KR20160120977A - Method for enhancing dynamic range of seismec sensor and apparatus thereof - Google Patents

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KR20160120977A
KR20160120977A KR1020150050266A KR20150050266A KR20160120977A KR 20160120977 A KR20160120977 A KR 20160120977A KR 1020150050266 A KR1020150050266 A KR 1020150050266A KR 20150050266 A KR20150050266 A KR 20150050266A KR 20160120977 A KR20160120977 A KR 20160120977A
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Abstract

The present invention relates to a method for enhancing a dynamic range of a seismometer sensor and a device thereof. According to the present invention, the method for enhancing a dynamic range of a seismometer sensor, comprises: a step of modeling a noise signal included in a seismometer sensor as an automatic regressive moving average (ARMA) model; a step of expressing an output signal of the seismometer sensor defined using the sum of the modeled noise signal and a seismic wave input signal as a state equation using a state variable; and steps of constructing a Kalman filter using the state equation, and estimating the seismic wave input signal using the Kalman filter. According to the method for enhancing a dynamic range of a seismometer sensor and a device thereof, noise components included in the seismometer sensor are minimized, and the dynamic range of the seismometer sensor is enhanced by estimating a seismic wave signal.

Description

지진계 센서의 동적 범위 향상 방법 및 그 장치{Method for enhancing dynamic range of seismec sensor and apparatus thereof}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a dynamic range of a seismic sensor,

본 발명은 지진계 센서의 동적 범위 향상 방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 지진파 신호의 측정에 사용되는 지진계 센서의 동적 범위를 향상시킬 수 있는 지진계 센서의 동적 범위 향상 방법 및 그 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a dynamic range enhancement method and apparatus for a seismometer sensor, and more particularly, to a dynamic range enhancement method and apparatus for a seismometer sensor capable of improving dynamic range of a seismometer sensor used for measuring a seismic signal will be.

일반적으로 MEMS(Micro Electro Mechanical System)는 반도체 소자인 실리콘의 우수한 기계적 특성 및 전기적 안정성을 기반으로 다양한 계측용 센서 소자로 사용되고 있다. 특히 용량형(capacitive) MEMS 센서는 미세 가공 및 일괄 생산에 적합하기 때문에 최근 들어 모바일 기기 용도의 저가 센서로 급속히 성장하고 있다.In general, MEMS (Micro Electro Mechanical System) is used as a sensor element for various measurement based on excellent mechanical characteristics and electrical stability of silicon, which is a semiconductor element. In particular, capacitive MEMS sensors are rapidly growing as low-cost sensors for mobile devices because they are suitable for micro-fabrication and batch production.

MEMS 센서가 소형화와 저가격화를 추구하는 한편 기존의 고가의 기계식 계측용 센서를 MEMS 기반으로 대체하려는 노력도 활발히 진행되고 있다. 특히 가속도 센서의 경우 2011년에 Colibrys사에서 출시한 SF2006는 잡음 밀도가 1.3/√Hz에 불과하여 기존의 거대한 기계식 센서 성능에 근접하고 있다. MEMS 가속도 센서의 정밀도가 높아지면 관성 항법 장치나 지진 모니터링과 같은 기존의 대형 고비용 계측 설비를 소형 저가 시스템으로 대체할 수 있는데 이를 위해서는 MEMS 센서의 정지 잡음을 줄이는 것이 중요하다.While MEMS sensors are pursuing miniaturization and lowering costs, efforts are being actively made to replace existing expensive mechanical measurement sensors with MEMS-based sensors. Especially in the case of accelerometers, the SF2006 released by Colibrys in 2011 is approaching the performance of huge mechanical sensors because it has a noise density of only 1.3 / √Hz. As the accuracy of MEMS accelerometers increases, it is possible to replace traditional large-scale, high-cost metrology equipment such as inertial navigation and seismic monitoring with smaller, lower-cost systems.

지진계 센서의 출력에는 지진파 신호와 이를 측정하는 과정에서 입력되는 잡음 신호를 모두 포함하고 있다. 잡음의 종류로는 백색 잡음, 잡음, 랜덤워크, 양자화 잡음, 마코프 프로세서 등이 있다. 주파수 영역에서 보면 잡음 신호는 지진파 신호에 더해지는 저주파 잡음과 이 영역을 벗어난 고주파 잡음으로 구분될 수 있다. The output of the seismometer sensor includes both the seismic signal and the noise signal input during the measurement. The types of noise include white noise, noise, random walk, quantization noise, and Markov processor. In the frequency domain, the noise signal can be divided into a low frequency noise added to the seismic signal and a high frequency noise out of this area.

그 중에서 고주파 잡음은 저역통과 필터(LPF;Low Pass Filter)로 충분히 억제가 가능하지만 저주파 잡음은 실제 지진파 신호와 동일한 주파수 대역에 존재하므로 일반적인 저역통과 필터로는 억제가 불가능하다.Among them, high-frequency noise can be sufficiently suppressed by a low-pass filter (LPF), but low-frequency noise exists in the same frequency band as the actual seismic signal, so it can not be suppressed by a general low-pass filter.

본 발명의 배경이 되는 기술은 한국등록특허 제0594625호(2006.06.30 공고)에 개시되어 있다.The technology to be a background of the present invention is disclosed in Korean Patent No. 0594625 (Jun. 30, 2006).

본 발명은 지진계 센서가 가지는 잡음 성분을 최소화하면서 지진파 신호를 추정함에 따라 지진계 센서의 동적 범위를 향상시킬 수 있는 지진계 센서의 동적 범위 향상 방법 및 그 장치를 제공하는데 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a dynamic range enhancement method and apparatus for a seismometer sensor capable of improving a dynamic range of a seismometer sensor by minimizing a noise component of the seismometer sensor while estimating the seismic signal.

본 발명은, 지진계 센서에 포함된 잡음 신호를 자동회귀이동평균(ARMA;Auto Regressive Moving Average) 모델로 모델링하는 단계와, 상기 모델링된 잡음 신호와 지진파 입력 신호의 합을 이용하여 정의되는 상기 지진계 센서의 출력 신호를 상태 변수를 사용한 상태 방정식으로 표현하는 단계, 및 상기 상태 방정식을 이용하여 칼만 필터를 구성하고 상기 칼만 필터를 이용하여 상기 지진파 입력 신호를 추정하는 단계를 포함하는 지진계 센서의 동적 범위 향상 방법을 제공한다.The method includes modeling a noise signal included in a seismometer sensor in an ARMA (Auto Regressive Moving Average) model, using the sum of the modeled noise signal and the seismic input signal, Expressing the output signal of the seismic sensor as a state equation using state variables, and constructing a Kalman filter using the state equation and estimating the seismic input signal using the Kalman filter. ≪ / RTI >

여기서, 상기 지진계 센서의 동적 범위 향상 방법은, 입력이 무인가된 상태에서 측정한 상기 지진계 센서의 출력 데이터로부터 상기 잡음 신호를 획득하는 단계를 더 포함할 수 있다.The dynamic range enhancement method of the seismometer sensor may further include acquiring the noise signal from output data of the seismometer sensor measured while the input is unmanned.

또한, 상기 ARMA 모델로 모델링된 잡음 신호는 아래의 수학식으로 정의될 수 있다.In addition, the noise signal modeled by the ARMA model can be defined by the following equation.

Figure pat00001
Figure pat00001

(

Figure pat00002
)(
Figure pat00002
)

여기서, bt는 상기 모델링된 잡음 신호, na 및 ai는 각각 상기 자동회귀의 차수 및 계수,

Figure pat00003
는 백색 가우시안 잡음, nc 및 cj는 각각 상기 이동평균의 차수 및 계수를 나타낸다.Where b t is the modeled noise signal, na and a i are the order and coefficients of the autoregression,
Figure pat00003
Is the white Gaussian noise, and nc and cj denote the order and coefficient of the moving average, respectively.

또한, 상기 지진계 센서의 출력 신호 yt는, 상기 지진파 입력 신호 ut, 상기 모델링된 잡음 신호 bt, 상기 지진계 센서의 출력에 추가되는 백색 잡음 vt의 합(

Figure pat00004
)으로 정의되고, 상기 지진파 입력 신호 ut는 아래의 수학식으로 정의될 수 있다.In addition, the output signal y t of the seismometer sensor is calculated by subtracting the sum of the seismic input signal u t , the modeled noise signal b t , and the white noise v t added to the output of the seismometer sensor
Figure pat00004
), And the seismic input signal u t can be defined by the following equation.

Figure pat00005
Figure pat00005

여기서, ut는 마코프 프로세스로 정의된 상기 지진파 입력 신호, αi는 임의의 상수, nα는 마코프 프로세스 차수, ft는 지진파 입력 신호에 포함된 백색 잡음을 나타낸다.Where u t is the seismic input signal defined by the Markov process, α i is any constant, n α is the Markov process order, and f t is the white noise included in the seismic input signal.

또한, 상기 상태 방정식은 시스템 식과 출력 식을 포함하는 아래의 수학식으로 정의될 수 있다.Further, the state equation can be defined by the following equation including the system equation and the output equation.

Figure pat00006
Figure pat00006

여기서, xt는 상태 변수로서

Figure pat00007
, wt는 프로세스 잡음으로서
Figure pat00008
, F는 시스템 행렬, G는 프로세스 잡음 행렬, yt는 지진계 센서의 출력, H는 측정 행렬, vt는 백색 잡음을 나타낸다.Here, x t is a state variable
Figure pat00007
, w t is the process noise
Figure pat00008
, F is the system matrix, G is the process noise matrix, y t is the output of the seismometer sensor, H is the measurement matrix, and v t is the white noise.

또한, 상기 칼만 필터는 아래의 수학식으로 정의될 수 있다.Further, the Kalman filter can be defined by the following equation.

Figure pat00009
Figure pat00009

여기서,

Figure pat00010
는 시간 t에서의 상태 변수 추정 값,
Figure pat00011
는 시간 t+1에서의 지진계 센서의 출력을 이용한 상태 변수 추정 값,
Figure pat00012
Figure pat00013
의 예측 값, K는 칼만 이득 행렬이다.here,
Figure pat00010
Is the state variable estimate at time t,
Figure pat00011
Is a state variable estimation value using the output of the seismometer sensor at time t + 1,
Figure pat00012
The
Figure pat00013
And K is a Kalman gain matrix.

또한, 상기 지진계 센서의 동적 범위 향상 방법은, 상기 칼만 필터를 사용하기 이전 또는 이후에 저역통과 필터를 사용하여 고주파 잡음을 억제하는 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, the dynamic range enhancement method of the seismometer sensor may further include suppressing high frequency noise using a low-pass filter before or after using the Kalman filter.

그리고, 본 발명은, 지진계 센서에 포함된 잡음 신호를 자동회귀이동평균(ARMA;Auto Regressive Moving Average) 모델로 모델링하는 ARMA 모델링부와, 상기 모델링된 잡음 신호와 지진파 입력 신호의 합을 이용하여 정의되는 상기 지진계 센서의 출력 신호를 상태 변수를 사용한 상태 방정식으로 표현하는 상태공간모형 생성부, 및 상기 상태 방정식을 이용하여 칼만 필터를 구성하고 상기 칼만 필터를 이용하여 상기 지진파 입력 신호를 추정하는 칼만 필터 연산부를 포함하는 지진계 센서의 동적 범위 향상 장치를 제공한다.The ARMA modeling unit models the noise signal included in the seismometer sensor as an ARMA (Auto Regressive Moving Average) model, and uses the sum of the modeled noise signal and the seismic input signal to define A state space model generator for expressing an output signal of the seismometer sensor by using a state equation using a state variable and a Kalman filter for constructing a Kalman filter using the state equation and estimating the seismic input signal using the Kalman filter, A dynamic range enhancement device for a seismometer sensor including an operation unit is provided.

본 발명에 따른 지진계 센서의 동적 범위 향상 방법 및 그 장치에 따르면, 지진계 센서가 가지는 잡음 성분을 최소화하면서 지진파 신호를 추정함에 따라 지진계 센서의 동적 범위를 향상시킬 수 있는 이점이 있다.According to the dynamic range enhancement method and apparatus of a seismometer sensor according to the present invention, a dynamic range of a seismometer sensor can be improved by estimating a seismic signal while minimizing a noise component of the seismometer sensor.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 지진계 센서의 동적 범위 향상 장치의 구성도이다.
도 2는 도 1의 장치를 이용한 동적 범위 향상 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 방법의 테스트를 위한 지진계의 셋업 상태를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 사용된 저역통과 필터의 주파수 응답 특성을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 추정한 모델에 의한 백색화 가능 여부를 확인한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에서 지진파 입력 신호가 있을 때 지진계 센서의 출력 데이터, 저역통과 필터 통과 데이터, 칼만 필터 통과 데이터를 각각 비교한 도면이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a block diagram of an apparatus for improving dynamic range of a seismometer sensor according to an embodiment of the present invention; FIG.
2 is a flowchart illustrating a dynamic range enhancement method using the apparatus of FIG.
3 is a diagram illustrating a setup state of a seismograph for testing a method according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram illustrating a frequency response characteristic of a low-pass filter used in an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram for checking whether whitening is possible by a model estimated according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a graph comparing output data, low pass filter pass data, and Kalman filter pass data of a seismometer sensor when there is a seismic input signal in the embodiment of the present invention.

그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention.

본 발명은 지진계 센서의 동적 범위 향상 방법 및 그 장치에 관한 것으로서 지진계 센서에 포함된 잡음에 의한 영향을 억제하는 것을 통해 지진계 센서의 동적 범위를 향상시킬 수 있는 방법을 제안한다.The present invention relates to a dynamic range enhancement method and apparatus for a seismometer sensor, and proposes a method for improving the dynamic range of a seismometer sensor by suppressing the influence of noise included in the seismometer sensor.

일반적으로 지진계용 가속도 센서 즉, 지진계 센서가 가지는 성능 중에서 가장 중요한 것은 동적 범위이며 동적 범위는 아래와 같이 표현할 수 있다.In general, the most important performance of a seismometer acceleration sensor, ie, a seismometer sensor, is a dynamic range and a dynamic range can be expressed as follows.

Figure pat00014
Figure pat00014

이러한 수학식 1과 같이, 지진계 센서의 동적 범위는 정해진 최대 입력에 대하여, 지진계 센서에서 측정된 센서 신호의 최대값과 배경 잡음의 표준편차 간의 비율로 표현되는 것을 알 수 있다. 본 발명의 실시예는 지진계 센서로서 3축의 가속도계가 MEMS 공정에 의해 하나의 모듈로 일체화된 것을 예시로 하며 상기 최대 입력으로서 국내 지진계 규격에 정해진 2g을 사용한다.As shown in Equation (1), the dynamic range of the seismometer sensor is expressed as a ratio between the maximum value of the sensor signal measured by the seismometer sensor and the standard deviation of the background noise with respect to the predetermined maximum input. In the embodiment of the present invention, a three-axis accelerometer as a seismometer sensor is integrated into a single module by the MEMS process, and 2g determined in the domestic seismograph standard is used as the maximum input.

일반적으로 센서의 배경 잡음에 대한 이론적 한계는 스프링에 연결된 관성 질량의 열역학적 거동으로 설명할 수 있으며 아래의 수학식 2로 표현할 수 있다.In general, the theoretical limit to the background noise of the sensor can be explained by the thermodynamic behavior of the inertial mass connected to the spring, and can be expressed by the following equation (2).

Figure pat00015
Figure pat00015

여기서, v는

Figure pat00016
단위의 배경잡음 밀도, kB는 볼츠만(Boltzmann) 상수, T는 온도, ω0는 2차 진동계의 고유진동수, Q는 quality factor, M은 관성 질량을 의미한다. Where v is
Figure pat00016
B is the Boltzmann constant, T is the temperature, ω 0 is the natural frequency of the secondary vibration system, Q is the quality factor, and M is the inertial mass.

상기의 수학식 2에 따르면 MEMS 가속도 센서의 배경 잡음은 센서의 구조 개선 및 온도 보상 등의 방법으로 개선할 수 있으나 개선의 정도에는 한계가 따른다. 따라서 센서 출력에 대한 별도의 후처리 과정을 통하여 배경 잡음에 의한 영향을 억제할 수 있는 디지털 필터링 알고리즘이 필요하다.According to Equation (2), the background noise of the MEMS acceleration sensor can be improved by the structure improvement of the sensor and the temperature compensation, but the degree of improvement is limited. Therefore, a digital filtering algorithm is needed to suppress the influence of background noise through separate post-processing of the sensor output.

본 발명의 실시예는 입력이 무인가된 상태에서 지진계 센서에 포함된 잡음을 분석하고 분석한 잡음을 ARMA 모델링한 다음, 모델링된 잡음과 지진파 입력을 칼만 필터식에 포함시킴에 따라, 지진파 신호의 입력 시에 칼만 필터 방법을 통하여 잡음을 억제하면서 지진파 신호를 추정할 수 있다. 또한 지진파 신호 추정 성능을 향상시키기 위하여 칼만 필터 전후에 일반적인 저역통과 필터를 추가로 사용할 수 있다.In the embodiment of the present invention, the noise included in the seismometer sensor is analyzed and the analyzed noise is modeled as ARMA. Then, the modeled noise and the seismic input are included in the Kalman filter expression, The Kalman filter method can estimate the seismic signal while suppressing the noise. In order to improve the estimation performance of the seismic signal, a general low-pass filter may be additionally used before and after the Kalman filter.

이러한 방법으로 본 발명의 실시예는 지진계 센서의 잡음 성분을 최소화하면서 지진파 신호를 추정할 수 있어 지진계 센서의 동적 범위를 향상시키는 결과를 도출할 수 있다. 이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 지진계 센서의 동적 범위 향상 방법에 관하여 더욱 상세히 설명한다. In this way, the embodiment of the present invention can estimate the seismic signal while minimizing the noise component of the seismometer sensor, thereby improving the dynamic range of the seismometer sensor. Hereinafter, a dynamic range enhancement method of a seismometer sensor according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 지진계 센서의 동적 범위 향상 장치의 구성도이고, 도 2는 도 1의 장치를 이용한 지진계 센서의 동적 범위 향상 방법을 나타낸 흐름도이다. FIG. 1 is a configuration diagram of a dynamic range enhancement apparatus for a seismometer sensor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a flowchart illustrating a dynamic range enhancement method of a seismometer sensor using the apparatus of FIG.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 지진계 센서의 동적 범위 향상 장치(100)는 잡음 획득부(110), ARMA 모델링부(120), 상태공간모형 생성부(130), 칼만 필터 연산부(140), 저역통과 필터부(150)를 포함한다.1 and 2, an apparatus 100 for improving a dynamic range of a seismometer sensor according to an embodiment of the present invention includes a noise acquisition unit 110, an ARMA modeling unit 120, a state space model generation unit 130, A Kalman filter operation unit 140, and a low pass filter unit 150.

먼저, 잡음 획득부(110)는 입력이 무인가된 상태에서 측정한 지진계 센서의 출력 데이터로부터 잡음 신호를 획득한다(S210).First, the noise acquisition unit 110 acquires a noise signal from the output data of the seismometer sensor measured while the input is unmanned (S210).

본 발명의 실시예는 잡음 신호를 모델링 하기에 앞서, 상기와 같이 지진계 센서에 입력을 가하지 않은 상태에서 측정되는 지진계 센서의 출력 데이터로부터 잡음 신호를 획득한다. 이는 지진계 센서에 입력이 없는 상태에서 배경 잡음 성분을 측정하기 위한 것이다.The embodiment of the present invention obtains the noise signal from the output data of the seismometer sensor measured without applying the input to the seismometer sensor as described above before modeling the noise signal. This is for measuring the background noise component without input to the seismic sensor.

상기와 같이 잡음 신호가 획득되면 잡음 신호를 자동회귀이동평균(ARMA;Auto Regressive Moving Average) 모델로 표현한다. 즉, ARMA 모델링부(120)는 지진계 센서에 포함된 잡음 신호를 상기 ARMA 모델로 모델링한다(S220). When the noise signal is obtained as described above, the noise signal is expressed by an auto regressive moving average (ARMA) model. That is, the ARMA modeling unit 120 models the noise signal included in the seismometer sensor into the ARMA model (S220).

여기서 잡음 신호를 ARMA 모델링하는 과정은 다음과 같다. 우선, 자동회귀(AR;Auto Regressive) 및 이동평균(MA;Moving Average)이 혼합된 ARMA 모형은 일반적으로 아래의 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.Here, the process of modeling the noise signal by ARMA is as follows. First, an ARMA model in which an auto regressive (AR) and a moving average (MA) are mixed can be expressed as Equation (3) below.

Figure pat00017
Figure pat00017

여기서, bt는 상기 모델링된 잡음 신호,

Figure pat00018
는 백색 가우시안 잡음, na 및 ai는 각각 상기 자동회귀의 차수 및 계수(i=1,…,na), nc 및 cj는 각각 상기 이동평균의 차수 및 계수(j=1,…,nc)를 나타낸다. 그리고 t와 관련한 것은 시간에 대한 인덱스를 나타내는데, t-1은 현재시간 t로부터 한 샘플 이전 시간을 의미한다.Where b t is the modeled noise signal,
Figure pat00018
Is white Gaussian noise, na, and a i are each the autoregressive order and the coefficients (i = 1, ..., na ) of, nc and c j are respectively the moving average of the order and a coefficient (j = 1, ..., nc ) . And t relates to the time index, where t-1 means one sample time before the current time t.

이러한 수학식 3에서, 자동회귀의 차수 na 및 계수 ai와, 이동평균의 차수 nc 및 계수 cj를 각각 추정하여야 한다. 본 발명의 실시예는 시스템 식별 방법 중에서 잡음 백색화(whitening)에 최적 방법으로 알려진 예측 오차법(prediction error method)을 사용하여 차수 및 계수들을 각각 추정할 수 있다. In this equation (3), the order of the autoregressive na and the coefficient a i and, to be the estimated moving average degree nc and coefficients c j of each. Embodiments of the present invention can estimate the order and coefficients using a prediction error method known as an optimal method for noise whitening among system identification methods.

일반적으로 칼만 필터는 선형 시불변 시스템에 상태 변수를 추정하는 데에 최적의 필터로 알려져 있다. 본 발명의 실시예는 상기와 같이 ARMA 모델로 표현된 잡음 신호를 상태 변수 방정식에 포함시켜 칼만 필터에 의하여 지진파 입력 신호를 추정한다.In general, the Kalman filter is known as the optimal filter for estimating state variables in a linear time invariant system. In the embodiment of the present invention, the noise signal represented by the ARMA model is included in the state variable equation as described above, and the seismic input signal is estimated by the Kalman filter.

수학식 3의 평균이동 부분을 새로운 변수 et로 정의하면 수학식 3은 수학식 4와 같이 정리된다.If the average moving part of Equation (3) is defined as a new variable e t , Equation (3) is summarized as Equation (4).

Figure pat00019
Figure pat00019

여기서,

Figure pat00020
이다. 이러한 수학식 4에 정의된 bt는 수학식 3에 정의한 잡음 신호를 나타내며, ai는 bt의 변수(i=1,…,na)를 나타낸다. here,
Figure pat00020
to be. B t defined in Equation (4) represents a noise signal defined in Equation (3), and a i represents a variable (i = 1, ..., na) of b t .

이상과 같이 정의한 잡음 신호 bt는 지진계 센서에 지진파 입력이 무인가된 상태에서 얻은 잡음을 ARMA 모델링한 것이다. 여기서 실제 지진파 입력이 가해졌을 경우 지진계 센서 출력은 잡음 신호 bt와 지진파 입력이 더해져서 나타난다. 또한 지진계 센서 출력에는 추가로 백색 잡음이 포함될 수 있다.The noise signal b t defined above is the ARMA model of the noise obtained when the seismic input is unattended to the seismometer sensor. If the actual seismic input is applied here, the seismic sensor output appears by adding the noise signal b t and the seismic input. Additionally, the seismic sensor output may include additional white noise.

따라서, 지진파 입력 신호를 ut로 정의하고, 지진계 센서 출력에 ut와 bt 이외에 추가로 포함될 수 있는 백색 잡음을 vt로 정의하면, 실제로 지진계 센서를 통해 출력되는 신호 yt는 아래의 수학식 5와 같이 ut, bt, vt의 합으로 표현될 수 있다.Accordingly, when defining the seismic input signal into a u t and defined as a white noise that more may be included in addition to the u t and b t a seismic sensor output v t, the signal y t is actually outputted by the seismic sensors mathematical below Can be expressed as the sum of u t , b t , and v t as in Equation (5).

Figure pat00021
Figure pat00021

이와 같이 지진계 센서의 출력 yt은 수학식 5와 같이 간단한 개념으로 나타낼 수 있다. 물론 이러한 출력 yt은 지진계 센서에 지진파 입력 신호, ARMA 모델로 모델링된 잡음 신호, 그리고 백색 잡음이 함께 입력되어 출력된 것과 같은 효과를 가진다.Thus, the output y t of the seismometer sensor can be represented by a simple concept as shown in Equation (5). Of course, this output y t has the same effect as the seismic input signal, the noise signal modeled by the ARMA model, and the white noise are input and output to the seismometer sensor together.

앞서 S220 단계와 같이 잡음 신호를 모델링한 이후에는 이를 바탕으로 상태 방정식을 생성하도록 한다. 즉, 상태공간모형 생성부(130)는 상기 모델링된 잡음 신호와 지진파 입력 신호를 이용하여 정의되는 지진계 센서의 출력 신호 yt를 상태 변수 xt를 사용한 상태 방정식으로 표현한다(S230).After modeling the noise signal as in step S220, a state equation is generated based on the model. That is, the state space model generating unit 130 expresses the output signal y t of the seismometer sensor defined using the modeled noise signal and the seismic input signal as a state equation using the state variable x t (S230).

본 발명의 실시예에서 상태 방정식을 구성하는 방법을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다. 우선, 본 발명의 실시예에서 지진파 입력 신호는 다음의 수학식 6와 같이 마코프 프로세스(Markov Process)로 가정한다.The method of constructing the state equation in the embodiment of the present invention will be described in more detail as follows. First, in the embodiment of the present invention, the seismic input signal is assumed to be a Markov process as shown in Equation (6).

Figure pat00022
Figure pat00022

여기서, ut는 마코프 프로세스로 정의된 상기 지진파 입력 신호, αi는 임의의 상수, nα는 마코프 프로세스 차수, ft는 지진파 입력 신호에 포함된 백색 잡음을 나타낸다. αi는 필터 구성 시에 적절하게 튜닝이 필요하다.Where u t is the seismic input signal defined by the Markov process, α i is any constant, n α is the Markov process order, and f t is the white noise included in the seismic input signal. α i requires tuning appropriately when configuring the filter.

수학식 4에 의한 모델링된 잡음 신호 bt, 수학식 6에 의한 지진파 입력 신호 ut, 그리고 지진계 센서의 출력 yt을 나타내는 수학식 5를 결합하면, 수학식 7의 상태 방정식을 획득할 수 있다.By combining the modeled noise signal b t according to equation (4), the seismic input signal u t according to equation (6), and the equation (5) representing the output y t of the seismometer sensor, the equation of state of equation .

Figure pat00023
Figure pat00023

이러한 수학식 7의 상태 방정식은, 상태 변수 xt의 시간 전파(time propagation)를 나타내는 시스템 식(수학식 7의 첫 번째 식)과, 상태 변수의 조합에 의하여 지진계 센서의 출력을 구성하는 출력 식(수학식 7의 두 번째 식)으로 구분된다.The state equation of Equation (7) is a system equation (first equation of Equation (7)) representing the time propagation of the state variable x t , and an output equation of the output of the seismometer sensor (The second expression in Equation 7).

구체적으로, 수학식 7의 시스템 식(첫 번째 식)에서, xt는 시스템의 상태를 나타내는 상태 변수로서, 잡음 신호 bt와 지진파 입력 신호 ut로 구성되며,

Figure pat00024
이다. 그리고, 프로세스 잡음 wt 즉, 공정 잡음은
Figure pat00025
이다.Specifically, in the system equation (Equation (7)) of Equation (7), x t is a state variable indicating the state of the system and is composed of a noise signal b t and a seismic input signal u t ,
Figure pat00024
to be. Then, the process noise w t, that is, the process noise,
Figure pat00025
to be.

또한 시스템 식에서, F는 시스템 행렬, G는 프로세스 잡음 행렬로서 아래의 수학식 8과 같이 표현된다.Also, in the system equation, F is expressed as a system matrix, and G is expressed as a process noise matrix as shown in Equation (8) below.

Figure pat00026
Figure pat00026

그리고, 수학식 7의 출력 식(두 번째 식)에서, yt는 지진계 센서의 출력, H는 측정 행렬, vt는 백색 잡음을 나타낸다.In equation (7), y t is the output of the sensor, H is the measurement matrix, and v t is the white noise.

H는 아래의 수학식 9와 같이 표현된다.H is expressed by the following equation (9).

Figure pat00027
Figure pat00027

수학식 7과 같이 생성된 상태 방정식을 이용하여 칼만 필터를 구성하면 상태 방정식의 상태 변수를 추정할 수 있다. 즉, 수학식 7에서 xt는 시스템의 현재 상태에 대한 모든 정보를 나타내고 있지만 이를 직접적으로 측정할 수는 없으므로, 대신 잡음이 섞여 있는 형태의 지진계 센서의 출력을 이용하여 xt를 추정할 수 있다.The state variable of the state equation can be estimated by constructing the Kalman filter using the state equation generated as shown in Equation (7). That is, in Equation (7), x t represents all the information on the current state of the system, but since it can not be measured directly, x t can be estimated using the output of a sensor with a mixed noise type .

이에 따라, 칼만 필터 연산부(140)는 수학식 7의 상태 방정식을 이용하여 구성한 칼만 필터를 통하여 지진계 센서의 출력 신호로부터 상태 변수를 추정하고, 결과적으로 상태 변수의 일부분인 지진파 입력 신호의 추정 값을 획득한다(S240). 여기서, 칼만 필터는 수학식 10으로 나타낼 수 있다.Accordingly, the Kalman filter operation unit 140 estimates the state variable from the output signal of the seismometer sensor through the Kalman filter constructed by using the state equation of Equation (7), and consequently obtains the estimated value of the seismic input signal (S240). Here, the Kalman filter can be expressed by Equation (10).

Figure pat00028
Figure pat00028

여기서,

Figure pat00029
는 시간 t에서의 상태 변수 추정 값,
Figure pat00030
는 시간 t+1에서의 지진계 센서의 출력 신호를 이용한 상태 변수 추정 값이다.
Figure pat00031
Figure pat00032
의 예측 값으로서 상태 변수 추정 값
Figure pat00033
를 통해 구할 수 있다. 더 상세하게는 시간 갱신(time update)으로 구해진 상태 변수 추정 값
Figure pat00034
로부터
Figure pat00035
를 이용하여 계산될 수 있다. K는 칼만이득 행렬로서 시스템 및 측정 행렬과 잡음의 분산으로부터 계산된다. K를 구하는 과정은 칼만 필터 이론으로부터 기 공지되어 있으므로 상세한 설명은 생략한다.here,
Figure pat00029
Is the state variable estimate at time t,
Figure pat00030
Is the state variable estimation value using the output signal of the seismometer sensor at time t + 1.
Figure pat00031
The
Figure pat00032
The state variable estimation value < RTI ID = 0.0 >
Figure pat00033
. More particularly, the present invention relates to a state variable estimation value obtained by time update
Figure pat00034
from
Figure pat00035
. ≪ / RTI > K is the Kalman gain matrix and is calculated from the variance of the system and measurement matrix and noise. Since the process of obtaining K is well known from the Kalman filter theory, detailed description is omitted.

칼만 필터는 지진계 센서 출력으로부터 잡음을 억제하면서 지진파 입력을 추정하므로 결과적으로 지진계 센서의 동적 범위를 향상시킬 수 있다. The Kalman filter estimates the seismic input while suppressing noise from the seismic sensor output, which can improve the dynamic range of the seismic sensor.

칼만 필터에 부가적으로 저역통과 필터를 사용하면, 지진파 입력 신호의 추정이 더욱 정확해질 수 있다. 즉, 저역통과 필터부(150)는 칼만 필터를 사용하기 이전 단계 혹은 이후 단계에 위치하여 고주파 잡음을 억제하는 역할을 수행한다. 구체적으로는 칼만 필터를 사용하기 이전에 지진계 센서의 출력 신호를 저역통과 필터에 통과시킨 다음 칼만 필터를 구성하거나, 칼만 필터를 통해 얻은 지진파 입력 신호의 추정 값을 저역통과 필터에 통과시키는 방법을 사용할 수 있다.By using a low pass filter in addition to the Kalman filter, the estimation of the seismic input signal can be more accurate. That is, the low-pass filter unit 150 is positioned before or after the use of the Kalman filter to suppress high-frequency noise. Specifically, before using the Kalman filter, a method of passing the output signal of the seismometer sensor through a low-pass filter and then constructing a Kalman filter or passing the estimated value of the seismic input signal obtained through the Kalman filter to a low-pass filter .

저역통과 필터는 통과시키는 저주파 대역에서 지진파 신호에 왜곡이 발생하지 않도록 하기 위하여 통과 대역에서 리플이 최소화되어야 한다. 리플을 최소화하는 필터로는 타원형 필터(eliptic filter)를 사용할 수 있으며 통과 대역은 국내 지진계 주파수 규격인 0~50Hz을 사용할 수 있다.The ripple in the passband must be minimized in order to prevent distortion of the seismic signal in the low frequency band through which the lowpass filter passes. An elliptic filter can be used as the filter to minimize the ripple. The passband can be 0 ~ 50Hz, which is the frequency standard of the domestic seismometer.

본 발명의 실시예는 잡음에 대하여 ARMA 모델로 모델링한 이후 칼만 필터 방법을 사용하여 잡음을 억제하면서 지진파 신호를 추정할 수 있으며 이를 통하여 지진계 센서의 동적 범위를 향상시킬 수 있다. 이러한 동적 범위의 향상 효과는 아래의 시험 결과를 통하여 증명할 수 있다. 참고로 아래의 실시예는 상기 저역통과 필터를 칼만 필터의 전단계에 위치시킨 경우이다.The embodiment of the present invention can estimate the seismic signal while suppressing the noise using the Kalman filter method after modeling the noise with the ARMA model, thereby improving the dynamic range of the seismometer sensor. The improvement of dynamic range can be verified through the following test results. For reference, the embodiment described below is a case where the low-pass filter is placed in front of the Kalman filter.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 방법의 테스트를 위한 지진계의 셋업(Setup) 상태를 나타낸 도면이다. 도 3의 (a)는 시험에 사용된 지진계 센서로서 MEMS 공정으로 3축의 가속도계를 하나의 모듈로 일체화한 것이며 최대 2g 이상의 입력이 가능하다. 도 3의 (b)는 무진동 테이블 상에 장착된 가진기의 상부에 지진계를 부착하여 테스트하는 모습을 나타낸다.3 is a diagram showing a setup state of a seismograph for testing a method according to an embodiment of the present invention. FIG. 3 (a) is a seismometer sensor used in the test, which is a MEMS process integrating a three-axis accelerometer into one module, which can input a maximum of 2 g or more. 3 (b) shows a state where a seismograph is attached to the upper part of the vibrator mounted on the vibration-free table.

여기서 배경 잡음에 대한 표준편차를 구할 때에는 가진기의 동작을 멈춘 정적 상태에서 데이터를 수집하도록 하였다. 그리고 가진기에 의한 지진파 입력 신호는 국내 지진계 규격에서 정한 최대 입력인 2g의 크기의 정현파 입력을 사용하였다. 또한 정현파의 주파수는 지진계 규격에서 정한 주파수 범위의 중간 정도인 27Hz를 사용하였다. 데이터 수집을 위하여 24bit ADC가 내장된 NI-9239 DAQ 장치를 사용하였으며, NI-9239 DAQ에서 PC로 데이터를 전송하고 PC 상에서 본 발명의 실시예에 따른 알고리즘을 수행하였다. 물론, 이러한 알고리즘은 지진계 센서에 자체적으로 내장되는 형태로도 구현될 수 있다.Here, when the standard deviation of the background noise is obtained, the data is collected in a static state where the operation of the exciter is stopped. And the seismic input signal by the exciter uses the sinusoidal input of 2g size which is the maximum input specified by the domestic seismograph standard. The frequency of the sinusoidal wave is 27Hz which is half of the frequency range defined by the seismograph standard. In order to collect data, an NI-9239 DAQ device with a 24-bit ADC was used. Data was transmitted from the NI-9239 DAQ to a PC and an algorithm according to an embodiment of the present invention was performed on the PC. Of course, such an algorithm can also be implemented in a form embedded in a seismic sensor itself.

도 4는 본 발명의 실시예에 사용된 저역통과 필터의 주파수 응답 특성을 나타낸 도면이다. 본 발명의 실시예에서 고주파 잡음을 제거하기 위한 저역통과 필터는 타원형 필터를 사용하였다. 도 4를 참조하면, 사용된 저역통과 필터는 고주파 잡음을 120dB 이상 억제하도록 설계된 것이며 이러한 특성은 고주파 잡음을 제거하기에 충분하다.4 is a diagram illustrating a frequency response characteristic of a low-pass filter used in an embodiment of the present invention. In the embodiment of the present invention, an oval filter is used as a low-pass filter for eliminating high-frequency noise. Referring to FIG. 4, the low-pass filter used is designed to suppress high-frequency noise by 120 dB or more, and this characteristic is sufficient to eliminate high-frequency noise.

우선, 지진파 입력이 없는 정적 상태에서 획득한 센서의 측정 데이터로부터 저역통과 필터를 통과시켜 고주파수 잡음을 제거한 다음 예측 오차법을 이용하여 ARMA 모델의 계수를 추정하였다. First, high-frequency noise is removed by passing a low-pass filter from the measured data of the sensor obtained in the static state without the seismic input, and then the coefficients of the ARMA model are estimated using the prediction error method.

본 발명의 실시예에서는 추정한 잡음 모델이 충분히 백색화 가능한지를 확인하기 위하여 자기상관함수(auto correlation function)의 비교를 수행하였으며, 그 결과는 아래의 도 5를 참조한다.In an embodiment of the present invention, an auto correlation function comparison is performed to confirm whether the estimated noise model can be sufficiently whitened, and the result is shown in FIG. 5 below.

도 5는 본 발명의 실시예에 따라 추정한 모델에 의한 백색화 가능 여부를 확인한 도면이다. 도 5의 (a)는 저역통과 필터를 통과한 잡음 데이터, (b)는 저역통과 필터 이후 ARMA 모델링된 잡음 데이터에 대한 자기 상관 함수 결과를 각각 나타낸다. 이러한 도 5의 결과로부터, 단순히 저역통과 필터를 통과한 데이터와는 달리, 저역통과 필터 통과 이후 ARMA 모델링된 데이터는 백색화에 매우 근접한 것을 알 수 있으며 이를 통해 추정한 ARMA 모델이 타당한 것을 확인할 수 있다.FIG. 5 is a diagram for checking whether whitening is possible by a model estimated according to an embodiment of the present invention. FIG. 5A shows noise data having passed through the low-pass filter, and FIG. 5B shows the autocorrelation function results for the noise data ARMA modeled after the low-pass filter. From the result of FIG. 5, it can be seen that the ARMA modeled data after passing through the low-pass filter is very close to the whitening, unlike the data simply passing through the low-pass filter, and it is confirmed that the estimated ARMA model is valid .

다음은 추정한 ARMA 모델의 계수를 이용하여 칼만 필터를 구성하고 지진파 입력 신호를 추정한 결과를 설명한다. 먼저, 지진파 입력이 없는 동적 상태에서 추정한 결과를 설명한다. 지진파 입력이 없는 경우에 추정되는 값은 배경 잡음에 해당하며 그 표준 편차는 아래의 표 1에 나타내었다.Next, the Kalman filter is constructed using the coefficients of the estimated ARMA model and the results of estimating the seismic input signal are described. First, we explain the estimation result in dynamic state without seismic input. In the absence of seismic input, the estimated value corresponds to background noise and its standard deviation is shown in Table 1 below.

표준편차(g)Standard deviation (g) 센서 출력Sensor output 2.04e-52.04e-5 저역통과 필터 통과 후After passing the low-pass filter 1.02e-51.02e-5 칼만 필터 통과 후After passing through the Kalman filter 7.72e-67.72e-6

표 1을 참조하면, 센서 출력으로부터 직접 추정한 배경 잡음보다 저역통과 필터를 통과시킨 이후에 추정한 배경잡음의 경우 그 표준 편차가 약 0.5배로 감소한 것을 알 수 있고 칼만 필터를 통과한 이후에는 약 0.35배까지 감소한 것을 알 수 있다. 이를 통해, 칼만 필터의 통과에 따라 배경 잡음이 백색화에 근접해진 것을 확인할 수 있다.Referring to Table 1, it can be seen that the background noise estimated after passing through the low-pass filter is less than the background noise directly estimated from the sensor output, and the standard deviation thereof is reduced to about 0.5 times. After passing through the Kalman filter, And it is decreased to the times when it is decreased. As a result, it can be confirmed that the background noise approaches the whitening due to the passage of the Kalman filter.

다음으로 지진파 입력이 가해진 상태에서 추정한 결과를 설명한다. 27Hz의 정현파를 2g 입력으로 가하여 저역통과 필터를 통과한 이후 및 칼만 필터의 추정 이후의 결과를 각각 비교하였다. Next, we explain the estimation result in the state where the seismic wave input is applied. A sinusoidal wave of 27 Hz was applied to the input of 2 g, and the results after passing through the low-pass filter and after the estimation of the Kalman filter were compared, respectively.

도 6은 본 발명의 실시예에서 지진파 입력 신호가 있을 때 지진계 센서의 출력 데이터, 저역통과 필터 통과 데이터, 칼만 필터 통과 데이터를 각각 비교한 도면이다. 도 6의 결과는 칼만 필터의 추정 값은 센서 출력 데이터 및 저역통과 필터 통과 데이터와도 비슷하게 일치함을 보여준다. FIG. 6 is a graph comparing output data, low pass filter pass data, and Kalman filter pass data of a seismometer sensor when there is a seismic input signal in the embodiment of the present invention. The results in FIG. 6 show that the estimated values of the Kalman filter agree well with the sensor output data and the lowpass filter pass-through data.

여기서, 본 발명의 실시예에서 확인해야 하는 특성인 지진계 센서의 동적 범위를 구하기 위하여, 도 6으로부터 각 출력 데이터의 최대값을 구한 결과, 세 가지 데이터 모두 2g에 거의 근접한 1.8g 정도의 값을 나타내었다. 여기서 각각의 최대값을 수학식 1에 적용하여 센서의 동적 범위를 구한 결과는 표 2와 같다.In order to obtain the dynamic range of the seismometer sensor, which is a characteristic to be confirmed in the embodiment of the present invention, the maximum value of each output data is obtained from FIG. 6, and as a result, . Table 2 shows the results of calculating the dynamic range of the sensor by applying each maximum value to Equation (1).

동적범위(dB)Dynamic range (dB) 센서 출력Sensor output 9999 저역통과 필터 통과 후After passing the low-pass filter 105105 칼만 필터 통과 후After passing through the Kalman filter 108108

표 2를 참조하면, 저역통과 필터를 통과한 이후의 경우 단순히 센서 출력의 경우보다 6dB 정도 동적 범위가 개선되었고 칼만 필터를 통과한 이후의 경우는 9dB 정도 동적 범위가 개선된 것을 알 수 있다. 결과적으로, 본 발명의 실시예에 따른 방법을 MEMS 기반의 3축 가속도 형태의 지진계에 적용하여 성능을 검증한 결과, 단순히 저역통과 필터를 사용한 경우에 비하여 동적 범위를 3dB 가량 개선시킬 수 있었다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 ARMA 모델링 및 칼만 필터 방법에 의하면 흔히 사용하는 저역통과 필터 방법보다 동적 범위를 크게 개선할 수 있는 것을 확인할 수 있다. Referring to Table 2, it can be seen that the dynamic range is improved by about 6 dB after passing through the low-pass filter, and by about 9 dB after passing through the Kalman filter. As a result, the method according to the embodiment of the present invention was applied to a three-axis acceleration type seismometer based on MEMS and the performance was verified. As a result, the dynamic range could be improved by 3 dB compared with the case using a low pass filter. That is, according to the ARMA modeling method and the Kalman filter method according to the embodiment of the present invention, the dynamic range can be significantly improved as compared with the low-pass filter method that is commonly used.

이상과 같이 본 발명의 실시예는 잡음을 ARMA 모델로 모델링 한 후 칼만 필터 방법을 사용하여 잡음을 억제하고 지진파 신호를 추정한다. 즉, 입력이 무인가된 상태에서의 센서 잡음을 ARMA 모델로 모델링하고 해당 모델을 식별한 다음, 모델링된 잡음과 지진파 입력을 칼만 필터식에 포함시켜 칼만 필터에 의한 지진파 입력을 추정하는 과정을 포함한다. 결과적으로 본 발명에 따른 지진계 센서의 동적 범위 향상 방법 및 그 장치에 따르면, 지진계 센서가 가지는 잡음 성분을 최소화하면서 지진파 신호를 추정함에 따라 지진계 센서의 동적 범위를 향상시킬 수 있는 이점이 있다.As described above, embodiments of the present invention model the noise as an ARMA model and then suppress the noise and estimate the seismic signal using the Kalman filter method. That is, the method includes modeling the sensor noise in the unmanned state with the ARMA model, identifying the corresponding model, and then including the modeled noise and the seismic input in the Kalman filter expression to estimate the seismic input by the Kalman filter . As a result, according to the dynamic range enhancement method and apparatus of a seismometer sensor according to the present invention, dynamic range of a seismometer sensor can be improved by estimating a seismic signal while minimizing a noise component of the seismometer sensor.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.While the present invention has been described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.

100: 지진계 센서의 동적 범위 향상 장치
110: 잡음 획득부 120: ARMA 모델링부
130: 상태공간모형 생성부 140: 칼만 필터 연산부
150: 저역통과 필터부
100: Dynamic range enhancement device of a seismic sensor
110: noise acquisition unit 120: ARMA modeling unit
130: state space model generation unit 140: Kalman filter operation unit
150: Low pass filter section

Claims (14)

지진계 센서에 포함된 잡음 신호를 자동회귀이동평균(ARMA;Auto Regressive Moving Average) 모델로 모델링하는 단계;
상기 모델링된 잡음 신호와 지진파 입력 신호의 합을 이용하여 정의되는 상기 지진계 센서의 출력 신호를 상태 변수를 사용한 상태 방정식으로 표현하는 단계; 및
상기 상태 방정식을 이용하여 칼만 필터를 구성하고 상기 칼만 필터를 이용하여 상기 지진파 입력 신호를 추정하는 단계를 포함하는 지진계 센서의 동적 범위 향상 방법.
Modeling a noise signal included in the seismometer sensor into an automatic regressive moving average (ARMA) model;
Expressing an output signal of the seismometer sensor defined by using the sum of the modeled noise signal and the seismic input signal as a state equation using a state variable; And
And constructing a Kalman filter using the state equation and estimating the seismic input signal using the Kalman filter.
청구항 1에 있어서,
입력이 무인가된 상태에서 측정한 상기 지진계 센서의 출력 데이터로부터 상기 잡음 신호를 획득하는 단계를 더 포함하는 지진계 센서의 동적 범위 향상 방법.
The method according to claim 1,
Further comprising the step of acquiring the noise signal from output data of the seismometer sensor measured while the input is unmanned.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 ARMA 모델로 모델링된 잡음 신호는 아래의 수학식으로 정의되는 지진계 센서의 동적 범위 향상 방법:
Figure pat00036

(
Figure pat00037
)
여기서, bt는 상기 모델링된 잡음 신호, na 및 ai는 각각 상기 자동회귀의 차수 및 계수,
Figure pat00038
는 백색 가우시안 잡음, nc 및 cj는 각각 상기 이동평균의 차수 및 계수를 나타낸다.
The method according to claim 1 or 2,
Wherein the noise signal modeled by the ARMA model is defined by the following equation:
Figure pat00036

(
Figure pat00037
)
Where b t is the modeled noise signal, na and a i are the order and coefficients of the autoregression,
Figure pat00038
Is the white Gaussian noise, and nc and cj denote the order and coefficient of the moving average, respectively.
청구항 3에 있어서,
상기 지진계 센서의 출력 신호 yt는,
상기 지진파 입력 신호 ut, 상기 모델링된 잡음 신호 bt, 상기 지진계 센서의 출력에 추가되는 백색 잡음 vt의 합(
Figure pat00039
)으로 정의되고,
상기 지진파 입력 신호 ut는 아래의 수학식으로 정의되는 지진계 센서의 동적 범위 향상 방법:
Figure pat00040

여기서, ut는 마코프 프로세스로 정의된 상기 지진파 입력 신호, αi는 임의의 상수, nα는 마코프 프로세스 차수, ft는 지진파 입력 신호에 포함된 백색 잡음을 나타낸다.
The method of claim 3,
The output signal y t of the seismometer sensor is obtained by:
The sum of the seismic input signal u t , the modeled noise signal b t , and the white noise v t added to the output of the seismometer sensor
Figure pat00039
),
Wherein the seismic input signal u t is defined by the following equation:
Figure pat00040

Where u t is the seismic input signal defined by the Markov process, α i is any constant, n α is the Markov process order, and f t is the white noise included in the seismic input signal.
청구항 4에 있어서,
상기 상태 방정식은 시스템 식과 출력 식을 포함하는 아래의 수학식으로 정의되는 지진계 센서의 동적 범위 향상 방법:
Figure pat00041

여기서, xt는 상태 변수로서
Figure pat00042
, wt는 프로세스 잡음으로서
Figure pat00043
, F는 시스템 행렬, G는 프로세스 잡음 행렬, yt는 지진계 센서의 출력, H는 측정 행렬, vt는 백색 잡음을 나타낸다.
The method of claim 4,
Wherein the state equation is defined by the following equation including a system expression and an output expression:
Figure pat00041

Here, x t is a state variable
Figure pat00042
, w t is the process noise
Figure pat00043
, F is the system matrix, G is the process noise matrix, y t is the output of the seismometer sensor, H is the measurement matrix, and v t is the white noise.
청구항 5에 있어서,
상기 칼만 필터는 아래의 수학식으로 정의되는 지진계 센서의 동적 범위 향상 방법:
Figure pat00044

여기서,
Figure pat00045
는 시간 t에서의 상태 변수 추정 값,
Figure pat00046
는 시간 t+1에서의 지진계 센서의 출력을 이용한 상태 변수 추정 값,
Figure pat00047
Figure pat00048
의 예측 값, K는 칼만 이득 행렬이다.
The method of claim 5,
Wherein the Kalman filter is defined by the following equation:
Figure pat00044

here,
Figure pat00045
Is the state variable estimate at time t,
Figure pat00046
Is a state variable estimation value using the output of the seismometer sensor at time t + 1,
Figure pat00047
The
Figure pat00048
And K is a Kalman gain matrix.
청구항 1에 있어서,
상기 칼만 필터를 사용하기 이전 또는 이후에 저역통과 필터를 사용하여 고주파 잡음을 억제하는 단계를 더 포함하는 지진계 센서의 동적 범위 향상 방법.
The method according to claim 1,
Further comprising suppressing high frequency noise using a low pass filter before or after using the Kalman filter.
지진계 센서에 포함된 잡음 신호를 자동회귀이동평균(ARMA;Auto Regressive Moving Average) 모델로 모델링하는 ARMA 모델링부;
상기 모델링된 잡음 신호와 지진파 입력 신호의 합을 이용하여 정의되는 상기 지진계 센서의 출력 신호를 상태 변수를 사용한 상태 방정식으로 표현하는 상태공간모형 생성부; 및
상기 상태 방정식을 이용하여 칼만 필터를 구성하고 상기 칼만 필터를 이용하여 상기 지진파 입력 신호를 추정하는 칼만 필터 연산부를 포함하는 지진계 센서의 동적 범위 향상 장치.
An ARMA modeling unit for modeling the noise signal included in the seismometer sensor as an automatic regressive moving average (ARMA) model;
A state space model generation unit for expressing an output signal of the seismometer sensor defined by using the sum of the modeled noise signal and the seismic input signal as a state equation using a state variable; And
And a Kalman filter operator for constructing a Kalman filter using the state equation and estimating the seismic input signal using the Kalman filter.
청구항 8에 있어서,
입력이 무인가된 상태에서 측정한 상기 지진계 센서의 출력 데이터로부터 상기 잡음 신호를 획득하는 잡음 획득부를 더 포함하는 지진계 센서의 동적 범위 향상 장치.
The method of claim 8,
And a noise acquiring unit for acquiring the noise signal from output data of the seismometer sensor measured in a state where the input is unmanned.
청구항 8 또는 청구항 9에 있어서,
상기 ARMA 모델로 모델링된 잡음 신호는 아래의 수학식으로 정의되는 지진계 센서의 동적 범위 향상 장치:
Figure pat00049

(
Figure pat00050
)
여기서, bt는 상기 모델링된 잡음 신호, na 및 ai는 각각 상기 자동회귀의 차수 및 계수,
Figure pat00051
는 백색 가우시안 잡음, nc 및 cj는 각각 상기 이동평균의 차수 및 계수를 나타낸다.
The method according to claim 8 or 9,
Wherein the noise signal modeled by the ARMA model is defined by the following equation:
Figure pat00049

(
Figure pat00050
)
Where b t is the modeled noise signal, na and a i are the order and coefficients of the autoregression,
Figure pat00051
Is the white Gaussian noise, and nc and cj denote the order and coefficient of the moving average, respectively.
청구항 10에 있어서,
상기 지진계 센서의 출력 신호 yt는,
상기 지진파 입력 신호 ut, 상기 모델링된 잡음 신호 bt, 상기 지진계 센서의 출력에 추가되는 백색 잡음 vt의 합(
Figure pat00052
)으로 정의되고,
상기 지진파 입력 신호 ut는 아래의 수학식으로 정의되는 지진계 센서의 동적 범위 향상 장치:
Figure pat00053

여기서, ut는 마코프 프로세스로 정의된 상기 지진파 입력 신호, αi는 임의의 상수, nα는 마코프 프로세스 차수, ft는 지진파 입력 신호에 포함된 백색 잡음을 나타낸다.
The method of claim 10,
The output signal y t of the seismometer sensor is obtained by:
The sum of the seismic input signal u t , the modeled noise signal b t , and the white noise v t added to the output of the seismometer sensor
Figure pat00052
),
The seismic input signal u t is defined by the following equation:
Figure pat00053

Where u t is the seismic input signal defined by the Markov process, α i is any constant, n α is the Markov process order, and f t is the white noise included in the seismic input signal.
청구항 11에 있어서,
상기 상태 방정식은 시스템 식과 출력 식을 포함하는 아래의 수학식으로 정의되는 지진계 센서의 동적 범위 향상 장치:
Figure pat00054

여기서, xt는 상태 변수로서
Figure pat00055
, wt는 프로세스 잡음으로서
Figure pat00056
, F는 시스템 행렬, G는 프로세스 잡음 행렬, yt는 지진계 센서의 출력, H는 측정 행렬, vt는 백색 잡음을 나타낸다.
The method of claim 11,
Wherein the state equation is defined by the following equation including a system expression and an output expression:
Figure pat00054

Here, x t is a state variable
Figure pat00055
, w t is the process noise
Figure pat00056
, F is the system matrix, G is the process noise matrix, y t is the output of the seismometer sensor, H is the measurement matrix, and v t is the white noise.
청구항 11에 있어서,
상기 칼만 필터는 아래의 수학식으로 정의되는 지진계 센서의 동적 범위 향상 장치:
Figure pat00057

여기서,
Figure pat00058
는 시간 t에서의 상태 변수 추정 값,
Figure pat00059
는 시간 t+1에서의 지진계 센서의 출력을 이용한 상태 변수 추정 값,
Figure pat00060
Figure pat00061
의 예측 값, K는 칼만 이득 행렬이다.
The method of claim 11,
Wherein the Kalman filter is defined by the following equation:
Figure pat00057

here,
Figure pat00058
Is the state variable estimate at time t,
Figure pat00059
Is a state variable estimation value using the output of the seismometer sensor at time t + 1,
Figure pat00060
The
Figure pat00061
And K is a Kalman gain matrix.
청구항 8에 있어서,
상기 칼만 필터를 사용하기 이전 또는 이후에 저역통과 필터를 사용하여 고주파 잡음을 억제하는 저역통과 필터부를 더 포함하는 지진계 센서의 동적 범위 향상 장치.
The method of claim 8,
Further comprising a low-pass filter portion for suppressing high-frequency noise using a low-pass filter before or after using the Kalman filter.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108959176A (en) * 2018-06-20 2018-12-07 西南交通大学 A kind of distributed vehicle speed estimation method based on adaptive volume Kalman filtering
CN115210609A (en) * 2020-02-21 2022-10-18 株式会社东京测振 Estimation device, vibration sensor system, method executed by estimation device, and program

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