the step (S300) includes the steps of (S320) calculating a back propagated wave field based on the numerical modeling data and the observed seismic wave data,

(S340) 다음의 수학식 (S340) The following equation

Figure 112014037315064-pat00007
Figure 112014037315064-pat00007

Figure 112014037315064-pat00008
(여기서, 가상음원은
Figure 112014037315064-pat00009
항과
Figure 112014037315064-pat00010
항이다.)
Figure 112014037315064-pat00008
(Here, the virtual sound source is
Figure 112014037315064-pat00009
Section
Figure 112014037315064-pat00010
.

을 이용하여 가상음원 벡터를 생성하는 단계와,Generating a virtual sound source vector using the virtual sound source vector,

(S360) 상기 파동장과 상기 가상음원 벡터를 이용하여 다음의 수학식 (S360) Using the wave field and the virtual sound source vector, the following equation

Figure 112014037315064-pat00011
(여기서,
Figure 112014037315064-pat00012
은 영 지연 상호상관(zero-lag cross-correlation)을 나타낸다.)
Figure 112014037315064-pat00011
(here,
Figure 112014037315064-pat00012
Indicates a zero-lag cross-correlation.

과 같이 경사방향과 유사 헤시안 행렬을 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.And obtaining a similar Hessian matrix to the slope direction as shown in FIG.

바람직하게는, 상기 (S320)단계에서 역전파된 파동장은 다음의 수학식 Preferably, the wave length back propagated in the step (S320) is expressed by the following equation

Figure 112014037315064-pat00013
(여기서, B(t)가 역전파된 파동장이며,T는 총 기록 시간, t는 시간 단계이다. )
Figure 112014037315064-pat00013
(Where B (t) is the wave field back propagated, T is the total recording time, and t is the time step).

와 같이 상기 관측 탄성파 자료와 상기 수치 모델링 자료의 잔차(residual)로 구하는 것을 특징으로 한다.And is obtained as the residual of the observed acoustic wave data and the numerical modeling data.

바람직하게는, 상기 (S400)단계에서는 다음의 수학식 Preferably, in the step (S400), the following equation

Figure 112014037315064-pat00014
Figure 112014037315064-pat00014

(여기서, V=[V,V,…,V]이며, Vn은 n번째 격자점에서의 가상음원벡터이고, pi는 i번째 반복계산 단계이며, s는 속도 변화값이며, ns는 음원의 개수, w는 화이트노이즈이다.)(Wherein, a V ★ = [V, V, ..., V], and V n is a virtual sound source in the n-th lattice point vector, and p i is a step of calculating the i-th repetition, s is the speed change value, ns is Number of sound sources, w is white noise.)

와 같이 속도정보가 업데이트되는 것을 특징으로 한다.The speed information is updated as shown in FIG.

상기한 실시예에 따른 본 발명에 의하면, 시간영역에서의 탄성파 파형역산을 통하여 신속하고 정확한 지하의 속도정보를 도출할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, it is possible to quickly and accurately derive the underground velocity information through the inverse of the acoustic wave waveform in the time domain.

또한, 시간영역에서의 탄성파 파형역산에 역전파 기법과 유사 헤시안 행렬을 같이 적용함으로써 간단한 계산으로 지하 속도모델 도출이 가능한 효과가 있다.In addition, applying the back propagation method and the pseudo Hessian matrix to the inverse of the acoustic wave in the time domain has the effect of deriving the underground velocity model by simple calculation.

도1은 본 발명의 실시예에 따른 지하 속도정보 도출 방법을 설명하기 위한 순서도이고,
도2는 도1의 (S200)단계를 구체적으로 설명하는 블록도이고,
도3은 도1의 (S300)단계를 구체적으로 설명하는 블록도이고,
도4는 본 발명의 실시예에 따른 marmousi2 모델을 나타내는 그래프이고,
도5는 본 발명의 실시예에 따른 초기 속도모델을 나타내는 그래프이고,
도6은 본 발명의 실시예에 따른 파형역산된 속도모델을 나타내는 그래프이고,
도7은 본 발명의 실시예에 따른 음원 추정 결과를 나타내는 그래프이고,
도8은 본 발명의 실시예에 따른 marmousi2 모델에서 생성한 탄성파 신호를 나타내는 그래프이고,
도9는 본 발명의 실시예에 따른 파형역산된 속도모델에서 생성한 탄성파 신호를 나타내는 그래프이다.
1 is a flowchart for explaining a method of deriving an underground speed information according to an embodiment of the present invention,
FIG. 2 is a block diagram specifically explaining the step S200 of FIG. 1,
3 is a block diagram specifically explaining the step S300 of FIG. 1,
4 is a graph showing a marmousi2 model according to an embodiment of the present invention,
5 is a graph illustrating an initial velocity model according to an embodiment of the present invention,
FIG. 6 is a graph illustrating a waveform inversed velocity model according to an embodiment of the present invention,
7 is a graph illustrating a result of sound source estimation according to an embodiment of the present invention,
8 is a graph showing an acoustic wave signal generated in a marmousi2 model according to an embodiment of the present invention,
9 is a graph showing an acoustic wave signal generated in a waveform-inversed velocity model according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 한편, 해당 기술분야의 통상적인 지식을 가진자로부터 용이하게 알 수 있는 구성과 그에 대한 작용 및 효과에 대한 도시 및 상세한 설명은 간략히 하거나 생략하고 본 발명과 관련된 부분들을 중심으로 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Brief Description of Drawings FIG. 1 is a block diagram of a computer system according to an embodiment of the present invention; FIG. 2 is a block diagram of a computer system according to an embodiment of the present invention; FIG.

본 발명을 상세히 설명하기에 앞서 본 발명을 뒷받침하면서 더욱 구체화하고 기술적 요지를 특정하기 위한 기법과 수학식을 먼저 기술하도록 한다.Before describing the present invention in detail, the present invention will be described in further detail with reference to the accompanying drawings.

1) 시간영역에서의 역전파 기법과 유사 헤시안 행렬1) Similar to the back propagation technique in time domain, Hessian matrix

시간영역에서 파형역산을 위한 목적함수는 다음의 수학식1과 같이 표현된다.The objective function for waveform inversion in the time domain is expressed as Equation 1 below.

Figure 112014037315064-pat00015
Figure 112014037315064-pat00015

여기서, E(p)는 목적함수, vo는 현장에서 취득된 탄성파 데이터이며 vc는 임의로 가정한 속도모델로부터 모델링된 데이터를 의미한다.Here, E (p) is the objective function, v o is the seismic data acquired in the field, and v c is the data modeled from the arbitrarily assumed velocity model.

목적함수를 최소화하는 속도모델을 구하기 위해 속도에 대한 경사방향은 수학식1을 속도에 대하여 미분함으로써 아래의 수학식2와 같이 표현된다.In order to obtain a velocity model that minimizes the objective function, the slope direction with respect to velocity is expressed as Equation (2) by differentiating Equation (1) with respect to velocity.

Figure 112014037315064-pat00016
Figure 112014037315064-pat00016

여기서,

Figure 112014037315064-pat00017
는 편미분 파동장을 나타낸다.here,
Figure 112014037315064-pat00017
Indicates a partial derivative wave field.

그리고, 편미분 파동장은 그린함수(green function)와 가상음원의 콘볼루션(convolution)으로 아래의 수학식3과 같이 나타내며, 역시간 구조보정에서 역전파된 파동장은 아래의 수학식4와 같이 나타낸다.The partial wave length field is expressed by the following equation (3) as a green function and a convolution of a virtual sound source, and a backward propagated wave field in the inverse time structure correction is expressed by Equation (4) below.

Figure 112014037315064-pat00018
Figure 112014037315064-pat00018

Figure 112014037315064-pat00019
Figure 112014037315064-pat00019

여기서, G는 그린함수이며, V는 가상음원벡터, *는 콘볼루션 연산자이며, d(T-t)는 관측 데이터이다.Here, G is a green function, V is a virtual sound source vector, * is a convolution operator, and d (T-t) is observation data.

파형역산에 적용하기 위해 수학식4의 d(T-t)를 vo와 vc의 차이인 잔차(residual)로 대체하여 아래의 수학식5와 같이 다시 나타낼 수 있다.To apply to the waveform inversion, d (Tt) in Equation (4) can be rewritten as the following Equation (5) by replacing with residual which is the difference between v o and v c .

Figure 112014037315064-pat00020
Figure 112014037315064-pat00020

여기서, B(t)가 역전파된 파동장이며,T는 총 기록 시간, t는 시간 단계(time step)이다. Where B (t) is the wave field back propagated, T is the total recording time, and t is the time step.

수학식2에 수학식3을 적용하여 전개하면 아래의 수학식6과 같이 표현된다.When the equation (3) is applied to the equation (2), it is expressed as the following equation (6).

Figure 112014037315064-pat00021
Figure 112014037315064-pat00021

수학식6에 수학식5에서 정의한 역전파된 파동장을 적용하면 경사방향은 아래의 수학식7과 같이 표현가능하다.When the back propagated wave field defined by Equation (5) is applied to Equation (6), the oblique direction can be expressed as Equation (7) below.

Figure 112014037315064-pat00022
Figure 112014037315064-pat00022

여기서,

Figure 112014037315064-pat00023
은 영 지연 상호상관(zero-lag cross-correlation)을 나타낸다.here,
Figure 112014037315064-pat00023
Represents a zero-lag cross-correlation.

목적함수를 구하기 위해 모든 격자 지점에서의 경사방향은 아래의 수학식8과 같이 표현된다.In order to obtain the objective function, the direction of inclination at every lattice point is expressed by Equation (8) below.

Figure 112014037315064-pat00024
Figure 112014037315064-pat00024

여기서, V=[V,V,…,V]이며, Vn은 n번째 격자점에서의 가상음원벡터이다. 이처럼 가상음원벡터를 이용하여 유사 헤시안 행렬의 대각 성분만을 이용함으로써 최대 급경사 방향을 구성할 수 있다.Here, V * = [V, V, ... , V], and V n is a virtual sound source vector at the nth lattice point. By using only the diagonal elements of the pseudo Hessian matrix using the virtual sound source vector, the maximum steepening direction can be constructed.

따라서 위와 같이 역전파 기법과 유사 헤시안 행렬을 사용하여 아래의 수학식9와 같이 속도 값을 업데이트 할 수 있다.Therefore, the velocity value can be updated as shown in Equation (9) below using the back propagation method and the similar Hessian matrix.

Figure 112014037315064-pat00025
Figure 112014037315064-pat00025

여기서, pi는 i번째 반복계산 단계이며, s는 속도 변화값이며, ns는 음원의 개수, w는 화이트노이즈를 의미한다.Here, p i is an i-th iterative calculation step, s is a velocity change value, ns is the number of sound sources, and w is white noise.

2) 2차원 엇격자 모델링 기법을 이용한 가상음원 벡터2) Virtual sound source vector using 2-dimensional lattice modeling

본 발명에서 가상음원 벡터는 2차원 시간영역 엇격자 모델링 기법을 바탕으로 구성된다. 시간영역에서 속도와 응력 간의 관계는 아래의 수학식10, 수학식11, 수학식12, 수학식13, 수학식14와 같이 나타낼 수 있다.In the present invention, a virtual sound source vector is constructed based on a two-dimensional time-domain excitation-lattice modeling technique. The relationship between the velocity and the stress in the time domain can be expressed by Equation (10), Equation (11), Equation (12), Equation (13), Equation (14).

Figure 112014037315064-pat00026
Figure 112014037315064-pat00026

Figure 112014037315064-pat00027
Figure 112014037315064-pat00027

Figure 112014037315064-pat00028
Figure 112014037315064-pat00028

Figure 112014037315064-pat00029
Figure 112014037315064-pat00029

Figure 112014037315064-pat00030
Figure 112014037315064-pat00030

여기서, vx,vz는 속도, τik(i,k=x,z)는 응력, fx,fz는 실제파에 의한 음원이며, rik(i,k=x,z)는 인장력에 의한 음원이다.Here, v x, v z is the speed, τ ik (i, k = x, z) is the stress, f x, f z is the source of the actual wave, r ik (i, k = x, z) is a tensile force .

가상음원은 각 물성 변수에 대한 파동장의 편미분을 통해 나타낼 수 있다. 이에 본 발명에서는 수학식10 내지 수학식14를 라메 상수 중 람다(λ)에 대해 편미분하여 아래의 수학식15, 수학식16과 같이 나타낼 수 있다.The virtual sound source can be represented by the partial derivative of the wave field for each property variable. Accordingly, in the present invention, Equations (10) to (14) can be partially differentiated with respect to lambda (?) In the Lame constant and can be expressed as Equations (15) and (16) below.

Figure 112014037315064-pat00031
Figure 112014037315064-pat00031

Figure 112014037315064-pat00032
Figure 112014037315064-pat00032

여기서, 가상음원은

Figure 112014037315064-pat00033
항과
Figure 112014037315064-pat00034
항이다.Here, the virtual sound source
Figure 112014037315064-pat00033
Section
Figure 112014037315064-pat00034
Respectively.

3) 시간영역에서의 음원 추정3) Sound source estimation in time domain

탄성파 파형역산을 위해 디콘볼루션(deconvolution) 방법을 사용하여 탄성파 음원 파형을 구한다. 탄성파 관측 데이터는 아래의 수학식 17과 같이 표현 가능하다.A seismic wave source waveform is obtained by using a deconvolution method for inversion of an acoustic wave waveform. The elastic wave observation data can be expressed by the following Equation (17).

Figure 112014037315064-pat00035
Figure 112014037315064-pat00035

여기서, O(t)는 관측 데이터, G(t)는 그린함수, S(t)는 음원 파형을 나타낸다. 음원 파형을 구하기 위해 최소 자승 디콘볼루션 방법을 적용하면 최소 자승 오차는 아래의 수학식18과 같이 표현된다.Here, O (t) denotes observation data, G (t) denotes a green function, and S (t) denotes a sound source waveform. When the least squares deconvolution method is applied to obtain the sound source waveform, the least squared error is expressed by Equation (18) below.

Figure 112014037315064-pat00036
Figure 112014037315064-pat00036

음원 파형을 계산하기 위해 최소 자승 오차를 소스에 관해 편미분 하게 되면, 그린함수와 관측값의 교차상관과 그린함수의 자기상관으로 나타난다. 이를 테플리츠 행렬의 특성을 이용한 레빈슨 알고리즘을 통해 음원파형을 추정할 수 있다.When the least squares error is differentiated with respect to the source in order to calculate the sound source waveform, the cross correlation between the green function and the observation value and the autocorrelation of the green function are shown. It is possible to estimate the sound source waveform using the Levinson algorithm using the characteristics of the triplet matrix.

이하, 상술한 수학식을 바탕으로 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 수행을 위한 상세한 내용을 기술하기로 한다.Hereinafter, detailed description will be made for the performance of the present invention with reference to the accompanying drawings based on the above-mentioned equations.

본 발명의 실시예에 따른 지하 속도정보 도출 방법은, 도1에 도시된 바와 같이, (S100) 자료를 입력하는 단계와, (S200) 수치 모델링 자료를 생성하는 단계와, (S300) 경사방향 계산 및 유사 헤시안 행렬을 생성하는 단계와, (S400) 속도정보를 계산하고 업데이트하는 단계를 포함한다.As shown in FIG. 1, a method of deriving an underground velocity information according to an embodiment of the present invention includes inputting data at step S100, generating a numerical modeling data at step S200, And generating a pseudo Hessian matrix (S400), and calculating and updating the velocity information.

먼저, 상기 (S100)단계에 대해 설명하도록 한다.First, the step (S100) will be described.

상기 (S100)단계는 관측 탄성파 자료와 초기 속도정보를 입력하기 위한 초기 속도모델을 입력한다. 여기서, 상기 관측 탄성파 자료는 시간영역으로 취득되는 것이 바람직하다. 그리고, 초기 속도모델은 임의의 값으로 설정된 지하매질의 P파 속도정보로서 크기 및 속도 값은 탐사 환경 및 지하매질의 특성을 고려하여 생성한다. 상기 P파(Primary wave)는 지구 내부를 지나는 실체파(body wave) 중 지진게에 가장 먼저 기록되는 파이며, 당업자에게는 주지의 지식에 해당하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.In operation S100, an initial velocity model for inputting the observed seismic wave data and the initial velocity information is input. Here, it is preferable that the observed acoustic wave data is acquired in a time domain. And, the initial velocity model is P wave velocity information of underground medium set to arbitrary value, and magnitude and velocity values are generated considering characteristics of exploration environment and underground medium. The P wave is a wave recorded first in the earthquake of the body wave passing through the inside of the earth, and it is well known to those skilled in the art, and thus a detailed description thereof will be omitted.

다음으로, 상기 (S200)단계에 대해 설명하도록 한다.Next, the step (S200) will be described.

상기 (S200)단계는, 도2에 상세 도시된 바와 같이, 상기 속도모델을 바탕으로 지하매질의 물성을 계산하고 상기 관측 탄성파 자료로부터 음원 파형을 추정하여 수치 모델링 자료를 생성한다.2, the physical property of the underground medium is calculated based on the velocity model, and a numerical modeling data is generated by estimating a sound source waveform from the observed acoustic wave data.

여기서, 상기 지하매질의 물성은 상기 P파 속도정보를 바탕으로 라메상수를 이용하여 지하매질의 물성을 계산하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 라메상수는 아래의 수학식19에 의해 P파 속도, S파 속도, 밀도에 의해서 계산되며, S파 속도와 밀도는 고정된 상수값을 사용한다.Here, it is preferable to calculate the physical properties of the underground medium using the Lame constant based on the P wave velocity information. At this time, the Lame constant is calculated by P wave velocity, S wave velocity and density according to the following equation (19), and S wave velocity and density are fixed constant values.

Figure 112014037315064-pat00037
Figure 112014037315064-pat00037

한편, 상기 음원 파형은 디콘볼루션하여 수학식18을 바탕으로 상기 관측 탄성파 자료로부터 도출하며, 계산된 지하매질의 물성과 추정된 음원을 사용하여 수치 모델링 자료를 생성한다.On the other hand, the sound source waveform is deconvoluted and derived from the observed acoustic wave data based on Equation (18), and the numerical modeling data is generated by using the calculated properties of the underground medium and the estimated sound source.

그리고, 상기 수치 모델링 자료는 시간영역에서 생성되며, 수학식10 내지 수학식14의 속도와 응력과의 관계를 바탕으로 계산된다. 여기서, 수치 모델링 자료 생성은 엇격자 유한차분법을 이용하여 수치해석하는 것을 특징으로 한다.The numerical modeling data is generated in the time domain and is calculated on the basis of the relationship between the velocities and the stresses in Equations (10) to (14). Here, the numerical modeling data generation is characterized by numerical analysis using a lattice finite difference method.

다음으로, 상기 (S300)단계에 대해 설명하도록 한다.Next, the step (S300) will be described.

상기 (S300)단계는 상기 수치 모델링 자료와 상기 관측 탄성파 자료를 바탕으로 역전파를 이용하여 경사방향을 계산하고 유사 헤시안 행렬을 구성한다.In step S300, the gradient direction is calculated using the back propagation based on the numerical modeling data and the observed seismic data, and a pseudo Hessian matrix is constructed.

여기서, 상기 (S300)단계는, 도3에 상세 도시된 바와 같이, (S320) 상기 수치 모델링 자료와 상기 관측 탄성파 자료를 바탕으로 역전파된 파동장을 계산하는 단계와, (S340) 수학식15와 수학식16을 이용하여 가상음원 벡터를 생성하는 단계와, (S360) 상기 파동장과 상기 가상음원 벡터를 이용하여 수학식7과 같이 경사방향과 유사 헤시안 행렬을 구하는 단계를 포함한다.3, the step S300 includes calculating a backward propagation wave field based on the numerical modeling data and the observed seismic wave data S340, And generating a virtual sound source vector using Equation (16); and (S360) calculating a slanting direction and a pseudo Hessian matrix using Equation (7) using the wave field and the virtual sound source vector.

한편, 상기 (S320)단계에서 역전파된 파동장은 수학식5와 같이 상기 관측 탄성파 자료와 상기 수치 모델링 자료의 잔차(residual)로 구할 수 있다.Meanwhile, the wave field back propagated in step S320 can be obtained as a residual of the observed acoustic wave data and the numerical modeling data as shown in Equation (5).

다음으로, 상기 (S400)단계에 대해 설명하도록 한다.Next, the step (S400) will be described.

상기 (S400)단계는 상기 경사방향과 유사 헤시안 행렬을 사용하여 속도정보를 계산하고 업데이트한다.In operation S400, the velocity information is calculated and updated using the slanting direction and a similar Hessian matrix.

여기서, 상기 (S400)단계에서는 수학식9와 같이 경사방향과 유사 헤시안 행렬을 사용함으로써 속도정보가 업데이트할 수 있다.Here, in step S400, the velocity information may be updated by using a pseudo-Hessian matrix similar to the slant direction as in Equation (9).

한편, 지금까지 설명한 본 발명의 실시예에 따른 수행 단계는 초기 설정된 반복횟수에 도달할 때까지 반복적으로 수행된다.Meanwhile, the execution step according to the embodiment of the present invention described above is repeatedly performed until the initial set repetition number is reached.

상술한 본 발명은, 실시예를 위해 우선 도4와 같은 marmousi2 속도모델을 대상으로 탄성파 자료를 생성하며, 실제 속도모델을 평활하하여 도5와 같이 초기 속도모델을 생성한다. 생성된 탄성파 자료와 초기 속도모델을 이용하여 본 발명을 수행한다.In the above-described embodiment of the present invention, first, the seismic wave data is generated for the marmousi2 velocity model as shown in FIG. 4, and the initial velocity model is generated as shown in FIG. 5 by smoothing the actual velocity model. The generated seismic wave data and the initial velocity model are used to carry out the present invention.

실시예의 결과를 살펴보면 파형역산 결과는 도6과 같으며 음원추정 결과는 도7과 같다. 도7을 살펴보면 실제 음원파형과 역산된 음원파형이 거의 일치함을 알 수 있다. 역산결과인 도6과 실제 속도모델인 도4를 비교하여 보면 두 결과가 거의 비슷함을 알 수 있다. 이를 자세히 살펴보기 위해 도8과 같이 marmousi2 모델을 대상으로 인공 탄성파 자료를 생성하고, 도9와 같이 역산된 속도모델을 대상으로 인공 탄성파 자료를 생성한다. 도8과 도9를 비교하여 보면 두 자료가 거의 일치함을 알 수 있다. 본 발명의 실시예를 위해 적용한 marmousi2 모델은 관련 연구 및 기술을 검증하기 위해 해당 기술분야에서 널리 활용되는 모델로써 본 실시예의 결과를 통하여 본 발명의 성능 확인 및 신뢰성 확보가 가능하다.The waveform inversion results are shown in FIG. 6, and the result of the sound source estimation is shown in FIG. Referring to FIG. 7, it can be seen that the actual sound source waveform and the sound source waveform inversely matched each other. Figure 6, which is the inversion result, and Figure 4, the actual speed model, show that the two results are almost similar. 8, the artificial seismic data is generated using the marmousi2 model and the artificial seismic data is generated using the inversed velocity model as shown in FIG. Comparing FIG. 8 and FIG. 9, it can be seen that the two data are almost identical. The marmousi2 model applied to the embodiment of the present invention is widely used in the related art to verify related research and technology, and it is possible to confirm the performance and to secure the reliability of the present invention through the results of the present embodiment.

지금까지 설명한 본 발명의 실시예에 따른 지하 속도정보 도출 방법에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.According to the above-described method of deriving the underground speed information according to the embodiment of the present invention, the following effects can be obtained.

첫째, 시간영역에서의 탄성파 파형역산을 통해 신속하고 정확한 지하의 속도정보 도출이 가능하다.First, it is possible to derive velocity information accurately and quickly through the inversion of seismic waves in time domain.

둘째, 시간영역에서의 탄성파 파형역산에 역전파 기법과 유사 헤시안 행렬을 같이 적용함으로써 간단한 계산으로 지하 속도모델 도출이 가능하다.Second, it is possible to derive subsurface velocity model by simple calculation by applying the back propagation method and the similar Hessian matrix to the inverse of the seismic wave in the time domain.

셋째, 지구물리 분야에서의 지하 물성 분석, 지하 구조 영상화에 활용이 가능하다.Thirdly, it can be applied to the analysis of underground physical properties in geophysical field and to visualization of underground structures.

넷째, 지반조사, 지진연구, 비파괴 조사, 유적지 탐사 등의 관련 분야 적용이 가능하다.Fourth, it can be applied to the related fields such as ground survey, seismic survey, nondestructive survey, and historical site exploration.

전술한 내용은 후술할 발명의 청구범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 상술하였다. 상술한 실시예들은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상의 범위에서 다양한 수정 및 변경이 가능할 것이다. 이러한 다양한 수정 및 변경 또한 본 발명의 기술적 사상의 범위 내라면 하기에서 기술되는 본 발명의 청구범위에 속한다 할 것이다.The foregoing has outlined rather broadly the features and technical advantages of the present invention in order that the claims of the invention to be described below may be better understood. The embodiments described above are susceptible to various modifications and changes within the technical scope of the present invention by those skilled in the art. These various modifications and changes are also within the scope of the technical idea of the present invention and will be included in the claims of the present invention described below.

Claims (10)

탄성파를 이용한 지하 속도정보 도출 방법에 있어서,
(S100) 관측 탄성파 자료와 초기 속도정보를 입력하기 위한 초기 속도모델을 입력하는 단계;
(S200) 상기 속도모델을 바탕으로 지하매질의 물성을 계산하고 상기 관측 탄성파 자료로부터 음원 파형을 추정하여 수치 모델링 자료를 생성하는 단계;
(S300) 상기 수치 모델링 자료와 상기 관측 탄성파 자료를 바탕으로 역전파를 이용하여 경사방향을 계산하고 유사 헤시안 행렬을 구성하는 단계; 및
(S400) 상기 경사방향과 유사 헤시안 행렬을 사용하여 속도정보를 계산하고 업데이트하는 단계;를 포함하되,
상기 (S200)단계에서 수치 모델링 자료는 시간영역에서 생성되며,
다음의 수학식
Figure 112014064411601-pat00061

Figure 112014064411601-pat00062

Figure 112014064411601-pat00063

Figure 112014064411601-pat00064

Figure 112014064411601-pat00065
(여기서, vx,vz는 속도, τik(i,k=x,z)는 응력, fx,fz는 실제파에 의한 음원이며, rik(i,k=x,z)는 인장력에 의한 음원이다.)
의 속도와 응력과의 관계를 바탕으로 계산되는 것을 특징으로 하는 지하 속도정보 도출 방법.
A method for deriving an underground velocity information using an acoustic wave,
(S100) inputting an initial velocity model for inputting the observed acoustic wave data and the initial velocity information;
(S200) calculating a physical property of the underground medium based on the velocity model and generating a numerical modeling data by estimating a sound source waveform from the observed acoustic wave data;
(S300) calculating a slant direction using back propagation based on the numerical modeling data and the observed seismic wave data, and constructing a pseudo Hessian matrix; And
(S400) calculating and updating the velocity information using the slant direction and a pseudo-Hessian matrix,
In step S200, the numerical modeling data is generated in the time domain,
The following equation
Figure 112014064411601-pat00061

Figure 112014064411601-pat00062

Figure 112014064411601-pat00063

Figure 112014064411601-pat00064

Figure 112014064411601-pat00065
(Wherein, v x, v z is the speed, τ ik (i, k = x, z) is the stress, f x, f z is the source of the actual wave, r ik (i, k = x, z) is a It is a sound source by tensile force.)
Wherein the calculation is based on the relationship between the velocity and the stress of the ground.
제1항에 있어서,
상기 (S100)단계에서 관측 탄성파 자료는 시간영역으로 취득되는 것을 특징으로 하는 지하 속도정보 도출 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the observed seismic wave data is acquired in a time domain in step (S100).
제1항에 있어서,
상기 (S100)단계에서 초기 속도모델은 임의의 값으로 설정된 지하매질의 P파 속도정보인 것을 특징으로 하는 지하 속도정보 도출 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the initial velocity model in the step (S100) is P wave velocity information of an underground medium set to an arbitrary value.
제3항에 있어서,
상기 (S200)단계에서 상기 지하매질의 물성은 상기 P파 속도정보를 바탕으로 라메상수를 이용하여 지하매질의 물성을 계산하는 것을 특징으로 하는 지하 속도정보 도출 방법.
The method of claim 3,
Wherein the physical properties of the underground medium are calculated using the Lame constant based on the P wave velocity information in step S200.
제1항에 있어서,
상기 (S200)단계에서 상기 음원 파형은 디콘볼루션하여 다음의 수학식
Figure 112014037315064-pat00038
(여기서, O(t)는 관측데이터, G(t)는 그린함수(green function), S(t)는 음원 파형을 나타낸다.)
을 바탕으로 상기 관측 탄성파 자료로부터 도출하는 것을 특징으로 하는 지하 속도정보 도출 방법.
The method according to claim 1,
In step S200, the sound source waveform is deconvoluted,
Figure 112014037315064-pat00038
(T) is the observation function, G (t) is the green function, and S (t) is the sound source waveform.
And deriving from the observed seismic wave data based on the measured data.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 (S200)단계에서 수치 모델링 자료 생성은 엇격자 유한차분법을 이용하여 수치해석하는 것을 특징으로 하는 지하 속도정보 도출 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the generation of the numerical modeling data is performed by using a lattice finite difference method in the step (S200).
탄성파를 이용한 지하 속도정보 도출 방법에 있어서,
(S100) 관측 탄성파 자료와 초기 속도정보를 입력하기 위한 초기 속도모델을 입력하는 단계;
(S200) 상기 속도모델을 바탕으로 지하매질의 물성을 계산하고 상기 관측 탄성파 자료로부터 음원 파형을 추정하여 수치 모델링 자료를 생성하는 단계;
(S300) 상기 수치 모델링 자료와 상기 관측 탄성파 자료를 바탕으로 역전파를 이용하여 경사방향을 계산하고 유사 헤시안 행렬을 구성하는 단계; 및
(S400) 상기 경사방향과 유사 헤시안 행렬을 사용하여 속도정보를 계산하고 업데이트하는 단계;를 포함하되,
상기 (S300)단계는,
(S320) 상기 수치 모델링 자료와 상기 관측 탄성파 자료를 바탕으로 역전파된 파동장을 계산하는 단계와,
(S340) 다음의 수학식
Figure 112014064411601-pat00044

Figure 112014064411601-pat00045
(여기서, 가상음원은
Figure 112014064411601-pat00046
항과
Figure 112014064411601-pat00047
항이다.)
을 이용하여 가상음원 벡터를 생성하는 단계와,
(S360) 상기 파동장과 상기 가상음원 벡터를 이용하여 다음의 수학식
Figure 112014064411601-pat00048
(여기서,
Figure 112014064411601-pat00049
은 영 지연 상호상관(zero-lag cross-correlation)을 나타낸다.)
과 같이 경사방향과 유사 헤시안 행렬을 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 지하 속도정보 도출 방법.
A method for deriving an underground velocity information using an acoustic wave,
(S100) inputting an initial velocity model for inputting the observed acoustic wave data and the initial velocity information;
(S200) calculating a physical property of the underground medium based on the velocity model and generating a numerical modeling data by estimating a sound source waveform from the observed acoustic wave data;
(S300) calculating a slant direction using back propagation based on the numerical modeling data and the observed seismic wave data, and constructing a pseudo Hessian matrix; And
(S400) calculating and updating the velocity information using the slant direction and a pseudo-Hessian matrix,
The step (S300)
(S320) calculating a back propagated wave field based on the numerical modeling data and the observed seismic wave data;
(S340) The following equation
Figure 112014064411601-pat00044

Figure 112014064411601-pat00045
(Here, the virtual sound source is
Figure 112014064411601-pat00046
Section
Figure 112014064411601-pat00047
.
Generating a virtual sound source vector using the virtual sound source vector,
(S360) Using the wave field and the virtual sound source vector, the following equation
Figure 112014064411601-pat00048
(here,
Figure 112014064411601-pat00049
Indicates a zero-lag cross-correlation.
And obtaining a similar Hessian matrix to the slope direction as shown in FIG.
제8항에 있어서,
상기 (S320)단계에서 역전파된 파동장은 다음의 수학식
Figure 112014037315064-pat00050
(여기서, B(t)가 역전파된 파동장이며,T는 총 기록 시간, t는 시간 단계이다. )
와 같이 상기 관측 탄성파 자료와 상기 수치 모델링 자료의 잔차(residual)로 구하는 것을 특징으로 하는 지하 속도정보 도출 방법.
9. The method of claim 8,
The wave field back propagated in the above step (S320)
Figure 112014037315064-pat00050
(Where B (t) is the wave field back propagated, T is the total recording time, and t is the time step).
And calculating the residual velocity of the observed acoustic wave and the numerical modeling data.
탄성파를 이용한 지하 속도정보 도출 방법에 있어서,
(S100) 관측 탄성파 자료와 초기 속도정보를 입력하기 위한 초기 속도모델을 입력하는 단계;
(S200) 상기 속도모델을 바탕으로 지하매질의 물성을 계산하고 상기 관측 탄성파 자료로부터 음원 파형을 추정하여 수치 모델링 자료를 생성하는 단계;
(S300) 상기 수치 모델링 자료와 상기 관측 탄성파 자료를 바탕으로 역전파를 이용하여 경사방향을 계산하고 유사 헤시안 행렬을 구성하는 단계; 및
(S400) 상기 경사방향과 유사 헤시안 행렬을 사용하여 속도정보를 계산하고 업데이트하는 단계;를 포함하되,
상기 (S400)단계에서는 다음의 수학식
Figure 112014064411601-pat00051

(여기서, V=[V,V,…,V]이며, Vn은 n번째 격자점에서의 가상음원벡터이고, pi는 i번째 반복계산 단계이며, s는 속도 변화값이며, ns는 음원의 개수, w는 화이트노이즈이다.)
와 같이 속도정보가 업데이트되는 것을 특징으로 하는 지하 속도정보 도출 방법.
A method for deriving an underground velocity information using an acoustic wave,
(S100) inputting an initial velocity model for inputting the observed acoustic wave data and the initial velocity information;
(S200) calculating a physical property of the underground medium based on the velocity model and generating a numerical modeling data by estimating a sound source waveform from the observed acoustic wave data;
(S300) calculating a slant direction using back propagation based on the numerical modeling data and the observed seismic wave data, and constructing a pseudo Hessian matrix; And
(S400) calculating and updating the velocity information using the slant direction and a pseudo-Hessian matrix,
In the step S400,
Figure 112014064411601-pat00051

(Wherein, a V ★ = [V, V, ..., V], and V n is a virtual sound source in the n-th lattice point vector, and p i is a step of calculating the i-th repetition, s is the speed change value, ns is Number of sound sources, w is white noise.)
And the speed information is updated as shown in FIG.
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