KR101688246B1 - 지하 침투 탐지 시스템 - Google Patents

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KR101688246B1
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피터 알렌 크룸핸슬
윌리엄 코니
리차드 뮬렌
제이슨 알. 맥케나
마이클 골드스미스
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레이던 비비엔 테크놀로지스 코포레이션
유에스 아미 코포레이션스 오브 엔지니어스
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Abstract

지하 활동을 탐지하는 시스템. 이 시스템은 진동 센서 쌍을 이용하고, 각각의 센서 쌍은 얕은 센서(shallow sensor) 및 깊은 센서(deep sensor)를 가진다. 한 쌍의 센서의 출력이 함께 처리되고, 이 쌍의 센서에 의해 탐지되는 상대적 값에 기초하여 사건이 탐지된다. 신호 에너지가 검출된 배경 레벨을 벗어날 때, 얕은 센서 및 깊은 센서에서 측정된 진동의 상대 진폭 및 주파수 성분이 비교될 수 있다. 이 비교는, 적어도 부분적으로, 지하 활동과 지표 활동을 구분하는 분류자를 사용하여 수행될 수 있다. 지하 활동이 존재하는지 및/또는 그의 위치를 결정하기 위해 센서 쌍의 출력이 집계될 수 있다. 집계는 다수의 시간 구간에서 동일한 센서 쌍의 출력을 비교하는 것을 수반할 수 있거나, 배열된 센서 쌍의 출력을 비교하는 것을 수반할 수 있다.

Description

지하 침투 탐지 시스템{SUBSURFACE INTRUSION DETECTION SYSTEM}
관련 출원
본 출원은 2009년 2월 9일자로 출원된 미국 가특허 출원 제61/151,084호(본 명세서에 참조 문헌으로서 포함됨)의 정규 출원(non-provisional)이다.
본 발명은 보안 시스템에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 터널 굴착 또는 기타 지하 활동을 탐지할 수 있는 시스템에 관한 것이다.
많은 경우에, 경계를 지키는 것이 바람직하다. 경계를 지키는 것의 한 측면은 경계를 넘어가는 불법 이동이 방지될 수 있도록 사람 또는 물체가 경계를 넘을 때를 식별하는 것을 수반하는 감시(surveillance)이다. 경계는 국가 경계일 수 있으며, 이 경우에 감시는 밀수 또는 불법 이민을 방지하는 데 사용될 수 있다. 다른 일례로서, 경계는 보호된 시설의 주변부일 수 있으며, 이 경우에 도둑 또는 테러리스트가 시설에 접근하지 못하도록 하기 위해 감시가 사용될 수 있다. 그렇지만, 경계 감시는 또한 사람이 감옥과 같은 시설을 빠져나가지 못하도록 하는 데도 사용될 수 있다.
경계를 따라 감시를 제공하는 다양한 방식이 알려져 있다. 종래의 방식은 활동을 관찰하기 위해 경계를 따라 사람을 배치하는 것이었다. 비디오 카메라 또는 열 감지기의 사용을 포함하는 전자 모니터링이 또한 이용되었다.
그렇지만, 누군가 또는 무언가가 경계를 넘어가는 것을 관찰하는 감시 기법은 경계의 지표 아래에 터널을 굴착하는 것에 의해 좌절될 수 있다. 이러한 지하 활동를 탐지하기 위해, 경계를 따라 진동 센서가 배치되는 시스템이 개발되었다. 진동 센서의 출력은 지하 활동의 표시로서 얻어지고, 따라서 경계를 넘으려는 비밀스런 시도를 나타내는 터널의 굴착 또는 터널 내에서의 활동을 검출하는 데 사용될 수 있다. 그렇지만, 기존의 시스템은 음향, RF 및 지표 사건(surface event)으로 인해 높은 오경보율(false alarm rate)을 가진다.
발명자들은 배치되어 있는 진동 센서 그룹(각각의 그룹은 적어도 얕은 센서 및 깊은 센서를 가짐)을 사용함으로써 지하 활동 탐지 시스템의 오경보율이 향상될 수 있다는 것을 잘 알고 있다. 이들 센서 각각에서 검출되는 관련 시간에서의 진동의 특징에 대한 상대적 값을 비교하는 신호 처리는 지하 활동의 정확한 표시를 제공한다. 비교되는 특징은 진동 또는 기타 타이밍 메트릭 또는 기타 주파수-영역 메트릭의 진폭, 지속기간 및 주파수 성분 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 예를 들어, 비교되는 특징은 진폭, 지속기간 및 주파수 성분이다. 처리는 지표 활동(surface activity)과 지하 활동(subsurface activity)을 구분하며, 그로써 시스템의 오경보율을 감소시킨다.
한 측면에서, 본 발명은 지하 활동을 탐지하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 제1 신호를 발생하기 위해 지표면에 대해 제1 깊이에 위치하는 제1 센서로 진동을 수신하는 단계, 및 제2 신호를 발생하기 위해 지표면에 대해 제2 깊이에 위치하는 제2 센서로 진동을 수신하는 단계를 포함한다. 제2 깊이는 제1 깊이보다 크다. 제1 신호 및 제2 신호의 대응하는 시간 윈도우(time window) 동안에 진동의 특징을 나타내는 파라미터의 값의 비교에 기초하여 사건이 탐지된다. 출력은 사건의 탐지를 나타낸다.
다른 측면에서, 본 발명은 지하 활동을 탐지하는 시스템에 관한 것이다. 이 시스템은 지표면 아래 제1 깊이에 위치하는 제1 센서 및 지표면 아래 더 깊은 제2 깊이에 위치하는 제2 센서를 가진다. 제1 센서는 제1 깊이에서의 진동을 나타내는 제1 출력을 가지고, 제2 센서는 제2 깊이에서의 진동을 나타내는 제2 출력을 가진다. 지하 활동을 탐지하도록 구성된 프로세서는 제1 출력 및 제2 출력에서의 신호의 진폭 및 주파수를 나타내는 파라미터와 같은 파라미터의 값을 비교한다.
또 다른 측면에서, 본 발명은 컴퓨터 저장 매체에 인코딩되어 있는 컴퓨터 실행가능 명령어에 관한 것이다. 실행될 때, 컴퓨터 실행가능 명령어는 땅의 진동을 측정하도록 배치된 복수의 진동 센서 각각으로부터 신호를 수신하는 단계를 포함하는 지하 활동 탐지 방법을 구현한다. 복수의 진동 센서는 어떤 위치에 있는 상부 센서 및 하부 센서를 적어도 포함한다. 각각의 신호는 복수의 진동 센서의 각자의 진동 센서로 측정되는 측정된 진동을 나타낸다. 이 방법의 일부로서, 하부 센서 및/또는 상부 센서로부터의 신호가 임계값을 초과하는 구간이 식별된다. 식별된 구간에 대해, 상부 센서 및 하부 센서로부터의 신호의 진폭, 임계값을 초과하는 신호 레벨의 지속기간 및 주파수 성분과 같은 신호 특징의 표시가 계산되고 이들 값이 비교된다. 비교에 기초하여 사건이 표시된다.
이상은 첨부된 특허청구범위에 의해 한정되는 본 발명의 비제한적인 요약이다.
첨부 도면이 축척대로 그려져 있지는 않다. 도면에서, 여러 도면에 나타내어져 있는 각각의 동일하거나 거의 동일한 구성요소는 유사한 참조 번호로 표시되어 있다. 명확함을 위해, 모든 도면에서 구성요소 모두에 참조 번호가 표시되어 있는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일부 실시예에 따른 지하 침투 탐지 시스템을 간략히 나타낸 도면.
도 2a 및 도 2b는 각각 도 1의 시스템에서 하부 센서 및 상부 센서에 의해 검출되는 시간-영역 신호를 나타낸 도면.
도 3a 및 도 3b는 각각 도 2a 및 도 2b의 시간-영역 신호와 연관된 주파수 스펙트럼을 나타낸 도면.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 대체 실시예에 따른, 시간-영역 신호를 처리하는 방법을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 일부 실시예에 따른, 센서 신호의 처리의 기능 블록도.
도 6은 본 발명의 일부 실시예에 따른, 침투 탐지 시스템의 기능 블록도.
도 1은 본 발명의 일부 실시예에 따른, 낮은 오경보율로 지하 활동을 정확하게 탐지할 수 있는 지하 침투 탐지 시스템(100)을 나타낸 것이다. 시스템(100)은 임의의 적당한 경계를 따라 배치될 수 있고, 굴착, 경계 아래를 지나가는 터널의 불법 사용, 또는 기타 은밀한 지하 활동을 나타내는 지하 활동을 탐지하는 데 사용될 수 있다. 시스템(100)은 국가의 국경, 감옥과 같은 보호된 시설의 주변, 또는 지하 활동이 탐지되어야 하는 임의의 다른 장소를 비롯한 임의의 적당한 경계를 따라 이용될 수 있다.
도 1은 경계를 따라 땅(130)을 절단한 단면을 나타낸 것이다. 동 도면에서, 다수의 진동 센서(110U, 110L, 112U, 112L, 114U, 114L, 116U, 116L)가 보인다. 도 1이 경계를 따라 센서를 나타내고 있지만, 센서가 꼭 경계 상에 배치될 필요는 없다. 일부 실시예에서, 센서는 경계에 인접하여 또는 진동이 탐지될 수 있는 임의의 다른 적당한 장소에 위치될 수 있다.
시스템(100)은 임의의 적당한 수의 진동 센서를 포함할 수 있다. 이 일례에서, 총 8개의 센서가 나타내어져 있다. 예시된 바와 같이, 센서는 그룹을 이루어 배치될 수 있고, 각각의 그룹에 다수의 센서가 있다. 도 1의 일례에서, 4개의 그룹이 도시되어 있고, 각각의 그룹은 2개의 진동 센서, 즉 상부 센서 및 하부 센서를 포함한다. 예시된 바와 같이, 센서(110U, 110L)는 하나의 그룹을 형성한다. 센서(112U, 112L)는 제2 그룹을 형성한다. 센서(114U, 114L)는 제3 그룹을 형성하고, 센서(116U, 116L)는 제4 그룹을 형성한다.
도 1의 실시예에서, 각각의 그룹 내의 센서가 지표면(132) 아래에서 상이한 깊이에 있도록, 각각의 그룹의 센서는 일반적으로 수직으로 정렬되어 있다. 그에 따라, 센서(110L, 112L, 114L, 116L)는 각각 센서(110U, 112U, 114U, 116U)보다 깊은 깊이에 있다. 각각의 센서의 특정 깊이가 본 발명에 중요한 것은 아니다. 그렇지만, 일부 실시예에서, 각각의 그룹에서의 상부 센서는 지표면(132) 아래 대략 1 미터 이하의 깊이에 매립되어 있을 수 있다. 이와 달리, 각각의 그룹의 하부 센서는 지표면(132) 아래 3 미터 이상의 깊이에 매립되어 있을 수 있다. 일례로서, 일부 실시예에서, 각각의 그룹의 하부 센서는 지표면(132) 아래 대략 6 내지 10 미터에 매립되어 있을 수 있다. 일부 실시예에서, 하부 센서와 상부 센서 사이의 또는 각각의 그룹 사이의 수직 간격은 대략 3 미터 이상 정도일 수 있다.
도 1에 예시된 실시예에서, 땅(130)은 표토(top soil)와 같은 표면층(134)과 하부층(136)을 포함한다. 일부 시나리오에서, 상부층(134)은 하부층(136)과 다르게 진동을 전파할 수 있다. 일부 실시예에서, 상부 센서가 상부층(134) 내에 있고 하부 센서가 하부층(136) 내에 있도록 각각의 그룹의 상부 센서 및 하부 센서의 깊이가 선택될 수 있다. 이러한 배치는 상부 센서가 지표 활동과 연관된 진동을 우선적으로 수신하는 반면 하부 센서가 지하 활동과 연관된 진동을 우선적으로 수신하도록 할 수 있다. 그렇지만, 각각의 그룹의 상부 센서 및 하부 센서의 상대적 배치(relative positioning)를 결정하는 데 임의의 적당한 방식이 사용될 수 있다.
센서의 그룹이 경계를 따라 임의의 적당한 패턴으로 배열될 수 있다. 일부 실시예에서, 그룹들은 대략 10 내지 20 미터의 수평 거리만큼 떨어져 있다. 그렇지만, 일부 실시예에서, 센서 그룹들 간의 더 큰 간격이 가능할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 40 내지 50 미터의 센서 그룹들 간의 간격으로 적절한 신호 레벨이 달성될 수 있다.
센서는 땅(130)에 뚫은 구멍에 센서를 삽입함으로써 설치될 수 있지만, 임의의 적당한 설치 방식이 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 그룹 내의 센서들의 수직 정렬은 그 그룹을 동일한 구멍에 삽입함으로써 달성될 수 있다. 그렇지만, 수직 정렬이 꼭 필요한 것은 아니다. 수평으로 뚫린 구멍이 센서를 더 깊은 깊이에 설치하는 데 사용될 수 있다. 그렇지만, 예시된 실시예에서, 그룹 내의 센서들 간의 수평 간격은 그룹 내의 센서들 간의 수직 거리에 비해 작다. 이러한 간격은 그룹 내의 모든 센서가 대부분의 상황에서 센서 그룹의 근방에서의 사건으로부터 진동을 수신할 수 있게 해준다.
임의의 적당한 센서가 사용될 수 있다. 예를 들어, 상업적으로 이용가능한 진동 센서가 시스템(100)에서 사용될 수 있다. 이러한 센서는 지진 탐사 분야에서 공지되어 있으며, 예를 들어, 석유 및 기타 지질 탐사에 사용되고 있다. 이러한 센서는 때때로 지오폰(geophone) 또는 "가속도계(accelerometer)"라고 한다. 이들 센서는 저주파 지진 진동에 대해 높은 감도를 가지며, 따라서 심지어 터널 굴착 또는 기타 지하 활동과 연관된 비교적 작은 진동도 탐지할 수 있다. 그렇지만, 다른 진동 또는 소리 트랜스듀서가 사용될 수 있다는 것을 잘 알 것이다. 또한, 어떤 상황에서, "지진 진동"이라는 용어가 10 Hz 이하 정도의 아주 낮은 가청이하 주파수(subsonic frequency)를 의미한다는 것을 잘 알 것이다. 그렇지만, 이와 관련하여, "지진 진동"은 더 높은 주파수일 수 있는 지면에서의 신호를 말한다.
시스템(100)은 각각의 센서 그룹에 의해 출력되는 신호를 처리함으로써 지하 활동을 탐지한다. 예시된 실시예에서, 신호 처리는 프로세서(120) 내에서 수행된다. 프로세서(120)는 임의의 적당한 컴퓨팅 장치 또는 장치들일 수 있다. 여기서, 모든 센서의 출력이 단일 프로세서에서 처리되는 것으로 도시되어 있다. 그렇지만, 일부 실시예에서, 각각의 센서에 대해, 각각의 센서 그룹에 대해, 또는 센서 그룹들의 부분집합에 대해 별도의 프로세서가 제공될 수 있다.
예시된 실시예에서, 각각의 센서에 의해 출력된 신호는 디지털적으로 처리된다. 그에 따라, 각각의 센서는 데이터 획득 유닛(118)에 연결되어 있는 것으로 도시되어 있다. 데이터 획득 유닛(118)은 디지털 처리를 위해 지진 진동 센서로부터 신호를 획득하는, 기술 분야에 공지된 신호 조절 및 디지털화 회로(signal conditioning and digitizing circuitry)를 포함할 수 있다.
도 1의 일례에서, 각각의 센서는 데이터 획득 유닛(118)에 유선 연결되어 있다. 그렇지만, 센서들이 꼭 단일 데이터 획득 유닛에 유선 연결되어 있을 필요는 없다. 다른 실시예에서, 다수의 데이터 획득 유닛이 제공될 수 있고, 각각이 하나 이상의 센서의 출력을 획득하고 디지털화한다. 게다가, 센서들의 출력이 전기 신호를 전달하도록 구성된 케이블 또는 광으로 인코딩된 정보를 전달하도록 구성된 광섬유 케이블을 사용하여 이루어진 연결과 같은 유선 연결을 사용하여 프로세서(120)에 제공될 필요는 없다. 가능한 변형의 일례로서, 출력은 임의의 적당한 무선 기술을 사용하여 무선으로 전달될 수 있다. 데이터 획득 시스템에서의 가능한 변형의 다른 일례로서, 센서 출력이 아날로그 변조 기법을 사용하여 전달될 수 있거나, 센서 출력이 디지털화되고 디지털 통신 기법을 사용하여 프로세서(120)에 전달될 수 있다.
센서 출력이 프로세서(120)에 전달되는 메커니즘에 상관없이, 프로세서(120)는 센서 출력을 처리하여 지하 활동을 특징지우는 진동 패턴을 검출할 수 있다. 신호를 처리할 때, 프로세서(120)는 지하 활동을 특징지우는 진동 패턴과 지표 활동을 특징지우는 진동 패턴을 구분할 수 있다. 예를 들어, 도 1은 터널(160)을 나타내고 있다. 터널(160)을 굴착하는 것 및/또는 터널(160) 내에서의 사람 또는 장비의 이동은 시스템(100)이 탐지할 수 있는 지하 활동의 일례이다. 이러한 활동은 시스템(100)에 의해 보호되는 경계를 넘어가려는 은밀한 시도를 나타낼 수 있다. 터널(160) 내에서의 굴착 또는 이동에서의 활동은 시스템(100)의 센서에 의해 검출될 수 있는 지진 진동(140, 142)을 생성한다.
도 1은 또한 지표 활동을 나타내고 있다. 이 일례에서, 지표면(132) 상을 주행하는 트럭(150)은 지진 진동(152)을 생성한다. 진동(152)은 또한 시스템(100)의 센서에 의해 탐지될 수 있다.
프로세서(120)는 지하 활동과 연관된 지진 진동(140, 142)과 같은 지진 진동과 지표 활동과 연관된 지진 진동(152)과 같은 지진 진동을 구별하도록 프로그램될 수 있다. 일부 실시예에서, 프로세서(120)는 각각의 쌍의 상부 센서 및 하부 센서에 수신되는 신호의 상대적 특성에 기초하여 지하 활동과 연관된 진동과 지표 활동과 연관된 진동을 구별하도록 프로그램되어 있다. 이들 상대적 특성은 각각의 쌍의 상부 센서 및 하부 센서에 수신되는 진동을 각각 나타내는 제1 신호 및 제2 신호의 상대적 값 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이들 특성은 제1 및 제2 신호의 상대 진폭, 제1 및 제2 신호의 상대 주파수 성분, 제1 및 제2 신호에서 각자의 임계값을 초과하는 값의 상대 시간, 및 각자의 임계값을 초과하는 제1 및 제2 신호의 값의 상대 지속기간 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 그렇지만, 임의의 적당한 특성이 사용될 수 있다는 것을 잘 알 것이다.
도 2a 및 도 2b는 지하 활동과 연관된 사건을 식별하기 위해 수행될 수 있는 처리를 나타내는 검출된 신호 특성의 그래프이다. 도 2a는 센서 그룹의 하부 센서에 수신된 신호를 개략적으로 나타낸 것이다. 도 2b는 대응하는 센서 그룹 내의 하부 센서에 수신된 신호를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2a 및 도 2b에서의 시간 영역 신호는 동일한 시간 구간 동안의 센서 출력을 나타낸 것이다. 이들 도면에서, 센서 출력은 신호 에너지 대 시간의 그래프로 나타내어져 있다. 예시된 시간 구간 동안에, 사건이 발생하여 진동을 발생하고, 이 진동이 센서에 의해 검출되고 예시된 바와 같은 센서 출력 신호에 반영된다. 도 2a의 신호에서, 사건이 시각 T1에서 발생하고, 시간 [Delta]T 동안 지속된다.
사건이 임의의 적당한 방식으로 시간 영역 신호에서 인식될 수 있다. 이 일례에서, 시간 영역 신호 에너지가 계산되고, 기준선 값 B1을 가지며, 이 기준선 값으로부터의 상당한 이탈에 의해 사건이 인식될 수 있다. 사건 윈도우(210A) 동안에, 도 2a의 신호는 기준선 B1을 양 A1 만큼 초과하여 뻗어 있다. 프로세서(120)(도 1)와 같은 신호 처리 시스템은, 어떤 시간 윈도우 동안에, 평균 신호 에너지가 임계값 초과의 양만큼 기준선 값을 초과하는 경우, 사건을 탐지할 수 있다. 예를 들어, 임계값 양 R이 설정될 수 있다. 신호값이 임계값 초과 양 R만큼 기준선 B1을 초과하기 때문에 사건이 인식되면, 사건 윈도우(210A)이 설정될 수 있도록 사건의 시작 시간 및 종료 시간이 식별될 수 있다.
기준선 값 B1, 임계값 양 R 그리고 사건 윈도우의 시작 시간 및 종료 시간을 결정하기 위해 임의의 적당한 기법이 이용될 수 있다. 일례로서, 기준선 값 B1은 사건의 지속기간에 비해 긴 기간에 걸쳐 수신된 신호의 값을 평균함으로써 결정될 수 있다. 신호 처리 분야에서 공지된 바와 같이, 이러한 평균을 구하는 것은 아날로그 또는 디지털 필터로서 구현될 수 있는 필터를 사용하여 달성될 수 있다. 다른 일례로서, 시스템(100)에 의해 보호되는 경계를 넘어 터널을 굴착하려는 불법 시도를 나타내는 지하 활동과 연관된 지진 진동의 예상된 크기에 기초하여 임계값 R이 사전에 설정될 수 있다. 다른 대안으로서, 임계값 R은 측정된 진동 값에 기초하여 동적으로 결정될 수 있다. 예를 들어, 비교적 긴 시간 구간에 걸쳐 센서 출력이 모니터링될 수 있다. 사건이 존재하지 않을 때의 신호 진폭의 변동은 표준 편차와 같은 통계 파라미터로서 표현될 수 있다. 임계값은 표준 편차의 배수로서 설정될 수 있다.
사건 윈도우(210A)의 경계를 설정하기 위해, 검출된 신호 레벨이 사건을 구성하기에 충분한 지속기간 동안 임계값 R을 초과하는 시점이 설정되면, 수신된 신호가 임계값 교차 이전에 기준선으로부터 벗어나는 지점 및 그 임계값 교차 이후에 기준선 값으로 되돌아가는 지점이 식별될 수 있다. 이들 지점을 사건의 시작과 종료로 볼 수 있다. 그렇지만, 기술 분야에 공지되어 있는 신호 처리 기법을 비롯하여, 사건 및 사건 윈도우를 식별하는 임의의 적당한 기법이 이용될 수 있다.
그룹 내의 하부 센서의 출력에 기초하여 사건 윈도우가 설정되면, 그룹 내의 상부 센서에 의해 출력되는 신호에서 대응하는 사건 윈도우가 식별될 수 있다. 도 2b는 그룹의 상부 센서에 의해 출력되는 신호에 대해 설정된 사건 윈도우(210B)를 나타내고 있다. 알 수 있는 바와 같이, 도 2b에서, 사건 윈도우(210B) 동안에, 상부 센서에 수신되는 신호는 상부 센서에 대해 설정될 수 있는 기준선 B2를 최대량 A2만큼 초과한다.
예시된 일례에서, 사건 윈도우(210A, 210B)는 대략 동일한 시각에 나타난다. 그렇지만, 사건 윈도우(210B)는 사건 윈도우(210A)보다 약간 늦은 시각에 나타날 수 있다. 이러한 조건은, 예를 들어, 사건이 상부 센서보다 하부 센서에 더 가까운 지하 활동에 의해 유발되는 경우에 생길 수 있다. 이 시나리오에서, 지진 진동의 소스로부터 상부 센서까지의 전파 시간은 하부 센서까지의 전파 시간보다 길 것이다. 물론, 지진 진동을 일으키는 사건이 하부 센서보다 상부 센서에 더 가까운 경우, 상부 센서의 사건 윈도우 및 출력이 하부 센서의 사건 윈도우 및 출력보다 먼저 나타날 수 있다. 그렇지만, 항상 이러한 것은 아닐 수 있는데, 그 이유는 지진 진동의 전파 속도가 깊은 층에서 더 빠름으로써 지표 사건이 상부 센서에서의 출력 이전에 깊은 센서에 출력을 발생할 수 있기 때문이다.
도 2b에 예시된 일례에서, 상부 센서의 출력은 시간 [Delta]T보다 오랫동안 기준선 B2를 초과한 채로 있다. 이 조건은 진동 신호가 땅(130)을 통해 전파할 때 진동 신호의 스미어링(smearing) 또는 분산(dispersion)으로 인할 것일 수 있다. 그에 따라, 상부 센서에서 사건 신호를 포착하는 데 필요한 사건 윈도우가 하부 센서의 출력에서 사건 신호를 포착하는 데 필요한 사건 윈도우와 상이할 수 있다. 상부 센서 및 하부 센서에 의해 출력되는 신호에 대한 사건 윈도우를 개별적으로 식별하고 상관시키기 위해 신호 처리 기법이 이용될 수 있다. 그렇지만, 사건 윈도우가 그룹으로서 배치된 센서들에 대해 대략 동일한 시각에 나타나기 때문에, 일부 실시예에서, 적당한 사건 윈도우가 양쪽 신호에 대해 설정될 수 있다. 사건이 탐지되면, 하부 센서 신호 및 상부 센서 신호 둘다에 대한 사건 윈도우가 양쪽 센서 출력에서의 사건 신호의 적당한 부분을 포착하기에 충분히 긴 경우 하부 센서의 출력 및 상부 센서의 출력에서의 사건과 연관된 신호 특성 간의 비교가 행해질 수 있게 해주기 위해 이 윈도우가 동일한 시간 구간에 걸쳐 있을 수 있다. 예를 들어, 상부 센서와 하부 센서 사이의 전파 시간 또는 신호 스미어링에서의 임의의 차이를 반영하기에 충분히 긴 사건 윈도우를 정의함으로써 이러한 선택이 행해질 수 있다. 사건 윈도우가 명시적으로 식별될 수 있다. 그렇지만, 센서는 상부 센서 및 하부 센서 둘다에 대한 배경 레벨(background level)을 넘는 임계값을 초과하는 에너지 엔벨로프(energy envelop)의 지속기간을 측정함으로써 신호를 식별할 수 있다.
도 2a 및 도 2b에서의 신호의 비교는 사건을 지표 활동 또는 지하 활동과 연관된 사건으로서 분류하는 데 사용될 수 있는 특징을 발생하기 위해 수행될 수 있는 처리를 나타낸다. 한가지 이러한 파라미터는 검출된 사건 윈도우의 시작 시간이다. 앞서 살펴본 바와 같이, 지하 사건이 발생할 때, 그 사건과 연관된 지진 진동의 소스는 지하 활동 근방에 있는 센서 그룹 내의 하부 센서에 더 가까이 있을 가능성이 있다. 지진 진동의 소스로부터 하부 센서까지의 경로는 또한 더 빠른 속도를 가지는 깊은 층에 있다. 그 결과, 사건 윈도우(210A)와 같은 사건 윈도우의 시작 시간 T1은 사건 윈도우(210B)의 대응하는 시작 시간 T2보다 앞에 있다. 그 결과, 센서 그룹 내의 하부 센서 및 상부 센서와 연관된 출력들에서 대응하는 사건 윈도우들 사이의 시작 시간의 상대적 차이가 탐지된 사건이 지하 활동과 연관된 사건으로서 분류되어야 한다는 표시를 제공할 수 있다.
사건을 분류하는 데 사용될 수 있는 다른 파라미터는 센서 그룹 내의 하부 센서 및 상부 센서에 수신되는 사건 신호의 상대 진폭이다. 예를 들어, 도 2a의 신호는 그의 기준선 B1으로부터 양 A1만큼 벗어나 있다. 이와 달리, 도 2b의 신호는 그의 기준선 B2로부터 양 A2만큼 벗어나 있다. 동일한 사건에 응답하여 생성된 출력을 보여주는 도 2a 및 도 2b에 예시된 시나리오에서, 하부 센서에 대한 진폭 A1의 변화는 상부 센서에 대한 진폭 A2의 변화보다 크다. 임의의 특정의 동작 이론에 의해 구속되지 않고, 이러한 진폭의 차이는 하부층(136)에서의 지진 진동의 감쇠에 비해 상부층(134)에서의 지진 진동의 감쇠가 비교적 더 크기 때문에 일어날 수 있다. 진동(140, 142)과 같은 하부층(136)에서의 활동에 의해 시작되는 진동은 상부 센서들(110U, 112U, 114U, 116U)과 같은 상부 센서들 중 하나의 상부 센서에 도달하기 위해 상부층(134)의 적어도 일부분을 통해 지나가야만 한다. 하부 센서들 중 하나의 하부 센서(110L, 112L, 114L 또는 116L 등)로 전파하는 진동은 상부층(134)을 통해 지나가지 않으며, 따라서 덜 감쇠될 수 있다. 지하 활동으로부터의 이들 진동은 센서 그룹의 하부 센서에 도달할 때 동일한 그룹의 상부 센서에 도달할 때보다 더 큰 진폭을 가질 가능성이 있다. 이와 달리, 지표 활동에 의해 야기된 진동(152)과 같은 진동은 임의의 센서 그룹의 상부 또는 하부 센서에 도달하기 위해 적어도 부분적으로 상부층(134)을 통해 지나가야만 한다. 그 결과, 진동이 진폭의 변화가 상부 센서에 대해서보다 하부 센서에 대해 더 큰 신호 사건을 야기할 가능성은 없다. 따라서, 그룹의 상부 및 하부 센서에서의 신호의, 각자의 기준선과 비교한 상대 진폭은 신호를 지하 사건과 연관된 것으로 분류하는 데 사용되는 하나의 파라미터일 수 있다. 다른 대안으로서 또는 그에 부가하여, 상부 센서와 하부 센서 간의 검출된 진동의 절대 신호 레벨의 비교가 파라미터일 수 있다. 이러한 비교는 시간 영역에서 또는 주파수 영역에서 행해질 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 사건 신호를 지하 활동과 연관되어 있는 것으로 분류하는 데 사용될 수 있는 다른 파라미터를 나타내고 있다. 도 3a 및 도 3b는 각각 사건 윈도우를 포함하는 시간 구간 동안 도 2a 및 도 2b의 시간 영역 신호의 주파수 스펙트럼을 나타낸 것이다. 주파수 스펙트럼은 시간 영역 신호로부터 임의의 적당한 방식으로 발생될 수 있다. 디지털적으로 처리되는 신호에 대해, 시간 영역 신호로부터 주파수 스펙트럼을 발생하는 한 방식은 고속 푸리에 변환(fast fourier transform, FFT)이라고 한다. 그렇지만, 센서에 의해 수신되는 신호를 처리하는 데 임의의 시간-주파수 영역 변환이 사용될 수 있다.
도 3a 및 도 3b의 비교는 사건 신호를 지하 활동과 연관된 것으로 분류하는 데 사용될 수 있는 주파수 영역에서의 특성을 나타낸다.
시간 영역 신호는 일반적으로 다수의 주파수에서의 에너지로 이루어져 있다. 시간 영역 신호와 연관된 주파수 스펙트럼은 그 에너지가 나타나는 주파수의 표시이다. 도 3a의 스펙트럼에서, 그 에너지의 상당 부분이 하부 주파수(lower frequency) Fmin1부터 상부 주파수(upper frequency) Fmax1까지 뻗어 있는 스펙트럼 윈도우(310A)에 나타난다. 이와 유사하게, 도 3b의 스펙트럼에서, 에너지의 상당량이 주파수 Fmin2부터 Fmax2까지 뻗어 있는 스펙트럼 윈도우(310B) 내의 주파수에 나타난다.
310A 및 310B와 같은 스펙트럼 윈도우가 주파수 스펙트럼에서 임의의 적당한 방식으로 식별될 수 있다. 예를 들어, 시간 영역 신호의 처리에서와 같이, 기준선 값이 식별될 수 있고, 스펙트럼 에너지가 어떤 임계값 양만큼 기준선을 초과하는 주파수를 식별함으로써 스펙트럼 윈도우의 경계가 결정될 수 있다. 기술 분야에 공지되어 있는, 스펙트럼 윈도우를 식별하는 다른 기법도 역시 적당할 수 있다. 출원인은 지하 활동이 도 3a 및 도 3b에서 주파수 FLO부터 주파수 FHI까지 걸쳐 있는 것으로 나타낸 주파수 범위에 신호 에너지가 집중되어 있는 주파수 스펙트럼을 갖는 센서 출력 신호를 발생한다는 것을 잘 알고 있다. 일부 실시예에서, FLO는 50 Hz 초과이고, FHI는 500 Hz 미만이다. 예를 들어, 그 범위의 하부 주파수는 대략 80 Hz일 수 있다. 그렇지만, 일부 실시예에서, 100 Hz가 그 범위에서의 하부 주파수로서 사용될 수 있다. 이와 유사하게, 400 Hz 또는 350 Hz가 그 범위의 상한으로서 취해질 수 있다. 그렇지만, 일부 실시예에서, 300 Hz가 그 범위의 상한으로서 사용될 수 있다. 구체적인 일례로서, 100-300 Hz가 지하 활동을 특징지우는 주파수 범위로서 취해질 수 있다. 그에 따라, 시간 영역 신호로부터 추출된 사건으로부터 발생된 주파수 스펙트럼이 지하 활동과 연관된 주파수 범위에 집중되어 있는 경우, 탐지된 신호 사건이 지하 활동과 연관되어 있다는 추가의 표시가 제공된다.
사건과 연관된 스펙트럼 윈도우가 지하 활동과 연관된 주파수 범위 내에 속한다는 것을 나타내는 주파수 영역 파라미터는 사건 신호를 지하 활동의 결과인 것으로 또는 지하 활동과 연관되어 있지 않은 것으로 분류하는 데 사용될 수 있다. 임의의 적당한 주파수 영역 파라미터가 이러한 분류에 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 파라미터는 그룹 내의 하부 센서로부터의 출력과 연관된 스펙트럼만을 처리함으로써 획득될 수 있다. 그렇지만, 다른 실시예에서, 그룹 내의 다수의 센서와 연관된 스펙트럼으로부터 도출된 파라미터가 사건을 지하 사건인 것으로 또는 지하 사건이 아닌 것으로 분류하는 데 사용될 수 있다.
사건 신호를 분류하는 데 사용될 수 있는 한가지 주파수 영역 파라미터는 지하 활동에 의해 발생된 진동에 대해 예상되는 주파수 범위와 중복하는 스펙트럼 윈도우(310A)의 양이다. 이러한 결정은 임의의 적당한 방식으로 행해질 수 있다. 예를 들어, 중심 주파수 FC1이 FLO와 FHI 사이의 예상된 범위 내에 속하는지의 결정이 행해질 수 있다. 다른 대안으로서, FLO와 FHI 사이의 범위에 속하는 도 3a의 스펙트럼의 스펙트럼 에너지의 총 퍼센트도 역시 사건 신호를 분류하는 데 사용될 수 있다. 그렇지만, 다른 파라미터가 가능하다. 예를 들어, FLO와 FHI 사이의 범위에 속하는 스펙트럼 윈도우(310A)의 퍼센트도 역시 사건 신호를 분류하는 데 사용될 수 있고, 여기서 퍼센트가 높은 것은 탐지된 사건이 지하 활동과 연관되어 있을 가능성이 높은 것을 나타낸다.
사건 신호를 분류하는 데 사용될 수 있는 다른 특성은 그룹의 상부 센서에 대한 그룹의 하부 센서에서 검출된 사건 신호의 상대 주파수이다. 도 3a 및 도 3b의 비교에 의해 알 수 있는 바와 같이, 하부 센서에 의해 탐지된 사건의 스펙트럼은, 도 3b에 나타낸 바와 같이, 상부 센서와 연관된 스펙트럼보다 높은 주파수에 에너지를 가진다. 임의의 특정의 이론에 구속되지 않으면서, 땅의 하부층(136)은 상부층(134)보다 더 조밀하게 채워져 있을 수 있다. 그에 따라, 하부층(136)은 높은 주파수의 지진 진동을 상부층(134)보다 더 잘 전파할 수 있다. 그 결과, 하부층(136) 내로부터 방출되는 진동(140, 142)과 같은 진동은 층(136)을 통해 각각의 센서 그룹의 하부 센서로 갈 것이다. 그룹의 상부 센서에 도달하기 위해, 진동 신호는 상부층(134)을 통과한다. 상부층(134)에서, 진동 신호의 높은 주파수 성분이 낮은 주파수 성분보다는 더 감쇠되고 하부 센서로 전파하는 신호의 높은 주파수 성분보다는 덜 감쇠될 수 있다. 결과적으로, 각각의 그룹의 상부 센서에 수신되는 진동의 스펙트럼은 대응하는 센서 그룹의 하부 센서에 수신되는 진동 신호보다 높은 주파수 성분을 더 적게 가진다.
지표(132)에서 방출되는 진동 신호(152)에 있어서, 진동 신호는 대체로 상부층(134)에 있는 상부 센서(114U)로 갈 것이고, 상부층에서의 경로 길이의 일부분만이 대응하는 센서 그룹의 하부 센서(114L)에 도달할 것이다. 지표 소스로부터 센서 그룹까지의 거리가 증가함에 따라, 하부 센서까지의 경로에 비해 그에 비례하여 더 많은 부분의 상부 센서까지의 경로가 상부층에 있다. 상부층(134)을 통해 추가적으로 지나가는 것으로 인해, 높은 주파수 성분의 감쇠가 그룹 내의 하부 센서로 가는 신호에 대해서보다 상부 센서에서의 신호에 대해 상당히 더 클 것이다. 그에 따라, 그룹의 상부 센서에서 탐지되는 사건 신호에 대한 그룹의 하부 센서에서 탐지되는 사건 신호와 연관된 높은 주파수 성분의 상대적 양을 반영하는 파라미터가 사건을 지하 사건과 연관된 것으로 분류하는 데 사용될 수 있다.
그룹의 하부 센서 및 그룹의 상부 센서에서 검출되는 사건 신호에서의 고주파 성분의 상대적 양을 나타내기 위해 임의의 적당한 파라미터가 사용될 수 있다. 도 3a 및 도 3b의 비교는 사용될 수 있는 일부 파라미터를 나타내고 있다. 한 일례로서, 도 3a는 스펙트럼 윈도우(310A)가 주파수 Fmax1까지 뻗어 있는 반면 스펙트럼 윈도우(310B)가 상부 주파수 Fmax2까지만 뻗어 있는 것을 나타내고 있다. 그에 따라, 스펙트럼 윈도우의 상한의 상대적 값이 사건 신호를 분류하는 데 파라미터로서 사용될 수 있다.
다른 일례로서, 도 3a 및 도 3b는 그룹의 하부 센서와 연관된 도 3a의 스펙트럼이 그룹의 상부 센서에 의해 검출된 사건 신호와 연관된 스펙트럼 윈도우(310B)의 중심 주파수 FC2보다 높은 중심 주파수 FC1을 갖는 스펙트럼 윈도우를 가지는 것을 나타내고 있다. 그에 따라, 중심 주파수 간의 비가 다른 대안으로서 또는 그에 부가하여 사건 신호를 분류하는 데 파라미터로서 사용될 수 있다. 다른 대안으로서, 지정된 대역에서 합산된 스펙트럼 에너지 간의 비가 사건 신호를 분류하는 데 사용될 수 있다.
이상은 사건 신호를 분류하는 데 사용될 수 있는 파라미터의 일례이다. 그렇지만, 임의의 적당한 주파수 영역 파라미터가 사용될 수 있다. 계산될 수 있는 다른 적당한 스펙트럼 특징은 총 스펙트럼 에너지, 중력 중심, 스펙트럼 분산(spectral variance), 스펙트럼 왜도(spectral skewness), 스펙트럼 첨도(spectral kurtosis) 및 최고 에너지의 주파수를 포함한다.
상이한 또는 부가의 시간 영역 파라미터가 이와 유사하게 사건 신호를 분류하는 데 사용될 수 있다. 이상에서 기술한 바와 같이, 상부 센서 및 하부 센서에 수신된 사건 신호의 최대 진폭의 비는 사건 신호를 분류하기 위한 파라미터를 산출할 수 있다. 도 2a 및 도 2b와 관련하여 이상에서 기술한 바와 같이, 정규화된 진폭이 비교를 위해 사용될 수 있다. 정규화된 진폭은 각각의 신호를 그 자신의 기준선 B1 및 B2만큼 각각 오프셋시킴으로써 얻어진다. 그렇지만, 다른 정규화 방식이 사용될 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 분류를 위해 사용될 수 있는 대안의 파라미터를 나타내고 있다. 도시된 바와 같이, 센서 그룹 내의 각각의 센서에 의해 출력되는 신호에 대해 사건 윈도우 동안의 신호 곡선 아래의 면적이 계산될 수 있다. 예를 들어, 도 4a는 T1에서 시작하는 사건 윈도우를 갖는 센서 출력을 나타낸 것이다. 그 사건 윈도우 동안의 신호 곡선 아래의 면적(410)은 도 4b에 나타내어져 있다. 일부 실시예에서, 상부 센서 및 하부 센서에서 측정되는 사건 동안의 신호 면적의 비를 얻음으로써, 사건 신호를 분류하는 데 유용한 파라미터가 획득될 수 있다. 도 2a 및 도 2b의 실시예에서와 같이, 정규화된 신호에 대해 면적(410)과 같은 면적이 계산될 수 있다. 도 4b의 일례에서, 면적(410)은 기준선을 초과하는 면적만을 포함하며, 따라서 정규화되어 있다.
다른 대안으로서 또는 그에 부가하여, 시간 영역 신호에 대해 다른 파라미터가 계산되고 사건을 분류하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 시간 영역 신호에 대해, 탐지된 사건의 시간 영역 영 교차(zero crossing), 동시 탐지율(simultaneous rate of detection) 및 사건의 장기 탐지율(long term rate of detection)이 계산될 수 있다. 이들 파라미터는 이어서 사건을 지하 활동에 관련되어 있는 것으로 또는 그렇지 않은 것으로 분류하는 데 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 식별된 사건과 연관된 시간 영역 신호 또는 주파수 영역 스펙트럼의 파라미터를 비교하기 전에, 적당한 신호 처리가 수행될 수 있다. 이 처리는 탐지된 진동을 나타내는 전자 신호의 진폭 또는 스펙트럼 성분에 영향을 줄 수 있는 노이즈, 센서 이득의 차이, 또는 기타 인자를 보상할 수 있다. 게다가, 발명자들은, 사건을 탐지하고 분류하기 전에, 센서 출력을 적어도 과도 성분(transient component)과 연속파 성분(continuous wave component)으로 분리함으로써 낮은 오경보율을 갖는 정확한 탐지가 용이하게 될 수 있도록 상이한 유형의 지하 활동이 일어날 수 있다는 것을 잘 알고 있다. 임의의 특정의 동작 이론에 구속되지 않으면서, 발명자들은 어떤 지하 활동이 충격 사건 신호(impulsive event signal)를 발생하는 반면 다른 유형의 지하 활동이 연속파 신호를 발생한다는 것을 잘 알고 있다. 예를 들어, 손으로 파는 것은 충격 진동 신호를 발생할 수 있다. 이와 달리, 드릴링은 사건 윈도우에 걸쳐 연속 신호를 발생할 수 있다. 연속파와 과도 신호를 개별적으로 식별하고 분류하는 것은 지하 활동이 탐지될 수 있는 정확도를 향상시킬 수 있다.
도 5는 센서의 출력을 연속파 신호 성분과 과도 신호 성분으로 분리하기 위해 센서의 출력에 대해 수행될 수 있는 처리의 일례를 나타낸 것이다. 시스템(100)(도 1)에서, 도 5에 예시된 처리는 각각의 센서 출력 신호에 대해 수행될 수 있다.
도 5는 각각의 센서 출력에 대해 수행될 처리의 기능 블록도이다. 도 5에서 각각의 블록에 의해 나타내어진 처리는 프로세서(120) 내의 회로에 의해 수행될 수 있다. 다른 대안으로서, 도 5에 예시된 기능들 중 일부 또는 전부는 프로세서(120) 내에 포함된 특수 목적 프로세서(디지털 신호 처리기 칩 등)의 프로그래밍에 기초하여 수행될 수 있다. 다른 대안으로서, 도 5에 예시된 기능 블록들 중 일부 또는 전부는 범용 프로세서의 소프트웨어 프로그래밍에 의해 구현될 수 있다. 그에 따라, 신호를 처리하는 특정의 수단이 본 발명에 중요하지 않다.
도 5의 실시예에서, 센서 출력이 먼저 블록(510) 내에서 처리되어, 배경 노이즈에 대한 주파수 스펙트럼을 발생할 수 있다. 예시된 실시예에서, 정규화된 주파수 스펙트럼이 발생된다.
블록(510) 내에서, 이 일례에서, 센서 출력이 먼저 블록(512)에서의 처리에 의해 주파수 영역으로 변환된다. 블록(512)은 신호의 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform, FFT)을 계산한다. 이 일례에서, 블록(512)에서 계산된 FFT는 N1개의 점에 기초하고 있다.
예시된 실시예에서, 블록(512)에서 수신된 센서로부터의 입력은 주기적인 샘플의 형태로 되어 있다. N1 점 FFT(N1 point FFT)의 경우, N1개의 샘플이 블록(512)에 입력될 수 있다. 샘플이 센서로부터 수신될 때, 블록(512)은 샘플을 크기 N1의 순차적 그룹 단위로 처리한다. N1의 값은 주파수 영역에서 처리하기 위한 원하는 주파수 분해능에 의존할 수 있고, 기술 분야에 공지되어 있는 기법을 사용하여 또는 임의의 다른 적당한 방식으로 선택될 수 있다.
시스템(100)(도 1)에서, 경계가 연속적으로 모니터링될 수 있도록 샘플이 시간에 따라 연속적으로 취해진다. 그에 따라, 블록(510)은 N1개의 연속적인 샘플이 취해지는 구간에 걸쳐 센서 출력의 주파수 스펙트럼을 나타내는 값을 연속하여 출력할 것이다. N1개 샘플의 새 그룹이 블록(510)에 제공될 때, 이 주파수 스펙트럼이 재계산될 것이다.
블록(510) 내에서의 처리는 배경 노이즈의 추정치에 의해 각각의 계산된 주파수 스펙트럼을 정규화한다. 이 일례에서, 메디안 평활화되고 시간 평균된 스펙트럼(median smoothed, time averaged spectrum)의 추정치에 기초하여, 주파수 스펙트럼이 정규화된다. 메디안 스펙트럼 추정치를 계산하기 위해, 블록(512)의 출력이 블록(513)에서 시작하여 처리된다.
블록(513)에서, 블록(512)의 출력인 복소 계수가 제곱되고, 이어서 이 값의 제곱근이 계산된다. N1 점 FFT가 계산되는 도 5의 일례에서, 블록(512)은 N1개 출력을 가질 것이다. 각각의 출력이 블록(513)에서 개별적으로 처리될 수 있다. 그에 따라, 블록(513)은 블록(512)에서의 FFT에 의해 계산된 주파수 성분을 나타내며, 이들 주파수 성분 전부는 플러스 실수값이다.
블록(513)으로부터의 주파수 성분은 메디안 평활화된 주파수 스펙트럼(median smoothed frequency spectrum)이 식별되는 블록(514)에서 처리된다. 블록(512)에서 계산된 각각의 FFT에 대해, 블록(514)에서 상이한 메디안 스펙트럼이 식별될 수 있다.
블록(516)에서, 블록(514)에서 계산된 연속적인 메디안 평활화된 스펙트럼이 시간에 걸쳐 평균된다. 이 일례에서, 로그-평균 함수(log-average function)가 사용된다. 그렇지만, 임의의 적당한 평균 함수가 이용될 수 있다.
블록(516)에서 계산된 로그-평균이 변할 때, 블록(518)에서의 처리의 결과로서 메디안 스펙트럼 배경 노이즈 추정치가 업데이트될 수 있다. 메디안 스펙트럼 추정치의 추정치가 변할 때, 블록(518)에서의 처리는 블록(525)에서 수행되는 정규화가 업데이트된 메디안 스펙트럼 추정치에 기초하도록 블록(525)에서의 처리를 변경할 수 있다.
블록(512)에서 계산된 주파수 스펙트럼을 배경 노이즈 스펙트럼의 추정치에 기초하여 정규화하기 위해 임의의 적당한 방식이 블록(525)에서 사용될 수 있다. 한 일례로서, 임의의 주어진 때에 계산된 주파수 성분이 평균된 메디안 스펙트럼으로 나누어질 수 있다. 이 프로세스는 때때로 "백색화(whitening)"라고 한다. 그렇지만, 기술 분야에 공지된 정규화 처리를 비롯한 임의의 적당한 정규화 처리가 사용될 수 있다.
블록(525)에서 정규화된 스펙트럼이 계산되면, 이 스펙트럼은 연속파 신호가 추출되는 블록(530)에 제공될 수 있다. 예시된 일례에서, 블록(530)에서의 처리는 블록(510)에서의 처리를 위해 사용된 동일한 주파수 분해능을 갖는 주파수 스펙트럼을 사용하여 수행된다. 상이한 주파수 분해능이 요망되는 경우, 시간 영역 신호를 재발생하기 위해 블록(525)의 출력에 대해 차수 N1의 역 FFT를 수행함으로써 상이한 수의 점을 갖는 주파수 스펙트럼이 발생될 수 있다. 그 시간 영역 신호는 이어서 원하는 주파수 분해능을 제공하는 개수의 점을 갖는 FFT를 수행함으로써 임의의 원하는 분해능의 주파수 스펙트럼으로 변환될 수 있다. 그렇지만, 이러한 처리는 간단함을 위해 도 5에 나타내어져 있지 않다.
도 5에 예시된 실시예에서, 블록(530)은 먼저 블록(532)에서 정규화된 스펙트럼의 주파수 성분을 제곱함으로써 연속파 신호를 식별한다. 이 단계는 주파수 스펙트럼을 전력 스펙트럼으로 변환한다. 블록(534)에서, 전력 스펙트럼의 성분의 메디안 값이 계산된다. 블록(536)에서, 연속파 신호가 검출된다. 연속파 신호를 검출하기 위해 임의의 적당한 방식이 사용될 수 있다. 한 일례로서, 메디안 평활화된 스펙트럼에 비해 비교적 큰 전력을 가지며 비교적 오랜 기간에 걸쳐 지속되는 주파수 성분을 식별함으로써 연속파 신호가 검출될 수 있다.
연속파 신호가 검출되는 방식에 상관없이, 연속파 신호가 검출될 때 출력되는 센서 출력 값은 연속파 신호를 나타내는 것으로서 기록될 수 있다. 그 연속파 신호는 추가의 처리를 위해 출력될 수 있다. 전술한 바와 같이, 사건을 식별하고 사건 신호와 연관된 파라미터를 도출하기 위해 그 신호가 처리될 수 있다. 파라미터는 이어서 사건을 지하 활동과 연관된 사건으로 또는 지진 진동의 어떤 다른 소스와 연관된 사건으로 분류하는 데 사용될 수 있다.
그에 부가하여, 검출된 연속파 신호는 센서에 의해 출력된 신호의 과도 부분을 식별하는 데 사용될 수 있다. 그에 따라, 도 5는 센서 출력의 전력 스펙트럼에 대한 추가적인 처리를 나타낸 것이다. 블록(538)에서, 스펙트럼 정형(spectral shaping)이 수행된다. 이 스펙트럼 정형은 과도 신호를 더 잘 나타내도록 전력 스펙트럼을 수정할 수 있다. 블록(538)에서의 처리는 검출된 연속파 신호와 연관된 주파수 성분을 전력 스펙트럼으로부터 제거할 수 있다. 그에 부가하여, 블록(538)에서의 처리는, 예를 들어, 지하 활동과 연관된 범위 내의 주파수 성분을 강조하기 위해 대역 통과 필터링을 포함할 수 있다. 이러한 필터링은, 예를 들어, 지하 활동과 연관된 주파수의 범위를 정의하는 범위 FLO 내지 FHI 밖에 있는 주파수를 전력 스펙트럼으로부터 제거함으로써 수행될 수 있다. 또한, 전력선 주파수, 또는 다른 기지의 또는 예상된 노이즈 소스와 연관된 주파수가 제거될 수 있다.
블록(538)에서 수행되는 특정의 처리와 상관없이, 얻어지는 스펙트럼이 시간 영역 신호로 변환될 수 있다. 그에 따라, 도 5는 블록(538)의 출력이 IFFT(inverse fast fourier transform)가 수행되는 블록(540)에 제공되는 것을 나타내고 있다.
얻어지는 시간 영역 신호는 과도 신호를 식별하는 처리가 수행되는 블록(550)에 제공된다. 과도 신호를 식별하기 위해 임의의 적당한 메커니즘이 사용될 수 있다. 게다가, 이 처리는 시간 영역에서 또는 주파수 영역에서 수행될 수 있다. 도 5는 주파수 영역에서의 처리를 나타내고 있고, 또한 처리가 시간 영역에서 수행되는 대안의 처리 경로를 나타내고 있다.
주파수 영역에서의 처리를 위해, 블록(550)에 입력되는 신호는 FFT가 수행되는 블록(552)에 인가된다. 이 일례에서, 블록(552)에서 수행되는 FFT는 N2개의 점을 가진다. 블록(540)에서 역 FFT를 수행하고 이어서 블록(552)에서 FFT를 수행하는 것은 블록(550) 내에서의 주파수 영역 처리가 블록(530)에서 연속파 신호를 검출하는 데 사용되는 것과 상이한 주파수 분해능으로 수행될 수 있게 해준다. 동일한 분해능이 요망되는 실시예에서, 블록(552)에서 수행되는 FFT가 생략될 수 있고, 주파수 영역 처리가 블록(538)에서 계산된 주파수 스펙트럼에 기초할 수 있다. 그에 따라, 도 5가 일부 실시예에 따른 처리를 나타내고 있지만 다른 실시예가 가능하다는 것을 잘 알 것이다.
과도 신호를 검출하는 데 사용되는 주파수 스펙트럼이 발생되는 방식에 상관없이, 블록(554)에서 스펙트럼이 처리될 수 있다. 블록(554)에서, 스펙트럼의 주파수 성분이 다수의 주파수 대역으로 집계되고, 각각의 대역은 스펙트럼이 발생되는 주파수의 하위 범위(sub-range)에 있는 인접 주파수 성분을 포함한다. 이 일례에서, 각각의 대역에서의 스펙트럼 전력이 대역 내의 주파수 성분의 에너지를 합산함으로써 도출된다.
블록(556)에서, 대역 내의 신호가 임계값을 초과하는지를 판정하기 위해 각각의 대역이 처리될 수 있다. 각각의 대역에 대한 임계값이 임의의 적당한 방식으로 결정될 수 있다. 예시된 실시예에서, 연속적인 샘플 그룹이 처리될 때 각각의 주파수 대역에 대해 대역 에너지의 평균 및 표준 편차를 추적함으로써 임계값이 결정된다. 임의의 주어진 때에, 대역에 대한 합산된 값이 (설정된 파라미터 x 표준 편차)보다 많이 평균을 초과할 때 주파수 대역이 임계값을 초과하는 것으로 생각될 수 있다. 임의의 주어진 때에 그 각자의 임계값을 초과하는 주파수 대역의 수 및/또는 분포는 과도 신호가 존재하는지를 판정하기 위해 사용될 수 있다.
블록(558)에서의 처리는 과도 신호가 존재한다는 것을 나타내는, 그 각자의 임계값을 초과하는 주파수 대역의 패턴을 인식할 수 있다. 예를 들어, 과도 신호는 넓은 주파수 범위에 걸친 주파수 성분을 가질 수 있다. 그에 따라, 블록(558)에서의 처리는, 블록(554)에서 정의된 주파수 대역의 대부분 내의 전력이 주파수 대역에 대한 임계값을 초과할 때, 과도 신호를 식별할 수 있다. 그렇지만, 과도 신호를 검출하는 임의의 적당한 기준이 정의될 수 있다.
블록(558)에서의 처리로 나타낸 바와 같이, 과도 신호가 검출될 때, 과도 신호의 표시를 발생한 블록(510)에 입력되는 시간 영역 샘플은, 도 2a, 도 2b, 도 3a 및 도 3b와 관련하여 앞서 기술한 바와 같이, 과도 신호가 지하 사건을 나타내는지를 특징지우는 특징을 식별하기 위해 처리될 수 있다.
도 5는 또한 블록(552, 554, 556, 558)에서의 처리 대신에 또는 그에 부가하여 사용될 수 있는 과도 신호를 검출하는 대안의 방식을 나타내고 있다. 이 일례에서, 블록(562, 564, 566, 568)에서의 처리는 시간 영역에서 수행된다. 앞서 기술한 주파수 영역 처리와 같이, 시간 영역 처리는 또한 센서 출력에서의 과도 신호의 표시를 생성할 수 있다.
시간 영역 처리는 블록(540)에서 계산된 역푸리에 변환의 결과로서 발생된 시간 영역 신호가 처리되는 블록(562)에서 시작할 수 있다. 블록(562)에서, 신호 전력을 나타내는 값을 발생하기 위해 시간 영역 신호가 제곱될 수 있다. 제곱된 신호가 이어서 블록(564)에서 저역 통과 필터에 의해 필터링될 수 있다. 필터링된 신호가 이어서 블록(566)에서 임계값과 비교될 수 있다. 블록(568)에서의 처리는 필터링된 신호가 임계값을 초과할 때 과도 신호가 검출되었다는 것을 나타낼 수 있다.
이 일례에서, 블록(564)에서의 저역 통과 필터링은 노이즈를 제거하는 역할을 할 수 있다. 블록(566)에서의 이진화(thresholding)는 필터링된 신호의 관찰된 범위에 기초할 수 있다. 블록(556)에서의 처리와 같이, 블록(566)에서의 임계값은 시간 영역 신호의 평균 및 표준 편차를 계산함으로써 설정될 수 있다. 블록(566)에서 임계값이 결정되는 방식에 상관없이, 임계값이 초과되는 경우, 블록(568)은 과도 신호가 검출되었다는 표시를 출력할 수 있다.
도 5에 나타낸 처리는 각각의 센서 그룹 내의 각각의 센서에 대해 수행될 수 있다. 검출된 사건 신호가 지하 활동과 연관되어 있는지를 판정하기 위해, 얻어지는 출력 신호가 처리될 수 있다. 추가의 처리는 지하 활동이 시스템(100)에 의해 보호되는 경계를 넘어가려는 불법 시도를 구성하는지를 나타낼 수 있다. 처리는 또한 불법 지하 활동이 탐지되었다는 표시와 함께 제공될 수 있는 활동의 위치를 식별할 수 있다.
도 6은 불법 지하 활동이 탐지될 때 경보를 생성하기 위해 다수의 센서 그룹에 의해 출력되는 신호를 처리하는 것의 일례를 나타낸 것이다. 도 6은 각각의 그룹 내의 센서로부터의 출력이 처음에 개별적으로 처리되는 것을 나타내고 있다. 간단함을 위해, 2개의 센서 그룹(각각이 한쌍의 센서를 포함함)이 예시되어 있다. 여기서, 하나의 센서 그룹을 형성하는 센서(110U, 110L) 및 제2 센서 그룹을 형성하는 센서(116U, 116L)가 예시되어 있다. 그렇지만, 임의의 수의 센서 그룹이 시스템에 포함될 수 있다. 예시된 실시예에서, 각각의 센서 그룹 내에서의 처리는 동일하다. 그에 따라, 센서(110U, 110L)를 포함하는 센서 그룹만의 처리가 예시되어 있다.
그룹 내의 각각의 센서의 출력이 블록(610A)에 나타낸 바와 같이 처리될 수 있다. 도 6에 예시된 실시예에서, 연속파 성분 및 과도 신호 성분을 식별하기 위해, 그룹 내의 각각의 센서의 출력이 먼저 개별적으로 처리된다. 그에 따라, 블록(610A)은 상부 센서(110U)의 출력에서 연속파 신호를 검출하는 블록(5301)에서의 처리를 포함한다. 하부 센서(110L)의 출력에서 연속파 신호를 검출하기 위해 블록(5302)에서 유사한 처리가 수행된다. 블록(5501)에서, 상부 센서(110U)의 출력에서 과도 신호를 검출하는 처리가 수행된다. 하부 센서(110L)의 출력에서 과도 신호를 검출하기 위해 블록(5502)에서 대응하는 처리가 수행된다. 블록(5301, 5302)에서의 처리는 블록(530)(도 5)에 나타낸 것과 같을 수 있다. 이와 유사하게, 블록(5501, 5502)에서의 처리는 블록(550)(도 5)과 관련하여 전술한 바와 같이 수행될 수 있다.
사건을 나타내는 연속파 신호가 검출될 때, 상부 및 하부 센서 출력의 연속파 성분이 처리를 위해 블록(612)에 제공될 수 있다. 이와 마찬가지로, 블록(5501) 또는 블록(5502)에서 과도 신호가 검출될 때, 센서 그룹 내의 센서와 연관된 과도 신호 성분이 처리를 위해 블록(614)에 제공된다.
도 2a, 도 2b, 도 3a 및 도 3b와 관련하여 이상에서 기술한 바와 같이, 센서 출력 신호에서 사건이 탐지될 때, 사건을 지하 활동과 연관된 것으로 또는 지하 활동과 연관되어 있지 않은 것으로 분류하기 위한 신호 특징이 발생될 수 있다. 이들 특징은 시간 영역 메트릭(사건의 시간, 사건의 지속기간, 및 사건 동안에 검출된 신호 에너지의 진폭 등) 또는 주파수 영역 메트릭(고주파 성분 등)을 포함할 수 있다. 구체적인 일례로서, 특징은 사건의 일부로서 수신되는 진동의 진폭, 지속기간, 및 주파수 성분일 수 있다. 그렇지만, 이들 또는 기타 적당한 특징 중 하나 이상 특징의 임의의 조합이 사용될 수 있다. 이들 메트릭이 특징을 나타내기 위해 직접 사용될 수 있거나, 평활화하는 것, 필터링하는 것, 스케일링하는 것, 또는 상부 및 하부 센서에서의 이들 메트릭의 상대적 값을 결정하는 것 등의 부가의 처리 단계에서 사용될 수 있다.
분류를 위해 사용되는 특정의 특징에 상관없이, 연속파 사건 신호(continuous wave event signal)가 검출될 때는 블록(612)에서 그리고 과도 사건 신호(transient event signal)가 검출될 때는 블록(614)에서 분류를 하기 위한 처리가 수행될 수 있다. 이 처리는 공지된 분류 기법을 사용하여 수행될 수 있다. 과도 신호 성분 및 연속 신호 성분에 대해 개별적인 분류 기법이 사용될 수 있다.
적당한 방식의 한 일례로서, 프로세서(120)는 신호와 연관된 파라미터 값의 범위에 기초하여 사건을 부류에 할당하도록 프로그램될 수 있다. 신호를 지하 활동과 연관된 것으로 분류하는 데 유용한 파라미터 값의 범위가 임의의 적당한 방식으로 도출될 수 있다. 파라미터 값의 범위를 도출하는 한가지 방식은 사건 신호 집합(a set of event signals)을 처리하는 것이며, 이 집합 내의 일부 신호가 지하 활동을 나타내는 것으로 알려져 있고, 다른 신호가 다른 유형의 지진 사건(seismic event)을 나타내는 것으로 알려져 있다. 이 신호 집합은 지하 활동을 나타내는 신호의 대부분에서 나타나고 훈련 집합 내의 다른 신호들의 다수에서 나타나지 않는 파라미터 값의 범위가 식별될 수 있도록 하는 "훈련 집합"으로서 사용될 수 있다. 그렇지만, 다른 대안으로서 또는 그에 부가하여, 다른 유형의 분류가 사용될 수 있다. 예를 들어, 추론적으로(heuristically) 또는 임의의 다른 적당한 방식으로 정의되는 규칙을 사용하여 규칙 기반 분류가 수행될 수 있다.
임의의 수의 부류가 식별될 수 있다. 일부 실시예에서, 각각의 신호 성분에 대해 2가지 부류 - 탐지되어야 하는 불법 지하 활동과 연관된 신호 및 불법 지하 활동과 연관되지 않은 신호 - 가 식별될 수 있다. 다른 실시예에서, 더 많은 부류가 사용될 수 있다. 예를 들어, 다수의 유형의 불법 지하 활동에 대한 분류가 개발될 수 있다. 예를 들어, 터널을 굴착하는 등의 활동 및 이미 굴착되어 있는 터널에서의 움직임 등의 활동에 대해 상이한 분류가 개발될 수 있다. 이와 유사하게, 불법 지하 활동을 나타내지 않는 활동에 대해 다수의 분류가 개발될 수 있다. 예를 들어, 지표 활동 및 자연적으로 일어나는 지진 활동에 대해 상이한 분류가 개발될 수 있다. 이와 유사하게, 각각이 상이한 유형의 지표 활동을 나타내는 다수의 분류가 개발될 수 있다. 그에 따라, 본 발명은 사용되는 분류의 수 및 유형에 의해 제한되지 않는다.
블록(612, 614)에서 분류하는 데 사용되는 특정의 방식에 상관없이, 블록(612 또는 614)에서의 처리가 사건을 지하 활동과 연관되어 있는 것으로 분류할 때, 사건이 블록(620)에서 추가로 처리될 수 있다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 블록(620)에서의 처리는 각각의 센서 그룹의 처리에 기초하여 입력을 수신한다. 블록(620)에서의 처리는 다수의 센서 그룹에 대해 어떤 기간에 걸쳐 사건의 표시를 집계함으로써 침투 또는 기타 불법 지하 활동을 나타내는 센서 출력의 패턴을 인식할 수 있다.
침투를 나타내는 시간에 따른 또는 다수의 센서 그룹에 걸친 패턴을 인식하기 위해 임의의 적당한 처리가 블록(620)에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 경계 아래에서의 터널 굴착으로 인해 다수의 센서 그룹에서 동시적인 사건 탐지가 있을 것이다. 터널의 위치가 정지해 있기 때문에, 터널에서의 활동과 연관된 사건은 반복하여 동일한 센서 그룹에 영향을 줄 것이다. 이와 달리, 지표면을 가로질러 주행하는 차량은 시간에 따라 상이한 센서 그룹에 영향을 줄 수 있다. 그에 따라, 지하 침투를 나타내는 사건 신호의 패턴을 인식하기 위해 사건 신호의 지속성 및 위치가 블록(620)에서 판별자(discriminator)로서 사용될 수 있다.
사건 신호, 특히 충격 신호의 타이밍이 또한 침투를 나타내는 지하 활동을 식별하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 비록 굴착이 충격 활동이지만, 터널을 굴착하는 것과 연관된 충격 활동은 탐지가능한 패턴으로 되풀이될 가능성이 있다. 다른 대안으로서 또는 그에 부가하여, 블록(620)에서의 처리는 침투 또는 기타 불법 지하 활동을 나타내는 반복적인 충격 활동을 식별하기 위해 센서 그룹의 출력을 처리할 수 있다.
불법 지하 활동이 탐지되면, 블록(630)에서의 처리는 불법 지하 활동의 소스를 국소화하기 위해 사용될 수 있다. 블록(630)에서의 처리는 지하 활동의 위치를, 그 활동과 연관된 사건을 탐지하는 센서 그룹에 기초하여, 결정할 수 있다. 예를 들어, 도 1은 터널(160) 내에서의 진동 관련 활동이 112L 및 114L와 같은 센서에 의해 탐지될 것임을 나타내고 있다. 블록(630)에서의 처리는 센서(112L)의 위치와 센서(114L)의 위치 사이에 있는 터널(160)의 위치를 식별할 수 있다.
불법 활동이 어떻게 탐지되고 위치 확인되는지에 상관없이, 이러한 활동이 탐지될 때, 본 시스템은 경보 출력을 생성할 수 있다. 경보 출력은 보호된 경계를 넘어가려는 지하 시도를 나타내는 지하 활동의 패턴이 탐지되었다는 것을 나타낼 수 있다. 탐지된 활동의 위치가 선택적으로 경보의 조사를 용이하게 해주기 위해 경보의 일부로서 제공될 수 있다.
상부 센서 및 하부 센서의 출력 사이의 비교를 특징지우는 값을 포함하는 파라미터에 기초하여 지하 활동과 연관된 사건을 식별함으로써, 얻어지는 출력은 비교적 낮은 오경보율로 불법 지하 활동을 정확하게 나타낼 수 있다.
이와 같이 본 발명의 적어도 하나의 실시예의 몇가지 측면에 대해 기술하였지만, 다양한 변경, 수정 및 개량이 당업자에 의해 용이하게 안출될 것이라는 것을 잘 알 것이다.
예를 들어, 각각의 센서 그룹이 단지 2개의 센서를 갖는 것으로 나타내어져 있다. 일부 실시예에서, 그룹의 일부 또는 전부에 부가의 센서가 존재할 수 있다. 3개 이상의 센서가 존재하는 경우, 센서의 쌍과 관련하여 전술한 처리가 한번에 2개의 센서를 사용하여 수행될 수 있다. 다른 대안으로서, 얕은 진동 및 깊은 진동을 나타내는 복합 신호를 생성하기 위해 센서의 출력이 집계될 수 있다. 다른 대안으로서, 지하 활동을 나타내는 신호를 식별하는 데 사용되는 패턴 분류자는 상부 센서와 하부 센서 사이의 중간 깊이에 있는 센서의 가능성을 반영하도록 확장될 수 있다. 이러한 분류자는, 예를 들어, 깊이가 증가함에 따라 또는 적어도 터널이 존재할 수 있는 깊이까지 단조 증가함에 따라 센서 출력이 단조 증가하는 진폭 및 중심 주파수를 나타낼 때 지하 사건을 식별할 수 있다.
다른 일례로서, 도 5 및 도 6에 나타낸 바와 같이, 신호 처리 이전에 또는 신호 처리와 관련하여 신호 조절(signal conditioning)이 이용될 수 있다. 예를 들어, 불법 지하 활동과 관련이 없는 지진 진동의 소스가 탐지되는 경우, 이러한 기지의 소스의 효과를 제거하기 위해 신호 처리가 이용될 수 있다. 예를 들어, 경계의 근방에 위치하는 전기 기계는 60 Hz의 고조파에서 진동을 발생할 수 있다. 이들 고조파는 임의의 적당한 방식을 사용하여 센서 출력 신호로부터 제거될 수 있다. 예를 들어, 센서 출력이 처리를 위해 블록(510)(도 5)에 인가되기 전에 각각의 센서 출력에 대해 노치 필터(notched filter)가 사용될 수 있다. 다른 대안으로서 또는 그에 부가하여, 블록(512)에서 수행된 FFT 이후에 또는 신호 처리 동안의 임의의 다른 적당한 지점에서 기지의 진동 소스와 연관된 스펙트럼 성분이 제거될 수 있다.
이러한 변경, 수정 및 개량은 본 발명의 일부인 것으로 보아야 하며, 본 발명의 사상 및 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다. 그에 따라, 이상의 설명 및 도면은 단지 일례에 불과하다.
본 발명의 상기한 실시예들은 수많은 방법들 중 어떤 방법으로도 구현될 수 있다. 예를 들어, 이들 실시예는 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합을 사용하여 구현될 수 있다. 소프트웨어로 구현될 때, 소프트웨어 코드는, 단일 컴퓨터에 제공되어 있든 다수의 컴퓨터들 간에 분산되어 있든 간에, 임의의 적당한 프로세서 또는 일군의 프로세서들에서 실행될 수 있다.
게다가, 컴퓨터가 랙 장착형(rack-mounted) 컴퓨터, 데스크톱 컴퓨터, 랩톱 컴퓨터, 또는 태블릿 컴퓨터 등의 다수의 형태 중 어떤 형태로도 구현될 수 있다는 것을 잘 알 것이다. 그에 부가하여, 컴퓨터가 일반적으로 컴퓨터로 간주되지는 않지만 적당한 처리 능력을 갖는 장치[PDA(Personal Digital Assistant), 스마트 폰(smart phone) 또는 임의의 다른 적당한 휴대형 또는 고정형 전자 장치 등]에 임베딩되어 있을 수 있다.
또한, 컴퓨터는 하나 이상의 입력 장치 및 출력 장치를 가질 수 있다. 이들 장치는, 그 중에서도 특히, 사용자 인터페이스를 제공하는 데 사용될 수 있다. 사용자 인터페이스를 제공하는 데 사용될 수 있는 출력 장치의 일례로는 출력의 시각적 표현을 위한 프린터 또는 디스플레이 화면 및 출력의 청각적 표현을 위한 스피커 또는 기타 사운드 발생 장치가 있다. 사용자 인터페이스용으로 사용될 수 있는 입력 장치의 일례로는 키보드 및 포인팅 장치[마우스, 터치 패드, 및 디지타이징 태블릿(digitizing tablet) 등]가 있다. 다른 일례로서, 컴퓨터는 음성 인식을 통해 또는 기타 청각적 형식으로 입력 정보를 수신할 수 있다.
이러한 컴퓨터들은 근거리 통신망 또는 원거리 통신망(기업 네트워크 또는 인터넷 등)을 비롯한 하나 이상의 네트워크에 의해 임의의 적당한 형태로 상호연결될 수 있다. 이러한 네트워크들은 임의의 적당한 기술에 기초할 수 있고, 임의의 적당한 프로토콜에 따라 동작할 수 있으며, 무선 네트워크, 유선 네트워크 또는 광섬유 네트워크를 포함할 수 있다.
또한, 본 명세서에 개략적으로 설명된 다양한 방법 또는 프로세스가 각종의 운영 체제 또는 플랫폼 중 임의의 것을 이용하는 하나 이상의 프로세서에서 실행가능한 소프트웨어로서 코딩될 수 있다. 그에 부가하여, 이러한 소프트웨어는 다수의 적당한 프로그래밍 언어 및/또는 프로그래밍 또는 스크립팅 도구 중 임의의 것을 사용하여 작성될 수 있고, 또한 프레임워크 또는 가상 컴퓨터에서 실행되는 실행가능 기계어 코드 또는 중간 코드(intermediate code)로서 컴파일될 수 있다.
이 점에서, 본 발명은, 하나 이상의 컴퓨터 또는 기타 프로세서 상에서 실행될 때, 상기한 본 발명의 다양한 실시예를 구현하는 방법을 수행하는 하나 이상의 프로그램으로 인코딩된 컴퓨터 판독가능 매체(또는 다수의 컴퓨터 판독가능 매체)[예를 들어, 컴퓨터 메모리, 하나 이상의 플로피 디스크, 컴팩트 디스크, 광 디스크, 자기 테이프, 플래쉬 메모리, FPGA(Field Programmable Gate Array) 또는 기타 반도체 장치 내의 회로 구성, 기타 유형의 컴퓨터 저장 매체]로서 구현될 수 있다. 컴퓨터-판독가능 매체 또는 매체들은 그에 저장된 프로그램 또는 프로그램들이 상기한 바와 같은 본 발명의 다양한 측면을 구현하기 위해 하나 이상의 서로 다른 컴퓨터 또는 기타 프로세서에 로드될 수 있도록 전송가능한 것(transportable)일 수 있다.
용어 "프로그램" 또는 "소프트웨어"는, 본 명세서에서, 상기한 바와 같은 본 발명의 다양한 측면을 구현하도록 컴퓨터 또는 기타 프로세서를 프로그램하는 데 이용될 수 있는 임의의 유형의 컴퓨터 코드 또는 일련의 컴퓨터-실행가능 명령어를 지칭하는 일반적인 의미로 사용된다. 그에 부가하여, 이 실시예의 한 측면에 따르면, 실행될 때 본 발명의 방법을 수행하는 하나 이상의 컴퓨터 프로그램이 단일의 컴퓨터 또는 프로세서 상에 존재할 필요가 없고 본 발명의 다양한 측면을 구현하기 위해 다수의 서로 다른 컴퓨터 또는 프로세서 간에 모듈 방식으로 분산되어 있을 수 있다는 것을 잘 알 것이다.
컴퓨터-실행가능 명령어는 하나 이상의 컴퓨터 또는 기타 장치에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 다수의 형태로 되어 있을 수 있다. 일반적으로, 프로그램 모듈은 특정의 작업을 수행하거나 특정의 추상 데이터 유형을 구현하는 루틴, 프로그램, 개체, 구성요소, 데이터 구조, 기타 등등을 포함한다. 통상적으로, 프로그램 모듈의 기능이 다양한 실시예에서 원하는 바에 따라 결합되거나 분산되어 있을 수 있다.
또한, 데이터 구조가 컴퓨터-판독가능 매체에 임의의 적당한 형태로 저장될 수 있다. 설명의 간단함을 위해, 데이터 구조가 데이터 구조 내에서의 위치를 통해 관련되어 있는 필드를 갖는 것으로 도시되어 있을 수 있다. 이러한 관계는 마찬가지로 필드들 간의 관계를 전달하는 컴퓨터-판독가능 매체에서의 위치를 가지는 필드에 대한 저장소를 할당함으로써 달성될 수 있다. 그렇지만, 데이터 요소들 간의 관계를 설정하는 포인터, 태그 또는 기타 메카니즘을 사용하는 것을 비롯하여, 데이터 구조의 필드들 내의 정보 사이의 관계를 설정하는 데 임의의 적당한 메카니즘이 사용될 수 있다.
본 발명의 다양한 측면이 단독으로, 조합하여, 또는 이상에 기술한 실시예에서 구체적으로 논의되지 않은 각종의 구성으로 사용될 수 있으며, 따라서 그의 응용이 이상의 설명에 기술되고 첨부 도면에 예시된 구성요소의 상세 및 구성으로 제한되지 않는다. 예를 들어, 일 실시예에 기술된 측면이 다른 실시예에 기술된 측면과 임의의 방식으로 결합될 수 있다.
또한, 본 발명은 방법으로서 구현될 수 있으며, 이 방법의 일례가 제공되어 있다. 이 방법의 일부로서 수행되는 동작이 임의의 적당한 방식으로 순서가 매겨질 수 있다. 그에 따라, 동작들이 예시된 것과 다른 순서로 수행되는 실시예가구성될 수 있으며, 이는, 비록 예시적인 실시예에서 순차적인 동작으로 나타내어져 있지만, 어떤 동작을 동시에 수행하는 것을 포함할 수 있다.
특허청구범위에서 청구항 구성요소를 수식하기 위해 "제1", "제2", "제3", 기타 등등의 서수 용어를 사용하는 것은 그 자체로 한 청구항 구성요소의 다른 구성요소에 대한 우선권, 우선순위 또는 순서, 또는 방법의 동작이 수행되는 시간적 순서를 의미하지 않으며, 단지 어떤 이름을 갖는 한 청구항 구성요소를 동일한 이름을 갖는(그렇지만, 서수 용어를 사용함) 다른 구성요소와 구분하여 청구항 구성요소를 구별하기 위한 표시로서 사용된다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 어구 및 전문 용어가 설명을 위한 것이며, 제한하는 것으로 보아서는 안된다. 본 명세서에서 "포함하는", "구비하는", 또는 "갖는", "내포하는", "수반하는" 및 이들의 변형을 사용하는 것은 그 이후에 열거되는 항목 및 그의 등가물은 물론 부가의 항목을 포괄하기 위한 것이다.

Claims (20)

  1. 지하 활동을 탐지하는 방법으로서,
    제1 신호를 발생하기 위해 지표면에 대해 제1 깊이에 위치하는 제1 센서로 진동들을 수신하는 단계,
    제2 신호를 발생하기 위해 상기 지표면에 대해 제2 깊이에 위치하는 제2 센서로 진동들을 수신하는 단계 - 상기 제2 깊이는 상기 제1 깊이보다 큼 -,
    대응하는 시간 윈도우들 동안에 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호의 특징들의 비교에 기초하여 사건을 탐지하는 단계 - 상기 특징들은 상기 제1 및 제2 신호들의 상대 진폭(relative amplitude), 상기 제1 및 제2 신호들의 상대 주파수 내용(content), 상기 제1 및 제2 신호들에서 각자의 임계값들을 초과하는 값들의 상대 시간, 및 상기 각자의 임계값들을 초과하는 상기 제1 및 제2 신호들의 값들의 상대 지속기간 중 하나 이상을 포함함 -, 및
    상기 사건의 탐지를 나타내는 출력을 제공하는 단계
    를 포함하고,
    상기 사건을 탐지하는 단계는, 제1 시간 윈도우 동안 상기 제1 신호가 상기 제1 시간 윈도우 동안에 상기 제2 신호의 1차 주파수 성분들보다 적어도 임계값 퍼센트만큼 작은 범위 내에 주파수 성분들을 가지는지를 판정하는 단계를 더 포함하는 것인 지하 활동 탐지 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 사건을 탐지하는 단계가 상기 제2 신호의 제1 시간 윈도우 동안에 50 Hz 초과의 하부 경계 및 350 Hz 미만의 상부 경계를 갖는 범위 내의 1차 주파수 성분들을 탐지하는 단계를 포함하는 것을 더 포함하는 지하 활동 탐지 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 센서가 상기 지표면 아래에 3 미터 미만에 있는 것인 지하 활동 탐지 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제2 센서가 상기 지표면 아래에 3 미터 초과하여 매립되어 있는 것인 지하 활동 탐지 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 사건을 탐지하는 단계가,
    주파수 범위 내의 상기 제2 신호의 신호 에너지가 임계값을 초과하는 시간 윈도우를 식별하는 단계, 및
    상기 특징들에 분류자(classifier)를 적용하는 단계를 포함하고, 상기 특징들이 상기 식별된 시간 윈도우 동안의 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호의 상대 진폭 및 주파수를 적어도 포함하는 것인 지하 활동 탐지 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 사건을 탐지하는 단계가 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호를 연속 성분들과 과도 성분들로 분리하는 단계를 더 포함하고,
    상기 분류자를 적용하는 단계가 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호의 상기 과도 성분들에 제1 분류자를 적용하는 단계, 및 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호의 상기 연속 성분들에 제2 분류자를 적용하는 단계를 포함하는 것인 지하 활동 탐지 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 방법이,
    상기 제1 및 제2 센서들의 각각에 대한 배경 진동 레벨을 검출하는 단계, 및
    사건들을 탐지하는 단계 이전에, 상기 제1 및 제2 신호들을 상기 각자의 검출된 배경 진동 레벨들만큼 오프셋시키는 단계를 더 포함하는 것인 지하 활동 탐지 방법.
  8. 제5항에 있어서, 상기 방법이,
    60 Hz의 고조파들에서의 성분들을 제거함으로써 주파수 영역 표현을 평활화하는 단계를 더 포함하는 것인 지하 활동 탐지 방법.
  9. 지하 활동을 탐지하는 시스템으로서,
    지표면 아래 제1 깊이에 위치하는 제1 센서 - 상기 제1 센서는 상기 제1 깊이에서의 진동들을 나타내는 제1 출력을 가짐 -,
    상기 지표면 아래 제2 깊이에 위치하는 제2 센서 - 상기 제2 깊이는 상기 제1 깊이보다 크고, 상기 제2 센서는 상기 제2 깊이에서의 진동들을 나타내는 제2 출력을 가짐 -, 및
    상기 제1 출력 및 상기 제2 출력의 상대 진폭 및 주파수를 적어도 포함하는 특징들을 비교함으로써 지하 활동을 탐지하도록 구성된 프로세서
    를 포함하고,
    상기 지하 활동을 탐지하는 것은, 제1 시간 윈도우 동안 상기 제1 출력이 상기 제1 시간 윈도우 동안에 상기 제2 출력의 1차 주파수 성분들보다 적어도 임계값 퍼센트만큼 작은 범위 내에 주파수 성분들을 가지는지를 판정하는 것을 포함하는 것인 지하 활동 탐지 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1 센서 및 상기 제2 센서가 수직으로 정렬되고 적어도 2 미터의 거리만큼 분리되어 있는 것인 지하 활동 탐지 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제1 센서 및 상기 제2 센서가 제1 센서 쌍을 포함하고,
    상기 시스템이 경계를 따라 배치된 복수의 유사한 센서 쌍을 추가로 포함하며, 상기 복수의 유사한 센서 쌍 각각이 제1 및 제2 출력들을 가지고 또한 상기 프로세서에 연결되어 있으며,
    상기 프로세서가 상기 복수의 유사한 센서 쌍 각각의 상기 제1 출력 및 상기 제2 출력의 상대 진폭 및 주파수와 상기 복수의 유사한 센서 쌍 각각의 상기 제1 및 제2 출력들의 각자의 임계값들을 초과하는 값들의 상대 지속기간을 포함하는 특징들을 비교함으로써 지하 활동을 탐지하도록 구성되어 있는 것인 지하 활동 탐지 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 프로세서가 또한 상기 경계를 따라 지하 활동의 위치를 식별하도록 구성되어 있는 것인 지하 활동 탐지 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 경계가 감옥의 주변인 것인 지하 활동 탐지 시스템.
  14. 제12항에 있어서, 상기 프로세서가 복수의 처리 유닛을 포함하고, 각각의 처리 유닛이 상기 복수의 유사한 센서의 부분집합의 출력들에 연결되어 그 출력들을 처리하는 것인 지하 활동 탐지 시스템.
  15. 실행될 때, 지하 활동 탐지 방법을 구현하는 컴퓨터 실행가능 명령어들로 인코딩되어 있는 비일시적 컴퓨터 저장 매체로서,
    상기 방법은,
    땅의 진동들을 측정하도록 배치된 복수의 진동 센서 각각으로부터 신호를 수신하는 단계 - 상기 복수의 진동 센서는 한 위치에 있는 상부 센서 및 하부 센서를 적어도 포함하고, 각각의 신호는 상기 복수의 진동 센서의 각자의 진동 센서로 측정되는 측정된 진동을 나타냄 -,
    상기 하부 센서, 또는 상기 상부 센서, 또는 상기 하부 센서 및 상기 상부 센서 양쪽 모두로부터의 신호가 임계값을 초과하는 구간을 식별하는 단계,
    상기 식별된 구간에 대해,
    상기 상부 센서 및 상기 하부 센서로부터의 신호들의 진폭의 표시 및 주파수 내용의 표시를 적어도 포함하는 표시들을 계산하는 단계,
    상기 상부 센서에 대한 상기 계산된 표시들과 상기 하부 센서에 대한 상기 계산된 표시들을 비교하는 단계, 및
    상기 비교하는 단계에 기초하여, 상기 식별된 구간 동안 상기 상부 센서로부터의 신호가 상기 하부 센서로부터의 신호의 1차 주파수 성분들보다 적어도 임계값 퍼센트만큼 작은 범위 내에 주파수 성분들을 갖는 것을 표시하는 사건을 표시하는 단계를 포함하는 것인
    컴퓨터 저장 매체.
  16. 제15항에 있어서, 상기 사건을 표시하는 단계가 상기 상부 센서 및 상기 하부 센서의 상대 주파수 및 상대 진폭이 지하 사건을 특징지울 때 사건을 선택적으로 표시하는 단계를 포함하는 것인 컴퓨터 저장 매체.
  17. 제16항에 있어서, 상기 사건을 표시하는 단계가 상기 상부 센서 및 상기 하부 센서의 상대 주파수 및 진폭이 지표 사건을 특징지울 때 사건을 표시하지 않는 단계를 포함하는 것인 컴퓨터 저장 매체.
  18. 제16항에 있어서, 상기 사건을 표시하는 단계가 상기 상부 센서 및 상기 하부 센서의 상대 주파수 및 진폭이 시간상 상관되어 있는 복수의 구간 각각에서 지하 사건을 특징지울 때 사건을 표시하는 단계를 포함하는 것인 컴퓨터 저장 매체.
  19. 제15항에 있어서, 상기 진폭의 표시를 계산하는 단계가 상기 상부 센서 및 상기 하부 센서로부터의 신호들을 연속 성분들 및 과도 성분들로 분리하는 단계를 포함하고,
    상기 계산된 진폭 및 주파수의 표시들을 비교하는 단계가 상기 연속 성분들에 대한 상기 계산된 표시들을 비교하는 단계 및 상기 과도 성분들에 대한 상기 계산된 표시들을 별도로 비교하는 단계를 포함하는 것인 컴퓨터 저장 매체.
  20. 삭제
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