KR102425484B1 - 연근해 3차원 고주파 지층탐사 자료처리방법 - Google Patents

연근해 3차원 고주파 지층탐사 자료처리방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 3차원 고주파 지층탐사 자료처리방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 3차원 고주파 지층탐사 자료처리방법은, (a)해저면을 향해 탄성파를 발사하는 음원과, 일정 간격으로 일렬로 나란하게 배치되며 해저면 및 지층에서 반사된 탄성파를 수신하는 복수의 수진기와, 수진기가 배열된 방향을 따라서 이격되게 배치되는 적어도 2개의 GPS 안테나를 구비하며, 음원, 복수의 수진기 및 복수의 안테나는 모두 상대 위치가 고정되어 있는 지층 탐사기를 이용하여 해양 탐사를 수행하여 해저 지형 및 지층에 대한 데이터와, 데이터가 획득된 시점에서의 안테나를 통해 수신된 3차원 GPS 위치정보를 획득하는 단계; (b)각 안테나의 GPS 위치정보를 조합하여 지층탐사기의 3차원 상의 정렬 각도를 산출하는 단계; (c)안테나에서 얻어진 GPS 위치정보와, 안테나로부터 상기 음원 사이의 상대 위치정보 및 지층탐사기의 3차원 정렬 각도를 조합하여 음원의 3차원 위치좌표를 산출하는 단계; 및 (d)안테나에서 얻어진 GPS 위치정보와, 안테나로부터 복수의 수진기 사이의 상대 위치정보 및 지층탐사기의 3차원 정렬 각도를 조합하여 복수의 수진기의 3차원 실제 위치좌표를 산출하는 단계;를 포함하는 것에 특징이 있다.

Description

연근해 3차원 고주파 지층탐사 자료처리방법{DATA PROCESSING METHOD FOR 3D HIGH FREQUENCY SUB-BOTTOM PROFILER}
본 발명은 해양 지층 탐사 방법에 관한 것으로서, 특히 고주파 지층 탐사기를 이용하여 연근해의 천부 지층을 높은 해상도로 정밀하게 조사하는 방법에 관한 것이다.
해양 탄성파 탐사는 음원의 주파수 대역에 따라 고주파 탐사와 저주파 탐사로 나눌 수 있다. 고주파 탐사는 주로 천부 지층 영역 탐사에 사용되며, 음원으로는 수백에서 수천 Hz 대역의 에어건, 스파커, 부머 및 지층탐사기 등을 사용한다. 고주파 음원에서 송출된 파장은 짧기 때문에 1m 단위의 정밀한 탐사(고해상도 탐사)가 가능하다. 반면에 저주파수 탐사의 경우 파장이 긴 음파를 사용하기 때문에 해상도는 떨어지지만, 해저 깊은 곳까지 전파되어 해저 심부 영역을 탐사하는데 적합하다.
고주파 탐사 장비 중 3차원 지층 탐사는 수천 Hz 이상의 고주파 음원에서 발사된 탄성파가 지하 매질에서 반사된 탄성파를 점의 개념이 아닌 면의 개념으로 취득하는 것으로 하나의 측선에서 연속적인 3차원 지하영상을 취득할 수 있다.
도 1 내지 도 3은 3차원 지층탐사기의 구조를 설명하기 위한 개략적 도면이다. 도면을 참고하면, 3차원 지층탐사기는 탐사선의 진행방향(측선)과 교차되는 방향으로 길게 프레임(1)을 구비한다. 프레임(1)의 중앙에는 음파를 발신하는 음원(2)이 수중에 잠기도록 배치되며, 프레임의 길이방향을 따라 일정 간격으로 복수의 탄성파 수진기(6)가 수중에 잠기도록 설치된다. 프레임의 양측 단부 및 중앙에는 GPS 신호를 수신하는 안테나(3,4,5)가 설치된다.
음원(2)에서 발사된 탄성파는 해저 지면 또는 하부 지층(G)에서 반사되어 수진기(6)로 수신된다. 즉 탐사선의 진행방향과 수직한 방향(프레임 방향)의 종단면(깊이 방향 단면)에 대한 정보가 수신된다. 여기서 종단면이 앞에서 언급한 "점이 아닌 면의 개념으로 정보를 취득"하는 것과 같은 의미이다. 그리고 탐사선이 진행하게 되면 위에서 언급한 종단면이 탐사선의 진행방향을 따라 누적되므로 3차원 해저 지하 공간에 대한 정보를 얻을 수 있다.
위와 같이 탄성파 탐사에 의하여 해저 정보를 취득하는 과정에서 언제나 음원과 수진기의 위치가 함께 파악되어야 한다. 탐사가 끝난 후 수신된 데이터를 처리할 때 각각의 데이터가 얻어진 위치에 대한 정보가 연동되어야 하기 때문이다.
해양 탄성파 탐사는 바다에서 행해지기 때문에 바다의 특수성, 즉 조수간만의 차이와 너울의 영향을 고려해야 한다. 만조시에는 수위가 올라가므로 음파가 지층에 도달 및 반사해서 오는 시간(주시, two way travel time)이 길어지며, 거꾸로 간조시에는 주시가 짧아진다. 따라서 기준해수면을 기준으로 도달시간을 보정하게 된다. 조석차는 일정하게 나타나므로 이를 보정하는 것은 어렵지 않은데, 문제는 너울이다. 너울은 조석차처럼 일정한 패턴을 가지는 것이 아니기 때문이다.
저주파를 이용한 심부지층 탐사는 긴 파장의 음원을 사용하고 지층도 매우 깊게 위치하므로 너울의 영향이 상대적으로 크지 않다. 그러나 고주파 탐사는 파장이 1m 이내의 짧은 음원을 사용할 뿐만 아니라, 탐사 대상도 낮게 위치하기 때문에 1~2m의 너울에 의해서도 탐사 결과에 큰 영향을 미치게 된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 너울(swell)에 의하여 프레임이 기울어진 경우 GPS에 의해 파악된 위치와 실제 음원(2) 및 수진기(6)의 위치가 달라질 수 밖에 없다. 고주파 탐사는 해상도가 평면방향 및 깊이방향으로 모두 1m 이내이기 때문에, 너울에 의해 발생하는 위치의 오류가 데이터의 신뢰성에 큰 영향을 줄 수 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 3차원 지층탐사기가 너울 등의 영향에 의하여 기울어진 경우에도 실제 음원과 수진기의 위치를 정확하게 파악가능한 3차원 고주파 지층탐사 자료처리방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 3차원 고주파 지층탐사 자료처리방법은(a)해저면을 향해 탄성파를 발사하는 음원과, 일정 간격으로 일렬로 나란하게 배치되며 해저면 및 지층에서 반사된 탄성파를 수신하는 복수의 수진기와, 상기 수진기가 배열된 방향을 따라서 이격되게 배치되는 적어도 2개의 GPS 안테나를 구비하며, 상기 음원, 복수의 수진기 및 복수의 안테나는 모두 상대 위치가 고정되어 있는 지층 탐사기를 이용하여 해양 탐사를 수행하여 해저 지형 및 지층에 대한 데이터와, 상기 데이터가 획득된 시점에서의 상기 안테나를 통해 수신된 3차원 GPS 위치정보를 획득하는 단계; (b)상기 각 안테나의 GPS 위치정보를 조합하여 상기 지층탐사기의 3차원 상의 정렬 각도를 산출하는 단계; (c)상기 안테나에서 얻어진 GPS 위치정보와, 상기 안테나로부터 상기 음원 사이의 상대 위치정보 및 상기 지층탐사기의 3차원 정렬 각도를 조합하여 상기 음원의 3차원 위치좌표를 산출하는 단계; 및 (d)상기 안테나에서 얻어진 GPS 위치정보와, 상기 안테나로부터 상기 복수의 수진기 사이의 상대 위치정보 및 상기 지층탐사기의 3차원 정렬 각도를 조합하여 상기 복수의 수진기의 3차원 실제 위치좌표를 산출하는 단계;를 포함하는 것에 특징이 있다.
특히, 본 발명에서 상기 음원은 수천 Hz의 고주파수를 가지는 음파를 발사하는 고주파 음원을 사용한다.
본 발명에 따르면, 상기 지층탐사기의 정렬 각도는 X,Y,Z축으로 이루어진 3차원 좌표계의 XZ 평면으로 상기 지층탐사기를 정사영했을 때 X축과 이루는 XZ각도(θX-Z)와, YZ축 평면으로 상기 지층탐사기를 정사영했을 때 Y축과 이루는 YZ각도(θY-Z)에 의하여 정의될 수 있다.
본 발명의 일 예에서, 상기 안테나는 제1안테나와 제2안테나를 포함하여 적어도 2개 구비되며, 상기 제1안테나의 수직 하방에 위치한 제1수진기와 제1안테나 사이의 거리(dr)와, 상기 제2안테나의 수직 하방에 위치한 제2수진기와 제2안테나 사이의 거리(dr)는 상호 동일하며, 상기 2개의 안테나에서 관측된 GPS 위치정보를 각각 제1안테나 위치정보(X1,Y1,Z1) 및 제2안테나 위치정보(X2,Y2,Z2)라 할 때,
- 제1안테나 실제 위치좌표(X1',Y1',Z1')
Figure 112021118743955-pat00001
Figure 112021118743955-pat00002
Figure 112021118743955-pat00003
- 제2안테나 실제 위치좌표(X2',Y2',Z2')
Figure 112021118743955-pat00004
Figure 112021118743955-pat00005
Figure 112021118743955-pat00006
상기 제1수진기의 3차원 실제 위치좌표(X1',Y1',Z1')과 상기 제2수진기의 3차원 실제 위치좌표(X2',Y2',Z2')를 위의 수식에 의하여 산출한다.
또한 상기 제1수진기와 제2수진기는 상기 복수의 수진기들의 양측 끝에 각각 위치하며, 상기 제1수진기와 제2수진기 사이에 별도로 n개의 수진기가 배치되면,
- n개 수진기의 각각의 3차원 실제 위치좌표(X'rcv.i,Y'rcv.i,Z'rcv.i)
Figure 112021118743955-pat00007
Figure 112021118743955-pat00008
Figure 112021118743955-pat00009
(여기서, i는 1~n)
상기 제1수진기와 제2수진기 사이에 배치되는 n개 수진기의 각각의 3차원 실제 위치좌표(X'rcv.i,Y'rcv.i,Z'rcv.i)는 위의 수식 (4a),(4b),(4c)에 의하여 산출할 수 있다.
본 발명의 일 예에서, 상기 음원의 수직 상방에 일정 거리(ds) 이격되어 상기 안테나가 구비되며, 상기 음원 상방에 위치한 안테나에서 관측된 GPS 위치정보를 중앙 안테나 위치정보(X0,Y0,Z0)라고 할 때,
- 음원의 3차원 실제 위치좌표(X0',Y0',Z0')
Figure 112021118743955-pat00010
Figure 112021118743955-pat00011
Figure 112021118743955-pat00012
상기 음원의 3차원 실제 위치좌표(X0',Y0',Z0')를 위의 수식 (3a),(3b),(3c)에 의하여 산출할 수 있다.
본 발명의 일 예에서, 상기 GPS 안테나는 네트워크 기반의 브로드캐스트 RTK GPS 신호를 수신하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 너울에 의하여 지층탐사기의 위치와 자세가 계속적으로 바뀌는 상황에서도 지층탐사기의 음원과 수진기의 실제 위치를 정확하게 파악할 수 있다는 이점이 있다.
또한 본 발명에서는 브로드캐스트 RTK GPS를 활용함으로써 GPS 안테나에서 획득되는 안테나의 위치정보는 수 Cm 오차만 있으므로 음원과 수진기의 실제 위치를 정확하게 파악할 수 있다.
도 1은 탐사선에 의해 예인되는 3차원 지층탐사기의 개략적 측면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 3차원 지층탐사기를 정면에서 바라본 것이다.
도 3은 3차원 지층탐사기가 너울의 영향으로 기울어진 상태의 도면이다.
도 4 및 도 5는 탄성파 탐사의 기초 원리를 설명하기 위한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 예에 따른 자료처리방법의 개략적 흐름도이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명에 따른 자료처리방법에서 음원과 수진기의 실제 위치좌표를 산출하는 방법을 설명하기 위한 것으로서, 도 7은 지층검사기가 수평한 상태에 있을 때를 간단하게 나타낸 것이고, 도 7에 도시된 지층검사기가 너울에 의하여 기울어진 상태에서 3차원 좌표계의 XZ평면에 투영한 상태를 도 8에, YZ평면에 투영한 상태를 도 9에 나타냈다.
본 발명은 3차원 고주파 지층탐사기를 이용한 탄성파 탐사에서 음원과 수진기의 정확한 위치좌표를 얻기 위한 것이다. 앞에서도 언급했지만, 해상도가 높은 고주파 음원을 이용한 탐사시 약간의 너울에 의한 좌표의 오류도 데이터의 신뢰성에 영향을 줄 수 있다. 도 2를 참고하면, 너울이 없는 경우 안테나(3,4,5)에서 획득한 3차원 위치정보에서 Z축 좌표만 수직 하방의 일정 거리(수직프레임 높이) 및 수평 방향의 거리(수진기 사이의 거리)만 보정하면 모든 수진기(6)의 위치를 파악할 수 있다. 그러나 도 3과 같이 너울에 의해 지층탐사기가 기운 경우에도 위의 방식을 그대로 적용하면 수진기의 실제 위치좌표와는 차이가 발생할 수 밖에 없다.
해양 탄성파 탐사, 특히 해상도가 높은 고주파 탐사에서 음원과 수진기의 위치를 정확하게 파악해야 한다. 탄성파 탐사에서 음원과 수진기의 위치정보가 왜 필요한지에 대해서 먼저 간략하게 설명한다.
해양 탄성파 탐사시에는 먼저 도 4에 도시된 바와 같이 탐사 영역(T)을 복수의 단위영역(빈(bin)이라고 함, b)으로 구획하고, 각 빈(b)에 대한 위치 정보를 콘트롤러에 입력한다.
탐사선은 설계된 측선(탐사경로)을 따라 탐사 영역을 반복적으로 이동하면서, 일정 시간 또는 일정 거리 이동거리 간격으로 음파를 발생시키고 되돌아오는 반사파를 수신하여 기록한다. 반사파에는 반사된 지점의 지층/지형 정보가 포함되어 있다.
도 5에는 하나의 빈(b)이 표시되어 있고, 그 양측에 음원(s)과 하나의 수진기(r)가 배치된 예(C)가 나타나 있다. 음파는 음원(s)과 수진기(r) 사이의 중간 지점(m)에서 반사되어 들어온다. 따라서 음원(s)과 수진기(r)의 위치만 정확히 알고 있으면 탐사 영역(T) 내 어느 빈(b)에서 반사된 것인지를 알 수 있다. 그리고 도 6에서 음원(s)과 수진기(r)가 빈에 대해서 사선 방향으로 배치된 예(K)가 도시되어 있다. 탐사선이 정해진 측선을 따라 운행하다 보면 경로에 따라 (C)의 예나 (K)의 예가 나타나게된다. (K)의 예에서도 음원과 수진기 사이의 중간점(m)의 위치에서 음파가 반사된다. (C)의 예나 (K)의 예는 모두 동일한 빈 내에서 반사가 이루어졌다. 이렇게 음원과 수진기의 위치를 정확하게 알아야 탄성파가 반사된 지점을 판단할 수 있다. 탄성파 데이터는 지층에 반사된 지점의 지층 정보를 포함하고 있으므로, 음원과 수진기의 위치좌표가 틀리면 반사된 지점에 대한 위치좌표에도 오류가 발생하므로 실제 해저 지층에 대한 정보 분석에 오류가 발생할 수 밖에 없다.
또한 해양 탄성파 탐사에서는 탄성파의 발사 및 수진이 수천, 수만번 이루어지며, 동일 빈에 대한 데이터는 서로 중합해서 노이즈를 제거하는 작업을 거치게 된다. 동일 빈에 대한 데이터를 중합하게 되면 반사신호의 진폭이 보강되기 때문에 신호대 잡음비가 증가하기 때문이다. 그러나 탄성파가 반사된 지점(빈)에 오류가 있으면 반사신호의 보강이 이루어지지 않으므로 데이터 해석에 어려움이 발생한다.
저주파 탐사와 같이 긴 파장을 가진 음파를 이용하여 넓은 영역을 탐사하는 경우 너울에 의해 위치좌표의 정확성에 영향이 거의 없지만, 본 발명의 적용 대상과 같이 고주파 탐사에서는 문제가 크게 발생한다. 본 발명은 너울의 영향에도 음원과 수진기의 정확한 위치를 파악하여 고주파 탐사 데이터의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 방법을 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여, 본 발명의 일 예에 따른 3차원 고주파 지층탐사 자료처리방법에 대하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 일 예에 따른 3차원 고주파 지층탐사 자료처리방법의 개략적 흐름도이다.
본 발명에서는 고주파 탐사 데이터를 획득한다. 앞에서 설명한 바와 같이, 직접 해양 탄성파 탐사를 수행하여 데이터를 얻을 수 있다. 또한 직접 탐사를 하지 않더라도 데이터만을 별도로 취득할 수도 있다. 다만 데이터는 특정한 구성의 지층탐사기에 의하여 획득되어야 한다.
도 2를 참고하면, 본 발명에서 사용하는 지층탐사기는 예컨대 휘어지지 않는 소재의 프레임(1)을 구비하며, 프레임(1)의 양측 끝단에 제1안테나(3)와 제2안테나(5)가 연결봉(7)을 매개로 상방으로 이격된 위치에 설치된다. 본 실시예에서는 프레임의 중앙 상부에도 중앙 안테나(4)가 설치된다.
또한 프레임(1)의 중앙 하부에는 수중에 잠기도록 고주파 음원(2)이 설치되며, 프레임(1)의 길이방향을 따라 복수의 수진기(6)가 설치된다. 수진기(6) 역시 수중에 잠기도록 배치된다. 제1안테나(3)와 제2안테나(5)의 수직 하방에도 수진기가 설치되는데, 설명의 편의상 제1안테나(3) 하방에 배치된 것을 제1수진기, 제2안테나(5) 하방에 배치된 것을 제2수진기라 명명한다. 복수의 수진기(6)들은 등간격으로 배치된다. 음원, 수진기 및 안테나는 모두 휘어지지 않는 프레임에 설치되기 때문에, 이들 사이의 상대위치는 변하지 않고 고정된다.
상기한 구성으로 이루어진 지층탐사기는 도 1에 도시된 바와 같이 탐사선(9)에 의하여 로프(8) 등에 의하여 예인되면서 해저를 향해 탄성파를 발사하고, 해저면에나 해저 지층(G)에서 반사된 반사파를 수신한다. 그리고 탐사 과정에서 탄성파의 발사되는 시점과 GPS 위치정보를 수신하는 시점을 동기화시켜서, 탄성파 발사 시점에서 3개의 안테나(3,4,5)를 통해 각 안테나의 위치좌표를 획득한다. 앞에서도 언급하였지만, 본 발명은 고주파 탐사이기 때문에 GPS 위치정보의 정확도가 높아야 한다. 이에 본 발명에서는 일반 GPS가 아니라 네트워크 기반의 브로드캐스트 RTK GPS를 활용하는데 특징이 있다. 브로드캐스트 RTK GPS는 본 발명과 같이 근해역에서 활용할 수 있으며, 3차원 위치좌표를 수 cm의 오차 수준으로 측정할 수 있다는 이점이 있다.
상기한 과정을 통해 탐사자료가 획득되면, 먼저 GPS 안테나로부터 얻어진 데이터를 이용하여 GPS가 수신된 시점별로, 또는 탄성파가 발사된 시점별로 음원과 수진기의 3차원 위치좌표를 정확하게 산출한다. 그 과정은 아래와 같다.
먼저 적어도 2개의 안테나의 GPS 위치정보를 이용하여 지층탐사기의 정렬각도를 산출한다. 본 예에서 3개의 안테나가 설치되어 있지만, 이들 중 2개의 안테나의 GPS 위치정보를 이용하면 정렬각도를 산출할 수 있다.
도 7 내지 도 9를 참고하여 설명한다.
도 7 내지 도 9는 본 발명에 따른 자료처리방법에서 음원과 수진기의 실제 위치좌표를 산출하는 방법을 설명하기 위한 것으로서, 도 7은 지층검사기가 수평한 상태에 있을 때를 간단하게 나타낸 것이고, 도 7에 도시된 지층검사기가 너울에 의하여 기울어진 상태에서 3차원 좌표계의 XZ평면에 투영한 상태를 도 8에, YZ평면에 투영한 상태를 도 9에 나타냈다.
먼저, X,Y,Z축으로 이루어진 3차원 좌표계를 상정한다. 예컨대 X축은 수평면 상에서 동서 방향을, Y축은 남북 방향을, 그리고 Z축은 고도 방향(중력방향)으로 설정한다. 그리고 지층탐사기에서 복수의 수진기가 배치된 가상의 라인(L)을 상정한다. 본 예에서라면 이 가상의 라인은 결국 앞의 도면에서 프레임(1)과 동일하다. 그리고 도 7에 도시된 바와 같이, 이 가상의 라인(L)을 3차원 좌표계 상의 XZ 평면으로 투영(정사영)하면, 투영된 라인(Lxz)이 X축과 이루는 각도(반시계방향 각도)가 있는데 이를 XZ각도(θX-Z)라 한다. 또한 이 가상의 라인(L)을 3차원 좌표계 상의 YZ 평면으로 정사영하여 투영된 라인(LYZ)이 Y축과 이루는 각도가 있는데 이를 YZ각도(θY-Z)라 한다. 본 발명에서 지층탐사기의 정렬각도란 위의 XZ각도(θX-Z)와 YZ각도(θY-Z)를 의미한다. 지층탐사기가 너울에 의하여 기울어지지 않고 수평하게 배치되어 있다면, XZ각도와 YZ각도는 모두 0°가 된다. 그러나 기울어져 있다면, 3차원 상에서 기울어진 방향에 따라서 XZ평면과 YZ평면에 투영된 라인이 변형되게 된다.
2개의 안테나(3,5)에서 수신한 GPS 위치정보를 각각 제1안테나 GPS 위치정보(X1,Y1,Z1) 및 제2안테나 위치정보(X2,Y2,Z2)라 하고, XZ평면 상에 앞에서 언급한 가상의 라인을 투영하면 도 7과 같이 된다. 제1안테나 GPS 위치정보와 제2안테나 GPS 위치정보 중 X축 좌표(X1,X2)와 Z축 좌표(Z1,Z2)을 XZ평면상에 나타낸다. 이렇게 2쌍의 XZ 좌표를 알면, 상기한 지층탐사기의 가상의 라인이 X축과 이루는 XZ각도(θX-Z)를 아래의 수식 (1), (1a)를 이용하여 구할 수 있다.
Figure 112021118743955-pat00013
Figure 112021118743955-pat00014
마찬가지로 제1안테나 GPS 위치정보(X1,Y1,Z1) 및 제2안테나 위치정보(X2,Y2,Z2)를 이용하여 지층탐사기의 가상의 라인(L)을 YZ평면 상에 투영한 라인(LYZ) 도 8과 같이 된다. 그리고 2쌍의 YZ좌표를 이용하여 가상의 라인이 Y축과 이루는 YZ각도(θY-Z)를 아래의 수식 (2), (2a)를 이용하여 구할 수 있다.
Figure 112021118743955-pat00015
Figure 112021118743955-pat00016
상기한 바와 같이, 지층탐사기의 3차원 좌표계 상에서의 정렬각도를 파악하면, 복수의 수진기(6) 중에서 양측 끝에 배치된 제1수진기와 제2수진기의 실제 위치좌표를 아래의 수식들에 의하여 산출할 수 있다.
먼저 도 7의 XZ 평면으로부터 제1수진기의 실제 3차원 위치좌표(X1',Y1',Z1') 중 X축 좌표(X1')와 Z축 좌표(Z1') 및 제2수진기의 실제 3차원 위치좌표(X2',Y2',Z2') 중 X축 좌표(X2')와 Z축 좌표(Z2')를 알 수 있다.
Figure 112021118743955-pat00017
Figure 112021118743955-pat00018
Figure 112021118743955-pat00019
Figure 112021118743955-pat00020
Figure 112021118743955-pat00021
Figure 112021118743955-pat00022
위의 식에서 dr은 제1안테나와 제1수진기 사이의 실제 직선 거리이다.
또한 도 8의 YZ 평면으로부터 제1수진기의 실제 3차원 위치좌표(X2',Y2',Z2') 중 Y축 및 Z축 좌표(Y1', Z1')와 및 제2수진기의 실제 3차원 위치좌표(X2',Y2',Z2') 중 Y축 및 Z축 좌표(Y2',Z2')를 알 수 있다. 물론 Z1'과 Z2'은 도 7의 XZ 평면에서 구한 것과 동일하다.
Figure 112021118743955-pat00023
Figure 112021118743955-pat00024
Figure 112021118743955-pat00025
Figure 112021118743955-pat00026
Figure 112021118743955-pat00027
Figure 112021118743955-pat00028
위의 식에서 dr은 제2안테나와 제2수진기 사이의 실제 직선 거리이며, 제1안테나와 제1수진기 사이의 거리와 동일하다.
그리고 본 예에서는 제1수진기와 제2수진기 사이에 별도로 n개의 수진기가 배치된다.
- n개 수진기의 각각의 3차원 실제 위치좌표(X'rcv.i,Y'rcv.i,Z'rcv.i)
Figure 112021118743955-pat00029
Figure 112021118743955-pat00030
Figure 112021118743955-pat00031
(여기서, i는 1~n)
상기 제1수진기와 제2수진기 사이에 배치되는 n개 수진기의 각각의 3차원 실제 위치좌표(X'rcv.i,Y'rcv.i,Z'rcv.i)는 위의 수식 (4a),(4b),(4c)에 의하여 산출할 수 있다. 즉 제1수진기와 제2수진기의 좌표를 알고 있고, 제1수진기와 제2수진기 사이의 거리도 알고 있다. 제1수진기와 제2수진기 및 이들 사이의 n개의 수진기는 모두 등간격으로 설치되어 있으므로 위의 수식에 의하여 구할 수 있다. 도 7 및 도 8의 경우 제1수진기 및 제2수진기 사이에 2개의 수진기가 배치되므로 n=2가 된다. 참고로 제1수진기는 X1'으로 표시되는 것이고, 제1수진기와 제2수진기 사이의 n개의 수진기에서 첫 번째 수진기의 좌표는 X'rcv.1 으로 표시하여 서로 구분한다.
또한 제1수진기 또는 제2수진기와 음원 사이의 상대적 위치를 알고 있으면 위의 방법을 이용하여 음원의 실제 위치좌표도 산출할 수 있다. 다만, 본 실시예에서 사용하는 지층탐사기에서는 프레임의 중앙에도 안테나가 설치되어 있으므로 중앙안테나에서 얻은 GPS 위치정보(X0,Y0,Z0)와, 앞에서 산출했던 정렬각도 및 중앙안테나와 음원 사이의 거리(ds)를 이용하여 음원의 3차원 실제 위치좌표(X0',Y0',Z0')를 아래의 수식 (3a),(3b),(3c)를 이용하여 산출할 수 있다.
- 음원의 3차원 실제 위치좌표(X0',Y0',Z0')
Figure 112021118743955-pat00032
Figure 112021118743955-pat00033
Figure 112021118743955-pat00034
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 적어도 2개의 GPS 안테나에서 각가 해당 안테나의 위치정보를 수신한다. 그리고 2개의 위치정보를 이용하여 지층탐사기의 기울어진 방향 즉, 정렬각도를 산출한다. GPS 안테나와 복수의 수진기 사이의 거리는 물리적으로 고정되어 이미 알고 있는 값이므로, 지층탐사기의 정렬각도를 구하면 위의 수식들에 의하여 각 수진기 및 음원의 실제 위치좌표를 파악할 수 있다. 즉 너울에 의하여 지층탐사기의 위치와 자세가 바뀌는 상황에서도 상기한 방법을 이용하면 복수의 수진기와 음원의 실제 위치를 정확하게 파악할 수 있다. 또한 브로드캐스트 RTK GPS를 활용함으로써 GPS 안테나에서 획득되는 안테나의 위치정보는 수 Cm 오차만 있으므로 음원과 수진기의 실제 위치를 정확하게 파악할 수 있다.
1 ... 프레임, 2 ... 음원 3,4,5 ... 안테나
6 ... 수진기, 7 ... 연결봉 8 ... 견인줄
9 ... 탐사선, G ... 지층

Claims (7)

  1. (a)해저면을 향해 탄성파를 발사하는 음원과, 일렬로 나란하게 배치되며 해저면 및 지층에서 반사된 탄성파를 수신하는 복수의 수진기와, 상기 수진기가 배열된 방향을 따라서 이격되게 배치되는 적어도 2개의 GPS 안테나를 구비하며, 상기 음원, 복수의 수진기 및 복수의 안테나는 모두 상대 위치가 고정되어 있는 지층 탐사기를 이용하여 해양 탐사를 수행하여 해저 지형 및 지층에 대한 데이터와, 상기 데이터가 획득된 시점에서의 상기 안테나를 통해 수신된 3차원 GPS 위치정보를 획득하는 단계;
    (b)상기 각 안테나의 GPS 위치정보를 조합하여 상기 지층탐사기의 3차원 상의 정렬 각도를 산출하는 단계;
    (c)상기 안테나에서 얻어진 GPS 위치정보와, 상기 안테나로부터 상기 음원 사이의 상대 위치정보 및 상기 지층탐사기의 3차원 정렬 각도를 조합하여 상기 음원의 3차원 위치좌표를 산출하는 단계; 및
    (d)상기 안테나에서 얻어진 GPS 위치정보와, 상기 안테나로부터 상기 복수의 수진기 사이의 상대 위치정보 및 상기 지층탐사기의 3차원 정렬 각도를 조합하여 상기 복수의 수진기의 3차원 실제 위치좌표를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 고주파 지층탐사 자료처리방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 지층탐사기의 정렬 각도는 X,Y,Z축으로 이루어진 3차원 좌표계의 XZ 평면으로 상기 지층탐사기를 정사영했을 때 X축과 이루는 XZ각도(θX-Z)와, YZ축 평면으로 상기 지층탐사기를 정사영했을 때 Y축과 이루는 YZ각도(θY-Z)에 의하여 정의되는 것을 특징으로 하는 3차원 고주파 지층탐사 자료처리방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 안테나는 제1안테나와 제2안테나를 포함하여 적어도 2개 구비되며,
    상기 제1안테나의 수직 하방에 위치한 제1수진기와 제1안테나 사이의 거리(dr)와, 상기 제2안테나의 수직 하방에 위치한 제2수진기와 제2안테나 사이의 거리(dr)는 상호 동일하며,
    상기 2개의 안테나에서 관측된 GPS 위치정보를 각각 제1안테나 GPS 위치정보(X1,Y1,Z1) 및 제2안테나 혠 위치정보(X2,Y2,Z2)라 할 때,
    - 제1안테나 실제 위치좌표(X1',Y1',Z1')
    Figure 112021118743955-pat00035

    Figure 112021118743955-pat00036

    Figure 112021118743955-pat00037

    - 제2안테나 실제 위치좌표(X2',Y2',Z2')
    Figure 112021118743955-pat00038

    Figure 112021118743955-pat00039

    Figure 112021118743955-pat00040

    상기 제1수진기의 3차원 실제 위치좌표(X1',Y1',Z1')과 상기 제2수진기의 3차원 실제 위치좌표(X2',Y2',Z2')를 위의 수식에 의하여 산출하는 것을 특징으로 하는 3차원 고주파 지층탐사 자료처리방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1수진기와 제2수진기는 상기 복수의 수진기들의 양측 끝에 각각 위치하며, 상기 제1수진기와 제2수진기 사이에 별도로 n개의 수진기가 배치되면,
    - n개 수진기의 각각의 3차원 실제 위치좌표(X'rcv.i,Y'rcv.i,Z'rcv.i)
    Figure 112021118743955-pat00041

    Figure 112021118743955-pat00042

    Figure 112021118743955-pat00043

    (여기서, i는 1~n)
    상기 제1수진기와 제2수진기 사이에 배치되는 n개 수진기의 각각의 3차원 실제 위치좌표(X'rcv.i,Y'rcv.i,Z'rcv.i)는 위의 수식 (4a),(4b),(4c)에 의하여 산출하는 것을 특징으로 하는 3차원 고주파 지층탐사 자료처리방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 음원의 수직 상방에 일정 거리(ds) 이격되어 상기 안테나가 구비되며,
    상기 음원 상방에 위치한 안테나에서 관측된 GPS 위치정보를 중앙 안테나 위치정보(X0,Y0,Z0)라고 할 때,
    - 음원의 3차원 실제 위치좌표(X0',Y0',Z0')
    Figure 112021118743955-pat00044

    Figure 112021118743955-pat00045

    Figure 112021118743955-pat00046

    상기 음원의 3차원 실제 위치좌표(X0',Y0',Z0')를 위의 수식 (3a),(3b),(3c)에 의하여 산출하는 것을 특징으로 하는 3차원 고주파 지층탐사 자료처리방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 GPS 안테나는 네트워크 기반의 브로드캐스트 RTK GPS 신호를 수신하는 것을 특징으로 하는 3차원 고주파 지층탐사 자료처리방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 음원은 수천 Hz의 고주파수를 가지는 음파를 발사하는 것을 특징으로 하는 3차원 고주파 지층탐사 자료처리방법.

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