(57)【要約】【課題】より早く正確に地震の発生を検知する。【解決手段】地面の振動を測定してデジタル信号に変換した時系列信号Ｓｎについて、線形予測解析を用いて解析して地面の振動の複素減衰率λｍを算出し、算出した複素増幅率λｍに基づいてＰ波波頭を検出する。これにより、地震の発生を速やかに検出することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地面の振動を測定してデジタルの時系列信号に変換する測定手段と、
前記時系列信号を解析して地面の振動の複素減衰率を算出する解析手段と、
前記複素減衰率に基づいてＰ波波頭を検出する検出手段と、
を有することを特徴とする地震検知装置。
【請求項２】
前記解析手段は、時間依存自己相関行列による線形予測解析により予測係数を求め、当該予測係数を用いて前記複素減衰率を算出することを特徴とする請求項１記載の地震検知装置。
【請求項３】
前記測定手段を複数個備えて、それぞれにおいて前記時系列信号を取得し、
前記時系列信号をそれぞれ解析した結果、所定の数以上でＰ波波頭が検出できた場合に、地震が発生したと判定する判定手段を有することを特徴とする請求項１又は２記載の地震検知装置。
【請求項４】
測定した地面の振動をデジタルの時系列信号に変換するステップと、
前記時系列信号を解析して地面の振動の複素減衰率を算出するステップと、
前記複素減衰率に基づいてＰ波波頭を検出するステップと、
を有することを特徴とする地震検知方法。
【請求項５】
前記複素減衰率を算出するステップは、時間依存自己相関行列による線形予測解析により予測係数を求め、当該予測係数を用いて前記複素減衰率を算出することを特徴とする請求項４記載の地震検知方法。
【請求項６】
前記時系列信号に変換するステップは、複数箇所で測定した地面の振動をそれぞれ時系列信号に変換するものであって、
前記時系列信号をそれぞれ解析した結果、所定の数以上でＰ波波頭が検出できた場合に、地震が発生したと判定するステップを有することを特徴とする請求項４又は５記載の地震検知方法。
【請求項７】
請求項４乃至６のいずれかに記載の地震検知方法における各ステップをコンピュータに実行させるための地震検知プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地震の発生を早期に検知する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、地震を検知するために種々の技術が知られている。例えば、特許文献１では、加速度計を設置し、加速時計によって得られたＰ波波形の形状を解析する方法が記載されている。特許文献２では、科学的根拠としては仮説レベルにある、地震発生に先行する電磁波等を測定する方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１００４１号公報
【特許文献１】特開２００１−８３２５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の方法では、Ｐ波の波動が十分に発達してからでなければ地震の判定を行うことができない。また、特許文献２の方法では、測定の科学的根拠が希薄で、地震に関係する電磁波と関係しない電磁波との区別が困難であるという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、より早く正確に地震の発生を検知することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の本発明に係る地震検知装置は、地面の振動を測定してデジタルの時系列信号に変換する測定手段と、時系列信号を解析して地面の振動の複素減衰率を算出する解析手段と、複素減衰率に基づいてＰ波波頭を検出する検出手段と、を有することを特徴とする。
【０００７】
上記地震検知装置において、解析手段は、時間依存自己相関行列による線形予測解析により予測係数を求め、当該予測係数を用いて複素減衰率を算出することを特徴とする。
【０００８】
上記地震検知装置において、測定手段を複数個備えて、それぞれにおいて時系列信号を取得し、時系列信号をそれぞれ解析した結果、所定の数以上でＰ波波頭が検出できた場合に、地震が発生したと判定する判定手段を有することを特徴とする。
【０００９】
第２の本発明に係る地震検知方法は、測定した地面の振動をデジタルの時系列信号に変換するステップと、時系列信号を解析して地面の振動の複素減衰率を算出するステップと、複素減衰率に基づいてＰ波波頭を検出するステップと、を有することを特徴とする。
【００１０】
上記地震検知方法において、複素減衰率を算出するステップは、時間依存自己相関行列による線形予測解析により予測係数を求め、当該予測係数を用いて複素減衰率を算出することを特徴とする。
【００１１】
上記地震検知方法において、時系列信号に変換するステップは、複数箇所で測定した地面の振動をそれぞれ時系列信号に変換するものであって、時系列信号をそれぞれ解析した結果、所定の数以上でＰ波波頭が検出できた場合に、地震が発生したと判定するステップを有することを特徴とする。
【００１２】
第３の本発明に係る地震検知プログラムは、上記地震検知方法における各ステップをコンピュータに実行させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、より早く正確に地震の発生を検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施の形態における地震検知装置の構成を示すブロック図である。
【図２】地表で測定した横方向、縦方向の地震波形とその解析結果を示すグラフである。
【図３】地中で測定した横方向、縦方向の地震波形とその解析結果を示すグラフである。
【図４】図１の地震検知装置の処理の流れを示すフローチャートである。
【図５】第２の実施の形態における地震検知装置の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１６】
［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態における地震検知装置の構成を示すブロック図である。同図に示す地震検知装置１は、測定部１１、解析部１２、検出部１３、および表示部１４を備える。地震検知装置１は、演算処理装置、記憶装置、メモリ等を備えたコンピュータにより構成して、各部の処理がプログラムによって実行されるものとしてもよい。このプログラムは地震検知装置１が備える記憶装置に記憶されており、磁気ディスク、光ディスク、半導体メモリ等の記録媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。以下、各部について説明する。
【００１７】
測定部１１は、地面の振動を測定して波形データを取得し、取得した波形データをデジタル信号に変換して時系列信号Ｓｎを得る。
【００１８】
解析部１２は、時系列信号Ｓｎを解析して地面の振動の複素減衰率λｍを算出する。時系列信号Ｓｎの解析及び複素減衰率λｍの算出については後述する。
【００１９】
検出部１３は、算出した複素減衰率λｍに基づいてＰ波波頭を検出する。
【００２０】
表示部１４は、検出部１３が出力するＰ波波頭の検出結果を表示する。
【００２１】
次に、線形予測解析及び複素減衰率λｍの算出について説明する。
【００２２】
線形予測式が含むパラメタ（予測係数）の数をＭ個（Ｍの値は、必要に応じ、６前後を目安に選ぶのが好ましい）とし、そのｍ番目の予測係数をａｍとして、次式（１）で表す線形予測式を考える。
【数１】
2011013139.tif 000003
【００２３】
式（１）に含まれる予測係数ａｍの値を、次式（２）で与えられる予測残差が最小になるという条件で求める。
【数２】
2011013139.tif 000004
【００２４】
ここで、Ｎ＋１は１回の解析に用いられる時系列信号Ｓｎの数であり、必要に応じて、Ｍの２倍より大きな任意の値で与える。後述する複素減衰率λｍは、この１回の解析区間毎に、最大Ｍ個算出される。
【００２５】
上記予測係数ａｍの算出は、次式（３）に示すｍ’に関するＭ個の連立方程式を解くことによって行う。
【数３】
2011013139.tif 000005
【００２６】
この連立方程式は、次式（４）に示す時間依存自己相関係数を用いた自己相関行列、つまり、次式（５）に示す、時間依存自己相関行列を対角化することにより解く。時間依存自己相関係数を用いた自己相関行列を用いることにより、複素減衰率の算出が可能となる。
【数４】
2011013139.tif 000006
【００２７】
続いて、算出された予測係数ａｍを用いて、複素減衰率λｍを算出する。具体的には、予測係数ａｍを用いたＸに関する次式（６）をＸに関して因数分解して得られる次式（７）に示すＭ個の複素係数ｂｍを用いることにより、次式（８）に示す複素減衰率λｍを得る。
【数５】
2011013139.tif 000007
【００２８】
ここで、ΔＴは時系列信号Ｓｎのサンプリング間隔である。こうして得られる最大Ｍ個の複素減衰率λｍは検出部１３へ出力される。
【００２９】
検出部１３は、次式（９）に示すように、最大Ｍ個の複素減衰率λｍのうち、その実部が最大のものの実部をΛとし、その上で、例えば、Λ＞５［１／ｓ］が０．１秒以上続くとき、Ｐ波波頭が検出されたと判定して、その結果を表示部１４へ出力する。
【数６】
2011013139.tif 000008
【００３０】
図２，３は、地震波形と解析結果を示すグラフであり、図２，３の地震波形は、横軸に時間をとり、それぞれ地表加速度、地中加速度を示す。また、図２，３は、上の２つのグラフが横揺れの地震波形とその解析結果であり、下の２つのグラフが縦揺れの地震波形とその解析結果である。それぞれの地震波形の下の解析結果は、本発明の解析手法によって得られる複素減衰率λｍの実部をプロットしたものである。なお、ここで用いた地震波形は独立行政法人防災科学技術研究所が一般に公開しているものであり、２００８年７月２４日に発生した岩手沿岸北部地震において、最大加速度が観測された玉山における地震波形である。
【００３１】
それぞれのグラフにおいて、Ｐ波とＳ波の発生位置を点線で示した。解析結果のグラフを見ると、Ｐ波波形の発達に数秒先行した位置に、大きくプラス側に振れた信号が観測されている。値がプラス（負の減衰）であることから、指数関数的に信号が増大していることが読み取れる。このように、地面の振動の複素減衰率λｍを算出することで、自律して振動していた地面が地震により強制的に振動させられたモード変化の境目を検出し、地震の発生を速やかに検出することができる。
【００３２】
図４は、第１の実施の形態における地震検知装置１の処理の流れを示すフローチャートである。
【００３３】
まず、測定部１１が地面の振動を測定し、デジタル信号に変換して時系列信号Ｓｎを得る（ステップＳ１１）。測定部１１は、地表や地中における縦方向や横方向の加速度を測定する。測定された波形は時系列信号Ｓｎに変換されて、測定部１１が備える記憶装置に記憶される。
【００３４】
続いて、解析部１２が測定部１１から時系列信号Ｓｎを取得して線形予測解析を行う（ステップＳ１２）。解析部１２は、時系列信号Ｓｎに対する線形予測式の予測係数ａｍを時間依存自己相関行列を用いて算出し、予測係数ａｍを用いて複素減衰率λｍを算出し、解析部１２が備える記憶装置に記憶する。
【００３５】
続いて、検出部１３が解析部１２から複素減衰率λｍを取得し、複素減衰率λｍに基づいてＰ波波頭を検出する（ステップＳ１３）。検出部１３は、算出した複素減衰率λｍのうち実部が最大のものが所定の閾値より大きい期間が所定の時間以上続く場合に、Ｐ波波頭を検出したと判定する。
【００３６】
そして、表示部１４が検出結果を表示する（ステップＳ１４）。表示部１４は、検出部１３がＰ波波頭を検出したときにその旨を表示する。表示部１４は、図２，３に示すような、測定部１１が測定した波形データや複素減衰率λｍの実部をプロットしてもよい。
【００３７】
以上説明したように、本実施の形態によれば、地面の振動を測定してデジタル信号に変換した時系列信号Ｓｎについて、線形予測解析を用いて解析して地面の振動の複素減衰率λｍを算出し、算出した複素減衰率λｍに基づいてＰ波波頭を検出することにより、地震の発生を速やかに検出することができる。
【００３８】
［第２の実施の形態］
図５は、第２の実施の形態における地震検知装置の構成を示すブロック図である。同図に示す地震検知装置２は、複数の測定部２１１〜２１Ｌ、解析部２２１〜２２Ｌ、検出部２３１〜２３Ｌと、判定部２４、および表示部２５を備える。測定部２１１〜２１Ｌ、解析部２２１〜２２Ｌ、検出部２３１〜２３Ｌ、および表示部２５は、第１の実施の形態と同様の機能を有する。
【００３９】
本地震検知装置２は、複数の測定部２１１〜２１Ｌを設置し、同時に所定の個数以上の測定部２１１〜２１ＬにおいてＰ波波頭が検出された場合に、判定部２４が地震が発生したと判定するものである。各測定部２１１〜２１Ｌにより地面の振動を測定し、デジタル信号に変換して時系列信号Ｓ１，ｎ〜ＳＬ，ｎを得る。各解析部２２１〜２２Ｌは時系列信号Ｓｌ，ｎを解析し、それぞれＭ個の複素減衰率λｌ，ｍを算出する。各検出部２３１〜２３Ｌは、算出した複素減衰率λｌ，ｍに基づいてＰ波波頭を検出する。判定部２４は、各検出部２３１〜２３Ｌのうち例えばＬ／２個以上から同時にＰ波波頭を検出した旨を受信した場合に、地震を検出したことを表示部２５へ出力する。以下、ｌ番目の解析部２２ｌの線形予測解析及び複素減衰率λｌ，ｍを算出について説明する。
【００４０】
線形予測式が含むパラメタ（予測係数）の数をＭ個（Ｍの値は、必要に応じ、６前後を目安に選ぶのが好ましい）とし、そのｍ番目の予測係数をａｌ，ｍとして、次式（１０）で表す線形予測式を考える。
【数７】
2011013139.tif 000009
【００４１】
式（１０）に含まれる予測係数ａｌ，ｍの値を、次式（１１）で与えられる予測残差が最小になるという条件で求める。
【数８】
2011013139.tif 000010
【００４２】
ここで、Ｎ＋１は１回の解析に用いられる時系列信号Ｓｌ，ｎのデータ数であり、必要に応じて、Ｍの２倍より大きな任意の値で与える。複素減衰率λｌ，ｍは、この１回の解析区間毎に、最大Ｍ個算出される。
【００４３】
上記予測係数ａｌ，ｍの算出は、次式（１２）に示すｍ’に関するＭ個の連立方程式を解くことによって行う。
【数９】
2011013139.tif 000011
【００４４】
この連立方程式は、次式（１３）に示す時間依存自己相関係数を用いた自己相関行列、つまり、次式（１４）に示す、時間依存自己相関行列を対角化することにより解く。
【数１０】
2011013139.tif 000012
【００４５】
続いて、算出された予測係数ａｌ，ｍを用いて、複素減衰率λｌ，ｍを算出する。具体的には、予測係数ａｌ，ｍを用いたＸに関する次式（１５）をＸに関して因数分解して得られる次式（１６）に示すＭ個の複素係数ｂｌ，ｍを用いることにより、次式（１７）に示す複素減衰率λｌ，ｍを得る。
【数１１】
2011013139.tif 000013
【００４６】
ここで、ΔＴは時系列信号Ｓｌ，ｎのサンプリング間隔である。こうして得られる最大Ｍ個の複素減衰率λｌ，ｍは検出部２３ｌへ出力される。
【００４７】
検出部２３ｌは、ｍ番目の複素減衰率λｌ，ｍに対応する信号振幅Ｐｌ，ｍを次式（１８）により求め、複素減衰率λｌ，ｍに対応する信号振幅Ｐｌ，ｍが最大となるものの実部をΛｌとする。その上で、例えば、Λｌ＞５［１／ｓ］が０．１秒以上続くとき、Ｐ波波頭が検出されたと判定して、その結果を判定部２４へ出力する。
【数１２】
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【００４８】
判定部２４は、Ｌ個の検出部２３１〜２３ＬからＰ波波頭が検出された旨の出力を、たとえばＬ／２個以上ほぼ同時に受け取ったときに、地震の発生を検出したと判定し、判定結果を表示部２５へ出力する。
【００４９】
本実施の形態では、複数の測定部２１１〜２１Ｌに複数の解析部２２１〜２２Ｌ、検出部２３１〜２３Ｌを接続したが、複数の測定部２１１〜２１Ｌが得た時系列信号Ｓ１，ｎ〜ＳＬ，ｎを１つの解析部および検出部がそれぞれ解析してＰ波波頭を検出してもよい。
【００５０】
以上説明したように、本実施の形態によれば、複数の測定部２１１〜２１Ｌにより地面の振動を測定して時系列信号Ｓ１，ｎ〜ＳＬ，ｎを得て、時系列信号Ｓ１，ｎ〜ＳＬ，ｎそれぞれを解析し、同時に所定の個数以上でＰ波波頭が検出されたときに、地震が発生したと判定することで、ノイズを除去し、より正確に地震の発生を検知することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１，２…地震検知装置
１１，２１１〜２１Ｌ…測定部
１２，２２１〜２２Ｌ…解析部
１３，２３１〜２３Ｌ…検出部
１４，２５…表示部
２４…判定部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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