(57)【要約】【課題】震源装置から発生した振動波による影響を除去する。【解決手段】振動検出システムＳは、所定の周期で繰り返される振動波を発生する震源装置５０と、地盤を介して伝達された振動波に基づく応答波を受信する受振装置６０と、受振装置６０が受信した測定振動信号を処理する信号処理装置１と、を備える。信号処理装置１は、測定振動信号から震源装置５０が発生する振動波の周期性に応じた周期を有する個別周期信号を分離する分離部４１と、分離した個別周期信号から標準周期信号を算出する算出部４２と、測定振動信号から標準周期信号を減算し、差分信号を生成する生成部４３と、を備える。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の周期で繰り返される振動波を発生する震源装置と、地盤を介して伝達された前記振動波に基づく応答波を受信する受振装置と、前記受振装置が受信した応答波に応じた振動信号を処理する信号処理装置と、を備える振動検出システムであって、
前記信号処理装置は、
前記受振装置が受信した振動信号を蓄積する蓄積部と、
蓄積した前記振動信号から前記震源装置が発生する前記振動波の周期性に応じた周期を有する個別周期信号を分離する分離部と、
分離した前記個別周期信号から標準周期信号を算出する算出部と、
前記受振装置が受信した前記振動信号と前記標準周期信号との差分を示す差分信号を生成する生成部と、
を備える振動検出システム。
【請求項２】
前記震源装置は、発生する前記振動波の周波数を、前記周期内で変化させる、
請求項１に記載の振動検出システム。
【請求項３】
前記算出部は、複数の前記個別周期信号を、当該複数の個別周期信号の夫々に含まれるノイズの分散の逆数を重みとして平均化することで、前記標準周期信号を算出する、
請求項１又は２に記載の振動検出システム。
【請求項４】
前記算出部は、複数の前記個別周期信号の中央値を、前記標準周期信号として算出する、
請求項１又は２に記載の振動検出システム。
【請求項５】
前記蓄積部は、前記算出部が算出した前記標準周期信号を、環境条件に対応付けて蓄積し、
前記生成部は、前記受振装置が前記振動信号を受信したときの環境条件に対応する前記標準周期信号に基づいて前記差分信号を生成する、
請求項１から４のいずれかに記載の振動検出システム。
【請求項６】
前記震源装置は、水平方向の振動と鉛直方向の振動とを含む振動波を発生する震源装置であり、第１期間に第１極性の振動信号を有する第１振動波を発生し、前記第１期間と同じ長さの第２期間に前記第１極性を水平方向又は鉛直方向に反転させた第２極性の振動信号を有する第２振動波を発生する、
請求項１から５のいずれかに記載の振動検出システム。
【請求項７】
前記震源装置は、前記第１期間と前記第２期間との間の反転期間に遷移振動波を発生し、
前記算出部は、複数回の前記反転期間において前記受振装置が受信した前記遷移振動波に基づく振動信号の中央値を、当該反転期間における前記標準周期信号として算出する、
請求項６に記載の振動検出システム。
【請求項８】
前記震源装置は、前記第１期間と前記第２期間との間の反転期間に遷移振動波を発生し、
前記算出部は、前記第１期間又は前記第２期間に算出した前記地盤の伝達関数と、前記遷移振動波とに基づいて、前記標準周期信号を算出する、
請求項６に記載の振動検出システム。
【請求項９】
発生する振動波の周波数が夫々異なる複数の震源装置を備える、
請求項１から８のいずれかに記載の振動検出システム。
【請求項１０】
受振装置が受信した振動信号から震源装置が発生した振動波に基づく信号を除去する信号処理装置であって、
前記受振装置が受信した振動信号を蓄積する蓄積部と、
蓄積した前記振動信号から前記震源装置が発生する前記振動波の周期性に応じた周期を有する個別周期信号を分離する分離部と、
分離した前記個別周期信号から標準周期信号を算出する算出部と、
前記受振装置が受信した前記振動信号と前記標準周期信号との差分を示す差分信号を生成する生成部と、
を備える信号処理装置。
【請求項１１】
受振装置が受信した振動信号から震源装置が発生した振動波に基づく信号を除去する信号処理方法であって、
前記受振装置が受信した振動信号を蓄積するステップと、
蓄積した前記振動信号から前記震源装置が発生する前記振動波の周期性に応じた周期を有する個別周期信号を分離するステップと、
分離した前記個別周期信号から標準周期信号を算出するステップと、
前記受振装置が受信した前記振動信号と前記標準周期信号との差分を示す差分信号を生成するステップと、
を含む信号処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、震源装置から発生した振動波の影響を除去して地中の振動を検出する振動検出システム、信号処理装置及び信号処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、人為的に発生した振動波を地下に放射するとともに、地下を伝わった振動を地表付近で受信することで、地下内部の様子を観察する能動的地震探査が知られている。このような能動的地震探査に好適な定常震源として、常設型の震源装置であるＡＣＲＯＳＳ（Accurately  Controlled  Routinely  Operated  Signal  System）が注目されている。ＡＣＲＯＳＳは、円柱状の偏心錘を回転させることで精密に制御した信号（振動波）を発生させることができ、地下内部の観察に適している。
【０００３】
特許文献１には、震源装置が発生した信号が岩脈層で反射して生成される反射波のエネルギーを記録することにより、地下内部の様子を観察する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３０４１００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、近年、新しい天然ガス資源としてシェールガスが注目されている。シェールガスは、シェールガスを含む頁岩層に水平にパイプを入れ、このパイプから高圧の水を噴射することで人工的に割れ目（フラクチャー）をつくる、所謂、水圧破砕法を用いて採取される。
【０００６】
ここで、水圧破砕法による制御には、水圧破砕に伴うマイクロサイスミックの常時観測によるフラクチャー発生域の監視が重要となってくる。この点、上述の能動的地震探査に用いる震源装置を、水圧破砕を行っている地点の近傍で動作させていると、この震源装置から発生した振動波が水圧破砕に伴うマイクロサイスミックのノイズとなってしまい、マイクロサイスミックの正確な観測を行うことができない。
そのため、通常、マイクロサイスミック観測時には震源装置の運転を停止し、能動的地震探査をマイクロサイスミック観測時以外に実施することとしている。
【０００７】
また、自然地震の予知／予測は、前震やプレスリップを２４時間体制で監視することが重要になってくるが、震源装置から発生した振動波は、このような自然地震の監視にとってもノイズとなって現れる。
この点、自然地震はいつ発生するかわからないため、自然地震の発生に併せて震源装置の運転を停止することはできず、震源装置を停止することなく監視可能な更なる工夫が求められている。
【０００８】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、震源装置から発生した振動波による影響を除去可能な振動検出システム、信号処理装置及び信号処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様においては、所定の周期で繰り返される振動波を発生する震源装置と、地盤を介して伝達された前記振動波に基づく応答波を受信する受振装置と、前記受振装置が受信した応答波に応じた振動信号を処理する信号処理装置と、を備える振動検出システムを提供する。この振動検出システムにおいて、前記信号処理装置は、前記受振装置が受信した振動信号を蓄積する蓄積部と、蓄積した前記振動信号から前記震源装置が発生する前記振動波の周期性に応じた周期を有する個別周期信号を分離する分離部と、分離した前記個別周期信号から標準周期信号を算出する算出部と、前記受振装置が受信した前記振動信号と前記標準周期信号との差分を示す差分信号を生成する生成部と、を備える。
【００１０】
また、前記震源装置は、発生する前記振動波の周波数を、前記周期内で変化させることとしてもよい。
【００１１】
また、前記算出部は、複数の前記個別周期信号を、当該複数の個別周期信号の夫々に含まれるノイズの分散の逆数を重みとして平均化することで、前記標準周期信号を算出することとしてもよい。
【００１２】
また、前記算出部は、複数の前記個別周期信号の中央値を、前記標準周期信号として算出することとしてもよい。
【００１３】
また、前記蓄積部は、前記算出部が算出した前記標準周期信号を、環境条件に対応付けて蓄積し、前記生成部は、前記受振装置が前記振動信号を受信したときの環境条件に対応する前記標準周期信号に基づいて前記差分信号を生成することとしてもよい。
【００１４】
また、前記震源装置は、水平方向の振動と鉛直方向の振動とを含む振動波を発生する震源装置であり、第１期間に第１極性の振動信号を有する第１振動波を発生し、前記第１期間と同じ長さの第２期間に前記第１極性を水平方向又は鉛直方向に反転させた第２極性の振動信号を有する第２振動波を発生することとしてもよい。
【００１５】
また、前記震源装置は、前記第１期間と前記第２期間との間の反転期間に遷移振動波を発生し、前記算出部は、複数回の前記反転期間において前記受振装置が受信した前記遷移振動波に基づく振動信号の中央値を、当該反転期間における前記標準周期信号として算出することとしてもよい。
【００１６】
また、前記震源装置は、前記第１期間と前記第２期間との間の反転期間に遷移振動波を発生し、前記算出部は、前記第１期間又は前記第２期間に算出した前記地盤の伝達関数と、前記遷移振動波とに基づいて、前記標準周期信号を算出することとしてもよい。
【００１７】
また、発生する振動波の周波数が夫々異なる複数の震源装置を備えることとしてもよい。
【００１８】
本発明の第２の態様においては、受振装置が受信した振動信号から震源装置が発生した振動波に基づく信号を除去する信号処理装置を提供する。この信号処理装置は、前記受振装置が受信した振動信号を蓄積する蓄積部と、蓄積した前記振動信号から前記震源装置が発生する前記振動波の周期性に応じた周期を有する個別周期信号を分離する分離部と、分離した前記個別周期信号から標準周期信号を算出する算出部と、前記受振装置が受信した前記振動信号と前記標準周期信号との差分を示す差分信号を生成する生成部と、を備える。
【００１９】
本発明の第２の態様においては、受振装置が受信した振動信号から震源装置が発生した振動波に基づく信号を除去する信号処理方法を提供する。この信号処理方法は、前記受振装置が受信した振動信号を蓄積するステップと、蓄積した前記振動信号から前記震源装置が発生する前記振動波の周期性に応じた周期を有する個別周期信号を分離するステップと、分離した前記個別周期信号から標準周期信号を算出するステップと、前記受振装置が受信した前記振動信号と前記標準周期信号との差分を示す差分信号を生成するステップと、を含む。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、震源装置から発生した振動波による影響を除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】振動検出システムのシステム構成を示す図である。
【図２】震源装置が発生させる振動波を示す図である。
【図３】信号処理装置の機能構成を示すブロック図である。
【図４】信号処理装置の制御部の制御の概要を示す図である。
【図５Ａ】受振装置において受信した測定振動信号の一例を示す図である。
【図５Ｂ】測定振動信号の離散フーリエ変換の結果を模式的に示す図である。
【図６】制御部の処理の流れを示すフローチャートである。
【図７】震源装置の構成を示す図である。
【図８】震源装置が発生させる振動波を示す図である。
【図９】受振装置において受信した測定振動信号の一例を示す図である。
【図１０】反転期間における標準周期信号の算出方法の一例を示す図である。
【図１１】震源装置を２台備える振動検出システムのシステム構成を示す図である。
【図１２】測定振動信号の離散フーリエ変換の結果を模式的に示す図である。
【図１３】震源装置及び受振装置の実験時の設置例を示す図である。
【図１４】実験結果の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
［振動検出システムＳの概要］
初めに、図１を参照して、本発明の振動検出システムＳの概要について説明する。図１は、振動検出システムＳのシステム構成を模式的に示す図である。
図１に示すように、振動検出システムＳは、信号処理装置１と、震源装置５０と、複数の受振装置６０と、を含んで構成される。なお、信号処理装置１、震源装置５０及び受振装置６０は、ＧＰＳシステム１００により同期がとられている。
【００２３】
震源装置５０は、制御された定常の振動波を人為的に発生させ、地下に向かって放射する。ここで、震源装置５０が発生させる振動波の概要を、図２に示す。図２に示すように、震源装置５０は、所定の周期（例えば、２００秒）で繰り返される振動波を発生する。震源装置５０から発生する振動波は、所定の周期内で周波数が変化するスイープ波形を有する。具体的には、本実施形態の震源装置５０は、２００秒周期内で５Ｈｚから５０Ｈｚの間で周波数が変化する振動波を発生させる。
【００２４】
複数の受振装置６０は、夫々が異なる地点に設置される３軸（ＸＹＺ）の地震計である。夫々の受振装置６０は、震源装置５０から発生し地盤を介して伝達された振動波（応答波）に基づく振動信号を受信し、設置地点における地中の振動を測定する。
ここで、受振装置６０の近傍で水圧破砕を行った場合や、自然地震が発生した場合等は、受振装置６０は、震源装置５０が発生した振動波に基づく振動信号に加えて、水圧破砕に伴うマイクロサイスミックに基づく振動信号、及び自然地震に基づく振動信号も併せて受信することになる。なお、以下では、受振装置６０が受信した振動信号を測定振動信号と呼ぶ。この測定振動信号の中には、震源装置５０から発生した振動波に基づく振動信号に加え、マイクロサイスミックや自然地震に基づく振動信号が含まれるが、測定振動信号の中のマイクロサイスミックや自然地震に基づく振動信号を、以下では、差分信号と呼ぶ。
【００２５】
信号処理装置１は、複数の受振装置６０の夫々と通信可能に接続され、受振装置６０が受信した測定振動信号を取得し解析する。具体的には、信号処理装置１は、測定振動信号から震源装置５０の振動波に基づく影響を除去して、差分信号を抽出する。なお、信号処理装置１は、震源装置５０とも通信可能に接続され、震源装置５０から必要に応じて各種情報を取得することとしてもよい。
以下、信号処理装置１が差分信号を抽出するための具体的な構成について説明する。
【００２６】
［信号処理装置１の構成］
図３は、信号処理装置１の機能構成を示すブロック図である。図３に示すように、信号処理装置１は、通信部２と、蓄積部３と、制御部４と、を含んで構成される。
【００２７】
通信部２は、有線又は無線の所定の通信回線を介して、震源装置５０及び受振装置６０の夫々との間で各種情報の送受信を行う。一例として、通信部２は、受振装置６０の夫々から、夫々の受振装置６０で測定した測定振動信号を受信する。受振装置６０から受信した測定振動信号は、制御部４に供給され、制御部４において震源装置５０の振動波に基づく影響が除去され、差分信号が抽出される。
また、通信部２は、震源装置５０から、震源装置５０の動作のログ情報を受信する。このログ情報を解析することで、信号処理装置１は、震源装置５０から発生する振動波を算出することができる。図２に示すように、定常運転中において震源装置５０は精密に制御されているため、発生する振動波も予め制御されたものとなる。これに対して、後述する反転期間は、震源装置５０の制御が安定しないため、発生する振動波も安定しない。この点、このような制御が安定しない期間であっても、信号処理装置１は、ログ情報を用いて振動波を算出することができる。
【００２８】
図３に戻り、蓄積部３は、例えば、ＲＯＭ及びＲＡＭ等により構成される。蓄積部３は、信号処理装置１を機能させるための各種プログラムや各種データを蓄積する。また、蓄積部３は、通信部２を介して震源装置５０及び受振装置６０から受信した各種情報を蓄積する。具体的には、蓄積部３は、受振装置６０が受信した測定振動信号、及び震源装置５０から受信したログ情報等を蓄積する。
【００２９】
なお、地盤の伝達関数は、気象や温度等の環境条件に応じて異なることがあり、環境条件が異なる場合には、震源装置５０から発生した振動波が、受振装置６０において異なる振動信号として受信されることがある。極端な一例としては、冬季において地盤が凍結し、夏季において凍結した地盤が解凍される寒冷地では、冬季の凍結した地盤の伝達関数と、夏季のぬかるんでいる地盤の伝達関数とが異なり、受振装置６０において受信する受振信号も異なる。なお、後述する図１４に示すように、降雨による影響が実際に確認された。そのため、蓄積部３は、受振装置６０が受信した測定振動信号（詳細には、後述の標準周期信号）を、環境条件に対応付けて蓄積することとしてもよい。
【００３０】
制御部４は、例えばＣＰＵにより構成される。制御部４は、蓄積部３に蓄積されている各種プログラムを実行することにより、信号処理装置１に係る機能を統括的に制御する。具体的には、制御部４は、受振装置６０が受信した測定振動信号から、震源装置５０の振動波に基づく影響を除去した差分信号を抽出する。
【００３１】
ここで、制御部４の制御の概要を図４に示す。定常運転状態において、震源装置５０から発生する振動波は精密に制御され、周期性を有するスイープ波形を有する（図２参照）。そのため、自然地震等の他の振動が発生していない状況では、受振装置６０は、略一定の測定振動信号を周期的に受信することになる。本実施形態では、このような略一定の測定振動信号を、標準周期信号として算出する。
【００３２】
一方、自然地震等が発生した場合、受振装置６０は、震源装置５０から発生する振動波と自然地震等に伴う振動波とに基づく測定振動信号を受信することになる。そこで、制御部４は、受振装置６０が受信した測定振動信号から、標準周期信号を減算することで、受振装置６０による影響を除去し、自然地震等に伴う振動波に基づく差分信号のみを抽出する。より具体的には、測定振動信号を、標準周期信号と同じ長さの個別周期信号に分離し、この個別周期信号から標準周期信号を減算することで、差分信号を抽出する。
以下、制御部４の具体的な構成について説明する。
【００３３】
［定常運転中の制御］
初めに、震源装置５０が定常運転中に、制御部４が行う制御について説明する。
ここで、人為的に振動波を発生させる震源装置として、鉛直又は水平方向のいずれか一方の振動波のみを発生する震源装置、及び、鉛直及び水平方向の双方の振動波を発生する震源装置が知られている。例えば、地面に対して上下振動を与えることで振動波を発生する震源装置は、鉛直方向の振動波のみを発生する震源装置であり、上述のＡＣＲＯＳＳのように偏心錘を回転させることで振動波を発生する震源装置は、鉛直及び水平方向の双方の振動波を発生する震源装置である。以下において説明する定常運転中の制御は、これら双方の震源装置において好適に適用することができる。
【００３４】
図３に戻り、制御部４は、分離部４１と、算出部４２と、生成部４３と、を含んで構成される。
【００３５】
分離部４１は、受振装置６０が受信した測定振動信号から震源装置５０が発生する振動波の周期性に応じた周期を有する個別周期信号を分離する。ここで、震源装置５０が発生する振動波の周期性に応じた周期とは、「震源装置５０が発生する振動波の周期×Ｎ（Ｎ＝２以上の整数）」である。本実施形態では、震源装置５０が発生する振動波の周期が２００秒であるので、分離部４１は、測定振動信号から例えば４００秒（Ｎ＝２）毎の個別周期信号を分離する。
【００３６】
算出部４２は、分離した個別周期信号から標準周期信号を算出する。より具体的には、個別周期信号に対して離散フーリエ変換を行い、個別周期信号のばらつきの影響が抑制された標準周期信号を算出する。算出部４２による標準周期信号の算出方法は任意であるが、図５を参照して、算出方法の一例について説明する。
【００３７】
図５Ａは、一の受振装置６０において受信した測定振動信号の一例を示す図である。横軸は秒数を示し、縦軸は時間を示している。横軸が「０秒〜３６００秒」であるので、図５Ａにおける１行は、１時間単位の測定振動信号の受信結果を示し、縦軸が「１時〜２４時」であるので、図５Ａ全体では、１日単位の測定振動信号の受信結果を示す。
【００３８】
上述したように、受振装置６０が受信した測定振動信号のうち４００秒毎の振動信号が、個別周期信号となる。算出部４２は、４００秒単位の個別周期信号に対して離散フーリエ変換を行う。図５Ｂは、離散フーリエ変換の結果を模式的に示す図である。
定常運転の震源装置５０は、振動波が２００秒周期のスイープ波形となるように精密に制御される。そのため、４００秒単位で離散フーリエ変換を行うと、震源装置５０から発生した振動波のスペクトルは、周波数Ｆ＝５．０００，５．００５，５．０１０，・・・４９．９９５，５０．０００Ｈｚのように０．００５Ｈｚ（１／２００）毎に現れる。他方、周波数Ｆ＋０．００２５Ｈｚ（１／４００）には、震源装置５０の振動波に基づく振動信号のスペクトルは現れず、地動ノイズ等のノイズが現れる。
【００３９】
［定常運転中の標準周期信号の算出方法１］
算出部４２は、複数の個別周期信号を、複数の個別周期信号の夫々に含まれるノイズの分散の逆数を重みとして平均化することで、標準周期信号を算出する。具体的には、算出部４２は、震源装置５０から発生した振動波が現れる周波数Ｆに、周波数Ｆ＋０．００２５Ｈｚに現れるノイズ成分の分散の逆数を掛けた上で、複数の個別周期信号の平均値をとる。そして、算出した重み付け平均値を逆フーリエ変換し、標準周期信号を算出する。
このようなノイズの分散の逆数を重みとして用いることで、ノイズの影響を１／√Ｍ（Ｍ＝平均値の算出に用いる個別周期信号の数）にすることができる。即ち、個別周期信号の蓄積数を増やすことにより、ノイズの影響が低減する。
【００４０】
［定常運転中の標準周期信号の算出方法２］
また、算出部４２は、複数の個別周期信号の中央値を、標準周期信号として算出することとしてもよい。具体的には、算出部４２は、震源装置５０から発生した振動波が現れる周波数Ｆの複数の個別周期信号における中央値を取り、逆フーリエ変換することで、標準周期信号を算出する。
【００４１】
このように、ノイズの分散に基づく重み付け平均、又は周波数成分Ｎ２の中央値から標準周期信号を算出することで、定常運転中の制御された振動波に基づく標準周期信号を推定することができる。
なお、震源装置５０から発生した振動波の測定結果は、受振装置６０の設置位置により異なる。そのため、算出部４２は、複数の受振装置６０の夫々について、標準周期信号を算出する。また、上述のように、震源装置５０から発生した振動波の測定結果は、気象や温度等の環境条件に応じて異なる。そのため、算出部４２は、環境条件に応じて標準周期信号を算出することが好ましい。
【００４２】
図３に戻り、生成部４３は、受振装置６０が受信した測定振動信号から標準周期信号を減算し、測定振動信号と標準周期信号との差分を示す差分信号を生成する。このとき、生成部４３は、受振装置６０が測定振動信号を受信したときの環境条件に対応する標準周期信号に基づいて差分信号を生成することとしてもよい。
【００４３】
ここで、測定振動信号にマイクロサイスミックや自然地震等の他の振動に基づく振動信号が含まれない場合、同期間（４００秒）における測定振動信号と標準周期信号とは略一致する。他方、測定振動信号にマイクロサイスミックや自然地震等の他の振動に基づく振動信号が含まれる場合、同期間の測定振動信号であっても、この振動信号の分だけ標準周期信号と異なる。そのため、生成部４３が生成した差分信号を観察することで、震源装置５０が動作している状況であっても、受振装置６０においてマイクロサイスミックや自然地震等を検出することができる。
【００４４】
［定常運転中の処理フロー］
図６は、震源装置５０が定常運転中の制御部４の処理の流れを示すフローチャートである。
【００４５】
ステップＳ１において、通信部２が受振装置６０から測定振動信号を受信すると、蓄積部３は、受信した測定振動信号を蓄積する。続いて、ステップＳ２において、分離部４１は、測定振動信号を、震源装置５０が発生する振動波の周期性に応じた周期を有する個別周期信号に分離する。
【００４６】
続いて、ステップＳ３において、算出部４２は、個別周期信号から標準周期信号を算出する。具体的には、算出部４２は、ノイズに対応する周波数成分Ｎ２＋０．００２５Ｈｚの分散の逆数を重みとした重み付け平均、又は震源装置５０から発生した振動波が現れる周波数成分Ｎ２の中央値に基づいて、標準周期信号を算出する。続いて、ステップＳ４において、生成部４３は、測定振動信号から標準周期信号を減算し、震源装置５０の影響を除去する。
【００４７】
以上、震源装置５０が定常運転中の制御の詳細について説明した。続いて、震源装置５０が反転運転可能である場合の制御について説明する。
【００４８】
［能動的地震探査の概要］
震源装置５０を用いた能動的地震探査は、大まかに説明すると、震源装置５０から発生した振動波の振動信号と、受振装置６０が受信した測定振動信号とから、地盤の伝達関数を求め、この伝達関数を用いて振幅解析や走時解析を行う。
【００４９】
ここで、上述のＡＣＲＯＳＳのような偏心錘を回転させることで振動波を発生させる震源装置では、鉛直及び水平方向の振動波が発生する。図７は、このような震源装置５０を模式的に示す図であり、図７（Ａ）は、震源装置５０の斜視図を示し、図７（Ｂ）は、震源装置５０の正面図を示す。
図７（Ａ）に示すように、震源装置５０は、回転軸５１に対し偏心した錘５２をサーボモータ５３で精密に制御して回転させることで、振動波を発生させる。
【００５０】
図７（Ｂ）に示すように、錘５２を正方向に回転させた場合に水平方向「Ｘ」、鉛直方向「Ｚ」の振動波が震源装置５０から発生すると想定すると、錘５２を逆方向に回転させた場合には水平方向「−Ｘ」、鉛直方向「Ｚ」の振動波が震源装置５０から発生することになる。
そこで、震源装置５０は、第１期間に第１極性の振動信号を有する第１振動波を発生させ、第１期間と同じ長さの第２期間に第１極性を水平方向又は鉛直方向に反転させた第２極性の振動信号を有する第２振動波を発生させる。具体的には、震源装置５０は、第１期間に錘５２を正方向に回転させて水平方向「Ｘ」、鉛直方向「Ｚ」の振動波を発生させ、第２期間に錘５２を逆方向に回転させて水平方向「−Ｘ」、鉛直方向「Ｚ」の振動波を発生させる。
【００５１】
ここで、震源装置５０が発生させる振動波の一例を図８に示す。図８において横軸は時間（秒）であり、縦軸は振動波のサイン付の周波数である。図８（Ａ）は、錘５２を正回転させた場合の１時間分の振動波の周波数を示し、図８（Ｂ）は、図８（Ａ）の次の１時間において錘５２を逆回転させた場合の１時間分の振動波の周波数を示す。
なお、図８では、「０秒〜２８００秒」の間は、震源装置５０を定常運転（正回転又は逆回転）しており、「２８００秒〜３０００秒」の間では、震源装置５０を反転制御している。また、「３０００秒〜３６００秒」の間では、次の１時間のための慣らし運転（逆回転又は正回転）を行っている。
【００５２】
正回転時に震源装置５０から発生した振動波と逆回転時に震源装置５０から発生した振動波とを加算すると、振動波の水平方向成分を除去することができ、正回転時に震源装置５０から発生した振動波から逆回転時に震源装置５０から発生した振動波を減算すると、振動波の鉛直方向成分を除去することができる。
同様に、正回転時に受振装置６０で受信した測定振動信号と逆回転時に受振装置６０で受信した測定振動信号とを加算すると、測定振動信号の水平方向成分を除去することができ、正回転時に受振装置６０で受信した測定振動信号から逆回転時に受振装置６０で受信した測定振動信号を減算すると、測定振動信号の鉛直方向成分を除去することができる。
【００５３】
このような水平方向成分又は鉛直方向成分を除去した振動波の振動信号や測定振動信号を用いることで、鉛直方向又は水平方向に着目した伝達関数を算出することができ、能動的地震探査を多様な観点から実施することができる。
【００５４】
［反転運転に伴う制御］
ところで、偏心錘を回転させることで振動波を発生させる震源装置５０の場合、偏心錘を一定の態様で回転可能な状況では、発生させる振動波を制御することができ、発生させる振動波の再現性を確保することができる。この偏心錘を一定の態様で回転可能な状況は、例えば、図８における定常運転中（０秒〜２８００秒）及び慣らし運転中（３０００秒〜３６００秒）が該当する。
【００５５】
これに対して、反転運転中（２８００秒〜３０００秒）では、偏心錘を減速し、停止させた後に、逆方向へ加速させる必要がある。このように偏心錘を逆回転させる反転運転中は、震源装置５０から発生する振動波を精密に制御することができず、再現性が低くなる。上述した定常運転中の標準周期信号を用いる制御は、震源装置５０から発生する振動波の周期性に着目したものであり、振動波の再現性を確実に確保できない反転運転中に適用することは困難である。
そこで、本発明の振動検出システムＳは、以下に示す方法により、震源装置５０の反転運転中であっても、自然地震等の他の振動の検出を可能にしている。
【００５６】
［反転運転中の制御１］
震源装置５０が偏心錘を正回転させる第１期間と逆回転させる第２期間との間の反転期間に発生する振動波を、遷移振動波とする。以下に示す制御１では、算出部４２は、複数回の反転期間において受振装置６０が受信した遷移振動波に基づく測定振動信号の中央値を、当該反転期間における標準周期信号として算出する。
【００５７】
図９は、一の受振装置６０において受信した測定振動信号の一例を示す図である。偏心錘の回転方向を１時間毎に反転させる場合、正回転から逆回転に反転する際の測定振動信号、及び逆回転から正回転に反転する際の測定振動信号を、１日あたり夫々１２データ取得することができる。
算出部４２は、これら複数（１２データ）の測定振動信号の中央値をとり、反転期間における標準周期信号を算出する。具体的には、算出部４２は、反転期間中の任意の時間Ｔにおける測定振動信号Ａ１乃至Ａ１２の中央値を、正回転から逆回転に反転する際の標準周期信号として算出する。また、算出部４２は、反転期間中の任意の時間Ｔにおける測定振動信号Ｂ１乃至Ｂ１２の中央値を、逆回転から正回転に反転する際の標準周期信号として算出する。
【００５８】
算出した標準周期信号を、反転運転時において受振装置６０が受信した測定振動信号から減算することで、反転運転中であっても、震源装置５０の影響を除去することができる。
本発明者らが制御１を用いて反転運転中の振動の検出を行ったところ、震源装置５０の近傍（１０ｍ）の受振装置６０を除き、他の受振装置６０において５０μカイン（＝５×１０−７ｍ／ｓ）の地動データを検出することができた。また、自然地震のような一定の大きさ以上の振動は、全ての受振装置６０において検出することができた。
【００５９】
［反転運転中の制御２］
また、制御２では、算出部４２は、震源装置５０の定常運転中（第１期間中又は第２期間中）に震源装置５０から受振装置６０までの地盤の伝達関数を算出しておき、反転運転中の遷移振動波と算出した伝達関数とに基づいて、反転期間における標準周期信号を算出する。
【００６０】
図１０（Ａ）に示すように、震源装置５０から発生する振動波の振動信号を「ｆ（ω）」、受振装置６０において受信する測定振動信号を「Ｒ（ω）」とすると、震源装置５０から受振装置６０までの地盤の伝達関数Ｈ（ω）は、以下の式により算出することができる。
Ｈ（ω）＝ｆ（ω）×Ｒ（ω）
【００６１】
反転運転時において、震源装置５０から発生する振動波は制御されておらず予め把握することはできないものの、信号処理装置１は、震源装置５０の動作のログ情報（例えば、偏心錘の位置や速度等）から、震源装置５０から実際に発生している振動波を算出することができる。そのため、反転運転時であっても、震源装置５０から発生する振動波の振動信号ｆ（ω）を取得することができる。
また、震源装置５０から受振装置６０までの地盤の伝達関数Ｈ（ω）は、定常運転時において既に算出しているため、標準周期信号Ｒ´（ω）は、以下の式により算出することができる。
Ｒ´（ω）＝Ｈ（ω）／ｆ（ω）
【００６２】
このようにして算出した標準周期信号Ｒ´（ω）を、反転運転時において受振装置６０が実際に受信した測定振動信号Ｒ（ω）から減算することで、精密な制御が困難な反転運転中であっても、震源装置５０の影響を除去し、自然地震等の他の振動を検出することができる。
【００６３】
なお、定常運転中に水圧破砕等を行い地盤にフラクチャー（割れ目）を発生させた場合、伝達関数Ｈ（ω）は、厳密にみると変化している。このような変化は、半年や１年等のような時間間隔でみると変化の蓄積により無視することができなくなるものの、単発又は少数回のフラクチャー発生であれば、震源装置５０の振動波のレベルでみると十分に無視できる。そのため、反転運転の近傍（例えば、直前の２４時間）の定常運転中に算出した伝達関数Ｈ（ω）を用いたとしても、震源装置５０の影響を除去することができ、自然地震等の他の振動を検出することができる。
【００６４】
ところで、本実施形態では、震源装置５０は、正回転の定常運転中に「５Ｈｚ〜５０Ｈｚ」の間で変化する振動波を発生させ、逆回転の定常運転中に「−５Ｈｚ〜−５０Ｈｚ」の間で変化する振動波を発生させる。そのため、定常運転中には、震源装置５０から「±５Ｈｚ〜±５０Ｈｚ」の範囲の振動波が発生することになり、この「±５Ｈｚ〜±５０Ｈｚ」の範囲において、伝達関数Ｈ（ω）を算出することができる。
【００６５】
ここで、反転運転中は、振動波の振動信号の極性が反転するため、震源装置５０から「５Ｈｚ〜−５Ｈｚ」の範囲の振動波が発生することになる。この点、「５Ｈｚ〜−５Ｈｚ」の範囲の振動波は、定常運転中に発生することがないため、「５Ｈｚ〜−５Ｈｚ」の範囲の伝達関数Ｈ（ω）を算出することはできない。
そのため、制御２による方法では、反転運転時の「５Ｈｚ〜−５Ｈｚ」の範囲では、標準周期信号Ｒ´（ω）を算出することができない。
【００６６】
しかしながら、「５Ｈｚ〜−５Ｈｚ」の振動波は十分に小さいため、震源装置５０の近傍に位置する受振装置６０以外では概ね無視することができる。実際、本発明者らが制御２を用いて反転運転中の振動の検出を行ったところ、震源装置５０から７０ｍ離れた受振装置６０では、５０μカイン（＝５×１０−７ｍ／ｓ）の地動データを検出することができた。
【００６７】
また、震源装置５０から発生させる振動波は制御することができるため、伝達関数Ｈ（ω）を算出できない範囲があったとしても、震源装置５０の影響をより軽減することができる。一例として、震源装置５０から発生させる振動波を、「±５Ｈｚ〜±５０Ｈｚ」ではなく、「±１Ｈｚ〜±５０Ｈｚ」の範囲とすることで、伝達関数Ｈ（ω）を算出できない範囲を「１Ｈｚ〜−１Ｈｚ」に狭めることができ、震源装置５０の影響を十分に小さくすることができる。
もちろん、定常運転中に算出した「±５Ｈｚ〜±５０Ｈｚ」の範囲の伝達関数Ｈ（ω）から、伝達関数を算出できない「５Ｈｚ〜−５Ｈｚ」の範囲の伝達関数を外挿し、用いることとしてもよい。
【００６８】
［複数の震源装置５０を用いる場合の制御］
震源装置５０を用いた能動的地震探査は、発信元や受信先の数を増やすことで精度を高めることができため、能動的地震探査では、複数の震源装置５０を用いることがある。
続いて、複数の震源装置５０を用いる場合の制御について説明する。
【００６９】
図１１に示すように、複数（２台）の震源装置５０Ａ，５０Ｂを用いる場合、受振装置６０において受信した測定振動信号から、夫々の震源装置５０Ａ，５０Ｂから発生した振動波に基づく振動信号を適切に分離する必要がある。そこで、震源装置５０Ａ，５０Ｂは、夫々異なる周波数の振動波を発生する。
図１１に示す例では、震源装置５０Ａから発生させる振動波の周波数を「Ｎ（５Ｈｚ〜５０Ｈｚ）」とし、震源装置５０Ｂから発生させる振動波の周波数を「Ｎ＋０．００２５Ｈｚ（５．００２５Ｈｚ〜５０．００２５Ｈｚ）」としている。震源装置５０Ａ，５０Ｂをこのように制御した場合、２００秒毎に震源装置５０Ａ，５０Ｂの位相が反転し、４００秒毎に震源装置５０Ａ，５０Ｂの位相が一致する。
【００７０】
そこで、分離部４１は、受振装置６０が受信した測定振動信号から、震源装置５０Ａ，５０Ｂが発生する振動波夫々の周期性に応じた周期を有する個別周期信号を分離する。図１１に示す例では、震源装置５０Ａ，５０Ｂの位相は、４００秒毎に一致するため、分離部４１は、測定振動信号から、例えば、８００秒毎の個別周期信号を分離する。
【００７１】
そして、算出部４２が、分離した個別周期信号（８００秒）に対して離散フーリエ変換を行うと、図１２に示すように、震源装置５０Ａから発生した振動波のスペクトルは、周波数Ｎ＝５．０００，５．００５，５．０１０，・・・４９．９９５，５０．０００Ｈｚに現れ、震源装置５０Ｂから発生した振動波のスペクトルは、周波数Ｎ＋０．００２５＝５．００２５，５．００７５，５．０１２５，・・・４９．９９７５，５０．００２５Ｈｚに現れる。
これにより、震源装置５０Ａ，５０Ｂから発生した振動波に基づく振動信号を適切に分離することができる。
【００７２】
なお、以降の制御は、既に説明したのと同様であるため、詳細は省略するが、一例として、周波数Ｎ＋０．００１２５には、震源装置５０Ａ，５０Ｂの振動波のスペクトルは現れず、地動ノイズ等のノイズが現れるため、例えば、「定常運転中の標準周期信号の算出方法１」において説明したのと同様に、ノイズの分散の逆数を用いた重み付け平均等により標準周期信号を算出することができる。
【００７３】
［実験データ］
以上、本発明の振動検出システムＳの実施形態について説明した。続いて、本発明者らが柏崎テストフィールドにおいて行った実験データの一部を図１３，１４に示す。
図１３に示すように、本発明者らはテストフィールドに２台の震源装置５０Ａ，５０Ｂと、１０台の受振装置６０Ａ乃至６０Ｊを設置し、受振装置６０Ａ乃至６０Ｊにおいて受信した測定振動信号から、震源装置５０Ａ，５０Ｂから発生した振動波による影響を除去する実験を行った。図１４は、受振装置６０Ｇにおける測定振動信号の原波形（図１４（Ａ））と、影響除去処理後の差分信号の信号波形（図１４（Ｂ））とを示す図である。
【００７４】
なお、本発明者らは、本実験において、定常運転中「０秒〜２８００秒」、及び慣らし運転中「３０００秒〜３６００秒」において、ノイズの分散の逆数を用いた重み付け平均を用いて標準周期信号を算出し、震源装置５０Ａ，５０Ｂの振動波の影響を除去した。また、本発明者らは、反転運転中「２８００秒〜３０００秒」において、複数（１２データ）の測定振動信号の中央値から標準周期信号を算出し、震源装置５０Ａ，５０Ｂの振動波の影響を除去した。
また、２４時の「３０００秒〜３６００秒」については、比較のため影響除去処理を行っていない。
【００７５】
図１４を参照すると、震源装置５０Ａ，５０Ｂの振動波の影響を適切に除去できていることを確認できる。その結果、例えば、符号１１１の時点において発生した自然地震も受振装置６０Ｇにおいて適切に検出できている。
なお、符号１１２の時点において処理後の信号波形が若干乱れている。本発明者らが気象データを確認すると、符号１１２の時点において雨が降っていたことが確認できた。このことから、気象や温度等の環境条件と受振装置６０で受信する測定振動信号との間に著しい相関があることが分かった。
【００７６】
［振動検出システムＳの効果］
以上説明した本発明の振動検出システムＳによれば、以下の効果を期待できる。
【００７７】
振動検出システムＳでは、受振装置６０が受信した測定振動信号を個別周期信号に分離する。個別周期信号は、震源装置５０から発生する振動波の周期性に応じた周期毎に分離されることになるため、測定振動信号に自然地震等の他の振動信号が含まれていたとしても、複数の個別周期信号を比較することで、他の振動信号が含まれていない標準的な周期信号（標準周期信号）を算出することができる。
このように算出した標準周期信号は、自然地震等の他の振動信号の影響が除去され、震源装置５０の振動波に基づく振動信号による影響が現れるため、受振装置６０が受信した測定振動信号から標準周期信号を減算することで、震源装置５０の振動波の影響を除去することができる。これにより、震源装置５０の運転中であっても、受振装置６０において、自然地震等の他の振動の検出を行うことができる。
【００７８】
なお、震源装置５０が周期内で周波数が変化する振動波を発生させることで、様々な地質の地盤を探査することができ、好適である。
【００７９】
また、標準周期信号を、ノイズの分散の逆数を用いた重み付け平均や、震源装置５０の振動波が現れる周波数成分の中央値を用いて算出することで、自然地震等の他の振動の影響を適切に除去した標準周期信号を算出することができ、好適である。
【００８０】
また、気象や温度等の環境条件と受振装置６０で受信する測定振動信号との間には、著しい相関があるため、標準周期信号を環境条件に対応付けて蓄積することで、雨天等であっても、震源装置５０の運転中に自然地震等の他の振動の検出を行うことができ、好適である。
【００８１】
また、振動検出システムＳでは、震源装置５０から、第１極性の振動信号を有する第１振動波と、第１極性を水平方向又は鉛直方向に反転させた第２極性の振動信号を有する第２振動波と、を発生させ、第１振動波を発生する第１期間と、第２振動波を発生する第２期間とが繰り返されるように、震源装置５０を制御する。
振動検出システムＳでは、この第１振動波の受信結果である測定振動信号と、第２振動波の受信結果である測定振動信号とを加減算することで、震源装置５０から発生した振動波の水平方向成分や鉛直方向成分を除去することができる。その結果、振動検出システムＳでは、能動的地震探査を多様な観点から実施することができる。
【００８２】
なお、震源装置５０の定常運転中は発生する振動波を精密に制御することができるものの、極性を反転する反転運転中は、発生する振動波を精密に制御することはできない。この点、振動検出システムＳでは、反転運転中の遷移振動波の受信結果である測定振動信号の中央値や、定常運転中に算出しておいた伝達関数Ｈ（ω）を用いることで、実用に耐えるレベルの精度で、震源装置５０の振動波の影響を除去することができる。そのため、震源装置５０の反転運転中であっても、自然地震等の他の振動の検出を行うことができる。
【００８３】
また、振動検出システムＳでは、震源装置５０を複数台設けた場合であっても、夫々の震源装置５０の振動波の影響を除去することができるため、能動的地震探査を精度良く行うことができる。
【００８４】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【００８５】
１・・・信号処理装置、２・・・通信部、３・・・蓄積部、４・・・制御部、４１・・・分離部、４２・・・算出部、４３・・・生成部、５０・・・震源装置、６０・・・受振装置、Ｓ・・・振動検出システム
【図１】
2015224916.tif 000003
【図２】
2015224916.tif 000004
【図３】
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【図４】
2015224916.tif 000006
【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
2015224916.tif 000009
【図８】
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【図１０】
2015224916.tif 000011
【図１１】
2015224916.tif 000012
【図１２】
2015224916.tif 000013
【図１３】
2015224916.tif 000014
【図５Ａ】
2015224916.tif 000015
【図９】
2015224916.tif 000016
【図１４】
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