KR101938724B1 - Seismic imaging of water column structure apparatus and method using frequency-domain reverse-time migration with analytic Green's function - Google Patents

Seismic imaging of water column structure apparatus and method using frequency-domain reverse-time migration with analytic Green's function Download PDF

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KR101938724B1
KR101938724B1 KR1020170108828A KR20170108828A KR101938724B1 KR 101938724 B1 KR101938724 B1 KR 101938724B1 KR 1020170108828 A KR1020170108828 A KR 1020170108828A KR 20170108828 A KR20170108828 A KR 20170108828A KR 101938724 B1 KR101938724 B1 KR 101938724B1
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water
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green function
function
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강승구
장우근
홍종국
진영근
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한국해양과학기술원
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  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

Disclosed are a medullary layer imaging device and method using an analytical green function and frequency-domain inverse time structure correction. When frequency-domain inverse time structure correction is applied to medullary layer imaging, a high-resolution medullary layer image including a high frequency component is efficiently obtained by replacing a numerical solution of a wave equation which requires a significant amount of calculation with a solution of the analytical green function. The present invention improves calculation efficiency of a computer for constructing the medullary layer image, and can construct the high-resolution medullary layer image including the high frequency component from seismic survey data obtained in the sea. An obtained high-resolution seismic medullary layer image can find distribution of properties (water temperature, salinity, etc.) of a continuous medullary layer in a survey area. The present invention performs marine physical research of confirming how different property ocean currents are mixed and to which level large-scale ocean current circulation is generated.

Description

해석적 그린 함수와 주파수-영역 역시간 구조보정을 이용한 수층 이미징 장치 및 방법{Seismic imaging of water column structure apparatus and method using frequency-domain reverse-time migration with analytic Green's function}[0001] The present invention relates to a water-based imaging apparatus and method using an analytic green function and a frequency-domain inverse time structure correction,

본 발명은 해석적 그린 함수와 주파수-영역 역시간 구조보정을 이용한 수층 이미징 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 주파수-영역 역시간 구조보정 시 상당량의 계산을 요하는 파동 방정식의 수치적 풀이를 해석적 그린 함수의 풀이로 대체하는 장치 및 방법에 관한 것이다.Field of the Invention The present invention relates to a water-based imaging apparatus and method using analytical Green's function and frequency-domain inverse time structure correction, and more particularly to a numerical solution of a wave equation requiring a large amount of computation in frequency- To a solution of an analytic Green function.

양방향 파동방정식을 이용한 역시간 구조보정 기법(two-way wave-equation based reverse-time migration)은 단방향 구조보정 기법에 비해 훨씬 많은 계산 자원(computational resources)을 요구한다. 이 기법은 반사파, 굴절파, 다중 반사파, 다중 굴절파 등을 처리할 수 있을 뿐 아니라 실질적으로 지하 구조의 경사도에 따른 제한(dip limitation)없이 지하 구조의 영상화가 가능하고, 실제 진폭을 가장 잘 보존할 수 있기 때문에 컴퓨팅 기술의 급속한 발전에 따라 현재 널리 이용되고 있다. 종래에 사용되는 주파수-영역 역시간 구조보정법은 복잡한 지하 매질의 이미지 획득을 염두해 개발되어 왔고 따라서 불균질 매질(heterogeneous media)에 대해 복소 임피던스 행렬을 풀어야 한다. 이때 복소 임피던스 행렬의 희소성 및 탄성파 탐사의 멀티샷 상황(multi-shot simulation)을 고려하여 멀티-프론탈 다이렉트 솔버(multi-frontral direct solver)를 이용해 왔다. 다이렉트 솔버를 이용해 한번의 복소 임피던스 행렬 인수분해(factorization)를 수행하면 역시간 구조보정 획득에 필요한 모델링 파동장의 계산과 관측된 데이터의 후방 전파를 각각 전방향/후방향 대체(forward/backward substitution)으로 효율적으로 계산할 수 있다. 그러나 유한 요소법을 이용해 복소 임피던스 행렬을 구성할 때 음파 전파 모델링은 파장당 격자수에 따른 계산 오차, 특히 오차의 확산(dispersion) 및 오염(pollution) 문제가 발생한다. 예를 들어, 최대 주파수 128 Hz의 문제를 풀기 위해서는 격자 크기가 0.71 m 정도로 작아져야 하지만 이러한 격자 크기로 100 km(distance) x 2~3 km(depth) 크기의 문제에 대하여 3차원 파형 전파 모델링을 계산하는 것은 주파수-영역에서 cpu의 속도 및 메모리의 한계로 인해 현재의 컴퓨팅 환경으로는 구현하기 어렵다.Two-way wave-equation based reverse-time migration using two-way wave equations requires much more computational resources than uni-directional structure correction. In addition to being able to process reflections, reflections, reflections, multiple reflections and multiple refraction waves, it is possible to visualize the underground structure without substantially limiting the underground structure's slope, And is now widely used due to the rapid development of computing technology. Conventionally, the frequency-domain inverse temporal correction method has been developed with a view to image acquisition of a complex underground medium, and thus a complex impedance matrix has to be solved for a heterogeneous medium. At this time, a multi-frontal direct solver has been used in consideration of the complexity of the complex impedance matrix and the multi-shot simulation of seismic exploration. By performing a single complex impedance matrix factorization with a direct solver, the computation of the modeling wave field required to obtain the inverse time structure correction and the backward propagation of the observed data are respectively forward / backward substituted Can be calculated efficiently. However, when constructing the complex impedance matrix using the finite element method, the acoustic wave modeling has a problem of calculation error, especially dispersion of errors and pollution according to the number of lattices per wavelength. For example, to solve the problem of the maximum frequency of 128 Hz, the grid size should be as small as 0.71 m. However, the three-dimensional waveform propagation modeling is required for 100 km (distance) x 2 ~ 3 km (depth) Calculations are difficult to implement in today's computing environments due to the speed and memory limitations of the cpu in the frequency-domain.

한국공개특허 제2013-0105493호 (서울대학교산학협력단) 2013. 9. 25. 특허문헌 1은 역시간 구조보정 알고리즘을 사용한 탄성파 영상화 시스템으로서, 특허문헌 1에는 주파수 영역에서 로그 변환된 측정 파동장과 모델링 파동장의 비를 후방전파시키고, 후방 전파된 측정 데이터를 산출된 가상 송신원과 컨볼루션하는 내용이 개시되어 있다.Korean Patent Laid-Open Publication No. 2013-0105493 (Seoul National University, Industry & University Collaboration) 2013. 9. 25. Patent Document 1 discloses an elastic wave imaging system using an inverse time structure correction algorithm. In Patent Document 1, Discloses a technique of rear propagating a ratio of a modeling wave field and convoluting backward propagated measurement data with a calculated virtual transmission source.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 주파수-영역 역시간 구조보정을 수층 이미징에 적용할 때, 상당량의 계산을 요하는 파동 방정식의 수치적 풀이를 해석적 그린 함수의 풀이로 대체하여 효율적으로 고주파수 성분이 포함된 고해상도 수층 이미지를 획득하는 해석적 그린 함수와 주파수-영역 역시간 구조보정을 이용한 수층 이미징 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a method and an apparatus for solving a problem in which a numerical solution of a wave equation requiring a large amount of calculation is replaced with a solution of an analytical Green function, Resolution inverse temporal structure correction to obtain a high-resolution water-layer image including the high-resolution water-

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 해석적 그린 함수와 주파수-영역 역시간 구조보정을 이용한 수층 이미징 장치는, 수신기들로부터 측정된 관측 데이터로부터 해석적 그린 함수를 이용해 송신 파형을 역산하여 송신원을 추정하는 송신원 추정부; 상기 송신원 추정부에서 추정된 송신원을 이용해 관측 데이터를 디컨볼루션하는 송신원 디컨볼루션부; 및 상기 송신원 디컨볼루션부에서 디컨볼루션된 관측 데이터 정보를 입력받아 해석적 그린 함수를 이용하여 주파수-영역 역시간 구조보정을 처리하는 구조보정부;를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a water-based imaging apparatus using an analytic Green function and frequency-domain inverse time structure correction, the method comprising the steps of: A transmission source estimating unit estimating a transmission source; A transmission source deconvolution unit for deconvoluting observation data using the transmission source estimated by the transmission source estimation unit; And a structure corrector receiving the deconvoluted observation data information from the transmission source deconvolution unit and processing the frequency-domain inverse time structure correction using an analytic green function.

상기 송신원 추정부는

Figure 112017083227756-pat00001
과 같이 수신기들로부터 측정된 관측 데이터와 송신원 위치
Figure 112017083227756-pat00002
에서 수신기 위치
Figure 112017083227756-pat00003
으로 전파하는 해석적 그린함수를 사용하여 송신원을 추정할 수 있다.The transmission source estimating unit
Figure 112017083227756-pat00001
The measured data from the receivers and the source location
Figure 112017083227756-pat00002
Receiver position in
Figure 112017083227756-pat00003
The transmission source can be estimated using the analytical green function that propagates to the receiver.

상기 송신원 디컨볼루션부는

Figure 112017083227756-pat00004
과 같이 추정된 송신원을 이용해 수신기들로부터 측정된 관측 데이터를 디컨볼루션할 수 있다.The transmission source deconvolution unit
Figure 112017083227756-pat00004
Lt; RTI ID = 0.0 > the < / RTI > receiver using the estimated source as shown in FIG.

상기 구조보정부는 해석적 그린 함수를 이용하여 가상음원을 추정하는 가상음원 추정부; 해석적 그린 함수를 이용하여 디컨볼루션된 관측 데이터를 후방 전파하는 후방 전파부; 및 상기 가상음원 추정부를 통해 추정된 가상음원과 상기 후방 전파부를 통해 디컨볼루션한 관측 데이터를 후방 전파한 결과를 이용해 수층 이미지를 획득하는 후처리부;를 포함할 수 있다.Wherein the structure correcting unit comprises: a virtual sound source estimating unit for estimating a virtual sound source using an analytic Green function; A rear propagating unit for backward propagating the deconvoluted observation data using an analytic green function; And a post-processing unit for acquiring a water layer image using a result of backward propagation of the virtual sound source estimated through the virtual sound source estimation unit and the observation data deconvoluted through the rear propagation unit.

상기 가상음원 추정부는

Figure 112017083227756-pat00005
과 같이 송신원 위치
Figure 112017083227756-pat00006
에서 산란 지점(scattering point)
Figure 112017083227756-pat00007
으로 전파하는 해석적 그린 함수를 사용하여 가상음원을 추정할 수 있다.The virtual sound source estimating unit
Figure 112017083227756-pat00005
The transmission source position
Figure 112017083227756-pat00006
Scattering point < RTI ID = 0.0 >
Figure 112017083227756-pat00007
The virtual sound source can be estimated using the analytical green function that propagates to the sound source.

상기 후방 전파부는

Figure 112017083227756-pat00008
와 같이 수신기 위치
Figure 112017083227756-pat00009
에서 산란 지점
Figure 112017083227756-pat00010
으로 전파하는 해석적 그린 함수를 사용하여 상기 송신원 디컨볼루션부에서 디컨볼루션된 관측 데이터를 후방 전파 처리할 수 있다.The rear-
Figure 112017083227756-pat00008
Receiver position
Figure 112017083227756-pat00009
Scattering point
Figure 112017083227756-pat00010
The deconvoluted observation data in the transmission source deconvolution unit can be back propagated.

상기 후처리부는

Figure 112017083227756-pat00011
와 같이 상기 가상음원 추정부에서 추정된 가상음원과 상기 후방 전파부에서 디컨볼루션된 관측 데이터를 후방 전파 처리한 결과를 이용하여 수층 이미지를 획득할 수 있다.The post-
Figure 112017083227756-pat00011
A water layer image can be acquired using the result of back propagation processing of the virtual sound source estimated by the virtual sound source estimating unit and the observation data deconvoluted at the rear propagating unit as shown in FIG.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 해석적 그린 함수와 주파수-영역 역시간 구조보정을 이용한 수층 이미징 방법은, 수신기들로부터 측정된 관측 데이터로부터 해석적 그린 함수를 이용해 송신 파형을 역산하여 송신원을 추정하는 단계; 추정된 송신원을 이용해 관측 데이터를 디컨볼루션하는 단계; 및 디컨볼루션된 관측 데이터 정보를 입력받아 해석적 그린 함수를 이용하여 주파수-영역 역시간 구조보정을 처리하는 단계;를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of imaging a water layer using an analytic Green function and a frequency-domain inverse time structure correction, the method comprising the steps of: Estimating a transmission source; Deconvoluting observation data using an estimated transmission source; And processing the frequency-domain inverse time structure correction using the analytic green function by receiving the deconvoluted observation data information.

상기 송신원 추정 단계는

Figure 112017083227756-pat00012
과 같이 수신기들로부터 측정된 관측 데이터와 송신원 위치
Figure 112017083227756-pat00013
에서 수신기 위치
Figure 112017083227756-pat00014
으로 전파하는 해석적 그린함수를 사용하여 송신원을 추정하는 것으로 이루어질 수 있다.The source estimating step
Figure 112017083227756-pat00012
The measured data from the receivers and the source location
Figure 112017083227756-pat00013
Receiver position in
Figure 112017083227756-pat00014
And estimating the transmission source using an analytic Green function propagating to the receiver.

상기 디컨볼루션 단계는

Figure 112017083227756-pat00015
과 같이 추정된 송신원을 이용해 수신기들로부터 측정된 관측 데이터를 디컨볼루션하는 것으로 이루어질 수 있다.The deconvolution step
Figure 112017083227756-pat00015
And deconvoluting the observed data measured from the receivers using the estimated transmission source as shown in FIG.

상기 구조보정 단계는 해석적 그린 함수를 이용하여 가상음원을 추정하는 단계; 해석적 그린 함수를 이용하여 디컨볼루션된 관측 데이터를 후방 전파하는 단계; 및 추정된 가상음원과 디컨볼루션한 관측 데이터를 후방 전파한 결과를 이용해 수층 이미지를 획득하는 단계;를 포함할 수 있다.Wherein the structure correcting step comprises: estimating a virtual sound source using an analytic Green function; Backward propagating the deconvoluted observation data using an analytic Green function; And acquiring a water-layer image using a result of backward propagation of the observational data with the estimated virtual sound source and deconvolution.

상기 가상음원 추정 단계는

Figure 112017083227756-pat00016
과 같이 송신원 위치
Figure 112017083227756-pat00017
에서 산란 지점(scattering point)
Figure 112017083227756-pat00018
으로 전파하는 해석적 그린 함수를 사용하여 가상음원을 추정하는 것으로 이루어질 수 있다.The virtual sound source estimating step
Figure 112017083227756-pat00016
The transmission source position
Figure 112017083227756-pat00017
Scattering point < RTI ID = 0.0 >
Figure 112017083227756-pat00018
And then estimating the virtual sound source using the analytic green function propagating to the virtual sound source.

상기 후방 전파 단계는

Figure 112017083227756-pat00019
와 같이 수신기 위치
Figure 112017083227756-pat00020
에서 산란 지점
Figure 112017083227756-pat00021
으로 전파하는 해석적 그린 함수를 사용하여 상기 송신원 디컨볼루션부에서 디컨볼루션된 관측 데이터를 후방 전파 처리할 수 있다.The back propagation step
Figure 112017083227756-pat00019
Receiver position
Figure 112017083227756-pat00020
Scattering point
Figure 112017083227756-pat00021
The deconvoluted observation data in the transmission source deconvolution unit can be back propagated.

상기 수층 이미지 획득 단계는

Figure 112017083227756-pat00022
와 같이 추정된 가상음원과 디컨볼루션된 관측 데이터를 후방 전파 처리한 결과를 이용하여 수층 이미지를 획득하는 것으로 이루어질 수 있다.The water layer image acquiring step
Figure 112017083227756-pat00022
And acquiring the water layer image using the result of back propagation processing of the estimated virtual sound source and the deconvoluted observation data as shown in FIG.

본 발명에 따른 해석적 그린 함수와 주파수-영역 역시간 구조보정을 이용한 수층 이미징 장치 및 방법에 의하면, 종래의 주파수-영역 역시간 구조보정 알고리즘에서 상당량의 계산을 요하는 파동 방정식의 수치적 풀이에 의한 파동 전파 모델링 및 관측 데이터의 역전파 부분을 해석적 그린 함수의 풀이로 대체함으로써, 수층 이미지 구축을 위한 컴퓨터의 계산 효율을 향상시키고 고주파수 성분이 포함된 고해상도의 수층 이미지를 해상에서 획득한 탄성파 탐사자료로부터 구축할 수 있다.The water-based imaging apparatus and method using the analytical Green's function and the frequency-domain inverse time structure correction according to the present invention provide a numerical solution of the wave equation requiring a considerable amount of computation in the conventional frequency-domain inverse time structure correction algorithm Wave propagation modeling and the reverse propagation part of the observed data by solving the analytical green function to improve computation efficiency of the computer for the construction of the water layer image and to obtain the high resolution water layer image including the high frequency component at the sea, It can be constructed from data.

또한, 획득한 고해상도 탄성파 수층 이미지는 탐사 지역 내에서의 연속적인 수층의 물성(수온, 염분도 등)의 분포를 밝혀낼 수 있으며, 나아가 서로 다른 물성 해류가 어떻게 섞이는지, 대규모의 해류 순환이 어느 정도까지 발생되는지를 확인하는 해양물리학적 연구의 수행을 가능하게 한다.The obtained high-resolution seismic water-layer images can reveal the distribution of physical properties (water temperature, salinity, etc.) of successive water bodies in the exploration area. Furthermore, it is possible to find out how the different material currents are mixed, Of the ocean surface, and to determine whether it occurs up to the ocean.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 해석적 그린 함수와 주파수-영역 역시간 구조보정을 이용한 수층 이미징 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 해석적 그린 함수와 주파수-영역 역시간 구조보정을 이용한 수층 이미징 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
1 is a block diagram for explaining a water layer imaging apparatus using an analytic Green function and a frequency-domain inverse time structure correction according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart illustrating a water layer imaging method using an analytic Green function and frequency-domain inverse time structure correction according to a preferred embodiment of the present invention.

이하에서 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 해석적 그린 함수와 주파수-영역 역시간 구조보정을 이용한 수층 이미징 장치 및 방법의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Reference will now be made in detail to the present embodiments of the present invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to like elements throughout.

먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 해석적 그린 함수와 주파수-영역 역시간 구조보정을 이용한 수층 이미징 장치에 대하여 설명한다.First, referring to FIG. 1, a water layer imaging apparatus using an analytic Green function and frequency-domain inverse time structure correction according to a preferred embodiment of the present invention will be described.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 해석적 그린 함수와 주파수-영역 역시간 구조보정을 이용한 수층 이미징 장치를 설명하기 위한 블록도이다.1 is a block diagram for explaining a water layer imaging apparatus using an analytic Green function and a frequency-domain inverse time structure correction according to a preferred embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 해석적 그린 함수와 주파수-영역 역시간 구조보정을 이용한 수층 이미징 장치(이하 '수층 이미지 장치'라 한다)(100)는 주파수-영역 역시간 구조보정 알고리즘 적용 시 파동 방정식의 수치적 풀이를 해석적 그린 함수의 풀이로 대체하여 관측 데이터로부터 수층 이미지를 획득한다. 이에 따라, 본 발명에 따른 수층 이미지 장치(100)는 계산량을 감소시킬 수 있고 종래 기술보다 향상된 해상도를 가지는 수층 이미지를 획득할 수 있다.Referring to FIG. 1, a water-level imaging apparatus (hereinafter referred to as a 'water-level imaging apparatus') 100 using an analytic Green function and a frequency-domain inverse time structure correction By replacing the numerical solution of the time wave equation with a solution of the analytical green function, a water layer image is obtained from the observation data. Accordingly, the water-based imaging apparatus 100 according to the present invention can reduce the amount of computation and obtain a water-layer image having an improved resolution than the prior art.

또한, 본 발명에 따른 수층 이미지 장치(100)는 송신원 디컨볼루션(source deconvolution)을 수행할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 수층 이미지 장치(100)는 버블 진동(bubble oscillation)의 영향을 최소화시킬 수 있다.In addition, the water level imaging apparatus 100 according to the present invention can perform source deconvolution. Accordingly, the water-based imaging apparatus 100 according to the present invention can minimize the influence of bubble oscillation.

이를 위해, 본 발명에 따른 수층 이미지 장치(100)는 송신원 추정부(110), 송신원 디컨볼루션부(130) 및 구조보정부(150)를 포함할 수 있다.For this, the water layer imaging apparatus 100 according to the present invention may include a transmission source estimation unit 110, a transmission source deconvolution unit 130, and a structure correction unit 150.

송신원 추정부(110)는 해석적 그린 함수를 이용해 수신기(도시하지 않음)들로부터 측정된 관측 데이터로부터 송신 파형을 역산하여 송신원을 추정한다.The transmission source estimation unit 110 estimates a transmission source by inversely calculating a transmission waveform from observation data measured from a receiver (not shown) using an analytic Green function.

송신원 디컨볼루션부(130)는 송신원 추정부(110)를 통해 추정된 송신원을 이용하여 관측 데이터를 디컨볼루션한다.The transmission source deconvolution unit 130 deconvolutes the observation data using the transmission source estimated through the transmission source estimation unit 110.

구조보정부(150)는 송신원 디컨볼루션부(130)를 통해 디컨볼루션된 관측 데이터의 정보를 입력 받아 해석적 그린 함수를 이용하여 주파수-영역에서 역시간 구조보정을 처리한다.The structure correcting unit 150 receives the information of the deconvoluted observation data through the transmission source deconvolution unit 130 and processes the inverse time structure correction in the frequency-domain using the analytic green function.

즉, 구조보정부(150)는 가상음원 추정부(151), 후방 전파부(153) 및 후처리부(155)를 포함할 수 있다.That is, the structure correcting unit 150 may include a virtual sound source estimating unit 151, a rear propagating unit 153, and a post-processing unit 155.

가상음원 추정부(151)는 해석적 그린 함수를 이용하여 가상음원을 추정할 수 있다.The virtual sound source estimating unit 151 can estimate a virtual sound source using an analytic Green function.

후방 전파부(153)는 해석적 그린 함수를 이용하여 송신원 디컨볼루션부(130)를 통해 디컨볼루션된 관측 데이터를 후방 전파 처리할 수 있다.The backward propagating unit 153 can back-propagate the deconvoluted observation data through the transmission source deconvolution unit 130 using the analytic Green function.

후처리부(155)는 가상음원 추정부(151)를 통해 추정된 가상음원과 후방 전파부(153)를 통해 디컨볼루션된 관측 데이터를 후방 전파된 결과를 이용하여 후처리하여 수층 이미지를 획득할 수 있다.The post-processing unit 155 post-processes the virtual sound source estimated through the virtual sound source estimating unit 151 and the observation data deconvoluted through the backward propagating unit 153 using the backward propagation result to obtain a water layer image .

그러면, 본 발명에 따른 해석적 그린 함수를 이용한 주파수-영역 역시간 구조보정에 대하여 보다 자세하게 설명한다.The frequency-domain inverse time structure correction using the analytic Green function according to the present invention will now be described in more detail.

가상음원 이미징 조건(Virtual Source Imaging Conditions)Virtual Source Imaging Conditions

k-번째 위치에서 역시간 구조보정

Figure 112017083227756-pat00023
은 수신기에서 기록된 파동장과 편미분 파동장의 상호상관(cross-correlation)에 의해 획득될 수 있다. 이는 주파수 영역에서 아래의 [수학식 1]과 같이 표현될 수 있다.Inverse time structure correction at k-th position
Figure 112017083227756-pat00023
Can be obtained by cross-correlation between the recorded wave field and the partial wave field recorded at the receiver. This can be expressed in Equation (1) below in the frequency domain.

Figure 112017083227756-pat00024
Figure 112017083227756-pat00024

여기서,

Figure 112017083227756-pat00025
는 각주파수(the angular frequency)이고,
Figure 112017083227756-pat00026
는 푸리에 변환된 관측 데이터(Fourier transformed data)이며,
Figure 112017083227756-pat00027
는 주파수-영역 모델링 파동장(modeling wavefield in the frequency domain)이고,
Figure 112017083227756-pat00028
는 k-번째 모델 변수(k-th model parameter)이며,
Figure 112017083227756-pat00029
는 편미분 파동장(partial derivative wavefield;
Figure 112017083227756-pat00030
의 변화에 따른
Figure 112017083227756-pat00031
의 변화량)이고,
Figure 112017083227756-pat00032
는 전치행렬 연산자(matrix transpose operator)이며, *는 복소켤레 연산자(the conjugate operator)이고,
Figure 112017083227756-pat00033
은 복소수의 실수부를 나타낸다(Kim, Y., Min, D.-J., & Shin, C., 2011. Frequency-domain reverse-time migration with source estimation, GEOPHYSICS, 76(2), S41-S49). 여기서, 편미분 파동장을 직접 계산하는 것은 많은 계산을 요구하기 때문에 일반적으로 아래의 [수학식 2] ~ [수학식 9] 같이 가상음원(virtual source)를 이용하여 역시간 구조보정
Figure 112017083227756-pat00034
을 계산한다.here,
Figure 112017083227756-pat00025
Is the angular frequency,
Figure 112017083227756-pat00026
Is Fourier transformed data,
Figure 112017083227756-pat00027
Is a modeling wavefield in the frequency domain,
Figure 112017083227756-pat00028
Is a k-th model parameter,
Figure 112017083227756-pat00029
Is a partial derivative wavefield.
Figure 112017083227756-pat00030
With changes in
Figure 112017083227756-pat00031
, ≪ / RTI >
Figure 112017083227756-pat00032
Is the matrix transpose operator, * is the conjugate operator,
Figure 112017083227756-pat00033
Domain reverse-time migration with source estimation, GEOPHYSICS, 76 (2), S41-S49), which represents the real part of a complex number (Kim, Y., Min, D.-J., & Shin, . Since direct calculation of the partial derivative wave field requires a lot of calculations, it is generally necessary to use a virtual source as in Equation (2) to (9)
Figure 112017083227756-pat00034
.

주어진 음향 배경 매질(acoustic background model)을 이용해, 주파수-영역 모델링 파동장

Figure 112017083227756-pat00035
은 아래의 [수학식 2]인 헬름홀츠 방정식(Helmholtz equation)을 푸는 것으로 계산할 수 있다.Using a given acoustic background model, a frequency-domain modeling wavefront
Figure 112017083227756-pat00035
Can be calculated by solving the Helmholtz equation (Equation 2) below.

Figure 112017083227756-pat00036
Figure 112017083227756-pat00036

여기서,

Figure 112017083227756-pat00037
Figure 112017083227756-pat00038
는 각각 음향 매질의 음속과 밀도이고,
Figure 112017083227756-pat00039
는 음원이며,
Figure 112017083227756-pat00040
는 다중 채널 탄성파 탐사를 위한 점 송신원(point source)을 구현하기 위한 크로네커 델타 함수(Kronecker delta function)이다. 유한 요소법(finite element method) 또는 유한 차분법(finite difference method)에 의해 [수학식 2]는 아래의 [수학식 3]과 같이 행렬식으로 표현할 수 있다.here,
Figure 112017083227756-pat00037
And
Figure 112017083227756-pat00038
Are the sound velocity and density of the acoustic medium, respectively,
Figure 112017083227756-pat00039
Is a sound source,
Figure 112017083227756-pat00040
Is a Kronecker delta function for implementing a point source for multi-channel seismic exploration. The finite element method or the finite difference method can be expressed by the following mathematical expression as shown in the following equation (3).

Figure 112017083227756-pat00041
Figure 112017083227756-pat00041

여기서,

Figure 112017083227756-pat00042
는 복소 임피던스 행렬(complex impedance matrix)이고,
Figure 112017083227756-pat00043
는 송신원 벡터이다(Virieux, J., Operto, S., Ben-Hadj-Ali, H., Brossier, R., Etienne, V., Sourbier, F., Giraud, L., & Haidar, A., 2009. Seismic wave modeling for seismic imaging, The Leading Edge, 28(5), 538-544). 유한 요소법(Jensen, F. B., 2011. Computational Ocean Acoustics, 2nd edn)을 이용하여 복소 임피던스 행렬
Figure 112017083227756-pat00044
은 아래의 [수학식 4]와 같이 각 요소(element)의 강성 행렬(stiffness matrix)
Figure 112017083227756-pat00045
, 감쇠 행렬(damping matrix)
Figure 112017083227756-pat00046
및 질량 행렬(mass matrix)
Figure 112017083227756-pat00047
으로 구성할 수 있다.here,
Figure 112017083227756-pat00042
Is a complex impedance matrix,
Figure 112017083227756-pat00043
Is the source vector (Virieux, J., Operto, S., Ben-Hadj-Ali, H., Brossier, R., Etienne, V., Sourbier, F., Giraud, L., & Haidar, A., 2009. Seismic wave modeling for seismic imaging, The Leading Edge, 28 (5), 538-544). Using a finite element method (Jensen, FB, 2011. Computational Ocean Acoustics, 2nd edn), a complex impedance matrix
Figure 112017083227756-pat00044
Is a stiffness matrix of each element as shown in Equation (4)
Figure 112017083227756-pat00045
A damping matrix,
Figure 112017083227756-pat00046
And a mass matrix
Figure 112017083227756-pat00047
.

Figure 112017083227756-pat00048
Figure 112017083227756-pat00048

여기서, ne는 전체 요소의 개수(total number of elements)이고,

Figure 112017083227756-pat00049
이다. 편미분 파동장
Figure 112017083227756-pat00050
은 아래의 [수학식 5]와 같이 모델 변수
Figure 112017083227756-pat00051
에 대하여 [수학식 3]을 미분하는 것으로 획득할 수 있다.Where ne is the total number of elements,
Figure 112017083227756-pat00049
to be. Partial Wave Waves
Figure 112017083227756-pat00050
Is expressed by the following equation (5)
Figure 112017083227756-pat00051
Can be obtained by differentiating [Equation (3)] with respect to Equation (3).

Figure 112017083227756-pat00052
Figure 112017083227756-pat00052

위의 [수학식 5]를 재배열하면 아래의 [수학식 6]이 된다.Rearranging the above equation (5) results in the following equation (6).

Figure 112017083227756-pat00053
Figure 112017083227756-pat00053

여기서, 가상음원(virtual source)은 아래의 [수학식 7]과 같이 정의된다.Here, a virtual source is defined as Equation (7) below.

Figure 112017083227756-pat00054
Figure 112017083227756-pat00054

여기서, 가상음원

Figure 112017083227756-pat00055
은 산란 파동장의 지향성(radiation pattern of scattered wavefield)을 결정하는 복소 임피던스 행렬의 미분값
Figure 112017083227756-pat00056
과 모델링 파동장
Figure 112017083227756-pat00057
의 곱으로 정의된다. 유한 요소법에서 각각의 모델 변수는 해당 고유 요소(unique element)에서만 정의되기 때문에([수학식 [4] 및 Shin, C., Yoon, K., Marfurt, K. J., Park, K., Yang, D., Lim, H. Y., Chung, S., & Shin, S. 2001. Efficient calculation of a partial-derivative wavefield using reciprocity for seismic imaging and inversion, GEOPHYSICS, 66(6), 1856-1863) [수학식 7]에서
Figure 112017083227756-pat00058
의 계산은
Figure 112017083227756-pat00059
으로 감소할 수 있다. 예컨대, k번째 요소의 음속에 대한 복소 임피던스 행렬의 편미분은 아래의 [수학식 8]과 같이 k번째 질량 행렬
Figure 112017083227756-pat00060
에 대한 미분만으로 감소할 수 있다.Here,
Figure 112017083227756-pat00055
Is the derivative of the complex impedance matrix that determines the radiation pattern of the scattered wavefield
Figure 112017083227756-pat00056
And modeling wave field
Figure 112017083227756-pat00057
. Since each model parameter in the finite element method is defined only by the unique element ([4] and Shin, C., Yoon, K., Marfurt, KJ, Park, K., Yang, D. (6), 1856-1863). In Eq. (7), Eq. (7) can be expressed by the following equation
Figure 112017083227756-pat00058
The calculation of
Figure 112017083227756-pat00059
. ≪ / RTI > For example, the partial differentiation of the complex impedance matrix with respect to the sound velocity of the k-th element is expressed by the following equation (8)
Figure 112017083227756-pat00060
Lt; / RTI >

Figure 112017083227756-pat00061
Figure 112017083227756-pat00061

[수학식 6]을 [수학식 1]에 대입하고, 등방성 음향 파동 전파 모델링(isotropic modelling)에서 복소 임피던스 행렬

Figure 112017083227756-pat00062
의 대칭 특성 (symmetricity)을 이용하여 아래의 [수학식 9]를 도출할 수 있다.Equation (6) is substituted into Equation (1), and in the isotropic modeling of isochronous acoustic wave propagation, a complex impedance matrix
Figure 112017083227756-pat00062
The following equation (9) can be derived by using the symmetric property of the antenna.

Figure 112017083227756-pat00063
Figure 112017083227756-pat00063

따라서 [수학식 1]의 역시간 구조보정은 편미분 파동장의 직접적인 계산없이 [수학식 9]를 이용하여 가상음원(virtual source)와 후방 전파된 관측 데이터

Figure 112017083227756-pat00064
의 컨볼루션(convolution)으로 계산할 수 있다. 멀티 프론탈 다이렉트 솔버를 이용해 모델링 파동장과 관측된 데이터의 후방 전파를 효율적으로 계산(Virieux, J., Operto, S., Ben-Hadj-Ali, H., Brossier, R., Etienne, V., Sourbier, F., Giraud, L., & Haidar, A., 2009. Seismic wave modeling for seismic imaging, The Leading Edge, 28(5), 538-544)할 수 있다고 하더라도 [수학식 9]는 고해상도 수층 이미지 구축에 적용하기 어려움이 있다. 예를 들어, 최대 주파수 128 Hz에 해당하는 고해상도 이미지를 획득하기 위해서는 유한 요소법의 파장당 격자 수(Deraemaeker, A., Babuska, I., & Bouillard, P., 1999. Dispersion and pollution of the FEM solution for the Helmholtz equation in one, two and three dimensions, International Journal for Numerical Methods in Engineering, 46(4), 471-499) 때문에 0.71 m 정도의 격자 크기를 사용해야 한다. 이러한 격자 크기로 100 km(distance) x 2~3 km(depth) 영역에 대해 구성된 복소 임피던스 행렬을 인수분해(factorization) 하는데에는 현실적으로 불가능한 메모리 할당량을 필요로 한다(Gupta, A., Karypis, G., & Kumar, V., 1997. A Highly Scalable Parallel Algorithm for Sparse Matrix Factorization, IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems, 8(5), 502-520). 또한, [수학식 9]는 송신원의 에너지,
Figure 112017083227756-pat00065
이 포함되어 있기 때문에([수학식 2]; [수학식 15]; Jang, U. (2012). Comparison of scaling technique in steepest-descent method for the frequency-domain 2d acoustic waveform inversion. Seoul National University) 송신기에서 상대적으로 거리가 가까운 해수 이미지 구축에 적합하지 않다.Therefore, the inverse time structure correction of Equation (1) uses a virtual source and backward propagated observation data using Equation (9) without direct calculation of a partial derivative wave field
Figure 112017083227756-pat00064
As shown in FIG. Efficient computation of back propagation of modeling wave fields and observed data using a multi-frontal direct solver (Virieux, J., Operto, S., Ben-Hadj-Ali, H., Brossier, R., Etienne, V. (5), 538-544), although Equation (9) can be applied to high-resolution images, even if it is possible to do so (Sourbier, F., Giraud, L., & Haidar, A., 2009. Seismic wave modeling for seismic imaging, The Leading Edge, It is difficult to apply it to the construction of a water layer image. For example, to obtain a high-resolution image with a maximum frequency of 128 Hz, the number of gratings per wavelength in the finite element method (Deraemaeker, A., Babuska, I., & Bouillard, P., 1999. Dispersion and pollution of the FEM solution For the Helmholtz equation in one, two and three dimensions, International Journal of Numerical Methods in Engineering, 46 (4), 471-499), a grid size of about 0.71 m should be used. It is practically impossible to factorize the complex impedance matrix constructed for a region of 100 km (distance) x 2 to 3 km (depth) with such a lattice size (Gupta, A., Karypis, G. et al. , & Kumar, V., 1997. A Highly Scalable Parallel Algorithm for Sparse Matrix Factorization, IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems, 8 (5), 502-520). Further, Equation (9) represents the energy of the transmission source,
Figure 112017083227756-pat00065
Jang, U. (2012). Comparison of scaling technique for steepest-descent method for the frequency-domain 2d acoustic waveform inversion. Seoul National University) Is not suitable for building sea-level images relatively close to each other.

해석적 그린 함수의 응용(Analytic Green's Function Application)Analytic Green's Function Application

수층에서 일정한 음속과 밀도를 가정하면, 3차원 반무한 매질에서의 해석적 그린 함수(3D analytic Green's function for half space)는 아래의 [수학식 10]과 같이 존재한다.Assuming a constant sound velocity and density in the water layer, the analytical Green's function (3D analytic Green's function for half space) in the three-dimensional semi-infinite medium exists as shown in Equation (10) below.

Figure 112017083227756-pat00066
Figure 112017083227756-pat00066

여기서, 방정식의 오른쪽에 있는 첫번째 항은 실제 송신원 위치

Figure 112017083227756-pat00067
에서 수신기 위치
Figure 112017083227756-pat00068
로 전파하는 3차원 무한매질의 해석적 그린 함수(3D analytic Green's function for free space)이고, 두번째 항은 가상음원
Figure 112017083227756-pat00069
에서 수신기 위치
Figure 112017083227756-pat00070
로 전파하는 3차원 무한매질의 해석적 그린 함수(3D analytic Green's function for free space)이다. 이는
Figure 112017083227756-pat00071
에서 반사계수가 -1인 경우 송신기 위치
Figure 112017083227756-pat00072
에서 수신기 위치
Figure 112017083227756-pat00073
으로 전파하는 직접파(direct arrival)와 해수면 반사파(free-surface reflection)로 각각 해석되고, [수학식 10]은 아래의 [수학식 11]의 조건에서 [수학식 2] 혹은 [수학식 3]의 풀이가 된다(Duffy, D. G. (2001). Green's Functions with Applications (Vol. 38). Chapman and Hall/CRC).Here, the first term to the right of the equation is the actual source position
Figure 112017083227756-pat00067
Receiver position in
Figure 112017083227756-pat00068
(3D analytic Green's function for free space), and the second term is a virtual sound source
Figure 112017083227756-pat00069
Receiver position in
Figure 112017083227756-pat00070
(3D analytic Green's function for free space). this is
Figure 112017083227756-pat00071
If the reflection coefficient is -1, the transmitter position
Figure 112017083227756-pat00072
Receiver position in
Figure 112017083227756-pat00073
(2) or (3) under the conditions of the following Equation (11): " (11) " (Duffy, DG (2001), Green's Functions with Applications (Vol.38), Chapman and Hall / CRC).

Figure 112017083227756-pat00074
Figure 112017083227756-pat00074

여기서,

Figure 112017083227756-pat00075
는 수층의 음속이다. [수학식 7]의 가상음원(virtual source)
Figure 112017083227756-pat00076
은 아래의 [수학식 12]와 같이 송신원 위치
Figure 112017083227756-pat00077
에서 산란 지점(scattering poiont)
Figure 112017083227756-pat00078
으로 전파하는 해석적 그린 함수를 이용하여 계산할 수 있다. 즉, 가상음원 추정부(151)는 [수학식 12]를 통해 가상음원을 추정할 수 있다.here,
Figure 112017083227756-pat00075
Is the sound velocity of the water layer. The virtual source of Equation (7)
Figure 112017083227756-pat00076
Is expressed by the following equation (12)
Figure 112017083227756-pat00077
The scattering point in the < RTI ID = 0.0 >
Figure 112017083227756-pat00078
Can be calculated using the analytical green function that propagates to the surface. That is, the virtual sound source estimator 151 can estimate the virtual sound source through Equation (12).

Figure 112017083227756-pat00079
Figure 112017083227756-pat00079

측정된 데이터의 후방 전파(back-propagated wavefield)는 아래의 [수학식 13]과 같이 수신기 위치

Figure 112017083227756-pat00080
에서 산란 지점(scattering point)
Figure 112017083227756-pat00081
으로 전파하는 해석적 그린 함수를 사용하여 계산할 수 있다(Sommerfeld, A. (1912). Die Greensche Funktion der Schwingungslgleichung. Jajresbericht Der Deutschen Mathematiker-Vereinigung, 21. 309-352; Schot, S. H. (1992). Eighty years of Sommerfeld's radiation condition. Historia Mathematica, 19(4), 385-401).The back-propagated wavefield of the measured data is calculated by the following equation (13)
Figure 112017083227756-pat00080
Scattering point < RTI ID = 0.0 >
Figure 112017083227756-pat00081
Can be calculated using the analytical green function that propagates to the surface (Sommerfeld, A. (1912).) Die Greensche Funktion der Schwingungslgleichung.Jajresbericht Der Deutschen Mathematiker-Vereinigung, 21. 309-352; Schot, SH of Sommerfeld's radiation condition, Historia Mathematica, 19 (4), 385-401).

Figure 112017083227756-pat00082
Figure 112017083227756-pat00082

[수학식 12] 및 [수학식 13]을 [수학식 9]에 대입하면 아래의 [수학식 14]와 같다.Substituting Equations (12) and (13) into Equation (9) yields Equation (14) below.

Figure 112017083227756-pat00083
Figure 112017083227756-pat00083

[수학식 14]에서는 종래의 주파수-영역 역시간 구조보정 알고리즘에서 상당량의 계산을 요하는 파동 방정식의 수치적 풀이([수학식 9]에 의한 파동전파 모델링 및 관측 데이터의 역전파 부분)을 해석적 그린함수의 풀이로 대체함으로써 종래의 주파수-영역 역시간 구조보정과는 다르게 복소 임피던스 행렬의 구성 및 풀이가 필요하지 않다. 하지만 [수학식 14]는 수신기들로부터 측정된 관측 데이터에 포함된 송신원,

Figure 112017083227756-pat00084
이 포함되어 있기 때문에([수학식 11]; [수학식 15]; Jang, U. (2012). Comparison of scaling technique in steepest-descent method for the frequency-domain 2d acoustic waveform inversion. Seoul National University) 송신기에서 상대적으로 거리가 가까운 해수 이미지 구축에 여전히 적합하지 않다.Equation (14) solves the numerical solution of the wave equation that requires a considerable amount of computation in the conventional frequency-domain inverse time structure correction algorithm (wave propagation modeling by Equation (9) and back propagation portion of the observed data) Unlike the conventional frequency-domain inverse time structure correction, it is not necessary to construct and solve a complex impedance matrix. However, Equation (14) can be expressed as a transmission source included in the observation data measured from the receivers,
Figure 112017083227756-pat00084
Jang, U. (2012). Comparison of scaling technique for steepest-descent method for the frequency-domain 2d acoustic waveform inversion. Seoul National University) Is still unsuitable for building sea-level images that are relatively close in distance.

송신원 디컨볼루션(source deconvolution)Source deconvolution

해양 탄성파 탐사에서 사용하는 에어건(airgun)은 버블 진동(bubble oscillation)을 발생시키고, 특히 수층 내에서 발생한 반사파의 크기보다 버블의 크기가 더 큰 경우(대부분 그러하다), [수학식 14]를 단순히 이용하는 것 만으로는 정확한 수층 이미지를 얻기 어렵다. 특히 해수의 열염분 순환 이해에 중요한 20 ~ 100 m 깊이의 천부 수층의 이미지는 버블에 의해 가려지게 된다. 송신원 디컨볼루션은 이러한 버블의 영향을 최소화시킬 수 있고 결과 이미지의 질을 향상시키는데 큰 도움을 줄 수 있다. 주파수-영역에서 아래의 [수학식 15]를 통해 수신기들로부터 측정된 데이터에서 송신원을 디컨볼루션할 수 있다.Airguns used in marine seismic surveys cause bubble oscillations, especially when the size of the bubble is larger than the magnitude of the reflected wave in the water layer (which is mostly the case) It is difficult to obtain an accurate water-layer image by simply using it. Especially, the image of the deep water layer of 20 to 100 m depth, which is important for understanding the circulation of the hot water of seawater, is covered by the bubble. The source deconvolution can minimize the impact of these bubbles and can greatly help improve the quality of the resulting image. Can deconvolute the source in the frequency-domain from the measured data from the receivers via < EMI ID = 15.0 >

Figure 112017083227756-pat00085
Figure 112017083227756-pat00085

여기서,

Figure 112017083227756-pat00086
는 송신 파형(source signature)이다. 즉 송신원 디컨볼루션부(130)는 [수학식 15]을 통해 송신원이 디컨볼루션된 관측 데이터를 처리할 수 있다. 송신 파형
Figure 112017083227756-pat00087
는 측정된 송신원(Ziolkowski, A., 1991. Why don’t we measure seismic signatures?, GEOPHYSICS, 56(2), 190-201)을 이용하거나 또는 [수학식 16]과 같이 주파수-영역에서 최소제곱을 이용한 최적화(least-square optimization)를 통해 추정한 송신원(estimated source)
Figure 112017083227756-pat00088
를 사용할 수 있다(Kim, Y., Min, D.-J., & Shin, C., 2011. Frequency-domain reverse-time migration with source estimation, GEOPHYSICS, 76(2), S41-S49).here,
Figure 112017083227756-pat00086
Is a source signature. That is, the transmission source deconvolution unit 130 can process the deconvoluted observation data using the formula (15). Transmission waveform
Figure 112017083227756-pat00087
Can be obtained using the measured source (Ziolkowski, A., 1991. Why do not we measure seismic signatures ?, GEOPHYSICS, 56 (2), 190-201) (Estimated source) through least-square optimization
Figure 112017083227756-pat00088
Kim, Y., Min, D.-J., & Shin, C., 2011. Frequency-domain reverse-time migration with source estimation, GEOPHYSICS, 76 (2), S41-S49).

Figure 112017083227756-pat00089
Figure 112017083227756-pat00089

주파수-영역에서 송신원은 송신기 위치

Figure 112017083227756-pat00090
에서 수신기 위치
Figure 112017083227756-pat00091
으로 전파하는 해석적 그린함수와 수신기로부터 측정된 관측 데이터를 사용하여 추정할 수 있다. 이때, 수신기로부터 측정된 관측 데이터에 대한 시간 영역에서의 적절한 시간 윈도잉(time windowing)의 수행은 [수학식 16]을 이용한 송신원 추정의 안정성을 높일 수 있다(Koo, N.-H., Shin, C., Min, D.-J., Park, K.-P., & Lee, H.-Y., 2011. Source estimation and direct wave reconstruction in Laplace-domain waveform inversion for deep-sea seismic data, Geophysical Journal International, 187(2), 861-870). 즉, 송신원 추정부(110)는 [수학식 16]을 통해 송신원을 추정할 수 있다. [수학식 15]를 [수학식 13]에 대입하면 아래의 [수학식 17]과 같다.In the frequency-domain, the source is the transmitter location
Figure 112017083227756-pat00090
Receiver position in
Figure 112017083227756-pat00091
Can be estimated using the analytical Green function propagating to the receiver and observation data measured from the receiver. At this time, performing an appropriate time windowing in the time domain with respect to the observed data measured by the receiver can increase the stability of the source estimation using Equation (16) (Koo, N.-H., Shin Domain waveform inversion for deep-sea seismic data, direct wave reconstruction, Geophysical Journal International, 187 (2), 861-870). That is, the transmission source estimating unit 110 can estimate the transmission source through Equation (16). Substituting Equation (15) into Equation (13) yields Equation (17).

Figure 112017083227756-pat00092
Figure 112017083227756-pat00092

즉, 후방 전파부(153)는 [수학식 17]을 통해 송신원이 디컨볼루션된 관측 데이터(source deconvoulted field data)를 후방 전파 처리할 수 있다.That is, the backward propagating unit 153 can backward propagate the source deconvoluted field data through the source through Equation (17).

[수학식 12]와 [수학식 17]을 [수학식 9]에 대입하면 아래의 [수학식 18]과 같다.Substituting Equations (12) and (17) into Equation (9) yields Equation (18) below.

Figure 112017083227756-pat00093
Figure 112017083227756-pat00093

따라서 수층 이미지 구축을 위한 [수학식 1]의 역시간 구조보정은 종래의 주파수-영역 구조보정과 형태적으로 유사하게 가상음원(virtual source)와 후방 전파된 관측 데이터의 컨볼루션(convolution)으로 계산할 수 있다. 그러나 가상음원 계산시 해석적 그린함수를 이용하고, 송신원이 디컬볼루션된 관측 데이터를 후방 전파하기 때문에 송신 파형과 무관한 수층 이미지를 계산할 수 있다(Jang, U. (2012). Comparison of scaling technique in steepest-descent method for the frequency-domain 2d acoustic waveform inversion. Seoul National University). 즉 후처리부(155)는 [수학식 18]을 통해 가상음원과 송신원이 디컨볼루션된 관측 데이터(source deconvoulted field data)를 후방 전파된 결과를 이용해 수층 이미지를 처리할 수 있다.Therefore, the inverse time structure correction of [Equation 1] for constructing the water layer image is calculated by convolution of the virtual source and the back propagated observation data in a formally similar manner to the conventional frequency-domain structure correction . However, in the calculation of the virtual sound source, it is possible to calculate the water image irrespective of the transmission waveform, using the analytical green function and the source propagating the descaled spectral data backward (Jang, U. (2012). in steepest-descent method for the frequency-domain 2d acoustic waveform inversion. Seoul National University). That is, the post-processing unit 155 can process the water layer image using the result of backward propagation of the source deconvoluted field data with the virtual sound source and the source through Equation (18).

본 발명에서 수정된 역시간 구조보정은 파동방정식의 수치적인 풀이를 해석적 그린 함수의 사용으로 대체하였기 때문에 종래의 주파수-영역 역시간 구조보정과는 다르게 복소 임피던스 행렬의 구성 및 풀이가 필요하지 않다. 더욱이 본 발명에서 수정된 역시간 구조보정의 격자 크기는 최대 주파수(maximum frequency)에 따른 파장당 격자수가 아닌 공간 해상도(spatial resolution)만을 고려하는 것으로 결정할 수 있다(Virieux, J., & Operto, S. (2009). An overview of full-waveform inversion in explorarion geophysics. GEOPHYSICS, 74(6), WCCI-WCC26). 예컨대, 본 발명의 경우 128 Hz를 최대 주파수로 하는 경우 2.0 m의 격자 크기로도 충분하고 이는 종래의 유한 요소법을 사용하는 동일한 주파수에서 요구하는 격자 크기 0.71 m에 비해 약 3배이기 때문에 [수학식 18]의 계산에는 아주 작은 메모리만 필요하다. 따라서, 본 발명에 따른 역시간 구조보정 기법은 분명한 메모리 요구없이 고해상도 수층 이미지를 생성할 수 있다. 더욱이 본 발명에서 역시간 구조보정 계산시 추정된 송신원(estimated source)이 디컨볼루션된 자료

Figure 112017083227756-pat00094
를 후방 전파하기 때문에 기존의 다른 시도에서는 불가능했던 20 ~ 100 m 깊이의 천부 수층의 이미지까지도 선명하게 계산 가능하다.Since the modified inverse time structure correction in the present invention replaces the numerical solution of the wave equation with the use of the analytical green function, it is not necessary to construct and solve the complex impedance matrix unlike the conventional frequency-domain inverse time structure correction . Furthermore, it can be determined that the modified lattice size of the inverse temporal structure correction takes into account only the spatial resolution, not the number of lattices per wavelength according to the maximum frequency (Virieux, J., & Operto, S (2009). An overview of full-waveform inversion in explorarion geophysics. GEOPHYSICS, 74 (6), WCCI-WCC26). For example, in the case of the present invention, when a maximum frequency of 128 Hz is used, a grating size of 2.0 m is sufficient, which is about three times larger than the grating size 0.71 m required at the same frequency using the conventional finite element method. 18] requires very little memory. Therefore, the inverse temporal structure correction technique according to the present invention can generate a high-resolution water-level image without a clear memory requirement. Further, in the present invention, when the inverse temporal structure correction calculation uses the estimated source as the deconvoluted data
Figure 112017083227756-pat00094
, It is possible to calculate the image of the deep water layer 20 to 100 m deep, which was impossible in other attempts.

그러면, 도 2를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 해석적 그린 함수와 주파수-영역 역시간 구조보정을 이용한 수층 이미징 방법에 대하여 설명한다.Referring to FIG. 2, a water layer imaging method using an analytic Green function and frequency-domain inverse time structure correction according to a preferred embodiment of the present invention will be described.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 해석적 그린 함수와 주파수-영역 역시간 구조보정을 이용한 수층 이미징 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.FIG. 2 is a flowchart illustrating a water layer imaging method using an analytic Green function and frequency-domain inverse time structure correction according to a preferred embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 수층 이미지 장치(100)는 해석적 그린 함수를 이용해 수신기들로부터 측정된 관측 데이터로부터 송신 파형을 역산하여 송신원을 추정한다(S110). 보다 자세하게는, 수층 이미지 장치(100)는 위의 [수학식 16]을 통해 송신원을 추정할 수 있다.Referring to FIG. 2, the water-level imaging apparatus 100 estimates a transmission source by inversely calculating a transmission waveform from observation data measured from receivers using an analytic Green function (S110). More specifically, the water-level imaging apparatus 100 can estimate the transmission source through Equation (16) above.

그런 다음, 수층 이미지 장치(100)는 추정된 송신원을 이용해 측정된 관측 데이터를 디컨볼루션할 수 있다(S130). 보다 자세하게는, 수층 이미지 장치(100)는 위의 [수학식 15]를 통해 추정된 송신원을 디컨볼루션할 수 있다.The water-level imaging device 100 may then deconvolute the observed data measured using the estimated source (S130). More specifically, the water-level imaging apparatus 100 can deconvolute the transmission source estimated through Equation (15) above.

그러면, 수층 이미지 장치(100)는 송신원이 디컨볼루션된 관측 데이터 정보를 입력받아 해석적 그린 함수를 이용하여 주파수-영역에서 역시간 구조보정을 처리한다.Then, the water-level imaging apparatus 100 receives the deconvolved observation data information from the transmission source and processes the inverse temporal structure correction in the frequency-domain using the analytic green function.

즉, 수층 이미지 장치(100)는 해석적 그린 함수를 이용하여 가상음원을 추정한다(S150). 보다 자세하게는, 수층 이미지 장치(100)는 위의 [수학식 12]를 통해 가상음원을 추정할 수 있다.That is, the water-level imaging apparatus 100 estimates a virtual sound source using an analytic Green function (S150). More specifically, the water-level imaging apparatus 100 can estimate a virtual sound source through Equation (12) above.

아울러, 수층 이미지 장치(100)는 해석적 그린 함수를 이용하여 디컨볼루션된 관측 데이터를 후방 전파 처리한다(S170). 보다 자세하게는, 수층 이미지 장치(100)는 위의 [수학식 17]을 통해 디컨볼루션된 관측 데이터를 후방 전파 처리할 수 있다.In addition, the water-level imaging apparatus 100 back-propagates the deconvoluted observation data using the analytic Green function (S170). More specifically, the water-level imaging apparatus 100 can back-propagate observation data deconvoluted through the above equation (17).

그런 다음, 수층 이미지 장치(100)는 추정된 가상음원과 디컨볼루션된 관측 데이터를 후방 전파한 결과를 후처리하여 수층 이미지를 획득한다(S190)Then, the water-level imaging apparatus 100 post-processes the result of backward propagation of the estimated virtual sound source and the deconvoluted observation data to obtain a water-layer image (S190)

이와 같이, 종래의 주파수-영역 역시간 구조보정 알고리즘에서 상당량의 계산을 요하는 파동방정식 수치적 풀이에 의한 파동 전파 모델링 및 관측 데이터의 역전파 부분을 해석적 그린 함수의 풀이로 대체함으로써, 수층 이미지 구축을 위한 컴퓨터의 계산 효율을 향상시키고 고주파수 성분이 포함된 고해상도의 수층 이미지를 해상에서 획득한 탄성파 탐사자료로부터 구축할 수 있다. 또한, 획득한 고해상도 탄성파 수층 이미지는 탐사 지역 내에서의 연속적인 수층의 물성(수온, 염분도 등)의 분포를 밝혀낼 수 있으며, 나아가 서로 다른 물성 해류가 어떻게 섞이는지, 대규모의 해류 순환이 어느 정도까지 발생되는지를 확인하는 해양물리학적 연구의 수행을 가능하게 한다.Thus, by replacing the wave propagation modeling by the numerical solution of the wave equation requiring a considerable amount of computation in the conventional frequency-domain inverse time structure correcting algorithm and the solution of the back propagation part of the observation data by the solution of the analytical green function, The computational efficiency of the computer for construction can be improved and a high-resolution water-layer image containing high-frequency components can be constructed from seafloor seismic data. The obtained high-resolution seismic water-layer images can reveal the distribution of physical properties (water temperature, salinity, etc.) of successive water bodies in the exploration area. Furthermore, it is possible to find out how the different material currents are mixed, Of the ocean surface, and to determine whether it occurs up to the ocean.

본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 롬(ROM), 램(RAM), 씨디-롬(CD-ROM), 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 유무선 통신망으로 연결된 컴퓨터 장치에 분산되어 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.The present invention can also be embodied as computer-readable codes on a computer-readable recording medium. A computer-readable recording medium includes all kinds of recording apparatuses in which data that can be read by a computer is stored. Examples of the computer-readable recording medium include a ROM, a RAM, a CD-ROM, a magnetic tape, a floppy disk, and an optical data storage device. In addition, the computer-readable recording medium may be distributed to computer devices connected to a wired / wireless communication network, and a computer-readable code may be stored and executed in a distributed manner.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 다음의 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.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, but, on the contrary, It will be understood by those skilled in the art that various changes may be made and equivalents may be substituted without departing from the scope of the appended claims.

100 : 수층 이미지 장치, 110 : 송신원 추정부,
130 : 송신원 디컨볼루션부, 150 : 구조보정부,
151 : 가상음원 추정부, 153 : 후방 전파부,
155 : 후처리부
100: water layer imaging apparatus, 110: transmission source estimating unit,
130: transmission source deconvolution unit, 150: structure correction unit,
151: virtual sound source estimation unit, 153: rear propagation unit,
155: Post-

Claims (14)

수신기들로부터 측정된 관측 데이터로부터 해석적 그린 함수를 이용해 송신 파형을 역산하여 송신원을 추정하는 송신원 추정부;
상기 송신원 추정부에서 추정된 송신원을 이용해 관측 데이터를 디컨볼루션하는 송신원 디컨볼루션부; 및
상기 송신원 디컨볼루션부에서 디컨볼루션된 관측 데이터 정보를 입력받아 해석적 그린 함수를 이용하여 주파수-영역 역시간 구조보정을 처리하는 구조보정부;
를 포함하며,
상기 구조보정부는, 해석적 그린 함수를 이용하여 가상음원을 추정하는 가상음원 추정부; 해석적 그린 함수를 이용하여 디컨볼루션된 관측 데이터를 후방 전파하는 후방 전파부; 및 상기 가상음원 추정부를 통해 추정된 가상음원과 상기 후방 전파부를 통해 디컨볼루션한 관측 데이터를 후방 전파한 결과를 이용해 수층 이미지를 획득하는 후처리부;를 포함하는 해석적 그린 함수와 주파수-영역 역시간 구조보정을 이용한 수층 이미징 장치.
A transmission source estimating unit that estimates a transmission source by inversely calculating a transmission waveform by using an analytic green function from measured data measured from receivers;
A transmission source deconvolution unit for deconvoluting observation data using the transmission source estimated by the transmission source estimation unit; And
A structure corrector receiving the deconvoluted observation data information from the transmission source deconvolution unit and processing the frequency-domain inverse time structure correction using an analytic green function;
/ RTI >
The structure correcting unit may include: a virtual sound source estimating unit that estimates a virtual sound source using an analytic Green function; A rear propagating unit for backward propagating the deconvoluted observation data using an analytic green function; And a post processor for acquiring a water layer image using a result of backward propagation of the virtual sound source estimated through the virtual sound source estimation unit and the observation data deconvoluted through the rear propagation unit, Water - based imaging system using temporal correction.
제1항에서,
상기 송신원 추정부는,
Figure 112017083227756-pat00095
과 같이 수신기들로부터 측정된 관측 데이터와 송신원 위치
Figure 112017083227756-pat00096
에서 수신기 위치
Figure 112017083227756-pat00097
으로 전파하는 해석적 그린함수를 사용하여 송신원을 추정하는,
해석적 그린 함수와 주파수-영역 역시간 구조보정을 이용한 수층 이미징 장치.
The method of claim 1,
The transmission-
Figure 112017083227756-pat00095
The measured data from the receivers and the source location
Figure 112017083227756-pat00096
Receiver position in
Figure 112017083227756-pat00097
Which estimates a transmission source using an analytical green function propagating to the receiver,
Water - based imaging system using analytical green function and frequency - domain inverse time structure correction.
제1항에서,
상기 송신원 디컨볼루션부는,
Figure 112017083227756-pat00098
과 같이 추정된 송신원을 이용해 수신기들로부터 측정된 관측 데이터를 디컨볼루션하는,
해석적 그린 함수와 주파수-영역 역시간 구조보정을 이용한 수층 이미징 장치.
The method of claim 1,
Wherein the transmission source deconvolution unit comprises:
Figure 112017083227756-pat00098
And < RTI ID = 0.0 > deconvoluting < / RTI > the observed data measured from the receivers using an estimated source,
Water - based imaging system using analytical green function and frequency - domain inverse time structure correction.
삭제delete 제1항에서,
상기 가상음원 추정부는,
Figure 112018085136646-pat00099
과 같이 송신원 위치
Figure 112018085136646-pat00100
에서 산란 지점(scattering point)
Figure 112018085136646-pat00101
으로 전파하는 해석적 그린 함수를 사용하여 가상음원을 추정하는,
해석적 그린 함수와 주파수-영역 역시간 구조보정을 이용한 수층 이미징 장치.
The method of claim 1,
Wherein the virtual sound source estimating unit comprises:
Figure 112018085136646-pat00099
The transmission source position
Figure 112018085136646-pat00100
Scattering point < RTI ID = 0.0 >
Figure 112018085136646-pat00101
, Which is an analytic Green function,
Water - based imaging system using analytical green function and frequency - domain inverse time structure correction.
제1항에서,
상기 후방 전파부는,
Figure 112018085136646-pat00102
와 같이 수신기 위치
Figure 112018085136646-pat00103
에서 산란 지점
Figure 112018085136646-pat00104
으로 전파하는 해석적 그린 함수를 사용하여 상기 송신원 디컨볼루션부에서 디컨볼루션된 관측 데이터를 후방 전파 처리하는,
해석적 그린 함수와 주파수-영역 역시간 구조보정을 이용한 수층 이미징 장치.
The method of claim 1,
The rear-
Figure 112018085136646-pat00102
Receiver position
Figure 112018085136646-pat00103
Scattering point
Figure 112018085136646-pat00104
And the backward propagation processing of the deconvoluted observation data in the transmission source deconvolution unit using an analytic Green function propagating to the transmission source deconvolution unit,
Water - based imaging system using analytical green function and frequency - domain inverse time structure correction.
제1항에서,
상기 후처리부는,
Figure 112018085136646-pat00105
와 같이 상기 가상음원 추정부에서 추정된 가상음원과 상기 후방 전파부에서 디컨볼루션된 관측 데이터를 후방 전파 처리한 결과를 이용하여 수층 이미지를 획득하는,
해석적 그린 함수와 주파수-영역 역시간 구조보정을 이용한 수층 이미징 장치.
The method of claim 1,
The post-
Figure 112018085136646-pat00105
And a backward propagation process of the deconvoluted observation data at the back propagation unit and the virtual sound source estimated by the virtual sound source estimating unit,
Water - based imaging system using analytical green function and frequency - domain inverse time structure correction.
수신기들로부터 측정된 관측 데이터로부터 해석적 그린 함수를 이용해 송신 파형을 역산하여 송신원을 추정하는 단계;
추정된 송신원을 이용해 관측 데이터를 디컨볼루션하는 단계; 및
디컨볼루션된 관측 데이터 정보를 입력받아 해석적 그린 함수를 이용하여 주파수-영역 역시간 구조보정을 처리하는 단계;
를 포함하며,
상기 구조보정 단계는, 해석적 그린 함수를 이용하여 가상음원을 추정하는 단계; 해석적 그린 함수를 이용하여 디컨볼루션된 관측 데이터를 후방 전파하는 단계; 및 추정된 가상음원과 디컨볼루션한 관측 데이터를 후방 전파한 결과를 이용해 수층 이미지를 획득하는 단계;를 포함하는 해석적 그린 함수와 주파수-영역 역시간 구조보정을 이용한 수층 이미징 방법.
Estimating a transmission source by inversely calculating a transmission waveform from an observation data measured from receivers using an analytic green function;
Deconvoluting observation data using an estimated transmission source; And
Receiving deconvoluted observation data information and processing frequency-domain inverse time structure correction using an analytic green function;
/ RTI >
The structure correcting step may include: estimating a virtual sound source using an analytic green function; Backward propagating the deconvoluted observation data using an analytic Green function; And acquiring a water-layer image using a result of backward propagation of the observational data with the estimated virtual sound source and deconvolution, and a water layer imaging method using the analytical Green function and the frequency-domain inverse time structure correction.
제8항에서,
상기 송신원 추정 단계는,
Figure 112017083227756-pat00106
과 같이 수신기들로부터 측정된 관측 데이터와 송신원 위치
Figure 112017083227756-pat00107
에서 수신기 위치
Figure 112017083227756-pat00108
으로 전파하는 해석적 그린함수를 사용하여 송신원을 추정하는 것으로 이루어진,
해석적 그린 함수와 주파수-영역 역시간 구조보정을 이용한 수층 이미징 방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the transmitting source estimating step comprises:
Figure 112017083227756-pat00106
The measured data from the receivers and the source location
Figure 112017083227756-pat00107
Receiver position in
Figure 112017083227756-pat00108
And estimating a transmission source using an analytic Green function propagating to the base station,
Water - based imaging method using analytical Green 's function and frequency - domain inverse time structure correction.
제8항에서,
상기 디컨볼루션 단계는,
Figure 112017083227756-pat00109
과 같이 추정된 송신원을 이용해 수신기들로부터 측정된 관측 데이터를 디컨볼루션하는 것으로 이루어진,
해석적 그린 함수와 주파수-영역 역시간 구조보정을 이용한 수층 이미징 방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the deconvolution step comprises:
Figure 112017083227756-pat00109
And deconvoluting the observed data measured from the receivers using an estimated source such as < RTI ID = 0.0 >
Water - based imaging method using analytical Green 's function and frequency - domain inverse time structure correction.
삭제delete 제8항에서,
상기 가상음원 추정 단계는,
Figure 112018085136646-pat00110
과 같이 송신원 위치
Figure 112018085136646-pat00111
에서 산란 지점(scattering point)
Figure 112018085136646-pat00112
으로 전파하는 해석적 그린 함수를 사용하여 가상음원을 추정하는 것으로 이루어진,
해석적 그린 함수와 주파수-영역 역시간 구조보정을 이용한 수층 이미징 방법.
9. The method of claim 8,
The virtual sound source estimating step may include:
Figure 112018085136646-pat00110
The transmission source position
Figure 112018085136646-pat00111
Scattering point < RTI ID = 0.0 >
Figure 112018085136646-pat00112
Which is obtained by estimating a virtual sound source by using an analytic green function propagating to a speaker,
Water - based imaging method using analytical Green 's function and frequency - domain inverse time structure correction.
제8항에서,
상기 후방 전파 단계는,
Figure 112018085136646-pat00113
와 같이 수신기 위치
Figure 112018085136646-pat00114
에서 산란 지점
Figure 112018085136646-pat00115
으로 전파하는 해석적 그린 함수를 사용하여 송신원 디컨볼루션부에서 디컨볼루션된 관측 데이터를 후방 전파 처리하는 것으로 이루어진,
해석적 그린 함수와 주파수-영역 역시간 구조보정을 이용한 수층 이미징 방법.
9. The method of claim 8,
The back propagation step includes:
Figure 112018085136646-pat00113
Receiver position
Figure 112018085136646-pat00114
Scattering point
Figure 112018085136646-pat00115
And a backward propagation process of the deconvoluted observation data in the transmission source deconvolution unit using an analytic Green function propagating to the transmission source deconvolution unit.
Water - based imaging method using analytical Green 's function and frequency - domain inverse time structure correction.
제8항에서,
상기 수층 이미지 획득 단계는,
Figure 112018085136646-pat00116
와 같이 추정된 가상음원과 디컨볼루션된 관측 데이터를 후방 전파 처리한 결과를 이용하여 수층 이미지를 획득하는 것으로 이루어진,
해석적 그린 함수와 주파수-영역 역시간 구조보정을 이용한 수층 이미징 방법.
9. The method of claim 8,
The water layer image acquiring step includes:
Figure 112018085136646-pat00116
And obtaining a water layer image using a result of back propagation processing of the estimated virtual sound source and the deconvoluted observation data,
Water - based imaging method using analytical Green 's function and frequency - domain inverse time structure correction.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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