(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボアホール近傍を通る岩石層における音響エネルギービームの生成方法であって、当該方法は、
第１の周波数の第１の音響信号を生成し、
前記第１の周波数と異なる第２の周波数の第２の音響信号を生成し、
ここで、前記第１の音響信号及び第２の音響信号が、前記ボアホール内に設けられたトランスデューサアレイによって生成され、
前記ボアホールの外側にある前記岩石層の音響的に非線形な部分へ第１及び第２の音響信号を送信し、
前記アレイ内の前記トランスデューサ間の相対位相の制御を行うことによって、前記第１の音響信号及び第２の音響信号の方向を制御し、
前記第１及び第２の音響信号が実質的に共線となるように前記第１及び第２の音響信号を重ね合わせた非線形混合処理により前記岩石層内でコリメートされた第３の信号を生成し、
前記第３の信号を、前記地層の不均質部分から反射又は後方散乱された後に、単数又は複数の受信機にて受信し、
受信した信号を解析して前記岩石層の情報を決定し、
前記コリメートされた第３の信号が、前記第１及び第２の音響信号の初期方向と同じ方向に前記岩石層を通って伝播し、前記第１及び第２の音響信号の差に等しい周波数と前記岩石層の非線形特性に依存する振幅とを有する方法。
【請求項２】
前記単数又は複数の受信機が他のボアホールに配置されている請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記受信した信号が、前記単数又は複数の受信機によって、伝送、反射、及び後方散乱によって受信される請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記単数又は複数の受信機が、同一のボアホールに配置される請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第１及び第２の音響信号及び結果として前記第３の波のアジマスを制御するために、前記トランスデューサアレイを前記ボアホールの軸の周りで回転させることをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記ボアホール軸を通る平面において前記コリメートされた第３の信号の傾斜を制御することをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記制御することが、前記アレイ内の前記トランスデューサの少なくとも２つの間の相対位相の制御を行うことを含む請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記制御することが、単数又は複数のアクチュエータを用いて前記アレイの前記傾斜を変化させることを含む請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記コリメートされた第３の信号の前記ボアホールに対するアジマス及び傾斜を制御することをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記解析することが、前記受信した第３の信号を処理して前記岩石層の画像を生成することをさらに含む請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
前記解析することが、前記受信した第３の信号を処理して前記岩石層の画像を生成することをさらに含む請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記解析することが、前記受信した第３の信号を処理して前記岩石層の画像を生成することをさらに含む請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１及び第２の音響信号の１つに対するチャーピング又は周波数掃引のうち一つ又は複数を含む時変成分を導入することによって前記第３の信号を時変符号で符号化することをさらに含み、
前記解析することが、前記符号化を用いて前記第３の信号の飛行時間を測定することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記時変成分が、振幅の変動、周波数、及び／又は位相を含む請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記単数又は複数の受信機からのフィードバックを用いて、前記受信した第３の信号の信号強度を最大化するように前記重ね合わせられた第１の及び第２の音響信号の方向を定めることをさらに含む請求項４に記載の方法。
【請求項１６】
前記単数又は複数の受信機からのフィードバックを用いて、前記受信した第３の信号の信号強度を最大化するように前記重ね合わせられた第１の及び第２の音響信号の方向を定めることをさらに含む請求項３に記載の方法。
【請求項１７】
式β (X1)/β(X2)に従って、前記ボアホール近傍にある前記岩石層の非線形特性の測定結果を生成し、第１のボアホール周囲の非線形地層の相対的な強度を測定することをさらに含む請求項３に記載の方法。
ただし、前記式β (X1)/β(X2)は、全てのiについてのΣ（（測定信号（X1,Yi））／（測定信号（X2,Yi）））とYiの重み付け係数との積に等しく、X1は第１のボアホール内の第１の生成位置、X2は前記第１のボアホール内の第２の生成位置、Yiは第２のボアホール内の第i番目の受信位置である。
【請求項１８】
前記コリメートされた音響ビームがアジマス及び傾斜方向の双方において明確な指向性を有する請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記解析することが、前記受信した第３の信号を処理して前記岩石層の画像を生成することをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
ボアホール近傍を通る岩石層の情報を決定するシステムであって、
第１の周波数の第１の音響信号及び前記第１の周波数とは異なる第２の周波数の第２の音響信号を生成するように構成された複数のトランスデューサと、
前記複数のトランスデューサと通信する単数又は複数の受信機と、
前記受信した信号を解析して前記岩石層の情報を決定するコンピュータ実行可能な命令によってプログラム可能なプロセッサと、を含み、
前記第１の音響信号及び第２の音響信号の方向は、前記複数のトランスデューサ間の相対位相の制御を行うことによって制御され、
前記受信機は、前記ボアホールの外側にある前記岩石層の領域において、前記第１及び第２の音響信号が実質的に共線となるように前記第１及び第２の音響信号を重ね合わせた非線形混合処理によって得られた第３の信号を、前記岩石層を通じて検出するように構成されており
前記検出された第３の信号が、前記岩石層の一部を通過した後に検出されるシステム。
【請求項２１】
前記複数のトランスデューサがモノポール信号及びダイポール信号の少なくとも１つを生成するように構成された請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
前記プロセッサが、前記岩石層の画像を生成するコンピュータ実行可能な命令によってさらにプログラム可能である請求項２０に記載のシステム。
【請求項２３】
前記複数のトランスデューサがアレイ状に構成された請求項２０に記載のシステム。
【請求項２４】
第１のボアホール近傍を通る岩石層の非線形特性を記述するシステムであって、
第１の周波数の第１の音響信号及び第１の周波数と異なる第２の周波数の第２の音響信号を生成するように構成された複数のトランスデューサと、
前記複数のトランスデューサは前記第１のボアホールに配置され、
第２のボアホールに配置されて前記複数のトランスデューサと通信する単数又は複数の受信機と、
受信した信号を解析して第１及び第２のボアホール間の非線形相互作用領域における前記岩石層の情報を決定するコンピュータ実行可能な命令によってプログラム可能なプロセッサと、を備え、
前記第１の音響信号及び第２の音響信号の方向は、前記複数のトランスデューサ間の相対位相の制御を行うことによって制御され、
前記受信機は、前記第１のボアホールの外側にある前記岩石層の領域において、前記第１及び第２の音響信号が実質的に共線となるように前記第１及び第２の音響信号を重ね合わせた非線形混合処理によって得られた第３の信号を、前記岩石層を通じて検出するように構成されており、
前記検出された第３の信号は、前記岩石層の一部分を通過し、不均質部分によって反射された後に検出されるシステム。
【請求項２５】
前記複数のトランスデューサがモノポール信号及びダイポール信号の少なくとも１つを生成するように構成された請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
前記プロセッサが、前記岩石層の画像を生成するコンピュータ実行可能な命令によってさらにプログラム可能である請求項２４に記載のシステム。
【請求項２７】
前記複数のトランスデューサがアレイ状に構成された請求項２４に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
米国政府の権利
本発明は、米国エネルギー省によって認められた共同研究開発契約（Ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ａｇｒｅｅｍｅｎｔ（ＣＲＡＤＡ））の契約番号ＤＥ−ＡＣ５２−０６ＮＡ２５３９６に基づく米国政府の支援を得てなされた。米国政府は本発明について所定の権利を有する。
【０００２】
本発明は、ボアホール周辺の岩石層の音響探査に関し、特に、掘削孔内の単一のトランスデューサ又はトランスデューサアレイを含む音響源と音響的に非線形な掘削孔近傍の岩石層との組み合わせを音響ビームの発振源として用いることに関する。
【背景技術】
【０００３】
地盤特性の音響探査は用いられる波源の寸法及び出力によって制限される傾向にあり、実際には、採掘孔用音響トランスデューサの出力はワイヤー線ケーブルの電力伝送能力によって制限される。高周波信号の浸透距離は相対的に短い。一方、地層へ伝送されるエネルギーを最大化するとともに掘削孔内の不要信号を最小化するために、低周波信号には一般に、ボアホール壁に固定された大きな波源が必要とされる。かかる低周波信号を生成するための試みがなされてきたが、いずれの試みにも欠点がある。例えば、D’Angeloらによって発明された米国特許第５５２１８８２号には、ボアホール壁に沿って伝播し、抗井内に屈折する非線形の波を記録するための音響装置が開示されている。この非線形の波の周囲の岩石層への侵入は限定的である。Leggett三世らによって発明された米国特許第７３０１８５２には、Johnsonら（１９８７年）によって報告されたように、傾斜して集束する信号を生成するアッセンブリとは反対側の端部に配置されたトランスデューサアレイを有するボトムホールアッセンブリを用いることが開示されている。傾斜した非線形混合による信号は非常に弱く散乱性であり、周囲の岩石層に深く進入しない。これらの従来技術に照らすと、地下環境においてボアホールから低周波数のエネルギーを生成することができる音響信号源が必要とされている。
【発明の概要】
【０００４】
本発明の一態様によれば、ボアホール近傍を通る岩石層における音響エネルギービームの生成方法が提供される。当該方法には、第１の周波数の第１の音響信号を生成すること、第１の周波数とは異なる第２の周波数の第２の音響信号を生成すること、当該ボアホールから岩石層の音響的に非線形な部分へ第１及び第２の音響信号を送信すること、当該第１の及び第２の音響信号を３波混合処理によって重ね合わせて岩石層においてコリメートされた第３の信号を生成すること、単数又は複数の受信機にて地層の不均質部分から反射又は散乱された第３の信号を受信すること、及び、受信した信号を解析して岩石層の情報を決定すること、が含まれる。当該第１の音響信号及び第２の音響信号は、ボアホール内に設けられたトランスデューサアレイによって生成される。当該コリメートされた第３の信号は、第１の及び第２の音響信号の初期方向と同じ方向に岩石層を伝播し、その周波数は当該第１及び第２の音響信号の差に等しく、その振幅は岩石層の非線形特性に依存する。
【０００５】
本発明の一態様によれば、ボアホール近傍を通る岩石層の情報を決定するシステムが提供される。当該システムは、第１の周波数の第１の音響信号及び第１の周波数と異なる第２の周波数の第２の音響信号を生成するように構成された単数又は複数のトランスデューサと、当該単数又は複数のトランスデューサと通信する単数又は複数の受信機と、受信した信号を解析し岩石層の情報を決定するコンピュータ実行可能な命令によってプログラム可能なプロセッサとを含む。当該受信機は、ボアホールの外側にある岩石層の領域において第１及び第２の音響信号の相互作用によって得られた第３の信号を当該岩石層を通じて検出するように構成されている。検出された第３の信号は、岩石層の一部分を通過した後に検出される。
【０００６】
本発明の一態様によれば、第１のボアホール近傍を通る岩石層の非線形特性を記述するシステムが提供される。当該システムは、第１の周波数の第１の音響信号及び第１の周波数と異なる第２の周波数の第２の音響信号を生成するように構成された単数又は複数のトランスデューサと、当該アレイは当該第１のボアホールに配置され、第２のボアホールに配置されて当該単数又は複数のトランスデューサと通信する単数又は複数の受信機と、受信した信号を解析して第１及び第２のボアホール間の非線形相互作用領域における岩石層の情報を決定するコンピュータ実行可能な命令によってプログラム可能なプロセッサとを含む。当該受信機は、ボアホールの外側にある岩石層の領域において第１及び第２の音響信号の相互作用によって得られた第３の信号を当該岩石層を通じて検出するように構成されている。検出された第３の信号は、岩石層の一部分を通過し、不均質部分によって反射された後に検出される。
【０００７】
本発明の上記及び上記以外の目的、特徴、及び性質、並びに構造の関連要素の動作方法及び機能、そして製造における各部分の組み合わせと経済性については、添付図面を参照しつつ以下の詳細な説明と添付の特許請求の範囲を検討することによってさらに明らかになる。これらはいずれも本明細書の一部を構成する。ここで、同様の参照符号は種々の図における対応する部分を表している。添付図面は例示及び説明のためのものであり、本発明の発明特定事項の定義として用いることは意図されていない。本明細書及び特許請求の範囲における用法によれば、単数形の"a"、"an"及び"the"には複数のものへの言及が含まれる。ただし、文脈によってそうでないことが明白である場合はこの限りでない。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】ボアホールの存在下でＰ波の３波混合現象がどのように起こるかを一般的に示す。地層の非線形特性によって、２つの異なる周波数f1及びf2の２つの入射波が地層内で放射され、低周波数f_  = f2 - f1の第３の波が生成される。
【０００９】
【図２】本発明の一態様における実験装置の配置を示す。
【００１０】
【図３Ａ】図２の実験装置配置から得られた結果を示すものであり、周波数38kHz及び43kHzの２つの一次ビームの混合により生成された5kHzの明瞭なコヒーレントビーム信号を示す。
【図３Ｂ】図２の実験装置配置から得られた結果を示すものであり、周波数38kHz及び43kHzの２つの一次ビームの混合により生成された5kHzの明瞭なコヒーレントビーム信号を示す。
【図３Ｃ】図２の実験装置配置から得られた結果を示すものであり、周波数38kHz及び43kHzの２つの一次ビームの混合により生成された5kHzの明瞭なコヒーレントビーム信号を示す。
【００１１】
【図４】ボアホールに設けられた波源の配置及びボアホールの外側に存在し、波源からの信号が混合される混合領域を示す。
【００１２】
【図５】位相シフトΔφ及び方向角θの定義とともにトランスデューサアレイを模式的に示す。
【００１３】
【図６】ボアホール軸周りでの回転及びボアホール軸に垂直な平面の揺れによって、アレイ面のアジマス及び傾斜の制御がどのようにして実現されるかを表す例を模式的に示す。
【００１４】
【図７】図２、３、４及び８における実験装置で用いられたアレイにおける波源の分布を示す。
【００１５】
【図８Ａ−１】図７のトランスデューサアレイにおける波源分布から得られた実験結果を示し、一次ビームを走査することで5kHzの差分周波数ビームが走査されることを示す。黒の円は、砂岩ブロックの反対側におけるトランスデューサアレイの位置を示す。
【図８Ａ−２】図７のトランスデューサアレイにおける波源分布から得られた実験結果を示し、一次ビームを走査することで5kHzの差分周波数ビームが走査されることを示す。黒の円は、砂岩ブロックの反対側におけるトランスデューサアレイの位置を示す。
【図８Ａ−３】図７のトランスデューサアレイにおける波源分布から得られた実験結果を示し、一次ビームを走査することで5kHzの差分周波数ビームが走査されることを示す。黒の円は、砂岩ブロックの反対側におけるトランスデューサアレイの位置を示す。
【図８Ｂ−１】図７のトランスデューサアレイにおける波源分布から得られた実験結果を示し、一次ビームを走査することで5kHzの差分周波数ビームが走査されることを示す。黒の円は、砂岩ブロックの反対側におけるトランスデューサアレイの位置を示す。一次信号を走査することによって差分周波数のビームがどのように走査されるかを示す。
【図８Ｂ−２】図７のトランスデューサアレイにおける波源分布から得られた実験結果を示し、一次ビームを走査することで5kHzの差分周波数ビームが走査されることを示す。黒の円は、砂岩ブロックの反対側におけるトランスデューサアレイの位置を示す。一次信号を走査することによって差分周波数のビームがどのように走査されるかを示す。
【図８Ｂ−３】図７のトランスデューサアレイにおける波源分布から得られた実験結果を示し、一次ビームを走査することで5kHzの差分周波数ビームが走査されることを示す。黒の円は、砂岩ブロックの反対側におけるトランスデューサアレイの位置を示す。一次信号を走査することによって差分周波数のビームがどのように走査されるかを示す。
【００１６】
【図９Ａ】ボアホール周辺の３次元画像を含む画像を生成するために用いられる実施形態の態様を示す。
【図９Ｂ】ボアホール周辺の３次元画像を含む画像を生成するために用いられる実施形態の態様を示す。
【００１７】
【図１０】坑井間トモグラフィを実行する実施形態の態様を示す。
【００１８】
【図１１Ａ】坑井間地層特性及び層理解釈（bedding interpretation）のために設計された構成において、第１のボアホールの波源が軸方向に移動し、第２のボアホール内の複数の位置で受信される実施形態の態様を示す。
【図１１Ｂ】坑井間地層特性及び層理解釈（bedding interpretation）のために設計された構成において、第１のボアホールの波源が軸方向に移動し、第２のボアホール内の複数の位置で受信される実施形態の態様を示す。
【００１９】
【図１２】本発明の実施形態に従って第３の信号を生成するシステム要素を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１に示すように、一実施形態におけるトランスデューサアレイは、ボアホール周辺の非線形の岩石層において、コリメートされた比較的高周波数の２つの一次音響信号を３波混合現象により混合することで音響ビームを生成するために用いられる。高周波源はボアホール１３０内に容易に収容されるので、２つのコリメートされた一次音響信号１１０、１２０は、小型のアレイを用いて比較的高周波数の広い範囲にわたって生成される。ボアホール周辺の岩石層１４０が非線形性であるため、コリメートされた音響ビーム１５０が生成される。この音響ビーム１５０は、通常、パラメトリックアレイビームと呼ばれる。一次音響信号間の差に等しい周波数を有し、岩石層内で相当程度の距離を伝播するのに十分な強度を有する。図示の通り、高周波源は、ボアホールの軸に平行な平面内に分布している。一次波源には用途に応じて様々な種類を用いることができ、例えば、モノポール波源（つまり、等方性放射）もしくはダイポール波源（つまり、点波源に相当）、又は、ボアホール壁に固定された又はボアホール内に配置された装置に固定されたバッフル付きモノポール波源の集合等を用いることができる。
【００２１】
地層の非線形の性質は、３波混合現象により得られるＰ波の特性を解析することにより記述することができる。３波混合現象においては、２つの異なる周波数f1及びf2の２つの入射波が混合し、f2 - f1、f2 + f1、2f1、及び2f2等の倍音周波数及び相互変調周波数の第３の周波数成分が生成される。本発明の一態様において、３波共線混合現象は、掘削孔の近傍で発生するように設計される。差分周波数f2 − f1の第３の波のみが、本明細書において対象とするものである。第３の波は、同じ又は別の掘削孔に設けられる単数又は複数の受信機によって記録される。この配置が図１に示されている。図１においては、差分周波数を有する第３の波の生成は、２つの一次波源によって生成されるように示されている。
【００２２】
一次波源がバッフル付きモノポール波源として設けられる例においては、波源は、アレイ面に固くバッフルされており（rigidly baffled）、ボアホール壁と接触していてもよい。トランスデューサアレイにおいては、幾つかの波源又はトランスデューサが一の周波数f1で駆動され、他の波源又はトランスデューサが同時に他の周波数f2で駆動される。２つの高周波数の一次波源の地層において、掘削孔の近傍では、非線形混合によって、低周波数（f_ = f2 - f1）の波が生成される。βは、応力と歪みとの間の非線形の関係を記述する非線形パラメータであり、及び、例えば、一次元においては、式σ=Κε(1+βε+…)に現れる。ここで、σ負荷応力、Κは体積弾性率、εは歪みである。βは、岩石については、典型的には２００から１０００の範囲にある。第３の波が生成される体積は、V_ = πa2LT、で与えられる。ここで、aは波源を包含する半径であり、LT はこれらの周波数の減衰に関連する長さである。波の減衰（又は吸収）長Lαは、振幅が1/eへ減少する特徴を記述するものであり、当業者に周知である。減衰長は、以下の式で表される。
【数１】
0005593311.tif 000002
ここで、fは周波数（Hz）、QはＱ値、cは波の速度（m/s）である。LTは、
0005593311.tif 000003
で表される合計減衰長である。
【００２３】
生成された差分周波数信号は、体積V_から、異なる音響インピーダンスを持つ境界面における反射によって、もしくは不均質部分からの後方散乱によって、同じボアホール内の受信機又は受信機アレイに向かって伝播し、又は、伝送によって第２のボアホールへ伝播する。この伝播はコリメートビームの形で起こる。コリメートビームの幅はk_LTで定められる。ここで、kは第３の波の波数で、k_=k2-k1=2π(f2-f1)/cと表される。
【００２４】
他の関連する長さは、いわゆるレイリー距離LRである。レイリー距離LRは、ビームの近距離場領域と遠距離場領域との間の境界を定義する。
【数２】
0005593311.tif 000004
ここで、kは、波数、すなわちk = 2π fp /cであり、aは波源の半径である。周波数fpは、一次波源を示す。近距離場領域は、Lρより短い距離Lxに相当する。この領域において、ビームの寸法は変化しない。遠距離場領域、すなわちLx>Lρの領域では、ビーム振幅は、ビーム拡散係数Lρ / Lxで減衰する。
【００２５】
図２は、本発明の一態様における実験装置の構成を示す。この構成において、べレア砂岩２１０のブロックの寸法は、1.8mｘ0.4mｘ0.4mとした。アレイ２３０に含まれる個々の波源２２０は、直径2.5cmであり、半径6cmの円の内部に配置された。波源の半数は、周波数f2 = 43kHzで励起され、他の半数は周波数f1 = 38kHzで励起された。第３の波の周波数は、f_=43kHz-38kHz=5kHzであった。周波数f1を有する波源２２０は、周波数f1の信号を生成するように構成された信号生成器２４０及び増幅器２５０によってそれぞれ駆動される。同様に、周波数f2を有する波源２２０は、周波数f2の信号を生成するように構成された信号生成器２６０及び増幅器２７０によってそれぞれ駆動される。差分周波数の運動は、歪みの測定値に電子的な干渉が入り込まないようにするため、べレア砂岩２１０のブロックの逆側に配置されたレーザー振動計２８０を用いて検出された。
【００２６】
図３Ａ、３Ｂ及び３Ｃは、一次周波数及び差分周波数に対応する３つの周波数における一連の歪みマップである。この歪みマップは、図２の構成において、レーザー振動計２８０を用いて記録された。特に、図３Ａは、43kHzの一次信号を示し、図３Ｂは、38kHzの他の一次信号を示す。図３Ｃは、これらの２つの一次信号の非線形混合におけるパラメトリックアレイ効果によって得られた5kHzの周波数の第３の信号を示す。図３Ｃに示されているように、この第３の信号は、一次信号のコリメート特性を引き継いでいる。実験室での実験では、Ｑ値を５０、波の速度を2000m/sとし、２つの一次信号の減衰長は0.37m及び0.42m（それぞれ43kHz及び38kHzに対応）、第３の波の減衰長は3.2mであった。波源の半径を6cmとしたレイリー距離は、概ね0.2mであった。このことから、歪み測定は、遠距離場領域において行われたことが分かる。
【００２７】
図４は、ボアホール内、及び、ボアホール外の混合領域に位置する波源の配置を示す。混合領域においては、波源からの信号が結合される。差分（f2 - f1）ビーム波源の強さ及びビームの集束効果は、一次波源f1及びf2の強さ、ボアホール周囲の岩石層の非線形特性、及び一次波源及び生じた差分周波数の波数に依存する。図４において、k1及びk2は、一次周波数f1及びf2にそれぞれ関連付けられた波数である。k_は地層において非線形混合により生成された周波数(f2 - f1)の第３の波に関連付けられた波数である。角度θは、θ = 0に対応する水平方向から計測される角度で、ボアホールに対するアジマス方向に相当する。一次波源は、半径aの円上に分布すると考えることができる。
【００２８】
第３の波に関連付けられた受信機ボアホールでの無次元の歪み場ε_の式は、次式で表される。
【数４】
0005593311.tif 000005
ここで、βは地層の非線形パラメータであり、εはk_Lに等しい。ただし、k_=k2-k1であり、Lはボアホール距離である。ε1及びε2は、それぞれ周波数f1及びf2での歪みを表す。関数DA及びDW（ビーム軸から計測した角度シータの関数）は、有限幅a及び波源の長さLTのそれぞれによって生じる指向性である。指向性DAは次式で表される。
【数５】
0005593311.tif 000006
ここで、J1は、DA (0) = 1の１次のベッセル関数である。Westervelt指向性DW は次式で表される。
【数６】
0005593311.tif 000007
【数７】
0005593311.tif 000008
【００２９】
通常、Lsourceは、ｘＷが次式で表されるときの減衰長LT である。
【数８−１】
0005593311.tif 000009
【００３０】
ここで、DAと同様にDW (0) = 1である（すなわち、指向性係数は、ビームの軸上で最大となる）。
【００３１】
図５は、位相シフトΔφ及び方向角θの定義とともにアレイを模式的に示す。
【数８−２】
0005593311.tif 000010
ここで、ωは走査される一次波源の周波数f1又はf2であり、dは波源間の距離であり、cは地層のＰ波速度である。
この図において、周波数f1及びf2を有する一次波源は、Ｘ軸に沿って交互に入れ替わる。方向角θは、Ｚ軸からＸ軸に向かって測定される。ここで、Ｘ軸及びＺ軸は相互に直交する。
【００３２】
幾つかの実施形態においては、装置軸の周りの回転及び傾斜によりアレイのアジマスを選択的に制御することによって、ビームの方向が走査される。傾斜は、アレイの正面の平面と装置軸との間の角度である。対応する回転軸は図６に示される。アクチュエータ（不図示）を用いることによって、アレイ面をアジマス及び傾斜について効果的に制御することができる。アクチュエータは、一次周波数f1及びf2の方向を走査し又は変更するために用いられてもよい。
【００３３】
幾つかの実施形態において、一次信号f1及びf2の傾斜は、波源アレイの要素の幾つかの相対位相を制御することによって実現される。地層における第３の信号は一次信号の方向を受け継ぐ。かかる制御を実験室で実現した例が図７に示されている。一例として、実験室で用いられたアレイを５つの領域又は「カラム」と称される複数のアレイに分割した。カラム１には、「１」と識別番号が付された２つのトランスデューサが示されている。この「１」のトランスデューサは、位相遅れがない周波数f1を生成するように構成された。カラム２には、４つのトランスデューサが示されてる。このうち、「２」の識別番号が付されたトランスデューサは、位相Δφだけオフセットされた周波数f1を生成するように構成され、「３」の識別番号が付されたトランスデューサは、位相シフトがない周波数f2を生成するように構成された。カラム３には、５つのトランスデューサが示されている。このうち、「４」の識別番号が付されたトランスデューサは、位相2Δφだけオフセットされた周波数f1を生成するように構成され、「５」の識別番号が付されたトランスデューサは、位相Δφだけオフセットされた周波数f2を生成するように構成された。カラム４には、４つのトランスデューサが示されている。このうち、「６」の識別番号が付されたトランスデューサは、位相3Δφだけオフセットされた周波数f1を生成するように構成され、「７」の識別番号が付されたトランスデューサは、位相2Δφだけオフセットされた周波数f2を生成するように構成された。カラム５には、２つのトランスデューサが示されている。このうち、「８」の識別番号が付されたトランスデューサは、位相3Δφだけオフセットされた周波数f2を生成するように構成された。実験室における再現では、これらの「カラム」間の位相差は、トランスデューサ面の垂線から１５度だけ一次波源を走査するように選択された。この非限定的な例において、トランスデューサは、図２に示されるように砂岩ブロックに取り付けられた。発明の趣旨を逸脱することなく他の構成を採用することもできる。例えば、より多くの又は少ないトランスデューサを用いることができ、トランスデューサを別のパターンで配置することができ、一次音響信号間の位相差がその信号の伝播方向の走査又は制御できる限りは信号の相対位相は前述の例と大きく異なっていてもよい。
【００３４】
図８Ａ−１〜図８Ａ−３は、走査を行わずに得られた実験結果を示す（この場合、「カラム」間に位相シフトを与えない）。一方、図８Ｂ−１〜図８Ｂ−３は、図７に示されている構成において走査が行われた場合の結果を示す。図８Ａ−１〜図８Ａ−３に示されているように、60kHzの周波数で動作する一組のトランスデューサ及び65kHzの周波数で動作する第２の組のトランスデューサは、円で示されているように、f2 - f1 = 5kHzの周波数を有する集束された第３の信号を生成する。ここで、いずれの組のトランスデューサを構成するトランスデューサにも位相オフセットは与えられていない。対照的に、図７に関して説明された位相制御を用いて走査を行った場合には、第１及び第２の周波数並びに差分信号の各位置は、図に円で示された砂岩ブロックの反対側の面のアレイの中心からオフセットしている。
【００３５】
幾つかの実施形態においては、第３の信号は時変符号で符号化される。この時変符号は、第１の信号もしくは第２の信号又はその両方のいずれかに導入される。時変符号は、第１の信号、第２の信号、又は第１及び第２の信号の両方における振幅の変動、周波数の変動、及び／又は位相の変動のうち１つ又は複数を含むことができる。第３の信号の受信された時変符号は、第３の信号の飛行時間を測定するために用いられる。また、幾つかの実施形態において、一方の一次周波数が周波数領域にわたって掃引され、他の一次周波数が特定の周波数に固定された場合には、コリメート差分ビームは広帯域になることがある。このように、生成される第３のビームf2 - f1は、広い周波数帯域にわたって掃引されることがある。
【００３６】
図９Ａ及び９Ｂは、３次元画像を含むボアホール周囲の画像を生成するために用いられる本発明の一態様を示す。本発明において説明される方法で生成されたコリメート差分ビーム（f2 - f1）は、掘削孔周囲の岩石層の画像を生成するのに適している。差分ビームは、岩石層の特定の領域を探査するために、特定の方向に向けることができる。ビームに沿って局所化された地層の不均質部分は、地震波の反射又は線形の散乱を生じる。反射波及び散乱波は、同じボアホール（単一抗井イメージングの場合）にある受信機アレイによって記録される。図９Ａ及び９Ｂは、多くの可能な測定及び装置構成の例を示す。
【００３７】
図９Ａにおいて、トランスデューサアレイは、ボアホール９１０において円形アレイ９０５条に配置される。２つの一次周波数f1及びf2は、アレイによって生成され、掘削孔９２５の外側にある非線形領域で混合し、差分周波数f3を生成する。差分周波数ビームは、近接した地層又は他の部分から反射又は散乱され、この反射ビーム９３０は、ボアホール９１０内の受信機９１５によって受信される。受信機９１５を含む円形アレイ９０５に設けられたアレイは、ボアホールの長さ方向上下に移動され、ボアホール近くの特定の地層を画像化する。また、アレイは、ボアホールの軸の周りを回転し、ボアホール周囲の任意の方向において地層を画像化する。図９Ｂは、他の線形アレイ構造９２０を示す。図９Ｂは図９Ａに似ているが、ボアホールの軸に沿って構成された線形アレイを示す。ボアホール周囲の地層の画像化を実現するために、いずれのアレイも装置軸の周りを回転することができる。
【００３８】
受信した波形の記録は、地層の反射又は伝達特性の画像を生成するために処理される。ビームの指向性及び飛行時間を用いて散乱波が生成された場所を確定することができる。これによって、従来の無指向性モノポール及びダイポール波源を用いる通常の音波イメージング技術から本発明の装置が区別される。従来の波源との比較においてビームを用いることに関連する効果は、地層の音響特性の画像化の計算をするために、岩石層の速度場を詳細に特定することが要求されないことである。ビームの指向性及び飛行時間の測定によって、波が反射又は散乱された場所を特定する方法が簡潔化され、改善される。特にアレイビーム源の指向性は、記録された散乱波の波源をビームの方向に沿って局所化し、遅延時間は散乱波源の位置をビームパスに沿って局所化する。このように、３次元画像の焦点計算のために正確で詳細な速度モデルを必要とする従来の（ビームでない）波源と対照的に、ビーム波源を有するボアホールにおける画像化は簡素であり、最終画像における不確実さを減少させることができる。さらに、ビームは集束され走査されるので、アレイビームはボアホールに対してアジマス及び傾斜の指向性を有し、指向性をほとんど有さずその結果起こる反射場所について不明確となる従来の波源と比べて、画像化においてより高い解像が得られることが多い。本発明の予測される差分ビーム周波数は、500Hzから10kHzの範囲である。この範囲の低周波数部分は従来の音響検査装置によって用いられている範囲の低周波端にあり、減衰が少ないため、浸透深さはより大きくなり数百フィート程度まで達することを示唆する。本発明の低周波数ビームはボアホールの外側にある地層において生成されているので、その生成メカニズムがStoneley波等のボアホールモードを生成しないことは重要である。Stoneley波等のボアホールモードは、従来の波源によってボアホール内で生成されたエネルギーの多くの部分を奪い取ってしまう。また、音響エネルギーの後方散乱は、アジマス及び傾斜における回転並びにボアホールに沿ったアレイ９２０の線形運動によってボアホール周囲を画像化するために用いることができる。
【００３９】
図１０は、坑井間トモグラフィを実行する本発明の一態様を示す。ボアホールから数百フィートの探査範囲を有する500Hz から10kHz周波数レンジは、坑井間イメージング及びトモグラフィの用途に適用することができる。さらに、波源のビームの性質によって、坑井間イメージング及び坑井間トモグラフィにおいて、非集束波源を用いる手法と異なる独特の処理手法が可能となる。この態様において、ビーム源１０１０は、ボアホール１０２０から生成され、第２のボアホール１０６０内の受信機１０３０、１０４０、１０５０で検出される。坑井間トモグラフィにおいては、抗井間において様々な波源と受信機との間の直接波の走時及び振幅が様々なトモグラフィインバージョン法を用いて処理され、抗井間の岩石層の速度及び減衰強度の断面が得られる。可動（steerable）パラメトリックビーム源を用いることにより、ビームは、第２のボアホール内のY1、Y2、Y3等の検出器のアレイによって走査され検出される。この構成において、最大信号は、受信機を連続的に体系的に掃引し、直接波がより容易かつ確実に検出できるようにする。
【００４０】
図１１Ａ及び図１１Ｂは、第１のボアホールの波源が軸方向に移動し、第２のボアホール内の複数の位置で受信される本発明の一態様を示す。この態様において、ボアホール周辺の岩石内で混合によって生成されるパラメトリックアレイビームの波源は、３波混合が起こる掘削孔の近傍領域の非線形特性の記録を測定し生成するように、装置内に構成されてもよい。この構成において、パラメトリックアレイビームはボアホール内の位置X1から生成され、第２のボアホール内の位置にある多くの受信機に向けて走査される。測定される信号をM(Xi, Yi)と仮定する。波源は孔内を上方へX2まで移動し、同様のデータが収集され、測定信号M(X2, Yi)を得る。式（４）から、多くのYiにわたる比M(X1,Yi)／M(X2,Yi)の合計が、比b (X1)／b (X2)に比例することは明らかである。ここでbは、波源ボアホールの混合距離（数フィート）内での非線形特性である。多くの位置Xiにわたって測定を繰り返すことにより、波源ボアホール近くでの選択された深さ間隔における非線形特性の相対強度の記録を、信号比の重み付け平均として式（４）から得ることができる。この計算は例えば次式で示される。
【数９】
0005593311.tif 000011
【００４１】
この関係は、卓越周波数が差分周波数、すなわち(f2 - f1)である信号にも当てはまる。ボアホール近くの地層の非線形性の別の相対測定が、周波数(f2 - f1)で受信した信号と波源で放射された信号との振幅比を計算することによってなされる。
【００４２】
ボアホールの周囲における反射が強い場合には、波源は、装置内に設けられ、ボアホールの非常に近くの非線形特性の記録を測定し生成してもよい。土壌の反射強度の統計的分布のために、土壌の反射応答は、波源の位置の緩やかに変化する関数であるが、意一方、ボアホール周辺の岩石の非線形特性は、波源の位置によってより急速に変化する。したがって、単一の抗井を用いることにより、bの高い空間周波数の記録も式（９）を用いて生成することができる。
【００４３】
図１２は、第３の信号を生成するためのシステム要素を示す。周波数f1の第１の音響信号を生成するように構成された第１の生成器１２１０、及び、周波数f2の第２の音響信号を生成するように構成された第２の生成器１２１５が、ボアホール内に配置されたトランスデューサアッセンブリ１２２０に連結されている。ビーム走査制御システム１２２５及びビームアジマス及び傾斜制御メカニズム１２３０は、トランスデューサアッセンブリ１２２０に連結され、第１の信号、第２の信号、及び／又は第１及び第２の信号の両方を走査するように構成されている。アジマス及び傾斜制御メカニズム１２３０は、第１の信号、第２の信号、及び／又は第１及び第２の信号の両方の位相を変調するか、又は、ビームの制御ができるようにトランスデューサアッセンブリのアクチュエータを駆動することによって、走査することができるように構成されてもよい。受信アッセンブリ１２３５は、トランスデューサアッセンブリ１２２０を含むボアホール内か、他のボアホールに配置される。受信アッセンブリ１２３５は、第３の信号を受信するように構成された単数又は複数の受信機を含む。受信された第３の信号は、未加工データ記録部１２４０に保存され、信号プロセッサ１２４５を用いて処理される。処理されたデータは、コンピュータ１２５０にて保存及び表示される。受信機アッセンブリは、データ記録部１２４０及び信号プロセッサ１２４５に、有線接続又は無線接続により接続されてもよい。コンピュータ１２５０は、当業者に自明なように、データを処理及び操作するように構成されたコンピュータ読み取り可能な命令を含むことができる。
【００４４】
現時点で最も実用的であり好ましいと考えられる態様に基づいて、本発明を例示のために詳細に説明したが、このような詳細な説明は例示のみを目的としたものである。本発明は開示された実施形態に限定されるものではなく、むしろ添付された特許請求の範囲の趣旨及び範囲に入る変形や均等な配置も本発明に含められることが意図されている。例えば、本明細書においてコンピュータに関する言及がなされる場合には、このコンピュータには、汎用コンピュータ、専用コンピュータ、コンピュータ読み取り可能な命令を含み当該方法を実行するようプログラムされたＡＳＩＣ、コンピュータアレイ又はコンピュータネットワーク、又は、他の適当な計算機を含むことがある。図１２に示されたように、受信機によって収集されたデータは、処理され、メモリ又は装置に記憶されるか、又は、さらに処理を行い及び保存するために送信される。更なる例として、本発明においては、あらゆる実施形態の一又は複数の特徴を他の実施形態の一又は複数の特徴と可能な限り結合することができる。
【図１】
0005593311.tif 000012
【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ−１】
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【図８Ａ−２】
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【図８Ａ−３】
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【図８Ｂ−１】
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【図８Ｂ−２】
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【図８Ｂ−３】
0005593311.tif 000026
【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
0005593311.tif 000029
【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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