KR101930773B1 - 해양 굴절법 탄성파 탐사시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 GPS 수신부와, 사용자에 의한 시작신호 입력에 따라 GPS 수신부로부터 PPS(Pulse per Second) 신호를 전송받으며, 명령신호로서 PPS 신호를 미리 입력된 시간 간격마다 독립적으로 전송하는 마이크로 컨트롤러(Micro controller), 및 상기 시간 간격을 설정하는 명령신호 인터벌 컨트롤러(Key signal interval controller)로 구성되는 발파시간 동기화 장치를 포함하여, 해양 굴절법 탄성파 탐사 수행 시 음원과 자료 기록 장치의 제어명령을 최소의 시간 오차로 수행할 수 있는 해양 굴절법 탄성파 탐사시스템에 관한 것이다.

Description

해양 굴절법 탄성파 탐사시스템{Marine refraction seismic survey system}
본 발명은 해양 굴절법 탄성파 탐사 수행 시 음원과 자료 기록 장치의 제어명령을 최소의 시간 오차로 수행할 수 있는 해양 굴절법 탄성파 탐사시스템에 관한 것이다.
연안에서 엔지니어링 목적을 위한 탐사 중 해양 탄성파 탐사가 가장 많이 활용되고 있으며, 그 중 반사법 해양 탄성파 탐사가 주를 이루고 있다. 반사법 해양 탄성파 탐사는 지층의 경계면에서 음향 임피던스차로 인해 반사되어 되돌아오는 신호를 연속적으로 기록하여 음파의 반사 단면도를 작성함으로써 지층의 구조를 파악하는 방법이다. 이 방법은 사용하는 음원의 주파수에 따라 수직 해상도가 결정되고, 탐사선의 속도와 채널수에 따라 수평해상도가 결정된다. 해양에서는 육상과 달리 반사법 탄성파 탐사를 원할히 수행할 수 있는 것은 어느 정도 일정한 음파 전달속도를 갖는 해수 층이 존재하기 때문이다. 반면 굴절법 탄성파 탐사는 해양에서 많이 사용되지 않고 있다. 이는 반사법 탄성파 탐사에 비해 탐사 능률이 떨어지고 반사법 탄성파 탐사에 비해 해상도가 낮기 때문이다. 하지만 반사법 탄성파 탐사가 불가능한 수심이 낮은 지역이나 해저 지층의 속도분포를 알기 위한 탐사에서는 굴절법 해양 탄성파 탐사를 수행한다.
해양 탄성파 탐사는 수중이라는 큰 매체 아래에 존재하는 해저면 이하의 지질학적 지층의 층서 및 배태형성 등을 조사하는 영역을 의미한다. 넓은 조사영역을 수행함에 있어, 탐사선은 보통 하나 이상의 탄성파 음원과 함께 다중채널의 스트리머 케이블을 운용하게 된다. 탄성파 음원은 전형적으로 압축공기를 이용한 에어건을 사용하여, 수중에서의 Acoustic pulse를 발생시킨다. 이러한 파장으로부터의 에너지는 수중에서 구형으로 발산되게 되며, 해저면으로 전파되는 탄성파는 해저면내 각 층서로 전파되고, 다른 매질의 층서와의 경계면과의 접촉시 반사파의 형태로 되돌아오는 특성을 가진다. 이렇게 반사되어 돌아오는 에너지(반사파 또는 굴절파)는 하이드로폰으로 구성된 센서의 결정체인 스트리머를 통해 감응하게 되며, 각각의 에너지를 대변하는 데이터로 기록되고, 자료의 처리과정을 거쳐 해저면 하부에 대한 지질학적 특성의 정보를 제공하게 된다.
2차원 해양 탄성파 탐사는 음원과 1조의 수신기(스트리머)를 예인하여 탐사를 실시하는 전통적인 방법이다. 즉 음원에서 발생한 인공적인 탄성파가 지하매질을 통과한 후 해수층을 거쳐 수진기에 기록된다. 이러한 2차원 탄성파 탐사는 지하 지질구조 규명은 물론 석유나 천연가스 유망구조 도출 등에 널리 활용되어 왔다. 2차원 탄성파 탐사장비는 수중예인 장비인 음원 및 수진기로 구성되며, 기록장비로는 항측, 탄성파 신호기록 및 품질관리 분야로 구성된다.
음원으로는 전기에너지를 이용하는 트랜스듀서 타입(Transducer type)과 고압의 압축공기를 이용하여 음파를 발생시키는 에어건이 주로 사용된다. 전자는 주로 반사법 해양 탄성파 탐사에 주로 사용되고, 후자는 반사법 및 굴절법 해양 탄성파 탐사에 모두 사용 가능하다.
수신 장비는 동일 간격으로 수진기를 배열한 스트리머가 사용되며, 스트리머 내의 하이드로폰을 통하여 지층의 경계면에서 반사 또는 굴절되어 수신된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 탐사선 내의 기록시스템으로 전달된다.
굴절법 탄성파 탐사는 탐사하고자 하는 위치(일반적으로 지표)에서 인위적인 에너지를 발생시켜 발생되는 탄성파의 지하 내부의 주시(Time travel)를 통해 지하 층서 구조를 파악하는 탄성파 탐사의 한 기술이다. 지표면에 위치한 음원에서 발생된 탄성파가 지하 내부로 이동할 때, 새로운 밀도의 지층을 만났을 때, 탄성파는 반사되거나, 굴절되는 특성을 가진다. 이때 반사되어 돌아오는 신호를 통한 탐사를 수행 시 반사법 탄성파라 정의하며, 굴절되어 되돌아오는 신호를 통한 탐사를 수행 시 굴절법 탄성파 탐사라고 분류될 수 있다.
굴절법 탐사에서 중요한 획득요소는 P파의 초동이다. P파의 초동이라 하면, 탄성파 중 실제파인 P파가 음원에서 발생되어 수신기로 최초로 입력되어 피킹(picking)되는 점을 의미하며, 이러한 P파의 초동을 획득하기 위해, 수신기는 일정간격으로 할당된 점에 맞춰 각 채널의 수신기를 직선상으로 배치하여 운용하여, 음원에서 파를 발생시켰을 때, 발생되는 P파의 지하내부의 경계를 굴절하여 되돌아 오는 P파의 초동을 각 수신기를 통해 취득하고, 관측 파형 기록을 통하여 기록장치에 기록된 파형을 확인하는 것이다. 이렇게 취득된 기록은 초동 주시를 발췌하여 주시곡선을 작성하게 된다. 주시곡선이 작성된 다음에는 주시곡선을 검토 및 조정 과정을 거쳐 선정을 하게 되고, 그 다음으로는 속도주시를 계산하게 된다. 속도주시 계산이 끝나게 되면 심도주시를 계산을 하게 되고 속도층 단면을 작성하게 된다.
해양 굴절법 탄성파 탐사는 상기 서술한 원리를 기초로 그 대상을 해저면에서 수행되는 굴절법의 한 분야로 설명할 수 있으며, 육상과 달리 해양과 해저라는 특수한 환경임에 따라, 운용선박을 통해 모든 장비의 구동이 수행되며, 음원으로는 타격식 해머를 통한 에너지발생이 아닌 에멀젼계 폭약을 이용한 수중 발파나 에어건(Air-gun)과 같은 폭발성 음원을 사용하게 된다. 또한 수진기 측면에서 육상의 경우, 지오폰을 통한 직선상의 배열을 통한 측선을 설정할 때, 해양의 경우, 하이드로폰을 통한 스트리머의 운용이 일반적인 장비의 구성이 된다고 할 수 있다.
한편, 해양 굴절법 탄성파 탐사는 초기에 소노부이(sonobuoy)가 사용되어 대심도 굴절법 탐사를 수행하였고, 최근에는 OBS(ocean bottom seismometer)를 이용하여 보다 감도 높은 탄성파 자료를 취득하고 있으며, 연안의 엔지니어링 목적으로는 OBC(ocean bottom cable)를 이용한 탐사가 수행되고 있다.
해양 굴절법 탄성파 탐사의 운영 방법을 살펴보면, 소노부이의 경우 수신기를 고정한 형태로 음원을 이동시키면서 일정 시간 간격에 따라 발파하고 수신기에서 수신된 신호는 무선 통신을 통해 음원 탑재된 탐사선에 전달되고 기록되는 방식이다. 이와 비슷한 원리를 이용하여 최근에 천해역에서 적용가능한 굴절법 탐사 기록장비가 한국해양과학기술원(구. 한국해양연구원)에서 개발되었다. 또 다른 방식의 OBC는 등간격의 수신기를 해저면에 일직선으로 포설하고 다른 조사선에서 음원을 이동시키면서 탐사하는 방법으로 연안에서 주로 사용되고 있으나, 수신 채널수가 적어 탐사 효율이 낮다고 보고되고 있다. 이 방법들의 공통점은 음원을 이동시켜 수신하는 형태를 가진다.
해양 굴절법 탄성파의 경우, 음원 및 수신기를 해수면이 아닌 해저면에 고정시키고 그 결과를 획득하는 것이 일반적인 운용의 방식이다. 이에 따라 해수면에서의 최소 2개 이상의 선박을 운용하여, 1의 선박을 통해서는 음원을 이양 및 권양과 같은 음원의 이동과 발파의 컨트롤을 수행하며, 다른 2의 선박은 수신기인 스트리머의 해저면 배치 및 자료 취득을 수행하게 된다. 두 선박 모두 해수면에서 해저면으로 장비를 권·이양하는 방식이 수행됨에 따라, 조류 및 해류의 특성을 동반하는 해상의 특성으로 인해 각 장비의 정확한 포지셔닝과 위치정보를 정확히 파악할 수 없는 문제가 발생하게 되며, 그 결과 데이터의 정밀성과 정확도가 낮은 어려움이 있고, 광활한 영역으로의 탐사 수행 시에는 자료 획득을 위해 선박을 통한 이동과 고정, 권양과 이양이라는 메커니즘이 발생됨에 따라, 많은 시간이 소요되는 어려움이 있다.
또한, 해양 굴절법 탄성파 탐사의 경우 음원과 수진기가 독립적인 상태로 존재하게 되면 각 시스템 간의 시간을 일치시키는 것이 매우 중요한데, 같은 시간에 발파와 자료의 획득이 이루어져야 하는데, 현실적으로 정확히 같은 시간에 두 시스템을 시작하기는 불가능하며, 단지 시작 시간의 일치를 위해서 1,000분의 1초의 허용 오차 이내로 동시의 작동이 요구된다. 하지만, 해양 굴절법 탄성파 탐사에서 기존의 무선 Trigger방식으로는 거리의 한계성과 거리가 멀어지면 오차가 증가하는 현상이 발생되어 목표로 하는 허용 오차 범위를 초과하는 문제가 있다.
뿐만 아니라, 해상 음원 중 저주파수 음원인 에어건을 사용함에 있어서, 연안해역의 대부분의 지역이 육성퇴적 기원의 쇄설에 따른 실트질 점토층이 두꺼운 표층으로 구성되어 있어서 음원의 이양 시 자중의 하중에 따른 표층으로의 침하의 영향으로 자유면내 폭발을 수행치 못하는 제약이 발생함에 따라, 해저면 인근에서의 발파 수행(음원 에너지 저감) 및 에어건 침하로 낮은 공간으로의 제한적 지역에서의 선택적 운용의 어려움이 있다.
한국등록특허 제10-0660563호(2006.12.15)
상기 서술한 특성에 따라 해양 탄성파탐사의 경우, 해양 반사법 탄성파탐사를 중심으로 새로운 기술 개발이 수행되고 있으며, 반면 해양 굴절법 탄성파탐사와 관련한 기술개발은 스트리머와 관련한 OBC type으로의 장치 개발에 한정되어 있다. 따라서, 본 발명의 해양 굴절법 탄성파 탐사시스템은 본 기술분야에 있어 매우 고무적인 기술 개발이라 할 수 있으며, 본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 해양에서 이용될 수 있고, 공간의 제약이 적으며, 목표로 하는 오차 범위 내에 각기 독립적으로 분리되어 있는 음원과 수신기 시스템(기록 시스템)에 제어 신호를 전달할 수 있는 해양 굴절법 탄성파 탐사시스템을 제공하고자 한다.
또한, 연안에서 이루어지는 해양건설에서 필요로 하는 해저지층의 기본자료를 제공하기 위해서 적용되는 지구물리학적 방법 중 해양 굴절법 탄성파탐사를 엔지니어링 목적에 맞게 더 효율적으로 수행하고 고품질의 자료를 획득할 수 있도록, 더 자세하게는 해양 굴절법 탄성파탐사에서 자료의 획득이나 장비의 운용, 자료의 품질 향상 등 탐사 효율을 높이기 위하여 탐사 운용적으로 음원을 해저면에 고정시켜서 탐사를 수행하는데 있어서, 음원이 해저면에 안정적으로 설치가 되고 음원에서 발생되는 음파가 강한 에너지를 가지고 해저지층으로 전파될 수 있도록 만들어주며, 해저면에 쌓인 퇴적물로부터 음원을 보호할 수 있는 해저음원 거치대를 구비한 해양 굴절법 탄성파 탐사시스템을 제공하고자 한다.
또한, 다중채널 스트리머를 적용하여 1회 발파에 수신되는 신호를 증가시켜 수평해상도를 높이고, 음파신호 수신부의 위치결정을 신속하면서 정확하게 파악할 수 있는 해양 굴절법 탄성파 탐사시스템을 제공하고자 한다.
본 발명은 GPS 신호 중 PPS(Pulse per Second) 신호의 경우 매초 간격으로 수신되는 점과 GPS 위성 자체의 시간의 오차가 매우 작은 것에 착안하여, 해양 굴절법 탄성파 탐사시 발생하는 음원과 수진기의 시간 동기화의 오차를 GPS 수신 신호 중 PPS 신호를 이용하여 여타 다른 방식의 발파 및 기록 명령보다 낮은 오차로 시간을 동기화하여 음원과 자료저장 장치, 또는 독립된 시스템의 시간을 거리의 제약 없이 동기화할 수 있다.
이를 위해서, 본 발명의 실시예에 따른 해양 굴절법 탄성파 탐사시스템은, GPS 수신부와 GPS 수신기 신호 중 PPS 신호를 선택적 이용을 위한 마이크로 컨트롤러(Micro controller), 그리고 PPS 신호를 원하는 시작 지점을 결정하고 목표로 하는 간격(Interval)으로 조절 가능한 제어 장치, 직관적으로 신호의 수신 여부와 출력 여부를 판단할 수 있는 LED, 최종적으로 신호를 각 음원과 수진기록 장치로 전달 가능한 출력부 및 시스템 시작 명령을 위한 입력부로 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 해양 굴절법 탄성파 탐사시스템은, 굴절법을 이용한 해양 탄성파탐사 중 해저면에 해저음원 거치대를 안착시켜 해저음원으로 사용되는 에어건을 해저면 상부에 일정한 높이로 설치하여 해저지층으로 음파의 강한 에너지를 전달할 수 있게 하며, 해저면에 쌓인 퇴적물로부터 에어건을 보호하는 해저음원 거치대를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 해양 굴절법 탄성파 탐사시스템은, 획득한 음파신호의 정확한 분석을 위하여 음파신호 수신부의 정확한 위치를 확인할 수 있도록, 다중채널 스트리머의 음파신호 수신부 전, 후방에 GPS를 설치할 수 있다.
본 발명은 해양 굴절법 탄성파탐사 수행시 음원(Source) 발파와 자료 기록 장치의 제어명령을 최소의 시간오차로 수행할 수 있는 시간동기화 수단을 제공함으로써, 제어 명령을 독립된 굴절법 탐사 음원과 자료 기록 장치 각 부분에 동시에 전송할 수 있다.
해양 탄성파 굴절법 탐사 방법상 음원과 자료 획득 시스템의 거리와 장소의 제약을 가진다. 이 시간과 공간의 제약으로 음원과 자료 획득 시스템 간의 시간 동기화 오차가 목표로 하는 허용 오차를 넘게 발생하게 되었다. 기존의 방식의 경우 음원을 이동시켜 수신하는 형태를 가지고 있으며, 단위 시간당 탐사 가능한 면적이 요구치를 충족하지 못하였다. 이에 본 발명의 경우 해양탄성파 굴절법 탐사 과정에 애로 사항이 되었던 음원과 수진 기록의 시간 동기화의 오차를 줄이고 음원 이동 방식이 아닌 수신기를 이동하는 방식이며, 시간 동기화의 간소화 및 공간 제약을 극복함으로써 단위 시간당 탐사 가능한 면적의 증대를 가져 올 수 있다.
또한, 음원부에 포함되는 거치대는 굴절법을 이용한 해양 탄성파 탐사 중 에어건을 해저면 상부에 일정한 높이로 설치함으로써 해저지층으로 음파의 강한 에너지를 전달할 수 있게 하며, 해저면에 쌓인 퇴적물로부터 음원을 보호하는 기능을 가지고 있다. 그리고 해저지층경계에서 굴절되는 음파를 원활히 수신기에 전달하고 보다 강한 세기의 음파를 수신하여 신뢰성 높은 자료를 획득할 수 있다.
본 발명에서는 기존의 방법과 달리 음원을 조사측선 상에 고정된 상태로 일정 시간간격에 따라 발파를 하는 동안 수신기가 발파 지점과 관련된 측선을 따라 이동하면서 탄성파 신호를 수신하면서 기록 장치에 기록하는 방식으로 운용될 수 있으며, 이 경우 해저음원 거치대를 통한 해저면을 직접 진동하는 해저 음원 방식의 굴절법 해양 탄성파탐사 방법은 기존의 방법보다 굴절파의 전달거리가 멀고, 다중채널의 수신기를 이동하는 탐사 방법으로 수평 해상도와 탐사 효율을 높일 수 있었다.
본 발명은 해양 탄성파탐사 방법 중 굴절법을 이용한 탄성파 탐사로 음원을 해저면에 고정시키고 수신기를 해수면에서 예인하면서 탐사를 실시할 수 있으며, 해저면에서 음원을 발파하여 퇴적층과 퇴적기반으로부터 반사 및 굴절된 신호를 획득할 수 있었다. 이는 해저면을 직접 진동을 시킴으로써 기존의 방법보다 먼 굴절파의 전달거리를 확인할 수 있었으며, 다중채널 수신기를 이동하면서 탐사를 수행하여 탐사 효율이 높았다. 그리고 음원 및 수신기의 위치정보가 정확하여 보다 정밀한 굴절법 토모그래피가 가능하다.
또한, 본 발명에 따르면, 다중채널 스트리머를 이용하여 직접적으로 음파 신호를 수신하고, 다중채널 스트리머의 각 채널별 음파신호 수신부의 정확한 위치정보를 가지고 음파신호를 분석함으로써 기존의 방법에 비해 신속하고 정확한 음파신호 분석이 가능하며, 이로써 종래 기술의 문제, 즉 다중채널 수신기를 수중에서 예인할 때 단독의 GPS를 사용하여 수신기의 후미부분이 조류나 해류에 의해서 예인 방향에서 많이 벗어나 위치 오차가 많이 발생했던 문제를 해결할 수 있다.
도 1은 해양 굴절법 탄성파 탐사시스템을 개략적으로 나타낸 도면,
도 2는 발파시간 동기화를 위한 장치(제1, 제2 제어부)의 구성도,
도 3은 발파시간 동기화 장치 2기(제1, 제2 제어부)의 PPS 신호 수신 결과 비교도,
도 4 및 도 5는 발파시간 동기화 장치(제1, 제2 제어부)의 시작품 사진,
도 6은 음원부 거치대의 전면 및 구성을 나타낸 도면,
도 7은 음원부 거치대의 거치프레임을 나타낸 도면,
도 8은 음원부 거치대의 덮개를 나타낸 도면,
도 9는 거치대 덮개의 구성도,
도 10은 음원부 거치대의 현장 적용 사진,
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 해양 굴절법 탄성파 탐사시스템의 탐사 결과 단면도,
도 12는 헤더/테일 GPS, 다중채널 스트리머, 및 기록부 사이의 무선통신을 나타낸 도면,
도 13은 헤더부이/테일부이의 사진.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 해양 굴절법 탄성파 탐사시스템에 관하여 자세히 설명하기로 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 해양 굴절법 탄성파탐사시스템은, 음파를 발생시키는 음원부(200)가 해수면이 아닌 해저면에 배치될 수 있으며, 음파(탄성파) 신호 수신부를 갖는 다중채널 스트리머(Multi-channel streamer;300)가 해수면 상에서 예인되면서 음파신호를 획득하는 방식으로 운용될 수 있다. 이에 따라 해수면에서의 최소 2개 이상의 선박이 운용될 수 있고, 제1 선박(Source Vessel; 11)을 통해서는 음원을 이양 및 권양과 같은 음원의 이동과 발파의 컨트롤을 수행할 수 있으며, 다른 제2 선박(Receiver Vessel; 12)은 음파 신호를 수신하는 스트리머의 예인 및 자료 취득을 수행할 수 있다.
본 실시예에 따른 탐사시스템은, 상기한 바와 같이 음파를 발생시키는 음원부(200), 다수의 채널을 포함하고 채널별로 음파신호 수신부(310)를 구비하여 음파신호를 수신하는 다중채널 스트리머(300), 그리고 음파신호 수신부(310)에서 획득한 음파신호를 전송받아 기록하는 기록부(400)를 포함한다.
또한, 음파를 발생시키도록 하는 명령신호(key signal; 발파신호)를 음원부(200)에 전송하는 제1 제어부(101)와, 음파 신호 기록을 개시하는 명령신호(key signal)를 기록부(400)에 전송하는 제2 제어부(102)를 포함한다.
제1 제어부(101) 및 제2 제어부(102) 각각은 구체적으로, GPS 신호를 수신하는 GPS 수신부(110), GPS 수신부(110)로부터 PPS(Pulse per Second) 신호를 전송받으며, 명령신호로서 PPS 신호를 입력된 시간 간격마다 독립적으로 전송하는 마이크로 컨트롤러(Micro controller; 120), 및 명령신호를 전송할 상기 시간 간격을 설정하는 명령신호 인터벌 컨트롤러(Key signal interval controller; 130)를 포함한다. 그리고 명령신호를 음원부(200)와 기록부(400)로 출력하는 출력부(170), 사용자의 입력에 따라 시작신호(start signal)가 입력되는 입력부(140)를 포함할 수 있다.
이와 같은 구성을 포함하는 본 실시예에 따른 탐사시스템은, GPS 신호 중 PPS 신호를 명령신호로서 전송하되 서로 시간 동기화되어 설정된 시간 간격에 따라 음원부(200)와 기록부(400)에 전송하게 되며, 여기서 제1 제어부(101)와 제2 제어부(102)는 발파 및 기록 시간의 동기화를 위한 장치라고 할 수 있다.
GPS(Global Positioning System) 또는 범지구위치 결정 시스템은 현재 GLONASS와 함께 완전하게 운용되고 있는 범지구 위성항법 시스템이다.
GPS수신기는 세 개 이상의 GPS 위성으로부터 송신된 신호를 수신하여 위성과 수신기의 위치를 결정하게 된다. 위성에서 송신된 신호와 수신기에서 수신된 신호의 시간차를 측정하면 위성과 수신기 사이의 거리를 구할 수 있는데, 이때 송신된 신호에는 위성의 위치에 대한 정보가 들어 있다. 최소한 세 개의 위성과의 거리와 각 위성의 위치를 알게 되면 삼변 측량에서와 같은 방법을 이용해 수신기의 위치를 계산할 수 있다. 그러나 시계가 완전히 정확하지 않기 때문에 오차를 보정하고자 보통 네개 이상의 위성을 이용해 위치를 결정하게 된다.
GPS 위성으로부터 송신된 신호를 이용해 좌표를 계산하기 위해서는 정밀한 시계가 필요한데, GPS 위성에서는 고정밀의 원자시계가 탑재되어 있으며, GPS 수신기는 필요한 정밀도에 따라서 원자시계 또는 수정발진기를 이용한 시계 등이 탑재되어 있다.
GPS에서의 모든 장치와 함수들은 PPS 신호에 기초를 두고 있다. PPS 신호는 하나의 펄스로서, 이 신호로 GPS 위성과 수신 장치의 시간을 일치시키고 이를 바탕으로 4개 이상의 위성과 수신기 간의 거리를 측정함으로써 위치를 확정할 수 있는 시간의 기초가 된다. PPS 신호는 1초 이내에 매우 정확히 반복적으로 상승과 하강을 하는 전기적인 신호이다. 이 PPS 신호의 경우 항로표시나 주파수 표준, 여러 정밀 Oscillator, 그리고 GPS 수신기 등에서 출력된다. PPS 신호의 경우 12 picosecond에서 microsecond의 오차범위를 가지고 있으며 하루 동안에 2 nanosecond에서 millisecond의 오차 범위를 가진다.
기존의 기술에서 사용되어 왔던 무선 방식의 Trigger의 경우 시간 오차와 음원과 수신 기록 시간을 동기화하는데 있어 오차가 발생하였다. 이에 본 실시예에 따른 탐사시스템은 해양 굴절법 탄성파 탐사에서 중요시되는 P파의 초동을 확인하는 과정에서 발생하는 음원과 수진부 사이의 시간의 동기화를 위해, 해양 굴절법 탄성파 탐사의 목표 주파수를 제어하는 방식으로 GPS 수신부(110)에서 수신하여 출력되는 PPS 신호를 이용하여 종래의 방법보다 정밀한 시간 동기화와 동시 제어신호를 줄 수 있는 방법과 제어 시스템을 제공하며, 본 실시예에서는 GPS 수신부(110)의 기기적인 오차가 10ns 이내인 GPS의 PPS 신호를 이용하여 가장 정밀한 Trigger synchronization을 이루고자 하였다.
PPS 신호의 경우 GPS 신호를 수신부에서 수신하여 외부로 송출되는 신호 중 5V의 위상을 가지는 신호로서 PPS 신호를 이용하기 위해 본 실시예에서는 PPS 신호만을 인식 및 송출 제어 가능한 마이크로 컨트롤러(120)가 이용되었고 단순히 1초 간격으로 송출되는 PPS 신호를 목표로 하는 신호 간격으로 조절 가능하도록 하였다.
그리고 GPS 수신부(110)로부터 GPS 신호가 원활히 수신되는지, 사용자에 의한 시작신호 입력이 있는지, 제1 제어부(101) 및 제2 제어부(102)로부터 음원부(200)나 기록부(400)로 신호를 명확히 주고 있는지, 신호 출력 시간 간격이 정확한지 등을 직관적으로 파악할 수 있도록, 제1 제어부(101) 및 제2 제어부(102) 각각은 신호표시 장치로서 신호의 입력 또는 출력에 따라 발광하는 적어도 하나 이상의 LED(150)를 더 포함할 수 있다. 또한, 외부로부터 신호를 입력 및 출력할 수 있는 연결 부분과 이 모든 시스템에 전원을 공급하기 위한 전원 공급장치를 포함할 수 있다.
음원부(200)와 기록부(400)의 발파 및 기록의 시간 동기화를 위한 장치인 제1 제어부(101) 및 제2 제어부(102)는 크기가 작고 외부로부터 독립적이기에 다른 시스템으로의 확장 적용이 매우 용이하다. 즉 명령신호를 이용하여 시간 동기화할 수 있는 어떠한 시스템에라도 적용이 가능하다.
GPS 수신부(110)의 PPS 신호를 이용하는 시간 동기화를 위한 제1 제어부(101) 및 제2 제어부(102)는 도 2, 도 4 및 도 5에서 보는 것과 같이 외부로부터 5V의 전원이 입력되는 전원부(160)와 그 연결부(161), 그리고 GPS 위성으로부터 GPS 신호를 수신할 수 있는 GPS 수신부(110)가 포함될 수 있고, 사용자가 원하는 시작 지점의 신호를 입력할 수 있는 입력부(140)를 포함할 수 있다.
또한, 내부 구성은, 음원과 자료 기록 간격을 초기에 설정하여 목표로 하는 명령 신호의 시간 간격을 설정 가능토록 하는 명령신호 인터벌 컨트롤러(130)를 포함하며, 여기서 초기 설정된 시간 간격이 마이크로 컨트롤러(120)로 입력된다. GPS 신호는 내부의 GPS 수신부(110)에서 우선적으로 수신과 증폭의 과정을 통해 입력된 후, 마이크로 컨트롤러(120)로 전달된다. 이때 전달되는 신호는, TX, RX, 3D-Fix, PPS 신호 형태로 전송될 수 있다.
이렇게 마이크로 컨트롤러(120)로 전달된 GPS 신호 중 시간동기화에 필요한 PPS 신호만이 선택적으로 송출되며, 이때 GPS 수신부(110)로 수신된 GPS 신호의 경우 LED 녹색으로 신호 수신 여부를 쉽게 알 수 있다. 외부에서부터 임의의 시작명령이 입력되는 시작신호는 사용자가 원하는 시간에 마이크로 컨트롤러(120)를 통해 PPS 신호만을 송출하는 신호로서 마이크로 컨트롤러(120)를 거쳐 LED 황색으로 신호 입력시 작동되도록 직관적으로 사용자에게 정보가 보인다. PPS 신호는 명령신호 인터벌 컨트롤러(130)의 설정값에 따라서 마이크로 컨트롤러(120)를 거쳐 LED 적색으로 표시되어 사용자가 원하는 명령신호는 적색 LED로 점멸되는 것을 통해 확인 가능하다.
최종적으로 명령신호 형태가 된 GPS의 PPS 신호는 해양 탄성파 탐사에서 음원의 명령신호(발파신호)로 송출되며, 자료 저장 시스템(기록부; 400)에 자료 저장 간격을 명령하는 명령신호가 되기도 한다. 이외의 원하는 다른 시스템의 시작 내지 제어 명령의 신호로 이용될 수 있다.
GPS 수신부(110)의 PPS 신호를 이용한 시간 동기화를 적용한 경우로서 시간 오차를 확인하기 위해 실제로 서로 다른 장치에서의 시간 오차 실험을 실시한 결과, 도 4에 나타나는 바와 같이 25ns 이내의 시간 오차가 관측되었다. 이는 기존의 시간 동기화 방법들 중에서 가장 낮은 수치의 오차이며, 굴절법 해양 탄성파 탐사의 자료취득 시간간격(Sampling interval)의 10분의 1 수준으로 매우 정밀한 시간 동기화가 이루어진다.
GPS 신호의 경우 외부 환경에서 어느 곳에서나 수신이 가능하기 때문에 근거리에서만 작동하는 것이 아니라 원하는 거리는 어디에서든 시간 동기화가 가능하게 해준다. 또한 독립성이 강한 특징을 이용해서 시스템의 추가가 쉬우며, 추가 자료 저장장치를 운영하거나 다른 주파수의 음원을 이용하는 선박을 추가 운영시 쉽게 시스템을 구성, 운영할 수 있다.
해양 굴절법 탄성파 탐사는 음파가 지하에서 굴절되어 가장 빨리 돌아오는 신호의 시간을 이용하여 토모그래피 방법을 통해 지하의 물리적 특성인 속도를 파악하는 방법으로서, 해양 굴절법 탄성파 탐사에서 사용되는 음원으로는 에어건(Air-gun; 201)이 사용될 수 있다. 이러한 음원을 해저면에 고정시키고 수신기를 수중에서 이동하면서 탐사하는 방법에서는 해저면에 음원을 고정하기 위한 거치대(202)가 필요하다.
구체적으로, 본 실시예에 따른 탐사시스템의 음원부(200)는 에어건(201)을 포함하며, 에어건(201)을 해저면에 안정적으로 고정시키는 거치대(202)로서 에어건(201)을 내부 공간에 수용하면서 음원부(200)가 해저면 상에 배치되었을 때 에어건(201)이 해저면으로부터 상향으로 이격되어 배치되도록 에어건(201)을 거치하는 거치대(202)를 포함한다.
더욱 구체적으로, 거치대(202)는 도 6에 도시된 바와 같이 '몸체'를 이루는 거치프레임(210)과 덮개(220)로 구성될 수 있다. 거치프레임(210)은 거치대(202)가 해저면 상에 안착했을 때 해저음원(에어건; 201)이 해저면으로부터 상향으로 이격되는 일정한 높이에 고정되게끔 제작된 구성이고, 덮개(220)는 해저음원이 발파되었을 때 음파에너지가 덮개(220)에 의하여 상부로 전달되는 것을 최소화하고 해저지층으로 강한 에너지가 최대한 전달될 수 있도록 제작된 구성이다. 거치대(202) 내 거치된 에어건(201)의 전후좌우(사방)의 측방향 공간과 상방향 공간은 덮개(220)에 의해 덮이며, 거치대(202)는 덮개(220)의 하측에서 거치대(202)의 내부 공간이 측방향으로 개방되는 개방부(203)를 가지게 된다.
거치프레임(210)은 하부면에 면상의 판(211), 예컨대 철판을 부착함으로써 해저면과 거치대(202)가 완벽하게 밀착되어 결합력이 강화될 수 있으며, 철판이 음원 타격판 역할을 함으로써 음파가 해저지층으로 잘 전달될 수 있다.
덮개(220)는, 상부로의 음파에너지 방출을 차폐하여 최소화하고 해저면 방향으로 음원에너지가 집중하도록, 서로 다른 매질로 된 적어도 2 이상의 재료가 거치대(202)의 내외방향으로 접합되어 이루어질 수 있으며, 예컨대 나무재질인 합판을 이중으로 겹쳐 제작하되 합판과 합판 사이에 고무판을 넣어 음파의 투과를 막고 해저지층으로 전달되는 음파에너지를 증가시킬 수 있도록 제작될 수 있다.
도 7에 도시된 거치대(202) 전체 골격인 거치프레임(210)은 해수에 녹슬지 않고 오래 보존하기 위해 스테인레스강 재질로 제작될 수 있다.
음원인 에어건(201)을 안정적으로 거치시키기 위해, 일례로서 샤클, 아이볼트, 쇠사슬을 사용하여 에어건(201)을 거치프레임(210) 내부 공간에 수용하여 거치시킬 수 있으며 해저면으로부터 상향으로 일정 높이 이격되는 위치에 고정시킬 수 있다. 그리고 거치대(202)의 하중 대칭을 위하여 거치대(202) 하부의 판(211)에는 웨이트(Weight;212)를 탈착 가능하도록 구비하여 해저면에 안정적으로 안착시키는 구조를 가지도록 할 수 있다.
덮개(220)는 도 8에 도시된 바와 같이 하부를 제외한 전면에 대해 판넬을 부착하여 음파 에너지가 프레임의 하부로 집중될 수 있도록 설계될 수 있으며, 판넬의 경우 모든 면에 대해 탈부착이 가능하도록 제작될 수 있다. 그리고 도 9에 도시된 바와 같이, 덮개(220)는 3중 구조로 이루어질 수 있으며 합판-고무-합판 순으로 결합을 하여 매질의 밀도 차이에 따른 음파 전달을 차단하고, 하부로만 음원을 집중시키는 구조로 제작될 수 있다. 또한 덮개(220)의 꼭대기 부분에 틈(221)을 형성함으로써 에어건(201) 발파 후 발생하는 공기를 외부로 잘 유출될 수 있도록 유도한다.
덮개(220)를 사용할 때 해저면에 음원의 에너지를 집중시키는 효과를 가지며, 사용하지 않을 경우 구형 발산하여 사방으로 퍼져나가고, 이때 탄성파의 전달거리는 덮개(220)를 사용할 경우에 먼 거리까지 탄성파가 전달된다.
도 10은 본 실시예에 포함되는 거치대(202)의 현장 적용 사진으로, 크레인이 설치된 선박을 사용하여 거치대(202)를 이양 및 권양를 하며, 해저면에 안정적으로 착지시킬 수 있다.
도 11은 본 실시예에 따른 탐사시스템에 의한 탐사 결과 단면도를 나타낸 그림으로, 에어건(201)으로부터 발생된 수중 음파가 해저 지층의 경계에 반사 및 굴절되어 강한 에너지를 가지고 수신되는 것을 확인할 수 있다.
다중채널 스트리머(300)는 도 12에 도시된 바와 같이 다수의 채널이 띠 형태로 이어지도록 형성되고, 다수의 채널 각각에는 음파신호 수신부(310)가 구비된다. 이러한 스트리머는 제2 선박(12; 도 1 참조)의 후미에서 조사측선을 따라 예인되면서 탐사를 수행할 수 있다.
다중채널 스트리머(300)의 채널별로 구비되는 음파신호 수신부(310)에는 음원부(200)에서 발생한 수중 음파가 해저 지층의 경계에서 굴절되어 강한 에너지를 가지고 전파되어 수신된다. 음파신호 수신부(310)는 예컨대 하이드로폰(hydrophone) 3개와 프리앰프(preamplifier) 1개로 구성될 수 있으며, 이 경우 단독으로 구성된 수신부보다 높은 해상도의 음파신호 자료를 획득할 수 있다.
음파신호 수신부(310)가 구비되는 채널은 스트리머에서 일정한 간격, 예컨대 4m 간격을 가지도록 배치될 수 있다. 그에 따라 음파신호 수신부(310)도 정해진 간격을 가지면서 배치되며, 음파신호 수신부(310) 사이의 정해진 간격은 수신부의 정확한 위치를 계산하기 위한 데이터로 사용될 수 있다.
다중채널 스트리머(300)의 전단에는 헤더부이(Header-buoy;320)가, 그리고 후단에는 테일부이(Tail-buoy;330)가 연결되어 다중채널 스트리머(300)와 일렬로 예인될 수 있다. 헤더부이(320) 또는 테일부이(330)의 일례의 구조는 도 13에 제시된다.
헤더부이(320)에는 헤더 GPS(321)가, 그리고 테일부이(330)에는 테일 GPS(331)가 설치된다. 헤더 GPS(321) 및 테일 GPS(331)는 음파신호 수신부(310)의 정확한 위치 계산을 위하여 이용되며, 음파신호 수신부(310) 사이의 간격과 동일한 간격을 가지도록 배치될 수 있다. 구체적으로, 예컨대 음파신호 수신부(310) 간 간격이 4m 일 경우, 헤더 GPS(321)가 설치되는 헤더부이(320)는 다중채널 스트리머(300)의 최전방 채널로부터 4m 이격되어 배치되도록 연결될 수 있다. 테일 GPS(331)가 설치되는 테일부이(330) 또한 다중채널 스트리머(300)의 최후방 채널로부터 4m 이격되어 배치되도록 연결될 수 있다.
수중 음파신호는 일정 시간 간격으로 다중채널 스트리머(300)의 음파신호 수신부(310)를 통해 수신되고, 수신된 음파신호는 탐사선에 탑재될 수 있는 기록부(400)에 전송된다. 다중채널 스트리머(300)의 전, 후방에 배치된 헤더 GPS(321) 및 테일 GPS(331)에서 획득한 GPS 위치정보 또한 기록부(400)로 전송될 수 있다. 기록부(400)에서는 전송받은 음파신호 정보와 GPS 위치정보가 동기화되어 저장되는 동시에, 음파 발생시간과 음파신호가 각 채널의 수신부에 처음으로 도달된 도달시간이 계산되며, 또한 다중채널 스트리머(300)의 전, 후방에 배치된 헤더 GPS(321) 및 테일 GPS(331)의 위치정보를 이용하여 각 채널별 음파신호 수신부(310)의 위치가 계산된다. 이 계산된 정보를 통해 수신된 탄성파를 이용한 정확한 해저 지층의 분석이 이루어진다.
본 실시예에 따른 탐사시스템은 탐사선이 조사측선을 따라 운행되면서 탐사를 진행할 때 다중채널 스트리머(300)가 탐사선 후미의 좌측 또는 우측에서 예인되거나, 조류나 바람, 해수의 마찰력에 의해 탐사선의 운행방향을 따라 예인되지 못하고 기울어져 사선으로 예인되는 경우라도, 다중채널 스트리머(300)의 헤더부이(320)에 설치된 헤더 GPS(321) 및 테일부이(330)에 설치된 테일 GPS(331)에 의하여 음파신호 수신부(310)의 정확한 위치가 파악될 수 있고, 그에 따라 탄성파에 관한 더욱 정확한 분석이 수행될 수 있다.
종래 기술에서처럼 탐사선에 배치된 GPS 위치를 기준점으로 하거나 또는 단일채널 스트리머 전방의 어느 예인체의 GPS 위치만을 기준점으로 사용하게 되면, 스트리머 수신부의 위치는 기준이 된 GPS 위치에서 탐사선의 예인방향을 따라 직선으로 계산되기 때문에, 음파신호 수신부(310)의 계산된 위치와 실제 위치 간 오차가 발생한다. 본 실시예에 따른 탐사시스템은 헤더 GPS(321) 및 테일 GPS(331) 모두를 이용하여 음파신호 수신부(310)의 위치를 결정하므로 이러한 종래 기술의 문제점이 해소된다.
헤더 GPS(321) 및 테일 GPS(331)는 DGPS(Differential GPS)와 블루투스 시스템을 포함할 수 있으며, 기록부(400)와 무선통신으로 자료를 송수신하여 각 채널별 음파신호 수신부(310)의 위치정보를 전송할 수 있다.
기록부(400)는 음파신호를 증폭하고 음파의 주파수를 필터링하기 위한 아날로그 신호처리기, 아날로그의 음파신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 A/D 변환기, 헤더 GPS(321) 및 테일 GPS(331)의 위치정보를 무선통신하기 위한 다중포트 수신부, 음파신호의 도달시간 계산 등 시스템 전체를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다. 여기서 제어부는 연산처리 및 탐지시스템 제어용 프로그램이 설치된 컴퓨터(PC)로 구성될 수 있다.
이상 본 발명의 실시예에 관하여 설명하였으나, 이 실시예는 바람직한 예를 나타내는 것일 뿐, 본 발명이 이 실시예로만 한정되는 것은 아니다. 관련 기술 분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 이 실시예로부터 다양한 변형이나 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
101: 제1 제어부 102: 제2 제어부
110: GPS 수신부 120: 마이크로 컨트롤러
130: 명령신호 인터벌 컨트롤러 140: 입력부
150: LED 160: 전원부
200: 음원부 201: 에어건
202: 거치대 203: 개방부
210: 거치프레임 220: 덮개
300: 다중채널 스트리머 310: 음파신호 수신부
320: 헤더부이 321: 헤더 GPS
330: 테일부이 331: 테일 GPS
400: 기록부

Claims (10)

  1. 해양 탄성파 탐사를 위한 음원부(200)로서,
    에어건(Air-gun;201); 및
    에어건(201)을 내부 공간에 수용하면서 음원부(200)가 해저면 상에 배치되었을 때 에어건(201)이 해저면으로부터 상향으로 이격되어 배치되도록 에어건(201)을 거치하는 거치대(202);를 포함하며,
    상기 거치대(202)는 에어건(201)이 거치대(202)에 거치된 상태에서 에어건(201)의 사방(四方)의 측방향 공간 및 상방향 공간을 덮는 덮개(220)를 포함하고, 덮개(220)의 하측에서 거치대(202)의 내부 공간이 측방향으로 개방된 개방부(203)를 가지는 것을 특징으로 하는 해양 탄성파 탐사를 위한 음원부.
  2. 음파를 발생시키는 음원부(200);
    다수의 채널을 포함하며, 채널별로 음파신호 수신부(310)를 구비하여 음파신호를 수신하는 다중채널 스트리머(Multi-channel streamer;300);
    음파신호 수신부(310)에서 획득한 음파신호를 전송받아 기록하는 기록부(400);
    음원부(200)에 연결되며 음원부(200)에 음파를 발생시키는 명령신호(Key signal)를 전송하는 제1 제어부(101); 및
    기록부(400)에 연결되며 기록부(400)에 음파 신호 기록을 개시하는 명령신호(Key signal)를 전송하는 제2 제어부(102);를 포함하는 해양 굴절법 탄성파 탐사시스템으로서,
    음원부(200)는 에어건(Air-gun;201)과, 에어건(201)을 내부 공간에 수용하면서 음원부(200)가 해저면 상에 배치되었을 때 에어건(201)이 해저면으로부터 상향으로 이격되어 배치되도록 에어건(201)을 거치하는 거치대(202)를 포함하며,
    거치대(202)는 에어건(201)이 거치대(202)에 거치된 상태에서 에어건(201)의 사방(四方)의 측방향 공간 및 상방향 공간을 덮는 덮개(220)를 포함하고, 덮개(220)의 하측에서 거치대(202)의 내부 공간이 측방향으로 개방된 개방부(203)를 가지는 것을 특징으로 하는 해양 굴절법 탄성파 탐사시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    제1 제어부(101) 및 제2 제어부(102) 각각은,
    - GPS 수신부(110),
    - 사용자에 의한 시작신호 입력에 따라 GPS 수신부(110)로부터 PPS(Pulse per Second) 신호를 전송받으며, 명령신호로서 PPS 신호를 미리 입력된 시간 간격마다 독립적으로 전송하는 마이크로 컨트롤러(Micro controller;120), 및
    - 상기 시간 간격을 설정하는 명령신호 인터벌 컨트롤러(Key signal interval controller;130)
    를 포함하여, GPS 신호 중 PPS 신호를 명령신호로서 전송하되 서로 시간 동기화되어 설정된 시간 간격에 따라 음원부(200)와 기록부(400)에 전송하는 것을 특징으로 하는 해양 굴절법 탄성파 탐사시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    제1 제어부(101) 및 제2 제어부(102) 각각은, GPS 수신부(110)에서의 GPS 신호 입력시, 사용자에 의한 시작신호 입력시, 또는 명령신호 전송시에 발광하는 하나 이상의 LED(150)를 포함하는 것을 특징으로 하는 해양 굴절법 탄성파 탐사시스템.
  5. 청구항 2에 있어서, 덮개(220)는,
    서로 다른 매질로 된 적어도 2 이상의 재료가 거치대(202)의 내외방향으로 접합되어 이루어져 상방향의 음파 전달을 차폐하여 해저면 방향으로 음원에너지가 집중하도록 하는 것을 특징으로 하는 해양 굴절법 탄성파 탐사시스템.
  6. 청구항 2 또는 5에 있어서,
    거치대(202)의 하부는, 거치대(202)와 해저면 간 결합력이 강화되도록 면상의 판(211)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 해양 굴절법 탄성파 탐사시스템.
  7. 청구항 2 또는 5에 있어서,
    덮개(220)는 꼭대기 부분에 틈(221)이 형성되어 에어건(201) 발파 후 발생하는 공기가 외부로 유출되도록 하는 것을 특징으로 하는 해양 굴절법 탄성파 탐사시스템.
  8. 청구항 2에 있어서,
    다중채널 스트리머(300)의 전단과 후단에 연결되어 다중채널 스트리머(300)와 일렬로 예인될 수 있는 헤더부이(Header-buoy;320)와 테일부이(Tail-buoy;330); 및
    헤더부이(320) 및 테일부이(330) 각각에 설치되어 음파신호 수신부(310)의 위치정보를 획득하는 헤더 GPS(321)와 테일 GPS(331);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 해양 굴절법 탄성파 탐사시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 다수의 채널은 일정한 간격을 가지며, 헤더부이(320)는 다중채널 스트리머(300)의 최전방 채널로부터, 그리고 테일부이(330)는 다중채널 스트리머(300)의 최후방 채널로부터 상기 다수의 채널 간 간격과 동일한 간격을 가지도록 배치하여 각 채널의 위치를 결정하는 것을 특징으로 하는 해양 굴절법 탄성파 탐사시스템.
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