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KR101897687B1 - 주파수 스펙트럼을 이용한 지진계 센서의 3성분 방향각도 추출 장치 및 방법 - Google Patents

주파수 스펙트럼을 이용한 지진계 센서의 3성분 방향각도 추출 장치 및 방법 Download PDF

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Publication number
KR101897687B1
KR101897687B1 KR1020170073421A KR20170073421A KR101897687B1 KR 101897687 B1 KR101897687 B1 KR 101897687B1 KR 1020170073421 A KR1020170073421 A KR 1020170073421A KR 20170073421 A KR20170073421 A KR 20170073421A KR 101897687 B1 KR101897687 B1 KR 101897687B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
sensor data
component
angle
frequency spectrum
reference sensor
Prior art date
Application number
KR1020170073421A
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English (en)
Inventor
조창수
손민경
Original Assignee
한국지질자원연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Abstract

본 발명은 주파수 영역에서의 진폭 스펙트럼을 이용하여 기준 센서의 각 성분에 대하여 시험 센서의 성분 방향 각도를 3차원적으로 구할 수 있는 주파수 스펙트럼을 이용한 지진계 센서의 3성분 방향각도 추출 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의한 주파수 스펙트럼을 이용한 지진계 센서의 3성분 방향각도 추출 장치는 상기 기준 센서 자료 및 시험 센서 자료를 동 시간에 측정하도록 구성된 센서 자료 측정부; 상기 기준 센서 자료 및 시험 센서 자료에 대해 민감도 보정을 수행하도록 구성된 센서 자료 민감도 보정부; 상기 기준 센서 자료 및 시험 센서 자료의 기기 응답이 평활한 주파수 대역을 선택하도록 구성된 센서 자료 주파수 대역 선택부; 및 상기 기준 센서 자료의 민감도 보정 성분을 회전 변환하고, 이 기준 센서 자료의 회전 변환 성분과 상기 시험 센서 자료의 민감도 보정 성분을 주파수 스펙트럼으로 변환을 하고, 이 주파수 스펙트럼으로 변환된 두 성분의 오차 백분율 값을 계산하여 오차 백분율 값이 최소가 될 때의 상기 시험 센서의 3성분의 방향 각도를 계산하도록 구성된 시험 센서 3성분 방향 각도 계산부를 포함한다.

Description

주파수 스펙트럼을 이용한 지진계 센서의 3성분 방향각도 추출 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR EXTRACTING DIRECTION ANGLE OF THREE COMPONENT OF SEISMOMETER SENSOR USING FREQUENCY SPECTRUM}
본 발명은 주파수 스펙트럼을 이용한 지진계 센서의 3성분 방향각도 추출 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 주파수 영역에서의 진폭 스펙트럼을 이용하여 기준 센서의 각 성분에 대하여 시험 센서의 성분 방향 각도를 3차원적으로 구할 수 있는 주파수 스펙트럼을 이용한 지진계 센서의 3성분 방향각도 추출 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근, 중규모인 경주 지진(약 지역규모 5.8) 발생으로 인해 한반도가 안전지대가 아니라는 국민의 인식과 지진에 대한 관심이 높아지고 있는 것이 현실이다. 이러한 상황에서 지진 계측기 또는 지진 관측 장비가 제대로 작동하는 지의 여부를 알기 위한 성능 시험 또는 성능 검정에 대한 관심도 높아지고 있다. 지진 계측기 또는 지진 관측 장비에 대한 성능시험 항목 중에서 센서의 직교성 확인 및 센서 방향성 확인은 센서 자체의 직교성 뿐만 아니라 다른 성능 항목 시험에서 가장 기초적인 기술로 적용하는 방법이다.
국내 특허 공개 2008-0105944호 공보에는 제로교정과 스팬교정을 수행한 후 주기적으로 자체 검사를 수행하여 지진 발생을 감지하는 지진 감지 센서의 구성요소의 고장유무를 파악하도록 하여 감지 데이터의 신뢰성을 향상시키는 장치 및 방법에 관한 기술이 개시되어 있다.
이와 같은 지진 감지 센서(지진계 센서라고도 불리움)에 대한 성능시험을 위해, 종래에는 2차원적인 축 회전 변환을 이용하는 지진계 성분 변환 방법이 널리 이용되고 있었다. 이와 같은 종래의 2차원적인 축 회전 변환 방법은 3차원적인 지진계의 성분 해석을 위해 적용될 수 없으므로 지진계의 3차원적인 직교성 및 방향성에 대한 해석이 이루어질 수 없다는 문제점이 있었다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 지진계 센서의 3차원적인 직교성 및 방향성을 해석하기 위해 필요한 지진계 센서의 3성분 방향각도를 추출할 수 있는, 주파수 스펙트럼을 이용한 지진계 센서의 3성분 방향각도 추출 장치 및 방법을 제공하는 데에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시형태에 의한, 주파수 스펙트럼을 이용한 지진계 센서의 3성분 방향각도 추출 장치는 기준 센서 자료의 회전 변환 성분과 시험 센서 자료 성분의 주파수 스펙트럼을 이용한 지진계 센서의 3성분 방향각도 추출 장치로서: 상기 기준 센서 자료 및 시험 센서 자료를 동 시간에 측정하도록 구성된 센서 자료 측정부; 상기 기준 센서 자료 및 시험 센서 자료에 대해 민감도 보정을 수행하도록 구성된 센서 자료 민감도 보정부; 상기 기준 센서 자료 및 시험 센서 자료의 기기 응답이 평활한 주파수 대역을 선택하도록 구성된 센서 자료 주파수 대역 선택부; 및 상기 기준 센서 자료의 민감도 보정 성분을 회전 변환하고, 이 기준 센서 자료의 회전 변환 성분과 상기 시험 센서 자료의 민감도 보정 성분을 주파수 스펙트럼으로 변환을 하고, 이 주파수 스펙트럼으로 변환된 두 성분의 오차 백분율 값을 계산하여 오차 백분율 값이 최소가 될 때의 상기 시험 센서의 3성분의 방향 각도를 계산하도록 구성된 시험 센서 3성분 방향 각도 계산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 실시형태에 의한, 주파수 스펙트럼을 이용한 지진계 센서의 3성분 방향각도 추출 장치에 있어서, 상기 기준 센서 및 시험 센서의 3성분은 각각 그 성분과 직교하는 2축의 회전 각도로 표시될 수 있다.
상기 실시형태에 의한, 주파수 스펙트럼을 이용한 지진계 센서의 3성분 방향각도 추출 장치에 있어서, 상기 오차 백분율 값은 다음의 [수학식 11]
[수학식 11]
Figure 112017055901338-pat00001
[여기서,
Figure 112018034931496-pat00002
은 오차 백분율 값이고,
Figure 112018034931496-pat00003
는 절대값이고,
Figure 112018034931496-pat00004
는 시험 센서 자료의 주파수 스펙트럼의 진폭이며,
Figure 112018034931496-pat00094
는 기준 센서 자료의 회전 성분의 주파수 스펙트럼의 진폭임]
에 의해 계산될 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 다른 실시형태에 의한, 주파수 스펙트럼을 이용한 지진계 센서의 3 성분 방향각도 추출 방법은 센서 자료 측정부가 상기 기준 센서 자료 및 시험 센서 자료를 동 시간에 측정하는 단계; 센서 자료 민감도 보정부가 상기 기준 센서 자료 및 시험 센서 자료에 대해 민감도 보정을 수행하는 단계; 센서 자료 주파수 대역 선택부가 상기 기준 센서 자료 및 시험 센서 자료의 기기 응답이 평활한 주파수 대역을 선택하는 단계; 시험 센서 3성분 방향 각도 계산부가 상기 기준 센서 자료의 민감도 보정 성분을 회전 변환하는 단계; 상기 시험 센서 3성분 방향 각도 계산부가 상기 기준 센서 자료의 회전 변환 성분과 상기 시험 센서 자료의 민감도 보정 성분을 주파수 스펙트럼으로 변환하는 단계; 상기 시험 센서 3성분 방향 각도 계산부가 상기 주파수 스펙트럼으로 변환된 두 성분의 오차 백분율 값을 계산하는 단계; 및 상기 계산된 오차 백분율 값이 최소가 될 때의 시험 센서의 3성분 방향 각도를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 실시형태에 의한 주파수 스펙트럼을 이용한 지진계 센서의 3성분 방향각도 추출 방법에 있어서, 상기 회전 변환 단계, 주파수 스펙트럼 변환 단계, 오차 백분율 값 계산 단계 및 3성분 방향 각도 계산 단계는, 상기 기준 센서 자료의 한 성분에 대해 그 성분과 직교하는 2축의 시작 각도 및 끝 각도를 설정하는 단계; 상기 2축의 시작 각도와 끝 각도를 4 등분하는 단계; 상기 기준 센서 자료의 한 성분에 대해 그 성분과 직교하는 2축을 1/4 각도 간격을 두고 회전 변환하는 단계; 상기 기준 센서 자료의 회전 변환 성분과 상기 시험 센서 자료의 민감도 보정 성분을 주파수 스펙트럼으로 변환하는 단계; 상기 주파수 스펙트럼으로 변환된 두 성분의 오차 백분율 값을 계산하는 단계; 상기 계산된 두 성분의 오차 백분율 값이 최소 오차 백분율 일 때의 기준 센서 2축의 회전 각도를 산출하는 단계; 상기 기준 센서 자료의 한 성분에 대한 2축의 회전 각도 증가분이 제 1 설정값보다 작은 지의 여부를 결정하는 단계; 상기 2축의 회전 각도 증가분이 상기 제 1 설정값보다 작으면 상기 기준 센서 자료의 3성분에 대한 계산이 완료되었는지의 여부를 결정하는 단계; 및 상기 계산 완료 여부 결정 단계에서 상기 기준 센서 자료의 3성분에 대한 계산이 완료되면 종료하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 다른 실시형태에 의한 주파수 스펙트럼을 이용한 지진계 센서의 3성분 방향각도 추출 방법에 있어서, 상기 2축의 회전 각도 증가분이 상기 제 1 설정값보다 작지 않으면, 산출된 상기 기준 센서 2축의 회전 각도를 중심으로 각도 증분을 줄이면서 시작 각도와 끝 각도를 설정한 후 4 등분한 후 상기 1/4 각도 간격을 두고 회전 변환하는 단계로 진행될 수 있다.
상기 다른 실시형태에 의한 주파수 스펙트럼을 이용한 지진계 센서의 3성분 방향각도 추출 방법에 있어서, 상기 계산 완료 여부 결정 단계에서 상기 기준 센서 자료의 3성분에 대한 계산이 완료되지 않으면, 상기 기준 센서 자료의 한 성분과 다른 한 성분에 대해 그 성분과 직교하는 2축의 시작 각도 및 끝 각도를 설정한 후, 상기 4 등분하는 단계로 진행될 수 있다.
본 발명의 실시형태에 의한, 주파수 스펙트럼을 이용한 지진계 센서의 3성분 방향각도 추출 장치 및 방법에 의하면, 센서 자료 측정부가 기준 센서 자료 및 시험 센서 자료를 동 시간에 측정하고, 센서 자료 민감도 보정부가 상기 기준 센서 자료 및 시험 센서 자료에 대해 민감도 보정을 수행하며, 센서 자료 주파수 대역 선택부가 상기 기준 센서 자료 및 시험 센서 자료의 기기 응답이 평활한 주파수 대역을 선택하며, 시험 센서 3성분 방향 각도 계산부가 상기 기준 센서 자료의 민감도 보정 성분을 회전 변환하고, 이 기준 센서 자료의 회전 변환 성분과 상기 시험 센서 자료의 민감도 보정 성분을 주파수 스펙트럼으로 변환을 하고, 이 주파수 스펙트럼으로 변환된 두 성분의 오차 백분율 값을 계산하여 오차 백분율 값이 최소가 될 때의 상기 시험 센서의 3성분의 방향 각도를 계산하도록 구성됨으로써 지진계 센서의 3차원적인 직교성 및 방향성을 해석하기 위해 필요한 지진계 센서의 3성분 방향각도를 추출할 수 있다는 뛰어난 효과가 있다.
즉, 종래의 2차원적인 축 회전 변환 방법이 3차원적인 지진계의 성분 해석을 위해 적용될 수 없었으므로 지진계의 3차원적인 직교성 및 방향성에 대한 해석이 이루어질 수 없다는 문제점이 있었던 것에 반해, 본 발명의 실시형태에 의한, 주파수 스펙트럼을 이용한 지진계 센서의 3성분 방향각도 추출 장치 및 방법은 기준 센서 자료의 회전 변환 성분과 시험 센서 자료의 3성분의 방향 각도를 계산하도록 구성됨으로써 지진계 센서의 3차원적인 직교성 및 방향성을 해석할 수 있다는 뛰어난 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한, 주파수 스펙트럼을 이용한 지진계 센서의 3성분 방향각도 추출 장치의 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한, 주파수 스펙트럼을 이용한 지진계 센서의 3성분 방향각도 추출 방법을 설명하기 위한 플로우챠트이다.
도 3은 도 2의 스텝(S500, S510, S520)에 대한 상세플로우챠트이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 적용된 오른손 좌표계와 오른손 좌표계에 대한 회전을 나타내는 개념도이다.
도 5는 기준 센서 자료(적색)와 이 기준센서 자료를 3축 회전 변환(Z축으로 25.4도 회전한 후, X축으로 1도 회전하고, 마지막으로 Y축으로 0.5도 회전)한 자료를 시험 센서 자료(청색)로 설정하여 비교한 도면이다.
도 6은 기준 센서 자료의 회전된 성분 및 시험 센서 자료 성분의 주파수 스펙트럼 오차 백분율 값이 최소가 될 때의 회전 각도를 이용해 기준 센서 자료의 회전된 자료(적색)와 시험 센서의 자료(청색)를 비교한 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 적용된 오른손 좌표계와 오른손 좌표계에 대한 회전을 나타내는 개념도이다.
먼저, 본 발명의 실시예에 적용된, 2축 회전을 이용해 3축으로 회전된 지진계 각 성분을 찾기 위한 기본 알고리듬 이론에 대해 도 4를 참조하여 설명하기로 한다.
지진계 센서는 대부분이 3성분으로 지진동의 벡터를 측정한다. 지진동 벡터는 직교하는 3성분에 의하여 정확히 측정될 수 있다. 벡터 성분을 정확히 측정하기 위하여 3성분이 직교한다는 것을 증명할 필요가 있다. 3성분의 좌표가 있을 때 이를 수평면 위에 설치하게 되면 3성분이 z축을 기준으로
Figure 112017055901338-pat00006
각, x축을 기준으로
Figure 112017055901338-pat00007
각, y축을 기준으로
Figure 112017055901338-pat00008
각으로 회전되어 있는 성분이라고 할 수 있다.
Figure 112017055901338-pat00009
[수학식 1]
Figure 112017055901338-pat00010
[수학식 2]
Figure 112017055901338-pat00011
[수학식 3]
3차원의 어떤 점
Figure 112017055901338-pat00012
은 z축을 기준으로
Figure 112017055901338-pat00013
만큼 회전시켰을 때 좌표변환 행렬인 [수학식 1]에 의하여
Figure 112017055901338-pat00014
으로 다음의 [수학식 4]와 같이 회전 변환될 수 있다.
Figure 112017055901338-pat00015
[수학식 4]
3차원의 어떤 점
Figure 112017055901338-pat00016
은 x축을 기준으로
Figure 112017055901338-pat00017
만큼 회전시켰을 때 좌표변환 행렬인 [수학식 2]에 의하여
Figure 112017055901338-pat00018
으로 다음의 [수학식 5]와 같이 회전 변환될 수 있다.
Figure 112017055901338-pat00019
[수학식 5]
3차원의 어떤 점
Figure 112017055901338-pat00020
은 y축을 기준으로
Figure 112017055901338-pat00021
만큼 회전시켰을 때 좌표변환 행렬인 [수학식 3]에 의하여
Figure 112017055901338-pat00022
으로 다음의 [수학식 6]과 같이 회전 변환될 수 있다.
Figure 112017055901338-pat00023
[수학식 6]
일반적으로 임의의 3차원의 어떤 점
Figure 112017055901338-pat00024
은 x축 회전변환
Figure 112017055901338-pat00025
, y축 회전변환
Figure 112017055901338-pat00026
, z축의 회전변환
Figure 112017055901338-pat00027
에 의하여 변환될 수 있다. 그러나 축 변환 순서에 따라 최종적으로 변환되는
Figure 112017055901338-pat00028
은 다음의 [수학식 7]과 같이 다른 좌표가 된다.
Figure 112017055901338-pat00029
[수학식 7]
임의의 점
Figure 112017055901338-pat00030
이 임의의 축 순서 변환에 따라 3축 회전 변환이 이루어졌을 때 변환 좌표가
Figure 112017055901338-pat00031
이라고 가정할 수 있다.
이때 변환된 좌표가 원래 좌표축에서 어떻게 회전되었는지 알고 싶을 것이다. 예를 들어 변환된
Figure 112018034931496-pat00032
중에서 임의의 x좌표인
Figure 112018034931496-pat00033
은 다음의 [수학식 8]과 같이 원래 좌표인
Figure 112018034931496-pat00034
를 임의의 z축 회전변환
Figure 112018034931496-pat00035
과 임의의 y축 회전변환
Figure 112018034931496-pat00036
에 의해 표시할 수 있다.
Figure 112017055901338-pat00037
[수학식 8]
변환된 좌표계
Figure 112017055901338-pat00038
를 보면 원하는 좌표계
Figure 112017055901338-pat00039
와 같지는 않지만
Figure 112017055901338-pat00040
은 같아짐을 알 수 있다. 그러므로 x성분은 임의의 z축 회전 변환
Figure 112017055901338-pat00041
과 임의의 y 축 회전 변환
Figure 112017055901338-pat00042
에 의하여 변환된 값이라고 할 수 있다.
y수평성분은 다음의 [수학식 9]와 같이 임의의 z축 회전변환
Figure 112017055901338-pat00043
과 임의의 x축 회전변환
Figure 112017055901338-pat00044
에 의하여 표시할 수 있다.
Figure 112017055901338-pat00045
[수학식 9]
z수직성분은 다음의 [수학식 10]과 같이 임의의 x축 회전변환
Figure 112017055901338-pat00046
과 임의의 y축 회전변환
Figure 112017055901338-pat00047
에 의하여 표시할 수 있다.
Figure 112017055901338-pat00048
[수학식 10]
그러므로 임의의 3축 회전변환에 의하여 나타난 좌표는 각각 성분의 두 축의 회전변환에 의한 결과와 동일하게 얻어짐을 알 수 있다.
Figure 112017055901338-pat00049
가 완전한 직교인 식이라면
Figure 112017055901338-pat00050
,
Figure 112017055901338-pat00051
,
Figure 112017055901338-pat00052
가 될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 대해서 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한, 주파수 스펙트럼을 이용한 지진계 센서의 3성분 방향각도 추출 장치의 블록 구성도이다.
본 발명의 실시예에 의한, 주파수 스펙트럼을 이용한 지진계 센서의 3성분 방향각도 추출 장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 센서 자료 측정부(100), 센서 자료 민감도 보정부(200), 센서 자료 주파수 대역 선택부(300) 및 시험 센서 3성분 방향 각도 계산부(400)를 포함한다.
한편, 기준 센서 및 시험 센서의 3성분은 각각 그 성분과 직교하는 2축의 회전 각도로 표시된다.
센서 자료 측정부(100)는 기준 센서 자료[
Figure 112017055901338-pat00053
,
Figure 112017055901338-pat00054
=x,y,z]와 시험 센서 자료[
Figure 112017055901338-pat00055
,
Figure 112017055901338-pat00056
=1,2,3]를 동 시간에 측정하는 역할을 한다. 여기서 기준 센서와 시험 센서는 모두 지진계 센서로서, 시험 센서는 시험 대상인 센서를 의미하며, 기준 센서는 시험 센서의 성능을 테스트하기 위해 사용된 기준을 제공하는 센서를 의미한다.
센서 자료 민감도 보정부(200)는 기준 센서 자료 및 시험 센서 자료에 대해 민감도 보정을 수행하는 역할을 한다. 기준 센서 자료를 민감도 보정한 자료를
Figure 112017055901338-pat00057
라 하고, 시험 센서 자료를 민감도 보정한 자료를
Figure 112017055901338-pat00058
라 한다.
센서 자료 주파수 대역 선택부(300)는 기준 센서 자료 및 시험 센서 자료의 기기 응답이 평활한 주파수 대역을 선택하는 역할을 하며, 이는 유저에 의해 설정가능하다.
시험 센서 3성분 방향 각도 계산부(400)는 기준 센서 자료의 민감도 보정 성분을 회전 변환하고, 이 기준 센서 자료의 회전 변환 성분[
Figure 112018034931496-pat00059
]과 시험 센서 자료의 민감도 보정 성분[
Figure 112018034931496-pat00060
]을 주파수 스펙트럼으로 변환을 하고, 이 주파수 스펙트럼으로 변환된 두 성분의 오차 백분율 값을 계산하여 오차 백분율 값이 최소가 될 때의 시험 센서의 3성분의 방향 각도를 계산하는 역할을 한다.
기준 센서 자료를 민감도 보정한 후에 회전한 자료를
Figure 112017055901338-pat00061
라 하며, 다음의 [수학식 12]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 12]
Figure 112017055901338-pat00062
위의 오차 백분율 값은 다음의 [수학식 11]에 의해 계산된다.
[수학식 11]
Figure 112017055901338-pat00063
[여기서,
Figure 112018034931496-pat00064
은 오차 백분율 값이고,
Figure 112018034931496-pat00065
는 절대값이고,
Figure 112018034931496-pat00066
는 시험 센서 자료의 주파수 스펙트럼의 진폭이며,
Figure 112018034931496-pat00095
는 기준 센서 자료의 회전 성분의 주파수 스펙트럼의 진폭임]
위에 설명한 센서 자료 측정부(100), 센서 자료 민감도 보정부(200), 센서 자료 주파수 대역 선택부(300) 및 시험 센서 3성분 방향 각도 계산부(400)는 하나의 단말 장치(예컨대, 노트북, 퍼스널컴퓨터, PMP 등)로 구성될 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 의한, 주파수 스펙트럼을 이용한 지진계 센서의 3 성분 방향각도 추출 장치를 이용한 지진계 센서의 3성분 방향각도 추출 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한, 주파수 스펙트럼을 이용한 지진계 센서의 3성분 방향각도 추출 방법을 설명하기 위한 플로우챠트이고, 도 3은 도 2의 스텝(S500, S510, S520)에 대한 상세플로우챠트로서, 여기서 S는 스텝(step)을 의미한다.
먼저, 센서 자료 측정부(100)가 기준 센서 자료[
Figure 112017055901338-pat00068
,
Figure 112017055901338-pat00069
=x,y,z] 및 시험 센서 자료[
Figure 112017055901338-pat00070
,
Figure 112017055901338-pat00071
=1,2,3]를 동 시간에 측정한다(S100).
센서 자료 민감도 보정부(200)가 상기 스텝(S100)에서 측정된 기준 센서 자료 및 시험 센서 자료에 대해 민감도 보정을 수행함으로써
Figure 112017055901338-pat00072
및
Figure 112017055901338-pat00073
의 자료를 획득한다(S200).
이후, 센서 자료 주파수 대역 선택부(300)가 기준 센서 자료 및 시험 센서 자료의 기기 응답이 평활한 주파수 대역을 선택한다(S300).
시험 센서 3성분 방향 각도 계산부(400)가 상기 스텝(S200)에서 획득된 기준 센서 자료의 민감도 보정 성분[
Figure 112017055901338-pat00074
]을 상기 [수학식 12]를 이용하여 회전 변환함으로써
Figure 112017055901338-pat00075
를 획득하고(S400), 이어서 상기 스텝(S400)에서 획득한 기준 센서 자료의 회전 변환 성분[
Figure 112017055901338-pat00076
]과 상기 스텝(S200)에서 획득한 시험 센서 자료의 민감도 보정 성분[
Figure 112017055901338-pat00077
]을 주파수 스펙트럼으로 변환하고(S500), 이 주파수 스펙트럼으로 변환된 두 성분의 오차 백분율 값을 상기 [수학식 11]을 이용하여 계산하고(S510), 계산된 오차 백분율 값이 최소가 될 때의 시험 센서의 3성분 방향 각도를 계산한다(S520).
시험 센서 3성분 방향 각도 계산부(400)에 의해 이루어지는 스텝들(S500, S510, S520)에 대해 도 3을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 기준 센서 자료의 한 성분에 대해 그 성분과 직교하는 2축의 시작 각도 및 끝 각도를 설정하고(S501), 상기 2축의 시작 각도와 끝 각도를 4 등분하며(S503), 상기 기준 센서 자료의 한 성분에 대해 그 성분과 직교하는 2축을 1/4 각도 간격을 두고 상기 [수학식 12]를 이용하여 회전 변환시킨다(S505).
이어서, 상기 기준 센서 자료의 회전 변환 성분과 상기 시험 센서 자료의 민감도 보정 성분을 주파수 스펙트럼으로 변환을 하고(S507), 이 주파수 스펙트럼으로 변환된 두 성분의 오차 백분율 값을 상기 [수학식 11]을 이용하여 계산하고(S509), 계산된 두 성분의 오차 백분율 값이 최소 오차 백분율 일 때의 기준 센서 2축의 회전 각도를 산출한다(S511).
이후, 기준 센서 자료의 한 성분에 대한 2축의 회전 각도 증가분이 제 1 설정값보다 작은 지의 여부를 결정한다(S513).
상기 스텝(S513)에서 2축의 회전 각도 증가분이 제 1 설정값보다 작으면(YES), 기준 센서 자료의 3성분에 대한 계산이 완료되었는지의 여부를 결정한다(S515).
만약, 상기 스텝(S515)에서 기준 센서 자료의 3성분에 대한 계산이 완료되면(YES) 종료한다.
한편, 상기 스텝(S513)에서 2축의 회전 각도 증가분이 제 1 설정값보다 작지 않으면(N0), 상기 스텝(S511)에서 산출된 기준 센서 2축의 회전 각도를 중심으로 각도 증분을 줄이면서 시작 각도와 끝 각도를 설정한 후 4 등분한 후(S517), 상기 스텝(S505)으로 진행된다.
한편, 상기 스텝(S515)에서 기준 센서 자료의 3성분에 대한 계산이 완료되지 않으면(NO), 기준 센서 자료의 한 성분과 다른 한 성분에 대해 그 성분과 직교하는 2축의 시작 각도 및 끝 각도를 설정한 후(S519), 상기 스텝(S503)으로 진행된다.
이하, 상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 의한, 주파수 스펙트럼을 이용한 지진계 센서의 3성분 방향각도 추출 방법에 의한 효과를 검증하기로 한다.
이를 위해서 STS-2.5광대역 센서에 의하여 측정된 120초의 자료를 기준 센서 자료로 설정하고, Z축으로 25.4도 회전한 후 x축으로 1도 회전하고, 마지막으로 y축으로 0.5도 회전한 자료를 시험 센서 자료로 설정하였다.
도 5는 기준 센서 자료(적색)와 이 기준센서 자료를 3축 회전 변환(Z축으로 25.4도 회전한 후, X축으로 1도 회전하고, 마지막으로 Y축으로 0.5도 회전)한 자료를 시험 센서 자료(청색)로 설정하여 비교한 도면으로서, 기준 센서 자료와 시험 센서 자료가 서로 이격되어 있다는 것을 알 수 있다.
도 6은 기준 센서 자료의 회전된 성분 및 시험 센서 자료 성분의 주파수 스펙트럼 오차 백분율 값이 최소가 될 때의 회전 각도를 이용해 기준 센서 자료의 회전된 자료(적색)와 시험 센서의 자료(청색)를 비교한 도면으로서, 시험 센서의 각 성분에 대하여 기준 센서 자료를 회전하여 주파수 스펙트럼 차이가 최소가 되는 각도를 구하고자 하였다. 이 때 적용한 주파수 대역은 0.2~0.8Hz를 선택하였다. 도 6을 살펴보면, 회전된 기준 센서 자료와 시험 센서 자료는 완전히 일치한 상태를 보여주는 것을 나타낸 도면으로서, 기준 센서에 대한 시험 센서의 직교성 및 방향성이 우수함을 알 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한, 주파수 스펙트럼을 이용한 지진계 센서의 3성분 방향각도 추출 장치 및 방법에 의하면, 센서 자료 측정부가 기준 센서 자료 및 시험 센서 자료를 동 시간에 측정하고, 센서 자료 민감도 보정부가 상기 기준 센서 자료 및 시험 센서 자료에 대해 민감도 보정을 수행하며, 센서 자료 주파수 대역 선택부가 상기 기준 센서 자료 및 시험 센서 자료의 기기 응답이 평활한 주파수 대역을 선택하며, 시험 센서 3성분 방향 각도 계산부가 상기 기준 센서 자료의 민감도 보정 성분을 회전 변환하고, 이 기준 센서 자료의 회전 변환 성분과 상기 시험 센서 자료의 민감도 보정 성분을 주파수 스펙트럼으로 변환을 하고, 이 주파수 스펙트럼으로 변환된 두 성분의 오차 백분율 값을 계산하여 오차 백분율 값이 최소가 될 때의 상기 시험 센서의 3성분의 방향 각도를 계산하도록 구성됨으로써 지진계 센서의 3차원적인 직교성 및 방향성을 해석하기 위해 필요한 지진계 센서의 3성분 방향각도를 추출할 수 있다.
즉, 종래의 2차원적인 축 회전 변환 방법이 3차원적인 지진계의 성분 해석을 위해 적용될 수 없었으므로 지진계의 3차원적인 직교성 및 방향성에 대한 해석이 이루어질 수 없다는 문제점이 있었던 것에 반해, 본 발명의 실시예에 의한, 주파수 스펙트럼을 이용한 지진계 센서의 3성분 방향각도 추출 장치 및 방법은 기준 센서 자료의 회전 변환 성분과 시험 센서 자료의 3성분의 방향 각도를 계산하도록 구성됨으로써 지진계 센서의 3차원적인 직교성 및 방향성을 해석할 수 있다.
도면과 명세서에는 최적의 실시예가 개시되었으며, 특정한 용어들이 사용되었으나 이는 단지 본 발명의 실시형태를 설명하기 위한 목적으로 사용된 것이지 의미를 한정하거나 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 센서 자료 측정부
200: 센서 자료 민감도 보정부
300: 센서 자료 주파수 대역 선택부
400: 시험 센서 3성분 방향 각도 계산부

Claims (9)

  1. 기준 센서 자료의 회전 변환 성분과 시험 센서 자료 성분의 주파수 스펙트럼을 이용한 지진계 센서의 3성분 방향각도 추출 장치로서:
    상기 기준 센서 자료 및 시험 센서 자료를 동 시간에 측정하도록 구성된 센서 자료 측정부;
    상기 기준 센서 자료 및 시험 센서 자료에 대해 민감도 보정을 수행하도록 구성된 센서 자료 민감도 보정부;
    상기 기준 센서 자료 및 시험 센서 자료의 기기 응답이 평활한 주파수 대역을 선택하도록 구성된 센서 자료 주파수 대역 선택부; 및
    상기 기준 센서 자료의 민감도 보정 성분을 회전 변환하고, 이 기준 센서 자료의 회전 변환 성분과 상기 시험 센서 자료의 민감도 보정 성분을 주파수 스펙트럼으로 변환을 하고, 이 주파수 스펙트럼으로 변환된 두 성분의 오차 백분율 값을 계산하여 오차 백분율 값이 최소가 될 때의 상기 시험 센서의 3성분의 방향 각도를 계산하도록 구성된 시험 센서 3성분 방향 각도 계산부를 포함하는, 주파수 스펙트럼을 이용한 지진계 센서의 3성분 방향각도 추출 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준 센서 및 시험 센서의 3성분은 각각 그 성분과 직교하는 2축의 회전 각도로 표시되는, 주파수 스펙트럼을 이용한 지진계 센서의 3성분 방향각도 추출 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 오차 백분율 값은 다음의 [수학식 11]

    [수학식 11]
    Figure 112018034931496-pat00078

    [여기서,
    Figure 112018034931496-pat00079
    은 오차 백분율 값이고,
    Figure 112018034931496-pat00080
    는 절대값이고,
    Figure 112018034931496-pat00081
    는 시험 센서 자료의 주파수 스펙트럼의 진폭이며,
    Figure 112018034931496-pat00096
    는 기준 센서 자료의 회전 성분의 주파수 스펙트럼의 진폭임]

    에 의해 계산되는, 주파수 스펙트럼을 이용한 지진계 센서의 3성분 방향각도 추출 장치.
  4. 제 1 항에 기재된 주파수 스펙트럼을 이용한 지진계 센서의 3 성분 방향각도 추출 장치를 이용한 지진계 센서의 3성분 방향각도 추출 방법으로서:
    센서 자료 측정부가 상기 기준 센서 자료 및 시험 센서 자료를 동 시간에 측정하는 단계;
    센서 자료 민감도 보정부가 상기 기준 센서 자료 및 시험 센서 자료에 대해 민감도 보정을 수행하는 단계;
    센서 자료 주파수 대역 선택부가 상기 기준 센서 자료 및 시험 센서 자료의 기기 응답이 평활한 주파수 대역을 선택하는 단계;
    시험 센서 3성분 방향 각도 계산부가 상기 기준 센서 자료의 민감도 보정 성분을 회전 변환하는 단계;
    상기 시험 센서 3성분 방향 각도 계산부가 상기 기준 센서 자료의 회전 변환 성분과 상기 시험 센서 자료의 민감도 보정 성분을 주파수 스펙트럼으로 변환하는 단계;
    상기 시험 센서 3성분 방향 각도 계산부가 상기 주파수 스펙트럼으로 변환된 두 성분의 오차 백분율 값을 계산하는 단계; 및
    상기 계산된 오차 백분율 값이 최소가 될 때의 시험 센서의 3성분 방향 각도를 계산하는 단계를 포함하는, 주파수 스펙트럼을 이용한 지진계 센서의 3성분 방향각도 추출 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 회전 변환 단계는
    상기 기준 센서 자료의 한 성분에 대해 그 성분과 직교하는 2축의 시작 각도 및 끝 각도를 설정하는 단계,
    상기 2축의 시작 각도와 끝 각도를 4 등분하는 단계, 및
    상기 기준 센서 자료의 한 성분에 대해 그 성분과 직교하는 2축을 1/4 각도 간격을 두고 회전 변환하는 단계를 포함하고;
    상기 주파수 스펙트럼 변환 단계는
    상기 기준 센서 자료의 회전 변환 성분과 상기 시험 센서 자료의 민감도 보정 성분을 주파수 스펙트럼으로 변환하는 단계를 포함하며;
    상기 오차 백분율 값 계산 단계는
    상기 주파수 스펙트럼으로 변환된 두 성분의 오차 백분율 값을 계산하는 단계를 포함하며;
    상기 3성분 방향 각도 계산 단계는
    상기 계산된 두 성분의 오차 백분율 값이 최소 오차 백분율 일 때의 기준 센서 2축의 회전 각도를 산출하는 단계,
    상기 기준 센서 자료의 한 성분에 대한 2축의 회전 각도 증가분이 제 1 설정값보다 작은 지의 여부를 결정하는 단계,
    상기 2축의 회전 각도 증가분이 상기 제 1 설정값보다 작으면 상기 기준 센서 자료의 3성분에 대한 계산이 완료되었는지의 여부를 결정하는 단계, 및
    상기 계산 완료 여부 결정 단계에서 상기 기준 센서 자료의 3성분에 대한 계산이 완료되면 종료하는 단계를 포함하는, 주파수 스펙트럼을 이용한 지진계 센서의 3성분 방향각도 추출 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 2축의 회전 각도 증가분이 상기 제 1 설정값보다 작지 않으면,
    산출된 상기 기준 센서 2축의 회전 각도를 중심으로 각도 증분을 줄이면서 시작 각도와 끝 각도를 설정한 후 4 등분한 후 상기 1/4 각도 간격을 두고 회전 변환하는 단계로 진행되는, 주파수 스펙트럼을 이용한 지진계 센서의 3성분 방향각도 추출 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 계산 완료 여부 결정 단계에서 상기 기준 센서 자료의 3성분에 대한 계산이 완료되지 않으면,
    상기 기준 센서 자료의 한 성분과 다른 한 성분에 대해 그 성분과 직교하는 2축의 시작 각도 및 끝 각도를 설정한 후, 상기 4 등분하는 단계로 진행되는, 주파수 스펙트럼을 이용한 지진계 센서의 3성분 방향각도 추출 방법.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 기준 센서 및 시험 센서의 3성분은 각각 그 성분과 직교하는 2축의 회전 각도로 표시되는, 주파수 스펙트럼을 이용한 지진계 센서의 3성분 방향각도 추출 방법.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 오차 백분율 값은 다음의 [수학식 11]

    [수학식 11]
    Figure 112018034931496-pat00083

    [여기서,
    Figure 112018034931496-pat00084
    은 오차 백분율 값이고,
    Figure 112018034931496-pat00085
    는 절대값이고,
    Figure 112018034931496-pat00086
    는 시험 센서 자료의 주파수 스펙트럼의 진폭이며,
    Figure 112018034931496-pat00097
    는 기준 센서 자료의 회전 성분의 주파수 스펙트럼의 진폭임]

    에 의해 계산되는, 주파수 스펙트럼을 이용한 지진계 센서의 3성분 방향각도 추출 방법.
KR1020170073421A 2017-06-12 2017-06-12 주파수 스펙트럼을 이용한 지진계 센서의 3성분 방향각도 추출 장치 및 방법 KR101897687B1 (ko)

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