KR101914657B1 - Method for extracting phase and amplitude information of seismic signal from seismic ambient noise - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for extracting both the phase information and the amplitude information of seismic signals by using seismic ambient noise. According to the present invention, in order to solve the problems of the prior art, in which no technique for extracting both the phase information and the amplitude information of seismic signals has been provided, provided is a method for extracting the phase and amplitude information of seismic signals by using seismic ambient noise, in which by using three seismic interferometry techniques of deconvolution, coherency and cross correlation, a series of processes for extracting the phase and amplitude information of impulse response functions (IRFs) from seismic ambient noise, which is always recorded in a seismic station regardless of seismic activity, is configured to be performed by a computer or dedicated hardware such that both the phase information and the amplitude information of the seismic signals can be efficiently extracted from the seismic ambient noise with respect to a low earthquake area and the extracted data can be used to analyze and study seismic ground motion. The method for extracting the phase and amplitude information of seismic signals by using seismic ambient noise comprises: a data collecting step; an impulse response function extracting step; a phase and amplitude information calculating step; and a result display step.

Description

지진배경잡음을 이용한 지진신호의 위상 및 진폭정보 산출방법{Method for extracting phase and amplitude information of seismic signal from seismic ambient noise} BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for calculating phase information and amplitude information of a seismic signal using an earthquake background noise,

본 발명은 지진배경잡음(seismic ambient noise)을 이용하여 지진신호의 위상정보와 진폭정보를 모두 추출할 수 있도록 하기 위한 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 지진신호의 위상정보와 진폭정보를 모두 추출할 수 있는 기술이 제공되지 못하여 지진신호의 위상정보만을 활용하는데 그치는 한계가 있었던 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 지진간섭법(seismic interferometry) 기술을 이용하여 지진활동에 관계없이 지진관측소에 상시적으로 기록되는 지진배경잡음으로부터 임펄스 응답함수(impulse response functions ; IRFs)의 위상 및 진폭정보를 추출하는 일련의 처리과정이 컴퓨터나 전용의 하드웨어에 의해 수행되도록 구성되는 지진배경잡음을 이용한 지진신호의 위상 및 진폭정보 산출방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for extracting both phase information and amplitude information of an earthquake signal using seismic ambient noise, and more particularly, to a method for extracting both phase information and amplitude information of an earthquake signal, In order to solve the problem of the prior art in which only the phase information of the seismic signal is limited due to the failure to provide the extracting technique, seismic interferometry technique is used to continuously measure A series of processes for extracting the phase and amplitude information of impulse response functions (IRFs) from the recorded earthquake background noise are performed by a computer or dedicated hardware. And a method for calculating phase and amplitude information.

또한, 본 발명은, 상기한 바와 같이 지진배경잡음으로부터 IRFs의 위상 및 진폭정보를 모두 효율적으로 추출할 수 있도록 구성됨으로써, 저지진 지역에 대하여도 지진배경잡음으로부터 추출된 데이터를 이용하여 지진지반운동의 분석 및 연구에 기여할 수 있도록 구성되는 지진배경잡음을 이용한 지진신호의 위상 및 진폭정보 산출방법에 관한 것이다. In addition, the present invention is configured to efficiently extract both the phase and amplitude information of IRFs from the background noise as described above. Thus, even in a low earthquake region, And to a method for calculating the phase and amplitude information of an earthquake signal using the earthquake background noise configured to contribute to the analysis and research of the earthquake.

최근, 지구온난화 등의 기후변화로 인해 기상이변 등의 자연재해가 증가하고 있으며, 이에 더하여, 우리나라를 포함하여 전세계적으로 지진의 발생이 증가하고 있다. Recently, natural disasters such as extreme weather are increasing due to climate change such as global warming. In addition, earthquakes are increasing worldwide, including Korea.

즉, 지진은 다른 자연재해에 비하여 인명 및 재산피해가 더욱 크게 발생할 수 있다는 점에서 지진발생을 미리 예측하고 대비하는 것이 중요하며, 우리나라는 과거 대규모의 지진이 거의 발생하지 않아 비교적 지진으로부터 안전한 지역으로 인식되어 왔으나, 2016년 09월 12일에 경주 지역에서 규모 5.8의 지진이 발생하였고, 2017년 11월 15일에는 포항 지역에서 규모 5.4의 지진이 발생하여 최근까지 여진이 계속되고 있는 등, 지진에 대한 위험성이 점차 증가하고 있다. In other words, it is important to anticipate and prepare for the occurrence of earthquakes in advance, as earthquakes can cause more damage to lives and property than other natural disasters. In Korea, there is no large-scale earthquake in the past, Earthquake of 5.8 magnitude occurred in Gyeongju on September 12, 2016 and 5.4 magnitude earthquake occurred in Pohang on November 15, 2017, and the earthquake continued until recently. The risk is increasing.

이에, 한반도 지역은 더 이상 지진에 대한 안전지대가 아니라는 불안감이 확산되고 있으며, 이와 같이 점차 증가하는 지진의 위험성에 대비하기 위해, 종래, 지진발생을 감지하거나 미리 예측하여 대비하기 위한 여러 가지 연구가 제시된 바 있다. Therefore, in order to prepare for the increasing risk of earthquakes, there have been various studies to detect or predict the occurrence of earthquakes in the past. It has been suggested.

더 상세하게는, 상기한 바와 같이 지진발생을 탐지하고 예측하기 위한 종래기술의 예로는, 예를 들면, 먼저, 한국 등록특허공보 제10-1184382호에 따르면, 수평 또는 사면 조건을 포함하는 자유장 조건의 모든 지표면에서 안정적이고 합리적인 설치 및 운용이 가능하여 현장의 지진계측 결과를 정확하게 측정할 수 있도록 구성되는 지진계측 장치 및 이 장치의 설치방법에 관한 기술내용이 제시된 바 있다. More specifically, as described above, as an example of the prior art for detecting and predicting earthquake occurrence, for example, according to Korean Patent Registration No. 10-1184382, a free space including a horizontal or slope condition The seismic measuring apparatus and the installation method of the apparatus are provided so as to be able to accurately and accurately measure the results of the earthquake measurement on the ground because the stable and reasonable installation and operation are possible on all the surfaces of the condition.

또한, 상기한 바와 같이 지진발생을 탐지하고 예측하기 위한 종래기술의 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-1523355호 및 한국 등록특허공보 제10-1028779호에 따르면, 지진파 검출센서로부터 검출된 아날로그 신호를 수신하여 디지털 신호로 변환한 후, 시간-주파수 영역의 변화량 및 배경잡음이 반영된 임계값에 기초하여 P파를 검출하는 것에 의해 배경잡음으로 인한 오검출률을 감소할 수 있는 지진파 자동 검출 장치 및 방법에 관한 기술내용이 제시된 바 있으며, 아울러, 한국 등록특허공보 제10-1520399호에 따르면, 지진 데이터 수집시에 측정 잡음 및 배경잡음을 제거하여 지진 조기경보 및 정확한 지진요소 분석이 가능하도록 구성되는 미소 위치 배열 중합을 이용한 지진파의 잡음제거장치 및 방법에 관한 기술내용이 제시된 바 있다. Also, as an example of the prior art for detecting and predicting the occurrence of an earthquake as described above, for example, in Korean Patent Registration No. 10-1523355 and Korean Patent Registration No. 10-1028779, And a P-wave is detected based on the variation in the time-frequency domain and the threshold value in which the background noise is reflected, thereby to reduce the false detection rate due to the background noise. And a method for detecting the seismic early warning and accurate seismic factor analysis is disclosed in Korean Patent Publication No. 10-1520399 by removing the measurement noise and background noise at the time of collecting the seismic data The present invention relates to an apparatus and a method for removing noise of a seismic wave using micro-positional alignment polymerization.

상기한 바와 같이, 종래 지진발생을 탐지하고 예측하기 위한 여러 가지 기술내용이 제시된 바 있으나, 종래의 기술내용들은 다음과 같은 문제가 있는 것이었다. As described above, various techniques for detecting and predicting the occurrence of the earthquake have been proposed. However, the conventional techniques have the following problems.

즉, 최근 지진발생의 규모 및 빈도가 증가하여 한반도 지진발생 환경 및 지진재해 특성에 대한 연구의 필요성이 증가하고 있으나, 한반도 지역은 종래부터 평균적 지진활동도가 낮은 관계로 지진연구에 활용 가능한 관측자료가 상대적으로 부족하다는 문제가 있었다. In other words, the recent magnitude and frequency of earthquake occurrence has increased the necessity of studies on the earthquake occurrence environment and the characteristics of earthquake disasters on the Korean peninsula. However, since the average seismic activity is low in the Korean peninsula region, There was a problem in that it was relatively insufficient.

여기서, 지진활동에 관계없이 지진관측소에 상시적으로 기록되는 지진배경잡음을 지진관측 자료로서 활용할 수 있다면 한반도 지진파 전파특성 및 지각구조 연구를 위한 기반기술 확보에 도움이 될 것으로 기대되나, 상기한 바와 같은 종래기술의 내용들은 대부분 지진파와 배경잡음을 분리하여 잡음을 제거하는 것에 의해 지진발생 감지의 정확도를 높이는 데에만 주력하고 있을 뿐, 지진발생의 분석에 필요한 지진관측 자료의 구축에 대하여는 고려되지 못한 문제점이 있었다. If earthquake background noise recorded at seismic stations at any time can be used as seismic observation data regardless of seismic activity, it is expected to help secure the base technology for studying seismic propagation characteristics and crustal structure of the Korean peninsula. The prior art contents of the prior art mainly concentrate on improving the accuracy of seismic detection by separating seismic waves and background noise and eliminating noise. However, it is not considered in construction of seismic observation data necessary for analysis of seismic occurrence There was a problem.

또한, 지진배경잡음을 기반으로 추출되는 지진신호는 지진배경잡음 발생원의 계절적 변화나 공간적 분포특성에 영향을 받으므로, 지진배경잡음 발생원의 지역적, 시공간적 분포특성을 이해하는 것은 추출되는 지진신호의 신뢰도 향상을 위해 중요한 정보가 되나, 상기한 바와 같은 종래기술의 내용들은 단순히 배경잡음을 제거하는 데에만 주력하고 있을 뿐, 이와 같은 지진배경잡음의 의미에 대하여도 고려된 바 없었다. In addition, since the seismic signal extracted based on the background noise of the earthquake is influenced by the seasonal change and the spatial distribution characteristic of the background noise source, understanding the regional and temporal distribution characteristics of the background noise source causes the reliability of the extracted seismic signal However, the above-mentioned prior art contents merely focus on removing the background noise, and the meaning of such an earthquake background noise has not been considered.

아울러, 지진배경잡음의 상호상관 분석과 관련한 연구는 중약진 지역에서의 지진자료 활용 잠재력이 인정되어 2000년대 중반 이후 배경잡음의 발생원인 규명부터 관측자료 분석 기반 속도구조 도출까지 다각적인 활용을 통해 주목받고 있으나, 종래에는 단지 추출된 지진신호의 위상정보만을 활용하고 있을 뿐이며, 더욱이, 지진신호의 위상정보에 더하여 진폭정보까지 추출할 수 있는 기술은 지각속도 및 감쇠구조를 모두 포함하는 지진파 전파특성 연구에 중요한 요소임에도 불구하고 아직까지 시작단계에 불과하여 표준화 작업조차 이루어지지 못하고 있는 실정이다. In addition, the study on the correlation analysis of the background noise of the earthquake has recognized the possibility of applying the seismic data in the area with the small earthquake, and since the mid 2000s, the interest from the identification of the cause of the background noise to the derivation of the velocity structure based on the observation data However, in the past, only the extracted phase information of the seismic signal has been utilized. Furthermore, the technique capable of extracting the amplitude information in addition to the phase information of the seismic signal has also been studied as a seismic wave propagation characteristic including both the perception speed and the damping structure It is still in its infancy, and no standardization work has yet been achieved.

[선행기술문헌] [Prior Art Literature]

1. 한국 등록특허공보 제10-1184382호 (2012.09.13.) 1. Korean Registered Patent No. 10-1184382 (2012.09.13.)

2. 한국 등록특허공보 제10-1523355호 (2015.05.20.) 2. Korean Patent Registration No. 10-1523355 (May 20, 2015)

3. 한국 등록특허공보 제10-1028779호 (2011.04.05.) 3. Korean Patent Registration No. 10-1028779 (April 05, 2011)

4. 한국 등록특허공보 제10-1520399호 (2015.05.08.) 4. Korean Patent Registration No. 10-1520399 (Aug.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 지진신호의 위상정보와 진폭정보를 모두 추출할 수 있는 기술이 제공되지 못하여 지진신호의 위상정보만을 활용하는데 그치는 한계가 있었던 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 지진간섭법(seismic interferometry) 기술을 이용하여 지진활동에 관계없이 지진관측소에 상시적으로 기록되는 지진배경잡음으로부터 임펄스 응답함수(impulse response functions ; IRFs)의 위상 및 진폭정보를 추출하는 일련의 처리과정이 컴퓨터나 전용의 하드웨어에 의해 수행되도록 구성되는 지진배경잡음을 이용한 지진신호의 위상 및 진폭정보 산출방법을 제공하고자 하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a technique for extracting both phase information and amplitude information of an earthquake signal, In order to solve the problems of the conventional art, there has been proposed a method of detecting impulse response functions from seismic background noise recorded at seismic stations at all times regardless of seismic activity using seismic interferometry. The present invention is to provide a phase and amplitude information calculation method of an earthquake signal using an earthquake background noise configured to be performed by a computer or dedicated hardware by a series of processes for extracting phase and amplitude information of an IRFs.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기한 바와 같이 지진배경잡음으로부터 IRFs의 위상 및 진폭정보를 모두 효율적으로 추출할 수 있도록 구성됨으로써, 저지진 지역에 대하여도 지진배경잡음으로부터 추출된 데이터를 이용하여 지진지반운동의 분석 및 연구에 기여할 수 있도록 구성되는 지진배경잡음을 이용한 지진신호의 위상 및 진폭정보 산출방법을 제공하고자 하는 것이다. Another object of the present invention is to efficiently extract both phase and amplitude information of IRFs from an earthquake background noise as described above so that data extracted from an earthquake background noise is also used for a low earthquake region And to provide a method for calculating phase and amplitude information of an earthquake signal using an earthquake background noise configured to contribute to the analysis and study of earthquake ground motions.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 지진활동에 관계없이 지진관측소에 상시적으로 기록되는 지진배경잡음(seismic ambient noise)으로부터 임펄스 응답함수(impulse response functions ; IRFs)의 위상 및 진폭정보를 추출하기 위한 지진배경잡음을 이용한 지진신호의 위상 및 진폭정보 산출방법에 있어서, 각 지역에 설치된 지진관측소에서 기록된 지진배경잡음을 포함하는 지진신호에 대한 데이터를 수집하는 처리가 수행되는 데이터 수집단계; 상기 데이터 수집단계에서 수집된 지진신호 데이터를 이용하여, 각각의 지진관측소에서 수집된 지진배경잡음에 대하여 지진간섭법(seismic interferometry) 기술을 이용하여 각 지진관측소간 임펄스 응답함수(IRFs)를 추출하는 처리가 수행되는 임펄스 응답함수 추출단계; 상기 임펄스 응답함수 추출단계에서 추출된 임펄스 응답함수(IRFs)에 대하여 각 관측소의 위치에 따른 방위각 변화(azimuthal variation)를 계산하고, 방위각 변화에 따른 진폭보정을 수행하는 것에 의해, 각 관측소의 위치에 따른 방위각 및 방위각에 대한 진폭보정이 반영된 위상정보 및 진폭정보를 산출하는 처리가 수행되는 위상 및 진폭정보 산출단계; 및 상기 데이터 수집단계, 상기 임펄스 응답함수 추출단계 및 상기 위상 및 진폭정보 산출단계를 통하여 얻어진 결과를 디스플레이를 포함하는 표시수단을 통해 표시하는 처리가 수행되는 결과표시단계를 포함하는 처리과정이 컴퓨터나 전용의 하드웨어에 의해 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 지진배경잡음을 이용한 지진신호의 위상 및 진폭정보 산출방법이 제공된다. According to the present invention, the phase of impulse response functions (IRFs) from seismic ambient noise, which is always recorded in a seismic observation station regardless of an earthquake activity, In the phase and amplitude information calculation method of an earthquake signal using an earthquake background noise for extracting amplitude information, a process of collecting data on an earthquake signal including an earthquake background noise recorded at a seismic observing station installed in each region is performed A data collecting step; The seismic interferometry technique is used to extract impulse response functions (IRFs) between each seismic station for the seismic background noise collected at each seismic station using the seismic signal data collected at the data acquisition step An impulse response function extraction step in which processing is performed; The azimuthal variation according to the position of each station is calculated with respect to the impulse response function IRFs extracted at the extraction step of the impulse response function and the amplitude correction according to the azimuthal angle change is performed, A phase and amplitude information calculation step of calculating phase information and amplitude information reflecting the amplitude correction of the azimuth and azimuth according to the phase and amplitude information; And a result display step in which a process of displaying the result obtained through the data collecting step, the impulse response function extracting step and the phase and amplitude information calculating step is performed through display means including a display, The amplitude and the phase of the earthquake can be calculated by the following equation.

여기서, 상기 데이터 수집단계는, 각 지역에 설치된 지진관측소에서 기록된 지진배경잡음을 포함하는 지진신호에 대한 데이터를 수집하고, 수집된 데이터를 각각의 관측소 및 기간별로 저장하여 데이터베이스를 구축하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. Here, the data collection step may include collecting data on seismic signals including seismic background noise recorded at seismic stations installed in each area, and storing the collected data for each observation station and period to construct a database Is performed.

또한, 상기 임펄스 응답함수 추출단계는, 이하의 수학식을 이용하여, 디컨볼루션(deconvolution) 방법을 이용하여 상기 임펄스 응답함수(IRFs)를 추출하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. The extraction of the impulse response function (IRFs) may be performed using a deconvolution method using the following equation.

Figure 112018041633112-pat00001
Figure 112018041633112-pat00001

(여기서, Xr은 수신 관측소(receiver station), Xs는 소스 관측소(source station), v는 배경잡음 속도, ω는 주파수, i 및 j는 각각 수신 관측소의 i번째 성분(component) 및 가상 소스 관측소의 j번째 성분, *는 켤레 복소수 행렬(complex conjugate), ε는 평균 스펙트럼 파워(average spectral power)의 1%로 정의되는 수위(water level), F-1은 역푸리에 변환(inverse Fourier transform), 괄호〈〉는 시간영역 스태킹(time domain stacking)을 각각 나타냄) Where xr is the receiver station, Xs is the source station, v is the background noise rate, ω is the frequency, i and j are the i-th component of the receiving station, is the complex conjugate, ε is the water level defined as 1% of the average spectral power, F -1 is the inverse Fourier transform, ≪> represents time domain stacking)

또는, 상기 임펄스 응답함수 추출단계는, 이하의 수학식을 이용하여, 가간섭성(coherency) 방법을 통해 상기 임펄스 응답함수(IRFs)를 추출하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. Alternatively, the extracting of the impulse response function may be configured to perform a process of extracting the impulse response functions IRFs through a coherency method using the following equation.

Figure 112018041633112-pat00002
Figure 112018041633112-pat00002

(여기서, Xr은 수신 관측소(receiver station), Xs는 소스 관측소(source station), b는 배경잡음 속도 데이터의 1비트 정규화된(normalized) 세그먼트, ω는 주파수, i 및 j는 각각 수신 관측소의 i번째 성분(component) 및 가상 소스 관측소의 j번째 성분, *는 켤레 복소수 행렬(complex conjugate), ε는 평균 스펙트럼 파워(average spectral power)의 1%로 정의되는 수위(water level), F-1은 역푸리에 변환(inverse Fourier transform), 괄호〈〉는 시간영역 스태킹(time domain stacking)을 각각 나타냄) Where Xr is a receiver station, Xs is a source station, b is a 1-bit normalized segment of background noise rate data, ω is frequency, i and j are i Is the complex conjugate, ε is the water level defined as 1% of the average spectral power, F -1 is the complex conjugate of the first component and the jth component of the virtual source station, Inverse Fourier transform, and parentheses <> represent time domain stacking, respectively)

또는, 상기 임펄스 응답함수 추출단계는, 이하의 수학식을 이용하여, 상호상관(cross correlation) 방법을 통해 상기 임펄스 응답함수(IRFs)를 추출하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. Alternatively, the extracting of the impulse response function may be configured to perform a process of extracting the impulse response functions IRFs through a cross correlation method using the following equation.

Figure 112018087212979-pat00003

(여기서, Xr은 수신 관측소(receiver station), Xs는 소스 관측소(source station), v는 배경잡음 속도, ω는 주파수, i 및 j는 각각 수신 관측소의 i번째 성분(component) 및 가상 소스 관측소의 j번째 성분, *는 켤레 복소수 행렬(complex conjugate), F-1은 역푸리에 변환(inverse Fourier transform), 괄호〈〉는 시간영역 스태킹(time domain stacking)을 각각 나타냄)
Figure 112018087212979-pat00003

Where xr is the receiver station, Xs is the source station, v is the background noise rate, ω is the frequency, i and j are the i-th component of the receiving station, j denotes a j-th component, * denotes a complex conjugate, F -1 denotes an inverse Fourier transform, and parentheses denotes time domain stacking)

아울러, 상기 위상 및 진폭정보 산출단계는, 이하의 수학식을 이용하여, 추출된 IRFs의 인과부(causal parts)와 비인과부(acausal parts)에 대한 피크 지면속도비(peak ground velocity ratio; PGVratio)를 계산하여 각 관측소의 위치에 따른 방위각 변화(azimuthal variation)를 산출하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the phase and amplitude information calculating step, using the following equation, causal part of the extracted IRFs (causal parts) and the ratio widow (acausal parts) peak ground velocity ratio (peak ground velocity ratio for; PGV ratio ) Is calculated and an azimuthal variation according to the position of each observation station is calculated.

Figure 112018041633112-pat00004
Figure 112018041633112-pat00004

(여기서, PGVcausal은 추출된 IRFs의 인과부(causal parts)의 피크 지면속도, PGVacausal은 추출된 IRFs의 비인과부(acausal parts)의 피크 지면속도를 각각 나타냄) (Where PGV causal is the peak surface velocity of the causal parts of the extracted IRFs, and PGV acausal is the peak surface velocity of the acausal parts of the extracted IRFs)

더욱이, 상기 위상 및 진폭정보 산출단계는, (a) 상기 임펄스 응답함수 추출단계에서 추출된 임펄스 응답함수의 피크 지면속도에 관측소간의 거리를 곱하여 거리감쇠가 보정된 진폭값을 구하고, (b) 거리감쇠가 보정된 진폭값들의 평균을 계산하며, (c) 거리감쇠가 보정된 진폭값들의 방위각에 따라 예측되는 진폭값을 도출(polynomial fitting) 하고, (d) 상기 (b)에서 산출된 거리감쇠가 보정된 진폭값의 평균에 대한 상기 (c)에서 산출된 방위각에 따른 진폭값의 비율을 계산하여 방위각에 따른 진폭보정계수를 산출하며, (e) 상기 임펄스 응답함수 추출단계에서 추출된 임펄스 응답함수에 상기 (d)에서 산출된 진폭보정계수를 곱하는 것에 의해 방위각 변화에 따른 진폭을 보정하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. Further, the phase and amplitude information calculation step may include the steps of: (a) obtaining an amplitude value corrected for distance attenuation by multiplying the peak surface velocity of the impulse response function extracted in the impulse response function extraction step by the distance between the observing stations; (b) (C) deriving an amplitude value predicted according to an azimuth angle of the corrected amplitude values, (d) deriving a distance attenuation calculated in (b) above, Calculating an amplitude correction coefficient according to an azimuth angle by calculating a ratio of an amplitude value according to the azimuth calculated in the step (c) to an average of the corrected amplitude value, (e) calculating an amplitude correction coefficient based on the impulse response extracted in the extracting of the impulse response function And the function is multiplied by the amplitude correction coefficient calculated in the above (d), thereby performing processing for correcting the amplitude according to the azimuthal angle change.

여기서, 상기 위상 및 진폭정보 산출단계는, 이하의 수학식을 이용하여 방위각 변화에 따른 진폭을 보정하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. Here, the phase and amplitude information calculation step is characterized in that the process of correcting the amplitude according to the azimuthal angle change is performed using the following equation.

Figure 112018041633112-pat00005
Figure 112018041633112-pat00005

(여기서, IRFcorrected는 방위각 변화에 따른 진폭 보정 이후의 임펄스 응답함수, IRF는 방위각 변화에 따른 진폭보정 이전의 임펄스 응답함수, y는 소스 관측소로부터 수신 관측소 방향의 방위각(azimuth)에 따라 예측되는 진폭값,

Figure 112018041633112-pat00006
은 거리감쇠가 보정된 진폭값의 평균, PGVnoise는 임펄스 응답함수의 피크 지면속도, R은 소스 관측소와 수신 관측소간의 거리를 각각 나타냄) (Where IRF corrected is the impulse response function after amplitude correction with azimuthal variation, IRF is the impulse response function before amplitude correction with azimuthal variation, y is the amplitude predicted by the azimuth from the source station to the receiving station, value,
Figure 112018041633112-pat00006
Where PGV noise is the peak ground velocity of the impulse response function, and R is the distance between the source observation station and the receiving station, respectively)

또한, 상기 방법은, 상기 위상 및 진폭정보 추출단계를 통하여 구해진 위상 및 진폭정보를 실제 측정된 데이터와 비교하여 검증을 행하는 처리가 수행되는 검증단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. The method may further include a verification step of performing verification by comparing phase and amplitude information obtained through the phase and amplitude information extraction step with actual measured data.

여기서, 상기 검증단계는, 이하의 수학식을 이용하여, 실제 이벤트 기록과 추출된 IRFs의 PGVs의 상대진폭차(relative amplitude differences ; PGVdiff)를 계산하여 임펄스 응답함수의 정량평가를 수행하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. Here, the verification step may include a process of performing quantitative evaluation of the impulse response function by calculating relative event differences (PGV diff ) between the actual event record and the PGVs of the extracted IRFs using the following equation Is performed.

Figure 112018041633112-pat00007
Figure 112018041633112-pat00007

(여기서, PGVevent는 실제 이벤트의 피크 지면속도, PGVnoise는 추출된 IRFs의 피크 지면속도를 각각 나타냄) (Where PGV event is the peak ground velocity of the actual event and PGV noise is the peak ground velocity of the extracted IRFs)

아울러, 본 발명에 따르면, 상기에 기재된 지진배경잡음을 이용한 지진신호의 위상 및 진폭정보 산출방법을 이용하여 지진신호의 분석을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 지진신호 분석방법이 제공된다. According to another aspect of the present invention, there is provided an earthquake signal analysis method, comprising: analyzing an earthquake signal using the phase and amplitude information calculation method of the earthquake signal using the earthquake background noise described above.

더욱이, 본 발명에 따르면, 상기에 기재된 지진배경잡음을 이용한 지진신호의 위상 및 진폭정보 산출방법을 이용하여 지진신호의 분석을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 지진분석 시스템이 제공된다. Further, according to the present invention, there is provided an earthquake analysis system configured to analyze an earthquake signal using the phase and amplitude information calculation method of an earthquake signal using the above-described earthquake background noise.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 지진간섭법 기술을 이용하여 지진활동에 관계없이 지진관측소에 상시적으로 기록되는 지진배경잡음으로부터 IRFs의 위상 및 진폭정보를 추출하는 일련의 처리과정이 컴퓨터나 전용의 하드웨어에 의해 수행되도록 구성되는 지진배경잡음을 이용한 지진신호의 위상 및 진폭정보 산출방법이 제공됨으로써, 지진신호의 위상정보와 진폭정보를 모두 추출할 수 있는 기술이 제공되지 못하여 지진신호의 위상정보만을 활용하는데 그치는 한계가 있었던 종래기술의 문제점을 해결할 수 있다. As described above, according to the present invention, a series of processes for extracting the phase and amplitude information of the IRFs from the seismic background noise, which is always recorded in the seismic observation station regardless of the seismic activity using the seismic interferometry technique, There is provided a method of calculating phase and amplitude information of an earthquake signal using an earthquake background noise configured to be performed by a dedicated hardware so that it is impossible to provide a technique for extracting both phase information and amplitude information of an earthquake signal, It is possible to solve the problems of the prior art in which there is a limit to only use information.

또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 지진배경잡음으로부터 IRFs의 위상 및 진폭정보를 모두 효율적으로 추출할 수 있도록 구성되는 지진배경잡음을 이용한 지진신호의 위상 및 진폭정보 산출방법이 제공됨으로써, 저지진 지역에 대하여도 지진배경잡음으로부터 추출된 데이터를 이용하여 지진지반운동의 분석 및 연구에 기여할 수 있다. Also, according to the present invention, a phase and amplitude information calculation method of an earthquake signal using an earthquake background noise configured to efficiently extract both phase and amplitude information of IRFs from an earthquake background noise is provided, For the seismic region, we can also contribute to the analysis and study of the seismic ground motion using the data extracted from the background noise of the earthquake.

도 1은 한국지질자원연구원(KIGAM) 및 한국 기상청(KMA) 네트워크에서 본 발명의 지진간섭법 연구에 적용된 광대역 관측소들을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 2015년 1월 31일 오전 08시 53분에 삼척에서 발생한 광산 붕괴사건에 대한 모멘트 텐서 역산의 결과를 나타내는 T-k 소스형 플롯(T-k source-type plot)이다.
도 3은 가을(2015년 9월 ~ 2015년 11월), 겨울(2015년 12월 ~ 2016년 2월), 봄(2016년 3월 ~ 2016년 5월) 및 여름(2016년 6월 ~ 2016년 8월) 및 2015년 9월부터 2016년 8월까지의 1년간에 대하여 PGVratio의 관점에서 배경잡음의 소스 분포에 대한 방위각 및 계절적 변화를 나타낸 도면이다.
도 4는 방위각 보정 전과 후의 PGVdiff를 비교하여 나타낸 도면이다.
도 5는 한반도 지역의 배경잡음 소스 분포에 대한 방위각 의존성을 나타내는 도면이다.
도 6은 기하학적 감쇠(geometrical spreading, 또는 거리감쇠)에 대한 보정 후의 PGVs의 방위각 변화와 진폭보정을 위한 다항함수 회귀식을 나타내는 도면이다.
도 7은 디컨볼루션, 가간섭법 및 상호상관의 3가지 지진간섭법 기술을 이용하여 각각 추출된 IRFs와 이벤트 기록의 수직방향 성분과 방사방향 성분을 비교하여 나타낸 도면이다.
도 8은 디컨볼루션, 가간섭법 및 상호상관 방법을 이용하여 각각 추출된 IRFs와 이벤트 기록의 푸리에 진폭 스펙트럼을 비교하여 나타낸 도면이다.
도 9는 디컨볼루션, 가간섭법 및 상호상관 방법을 이용하여 각각 추출된 IRFs와 이벤트 기록의 접선방향 성분을 비교하여 나타낸 도면이다.
도 10은 디컨볼루션, 가간섭법 및 상호상관 방법을 이용하여 각각 추출된 IRFs의 정량적 지표로서 상관계수, 실효값 오차 및 PGVdiff를 비교한 결과를 각각 나타낸 도면이다.
도 11은 각각의 수신 관측소에 적용된 3가지 기준의 평균 및 표준편차를 표로 정리하여 나타낸 도면이다.
도 12는 가상 소스 관측소(MGR)(적색) 및 KNUD(청색)에 대하여 디컨볼루션 방법을 이용하여 배경잡음 데이터로부터 얻어진 IRFs와 기록된 기면운동의 파형을 비교한 결과를 나타내는 도면이다.
도 13은 소스 관측소 MGR과 KNUD를 통하여 추출된 IRFs의 정량적 지표로서 상관계수, 실효값 오차 및 PGVdiff를 비교한 결과를 각각 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 지진배경잡음을 이용한 지진신호의 위상 및 진폭정보 산출방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
1 is a schematic view of broadband observation stations applied to the seismic interferometry method of the present invention at the Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources (KIGAM) and the Korea Meteorological Administration (KMA) network.
FIG. 2 is a Tk source-type plot showing the results of moment tensor inversion for a mine collapse event occurring at Samcheok at 08:53 am on Jan. 31, 2015. FIG.
FIG. 3 shows a graphical representation of trends in the fall (from September 2015 to November 2015), winter (December 2015 to February 2016), spring (March 2016 to May 2016), and summer (June 2016 And a seasonal change of the source distribution of the background noise from the viewpoint of the PGV ratio for one year from September 2015 to August 2016.
4 is a graph showing a comparison of PGV diff before and after azimuth correction.
5 is a graph showing the azimuthal dependence of the background noise source distribution in the Korean peninsula region.
6 is a graph showing the azimuthal change of PGVs after correction for geometrical spreading (or distance attenuation) and the polynomial function regression equation for amplitude correction.
FIG. 7 is a diagram showing a comparison between vertical direction components and radial direction components of IRFs and event records extracted using three types of seismic interferometry techniques of deconvolution, cancellation, and cross correlation.
FIG. 8 is a diagram showing a comparison of Fourier amplitude spectra of IRFs extracted from the event record using the deconvolution, the interference method, and the cross-correlation method, respectively.
FIG. 9 is a diagram showing a comparison of tangential components of IRFs and event records extracted using the deconvolution, the coherence method, and the cross-correlation method, respectively.
FIG. 10 is a graph showing the results of comparing the correlation coefficient, the RMS error and the PGV diff as quantitative indexes of IRFs extracted using the deconvolution, the interference method and the cross-correlation method, respectively.
FIG. 11 is a table showing average and standard deviation of three criteria applied to each reception station.
FIG. 12 is a diagram showing the result of comparing the waveforms of recorded surface motions with the IRFs obtained from the background noise data using the deconvolution method for the virtual source observation station (MGR) (red) and KNUD (blue).
13 is a graph showing a result of comparing the correlation coefficient, the RMS error and the PGV diff as quantitative indexes of the IRFs extracted through the source observation station MGR and KNUD.
FIG. 14 is a flowchart schematically showing the overall configuration of a method for calculating phase and amplitude information of an earthquake signal using an earthquake background noise according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 지진배경잡음을 이용한 지진신호의 위상 및 진폭정보 산출방법의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다. Hereinafter, a method of calculating phase and amplitude information of an earthquake signal using the earthquake background noise according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다. Hereinafter, it is to be noted that the following description is only an embodiment for carrying out the present invention, and the present invention is not limited to the contents of the embodiments described below.

또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다. In the following description of the embodiments of the present invention, parts that are the same as or similar to those of the prior art, or which can be easily understood and practiced by a person skilled in the art, It is important to bear in mind that we omit.

계속해서, 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 지진배경잡음을 이용한 지진신호의 위상 및 진폭정보 산출방법의 구체적인 내용에 대하여 설명한다. Next, with reference to the drawings, the details of the phase and amplitude information calculation method of an earthquake signal using the earthquake background noise according to the present invention will be described.

먼저, 도 1 및 도 2를 참조하면, 도 1은 한국지질자원연구원(KIGAM) 및 한국 기상청(KMA) 네트워크에서 본 발명의 지진간섭법 연구에 적용된 광대역 관측소들을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 2는 2015년 1월 31일 오전 08시 53분에 삼척에서 발생한 광산 붕괴사건에 대한 모멘트 텐서 역산의 결과를 나타내는 T-k 소스형 플롯(T-k source-type plot)이다. 1 and 2 illustrate a broadband observation station applied to the earthquake interferometry method of the present invention at KIGAM and KMA network, A Tk source-type plot showing the result of moment tensor inversion for a mine collapse event at Samcheok on January 31, 2015 at 08:53 am.

즉, 이하에 설명하는 본 발명에 있어서, 2015년 1월에 한국에서 발생한 광산붕괴 사건(Mw 4.2)의 기록을 통하여, 이러한 이벤트는 얕은 깊이(shallow depth)에서 단일 하향힘(single downward force)과 같으며, 임펄스 응답함수(IRFs)의 위상 및 진폭정보가 지진간섭법(seismic interferometry)을 이용하여 효과적으로 얻어질 수 있음이 제시된다. That is, in the present invention described below, through the recording of a mine collapse event (Mw 4.2) occurring in Korea in January 2015, this event has a single downward force at shallow depth It is shown that phase and amplitude information of impulse response functions (IRFs) can be obtained effectively using seismic interferometry.

아울러, 본 발명에서는, 후술하는 바와 같이, 정량적 측정기준(quantitative metrics)을 적용하여 디컨볼루션(deconvolution), 가간섭성(coherency), 상호상관(cross correlation)의 3가지 지진간섭법 기술을 각각 비교하고, 배경잡음(ambient noise)의 진원 분포(source distribution)에 대한 방위각 의존성(azimuthal dependency)을 고려하는 것에 의해, 2 ~ 10s의 주기 대역(period band) 내에서 지진배경잡음 데이터(seismic ambient noise data)를 이용하여 두 원격 관측소(distant stations) 사이의 IRFs를 추출하기 위한 최선의 방법이 제시되며, 또한, 적절한 스펙트럼 정규화(spectral normalization) 또는 화이트닝 기법(whitening schemes)이 데이터 처리 중에 적용되는 경우에 효과적인 방법이 제시된다. In the present invention, as described later, three kinds of seismic interferometry techniques of deconvolution, coherency, and cross correlation are applied by applying quantitative metrics. And considering the azimuthal dependency on the source distribution of the ambient noise, seismic ambient noise in the period band of 2 to 10s The best way to extract IRFs between two remote stations using data is presented and if appropriate spectral normalization or whitening schemes are applied during data processing An effective method is presented.

더 상세하게는, 종래, 광대역 레일리파(broadband Rayleigh waves)와 그들의 분산특성(dispersion characteristics)이 상호상관(cross correlation) 분석을 이용하여 배경잡음(ambient noise)으로부터 추출될 수 있음이 제시된 바 있고, 이는 지진간섭법(seismic interferometry)이라고도 알려져 있으며, 종래, 1개월 배경잡음 데이터의 상호상관으로부터 단기 표면파 그룹 속도측정(short-period surface wave group velocity measurements)을 이용하여 캘리포니아의 고해상도 단층촬영 영상이 구축된 바 있다. More specifically, it has been proposed that broadband Rayleigh waves and their dispersion characteristics can be extracted from background noise using cross correlation analysis, This is also known as seismic interferometry. Conventionally, a high-resolution tomographic image of California is constructed using short-period surface wave group velocity measurements from the cross-correlation of 1-month background noise data There is a bar.

또한, 강한 지면운동(ground motion)을 예측하기 위해 지진배경잡음으로부터 추출된 임펄스 응답합수(IRFs)를 적용하는 것도 가능하며, 즉, 종래, 지진배경잡음 영역의 디컨볼루션으로부터, 복잡한 지표하 구조(subsurface structures)의 영향을 포함하여, IRFs에 대한 신뢰할 수 있는 위상 및 진폭정보를 추출할 수 있음이 제시된 바 있다. It is also possible to apply the sum of impulse responses (IRFs) extracted from the background noise of the earthquake to predict strong ground motions, that is, from the deconvolution of the earthquake background noise region to the complex underground structure it is possible to extract reliable phase and amplitude information for IRFs, including the effect of subsurface structures.

아울러, 지진에 대하여 깊이 및 진원기구 보정(depth and focal mechanism correction)을 모두 적용하고, 이러한 방법을 확장하여, 남부 캘리포니아의 지면운동 시뮬레이션 및 점 진원(point source)을 가정하여 일본의 중등도(moderate) 해안 섭입대(offshore subduction) 지진에 의해 생성된 장기간 지면운동 시뮬레이션에 각각 적용된 바 있다. In addition, we apply both depth and focal mechanism corrections to earthquakes and extend these methods to develop a moderate model of Japan, assuming southern California ground motion simulations and point sources. Have been applied to long-term ground motion simulations produced by offshore subduction earthquakes.

지진간섭법 기술은 디컨볼루션(deconvolution), 가간섭성(coherency), 상호상관(cross correlation)의 세 가지 유형으로 분류될 수 있으며, 먼저, 디컨볼루션은 분지지역에서의 지진파 증폭 연구 및 큰 지진으로 인해 발생된 장기간의 지면운동을 시뮬레이션하기 위해 사용된다. Seismic interferometry techniques can be categorized into three types of deconvolution, coherency, and cross correlation. First, deconvolution is used to study seismic amplification in the basin and large It is used to simulate long-term ground motion caused by an earthquake.

또한, 가간섭성 기술은 비탄성 감쇠 추정치(anelastic attenuation estimates)를 복원하기 위해 적용되며, 종래, IRF 감쇄의 회복을 수치적으로 조사하기 위해, 진원의 공간적 분포와 감쇠를 규명하고 잡음 상관 측정을 위한 진폭의 정량화를 나타내는 상호상관을 계산하기 위한 이론적 기초가 제시되었고, 지진배경잡음 영역의 진폭정보에 탄성 표면하 구조(elastic subsurface structure)로 인한 증폭효과와 지각(crust)과 상부 맨틀 및 건물의 감쇠 효과가 모두 포함되어 있음이 제시된 바 있다. In addition, the coherence technique is applied to recover the anelastic attenuation estimates. In order to numerically investigate the recovery of the IRF attenuation, conventionally, the spatial distribution and attenuation of the source are identified, The theoretical basis for calculating the crosscorrelation that represents the quantification of amplitude is presented. The amplification effect of the elastic subsurface structure and the crust and the attenuation of the upper mantle and the building Effects are included.

상기한 바와 같이, 배경잡음 기술은 지구의 속도구조(velocity structure), 특히, 한반도의 지각구조(crustal structure)를 규명하기 위해 널리 사용되고 있으며, 지진간섭법은 대규모의 지진활동(high-magnitude earthquake activity)을 요구하지 않으므로 저지진 지역(low-seismicity regions)에서 특히 유용하나, 배경잡음을 기록하기 위해 고밀도의 지진 네트워크가 요구된다. As described above, the background noise technique is widely used to identify the velocity structure of the earth, in particular, the crustal structure of the Korean peninsula, and the seismic interferometry method has a high-magnitude earthquake activity, , It is particularly useful in low-seismicity regions, but high-density seismic networks are required to record background noise.

이에, 본 발명에서는, 한국의 석회암 광산 붕괴사건(Mw 4.2)에 의해 발생된(excited) 지면운동을 통하여, 저지진 지역의 배경잡음 데이터로부터 IRFs의 위상 및 진폭정보를 효율적으로 모두 추출하는 방법을 제시하였으며, 여기서, 상기한 붕괴사건은 지구 표면에 적용되는 단일의 순간적인 하향 힘(single impulsive downward force)으로서 간주되므로, 본 발명에서는, 광산 붕괴사건의 지면운동을 시뮬레이션하기 위해 종래의 깊이 및 진원기구 보정을 적용하지 않고, 위상 및 진폭정보를 모두 얻기 위해 디컨볼루션(deconvolution), 가간섭성(coherency), 상호상관(cross correlation)의 세 가지 지진간섭법 기술을 비교하였고, 추출된 IRFs의 방위각 의존성(azimuthal dependency)을 보정하기 위해 한반도 지역에 대한 배경잡음원의 시공간적 분포(spatiotemporal distribution)를 조사하였다. Accordingly, in the present invention, a method of efficiently extracting phase and amplitude information of IRFs from background noise data of a low-seismic region through a ground motion excited by a limestone mine collapse event (Mw 4.2) in Korea Here, since the above-mentioned collapse event is regarded as a single impulsive downward force applied to the surface of the earth, in the present invention, in order to simulate the ground motion of the mine collapse event, Three seismic interferometry techniques, deconvolution, coherency and cross correlation, were compared to obtain both phase and amplitude information without applying the instrument calibration. To compensate for the azimuthal dependency, the spatiotemporal distribution of the background noise sources on the Korean Peninsula was investigated.

더 상세하게는, 대한민국 표준시로 2015년 1월 31일 오전 08시 53분에 삼척에서 석회석 광산 붕괴사건이 발생하였고, 도 1에 나타낸 바와 같이, 한국지질자원연구원(Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources ; KIGAM) 및 한국 기상청(Korea Meteorological Administration ; KMA)에 의해 운영되는 다수의 광대역 관측소(broadband stations)에서 붕괴에 의해 발생된 지반운동이 각각 기록되었다. More specifically, a limestone mine collapse occurred in Samcheok at 08:53 am on Jan. 31, 2015 as a Korean standard time. As shown in FIG. 1, the Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources KIGAM) and the Korea Meteorological Administration (KMA), respectively, were recorded for each of the broadband stations.

여기서, 해당 광산은 이미 사건이 발생하기 몇 년 전에 폐광된 상태였으므로 사상자는 없었으며, 본 발명자들에 의해, 0.04 ~ 0.1Hz의 주파수 범위에서 5개의 3성분 지역 광대역 기록(3-component regional broadband recordings)으로부터의 데이터를 역산하여(inverting) 모멘트 텐서해(moment tensor solution)를 구하고, 도 2의 T-k 소스형 플롯에 나타난 바와 같이, 수백 미터의 깊이에서 발생한 붕괴가 음의 응력 균열(negative tensile crack)과 유사한 것으로 평가된 바 있다. There was no casualties since the mine had been abandoned a few years before the incident had already occurred and the present inventors have identified five 3-component regional broadband recordings in the frequency range of 0.04 to 0.1 Hz ), And the moment tensor solution is inverted to obtain a negative tensile crack at the depth of several hundred meters, as shown in the Tk source type plot of FIG. 2, And the like.

즉, 얕은 깊이의 붕괴(shallow-depth collapse)가 발생하였을 때, 단일 수직 힘(singular vertical force)은 인장 단층(tensile fault)으로 근사될 수 있고, 이 모델은 소스 깊이가 파장보다 얕고, 이벤트가 원거리 관측으로 기록된 경우에만 유효하며, 본 발명에 적용된 석회암 광산 붕괴사건은 이 두 가지 조건을 모두 만족한다. In other words, when a shallow-depth collapse occurs, a singular vertical force can be approximated by a tensile fault, and this model assumes that the source depth is shallower than the wavelength, It is valid only when recorded by remote observation, and the limestone mine collapse event applied to the present invention satisfies both of these conditions.

여기서, 이론적인 관점에서는 중심 단일 힘 역산(centroid single force inversion)이 소스 메커니즘(source mechanism)을 이해하는 데 더 효과적 일 수 있으나, 도 2에 나타낸 내용만으로도 해당 이벤트의 소스 메커니즘이 단일 하향 힘과 동등하다는 것을 알 수 있다. Here, from a theoretical point of view, centroid single force inversion may be more effective in understanding the source mechanism, but with the content shown in FIG. 2, the source mechanism of the event is equivalent to a single downward force .

아울러, 현장조사 결과 모멘트 규모(moment magnitude ; Mw) 4.2에 해당하는 붕괴지역이 수백 미터의 폭으로 퍼져 있었으며, 광산이 붕괴되는 시간은 수초 이내일 것으로 추정되므로, 해당 이벤트는 2 ~ 10초의 목표 기간 대역(target period band)에 대한 단기 임펄스(short impulse)로 모델링될 수 있고, 지진간섭법을 이용하여 추출된 IRFs는 깊이 또는 메커니즘 보정을 거치지 않고 이벤트 기록과 직접 비교될 수 있다. In addition, the field survey revealed that the collapsed area corresponding to a moment magnitude (Mw) of 4.2 was spread over a width of several hundred meters, and the time for mine collapse was estimated to be within a few seconds, Can be modeled as a short-term impulse for the target period band and IRFs extracted using the seismic interferometry can be directly compared to the event record without depth or mechanism correction.

더 상세하게는, 지진간섭법 기술은 배경잡음 데이터에 대한 상관분석(Correlation Analysis)의 방법에 따라 세 가지 형태로 적용될 수 있으며, 첫째는, 소스 관측소(source station) 데이터의 파워 스펙트럼을 이용하여 정규화된(normalized) 수신 관측소(receiver station) 데이터의 디컨볼루션(deconvolution)으로, 이는, 종래, 지진 영역(seismic field)으로부터 IRFs를 추출하기 위해 적용되어 왔다. More specifically, the seismic interferometry technique can be applied in three forms according to the correlation analysis method for the background noise data. First, the power spectrum of the source station data is used for normalization Deconvolution of the normalized receiver station data has been applied to extract IRFs from seismic fields in the past.

두 번째 형태는 가간섭성(coherency) 방법으로, 이는, 소스 관측소 및 수신 관측소 양측의 진폭 스펙트럼에 대한 1비트 정규화(one-bit normalization) 및 스펙트럼 백색화(spectral whitening)를 이용한다. The second form is a coherency method, which uses 1-bit normalization and spectral whitening of the amplitude spectra on both the source observing station and the receiving observing station.

여기서, 1비트 정규화는, 일반적으로, 표면파 그룹 속도(surface wave group velocity)에 대한 분산곡선(dispersion curves)을 추출하는 것에 의해 배경잡음 단층촬영(ambient noise tomography)을 위하여 사용되며, 모든 양의 진폭을 1로 대체하고 모든 음의 진폭을 -1로 대체하는 것에 의해 배경잡음 속도(ambient noise velocity)의 부호(sign)만을 유지한다. Here, the 1-bit normalization is generally used for background noise tomography by extracting dispersion curves for the surface wave group velocity, By replacing 1 with 1 and replacing all negative amplitudes by -1. ≪ RTI ID = 0.0 > [0031] < / RTI >

세 번째 형태는 스펙트럼 구성(spectral schemes) 없이 상호상관(cross correlation)만을 적용하는 방법이며, 신뢰성 있는 광대역 표면파 분산 측정을 위해 이들 처리기술을 비교한 내용에 대하여 설명하면 다음과 같다. The third form is a method of applying cross correlation without spectral schemes and a comparison of these processing techniques for reliable broadband surface wave dispersion measurement is as follows.

먼저, 디컨볼루션 방법은 이하의 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있으며, 이는, Xr(수신 관측소) 및 Xs(가상 소스 관측소)에 위치한 2개의 지진 관측소에 대한 배경잡음 속도 v를 나타내는 동시 데이터 세그먼트(simultaneous data segments)와 함께 주파수 영역 ω에서 수행된다. First, the deconvolution method can be expressed as Equation (1) below. This is because the simultaneous data representing the background noise velocity v for two seismic stations located at Xr (reception observatory) and Xs Is performed in the frequency domain omega with simultaneous data segments.

[수학식 1] [Equation 1]

Figure 112018041633112-pat00008
Figure 112018041633112-pat00008

여기서, 상기한 [수학식 1]에 있어서, i 및 j는 각각 수신 관측소의 i번째 성분(component) 및 가상 소스 관측소의 j번째 성분이고, *는 켤레 복소수 행렬(complex conjugate)을 나타낸다. In Equation (1), i and j are the i-th component of the receiving station and the j-th component of the virtual source station, respectively, and * denotes a complex conjugate.

또한, 상기한 [수학식 1]에 있어서, 분자(numerator)는 주파수 영역에서의 동시 배경잡음 데이터 세그먼트의 상호상관에 해당하고, 소스 관측소의 파워 스펙트럼을 이용하여 정규화된다. In Equation (1), the numerator corresponds to the cross-correlation of the simultaneous background noise data segments in the frequency domain, and is normalized using the power spectrum of the source station.

아울러, 상기한 [수학식 1]에 있어서, 수치계산 동안 디컨볼루션의 안정성을 유지하기 위해, 본 발명에서는, 평균 스펙트럼 파워(average spectral power)의 1%로 정의되는 수위(water level) ε을 부가하였으며, F-1은 역푸리에 변환(inverse Fourier transform)을 나타내고, 괄호〈〉는 시간영역 스태킹(time domain stacking)을 나타내며, 긴 시계열에 걸친 시간영역 스태킹일수록 추출된 지면운동의 신호 대 잡음비를 향상시킨다. In order to maintain the stability of deconvolution during the numerical calculation in the above Equation 1, in the present invention, the water level? Defined as 1% of the average spectral power F -1 indicates an inverse Fourier transform, parentheses <> indicate time domain stacking, and the time-domain stacking over a long time series increases the signal-to- .

다음으로, 가간섭성(coherency) 방법은, 이하의 [수학식 2]에 나타낸 바와 같이, 1비트 정규화와 스펙트럼 백색화를 포함하며, 이러한 개념은 원시(raw) 배경잡음 데이터를 활용하는 디컨볼루션 및 상호상관 방법과 구분된다. Next, the coherency method includes 1-bit normalization and spectral whitening, as shown in Equation (2) below, And the cross-correlation method.

[수학식 2] &Quot; (2) "

Figure 112018041633112-pat00009
Figure 112018041633112-pat00009

여기서, 상기한 [수학식 2]에 있어서, b는 배경잡음 속도 데이터의 1비트 정규화된 세그먼트이고, 분자는 주파수 영역에서의 1비트 정규화된 배경잡음 세그먼트의 상호상관에 해당하며, 분모(denominator)는 소스 및 수신 관측소의 진폭 스펙트럼에 대한 스펙트럼 백색화를 나타낸다. In Equation (2), b is a 1-bit normalized segment of the background noise rate data, and the numerator corresponds to the cross-correlation of the 1-bit normalized background noise segment in the frequency domain, and denominator Represents the spectral whitening of the amplitude spectra of the source and the receiving station.

또한, 상기한 [수학식 2]에 있어서, 디컨볼루션 방법과 유사하게 수위 ε가 각각의 스펙트럼에 부가되었으며, 이러한 수위는 수학적으로 가간섭성 방법에 요구되지 않으나, [수학식 1]과의 일관성(consistency)을 위해 부가되었다. In Equation (2), the water level? Is added to each spectrum similarly to the deconvolution method, and this water level is not mathematically required for the coherent method. However, Equation (1) It was added for consistency.

다음으로, 상호상관 방법은, 이하의 [수학식 3]과 같이 나타낼 수 있다. Next, the cross-correlation method can be expressed by the following equation (3).

[수학식 3] &Quot; (3) "

Figure 112018041633112-pat00010
Figure 112018041633112-pat00010

상기한 [수학식 3]에 나타낸 바와 같이, 상호상관 방법은 상기한 디컨볼루션 및 가간섭성 방법에 적용된 스펙트럼 처리가 적용되지 않으며, 예를 들면, 감쇠가 있거나 또는 없는 등과 같이, 다양한 가정을 이용하여 IRFs를 추출한다. As shown in Equation (3) above, the cross-correlation method does not apply the spectral processing applied to the deconvolution and coherent methods described above and does not apply various assumptions such as, for example, with or without attenuation To extract IRFs.

더 상세하게는, 본 발명에서는, 도 1에 나타낸 바와 같이, MGR 관측소를 가상 소스 관측소로 하고, KIGAM 및 KMA 네트워크의 광대역 관측소들을 수신 관측소로 하여 배경잡음의 지진간섭법을 이용하여 IRFs를 추출하였으며, 이때, 지진배경잡음 데이터는 MGR 관측소의 설치 후 2015년 9월부터 2016년 8월까지 1년의 기간동안 수집되었다. More specifically, in the present invention, as shown in FIG. 1, IRFs are extracted using a background noise seismic interferometry using an MGR observation station as a virtual source observation station, a broadband observation station of a KIGAM and a KMA network as reception stations , Where earthquake background noise data was collected for one year from September 2015 to August 2016 after the installation of the MGR station.

또한, 지진간섭법을 적용하기 전에, 배경잡음 데이터의 연속적인 기록은 1시간의 비중첩(nonoverlapping) 시간 세그먼트(time segment)로 분할되며, 원시 데이터(raw data)는 기구적 응답(instrumental responses)을 이용하여 수정되고(즉, 이득(gain)이 적용됨), 트렌드(trend) 및 평균(mean)은 지진분석코드(Seismic Analysis Code)를 이용하여 초기 잡음 데이터(initial noise data)로부터 제거된다. Also, prior to applying the seismic interferometry, successive recordings of background noise data are divided into nonoverlapping time segments of 1 hour, raw data being instrumental responses, The trend and mean are removed from the initial noise data using a Seismic Analysis Code. [0034] [0031] The method of claim 1,

아울러, 모든 시간 세그먼트는 데이터 처리의 계산을 감소하기 위해 초당 10 샘플로 다운샘플링되고, 잠재적인 지진의 영향을 감소하기 위해 1시간 길이 데이터의 표준편차의 5배보다 큰 스파이크(spike)를 가지는 세그먼트는 무시된다(discarded). In addition, all time segments are downsampled to 10 samples per second to reduce the computation of the data processing, and segments having spikes greater than 5 times the standard deviation of 1 hour long data to reduce the effects of potential seismic events Is discarded.

더욱이, 수신 관측소 배경잡음 데이터의 3가지 성분은 광산붕괴의 하향 방향을 규명하기 위해 가상 소스 관측소 데이터의 극성변화된(polarity-changed) 수직성분(vertical components)과 상관되고(correlated), 고속 푸리에변환(FFT)을 이용하여 배경잡음 데이터의 시계열이 변환된 후 주파수 영역에서 각 세그먼트의 상관이 계산된다. Furthermore, the three components of the receiver station background noise data are correlated with the polarity-changed vertical components of the virtual source station data to identify the downward direction of the mine collapse, After the time series of the background noise data is transformed using the FFT, the correlation of each segment in the frequency domain is calculated.

그 후, 상관된 결과에 역FFT를 적용하여, 시간영역에서 1년의 기간에 걸쳐 시계열 세그먼트가 누적되고, 상관 처리 및 시계열 누적에 따라 가상 소스 관측소(MGR)에 대한 수신 관측소의 방위각에 대하여 IRFs의 수평성분(horizontal components)(Z-N 및 Z-E)이 방사방향(radial) 및 접선방향(tangential) 성분으로 회전되며(rotated), 회전된 IRFs의 인과부(causal part)(양의 지연(positive lag))는 단일 하향 힘(single downward force)으로 구성된 소스 메커니즘(source mechanism)을 가지는 소스- 수신간 임펄스 응답으로 간주되고, 3가지 형태의 지진간섭법 기술을 이용하여 추출된 IRFs는 광산 붕괴 이벤트에 대하여 5차 버터워스 필터(fifth-order Butterworth filter)를 이용하여 2 ~ 10초의 기간 범위에서 관측된 지면운동 데이터와 비교된다. Thereafter, the inverse FFT is applied to the correlated result to accumulate the time series segments over a period of one year in the time domain, and the IRFs (i, j) of the azimuth of the receiving station with respect to the virtual source station (MGR) The horizontal components ZN and ZE of the rotated IRFs are rotated to radial and tangential components and the causal part of the rotated IRFs ) Is considered as a source-to-destination impulse response with a source mechanism consisting of a single downward force, and IRFs extracted using three types of seismic interferometry techniques are used for mine collapse events And compared with observed ground motion data over a time span of 2 to 10 seconds using a fifth-order Butterworth filter.

이러한 3가지의 지진간섭법을 비교하기 위해, 기록된 지면운동과 해당 이벤트의 스케일이 일치하도록 IRFs의 진폭이 수신 관측소의 상대 진폭 정보를 보존하기 위해 각각의 3가지 성분에 대하여 일정한 스케일링 계수(constant scaling factor)가 기록된 지면운동 데이터와 IRFs의 평균 피크 진폭(average peak amplitude)의 비에 의해 계산되며, 이는 모든 관측소에 적용된다. In order to compare these three seismic interferometry methods, the amplitude of the IRFs should be set to a constant scaling constant for each of the three components to preserve the relative amplitude information of the receiving station, The scaling factor is calculated by the ratio of the average peak amplitude of the IRFs to the ground motion data recorded, which applies to all stations.

계속해서, 이벤트 원점시간(origin time)과 심도(focal depth) 추정의 불확실성을 규명하기 위해 일정한 시간이동 계수(constant temporal shift factor)가 각각의 수신 관측소에 대하여 기록된 지면운동 데이터에 적용되고, 이는, KIGAM의 자동 지진탐지 시스템의 탐지결과를 이용하여 분석되며, 가장 효과적인 파형 비교를 위해, 이러한 시간이동은 시행착오법에 따라 2초로 설정되었다. Subsequently, to determine the uncertainty of the origin time and focal depth estimates, a constant temporal shift factor is applied to the ground motion data recorded for each receiving station, , And KIGAM's automatic seismic detection system. For the most effective waveform comparison, this time shift was set to 2 seconds according to trial and error method.

또한, 본 발명에 있어서, 추출된 IRFs의 인과부(causal parts)(양의 지연)는 소스-수신 관측소간 임펄스 응답으로, 비인과부(acausal parts)(음의 지연(negative lag))는 수신-소스 관측소간 임펄스 응답으로 간주되나, 지진배경잡음의 소스는 방위적으로 균일하게 분포되어 있지 않으며, 한반도 지역에 대한 배경잡음의 지역적 소스 분포도 아직까지 명확하게 알려져 있지 못한 실정이다. Further, in the present invention, the causal parts (positive delay) of the extracted IRFs are the impulse response between the source and the receiving station, and the acausal parts (negative lag) It is assumed that the source of the background noise is not uniformly distributed in the direction of the source, but the distribution of the background source of the background noise in the Korean peninsula is not yet known.

이에, 본 발명에서는, 방위각에 따른 진폭을 보정하기 전에 배경잡음의 공간적 분포 차이 및 수준을 확인하기 위하여, 이하의 [수학식 4]에 나타낸 바와 같이, 디컨볼루션 방법을 이용하여 추출된 IRFs의 방위각에 따른 피크 지면속도비(peak ground velocity ratio ; PGVratio)를 이용하여 방위각 변화(azimuthal variation)를 조사하였다. Accordingly, in the present invention, in order to confirm the difference and level of the spatial distribution of the background noise before correcting the amplitude according to the azimuth angle, as shown in the following equation (4), the IRFs extracted using the deconvolution method The azimuthal variation was investigated using the peak ground velocity ratio (PGV ratio ) according to the azimuth angle.

[수학식 4] &Quot; (4) "

Figure 112018041633112-pat00011
Figure 112018041633112-pat00011

또한, 본 발명에서는, 산출된 위상 및 진폭정보를 실제 측정된 데이터와 비교하여 검증을 행하는 검증단계를 더 포함하여 구성될 수 있으며, 이를 위해, 최종 결과물인 임펄스 응답함수에 대한 정량평가를 수행하도록 구성될 수 있다. The present invention may further comprise a verification step of performing verification by comparing the calculated phase and amplitude information with actual measured data. To this end, a quantitative evaluation of an impulse response function, which is the final result, is performed Lt; / RTI >

즉, 이벤트 기록과 추출된 IRFs 사이의 PGVs에서의 상대진폭차(relative amplitude differences)는 이하의 [수학식 5]에 나타낸 바와 같이 하여 계산될 수 있으며, 이러한 상대진폭차(PGVdiff)는 추출된 임펄스 응답함수의 정량평가를 위한 지표로서 사용될 수 있다. That is, the relative amplitude differences in the PGVs between the event record and the extracted IRFs can be calculated as shown in Equation (5) below, and the relative amplitude difference (PGV diff ) It can be used as an index for quantitative evaluation of the impulse response function.

[수학식 5] &Quot; (5) "

Figure 112018041633112-pat00012
Figure 112018041633112-pat00012

계속해서, 도 3 및 도 4를 참조하면, 도 3은 가을(2015년 9월 ~ 2015년 11월), 겨울(2015년 12월 ~ 2016년 2월), 봄(2016년 3월 ~ 2016년 5월) 및 여름(2016년 6월 ~ 2016년 8월) 및 2015년 9월부터 2016년 8월까지의 1년간에 대하여 PGVratio의 관점에서 배경잡음의 소스 분포에 대한 방위각 및 계절적 변화를 나타낸 도면이고, 도 4는 방위각 보정 전과 후의 PGVdiff를 비교하여 나타낸 도면이다. 3 and 4, FIG. 3 is a graphical representation of the results of the winter (September 2015 to November 2015), winter (December 2015 to February 2016), spring (March 2016 to 2016 And azimuthal and seasonal changes in source distribution of background noise in terms of PGV ratio for one year from May 2015 to May 2016 and from September 2016 to August 2016 And FIG. 4 is a diagram showing comparison of PGV diff before and after azimuth correction.

도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 배경잡음 소스 레벨의 현저한 방위각 변화와 상대적으로 약한 계절적 변화(seasonal variation)가 함께 관측되며, 보정 후에 방위각에 대한 PGVdiff의 변화가 현저히 감소한 것을 확인할 수 있다. As shown in FIG. 3 and FIG. 4, a significant azimuthal variation and a relatively weak seasonal variation of the background noise source level are observed together, and it is confirmed that the change of the PGV diff with respect to the azimuth angle after the correction is remarkably reduced.

더 상세하게는, 도 5를 참조하면, 도 5는 한반도 지역의 배경잡음 소스 분포에 대한 방위각 의존성을 나타내는 도면이다. More specifically, referring to FIG. 5, FIG. 5 is a diagram illustrating the azimuthal dependency of the background noise source distribution in the Korean peninsula region.

도 5에 있어서, 각각의 패널 좌측에 관측소 이름과 함께 얻어진 IFRs(수직 성분)의 인과부(청색) 및 비인과부(적색)가 표시되어 있으며, 관측소 이름 아래의 숫자는 가상 소스 관측소(MGR)에 대한 방위각이고, 각 파형 우측의 숫자는 [수학식 4]에 정의된 피크 지면속도비(peak ground velocity ratio ; PGVratio)이며, 양의 PGVratio 값은 인과부의 PGV(소스-수신간)가 비인과부보다 강함을 의미하며, 반대의 경우도 마찬가지이다. In Fig. 5, the causal part (blue) and the non-widow part (red) of IFRs (vertical component) obtained along with the name of the station are displayed on the left side of each panel, and the numbers under the name of the station are shown in the virtual source station MGR And the number on the right side of each waveform is the peak ground velocity ratio (PGV ratio ) defined in Equation (4), and the positive PGV ratio value is a value obtained by subtracting the PGV of the causal part from the source- It means stronger than widows, and vice versa.

도 5에 나타낸 바와 같이, 수신 관측소가 소스 관측소보다 북쪽에 위치한 경우 인과부(청색)가 일반적으로 더 큰 PGV를 가지는 것을 확인할 수 있으며, IRFs의 진폭과 위상 정보를 모두 추출하기 위하여는 배경잡음 소스 분포의 시공간적 변화를 고려하는 것이 중요하다. As shown in FIG. 5, it can be seen that the causal part (blue) generally has a larger PGV when the receiving station is located to the north than the source station. To extract both the amplitude and phase information of the IRFs, It is important to consider the temporal and spatial variation of the distribution.

이에, 본 발명에서는, 계절적 변화를 평균하기 위해 1년간 파형을 축적한 데이터를 생성하고, 방위각 변화를 규명하기 위해 방위각에 대하여 진폭 보정을 적용하였다. Accordingly, in the present invention, to accumulate waveforms for one year in order to average seasonal variations, data is generated, and amplitude correction is applied to the azimuth angle to identify changes in the azimuth angle.

즉, 도 6을 참조하면, 도 6은 1/√r(r은 소스 관측소와 수신 관측소 사이의 거리)을 이용하여 기하학적 감쇠(geometrical spreading, 또는 거리감쇠)에 대한 보정 후의 PGVs의 방위각 변화와 진폭보정을 위한 다항함수 회귀식을 나타내는 도면이다. 6, FIG. 6 illustrates the change of azimuth angle of PGVs after correction for geometrical spreading (or distance attenuation) using 1 /? R (r is the distance between the source observing station and the receiving station) And a polynomial function regression equation for correction.

도 6에 있어서, 다항함수 회귀식(적색 곡선)을 통해 기하학적 감쇠 효과에 대한 보상 후의 피크 지면속도(PGVs)에서의 방위각 변화를 나타내고 있으며, 가장 좌측의 아래쪽으로 3개의 패널이 디컨벌루션, 가운데는 가간섭성, 우측은 상호상관 방법을 통하여 보정계수를 구하는데 필요한 다항함수 회귀식을 각각 나타내고 있다. In FIG. 6, the azimuthal change at the peak ground surface velocity (PGVs) after compensation for the geometric damping effect is shown through a polynomial regression equation (red curve). The three panels are deconvoluted downward to the leftmost, And the polynomial function regression equation required to obtain the correction coefficient by the cross-correlation method is shown on the right side.

더 상세하게는, 거리감쇠가 보정된 PGVs의 진폭값을 방위각에 따른 함수로 간주하여 다항함수 회귀식을 도출하기 위해 이하의 [수학식 6]과 같은 관계식을 가정한다. More specifically, in order to derive a polynomial regression equation by considering the amplitude value of the PGVs whose distance attenuation has been corrected as a function depending on the azimuth angle, a relation as shown in the following Equation (6) is assumed.

[수학식 6] &Quot; (6) "

Figure 112018041633112-pat00013
Figure 112018041633112-pat00013

여기서, 상기한 [수학식 6]에 있어서, PGVnoise는 임펄스 응답함수의 피크 지면속도, R은 소스 관측소와 수신 관측소간의 거리, x는 소스 관측소로부터 수신 관측소 방향의 방위각(azimuth)을 각각 나타낸다. In Equation (6), PGV noise is the peak surface velocity of the impulse response function, R is the distance between the source observing station and the receiving observing station, and x is the azimuth of the receiving observing station from the source observing station.

다음으로, 임펄스 응답함수의 피크 지면속도에 관측소간의 거리를 곱하여 거리감쇠가 보정된 진폭값을 구하고, 거리감쇠가 보정된 진폭값들과 방위각 간의 관계가 상기한 [수학식 6]과 같은 다항함수를 만족하도록 하는 회귀계수 a, b, c를 도출(polynomial fitting)하여 다항함수 회귀식을 이하의 [수학식 7]과 같이 구성한다. Next, the peak ground speed of the impulse response function is multiplied by the distance between the observing stations to obtain the amplitude value corrected for the distance attenuation, and the relationship between the amplitude values corrected for the distance attenuation and the azimuth angle is calculated using the polynomial function (A), (b), and (c) are polynomial fitted so as to satisfy the following equation (7).

[수학식 7] &Quot; (7) "

Figure 112018041633112-pat00014
Figure 112018041633112-pat00014

그 후, 거리감쇠가 보정된 진폭값의 평균(

Figure 112018041633112-pat00015
)과 위의 다항함수 회귀식으로부터 방위각(x)에 따라 예측되는 진폭값(y)의 비율을 계산하면 그 비율(
Figure 112018041633112-pat00016
)이 방위각에 따른 진폭보정계수에 해당한다. Thereafter, the distance attenuation is averaged over the corrected amplitude value (
Figure 112018041633112-pat00015
) And the ratio of the amplitude value (y) predicted according to the azimuth angle (x) from the above polynomial function regression equation,
Figure 112018041633112-pat00016
) Corresponds to the amplitude correction coefficient according to the azimuth angle.

따라서 임펄스 응답함수에 대해 진폭보정계수를 곱하여 방위각 변화에 따른 진폭을 보정하는 처리가 수행되도록 하는 식은 이하의 [수학식 8]과 같다. Therefore, an equation for multiplying the impulse response function by the amplitude correction coefficient and correcting the amplitude according to the azimuth angle change is as follows: " (8) "

[수학식 8] &Quot; (8) "

Figure 112018041633112-pat00017
Figure 112018041633112-pat00017

여기서, 상기한 [수학식 8]에 있어서, IRF는 방위각 변화에 따른 진폭 보정 이전의 임펄스 응답함수,

Figure 112018041633112-pat00018
는 거리감쇠가 보정된 진폭값의 평균, y는 다항함수 회귀식으로부터 예측되는 진폭값, IRFcorrected는 방위각 변화에 따른 진폭 보정 이후의 임펄스 응답함수를 각각 나타낸다. In Equation (8), IRF denotes an impulse response function before the amplitude correction according to the azimuthal angle change,
Figure 112018041633112-pat00018
Y is the amplitude value predicted from the polynomial regression equation, and IRF corrected is the impulse response function after amplitude correction according to the azimuthal variation, respectively.

즉, 도 6 및 상기한 [수학식 6] 내지 [수학식 8]에 나타낸 바와 같이, 방위각 변화에 따른 진폭을 보정하는 방법은, 먼저, (1) 추출된 임펄스 응답함수의 피크 지면속도에 관측소간의 거리를 곱하여 거리감쇠가 보정(감쇠항 제거)된 진폭값을 구하고(PGV*sqrt(r), 도 6의 파란색 원으로 표시), (2) (1)에서 거리감쇠가 보정된 진폭(PGV*sqrt(r)) 값들의 평균(

Figure 112018041633112-pat00019
)을 계산하며(도 6의 검정색 가로 직선으로 표시), (3) [수학식 6] 및 [수학식 7]에 나타낸 바와 같이 하여, (1)에서 거리감쇠가 보정된 진폭(PGV*sqrt(r)) 값들의 방위각(x)에 따라 예측되는 진폭값(y)을 다항함수 회귀식으로 도출(polynomial fitting) 하고(도 6의 빨간색 곡선으로 표시), (4) (2)의 평균값에 대한 (3)의 다항함수값의 비율(
Figure 112018041633112-pat00020
)로부터 방위각에 따른 진폭보정계수를 계산하며, (5) [수학식 8]에 나타낸 바와 같이 하여, 추출된 임펄스 응답함수에 (4)의 진폭보정계수를 곱하는 것에 의해 방위각 변화에 따른 진폭보정이 수행될 수 있다. That is, as shown in Fig. 6 and the above-mentioned equations (6) to (8), the method of correcting the amplitude according to the azimuthal angle change is as follows. (1) The peak ground velocity of the extracted impulse response function (PGV * sqrt (r), indicated by the blue circle in FIG. 6), (2) the amplitude at which the distance attenuation is corrected (PGV * sqrt (r)) Average of values
Figure 112018041633112-pat00019
(3) The amplitude attenuation-corrected amplitude PGV * sqrt (1) is calculated as shown in Equations (6) and (7) (2) is polynomial fitting (indicated by a red curve in FIG. 6), and the amplitude value (y) predicted according to the azimuth angle (x) The ratio of the polynomial function value of (3)
Figure 112018041633112-pat00020
(5) By multiplying the extracted impulse response function by the amplitude correction coefficient of (4) as shown in [Expression 8], the amplitude correction according to the azimuth angle change is calculated .

이러한 방위각 진폭 보정계수(azimuthal amplitude correction factor)는 2차 다항식을 이용한 데이터에 적합하여 다항식과 데이터 사이의 부적합함을 최소화하며, 즉, 도 4에 나타낸 바와 같이, 방위각 보정은 배경잡음으로부터 진폭정보의 획득을 개선시키는 것을 확인할 수 있고, 몇 개의 관측소에 대하여 PGVdiff의 값이 증가하더라도 평균값은 보정에 따라 감소하며, 방위각에 대하여 PGVdiff의 큰 변화도 감소하는 것을 알 수 있다. The azimuthal amplitude correction factor is suitable for the data using the second-order polynomial, minimizing the inconsistency between the polynomial and the data. That is, as shown in FIG. 4, It can be seen that the average value is decreased with the correction even if the value of PGV diff increases for several stations and the large change of PGV diff with respect to the azimuth angle is also decreased.

방위각 보정에 이어서, 본 발명에서는, 광산 붕괴 이벤트로부터 기록된 지면운동과 3가지 형태의 지진간섭법을 이용하여 얻어진 IRFs의 파형을 비교하여 수직방향 및 방사방향 성분을 도 7에 나타내었다. Following the azimuthal correction, in the present invention, the waveforms of the IRFs obtained using the ground motion recorded from the mine collapse event and the three types of seismic interferometry are compared and the vertical and radial components are shown in FIG.

즉, 도 7을 참조하면, 도 7은 디컨볼루션, 가간섭법 및 상호상관의 3가지 지진간섭법 기술을 이용하여 각각 추출된 IRFs(적색)와 이벤트 기록(회색)의 수직방향 및 방사방향 성분을 비교하여 나타낸 도면이다. 7, FIG. 7 shows the vertical and radial directions of IRFs (red) and event records (gray) extracted using the three techniques of seismic interferometry, namely, deconvolution, Are compared with each other.

도 7에 있어서, 상측에 수직방향 성분, 하측에 방사방향 성분을 각각 나타내고 있으며, 각 패널 우측의 숫자는 각 파형 상에 2개의 청색 선에 의해 한정된 타임 윈도우(time window) 내의 두 파형 사이에서 계산된 상관계수이다. 7, the vertical direction component is shown on the upper side and the radiation direction component is shown on the lower side, and the numbers on the right side of each panel are calculated between two waveforms within a time window defined by two blue lines on each waveform .

또한, 도 7에 있어서, 디컨볼루션과 가간섭법은 모두 기록된 지면운동에 비하여 지면운동의 상대진폭을 성공적으로 나타내고 있음을 알 수 있으며, 여기서, 가간섭법은 배경잡음 데이터의 진폭을 무시하는 1비트 정규화 및 스펙트럼 백색화의 적용에도 불구하고 양호한 진폭정보를 제공하고 있다. In FIG. 7, it can be seen that both the deconvolution and the coherent method successfully represent the relative amplitude of the ground motions as compared to the recorded ground motions, wherein the coherent method ignores the amplitude of the background noise data Lt; RTI ID = 0.0 > 1-bit < / RTI > normalization and spectral whitening.

즉, 위상 및 진폭정보의 파형 맞춤(waveform fitting)에 대하여, 디컨볼루션 방법을 이용하여 얻어진 IRFs는 가간섭법을 이용하여 얻어진 결과보다 약간 양호하고 더 상세한 결과를 제공하나, 상호상관 방법은 스펙트럼 백색화와 같은 스펙트럼 처리의 부재로 인해 불안정한 결과를 나타낸다. That is, for waveform fitting of phase and amplitude information, the IRFs obtained using the deconvolution method are slightly better than the results obtained using the cancellation method and provide more detailed results, but the cross- The result is unstable due to the absence of spectral treatment such as whitening.

더 상세하게는, KSA 및 HKU 수신 관측소에 대하여 상호상관 방법을 이용하여 추출된 IRFs의 피크 진폭은 다른 수신 관측소보다 부분적으로 크고, 따라서 배경잡음 상관 분석을 수행하기 위하여는 적절한 스펙트럼 정규화 설계(spectral normalization scheme)를 적용하는 것이 중요하다. More specifically, the peak amplitudes of IRFs extracted using the cross-correlation method for the KSA and HKU receiving stations are larger than those of the other receiving stations, and therefore, spectral normalization scheme.

아울러, 도 8을 참조하면, 도 8은 디컨볼루션(적색), 가간섭법(녹색) 및 상호상관(황색) 방법을 이용하여 각각 추출된 IRFs와 이벤트 기록(회색)의 푸리에 진폭 스펙트럼을 비교하여 나타낸 도면이다. 8, FIG. 8 is a graph comparing the Fourier amplitude spectra of the IRFs and the event record (gray) extracted using the deconvolution (red), the interference method (green), and the cross correlation (yellow) Fig.

도 8에 있어서, 회색 선은 각 수신 관측소의 진폭 스펙트럼을 나타내고, 흑색 선은 그들의 평균 진폭 스펙트럼을 나타내며, 사용된 주파수 대역(frequency band)은 0.1 ~ 0.5Hz이고, 주기 대역(period band)은 2 ~ 10초이며, 배경에 음영으로 나타내었다. 8, the gray line represents the amplitude spectrum of each receiving station, the black line represents the average amplitude spectrum thereof, the frequency band used is 0.1 to 0.5 Hz, and the period band is 2 ~ 10 seconds, and is shown in shaded background.

도 8에 나타낸 바와 같이, 디컨볼루션 방법을 이용하여 얻어진 파형은 전반적으로 보다 높은 주파수 성분을 나타내며, 디컨볼루션 방법을 이용하여 얻어진 평균 푸리에 진폭 스펙트럼이 이벤트 기록과 유사함을 알 수 있다. As shown in FIG. 8, it can be seen that the waveform obtained by the deconvolution method shows a generally higher frequency component, and the average Fourier amplitude spectrum obtained using the deconvolution method is similar to the event recording.

더욱이, 도 9를 참조하면, 도 9는 디컨볼루션, 가간섭법 및 상호상관 방법을 이용하여 각각 추출된 IRFs(적색)와 이벤트 기록(회색)의 접선방향 성분을 비교하여 나타낸 도면이며, 도 9에 있어서, 각 패널 우측의 숫자는 각 파형상에 2개의 청색 선으로 한정된 타임 윈도우 내에서 두 파형 사이에 계산된 상관계수이다. 9, FIG. 9 is a diagram showing the tangential components of the IRFs (red) and the event records (gray) extracted using the deconvolution, the crosstalk method and the cross-correlation method, respectively, 9, the number on the right side of each panel is a correlation coefficient calculated between two waveforms within a time window defined by two blue lines in each waveform.

즉, 도 7에 나타낸 바와 같이, 광산 붕괴 이벤트에 의해 발생된 레일리파(Rayleigh waves)의 수직방향 및 방사방향 성분은 양호하게 얻어지나, 접선방향 성분(tangential components)의 진폭은, 도 9에 나타낸 바와 같이, 해당 이벤트의 단일 하향 힘 메커니즘으로 인해 상대적으로 약하다. 7, the vertical direction and radial direction components of Rayleigh waves generated by the mine collapse event are satisfactorily obtained, while the amplitudes of the tangential components are the same as those shown in FIG. 9 As such, it is relatively weak due to the single downward force mechanism of the event.

계속해서, 상기한 3가지 방법으로 얻어진 위상 및 진폭정보는 상호상관 계수(correlation coefficient ; CC), 실효값(root-mean-square ; RMS) 오차 및 IRFs와 이벤트 기록 사이의 피크 지면속도차(PGVdiff)의 3가지 기준(metric)에 따라 정량적으로 비교된다. Subsequently, the phase and amplitude information obtained by the above-mentioned three methods are subjected to correlation coefficient (CC), root-mean-square (RMS) error, and peak ground speed difference between the IRFs and the event record diff ) are metered quantitatively according to the three metrics.

즉, 도 10을 참조하면, 도 10은 디컨볼루션(적색), 가간섭법(녹색) 및 상호상관(황색) 방법을 이용하여 각각 추출된 IRFs의 정량적 지표로서 상관계수, 실효값 오차 및 PGVdiff를 비교한 결과를 각각 나타낸 도면이다. 10, a correlation coefficient, an effective value error, and a PGVdiff (i) are quantitative indices of IRFs extracted by using the deconvolution (red), the interference method (green) Respectively. As shown in Fig.

도 10에 있어서, 수직방향 및 방사방향 성분에 대하여, 상측부터 상관계수, 실효값 오차, PGVdiff를 각각 나타내고 있으며, 이러한 기준값들은 도 7의 각 파형에서 청색 선으로 한정된 타임 윈도우 내의 두 파형 사이에서 계산되었고, 방위각 보정 전(점선)과 후(실선)에 각각 측정되었다. In FIG. 10, correlation coefficients, effective value errors, and PGV diff are shown from the upper side in the vertical direction and the radial direction components, respectively. These reference values are obtained from the waveforms in FIG. 7 between two waveforms within a time window defined by a blue line (Dotted line) and after (solid line), respectively.

즉, 상기한 기준을 계산하기 위하여, 보다 효율적인 위상 및 진폭 비교를 위해 각 수신 관측소에 대하여 유한 타임 윈도우(도 7의 청색 선)가 적용되었으며, 이러한 타임 윈도우는 가상 소스 관측소로부터 100km 이상 떨어진 수신 관측소에 대하여 2.5 ~ 4.0km/s의 전파속도(wave speed) 및 100km 이내의 수신 관측소에 대하여 2.0 ~ 5.0km/s의 전파속도의 도달시간(arrival time)을 이용하여 결정되었다. That is, to calculate the above criteria, a finite time window (blue line in FIG. 7) is applied to each receiving station for more efficient phase and amplitude comparison, And the arrival time of the propagation velocity of 2.0 to 5.0 km / s for the receiving station within 100 km was determined for the wave velocity of 2.5 to 4.0 km / s.

비교결과, CC 및 RMS 오차는 모두 지진간섭법 기술을 이용하여 얻어진 위상정보의 정확성을 평가하기 위한 효율적인 기준을 제공하는 것으로 판단되며, 아울러, RMS 오차 및 PGVdiff는 모두 상대 진폭정보를 평가하는데 적합한 것으로 판단된다. As a result of comparison, both CC and RMS errors are considered to provide efficient criteria for evaluating the accuracy of phase information obtained using seismic interferometry techniques, and RMS error and PGV diff are both suitable for evaluating relative amplitude information .

3가지 지진간섭법 기술 중에서 디컨볼루션 방법이 수직방향 및 방사방향 성분 모두에 대하여 가장 큰 CC 값(도 10a)과 가장 작은 RMS 값(도 10b)을 나타내었고, PGVdiff는 CC 및 RMS 오차 기준만큼 일관적이지는 않으나, 디컨볼루션 방법이 전체적으로 가장 나은 결과를 나타내는 것을 확인할 수 있다. Among the three seismic interferometry techniques, the deconvolution method showed the largest CC value (FIG. 10A) and the smallest RMS value (FIG. 10B) for both vertical and radial components, and PGV diff showed the CC and RMS error criterion , But it can be seen that the deconvolution method has the best overall result.

즉, 도 11을 참조하면, 도 11은 각각의 수신 관측소에 적용된 3가지 기준의 평균 및 표준편차를 표로 정리하여 나타낸 도면이다. That is, referring to FIG. 11, FIG. 11 is a table showing average and standard deviation of three criteria applied to each reception station.

이러한 결과로부터, 디컨볼루션 방법이 3가지 지진간섭법 기술 중에서 배경잡음으로부터 IRFs의 위상 및 진폭 정보 모두를 얻기 위해 최선의 방법임을 알 수 있으며, 가간섭법 또한 호환 가능한(compatible) 결과를 나타내는 반면, 접선방향 성분의 정량적 비교는 추출된 파형의 진폭이 상대적으로 작으므로 의미가 적다. From these results, it can be seen that the deconvolution method is the best method to obtain both the phase and amplitude information of IRFs from the background noise among the three seismic interferometry techniques, and the interference method also shows a compatible result , The quantitative comparison of the tangential components is meaningless because the amplitude of the extracted waveform is relatively small.

또한, 최근, 일본의 관동 분지(Kanto Basin)로부터 IRFs의 진폭을 신뢰성 있게 얻을 수 있도록 하기 위해 서로 다른 지진간섭법 기술을 비교한 내용이 제시된 바 있으며, 그 결과, 상기한 본 발명의 결과와 유사하게, 지진배경잡음 영역으로부터 IRFs를 얻기 위해서는 디컨볼루션 기술이 가장 적절한 방법인 것으로 나타났으나, 이 결과는 수직 성분의 분석에만 한정된 것인 반면, 본 발명에서는 수직 및 수평 성분 모두에 대한 결과를 제시하였고, 얕은 깊이의 광산 붕괴 이벤트로부터 얻어진 데이터를 이용하여, 발생 깊이(occurrence depth)나 소스 메커니즘에 대한 보정 없이 지진배경잡음 영역으로부터 IRFs를 얻을 수 있음을 보다 명확히 나타내었다. In addition, recently, in order to reliably obtain the amplitude of IRFs from the Kanto Basin in Japan, a comparison of different seismic interferometry techniques has been presented. As a result, , Deconvolution techniques have been shown to be the most appropriate method for obtaining IRFs from seismic background noise regions, but the results are limited to the analysis of vertical components, whereas in the present invention, the results for both vertical and horizontal components And more clearly demonstrates that IRFs can be obtained from seismic background noise regions without correction of occurrence depth or source mechanism using data from shallow depth mine collapse events.

아울러, 본 발명에서는 진원지(epicenter)에서 약 5km 떨어진 곳에 위치한 인접 소스 관측소(adjacent source station)의 유용성에 대하여 조사하였으며, 이러한 단일 광대역 관측소(KNUD)는 이미 광산 붕괴 이벤트 이전에 설치되어 있었고, MGR 및 KNUD로부터 IRFs를 추출하기 위해 디컨볼루션 방법이 사용되었으며, 그 결과를 도 12 및 도 13에 나타내었다. In the present invention, the availability of an adjacent source station located about 5 km away from the epicenter was investigated. The single broadband observation station (KNUD) was already installed before the mine collapse event, and MGR A deconvolution method was used to extract IRFs from KNUD, and the results are shown in FIGS. 12 and 13. FIG.

즉, 도 12 및 도 13을 참조하면, 도 12는 가상 소스 관측소(MGR)(적색) 및 KNUD(청색)에 대하여 디컨볼루션 방법을 이용하여 배경잡음 데이터로부터 얻어진 IRFs와 기록된 기면운동의 파형을 비교한 결과를 나타내는 도면으로, 도 12에 있어서, KNUD에 대하여 얻어진 지면운동은 각 수신 관측소에서 KNUD 및 MGR 까지의 거리와 방위각 차에 대하여 시간축을 따라 각각 이동되었다. 12 and 13, FIG. 12 shows the IRFs obtained from the background noise data using the deconvolution method for the virtual source observatory (MGR) (red) and KNUD (blue) In FIG. 12, the ground motion obtained for KNUD is shifted along the time axis with respect to the distance to the KNUD and the MGR at each receiving station and the azimuth difference, respectively.

또한, 도 13은 소스 관측소 MGR과 KNUD를 통하여 추출된 IRFs의 상관계수, 실효값 오차 및 PGVdiff를 비교한 결과를 각각 나타내는 도면이다. FIG. 13 is a diagram showing a result of comparing the correlation coefficient, effective value error and PGV diff of IRFs extracted through the source observation station MGR and KNUD.

도 12 및 도 13에 나타낸 바와 같이, 가능하다면, 진원지에 가까운 소스 관측소(즉, MGR)를 활용하는 것이 보다 효율적임을 확인할 수 있으나, 2 ~ 10초의 주기 범위(period range) 내에서 소스파(source wave)의 진폭 및 위상 정보를 모두 얻기 위해 5km의 거리는 허용될 수 있다. 12 and 13, it is possible to confirm that it is more efficient to utilize a source observing station (i.e., MGR) close to the epicenter if possible, but it is also possible to use a source source (source) within a period range of 2 to 10 seconds. a distance of 5 km may be allowed to obtain both the amplitude and phase information of the wave.

따라서 상기한 바와 같은 내용에 근거하여 본 발명에 따른 지진배경잡음을 이용한 지진신호의 위상 및 진폭정보 산출방법을 구현할 수 있으며 즉, 도 14를 참조하면, 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 지진배경잡음을 이용한 지진신호의 위상 및 진폭정보 산출방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 플로차트이다. Therefore, it is possible to implement a method of calculating the phase and amplitude information of an earthquake signal using the earthquake background noise according to the present invention based on the above description. That is, referring to FIG. 14, 5 is a flowchart schematically showing the overall configuration of a phase and amplitude information calculation method of an earthquake signal using background noise.

도 14에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 지진배경잡음을 이용한 지진신호의 위상 및 진폭정보 산출방법은, 크게 나누어, 각 지역에 설치된 지진관측소에서 기록된 지진배경잡음을 포함하는 지진신호에 대한 데이터를 수집하여 데이터베이스를 구축하는 데이터베이스 구축단계(S10)와, 각각의 지진관측소에 대하여 수집된 지진배경잡음의 전처리를 포함하는 신호처리를 행하고, 디컨볼루션 방법, 가간섭성 방법, 상호상관 방법의 3가지 지진간섭법 중 적어도 하나의 지진간섭법 기술을 이용하여, 각 지진관측소간 임펄스 응답함수(IRFs)를 추출하는 임펄스 응답함수 추출단계(S20)와, 추출된 임펄스 응답함수에 대하여 방위각에 따른 진폭보정을 행하여 진폭에 대한 보정이 반영된 위상 및 진폭정보를 산출하는 위상 및 진폭정보 산출단계(S30) 및 상기한 각 단계를 통해 얻어진 결과를 디스플레이 등의 표시수단을 통해 표시하는 결과표시단계(S40)를 포함하는 일련의 처리과정이 컴퓨터나 전용의 하드웨어에 의해 수행되도록 구성될 수 있다. 14, the phase and amplitude information calculation method of an earthquake signal using an earthquake background noise according to an embodiment of the present invention is roughly divided into an earthquake signal including an earthquake background noise recorded at a seismic station installed in each area, (S10) for constructing a database by collecting data on the earthquake observing station and signal processing including pre-processing of the seismic background noise collected for each seismic observing station, and performs a deconvolution method, an incoherent method, (S20) for extracting impulse response functions (IRFs) between seismic stations using at least one seismic interferometry technique among the three types of seismic interferometry, A phase and amplitude information calculating step (S30) of calculating phase and amplitude information in which the amplitude correction is performed by performing amplitude correction according to the azimuth angle, and And a result display step (S40) of displaying the result obtained through each of the steps through a display means such as a display, can be configured to be performed by a computer or dedicated hardware.

여기서, 상기한 데이터베이스 구축단계(S10)는, 예를 들면, 도 1에 나타낸 바와 같이, KIGAM 및 KMA에 의해 한반도 지역에서 운영되는 상시 지진관측소들로부터 지진배경잡음을 포함하는 지진신호 데이터를 수집하고, 수집된 지진신호 데이터로부터 추세와 평균을 제거하고 기기특성을 보정하는 등의 전처리 과정을 거친 후, 전처리된 데이터를 각 관측소 및 기간별로 정리하고 저장하여 데이터베이스를 구축하도록 구성될 수 있다. 1, the above-described database building step (S10) collects seismic signal data including seismic background noise from KIGAM and KMA from regular seismic stations operated in the Korean peninsula region , Preprocessing processes such as removing trends and averages from the collected seismic signal data and correcting device characteristics, and then arranging and storing the preprocessed data according to each observation station and period to construct a database.

또한, 상기한 임펄스 응답함수 추출단계(S20)는, 상기한 [수학식 1] 내지 [수학식 3]을 참조하여 설명한 바와 같이, 디컨볼루션 방법, 가간섭성 방법, 상호상관 방법의 3가지 지진간섭법 중 적어도 하나의 방법을 이용하여, 바람직하게는, 디컨볼루션 방법을 적용하여, 각 관측소간의 임펄스 응답함수(IRFs)를 추출하도록 구성될 수 있다. In addition, the impulse response function extracting step S20 may include three methods, i.e., a deconvolution method, a coherent method, and a cross-correlation method, as described above with reference to Equations (1) (IRFs) between each station by applying at least one of the seismic interferometry methods, preferably the deconvolution method.

아울러, 상기한 위상 및 진폭정보 추출단계(S30)는, 상기한 [수학식 4] 내지 [수학식 8] 및 도 6을 참조하여 설명한 바와 같이 하여, 각 관측소의 위치에 따른 방위각 변화를 고려하여 진폭보정이 반영된 위상 및 진폭정보를 추출하도록 구성될 수 있다. In addition, the phase and amplitude information extraction step S30 may be performed as described above with reference to Equations (4) to (8) and FIG. 6, taking into consideration the azimuthal angle change depending on the position of each observation station And to extract phase and amplitude information reflecting the amplitude correction.

더욱이, 상기한 방법은, 추출된 위상 및 진폭정보를 실제 측정된 데이터와 비교하여 검증을 행하는 검증단계를 더 포함하여 구성될 수 있으며, 이를 위해, 상기한 [수학식 5]를 참조하여 설명한 바와 같이 하여 최종 결과물인 임펄스 응답함수에 대한 정량평가를 수행하도록 구성될 수 있다. Further, the above-described method may further comprise a verification step of performing verification by comparing the extracted phase and amplitude information with actual measured data. To this end, it is preferable that the method described with reference to Equation (5) As well as to perform a quantitative evaluation of the final result, the impulse response function.

따라서 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 지진배경잡음을 이용한 지진신호의 위상 및 진폭정보 산출방법을 구현할 수 있다. Therefore, the method of calculating the phase and amplitude information of the seismic signal using the earthquake background noise according to the present invention can be implemented as described above.

아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 하여 구성되는 본 발명에 따른 지진배경잡음을 이용한 지진신호의 위상 및 진폭정보 산출방법을 이용하여 지진신호의 분석을 수행하도록 구성됨으로써, 보다 효율적이고 정확한 지진신호의 분석이 가능하도록 구성되는 지진신호 분석방법 및 지진분석 시스템을 제공할 수 있다. In addition, according to the present invention, it is possible to analyze the seismic signal using the phase and amplitude information calculation method of the seismic signal using the seismic background noise according to the present invention, The present invention can provide an earthquake signal analysis method and an earthquake analysis system configured to enable analysis of signals.

이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 지진배경잡음을 이용한 지진신호의 위상 및 진폭정보 산출방법의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the present invention as defined by the following claims and their equivalents. I will work.

Claims (12)

지진활동에 관계없이 지진관측소에 상시적으로 기록되는 지진배경잡음(seismic ambient noise)으로부터 임펄스 응답함수(impulse response functions ; IRFs)의 위상 및 진폭정보를 추출할 수 있도록 구성되는 지진배경잡음을 이용한 지진신호의 위상 및 진폭정보 산출방법에 있어서,
각 지역에 설치된 지진관측소에서 기록된 지진배경잡음을 포함하는 지진신호에 대한 데이터를 수집하는 처리가 수행되는 데이터 수집단계;
상기 데이터 수집단계에서 수집된 지진신호 데이터를 이용하여, 각각의 지진관측소에서 수집된 지진배경잡음에 대하여 지진간섭법(seismic interferometry) 기술을 이용하여 각 지진관측소간 임펄스 응답함수(IRFs)를 추출하는 처리가 수행되는 임펄스 응답함수 추출단계;
상기 임펄스 응답함수 추출단계에서 추출된 임펄스 응답함수(IRFs)에 대하여 각 관측소의 위치에 따른 방위각 변화(azimuthal variation)를 계산하고, 방위각 변화에 따른 진폭보정을 수행하는 것에 의해, 각 관측소의 위치에 따른 방위각 및 방위각에 대한 진폭보정이 반영된 위상정보 및 진폭정보를 산출하는 처리가 수행되는 위상 및 진폭정보 산출단계; 및
상기 데이터 수집단계, 상기 임펄스 응답함수 추출단계 및 상기 위상 및 진폭정보 산출단계를 통하여 얻어진 결과를 디스플레이를 포함하는 표시수단을 통해 표시하는 처리가 수행되는 결과표시단계를 포함하는 처리과정이 컴퓨터나 전용의 하드웨어에 의해 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 지진배경잡음을 이용한 지진신호의 위상 및 진폭정보 산출방법.
An earthquake constructed to extract the phase and amplitude information of impulse response functions (IRFs) from seismic ambient noise, which is always recorded at seismic stations irrespective of seismic activity. A method for calculating phase and amplitude information of a signal,
A data collecting step of collecting data on an earthquake signal including an earthquake background noise recorded at a seismic observing station installed in each area;
The seismic interferometry technique is used to extract impulse response functions (IRFs) between each seismic station for the seismic background noise collected at each seismic station using the seismic signal data collected at the data acquisition step An impulse response function extraction step in which processing is performed;
The azimuthal variation according to the position of each station is calculated with respect to the impulse response function IRFs extracted at the extraction step of the impulse response function and the amplitude correction according to the azimuthal angle change is performed, A phase and amplitude information calculation step of calculating phase information and amplitude information reflecting the amplitude correction of the azimuth and azimuth according to the phase and amplitude information; And
A processing step including a result display step in which a process of displaying the result obtained through the data collection step, the impulse response function extraction step and the phase and amplitude information calculation step is performed through a display means including a display, Wherein the phase and amplitude information of the seismic signal are generated by hardware of the earthquake background noise.
제 1항에 있어서,
상기 데이터 수집단계는,
각 지역에 설치된 지진관측소에서 기록된 지진배경잡음을 포함하는 지진신호에 대한 데이터를 수집하고, 수집된 데이터를 각각의 관측소 및 기간별로 저장하여 데이터베이스를 구축하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 지진배경잡음을 이용한 지진신호의 위상 및 진폭정보 산출방법.
The method according to claim 1,
Wherein the data collection step comprises:
A process for collecting data on an earthquake signal including an earthquake background noise recorded at an earthquake observing station installed in each area and storing the collected data for each observation station and period to construct a database is performed A method for calculating phase and amplitude information of seismic signals using earthquake background noise.
제 1항에 있어서,
상기 임펄스 응답함수 추출단계는,
이하의 수학식을 이용하여, 디컨볼루션(deconvolution) 방법을 이용하여 상기 임펄스 응답함수(IRFs)를 추출하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 지진배경잡음을 이용한 지진신호의 위상 및 진폭정보 산출방법.

Figure 112018041633112-pat00021


(여기서, Xr은 수신 관측소(receiver station), Xs는 소스 관측소(source station), v는 배경잡음 속도, ω는 주파수, i 및 j는 각각 수신 관측소의 i번째 성분(component) 및 가상 소스 관측소의 j번째 성분, *는 켤레 복소수 행렬(complex conjugate), ε는 평균 스펙트럼 파워(average spectral power)의 1%로 정의되는 수위(water level), F-1은 역푸리에 변환(inverse Fourier transform), 괄호〈〉는 시간영역 스태킹(time domain stacking)을 각각 나타냄)
The method according to claim 1,
Wherein the extracting of the impulse response function comprises:
And a process of extracting the impulse response functions (IRFs) using a deconvolution method is performed using the following equation: < EMI ID = 1.0 > Calculation method.

Figure 112018041633112-pat00021


Where xr is the receiver station, Xs is the source station, v is the background noise rate, ω is the frequency, i and j are the i-th component of the receiving station, is the complex conjugate, ε is the water level defined as 1% of the average spectral power, F -1 is the inverse Fourier transform, ≪> represents time domain stacking)
제 1항에 있어서,
상기 임펄스 응답함수 추출단계는,
이하의 수학식을 이용하여, 가간섭성(coherency) 방법을 통해 상기 임펄스 응답함수(IRFs)를 추출하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 지진배경잡음을 이용한 지진신호의 위상 및 진폭정보 산출방법.

Figure 112018087212979-pat00022


(여기서, Xr은 수신 관측소(receiver station), Xs는 소스 관측소(source station), b는 배경잡음 속도 데이터의 1비트 정규화된(normalized) 세그먼트, ω는 주파수, i 및 j는 각각 수신 관측소의 i번째 성분(component) 및 가상 소스 관측소의 j번째 성분, *는 켤레 복소수 행렬(complex conjugate), ε는 평균 스펙트럼 파워(average spectral power)의 1%로 정의되는 수위(water level), F-1은 역푸리에 변환(inverse Fourier transform), 괄호〈〉는 시간영역 스태킹(time domain stacking)을 각각 나타냄)
The method according to claim 1,
Wherein the extracting of the impulse response function comprises:
Wherein the processing of extracting the impulse response functions (IRFs) through an coherency method is performed using the following equation: < EMI ID = Way.

Figure 112018087212979-pat00022


Where Xr is a receiver station, Xs is a source station, b is a 1-bit normalized segment of background noise rate data, ω is frequency, i and j are i Is the complex conjugate, ε is the water level defined as 1% of the average spectral power, F -1 is the complex conjugate of the first component and the jth component of the virtual source station, Inverse Fourier transform, and parentheses <> represent time domain stacking, respectively)
제 1항에 있어서,
상기 임펄스 응답함수 추출단계는,
이하의 수학식을 이용하여, 상호상관(cross correlation) 방법을 통해 상기 임펄스 응답함수(IRFs)를 추출하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 지진배경잡음을 이용한 지진신호의 위상 및 진폭정보 산출방법.

Figure 112018087212979-pat00023


(여기서, Xr은 수신 관측소(receiver station), Xs는 소스 관측소(source station), v는 배경잡음 속도, ω는 주파수, i 및 j는 각각 수신 관측소의 i번째 성분(component) 및 가상 소스 관측소의 j번째 성분, *는 켤레 복소수 행렬(complex conjugate), F-1은 역푸리에 변환(inverse Fourier transform), 괄호〈〉는 시간영역 스태킹(time domain stacking)을 각각 나타냄)
The method according to claim 1,
Wherein the extracting of the impulse response function comprises:
And a process of extracting the impulse response functions (IRFs) through a cross correlation method is performed using the following equation: < EMI ID = Way.

Figure 112018087212979-pat00023


Where xr is the receiver station, Xs is the source station, v is the background noise rate, ω is the frequency, i and j are the i-th component of the receiving station, j denotes a j-th component, * denotes a complex conjugate, F -1 denotes an inverse Fourier transform, and parentheses denotes time domain stacking)
제 1항에 있어서,
상기 위상 및 진폭정보 산출단계는,
이하의 수학식을 이용하여, 상기 임펄스 응답함수 추출단계에서 추출된 IRFs의 인과부(causal parts)와 비인과부(acausal parts)에 대한 피크 지면속도비(peak ground velocity ratio; PGVratio)를 계산하여 각 관측소의 위치에 따른 방위각 변화(azimuthal variation)를 계산하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 지진배경잡음을 이용한 지진신호의 위상 및 진폭정보 산출방법.

Figure 112019500009097-pat00024


(여기서, PGVcausal은 추출된 IRFs의 인과부(causal parts)의 피크 지면속도, PGVacausal은 추출된 IRFs의 비인과부(acausal parts)의 피크 지면속도를 각각 나타냄)
The method according to claim 1,
Wherein the phase and amplitude information calculation step comprises:
Using the following equation, the peak when the speed ratio of the causal portion (causal parts) of IRFs the ratio widow (acausal parts) derived from the impulse response function extraction step; by calculating (peak ground velocity ratio PGV ratio) And calculating an azimuthal variation according to a position of each of the observing stations is performed.

Figure 112019500009097-pat00024


(Where PGV causal is the peak surface velocity of the causal parts of the extracted IRFs, and PGV acausal is the peak surface velocity of the acausal parts of the extracted IRFs)
제 6항에 있어서,
상기 위상 및 진폭정보 산출단계는,
(a) 상기 임펄스 응답함수 추출단계에서 추출된 임펄스 응답함수의 피크 지면속도에 관측소간의 거리를 곱하여 거리감쇠가 보정된 진폭값을 구하고,
(b) 거리감쇠가 보정된 진폭값들의 평균을 계산하며,
(c) 거리감쇠가 보정된 진폭값들의 방위각에 따라 예측되는 진폭값을 도출(polynomial fitting) 하고,
(d) 상기 (b)에서 산출된 거리감쇠가 보정된 진폭값의 평균에 대한 상기 (c)에서 산출된 방위각에 따른 진폭값의 비율을 계산하여 방위각에 따른 진폭보정계수를 산출하며,
(e) 상기 임펄스 응답함수 추출단계에서 추출된 임펄스 응답함수에 상기(d)에서 산출된 진폭보정계수를 곱하는 것에 의해 방위각 변화에 따른 진폭을 보정하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 지진배경잡음을 이용한 지진신호의 위상 및 진폭정보 산출방법.
The method according to claim 6,
Wherein the phase and amplitude information calculation step comprises:
(a) multiplying the peak ground speed of the impulse response function extracted in the step of extracting the impulse response function by the distance between the observing stations to obtain an amplitude value corrected by the distance attenuation,
(b) calculating an average of the amplitude values with the attenuation corrected,
(c) polynomial fitting the amplitude value predicted according to the azimuth angle of the amplitude values with the attenuation corrected,
(d) calculating an amplitude correction coefficient according to the azimuth angle by calculating a ratio of the amplitude value according to the azimuth calculated in (c) to the average of the amplitude attenuation-corrected amplitude value calculated in (b)
(e) processing for correcting the amplitude according to the azimuthal angle change is performed by multiplying the impulse response function extracted at the step of extracting the impulse response function by the amplitude correction coefficient calculated at (d) A method for calculating phase and amplitude information of an earthquake signal using noise.
제 7항에 있어서,
상기 위상 및 진폭정보 산출단계는,
이하의 수학식을 이용하여 방위각 변화에 따른 진폭을 보정하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 지진배경잡음을 이용한 지진신호의 위상 및 진폭정보 산출방법.

Figure 112018041633112-pat00025


(여기서, IRFcorrected는 방위각 변화에 따른 진폭 보정 이후의 임펄스 응답함수, IRF는 방위각 변화에 따른 진폭보정 이전의 임펄스 응답함수, y는 소스 관측소로부터 수신 관측소 방향의 방위각(azimuth)에 따라 예측되는 진폭값,
Figure 112018041633112-pat00026
은 거리감쇠가 보정된 진폭값의 평균, PGVnoise는 임펄스 응답함수의 피크 지면속도, R은 소스 관측소와 수신 관측소간의 거리를 각각 나타냄)
8. The method of claim 7,
Wherein the phase and amplitude information calculation step comprises:
Wherein the process of correcting the amplitude according to the azimuthal angle change is performed using the following equation: < EMI ID = 17.0 >

Figure 112018041633112-pat00025


(Where IRF corrected is the impulse response function after amplitude correction with azimuthal variation, IRF is the impulse response function before amplitude correction with azimuthal variation, y is the amplitude predicted by the azimuth from the source station to the receiving station, value,
Figure 112018041633112-pat00026
Where PGV noise is the peak ground velocity of the impulse response function, and R is the distance between the source observation station and the receiving station, respectively)
제 1항에 있어서,
상기 방법은,
상기 위상 및 진폭정보 추출단계를 통하여 산출된 위상 및 진폭정보를 실제 측정된 데이터와 비교하여 검증을 행하는 처리가 수행되는 검증단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 지진배경잡음을 이용한 지진신호의 위상 및 진폭정보 산출방법.
The method according to claim 1,
The method comprises:
And a verification step of performing verification by comparing the phase and amplitude information calculated through the phase and amplitude information extraction step with actual measured data. Method of calculating phase and amplitude information.
제 9항에 있어서,
상기 검증단계는,
이하의 수학식을 이용하여, 실제 이벤트 기록과 추출된 IRFs의 PGVs의 상대진폭차(relative amplitude differences ; PGVdiff)를 계산하여 임펄스 응답함수의 정량평가를 수행하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 지진배경잡음을 이용한 지진신호의 위상 및 진폭정보 산출방법.

Figure 112018041633112-pat00027


(여기서, PGVevent는 실제 이벤트의 피크 지면속도, PGVnoise는 추출된 IRFs의 피크 지면속도를 각각 나타냄)
10. The method of claim 9,
Wherein the verifying step comprises:
The process of performing the quantitative evaluation of the impulse response function is performed by calculating the relative amplitude differences (PGV diff ) between the actual event record and the PGVs of the extracted IRFs using the following equation A method for calculating the phase and amplitude information of an earthquake signal using an earthquake background noise.

Figure 112018041633112-pat00027


(Where PGV event is the peak ground velocity of the actual event and PGV noise is the peak ground velocity of the extracted IRFs)
청구항 1항 내지 청구항 10항 중 어느 한 항에 기재된 지진배경잡음을 이용한 지진신호의 위상 및 진폭정보 산출방법을 이용하여 지진신호의 분석을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 지진신호 분석방법.
A method for analyzing an earthquake signal using the method of calculating phase and amplitude information of an earthquake signal using the earthquake background noise according to any one of claims 1 to 10.
청구항 1항 내지 청구항 10항 중 어느 한 항에 기재된 지진배경잡음을 이용한 지진신호의 위상 및 진폭정보 산출방법을 이용하여 지진신호의 분석을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 지진분석 시스템.
An earthquake analysis system for analyzing an earthquake signal using the phase and amplitude information calculation method of an earthquake signal using the earthquake background noise according to any one of claims 1 to 10.
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