Research Paper

Journal of the Korean Society of Mineral and Energy Resources Engineers. 30 April 2019. 129-139
https://doi.org/10.32390/ksmer.2019.56.2.129

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 분산계측 시스템 개발

  • 개발 시스템 검증

  • 산악지형 시험탐사

  • 결 론

서 론

전기비저항 탐사는 지하수 탐지, 지하 공동 위치조사, 단층 조사, 유적지 조사, 모니터링 등 다양한 분야에 활용되는 보편화된 탐사법으로 자료해석이 비교적 간편하고, 높은 해상도의 자료를 얻을 수 있어 현장에서 많이 활용되는 탐사법이다(Chambers et al., 1999; Ogilvy et al., 1999; Slater et al., 2000; Marescot et al., 2004; Reynolds, 2011)1,17,19,15,17,18. 최근에는 심부 광물자원 탐사 및 지진, 화산 활동에 대한 연구를 위해 수 킬로미터 이상의 가탐심도를 가지는 심부 전기탐사의 적용성이 검토되고 있다(Lee et al., 2015; KIGAM, 2015; Lee et al., 2017)13,11,12.

기존의 전기탐사는 수백 미터의 탐사측선에서 멀티코어케이블, 자동배전반, 송수신 일체 중앙집중형 탐사장비를 활용하여 이루어졌다. 하지만 수 킬로미터 이상의 탐사측선에서 대전력 송신과 미세 신호의 정밀 계측이 필요한 심부 전기탐사에서는 기존의 탐사방법을 적용하면 멀티케이블의 설치 문제 및 전선 길이에 의한 저항 증가로 현실적인 탐사가 불가능하다(Lee et al., 2015; KIGAM, 2015; Lee et al., 2017; Cho et al., 2015; Cho. 2017)13,11,12,2,4. 따라서 송신기와 다수의 수신기가 완전히 분리되어 운용되는 분산계측 시스템이 필요하다. 이 시스템은 전극과 수신기 사이의 결선에 멀티케이블이 아닌 단선 케이블을 이용한다. 또한 수신기가 전극 주변에 위치하면 되므로, 전극간격이 수백 미터인 수 킬로미터 이상의 측선에 대해서도 탐사가 가능하다. 독립적으로 동작하는 송신기와 다수의 수신기의 측정시간 동기를 위해 GPS 수신기가 없던 과거에는 OCXO와 같은 고가의 고정밀 클럭을 이용하여 탐사 시작 직전에 송신부와 수신부를 동기화시키는 방법을 활용하였다(KIGAM, 1999)10. 하지만 최근에는 일반적인 GPS 수신기라도 매초 10ns의 타이밍 정확도를 보장하기에 이를 활용한 시간 동기가 보편적으로 활용되고 있다(Zonge International, 2015; IRIS instrument, 2016)22,6.

분산계측 시스템의 구축에 있어, 대전력 송신부와 다수의 수신부를 운용해야 하는 특성상 상용 시스템은 도입이 어려운 수준의 고가이거나 탐사 서비스만을 제공하고 있다(Malcolm, 2012; Lee et al., 2015; Cho, 2017)14,2. 따라서 이 연구에서는 최신 전기전자 기술을 도입하여 분산계측 시스템을 개발하였으며 이 시스템은 다음과 같은 특징을 갖는다. 1) 대전력 송신과 수신기에서의 고정밀 계측이 가능하다. 2) 펌웨어 프로그래밍을 통한 시스템 동작의 허용범위가 높아 기능 개선 및 추가가 용이하여 전기탐사 이외의 다양한 정밀 계측 응용에 적용이 가능하다. 3) 작고 가벼운 외형 및 저전력, 모듈화 설계로 현장 운용 시 우수한 효율성과 유지보수성을 확보하였다. 개발 시스템의 성능 검증은 우선 국내에서 일반적으로 활용되는 중앙집중형 상용 시스템과 동일 측선에서의 비교 탐사를 통해 수행되었으며, 동일조건에서의 검증 이후 심부 전기탐사의 가능성을 확인하기 위해 태백 산악지대의 4km 측선에서 전기비저항 탐사를 수행하였다.

이 연구를 통해 자체 개발 및 검증된 분산 계측 시스템이 자원탐사, 지질분야, 재난분야 등 다양한 심부 전기탐사 응용에 활용된다면 상용 시스템 대비 저비용으로 효율적인 탐사가 가능할 것이며, 구축된 요소기술이 다양한 지구물리 정밀 계측에 효과적으로 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

분산계측 시스템 개발

심부 탐사 적용을 위한 자체 분산계측 시스템을 개발하는데 있어 확립한 3가지 설계 원칙은 다음과 같다. 1) 심부 탐사에서의 미세 신호 포착을 위해 아날로그 신호의 입력부터 전처리까지의 회로부인 AFE(analog front end)를 초저잡음 IC(integrated circuit)로 구성하고 설계한다. 2) 펌웨어에 의한 동작 자유도를 높여 기능 개선 및 추가가 용이하게 한다. 3) 현장운용을 고려하여 작고 가벼운 외형, 저전력 장시간 동작, 모듈화를 통한 높은 유지보수성을 확보한다. 이러한 설계 원칙을 충족하기 위해 최신의 전기전자 소자를 도입하였으며, 개발에 사용된 핵심 기술을 Table 1에 서술하였다. 이 시스템의 Fig. 1에서와 같이 배터리, 3상 브리지 전력회로, ADC(analog to digital converter) 보드, gain 네트워크 회로, Wi-Fi, DGPS 수신기, USB 데이터 로거 총 7개의 모듈로 구성되며, 이 중 Fig. 2에 나타낸 3개의 모듈은 자체 개발되었다. 모듈의 선택적인 조합을 통해 송신기와 수신기가 구성되며, 전체 시스템의 성능사양은 Table 2에 나타내었다.

Table 1. List of the core technologies used for our distributed acquisition system (Cho, 2017)2

-Low-noise circuit and printed-circuit-board layout.
-High-voltage and high-current power circuit and its isolated control circuit.
-Multichannel high-precision ADC board with fully isolated and synchronized inputs.
-Special multistage surge and ±450-V continuous overvoltage protection circuit with low series resistance on analog inputs.
-Firmware: precision timing control, precision interrupt control, multi-ADC gain and offset calibration, multi-ADC synchronization and control, external module control, and SPI and UART interfaces.
-Real-time monitoring and control program based on a smart device.

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Fig. 1.

Photograph of all modules comprising our system (Cho, 2017)2. The components can be freely combined for the specific application.

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Fig. 2.

Layouts of printed circuit board we developed. (a) 3-Phase bridge power circuit, (b) 4ch DAQ module, and (c) gain network circuit.

Table 2. Specifications of our system (Cho, 2017)2

-Bipolar switching capacity: 2400 Vpp and 90 A achieved by six SiC MOSFETs (3-phase bridge power circuit for two dipoles).
-Measurement range: ±1000-V, ±10-V, and ±2.5-V real-time auto range operation using a relay controlled gain network for two simultaneous dipoles measurement.
-Multistage surge protection.
-21 noise-free bits at 5-SPS.
-4-channel fully isolated and synchronized inputs.
-Selectable 5-30 SPS with simultaneous power-line noise rejection.
-500-MΩ input impedance.
-DGPS synchronized measurement using pulse per second (PPS; time and location stamps)
-Simultaneous monitoring and control using RS-485 and Wi-Fi.
-Real-time logging using a universal serial bus (USB) flash drive.
-Battery: Li-Ion 3.7 V, 20000 mAh. 24 operation hour without Wi-Fi module.

개발시스템에서 송신전류 제어 및 계측, 수신 전압 계측을 위한 4개의 측정 채널이 완전히 절연된 ADC 보드가 개발되었다. 동작 전압 범위는 DC 4.5V ~ 9V이며, 32MHz 저전력 고속 MCU(micro controller unit)를 통해 제어된다. 완전히 독립된 4개의 채널은 공통의 로직 신호에 의해 ±10us 시간오차 이내 동기 측정이 가능하다. 분산 시스템에서 독립된 복수의 수신기와 송신기의 동기 계측은 ADC 보드에 탈착이 가능한 DGPS(differential global positioning system) 수신기의 PPS(pulse per second) 신호를 사용하여 이루어진다. ADC 보드의 AFE부는 최근 출시된 32bit 시그마 델타 타입 ADC와 chopper 타입의 PGA(programmable gain amplifier)로 구성되며 펌웨어 소프트웨어를 통해 ±10V ~ ±2.5V 범위의 가변적인 선택이 가능하다(Texas Instruments, 2009; Texas Instruments, 2015)21,20. ADC 보드의 모니터링과 제어를 위해 기본적으로 RS-485 유선 인터페이스가 제공되며, Wi-Fi 모듈을 장착하면 TCP/IP(transmission control protocol/internet protocol) socket 통신을 통해 모니터링과 제어가 가능해진다. 계측 자료의 저장을 위해 USB 데이터 로거를 장착할 수 있으며, FAT32 파일 시스템의 범용 USB 플래시 드라이브를 활용하여 최대 32GB의 자료가 저장 가능하다. 개발된 ADC 보드는 최근 출시된 고성능의 IC를 적극 도입하여 기기의 생명주기를 최대화 하였으며, 용도에 따른 선택적 모듈장착과 펌웨어에 따른 기능적 가변의 폭이 매우 크게 설계 되었다. 또한 Cho et al.(2017)2의 개선을 통해 Fig. 3과 같이 10nV 이하의 노이즈 성능을 확보하여 다양한 지구물리 계측 응용에도 유용하게 활용될 수 있을 것이다.

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Fig. 3.

Noise characteristics of the ADC board. The noise level maintains less than 10 nV in the frequency range of low to high.

송신기는 Fig. 4(a)에서와 같이 gain 네트워크 회로를 제외한 6개의 모듈로 구성된다. 대전력 송신에서의 안전문제를 고려하여 송신제어는 무선 통신방식 중 하나인 Wi-Fi를 통해 Fig. 4(b)에서와 같이 스마트 디바이스로 제어되며, 텍스트와 그래프로 실시간 모니터링 된다. 직류전원을 Fig. 5와 같은 바이폴라 송신파형으로 만들기 위한 3상 브리지 전력회로는 여섯 개의 Sic(silicon carbide) MOSFET(metal-oxide semiconductor field effect transistor)으로 구성되며, 최대 1200V, 90A의 전력이 수용 가능하여 탐사목적과 현장운용을 고려해 알맞은 DC 전원공급기를 연결하여 사용하면 된다. 브리지 회로의 제어부를 완전히 절연 설계하여 운용 안정성을 확보하고 고정밀 계측부를 보호할 수 있도록 하였다. 측정값의 정규화를 위한 송신전류 값은 고정밀 션트 저항의 전압을 ADC 보드에서 측정하여 얻어진다. 3상 브리지에는 임의의 3개 전극이 연결될 수 있고, 독립 제어가 가능하여 자유롭게 원하는 송신 전극 조합과 방향으로 전류가 인가되도록 제어가 가능하다. 송신기에서 측정된 송신 전류값은 GPS 수신기로부터 얻어진 시간, 날짜, 좌표 데이터와 취합되어 정해진 형태의 패킷으로 만들어진다. 이는 USB 플래시 드라이브에 저장되고 동시에 스마트 디바이스로 전송되어 실시간 모니터링을 가능하게 한다. 전기적으로 완전히 분리되어 원거리에서 독립적으로 운용되는 송신기와 수신기의 동기화된 계측은 ADC 보드에 장착된 DGPS 수신기의 PPS 로직 신호를 활용하여 이루어진다. 이 신호는 매 초 ±10ns의 정확도를 가진다. 개발된 시스템은 PPS 신호 오차와 ADC 보드의 각 채널에 사용된 오실레이터의 오차 및 펌웨어 루틴 처리 시간에 의해 ±10us의 시간 동기를 보장하며, 매 초마다 발생되는 PPS 신호에 의해 측정 타이밍이 갱신되어 시간 경과에 따른 누적 오차는 발생하지 않는다.

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Fig. 4.

Photographs of the transmission unit (Cho, 2017)2: (a) Essential components for the transmission unit (red outline). (b) The assembly of the transmission unit, with a smart device used for monitoring and control.

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Fig. 5.

One cycle of a bipolar stimulation pattern. 80 samples are collected in 20 seconds at 5-SPS setting. Measurements are synchronized by DGPS PPS signal.

수신기는 Fig. 6(a)에서와 같이 3상 브리지 전력회로를 제외한 6개의 모듈로 구성되며, Fig. 6(b)와 같이 가로 227mm, 세로 182mm, 높이 84mm의 고강도 방수 케이스에 조립된다. 수신기는 전류 송신 시 사용자 제어가 필요한 송신기와 달리 복수의 수신기가 탐사 측선 상 여러 지역에 분산 설치되기 때문에 전원이 인가되면 초기화 루틴 실행 후 DGPS 수신기의 PPS 신호에 의해 동기화된 측정이 연속적으로 이루어진다. 수신기에는 3개의 연속된 전극 즉, 2개의 쌍극자가 연결될 수 있으며, 측정범위를 최적화하기 위해 각 쌍극자 전극은 gain 네트워크 회로를 거쳐 ADC 보드에 연결된다. 송신기와 마찬가지로 수신기의 측정 데이터도 스마트 디바이스를 통해 실시간 모니터링이 가능하다.

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Fig. 6.

Photographs of the receiver unit (Cho, 2017)2. (a) Essential receiver parts (red outline) and (b) assembly of receiver parts in a rugged case. The receiver is automatically operated without user control after it is powered on. The measurement timing is synchronized and refreshed using a GPS PPS signal every second.

개발 시스템 검증

개발 분산계측 시스템의 계측 성능을 검증하기 위하여 상용 전기비저항 탐사 시스템과 동일 측선에 대하여 탐사를 수행하여 비교 · 분석하였다. 비교 탐사에 사용된 시스템은 Advanced Geosciences, Inc.의 SuperStingTM R8 로 이 시스템은 일선 현장에서 가장 많이 보편화되어 운용되고 있다. 전극간격 20m, 전극 개수 25개, 총 측선 길이 480m의 측선에 대하여 전극전개수(electrode spread factor) 10까지의 탐사자료를 취득하여 비교하였다. 쌍극자-쌍극자 배열을 사용하였으며, 쌍극자 간격은 20m, 40m 두 가지로 설정하였다. 쌍극자-쌍극자 배열은 전통적인 배열법 중 분해능은 우수하지만 신호대잡음비가 가장 낮은 방법으로 전극전개수가 커질수록 잡음에 취약해지는 특성이 있어 계측 자료의 질을 확인하는데 좋은 배열법이라고 할 수 있다(Kim et al., 2001)7.

Fig. 7(a)는 비교 탐사가 수행된 전라북도 부안군 일대의 지형도 위에 측선을 표시한 것이며, Fig. 7(b)는 현장 사진을 보여준다. 상용 시스템의 탐사 방식에 맞춰 멀티케이블을 이용하였으며, 개발 시스템에는 배전반을 이용하여 12개의 수신기에 각 전극을 나누어 연결한 후 계측하였다. 상용 시스템과 개발 시스템 모두 500mA 정도의 송신전류가 주입되도록 설정하였고, 각 230개의 송신전류로 정규화된 전압 자료를 획득하였다. 두 시스템의 정규화 전압 자료 사이의 유사도를 살펴보기 위해 상관계수(correlation coefficient)를 이용하였다. 두 자료의 공분산을 각각의 표준편차로 나누어 구한 상관계수는 0.9994이며, 두 자료 사이의 RMS 오차는 0.0118로 두 탐사자료의 일치도가 높다는 것을 확인할 수 있었다. Fig. 8은 두 시스템의 탐사결과를 나타낸 것으로 상단은 상용 시스템, 하단은 개발 시스템의 겉보기비저항 단면을 보여준다. 이로써 개발 시스템을 이용하여 정상적인 탐사가 가능함을 확인하였다.

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Fig. 7.

(a) Survey line on topographic map and (b) photo of field measurements for system verification in Byeonsan-myeon, Buan-gun, Jeollabuk-do, Korea.

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Fig. 8.

Apparent resistivity section of test survey in Byeonsan-myeon using (a) commercial and (b) our system.

산악지형 시험탐사

지구물리 탐사장비들은 개발과정에서 지속적인 현장시험을 거쳐 검증 및 개선을 반복함으로써 고도화되고 신뢰성을 갖추게 된다. 이 연구에서 개발한 탐사시스템의 시험탐사 현장으로 태백지역의 광물자원 조사현장을 선정하였다. Fig. 9는 시험탐사 현장의 위치도 및 탐사 측선이 표시된 지질도를 보여준다. 이 현장은 산악지형이면서 대상 탐사 깊이가 깊어 중앙집중형 탐사시스템으로는 케이블 설치 등 현장 업무의 강도가 매우 높아 현실적으로 탐사가 거의 불가능하다.

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Fig. 9.

Geological map of survey area (after GICTR(1962) and Kim et al.(2018)5,8) and survey line.

총 측선 길이 4km에 대하여 100m 간격으로 41개 전극을 설치하였으며, 쌍극자-쌍극자 탐사를 하였다. 분산계측 시스템은 전통적인 배열법의 심부 탐사뿐 아니라 자유형 배열도 가능하지만 이 시험탐사에서는 지질 변화 방향에 직교하는 측선을 설정하고 쌍극자-쌍극자 탐사법을 선택하였다. 각 전극은 Fig. 10의 모식도와 같은 형태로 20개의 수신기에 연결하였으며, 쌍극자 간격은 100m, 200m 두 가지를 사용하였다. 송신기를 이동시키면서 탐사를 하였으며, 200-1,500mA 범위의 송신전류가 주입되었으나 대지 저항이 특징적으로 높거나 낮은 일부 구간을 제외하면 대개 500mA 안팎의 전류가 인가되었다. Fig. 11은 실제 현장에서의 분산계측 시스템 운용 모습이며, 1회의 송신에 대한 다수 수신기에서 측정된 파형을 Fig. 12에 나타내었다. 전극전개수 11 이상에서도 바이폴라 파형이 재현될 만큼 계측자료의 질이 양호함을 확인할 수 있다.

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Fig. 10.

Schematic diagram of survey using our system in Taebaek.

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Fig. 11.

Photos of field measurement in Taebaek (Cho et al., 2015)3.

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Fig. 12.

Measured voltage waveform at receiver modules and each electrode spread factor N is (a) 1, (b) 3, (c) 5, (d) 7, (e) 9, (f) 11, (g) 13, and (h) 15.

분산계측 시스템에서 수신기는 송신기와 관계없이 계속 계측을 하고 있기 때문에 무수히 많은 계측자료가 축적되며, 송신기에서 기록된 자료의 시간에 맞춰 수신기에 기록된 자료를 분류하게 된다. 계측자료는 전극전개수를 10으로 제한하여 분류하였다. Fig. 13은 쌍극자 간격 100m 및 200m 탐사자료를 종합한 자료의 겉보기비저항 단면과 역산 모델을 보여준다. 역산은 Kim et al.(2010)9의 전기비저항 탐사 역산 소프트웨어를 이용하였다. Fig. 13(b)의 역산 모델 단면에 붉은 점선으로 표시한 측선 북쪽에 저비저항대가 발달한 것을 볼 수 있으며, 이는 Fig. 9에서 볼 수 있는 무연탄을 포함하는 평안누층군의 저비저항 물성이 나타나는 것으로 해석된다. NRF(1979)에 의해 우리나라에 분포하는 탄이 저비저항 특성을 가짐이 확인된 바 있다.

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Fig. 13.

(a) Apparent resistivity section of field data acquired in Taebaek and (b) its inversion results (modified from Cho (2017)2). The low resistivity zone designated by the red dotted circle is presumed to be the coal deposit.

계측자료의 반복성을 확인하기 위하여 2회 반복 탐사를 하였으며, 두 겉보기비저항 자료를 비교하기 위하여 변동계수를 이용하였다. 두 자료의 변동계수 평균은 100m 쌍극자 탐사의 경우 5.87%, 200m 쌍극자 탐사의 경우 11.47%이다. 변동계수 범위 별 계측자료 개수를 Table 3에 정리하였다. 100m 쌍극자 탐사의 경우 전체 335개 중 289개, 200m 쌍극자 탐사의 경우 135개 중 115개 자료의 변동계수가 5% 미만임을 볼 수 있다. Fig. 14는 계측자료 중 일부의 전극 번호에 따른 전압감쇄곡선을 나타내며, 전극 번호가 증가함에 따라 전압이 연속성을 보이며 감쇠하는 것을 확인할 수 있다. 작고 가볍게 개발된 탐사시스템을 이용하여 험준한 산악지형에서 효율적인 탐사를 할 수 있었으며, 계측 반복성 및 전압감쇠곡선을 통해 신뢰도 있는 계측자료를 획득하였음을 확인하였다.

Table 3. Number of data for variation coefficient

Dipole spacing Total No. of data Variation coefficient
<5% <10% <20% <30% >=30%
100m 335 289 13 17 3 13
200m 135 112 10 6 4 3

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Fig. 14.

Attenuation curves of current-normalized voltage for the numbers of electrodes.

결 론

이 연구에서는 심부 광물자원 탐사 및 지진, 화산 활동에 대한 연구를 위해 수 킬로미터 이상의 가탐심도를 갖는 심부 전기탐사를 위한 분산계측 시스템을 개발하였다. 최신 전기전자 기술을 도입하여 개발된 이 시스템은 다음과 같은 특징을 가진다. 1) 대전력 송신과 수신기에서의 고정밀 계측이 가능하다. 2) 펌웨어 프로그래밍을 통한 시스템 동작의 허용범위가 높아 기능 개선 및 추가가 용이하여 전기탐사 이외의 다양한 정밀 계측 응용에 적용이 가능하다. 3) 작고 가벼운 외형 및 저전력, 모듈화 설계로 현장 운용 시 우수한 효율성과 유지보수성을 확보하였다. 개발 시스템의 검증을 위해 전라북도 부안군 변산면 일대에서 480m 측선에 대하여 일선 현장에서 많이 사용되고 있는 상용 시스템과 동일 조건에서의 비교 탐사를 하였고, 두 시스템의 정규화 전압 자료 사이의 상관계수가 0.9994로 거의 일치함을 확인하였다. 또한 심부 전기탐사 적용 가능성을 확인하기 위해 험준한 태백산 지역에서 4km 측선에 대하여 탐사를 하여 계측 반복성 및 전압감쇠곡선을 분석하여 계측자료의 신뢰성을 확인하였다. 획득 자료를 역산하여 1km 깊이까지의 비저항 모델을 구하였으며, 개발 시스템을 이용하여 산악지형에서 수 킬로미터 측선에 대해 효율적인 탐사가 가능함을 확인하였다.

향후 지속적인 연구를 통해 이 시스템이 자원탐사, 지질분야, 재난분야 등 다양한 심부 전기탐사 현장에서 효율적으로 활용될 수 있도록 완성도를 높이고, 나아가 구축된 요소기술이 다양한 지구물리 정밀 계측에 효과적으로 적용될 수 있도록 노력할 것이다.

Acknowledgements

이 연구는 한국지질자원연구원 주요사업인 “텐서 초고출력 스마트 전자기탐사 시스템 개발 및 심부 광물탐사 현장실증” 및 민 ‧ 군기술협력사업 “이상체 정밀 탐지용 고감도 전/자기장 통합 모니터링 시스템 기술 개발” 연구의 일환으로 수행되었습니다.

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