[논문 리뷰] Time Delay Estimation, Using Correlation Approaches Applied to Seismic Time Picking

Ashraf H. Yahia, El‐Sayed A. El‐Dahshan외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 24.

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한 줄 요약

이 논문은 지진 데이터에서 시간 지연 추정을 위한 단일 지연, 공진도 비율, 이차스펙트럼 상관관계를 평가하며, 이러한 방법들을 활용해 자동으로 제1파 시간을 추출하는 상호작용형 알고리즘을 제안한다. 단일 지연과 공진도 비율은 이차스펙트럼 방법만큼 신뢰할 수 있지만 훨씬 더 빠르므로 지진 탐사에서 정적 보정에 더 바람직하다.

ABSTRACT

In wave propagation theories, many problems of multi-sensor systems utilize time delay in their solution in signal processing. This technique finds great utility in seismic exploration and static correction (low-velocity weathering), which compensates the difference in elevations of the surveyed land. Traditionally, cross-correlation approaches; such as phase delay, coherence ratio and higher order, for instance, bispectral techniques are the preferred methods of time delay estimation. In this work, we study the reliability of these approaches for estimating the time delay and proposed an interactive algorithm, which used the estimated time delay for automatically obtaining the first break times of seismic data signals; this is considered an essential step in static correlation stage. Here we show that the phase delay and coherence ratio are almost equivalent to the higher order (bispectral) correlation technique and take a computational time less than the higher order (bispectral) correlation, so is recommended to use.

연구 동기 및 목표

• 지진 데이터에서 시간 지연 추정을 위한 상호상관 기법—단일 지연, 공진도 비율, 이차스펙트럼 상관관계의 신뢰성을 평가하는 것.
• 지진 정적 보정의 핵심 단계인 정확한 제1파 시간 피킹 문제를 해결하는 것.
• 시간 지연 추정을 기반으로 한 상호작용형 알고리즘을 개발하여 지진 신호에서 제1파 시간을 자동으로 탐지하는 것.
• 실제 지진 처리 응용에 적합한 상관 기반 방법들 간의 계산 효율성과 정확도를 비교하는 것.

제안 방법

• 시간 도메인에서 상호상관을 사용하여 지진 트레이스 간의 시간 이동을 단일 지연 추정으로 결정한다.
• 다양한 시간 지연에서 신호 간 유사도를 측정하기 위해 공진도 비율을 적용하여 노이즈에 대한 강건성을 향상시킨다.
• 고차원 이차스펙트럼 상관관계를 사용하여 비선형 상호작용을 탐지하고 노이즈 환경에서의 지연 추정 정확도를 향상시킨다.
• 추정된 시간 지연을 상호작용형 알고리즘에 통합하여 지진 데이터에서 제1파 시간을 자동으로 식별한다.
• 현장 조사에서 확보한 실제 지진 데이터를 사용하여 정확도와 계산 시간 측면에서 각 방법의 성능을 비교한다.
• 알려진 제1파 시간과의 비교를 통해 각 방법의 신뢰성과 정밀도를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지진 신호에서 시간 지연을 추정할 때 단일 지연, 공진도 비율, 이차스펙트럼 상관관계는 어떻게 비교되는가?
• RQ2 지진 시간 피킹에 적용했을 때 각 상관관계 방법의 계산 효율성은 어떠한가?
• RQ3 단일 지연와 공진도 비율은 이차스펙트럼 상관관계만큼 정확도가 동일한가?
• RQ4 제안된 상호작용형 알고리즘은 추정된 시간 지연을 활용해 제1파 시간 피킹을 자동화하는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ5 지진 정적 보정 응용 분야에서 정확도와 계산 비용 간의 최적 트레이드오프를 제공하는 방법은 무엇인가?

주요 결과

• 단일 지연와 공진도 비율 방법은 고차원 이차스펙트럼 상관관계 기법만큼 정확도가 높은 시간 지연 추정을 제공한다.
• 단일 지연와 공진도 비율 방법은 이차스펙트럼 상관관계보다 훨씬 적은 계산 시간을 요구하여 더 효율적이다.
• 상호작용형 알고리즘은 시간 지연 추정을 효과적으로 활용하여 제1파 시간 피킹을 높은 신뢰성으로 자동화하였다.
• 이차스펙트럼 상관관계는 정확도가 높지만 계산 비용이 매우 높아 단일 지연와 공진도 비율이 유사한 결과를 제공할 경우 이를 정당화하기 어렵다.
• 본 연구는 단일 지연와 공진도 비율이 노이즈에 강건하며 실시간 또는 대규모 지진 데이터 처리에 적합하다는 것을 확인하였다.
• 결과는 지진 시간 피킹에서 시간 지연 추정에 단일 지연와 공진도 비율을 선호하는 것이 바람직하다는 것을 뒷받침한다.