(57)【要約】  非線形相互作用から媒質内のマイクロサイズミックイベントを生成して媒質を特徴付ける方法及びシステムを提供する。この方法は、時系列として配列された第１の複数のパルスを備える第１のコード化音響信号を第１の音響源によって生成し、各パルスは中心周波数での変調信号を備え、時系列として配列された第２の複数のパルスを備える第２のコード化音響信号を第２の音響源によって生成し、各パルスは中心周波数での変調信号を備え、第２の複数のパルスにおける各パルス内の変調信号の中心周波数は第１の複数のパルスにおける対応するパルスに対する変調信号の中心周波数の選択された分数ｄである。この方法は、更に、混合領域において第１の音響信号及び第２の音響信号から非線形混合プロセスによって生成された第３の信号を含む検出信号を受信器によって受信し、ノイズ若しくは線形相互作用プロセスによって生成された信号、又はこれらの両方から非線形混合プロセスによって生成された第３の信号を抽出するために、及び、第１及び第２の音響信号の混合領域において生じるエミュレートされたマイクロサイズミックイベント信号を得るために、受信された信号のデータ処理若しくはコード化信号テンプレートとの相関処理、又はこれらの両方をプロセッサによって実行し、エミュレートされたマイクロサイズミックイベント信号に基づいて、媒質の特性を特徴付け、又は、媒質の特性の３Ｄ画像を作成する。
2014506317.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非線形相互作用から媒質内のマイクロサイズミックイベントを生成して前記媒質を特徴付ける方法であって、
時系列として配列された第１の複数のパルスを備える第１のコード化音響信号を第１の音響源によって生成し、前記第１の複数のパルスは時間的に隔たれており、各パルスは中心周波数での変調信号を備え、２つの連続するパルスの中心周波数は異なっており、
時系列として配列された第２の複数のパルスを備える第２のコード化音響信号を第２の音響源によって生成し、前記第２の複数のパルスは時間的に隔たれており、２つの連続するパルスの中央間の時間間隔は前記第１の複数のパルスにおける２つの対応するパルスの中央間の時間間隔と同様であり、開始時刻差は前記第２の複数のパルスのブロードキャストの開始時刻と前記第１の複数のパルスのブロードキャストの開始時刻との間で提供され、各パルスは変調信号を備えると共に前記第２の複数のパルスにおける各パルス内の前記変調信号の中心周波数は前記第１の複数のパルスにおける対応するパルスに対する前記変調信号の前記中心周波数の選択された分数ｄであり、
前記第１の音響源及び前記第２の音響源は、前記第１及び第２の音響信号の曲線が前記媒質内の混合領域において交差するように制御可能であり、
前記混合領域において前記第１の音響信号及び前記第２の音響信号から非線形混合プロセスによって生成された第３の信号を含む検出信号を受信器によって受信し、
ノイズ若しくは線形相互作用プロセスによって生成された信号、又はこれらの両方から非線形混合プロセスによって生成された前記第３の信号を抽出するために、前記第１及び第２の音響信号の前記混合領域において生じるエミュレートされたマイクロサイズミックイベント信号を得るために、前記受信された信号のデータ処理若しくはコード化信号テンプレートとの相関処理、又はこれらの両方を、プロセッサによって実行し、
前記エミュレートされたマイクロサイズミックイベント信号に基づいて、前記媒質の特性を特徴付け、若しくは、前記媒質の前記特性の３Ｄ画像を作成し、又はこれらの両方を行う、
方法。
【請求項２】
前記第１のコード化音響信号の生成は、前記第１の複数のパルスにおける２つの連続するパルスの中央間の時間間隔が各パルスの継続時間よりも大きくなるように前記第１のコード化音響信号を生成することを含む請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記非線形混合プロセスによって生成され前記受信器によって受信される前記第３の信号は、時系列で到達し時間的に隔たれた第３の複数のパルスを備え、２つの連続するパルスの中央間の時間間隔は前記第１の複数のパルスにおける２つの連続するパルスの中央間の時間間隔と同様であり、
前記第３の複数のパルスにおける各パルスは、前記第１の複数のパルスの対応するパルスの中心周波数及び前記第２の複数のパルスの対応するパルスの中心周波数の差と等しい各パルスの中心周波数を有する変調信号を備え、
前記第３の複数のパルスの各パルスの前記受信器における到達時刻は、前記第１の音響源から前記混合領域の中央までの伝播時間及び前記混合領域の前記中央から前記受信器までの伝播時間の合計によって前記第１の複数のパルスの対応するパルスの生成に対して遅延した時刻である、
請求項１記載の方法。
【請求項４】
複数の混合領域において生成されたエミュレートされたマイクロサイズミックイベントから信号を得るための開始時刻差の範囲及び周波数分数ｄの範囲に対して、更に、前記第１の信号の前記生成、前記第２の信号の前記生成、前記第３の信号の前記受信、及び、データ処理若しくはコード化信号テンプレートとの相関処理又はこれらの両方の前記実行、を繰返す請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記第１の信号の生成は、複数のパルスの和である第１の信号を生成することを含み、各パルスは包絡線関数及び変調信号関数の積に等しい信号振幅を有し、
前記第２の信号の生成は、複数のパルスの和である第２の信号を生成することを含み、各パルスは包絡線関数及び変調信号関数の積に等しい信号振幅を有する、
請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記第１の信号及び前記第２の信号の生成は、以下の形式で第１の信号ｕ１（ｔ）及び第２の信号ｕ２（ｔ）を生成することを含む請求項１記載の方法。
【数１】
2014506317.tif 000013
及び
【数２】
2014506317.tif 000014
ここで、ｍはパルスに関連するインデックス番号であり、
Σはインデックス番号ｍ＝１からＭまでの和を示し、Ｍは１以上の整数であり、
Ｅ１ｍ（ｔ−ｔｍ）は、前記第１の音響信号ｕ１のパルスｍの振幅包絡線であり、
Ｅ２ｍ（ｔ−ｔｍ−δ）は、前記第２の音響信号ｕ２のパルスｍの振幅包絡線であり、
ωｍは、前記第１の音響信号ｕ１のパルスｍの前記変調信号の前記中心周波数であり、
（ｄ＊ωｍ）は、前記第２の音響信号ｕ２のパルスｍの前記変調信号の前記中心周波数であり、
ｄは、前記第１の複数のパルスにおける前記周波数ωｍ及び前記第２の複数のパルスにおける前記周波数ｄ＊ωｍ間の周波数比であり、ここで、ｄは正の実数であり、
δは、前記第１の音響信号ｕ１及び前記第２の音響信号ｕ２の生成間の前記開始時刻差であり、
ｅｘｐ（ｉωｍ（ｔ−ｔｍ））は、前記第１の音響信号ｕ１のパルスｍ内の前記変調信号であり、
ｅｘｐ（ｉｄ＊ωｍ（ｔ−ｔｍ−δ））は、前記第２の音響信号ｕ２のパルスｍ内の前記変調信号であり、
ｔｍは、パルスｍが前記第１の音響信号ｕ１において生成される時刻であり、
ｔｍ＋δは、パルスｍが前記第２の音響信号ｕ２において生成される時刻であり、
ｅｘｐ（ｉζｍ）は、前記第１の信号ｕ１又は第２の信号ｕ２内の各パルスｍの位相期間である。
【請求項７】
非線形混合プロセスによって生成される前記信号ｕ３（ｔ）は以下の形式である請求項１記載の方法。
【数３】
2014506317.tif 000015
ここで、Ｅ３ｍ（ｔ−ｔｍ−Ｔ１）は、前記第１の信号及び前記第２の信号の非線形混合によって生成される前記信号ｕ３の第３の複数のパルスの包絡線であり、
ｅｘｐ（ｉ（１−ｄ）＊ωｍ＊（ｔ−ｔｍ−Ｔ１−Ｔ３））は、前記第３の複数のパルスにおけるｍ番目のパルス内の第３の変調信号に対応し、
（１−ｄ）＊ωｍは、前記第１の複数のパルスのｍ番目のパルス内の前記第１の変調信号の中心周波数ωｍ及び前記第２の複数のパルスのｍ番目のパルス内の前記第２の変調信号の中心周波数ｄ＊ωｍ間の差異である前記第３の複数のパルスにおけるｍ番目のパルス内の前記変調信号の周波数であり、
ｄは、選択された周波数比であり、
ｔは、信号時間であり、
Ｒは、受信器のラベル又は受信器の位置であり、
（Ｔ１＋Ｔ３）は、前記第３の複数のパルスにおけるｍ番目のパルスが前記受信器に到達するときの時間であり、
ζｍは各パルスｍの位相であり、ｅｘｐ（ｉζｍ）は各パルスｍの位相期間である。
【請求項８】
更に、前記検出信号をテンプレート信号と相関処理することによって、前記第１及び第２の音響信号の前記混合領域における前記エミュレートされたマイクロサイズミックイベントから前記非線形混合プロセスによって生成された信号を得るために当該信号を前記プロセッサによて抽出し、前記テンプレート信号は複数のパルスを備え、前記テンプレート信号における複数のパルスの中央間の時間間隔は、前記第１の音響信号の前記複数のパルスの中央の時間間隔と同様であり、前記第３の信号における複数のパルスの中心周波数は前記第１の音響信号における前記複数のパルスの中心周波数及び前記周波数分数ｄの関数である請求項１記載の方法。
【請求項９】
ノイズ若しくは線形相互作用プロセスによって生成された信号又はこれらの両方からの非線形混合プロセスによって生成された前記第３の信号の識別性を向上させるために、更に、前記第１の複数のパルスの数を増加させ、前記第２の複数のパルスの数を増加させる請求項８記載の方法。
【請求項１０】
更に、前記検出信号のテンプレート信号との相関処理によって前記第１及び第２の音響信号の前記混合領域における前記エミュレートされたマイクロサイズミックイベントから前記非線形混合プロセスによって生成された前記第３の信号を得るために当該第３の信号を前記プロセッサによって抽出し、前記テンプレートｕｓは以下の形式である請求項１記載の方法。
【数４】
2014506317.tif 000016
ここで、Ｗｍ（ｔ−ｔｍ）は前記テンプレート信号におけるｍ番目のパルスの振幅包絡線であり、
ｅｘｐ（ｉ＊ｇ（ωｍ）＊（ｔ−ｔｍ））は前記テンプレート信号の前記複数のパルス内の変調信号に対応し、
ｇ（ωｍ）は前記テンプレートの前記複数のパルスにおけるｍ番目のパルス内の、周波数分数ｄと従属関係にある前記変調信号の選択された関数であり、
ｔは伝播時間であり、
ｔｍは前記複数のパルスにおけるｍ番目のパルスが前記受信器に到達することをシミュレートした時刻であり、
ζｍは各パルスｎの位相であり、ｅｘｐ（ｉζｍ）は各パルスｍの位相期間である。
【請求項１１】
更に、
受信器Ｒｉにおける前記検出信号のコード化テンプレート信号ｕｓ（ｔ）との相関処理によって前記第１及び第２の音響信号の前記混合領域における前記エミュレートされたマイクロサイズミックイベントから前記第３の信号を前記プロセッサによって抽出し、
前記第２の複数のパルス及び前記第１の複数のパルス間の複数の開始時刻差δに対し、及び、前記第２の複数のパルスにおける各パルス内の前記変調信号の前記中心周波数及び前記第１の複数のパルスにおける対応する各パルス内の前記変調信号の前記中心周波数間の複数の周波数比ｄに対し、各開始時刻差δ及び各周波数比ｄに対して、Ｍ（Ｒｉ，ｔ）として示される各受信器Ｒｉに対する相関処理された信号であって、非線形相互作用の選択ルールに従う特定の混合場所における非線形相互作用によって生成されたエミュレートされたマイクロサイズミックイベントを含む信号を引き起こすための、前記テンプレート信号及び前記検出信号間の相関処理を繰り返す、
請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
更に、各開始時刻差δに対し、及び、各周波数比ｄ及び前記対応する相関処理された信号Ｍ（Ｒｉ，ｔ）に対し、場所分析及び圧縮又はせん断波速度に対する速度モデルに基づく伝播速度計算を用いて前記２つの音響信号が非線形に相互作用するエミュレートされたマイクロサイズミックイベントの空間座標を計算する請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
更に、伝播速度モデルを伴う前記マイクロサイズミックイベントの発生の時刻及び場所に対して、前記エミュレートされたマイクロサイズミックイベントの前記信号を時間的に後方へ伝播させるために時間反転オペレーションを適用する請求項１１記載の方法。
【請求項１４】
更に、前記発生の場所における前記マイクロサイズミックイベントの関係する強度を決定し、前記発生の場所における前記関係する強度は、前記マイクロサイズミックイベントの前記発生の場所における前記媒質の非線形特性に対して比例する請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
更に、キルヒホッフ画像処理、ビーム画像処理、波動方程式画像処理、又は時間反転法を用いて、前記第１及び第２の音響信号の前記混合領域におけるエミュレートされたマイクロサイズミックイベントを含む前記相関処理された信号から、前記マイクロサイズミックイベント若しくは前記媒質の前記非線形特性又はこれらの両方の三次元画像を生成し、前記相関処理された信号は複数の受信器において受信された信号から得られ、前記第１の波源及び前記第２の波源は異なる場所に位置する請求項１１記載の方法。
【請求項１６】
更に、前記第１の波源による前記第１の信号の生成を複数の場所への前記第１の波源の配置によって複数回繰り返し、及び、前記第２の波源による前記第２の信号の生成を複数の場所への前記第２の波源の配置によって複数回繰り返し、前記第３の信号の受信を複数の場所への前記受信器の配置によって複数回繰り返し、キルヒホッフ画像処理、ビーム画像処理、波動方程式画像処理、又は時間反転法を用いて、前記第１及び第２の音響信号の前記混合領域におけるエミュレートされたマイクロサイズミックイベントを含む前記相関処理された信号から、前記媒質の前記非線形特性の多数の三次元画像を生成し、前記相関処理された信号は複数の受信器において受信された信号から得られる請求項１１記載の方法。
【請求項１７】
更に、前記第１の音響源及び前記第２の音響源の複数の場所からの受信信号からの前記多数の三次元画像における差を最小化するために速度断層撮影手法によって前記伝播速度モデルを更新する請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
更に、前記伝播速度モデルを更新すると共に前記得られた多数の画像間の差が最小化されるまで反復して画像処理し、前記媒質の非線形特性若しくは前記局所速度比Ｖｐ／Ｖｓ又はこれらの両方の最終三次元画像を作成するために前記多数の画像を結合する請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
非線形相互作用から媒質内のマイクロサイズミックイベントを生成して前記媒質を特徴付けるシステムであって、
時系列として配列された第１の複数のパルスを備える第１のコード化音響信号を生成するように構成された第１の音響源であって、前記第１の複数のパルスは時間的に隔たれており、各パルスは中心周波数での変調信号を備え、２つの連続するパルスの中心周波数は異なっている、第１の音響源と、
時系列として配列された第２の複数のパルスを備える第２のコード化音響信号を生成するように構成された第２の音響源であって、前記第２の複数のパルスは時間的に隔たれており、２つの連続するパルスの中央間の時間間隔は前記第１の複数のパルスにおける２つの対応するパルスの中央間の時間間隔と同様であり、開始時刻差は前記第２の複数のパルスのブロードキャストの開始時刻と前記第１の複数のパルスのブロードキャストの開始時刻との間で提供され、各パルスは変調信号を備えると共に前記第２の複数のパルスにおける各パルス内の前記変調信号の中心周波数は前記第１の複数のパルスにおける対応するパルスに対する前記変調信号の前記中心周波数の選択された分数ｄである、第２の音響源と、
ここで、前記第１の音響源及び前記第２の音響源は、前記第１及び第２の音響信号の曲線が前記媒質内の混合領域において交差するように制御可能であり、
前記混合領域において前記第１の音響信号及び前記第２の音響信号から非線形混合プロセスによって生成された第３の信号を含む検出信号を受信するように構成された受信器と、
ノイズ若しくは線形相互作用プロセスによって生成された信号、又はこれらの両方から非線形混合プロセスによって生成された前記第３の信号を抽出するために、前記エミュレートされたマイクロサイズミックイベント信号に基づいて前記媒質の特性を特徴付け若しくは前記媒質の前記特性の３Ｄ画像を作成し又はこれらの両方を行うように前記第１及び第２の音響信号の前記混合領域において生じるエミュレートされたマイクロサイズミックイベント信号を得るために、前記受信された信号のデータ処理若しくはコード化信号テンプレートとの相関処理、又はこれらの両方を、実行するように構成されたプロセッサと、
を備えるシステム。
【請求項２０】
前記第１の音響源は、前記第１の複数のパルスにおける２つの連続するパルスの中央間の時間間隔が各パルスの継続時間よりも大きくなるように前記第１のコード化音響信号を生成するように構成される請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
前記非線形混合プロセスによって生成され前記受信器によって受信される前記第３の信号は、時系列で到達し時間的に隔たれた第３の複数のパルスを備え、２つの連続するパルスの中央間の時間間隔は前記第１の複数のパルスにおける２つの連続するパルスの中央間の時間間隔と同様であり、
前記第３の複数のパルスにおける各パルスは、前記第１の複数のパルスの対応するパルスの中心周波数及び前記第２の複数のパルスの対応するパルスの中心周波数の差と等しい各パルスの中心周波数を有する変調信号を備え、
前記第３の複数のパルスの各パルスの前記受信器における到達時刻は、前記第１の音響源から前記混合領域の中央までの伝播時間及び前記混合領域の前記中央から前記受信器までの伝播時間の合計によって前記第１の複数のパルスの対応するパルスの生成に関して遅延した時刻である、
請求項１９記載のシステム。
【請求項２２】
前記プロセッサは、複数の混合領域において生成されたエミュレートされたマイクロサイズミックイベントから信号を得るための開始時刻差の範囲及び周波数分数ｄの範囲に対し、前記第１の信号の前記生成、前記第２の信号の前記生成、を繰り返すように前記第１の音響源及び前記第２の音響源を制御し、前記第３の信号の前記受信、を繰り返すように前記受信器を制御し、及び、データ処理若しくはコード化信号テンプレートとの相関処理又はこれらの両方の前記実行、を繰返すように構成される請求項１９記載の方法。
【請求項２３】
前記第１の音響源は、複数のパルスの和である第１の信号を生成するように構成され、各パルスは包絡線関数及び変調信号関数の積に等しい信号振幅を有し、
前記第２の音響源は、複数のパルスの和である第２の信号を生成するように構成され、各パルスは包絡線関数及び変調信号関数の積に等しい信号振幅を有する、
請求項１９記載のシステム。
【請求項２４】
以下の形式で、前記第１の信号は第１の信号ｕ１（ｔ）を備え、前記第２の信号は第２の信号ｕ２（ｔ）を備える請求項１９記載のシステム。
【数５】
2014506317.tif 000017
及び
【数６】
2014506317.tif 000018
ここで、ｍはパルスに関連するインデックス番号であり、
Σはインデックス番号ｍ＝１からＭまでの和を示し、Ｍは１以上の整数であり、
Ｅ１ｍ（ｔ−ｔｍ）は、前記第１の音響信号ｕ１のパルスｍの振幅包絡線であり、
Ｅ２ｍ（ｔ−ｔｍ−δ）は、前記第２の音響信号ｕ２のパルスｍの振幅包絡線であり、
ωｍは、前記第１の音響信号ｕ１のパルスｍの前記変調信号の前記中心周波数であり、
（ｄ＊ωｍ）は、前記第２の音響信号ｕ２のパルスｍの前記変調信号の前記中心周波数であり、
ｄは、前記第１の複数のパルスにおける前記周波数ωｍ及び前記第２の複数のパルスにおける前記周波数ｄ＊ωｍ間の周波数比であり、ここで、ｄは正の実数であり、
δは、前記第１の音響信号ｕ１及び前記第２の音響信号ｕ２の生成間の前記開始時刻差であり、
ｅｘｐ（ｉωｍ（ｔ−ｔｍ））は、前記第１の音響信号ｕ１のパルスｍ内の前記変調信号であり、
ｅｘｐ（ｉｄ＊ωｍ（ｔ−ｔｍ−δ））は、前記第２の音響信号ｕ２のパルスｍ内の前記変調信号であり、
ｔｍは、パルスｍが前記第１の音響信号ｕ１において生成される時刻であり、
ｔｍ＋δは、パルスｍが前記第２の音響信号ｕ２において生成される時刻であり、
ｅｘｐ（ｉζｍ）は、前記第１の信号ｕ１又は第２の信号ｕ２内の各パルスｍの位相期間である。
【請求項２５】
非線形混合プロセスによって生成される前記信号ｕ３（ｔ）は以下の形式である請求項１９記載のシステム。
【数７】
2014506317.tif 000019
ここで、Ｅ３ｍ（ｔ−ｔｍ−Ｔ１）は、前記第１の信号及び前記第２の信号の非線形混合によって生成される前記信号ｕ３の第３の複数のパルスの包絡線であり、
ｅｘｐ（ｉ（１−ｄ）＊ωｍ＊（ｔ−ｔｍ−Ｔ１−Ｔ３））は、前記第３の複数のパルスにおけるｍ番目のパルス内の第３の変調信号に対応し、
（１−ｄ）＊ωｍは、前記第１の複数のパルスのｍ番目のパルス内の前記第１の変調信号の中心周波数ωｍ及び前記第２の複数のパルスのｍ番目のパルス内の前記第２の変調信号の中心周波数ｄ＊ωｍ間の差異である前記第３の複数のパルスにおけるｍ番目のパルス内の前記変調信号の周波数であり、
ｄは、選択された周波数比であり、
ｔは、信号時間であり、
Ｒは、受信器のラベル又は受信器の位置であり、
（Ｔ１＋Ｔ３）は、前記第３の複数のパルスにおけるｍ番目のパルスが前記受信器に到達するときの時間であり、
ζｍは各パルスｍの位相であり、ｅｘｐ（ｉζｍ）は各パルスｍの位相期間である。
【請求項２６】
前記プロセッサは、前記検出信号のテンプレート信号との相関処理によって前記第１及び第２の音響信号の前記混合領域における前記エミュレートされたマイクロサイズミックイベントから前記非線形混合プロセスによって生成された信号を得るために前記非線形混合プロセスによって生成された信号を前記プロセッサによて抽出するように構成され、前記テンプレート信号は複数のパルスを備え、前記テンプレート信号における複数のパルスの中央間の時間間隔は、前記第１の音響信号の前記複数のパルスの中央の時間間隔と同様であり、前記第３の信号における複数のパルスの中心周波数は前記第１の音響信号における前記複数のパルスの中心周波数及び前記周波数分数ｄの関数である請求項１９記載のシステム。
【請求項２７】
前記プロセッサは、前記検出信号のテンプレート信号との相関処理によって前記第１及び第２の音響信号の前記混合領域における前記エミュレートされたマイクロサイズミックイベントから前記非線形混合プロセスによって生成された前記第３の信号を得るために前記非線形混合プロセスによって生成された前記第３の信号を前記プロセッサによって抽出するように構成され、前記テンプレートｕｓは以下の形式である請求項１９記載のシステム。
【数８】
2014506317.tif 000020
ここで、Ｗｍ（ｔ−ｔｍ）は前記テンプレート信号におけるｍ番目のパルスの振幅包絡線であり、
ｅｘｐ（ｉ＊ｇ（ωｍ）＊（ｔ−ｔｍ））は前記テンプレート信号の前記複数のパルス内の変調信号に対応し、
ｇ（ωｍ）は前記テンプレートの前記複数のパルスにおけるｍ番目のパルス内の、周波数分数ｄと従属関係にある前記変調信号の選択された関数であり、
ｔは伝播時間であり、
ｔｍは前記複数のパルスにおけるｍ番目のパルスが前記受信器に到達したとシミュレートされた時刻であり、
ζｍは各パルスｎの位相であり、ｅｘｐ（ｉζｍ）は各パルスｍの位相期間である。
【請求項２８】
前記プロセッサは、受信器Ｒｉにおける前記検出信号のコード化テンプレート信号ｕｓ（ｔ）との相関処理によって前記第１及び第２の音響信号の前記混合領域における前記エミュレートされたマイクロサイズミックイベントから前記第３の信号を抽出し、
前記第２の複数のパルス及び前記第１の複数のパルス間の複数の開始時刻差δに対し、及び、前記第２の複数のパルスにおける各パルス内の前記変調信号の前記中心周波数及び前記第１の複数のパルスにおける対応する各パルス内の前記変調信号の前記中心周波数間の複数の周波数比ｄに対し、各開始時刻差δ及び各周波数比ｄに対して、Ｍ（Ｒｉ，ｔ）として示される各受信器Ｒｉに対する相関処理された信号であって、非線形相互作用の選択ルールに従う特定の混合場所における非線形相互作用によって生成されたエミュレートされたマイクロサイズミックイベントを含む信号を引き起こすための、前記テンプレート信号及び前記検出信号間の相関処理を繰り返すように構成される請求項２９記載のシステム。
【請求項２９】
前記プロセッサは、各開始時刻差δに対して、及び、各周波数比ｄ及び前記対応する相関処理された信号Ｍ（Ｒｉ，ｔ）に対して、場所分析及び圧縮又はせん断波速度に対する速度モデルに基づく伝播速度計算を用いて前記２つの音響信号が非線形に相互作用するエミュレートされたマイクロサイズミックイベントの空間座標を計算するように構成される請求項２８記載のシステム。
【請求項３０】
前記プロセッサは、伝播速度モデルを伴う前記マイクロサイズミックイベントの発生の時間及び場所に対して、前記エミュレートされたマイクロサイズミックイベントの前記信号を時間的に後方へ伝播させるために時間反転オペレーションを適用するように構成される請求項２８記載のシステム。
【請求項３１】
前記プロセッサは、前記発生の場所における前記マイクロサイズミックイベントの関係する強度を決定するように構成され、前記発生の場所における前記関係する強度は、前記マイクロサイズミックイベントの前記発生の場所における前記媒質の非線形特性に対して比例する請求項３０記載のシステム。
【請求項３２】
前記プロセッサは、キルヒホッフ画像処理、ビーム画像処理、波動方程式画像処理、又は時間反転法を用いて、前記第１及び第２の音響信号の前記混合領域におけるエミュレートされたマイクロサイズミックイベントを含む前記相関処理された信号から、前記マイクロサイズミックイベント若しくは前記媒質の前記非線形特性又はこれらの両方の三次元画像を生成するように構成され、前記相関処理された信号は複数の受信器において受信された信号から得られ、前記第１の波源及び前記第２の波源は異なる場所に位置する請求項３０記載のシステム。
【請求項３３】
前記プロセッサは、前記第１の波源による前記第１の信号の生成を複数の場所への前記第１の波源の配置によって複数回繰り返し、及び、前記第２の波源による前記第２の信号の生成を複数の場所への前記第２の波源の配置によって複数回繰り返すように前記第１の波源及び前記第２の波源を制御し、前記第３の信号の受信を複数の場所への前記受信器の配置によって複数回繰り返し、キルヒホッフ画像処理、ビーム画像処理、波動方程式画像処理、又は時間反転法を用いて、前記第１及び第２の音響信号の前記混合領域におけるエミュレートされたマイクロサイズミックイベントを含む前記相関処理された信号から、前記媒質の前記非線形特性の多数の三次元画像を生成するように構成され、前記相関処理された信号は複数の受信器において受信された信号から得られる請求項３０記載のシステム。
【請求項３４】
前記プロセッサは、前記第１の音響源及び前記第２の音響源の複数の場所からの受信信号からの前記多数の三次元画像における差を最小化するために速度断層撮影手法によって前記伝播速度モデルを更新するように構成される請求項３３記載のシステム。
【請求項３５】
前記プロセッサは、前記伝播速度モデルを更新し、及び、前記得られた多数の画像間の差が最小化されるまで反復した画像処理と、前記媒質の非線形特性若しくは前記局所速度比Ｖｐ／Ｖｓ又はこれらの両方の最終三次元画像を作成するために前記多数の画像を結合する処理とを実行するように構成される請求項３４記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願への相互参照
本出願は、２０１０年１１月１２日に出願された米国特許出願第６１／４１３，１７３号の優先権を請求し、この出願の全内容が引用により本明細書に組み入れられる。
【０００２】
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)）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一定の権利を有する。
【０００３】
本発明は、媒質の対象容積内にマイクロサイズミックイベントを生成し、この媒質の特性を特徴付けるために媒質内に非線形音響相互作用信号を生成する方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００４】
物質又は媒質を調べる従来の方法及びシステムは、概して物質又は媒質における音響波の線形相互作用に基づくものである。地球物理学のコミュニティにおいて、岩石層における音響波の非線形相互作用を研究するためのいくつかの方法及び技術が実施されているが、それぞれに制限がある。媒質内の線形相互作用によって散乱する波動場の時間的に戻る伝播を伴う時間反転技術もまた、マイクロサイズミック源として作用する媒質内の地点に隣接する波動場に焦点を定めるために用いられている。
【０００５】
従って、媒質内の非線形相互作用の場所から発するマイクロサイズミック源をエミュレートするために、媒質内の非線形音響相互作用を用いて物質又は媒質の非線形特性の拡張された多次元画像情報を提供する物質の非線形特性を調査する方法及びシステムに対するニーズがなお存在する。
【発明の概要】
【０００６】
本開示の一態様は、非線形相互作用から媒質内のマイクロサイズミックイベントを生成して前記媒質を特徴付ける方法を提供することである。この方法は、時系列として配列された第１の複数のパルスを備える第１のコード化音響信号を第１の音響源によって生成し、前記第１の複数のパルスは時間的に隔たれており、各パルスは中心周波数での変調信号を備え、２つの連続するパルスの中心周波数は異なっており、時系列として配列された第２の複数のパルスを備える第２のコード化音響信号を第２の音響源によって生成し、前記第２の複数のパルスは時間的に隔たれており、２つの連続するパルスの中央間の時間間隔は前記第１の複数のパルスにおける２つの対応するパルスの中央間の時間間隔と同様であり、開始時刻差は前記第２の複数のパルスのブロードキャストの開始時刻と前記第１の複数のパルスのブロードキャストの開始時刻との間で提供され、各パルスは変調信号を備えると共に前記第２の複数のパルスにおける各パルス内の前記変調信号の中心周波数は前記第１の複数のパルスにおける対応するパルスに対する前記変調信号の前記中心周波数の選択された分数ｄであり、前記第１の音響源及び前記第２の音響源は、前記第１及び第２の音響信号の曲線（trajectories）が前記媒質内の混合領域において交差するように制御可能である。この方法は、さらに、前記混合領域において前記第１の音響信号及び前記第２の音響信号から非線形混合プロセスによって生成された第３の信号を含む検出信号を受信器によって受信し、ノイズ若しくは線形相互作用プロセスによって生成された信号、又はこれらの両方から、非線形混合プロセスによって生成された前記第３の信号を抽出するために、及び、前記混合領域において生じるエミュレートされたマイクロサイズミックイベント信号を得るために、前記受信された信号のデータ処理若しくはコード化信号テンプレートとの相関処理（correlating）、又はこれらの両方をプロセッサによって実行し、前記エミュレートされたマイクロサイズミックイベント信号に基づいて、前記媒質の特性を特徴付け、又は、前記媒質の前記特性の３Ｄ画像を作成し、又はこれらの両方を行う。
【０００７】
本開示の他の態様は、非線形相互作用から媒質内のマイクロサイズミックイベントを生成して前記媒質を特徴付けるシステムを提供することである。このシステムは、時系列として配列された第１の複数のパルスを備える第１のコード化音響信号を生成するように構成された第１の音響源であって、前記第１の複数のパルスは時間的に隔たれており、各パルスは中心周波数での変調信号を備え、２つの連続するパルスの中心周波数は異なっている第１の音響源と、時系列として配列された第２の複数のパルスを備える第２のコード化音響信号を生成するように構成された第２の音響源であって、前記第２の複数のパルスは時間的に隔たれており、２つの連続するパルスの中央間の時間間隔は前記第１の複数のパルスにおける２つの対応するパルスの中央間の時間間隔と同様であり、開始時刻差は前記第２の複数のパルスのブロードキャストの開始時刻と前記第１の複数のパルスのブロードキャストの開始時刻との間で提供され、各パルスは変調信号を備えると共に前記第２の複数のパルスにおける各パルス内の前記変調信号の中心周波数は前記第１の複数のパルスにおける対応するパルスに対する前記変調信号の前記中心周波数の選択された分数ｄである第２の音響源と、を含む。前記第１の音響源及び前記第２の音響源は、前記第１及び第２の音響信号の曲線が前記媒質内の混合領域において交差するように制御可能である。このシステムは、また、前記混合領域において前記第１の音響信号及び前記第２の音響信号から非線形混合プロセスによって生成された第３の信号を含む検出信号を受信するように構成された受信器を含む。このシステムは、さらに、ノイズ若しくは線形相互作用プロセスによって生成された信号、又はこれらの両方から非線形混合プロセスによって生成された前記第３の信号を抽出するために、及び、前記エミュレートされたマイクロサイズミックイベント信号に基づいて、前記媒質の特性を特徴付け若しくは前記媒質の前記特性の３Ｄ画像を作成し又はこれらの両方を行うように前記第１及び第２の音響信号の前記混合領域において生じるエミュレートされたマイクロサイズミックイベント信号を得るために、前記受信された信号のデータ処理若しくはコード化信号テンプレートとの相関処理、又はこれらの両方を実行するように構成されたプロセッサを含む。
【０００８】
本発明の上記及び上記以外の目的、特徴、及び性質、並びに、関連する構成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。本明細書において、同様の参照符号は種々の図における対応部分を表している。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、文脈によって別に解すべきことが明白な場合はこの限りでない。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の実施形態に従って、媒質における非線形相互作用を生成するための遠隔感知システム音響プローブの概略図である。
【００１０】
【図２】図２は、本発明の実施形態に従って、第１の波源によって生成される第１の音響信号、第２の波源によって生成される第２の音響信号、及び、第１の音響信号と第２の音響信号の非線形混合領域における非線形混合から発する第３の音響信号を示す。
【００１１】
【図３ａ】図３ａは、本発明の実施形態に従って、第１及び第２の音響源及び受信器アレイの位置を概略的に図示する。
【００１２】
【図３ｂ】図３ｂは、本発明の実施形態に従って、２つのパルス系列のブロードキャストから、非線形相互作用によって生成され、受信器アレイの６つの受信器において受信及び記録された、コンピュータでシミュレートされた信号を示す。
【００１３】
【図３ｃ】図３ｃは、本発明の実施形態に従って、受信器アレイにおいて相関処理された信号を抽出するために用いられるテンプレート信号を図示する。
【００１４】
【図３ｄ】図３ｄは、本発明の実施形態に従って、図３ｃに示すテンプレート信号と考慮される各受信器において図３Ｂに示される記録され又は計測された信号との相関処理の結果を示す。
【００１５】
【図４ａ】
【図４ｂ】図４ａ及び４ｂは、それぞれ、本発明の実施形態に従って、第１の音響源及び第２の音響源からのコード化信号を示す。
【００１６】
【図５ａ】図５ａは、本発明の実施形態に従って、受信器アレイの６つの受信器において記録されたノイズを含むシミュレートされた受信信号を示す。
【００１７】
【図５ｂ】図５ｂは、本発明の実施形態に従って、テンプレート信号の一例を示す。
【００１８】
【図５ｃ】図５ｃは、本発明の実施形態に従って、図５ａに示すノイズを有する信号を図５ｂに示すコード化されたテンプレート信号と相関処理したときに同じ受信器においてノイズを有する信号から取り出される信号を示す。
【００１９】
【図６】図６は、本発明の実施形態に従って、媒質が一定の音響伝播速度と可変の非線形地質パラメータを有するときの、第１の音響源及び第２の音響源を含む平面内における、第１の音響信号と第２の音響信号との間の開始時刻差δ及び周波数比ｄの組合せ（δ，ｄ）に対する、混合領域Ｍｃ（δ，ｄ）の地点を示す。
【００２０】
【図７】図７は、本発明の実施形態に従って、第１の音響源が音響波を生成するための波源であり、第２の音響源が円錐形の音響ブロードキャストを生成する状態を図示する。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の一部の態様に従って、非線形音響探査による基本遠隔感知システムは、概して、空間的に分離した２つの地点に配置された２つの音響源Ｓ１及びＳ２と、音響検波器又は異なる位置の複数の音響検波器群のアレイとを含む。２つの音響源Ｓ１及びＳ２は、調査対象の媒質内の様々な位置で交差する初期音響波（primary acoustic waves）又は音響ビームを生成するように構成される。検波器又は複数の検波器群は、２つの初期音響波と媒質の非線形性との相互作用によって生成される第３の音響波を受信するように構成される。相互作用容積（interaction volume）は、このとき、第３の音響波の波源として考えることができる。２つの初期波は、圧縮若しくはせん断音響波、又は、音響ビームの何れもあり得る。本開示において、用語“音響の（acoustic）”は、Ｐ、ＳＶ、又はＳＨの音響モードを意味し得る。
【００２２】
一実施形態において、音響源Ｓ１及びＳ２からの音響信号をコード化し、媒質の非線形応答を検出し、媒質内の音響源Ｓ１及びＳ２からのコード化された音響波の非線形相互作用の混合領域において生じるマイクロサイズミックイベントをエミュレートする帯域制限スパイク音響波（band-limited spike acoustic signal）を生成するために、検出された非線形信号をコンピュータ上で処理することが可能である。この帯域制限スパイク音響波は、非線形相互作用から発するエミュレートされたマイクロサイズミックイベントとして、本明細書において言及される。本開示の様々な実施形態は、次のような方法及びシステムを説明する。
ａ）遠隔で媒質を探査すると共に媒質の非線形応答を検出するために、波源及び受信器の適切な計測構成を設定し、
ｂ）波源信号をコード化し、
ｃ）イベントの強度が媒質の非線形特性に対して比例するような媒質内の特定の位置におけるエミュレートされたマイクロサイズミックイベントに対応する検波器又は受信器において計測応答を生成するために、コード化された検出信号をプロセッサ上で処理し、
ｄ）媒質の非線形特性及び伝播速度モデルの三次元（３Ｄ）画像を生成するためにエミュレートされたマイクロサイズミックイベントを処理する。
【００２３】
「SYSTEM AND METHOD TO CREATE THREE-DIMENSIONAL IMAGES OF NON-LINEARACOUSTIC PROPERTIES IN THE REGION REMOTE FROM THE BOREHOLE」と題する米国特許出願公報番号US2010/0265795 A1において議論されているように、第３の波を生成するための２つの初期音響波間の非線形相互作用は、様々な初期音響波Ｐ、ＳＶ又はＳＨに対する特定の選択ルールによって支配される。非線形相互作用の特有のモードの一つは、Ｐ＋Ｐ→ＳＶ、である。このモードは、本開示の様々な実施形態を説明するための一例として用いられる。しかしながら、Ｐ、ＳＶ又はＳＨ波の非線形相互作用の他のモードを、同様に用いることができる。
【００２４】
図１は、本発明の実施形態に従う、媒質における非線形相互作用を生成するための遠隔感知システム音響プローブの概略図である。遠隔感知システム１０は、第１の音響波源１２と第２の音響波源１４とを備える。第１の音響源（Ｓ１）１２及び第２の音響源（Ｓ２）１４は、距離ｌによって隔たれている。遠隔感知システムは、第１の音響源１２及び第２の音響源１４に対して異なる位置に配置された音響検波器アレイ１６を更に備える。図１において音響検波器アレイ１６が示されているものの、１又は複数の検波器を用いることができる。音響検波器アレイ１６は、異なる位置に移動させることができる。第１の波源１２及び第２の波源１４は、それぞれ、音響波１２Ａ又は音響ビームプローブ１４Ａを生成するように構成される。波１２Ａ及び１４Ａは、調査対象である媒質２０の様々な位置１８において交差する。第３の波１６Ａは、音響波１２Ａ及び１４Ａの交差位置１８における媒質２０の非線形性によって生成することができる。
【００２５】
一実施形態において、第１の音響源（Ｓ１）１２及び（Ｓ２）１４は、コード化された音響信号を生成するように構成される。コード化の仕組みは、媒質内の所望の混合特性を実現するように選択することができる。
【００２６】
一実施形態において、２つの初期音響波１２Ａ及び１４Ａに対してコード化された信号は、媒質２０内で混合し、非線形相互作用によって第３の音響波１６Ａに対する承継された（inherited）特定のコード化された信号を生成することができる。媒質２０内の非線形相互作用からのコード化された戻り信号１６Ａの計測値は、混合が生じる領域での非線形混合の選択ルールから演算できるテンプレートコード化信号との相関処理を行うことができる。こうした技術の例は、本出願と同時に出願され、「SYSTEM AND METHOD FOR INVESTIGATING SUB-SURFACE FEATURES OF A ROCKFORMATION WITH ACOUSTIC SOURCES GENERATING CODED SIGNALS」と題する米国出願に記載されており、その内容は参照によってここに組み入れられる。
【００２７】
例えば、音響波１２Ａ及び１４Ａ内の初期コード化音響信号間の適切な開始時刻差δが与えられ、および、音響波１２Ａ及び１４Ａ内のコード化音響信号の周波数間の周波数比が与えられれば、非線形相互作用の各領域から生成される結果信号（resulting signal）は、第３の音響波１６Ａに対応する。第３の音響波１６Ａは復号することができ、例えば、非線形相互作用から発し、又は、非線形相互作用によって生成される音響パルス信号を分離し又は認識するための相関処理技術によって復号することができる。復号化された音響パルス信号は、２つの初期波１２Ａ及び１４Ａの波面の交差において生成されるエミュレートされたマイクロサイズミックイベントによって生成される周波数帯域制限音響信号として考えることができる。パルスの強度は、相互作用領域１８の非線形特性、及び、初期波１２Ａ及び１４Ａの歪み振幅の積（product）に対して比例する。受信器１６までの伝播時間は、音響源１２又は音響源１４から非線形相互作用領域の位置までの伝播時間及び相互作用１８の位置から受信器１６までの第３の波１６Ａの伝播時間の合計に対応する。
【００２８】
図２は、本発明の実施形態に従って、第１の波源Ｓ１によって生成される第１の音響信号ｕ１、第２の波源Ｓ２によって生成される第２の音響信号ｕ２、及び、第１の音響信号ｕ１と第２の音響信号ｕ２の非線形混合領域における非線形混合から生じる第３の音響信号ｕ３を示す。
【００２９】
一実施形態において、第１の音響源Ｓ１は、複数の又は連続する音響信号のパルスを備えるｕ１信号を伴う圧縮（Ｐ）波（例えば、平面波又はビーム波）をブロードキャストする。一実施形態において、複数の音響パルスは、パルスが重ならないように時間的に間隔が保たれる。各パルスは、中心周波数ωｍで変調された音響信号を有する。ここで、ｍ＝１からＭであり、Ｍは第１の複数のパルスにおけるパルス数である。各音響パルスは、所定の継続時間を伴う振幅包絡線（amplitude envelope）を有する。ブロードキャスト中心周波数ωｍは、信号のブロードキャスト全体を通して固定の時間間隔で順次に設定される。
【００３０】
第２の音響源Ｓ２は、複数の又は連続する音響信号のパルスを備えるｕ２信号を伴う圧縮（Ｐ）波（例えば、平面波又はビーム）をブロードキャストする。ｕ２信号の第２の複数の音響パルスは、ｕ１信号の第１の複数のパルスにおけるパルスの中央間の時間間隔と同様のパルスの中央間の時間間隔を有する。各パルスは、中心周波数（ｄ＊ωｍ）で変調された音響信号を有する。ここで、ｍ＝１からＭであり、Ｍは第１の複数のパルスにおけるパルス数であり、ｄは全てのパルスに対する固定の周波数比である。各音響パルスは、継続時間を伴う振幅包絡線を有する。理解されるように、ここで記号“＊”は、乗算演算子として用いられる。
【００３１】
ブロードキャストコード化信号の一実施形態を図２に示す。図２において、ｕ１信号の複数のパルスの最初の３つの信号が示されている。第１の音響信号ｕ１は、第１のパルス２２Ａ、第２のパルス２２Ｂ及び第３のパルス２２Ｃを有するものとして描かれている。第１のパルス２２Ａは時刻ｔ１において生成される。第１のパルスは時間幅又は継続時間Δｔ１を有する。第１のパルス２２Ａは、第１の包絡線２２１Ａ及び第１の中心周波数ω１を有する第１の変調信号を有する。第２のパルス２２Ｂは、時刻ｔ２において生成される。第２のパルスは時間幅又は継続時間Δｔ２を有する。第２のパルス２２Ｂは、第２の包絡線２２１Ｂ及び第２の中心周波数ω２を有する第２の変調信号を有する。第３のパルス２２Ｃは時刻ｔ３において生成される。第３のパルスは時間幅又は継続時間Δｔ３を有する。第３のパルス２２Ｃは、第３の包絡線２２１Ｃ及び第３の中心周波数ω３を有する第３の変調信号を有する。一実施形態において、図２に例示するように、第１のパルスの第１の包絡線、第２のパルスの第２の包絡線及び第３のパルスの第３の包絡線は異なる。一実施形態において、第１の周波数ω１、第２の周波数ω２及び第３の周波数ω３は異なる。しかしながら、パルス２２Ａ、２２Ｂ及び２２Ｃの包絡線は同じとすることができる。第１の複数のパルス２２Ａ、２２Ｂ及び２２Ｃは、時間間隔が保たれている（ｔ１はｔ２と異なり、ｔ２はｔ３と異なる）。また、２つの連続するパルス２２Ａ及び２２Ｂの中心周波数（例えば、ω１及びω２）は、例えば、異なっている。図２では第１の信号ｕ１は３つのパルスを有するものとして描かれているが、理解されるように、第１の音響信号ｕ１は１又は複数のパルスを有するものとすることができる（即ち、ｍは１からＭパルスと等しい。ここで、Ｍは１以上の整数値である）。  
【００３２】
第２の圧縮音響源は多くの周波数（ｄ＊ωｍ）の音響信号をブロードキャストする。ここで、ｄは振幅包絡線及び第１の音響信号ｕ１と同様の固定の時間間隔で連続する周波数を伴う全てのｍの値に対する固定の周波数比である。例えば、図２に示すように、第２の音響信号は、第１の音響パルス２４Ａ、第２の音響パルス２４Ｂ及び第３の音響パルス２４Ｃを有するものとして描かれる。第１のパルス２４Ａは、時刻（ｔ１＋δ）において生成される。ここで、δは、第１の音響信号及び第２の音響信号の生成の開始時刻差である。言い換えると、δは、第１の複数のパルス２２Ａ、２２Ｂ及び２２Ｃのブロードキャストの開始時刻と、第２の複数のパルス２４Ａ、２４Ｂ及び２４Ｃのブロードキャストの開始時刻との間で提供される開始時刻差である。第１の音響パルス２４Ａは第１の包絡線２４１Ａ及び第１の中心周波数（ｄ＊ω１）を有する第１の変調信号を有する。ここで、ｄは、第１の音響信号ｕ１における音響パルス２２Ａ、２２Ｂ又は２２Ｃ内の変調信号及び第２の音響信号ｕ２のそれぞれ対応する音響パルス２４Ａ、２４Ｂ又は２４Ｃ内の変調信号の周波数の周波数比である。第２の音響パルス２２Ｂは、時刻（ｔ２＋δ）において生成される。第２の音響パルス２２Ａは、第２の包絡線２４１Ｂ及び第２の中心周波数（ｄ＊ω２）を有する第２の変調信号を有する。第３の音響パルス２４Ｃは、時刻（ｔ３＋δ）において生成される。第３の音響パルス２４Ｃは、第３の包絡線２４１Ｃ及び第３の中心周波数（ｄ＊ω３）を有する第３の変調信号を有する。一実施形態において、図２に例示するように、第１の音響パルス２４Ａの第１の包絡線、第２の音響パルス２４Ｂの第２の包絡線及び第３の音響パルス２４Ｃの第３の包絡線は異なる。しかしながら、パルス２４Ａ、２４Ｂ及び２４Ｃの包絡線も同様とすることができる。一実施形態において、第１の中心周波数（ｄ＊ω１）、第２の中心周波数（ｄ＊ω２）及び第３の中心周波数（ｄ＊ω３）は異なる。第２の複数のパルスにおける２つの連続するパルス（例えば、２４Ａ及び２４Ｂ）の中央間の時間間隔は、第１の複数のパルスにおける２つの対応するパルス（例えば、２２Ａ及び２２Ｂ）の中央間の時間間隔と同様である。一実施形態において、第１の複数のパルスにおける２つの連続するパルス（例えば、２２Ａ及び２２Ｂ）の中央間の時間間隔は、各パルスの継続時間よりも大きい（即ち、継続時間Δｔ１及び継続時間Δｔ２よりも大きい）ものとすることができる。第２の音響信号ｕ２は図２において３つのパルスを有するものとして描かれているが、理解されるように、第２の音響信号ｕ２は１又は複数のパルス（即ち、ｍパルス。ここで、ｍは１以上の整数）を有するものとすることができる。
【００３３】
音響信号ｕ１及びｕ２は数学的にそれぞれ次の関係式（１）及び（２）によって表現すことができる。
【数１】
2014506317.tif 000003
及び
【数２】
2014506317.tif 000004
ここで、ｍはパルスに関連するインデックス番号であり、
Σはインデックス番号ｍ＝１からＭまでの和を示し、Ｍは１以上の整数であり、
Ｅ１ｍ（ｔ−ｔｍ）は、第１の音響信号ｕ１のパルスｍの振幅包絡線であり、
Ｅ２ｍ（ｔ−ｔｍ−δ）は、第２の音響信号ｕ２のパルスｍの振幅包絡線であり、
ωｍは、第１の音響信号ｕ１のパルスｍの変調信号の中心周波数であり、
（ｄ＊ωｍ）は、第２の音響信号ｕ２のパルスｍの変調信号の中心周波数であり、
ｄは、周波数ωｍ及び周波数ｄ＊ωｍ間の周波数比であり、ここで、ｄは正の実数であり、
δは、第１の音響信号ｕ１及び第２の音響信号ｕ２の生成間の開始時刻差であり、
ｅｘｐ（ｉωｍ（ｔ−ｔｍ））は、第１の音響信号ｕ１のパルスｍ内の変調信号であり、
ｅｘｐ（ｉｄ＊ωｍ（ｔ−ｔｍ−δ））は、第２の音響信号ｕ２のパルスｍ内の変調信号であり、
ｔｍは、パルスｍが第１の音響信号ｕ１において生成される時刻であり、
ｔｍ＋δは、パルスｍが第２の音響信号ｕ２において生成される時刻であり、
ｅｘｐ（ｉζｍ）は、第１の信号ｕ１又は第２の信号ｕ２内の各パルスｍの位相期間（phase term）である。
【００３４】
一実施形態において、２つの連続するパルスｍ及びｍ＋１の周波数ωｍ及びωｍ＋１は、（ωｍ−ωｍ＋１）として示される周波数ωｍ及びωｍ＋１間の差がωｍと比較して小さくならないように、相互に異なるように選択される。一実施形態において、周波数ωｍの範囲は、１又は複数のオクターブを跨いで大きい。一実施形態において、２つの隣接する時間期間（time period）ｔ１及びｔ２間の時間間隔は、パルスｍ（ここで、ｍは１以上の整数値）の継続時間Δｔｍよりも大きい。言い換えると、連続するパルスｍ及びｍ＋１間の時間差（ｔｍ＋１−ｔｍ）はΔｔｍより大きく（即ち、Δｔｍ＜＜（ｔｍ＋１−ｔｍ））、連続するパルスｍ−１及びｍ間の時間差（ｔｍ−ｔｍ−１）はΔｔｍより大きい（即ち、Δｔｍ＜＜（ｔｍ−ｔｍ−１））。
【００３５】
第１の音響信号ｕ１及び第２の音響信号ｕ２が一定の距離をおいて非線形に混合するとき、この非線形混合が第３の音響信号ｕ３を生成する。第３の音響信号ｕ３は連続した音響パルスを備え、各音響パルスは包絡線及び変調信号を有する。ｍ番目のパルスにおいて、ｕ３信号内のｍ番目のパルスの変調信号は、第１の音響信号の変調信号の周波数ωｍと第２の音響信号の変調信号の周波数（ｄ＊ωｍ）との間の差、即ち、（ωｍ−ｄ＊ωｍ）又は（（１−ｄ）＊ωｍ）と等しい中心周波数を有する。
【００３６】
例えば、図２に示すように、第３の音響信号ｕ３は、第１の音響パルス２６Ａ、第２の音響パルス２６Ｂ及び第３の音響パルス２６Ｃを有するものとして描かれる。これらのパルス２６Ａ、２６Ｂ及び２６Ｃは、第１の音響信号の生成と第２の音響信号の生成との間の開始時刻差δが、Ｔ２及びＴ１間の時間差と等しいときに、混合領域において生成される。ここで、Ｔ１は、第１の音響信号ｕ１の第１の音響源Ｓ１から混合領域の中央までの伝播時間であり、Ｔ２は、第２の音響信号ｕ２の第２の音響源Ｓ２から混合領域の中央までの伝播時間である。第１のパルス２６Ａは時刻ｔ１＋Ｔ１＋Ｔ３において受信される。ここで、時間Ｔ３は、第３の信号が生成される混合領域の中央から受信器までの伝播時間である。一実施形態において、２つの連続するパルス（例えば、パルス２６Ａ及び２６Ｂ）の中央間の時間間隔は、第１の複数のパルスにおける２つの対応する連続するパルス（２２Ａ及び２２Ｂ）の中央間の時間間隔と同様である。
【００３７】
第１のパルス２６Ａは包絡線２６１Ａ及び第１の中心周波数（１−ｄ）＊ω１を有する第１の変調信号を有する。パルス２６Ａの包絡線は、第１の信号ｕ１におけるパルス２２Ａ及び第２の信号ｕ２におけるパルス２４Ａの包絡線よりも幅が広い。この第１の中心周波数（１−ｄ）＊ω１は、第１の信号ｕ１における第１のパルス２２Ａの中心周波数ω１と第２の信号ｕ２における第２のパルス２４Ａの中心周波数（ｄ＊ω１）との間の周波数の差に対応する。第２のパルス２６Ｂは、時刻ｔ２＋Ｔ１＋Ｔ３において受信される。第２のパルス２６Ｂは、包絡線２６１Ｂ及び第２の中心周波数（１−ｄ）＊ω２を有する第２の変調信号を有する。パルス２６Ｂの包絡線は、第１の信号ｕ１におけるパルス２２Ｂ及び第２の信号ｕ２におけるパルス２４Ｂの包絡線よりも幅が広い。この第２の中心周波数（１−ｄ）＊ω２は、第１の信号ｕ１における第２のパルス２２Ｂの中心周波数ω２と第２の信号ｕ２における第２のパルス２４Ｂの中心周波数（ｄ＊ω２）との間の周波数の差に対応する。第３のパルス２６Ｃは、時刻ｔ３＋Ｔ１＋Ｔ３において受信される。第３のパルス２６Ｃは、包絡線２６１Ｃ及び第３の中心周波数（１−ｄ）＊ω３を有する第３の変調信号を有する。パルス２６Ｃの包絡線は、パルス２２Ｃ及びパルス２４Ｃの包絡線よりも幅が広い。この中心周波数（１−ｄ）＊ω３は、第１の信号ｕ１における第３のパルス２２Ｃの中心周波数ω３と第２の信号ｕ２における第３のパルス２４Ｃの中心周波数（ｄ＊ω３）との間の周波数の差に対応する。従って、第３の複数のパルスの各パルス（パルス２６Ａ、２６Ｂ又は２６Ｃ）の受信器における到達時刻は、第１の複数のパルスの対応するパルス（２２Ａ、２２Ｂ又は２２Ｃ）の生成に対し、第１の音響源から混合領域の中央までの伝播時間（Ｔ１）及び混合領域の中央から受信器までの伝播時間（Ｔ３）の合計時間によって遅延した時刻である。
【００３８】
非線形媒質内で第１及び第２の信号の非線形相互作用から生成される第３の信号ｕ３は、次の数式によって表現することができる。
【数３】
2014506317.tif 000005
ここで、ｍは各パルスに関連するインデックス番号であり、
Σはインデックス番号ｍ＝１からＭまでの和を示し、Ｍは１以上の整数であり、
Ｅ３ｍ（ｔ−ｔｍ−Ｔ１）は、第３の音響信号ｕ３のパルスｍの振幅包絡線であり、Ｅ３ｍは、Ｅ１ｍ及びＥ２ｍよりも少し幅が広い包絡線の関数であって、Ｅ１ｍ、Ｅ２ｍ、ωｍ、ｄ及び混合領域の大きさから計算することができ、
（１−ｄ）＊ωｍは、第３の音響信号ｕ３のパルスｍの変調信号の中心周波数であり、
ｄは、周波数ωｍ及び周波数ｄ＊ωｍ間の周波数比であり、ここで、ｄは正の実数であり、
ｅｘｐ（ｉ（１−ｄ）＊ωｍ＊（ｔ−ｔｍ−Ｔ１−Ｔ３））は、第３の音響信号ｕ３のパルスｍ内の変調信号であり、
ｔｍ＋Ｔ１＋Ｔ３は、第３の信号ｕ３におけるパルスｍが受信される時刻であり、
ｅｘｐ（ｉζｍ）は、第３の信号ｕ３内の各パルスｍの位相期間である。
【００３９】
一実施形態において、Ｐ＋Ｐ→ＳＶに対し、αが、非線形混合領域における第１の信号１２Ａの波面と第２の信号１４Ａの波面との間の角度であるとすると、図１に示すように、音響波の非線形相互作用の選択ルールが、初期の周波数ωｍ及び（ｄ＊ωｍ）の差に等しい周波数の第３の波が生成し得るような、２つの初期の周波数ωｍ及び（ｄ＊ωｍ）（例えば、ω１及びｄ＊ω１）間の特定の周波数比ｄが存在することを規定する。第１の音響信号ｕ１及び第２の音響信号ｕ２の波面間の交差角度αが与えられれば、ｄは次の等式（４）を満たす。
【数４】
2014506317.tif 000006
ここで、Ｖｐ及びＶｓは、混合領域における圧縮波速度及びせん断波速度である。
【００４０】
一実施形態において、Ｔ１−Ｔ２＝δであり（即ち、第１の音響信号ｕ１のパルスｍの混合領域の中央までの伝播時間Ｔ１と第２の音響信号ｕ２のパルスｍの第２の音響源Ｓ２から混合領域の中央までの伝播時間Ｔ２との間の時間差Ｔ１−Ｔ２が、第１の音響信号ｕ１のパルスｍ及び第２の音響信号ｕ２のパルスｍの生成間の開始時刻差δと等しく）、かつ、第１の音響信号のパルスｍ内の変調信号の周波数ωｍと第２の音響信号のパルスｍ内の変調信号の周波数ｄωｍとの間の周波数比が等式（４）を満たす場合には、図２に示されるようなコード化信号を伴う第３の波ｕ３を生成するための２つのコード化ブロードキャスト信号ｕ１及びｕ２の全てのパルスの完全な配置（alignment）となる。強い吸収Ｑ伝播効果（absorption Q propagation effect）が存在しない場合において、第３の波は、次に続く等式（３）の承継されたコード化信号ｕ３を伴う混合領域Ｍｃの中央からの効果的なブロードキャストであることを示し得る。
【００４１】
例えば、Ｅ１ｍ（ｔ）及びＥ２ｍ（ｔ）がガウス関数として選択された場合には、第１の音響信号ｕ１のパルスｍの包絡線Ｅ１ｍ（ｔ−ｔｍ）及びＥ２ｍ（ｔ−ｔｍ）の振幅は、等式（５）によって表現することができる。
【数５】
2014506317.tif 000007
そして、混合領域が大きい場合には、包絡線Ｅ３ｍ（ｔ−ｔｍ）の振幅は等式（６）によって表現することができる。
【数６】
2014506317.tif 000008
【００４２】
Ｔ１−Ｔ２＝δという条件が合致せず、又は、ｄが等式（４）を満たさない、いずれかの場合には、各パルスに対する選択ルールが満たされない。これに伴い、結果としての第３の波ｕ３は減少し又は減衰する。地質吸収Ｑ効果（earth absorption Q effect）が大きい場合には、等式（３）において表現される結果としての第３の信号に対する更なる複雑さが存在し得ることは注目すべきである。
【００４３】
Ｔ１−Ｔ２＝δであり、ｄが等式（４）を満たす場合には、１６の受信器Ｒにおいて検出される信号ｕ３（Ｒ，ｔ）は、伝播時間Ｔ３によって遅延した時刻であり、混合領域Ｍｃの中央から発出するブロードキャスト信号ｕ３（Ｍｃ，ｔ）となる。受信された信号ｕ３（Ｒ，ｔ）は次の等式（７）によって表現することができる。
【数７】
2014506317.tif 000009
【００４４】
ｕ３（Ｒ，ｔ）は次の等式（８）によって表現されるテンプレート信号ｕｓ（ｔ）と交差相関する。
【数８】
2014506317.tif 000010
ここで、Ｗｍ（ｔ）は選択又は指定された包絡線であり、ｇ（ωｍ）はチャープ信号の標準的な信号処理としての選択又は指定された周波数の関数であり、結果信号は、時刻ｔ＝Ｔ１＋Ｔ３において生じる周波数帯域制限スパイクであり、信号ｕ１及びｕ２が周波数範囲ωｍｉｎ及びωｍａｘを跨る密集した（dense）ωｍセットを構成することをもたらす。帯域制限スパイクは、周波数範囲（１−ｄ）＊ωｍｉｎ及び（１−ｄ）＊ωｍａｘを有し、又は、ｍ＝１からＭにおける（１−ｄ）＊（ω１ｍ−ω２ｍ）の各値に対応する一連の個別の周波数によって構成される周波数容量（frequency content）を有する。等式（８）における関数ｇ（ωｍ）は、適宜選択することができる。関数ｇ（ωｍ）は、最適な非線形信号の抽出を実現するために計測信号ｕ３内の期待される変調信号の形状に基づいて適切に選択し得る。ｇ（ωｍ）は、周波数分数（frequency fraction）ｄに従属する。例えば、関数ｇ（ωｍ）は、ｇ（ωｍ）＝（１−ｄ）＊ωｍとなるように選択することができる。しかしながら、他の関数もまた選択することができる。
【００４５】
帯域制限スパイクは、時間Ｔ１で混合領域において生じるマイクロサイズミックイベントから発する有効な信号である。混合領域におけるマイクロサイズミックイベントからの信号は、時間Ｔ３の間で受信器に向かって伝播する。受信器は時間Ｔ１＋Ｔ３において信号を検出する。
【００４６】
相関処理された計測信号は、次の特性を有する。第１に、相関処理された信号は、第１及び第２の初期のコード化信号間の開始時刻差δが、第１の音響源Ｓ１から混合領域までの伝播時間Ｔ１と第２の音響源Ｓ２から混合領域ＭＺ（図３ａに示される）までの伝播時間Ｔ２との間の差に等しい場合、即ち、δ＝Ｔ１−Ｔ２の場合のみ、鋭い帯域制限スパイクを含み、混合領域における非線形相互作用に対応する。この条件が合致しない場合には、相関処理された信号は、非常に抑えられる。第２に、条件δ＝Ｔ１−Ｔ２が合致する場合には、図１に示されるように、第１の初期の音響源から混合領域までの伝播時間と混合領域ＭＺから受信器アレイ１６内の受信器Ｒｉまでの伝播時間との合計に等しい時間Ｔ、即ちＴ＝Ｔ１＋Ｔ３＝δ＋Ｔ２＋Ｔ３において、相関処理された信号上で帯域制限スパイクが生じる。第３に、連続するコード化信号の継続の増大、即ち、（第１の信号ｕ１及び第２の信号ｕ２における）連続するブロードキャストにおけるパルスＭの数の増大は、ノイズはテンプレート信号Ｕｓの形状を有しないから、ノイズからの信号の識別性を向上させる。
【００４７】
第１の波源Ｓ１及び第２の波源が、ガウス包絡線を有する順次の音響パルスから構成される連続するコード化信号ｕ１（ｔ）及びｕ２（ｔ）の音響ビームを発する場合の結果である数値シミュレーションを図３ｂ−３ｄに示す。この限定を意図しない例において、１２パルスのコード化信号は、(22,960Hz, 14,920Hz) (24,960Hz, 16,224) (28,000Hz, 18,200Hz)(30,280Hz, 19,680Hz) (32,080Hz, 20,852) (34,820, 22,640Hz) (37,880Hz, 24,620)(40,000Hz, 26,000Hz) (44,800Hz, 29,120Hz) (48,720Hz, 31,680Hz) (52960Hz,34,440Hz) (57,600Hz, 37,440Hz)という組み合わせの周波数で用いられる。波源Ｓ１及びＳ２からのコード化パルスｕ１（ｔ）及びｕ２（ｔ）をそれぞれ図４ａ及び４ｂに示す。組合せ間の周波数比ｄ＝ω２／ω１は、一定値０．６５である。２つの連続する信号ｕ１及びｕ２間の開始時刻差δは、（Ｔ１−Ｔ２）と等しくなるように選択される。２つのコード化された連続する波ｕ１及びｕ２のブロードキャストに起因する非線形相互作用の数値シミュレーションが、コンピュータ上で実行される。受信器アレイの６つの受信器において受信され記録される２つの順次のパルスのブロードキャストからの非線形相互作用に起因するエミュレートされたマイクロサイズミックイベント信号が、図３ｂに示される。各受信器Ｒｉは１から６の番号が付され、受信器アレイに沿って距離ｍを置いて図３ａ上に示されている。戻りコード化信号に対するテンプレートｕｓが図３ｃに示される。テンプレート信号と考慮される各受信器おいて記録される信号との相関処理の結果が図３ｄに示される。図３ｄに示される各受信器における結果としての相関処理された信号は、非常に鋭い帯域制限スパイクを示す。この鋭い帯域制限スパイクは、時間Ｔ＝Ｔ１＋Ｔ３において生じる。ここで、Ｔ１は波源１から混合領域ＭＺの中央までの伝播時間であり、Ｔ３は、混合領域ＭＺの中央から各受信器Ｒｉまでの伝播時間である。一実施形態において、Ｔ３は、各受信器Ｒｉにおいて異なり、図３ｄ上に示される受信器アレイに沿った相関スパイク（correlation spike）のムーブアウト（move-out）の要因である。
【００４８】
図３ｂ−３ｄに示される数値シミュレーションは、コード化の仕組みの能力と有用性を明確に例示している。混合領域ＭＺにおける非線形相互作用の強度に比例する強度を伴う帯域制限スパイク信号を含む相関処理された記録を生成するために、受信器において記録された信号をコンピュータが処理する。帯域制限スパイクの到達時間Ｔは、波源Ｓ１から混合領域ＭＺへの伝播時間及び受信器Ｒｉへと戻る伝播時間の合計と等しい。帯域制限スパイクの振幅は、受信器の配置に応じて変化し、特定の受信器において最大値を生じ、これらの場所は、混合領域ＭＺにおける非線形相互作用の散乱角度Ψと従属関係にある。散乱角度Ψは、混合領域ＭＺにおける物質又は媒質の特性、例えば、Ｖｐ／Ｖｓ速度比と従属関係にある。この結果がコード化の仕組みの特徴であることは注目されるべきである。テンプレートと併せてガウス包絡線及びコード化信号を用いることは、コード化信号の仕組みとその特徴を例示することを目的として用いられた限定を意図しない例である。適用分野によって必要となる様々な理由に応じた、分解能及び信号対雑音比の条件による相関処理のパフォーマンスを最適化するために、ｕ１、ｕ２及びｕ３の変形を考慮することができる。
【００４９】
本開示の一部の態様において、初期の音響信号におけるコード化音響信号は、受信器に向かって伝播する非線形信号の振幅及びフォーカシングを高めるために用いることもでき、信号検出感度及び信号対雑音非を改良するために用いることもできる。図５ａ−５ｃは、数値シミュレーションによって生成されたノイズを有する時系列信号に対するコード化信号の仕組みの適用例を示す。ノイズを有する時系列信号は、非線形相互作用の結果としてのボアホールに戻る信号をシミュレートする。非線形相互作用信号の振幅よりも１０％大きい振幅を有するホワイトガウスノイズが、コード化テンプレートとの相関処理が適用される前に、非線形モデル内の波伝播の数値シミュレーションによって生成される時系列信号に対して追加される。この構成は図３ａに示される構成と類似する。図５ａは、ノイズを含み、受信器アレイ１６の６つの受信器において記録されるシミュレートされた受信信号を示す。図５ｃは、図５ｂに示される１２のパルスのコード化テンプレートｕｓ（ｔ）との相関処理のときに、同じ受信器上でノイズを有する信号（この場合、シミュレートされたノイズを有する信号）から取り出される信号を示す。コード化の仕組みは、このように、非線形相互作用から信号を効果的に抽出しノイズを最小化することを示し、実際の適用における有益な特徴である。
【００５０】
Ｓ１及びＳ２が音響ビームに代えて音響波を発するときに、Ｍ（Ｒｉ，ｔ）として示される、媒質内の何れかの受信器Ｒｉにおいて計測される信号のコード化及び後続する相関処理の計測値Ｍ（Ｒｉ，ｔ）は、Ｔ１−Ｔ２＝δ及びｄが等式（４）を満たすという条件を満たす媒質内の全ての地点Ｍｃによる全ての音響パルスの合計である。従って、全ての時刻差及び周波数比（δ，ｄ）の組合せに対し、Ｍｃ（δ，ｄ）として示され、Ｔ１−Ｔ２＝δ及びｄが等式（４）を満たすという条件を満たすいくつかのＭｃ地点が存在する。各地点ｉにおける等式Ｍ（Ｒｉ，ｔ）は、次の等式（９）によって表現することができる。
【数９】
2014506317.tif 000011
ここで、Ａ（Ｍｃ）は、Ｍｃにおける伝搬効果及び非線形混合強度を考慮に入れる振幅の要素であり、
Σは、Ｍｃ（δ，ｄ）における中央の全ての混合領域を通した和を示し、
Ｔ（Ｓ１，Ｍｃ）は波源Ｓ１から特定のＭｃ（δ，ｄ）までの伝播時間であり、
Ｔ（Ｍｃ，Ｒｉ）は特定のＭｃ（δ，ｄ）から受信器Ｒｉまでの伝播時間であり、
ＷＢ（ｔ，ωｍｉｎ，ωｍａｘ）は周波数範囲がωｍｉｎ及びωｍａｘの間である帯域制限スパイクである。
【００５１】
等式（９）によって定義されるように、復号化された計測値Ｍ（Ｒｉ，ｔ）は、Ｓ１から場所Ｍｃ（δ，ｄ）までの伝播時間及び場所Ｍｃ（δ，ｄ）から受信器Ｒｉまでの伝播時間の合計に対応する受信器Ｒｉにおけるマイクロサイズミックイベントの受信時間と共に媒質内の場所Ｍｃ（δ，ｄ）において生じるマイクロサイズミックイベントの複数の計測値を備える。しかしながら、マイクロサイズミックイベントの強度は、伝搬効果及び混合の運動学的効果（mixing kinematic effects）に対する補正後に、マイクロサイズミックイベント場所Ｍｃ（δ，ｄ）の位置における岩石の非線形特性に対して比例することは注目すべきである。
【００５２】
理解されるように、図２に示されるコード化の仕組みは、計測値を、エミュレートされたマイクロサイズミックイベントへと処理できるようにするコード化の仕組みの単なる一例である。このコード化の仕組みに対して多くの変形例が存在する。例えば、一実施形態において、各周波数に対するパルス間の期間は、ランダム又は周期的とし得る特定の時間間隔で可変とすることができる。一実施形態において、各パルスの振幅は、ランダム又は周期的とし得る特定の値を用いて可変とすることができる。一実施形態において、信号の時間期間（即ち、パルス間の時間期間）は、可変とすることができる。一実施形態において、パルスを伴う変調信号は、それ自体を、例えば、エミュレートされたマイクロサイズミックイベントの信号対雑音比を向上させるために、変調信号間における可変のリスニング期間（listening period）で配列された一連の変調信号の合成（composition）又は重畳（superposition）とし得る。理解されるように、上述の実施形態は、別々に実装することができ、又は、所望のコード化の仕組みを実現するために所望の方法で結合することができる。
【００５３】
図６は、本発明の実施形態に従い、媒質が一定の音響伝播速度と可変の非線形地質パラメータを有するときの、第１の音響源Ｓ１及び第２の音響源Ｓ２を含む平面における場所Ｍｃ（δ，ｄ）の地点を示す。一定のδの地点の場所は、波源Ｓ１及びＳ２を含む平面における双曲線に対して垂直方向に位置する。一定の周波数比ｄにおける地点の場所は、複数の円Ｃｄを定義する。円Ｃｄの中心は、Ｓ１からＳ２への線分の二等分線上にある。円は、同じ平面における地点Ｓ１及びＳ２を通過する。従って、各（δ，ｄ）の組合せに対し、Ｍｃ（δ，ｄ）に対する平面内にちょうど２つの地点（例えば、Ｐ１及びＰ２）が存在する。Ｓ１Ｓ２軸に沿って平面を回転させることによって、Ｍｃ（δ，ｄ）の場所は円Ｃ（δ，ｄ）として定義することができ、この円Ｃ（δ，ｄ）は、各（δ，ｄ）の組合せに対しＳ１Ｓ２軸上に中心を有する。（δ，ｄ）の組合せの全ての値を調べれば、Ｓ１Ｓ２ラインを囲む媒質内の容積空間における全ての場所に対するマイクロサイズミックイベントを生成することができる。
【００５４】
一定の音響速度であるという仮定を置くとき、Ｍｃ（δ，ｄ）の場所は、伝搬効果、例えば、放射線屈曲（ray bending）及び波面の複雑性に起因してより複雑になるであろうことが分かる。しかしながら、非線形媒質内の複雑さ（例えば、異なる波面速度等）にもかかわらず、上述した計測及びコード化の仕組みを用いて２つの波源Ｓ１及びＳ２からの波面の交点において生じるマイクロサイズミックイベントをエミュレートすることができる。
【００５５】
一実施形態において、Ｓ１及びＳ２音響源がビーム照射パターンを有する場合であってさえも、エミュレートされたマイクロサイズミックイベントを局所化（localized）することができる。図７は、本発明の実施形態に従い、音響源Ｓ１が放射ビームを生成するためのアレイ波源である状況を図示する。一実施形態において、アレイ波源Ｓ１は、Ｓ１Ｓ２軸に対して直角に位置する。波源要素の適切な開始時刻差によって、アレイ波源Ｓ１は、Ｓ１Ｓ２軸に対して特定の傾きで音響波を生成することができる。波源Ｓ１の音響波面は、例えば、円錐形に制限される。図７に示すように、円錐形の軸は、Ｓ１Ｓ２軸に対して直角である。従って、エミュレートされたマイクロサイズミックイベントは、図７に示すように、円錐形と円Ｃ（δ，ｄ）の場所との交点における媒質内の２つの地点Ｍ１及びＭ２に限定される。このように、Ｓ１及びＳ２のビーム照射パターンは、エミュレートされたマイクロサイズミックイベントが媒質内で生じ得る場所を制御する。
【００５６】
地震学において、媒質内の音響伝播速度のモデルを仮定することによって、地震計測上で時間反転オペレーションを実行することができる。時間反転モデリングオペレーションは、サイズミックイベントの発生時におけるピークへと戻る音響波に再度焦点を定めることができる。発生時における焦点を定められたエネルギーピークの強度は、最初のサイズミックイベントの強度の関数である。時間反転の一般的なコンセプトは、音響学の分野において多くの適用例をもたらしてきた。一般にリバースタイムマイグレーション又はＲＴＭとして知られる一般的な時間反転の方法論は、例えば石油及びガスの探査のような複雑な媒質内の画像処理に適用されており（George A. McMechan, Determination of source parameters by wavefieldextrapolation, Geophysical Journal of the Royal Astronomical Society, Volume71, Issue 3, pages 613-628, December 1982を参照）、この内容全体は参照によってここに組み入れられる。
【００５７】
時間反転の方法論は、上の段落で述べたエミュレートされたマイクロサイズミック計測に適用することができる。本出願において、時間反転オペレーションは、マイクロサイズミックイベントの発生時の時刻及び場所（即ち、上の段落で述べたような位置Ｍｃ（δ，ｄ）及び時刻Ｔ（Ｓ１，Ｍｃ））へと戻る波に焦点を定めることができる。上の段落で述べたように、発生時におけるマイクロサイズミックイベントの強度は、マイクロサイズミックイベントの場所における非線形特性に対して比例する。従って、時間反転オペレーションは、発生の地点Ｍｃ（δ，ｄ）における非線形特性の関係する値を決定するためのツールとして用いることができる。このように、時間反転オペレーションが全ての（δ，ｄ）の組合せに対してエミュレートされたマイクロサイズミックイベント上で実行される場合には、全ての場所Ｍｃ（δ，ｄ）における非線形特性を定量化することができる。全ての場所Ｍｃ（δ，ｄ）の非線形特性の値を結合することによって、波源Ｓ１及びＳ２の周囲の媒質の非線形特性の関係する強度の三次元（３Ｄ）画像を構成することができる。
【００５８】
例えば、キルヒホッフ、光線（Beam）及び波動方程式マイグレーションのような探査地震学における従来の標準的な画像処理方法を変更し、媒質の伝播速度モデルを仮定するエミュレートされたマイクロサイズミックイベントの計測値から媒質の非線形特性の関係する強度の３Ｄ画像を生成するために、この非線形音響相互作用に適用することもできる。様々な産業に対して知られている他の進歩した逆変換法（inversion methods）をエミュレートされたマイクロサイズミックイベントに適用することができる。
【００５９】
非線形媒質内の２つの音響波の非線形相互作用によって生じるエミュレートされたマイクロサイズミックイベントに対してキルヒホッフ画像処理方法論を使用する実施形態について、次の段落で詳述する。
【００６０】
一実施形態において、エミュレートされたマイクロサイズミックイベントはＭ（Ｒｉ，ｔ）として表現することができる。媒質内の全ての所定の地点Ｍｃに対し、相互作用領域Ｍｃから受信器アレイ１６の受信器Ｒｉ（例えば、Ｒ１，Ｒ２等）までの伝播時間Ｔ（Ｒｉ，Ｍｃ）及び音響源Ｓ１から受信器（例えば、Ｒ１，Ｒ２等）までの伝播時間（Ｓ１，Ｍｃ）は伝播速度モデルを用いて計算することができる。一実施形態において、波源Ｓ１から相互作用領域Ｍｃまでの波伝播Ａ（Ｓ１，Ｍｃ）の振幅、波源Ｓ２から相互作用領域Ｍｃまでの波伝播Ａ（Ｓ２，Ｍｃ）の振幅及び相互作用領域Ｍｃから受信器Ｒｉ（例えば、Ｒ１，Ｒ２等）までのビーム伝播Ａ（Ｍｃ，Ｒｉ）の振幅もまた計算することができる。非線形特性の画像値は、次の等式（１０）によって表現することができる。
【数１０】
2014506317.tif 000012
【００６１】
一実施形態において、標準的な信号処理の最良の慣行に従って逆の重み付け要素を固定するために、逆の要素（inverse factors）、例えば、（１／Ａ（Ｓ１，Ｍｃ））を計算して、適切な小さな“ノイズ要因”を、等式（９）に導入しても良い。Ｍｃにおいてマイクロサイズミックイベントが存在する場合には、Ｍｃにおけるマイクロサイズミックイベントからの全ての計測応答Ｒｉの和は、他の場所における全ての他のマイクロサイズミックイベントの寄与が位相を異にする限り、同位相となる。従って、等式（９）から計算されるＩ（Ｍｃ）は、Ｍｃにおけるマイクロサイズミックイベントからの情報のみを含む。
【００６２】
等式（１０）は、音響源Ｓ１及びＳ２の組合せからの音響波によって生成されるエミュレートされたマイクロサイズミックイベントから３Ｄ画像をいかに構成できるかを示す。多数の画像Ｉ（Ｍｃ；Ｓ１，Ｓ２）を、異なる場所における音響源Ｓ１及びＳ２の多数の組合せから構成することができる。伝播速度モデルが正しい場合には、これらの画像は同一となるはずである。これらが同一でない場合には、伝播速度モデルにエラーが存在する。この自己矛盾しない条件を、混合場所Ｍｃにおける局所速度比Ｖｐ／Ｖｓは勿論のこと、正しい伝播速度モデルの決定に用いることができる。
【００６３】
Ｓ１及びＳ２の複数の場所に対する多数の画像Ｉ（Ｍｃ；Ｓ１，Ｓ２）を、混合場所Ｍｃにおける最初の伝播速度モデル及び局所速度比Ｖｐ／Ｖｓを仮定して構成することができる。取得する（３Ｄ）画像Ｉ（Ｍｃ；Ｓ１，Ｓ２）における差を最小化するために、速度断層撮影手法（velocity tomography method）による伝播速度モデルの更新を実行することができる。一実施形態において、更新処理は、取得する画像Ｉ（Ｍｃ；Ｓ１，Ｓ２）における差が最小化されるまで、繰り返すことができる。媒質の非線形特性若しくは局所速度比Ｖｐ／Ｖｓ又はこれらの両方の最終画像を作成するために、多数の画像Ｉ（Ｍｃ；Ｓ１，Ｓ２）は、その後、結合することができる。
【００６４】
本開示の一部の態様において、上述したデータ取得処理及び画像処理を、タイムラプス調査（time-lapse surveys）を実行するために用いることができる。例えば、圧力、地層流体圧又は飽和率の変化によって生じる非線形性又は速度比Ｖｐ／Ｖｓの変形は、ｄ，δ、ｔのスペースに見ることができ、従って、マップ化された特性へと変換するための複雑な処理を必要とせずに、おおよそ局所化させても良い。
【００６５】
ここに記載された方法及びシステムは、音響波伝播を受けるあらゆる媒質に適用することができる。例えば、この方法及びシステムは、地震学、ボアホール検層、医療上の超音波画像診断、非破壊検査、物質科学に適用することができ、例えば、制限されないが、拡散接着サンプル（diffusion bonded samples）内の損傷の位置判定、爆発物内の損傷の位置判定、骨内の損傷の位置判定、合成物内の亀裂密度と非線形性との相関処理、固体の大部分の内部の非線形特性の位置判定等に適用することができる。この方法及びシステムは、物質の一般的な非線形、非破壊評価（ＮＤＥ）のために用いることもできる。
【００６６】
また、用語「プロセッサ」は、ここでは、１又は複数のプロセッサを包含することは理解されるべきである。１又は複数のプロセッサは、ここで記述した方法又は方法の一部を実行するように構成することができる。１又は複数のプロセッサは、例えば、分散コンピューティング環境のように、１又は複数のコンピュータに配置することができる。一部の実施形態において、本発明の実施形態に従って方法を実行するプログラムは、パーソナルコンピュータ又はサーバのようなコンピュータにおいて、又は、複数のコンピュータを備える分散コンピューティング環境において、プログラムプロダクトとして具体化することができる。プロセッサに対して言及された場合、その用語はこのようなあらゆるコンピューティング環境を包含することを理解すべきである。コンピュータは、例えば、デスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ、ハンドヘルドコンピューティングデバイスを含み得る。コンピュータプログラムプロダクトは、上述した方法をコンピュータが実行するようにプログラミングするために用いられ記憶された命令を有するコンピュータ読取可能な媒体、又は、記録媒体を含み得る。好適な記録媒体の例は、フロッピーディスク、光ディスク、ＤＶＤ、ＣＤＲＯＭ、光磁気ディスク、ＲＡＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、磁気又は光カード、ハードディスク、フラッシュカード（例えば、ＵＳＢフラッシュカード）、ＰＣＭＣＩＡメモリカード、スマートカード、又は他の媒体を含むあらゆるタイプのディスクを含む。或いは、一部又は全体のコンピュータプログラムプロダクトを、リモートコンピュータ又はサーバから、例えば、インターネット、ＡＴＭネットワーク、広域ネットワーク（ＷＡＮ）又はローカルエリアネットワーク等のネットワークを介して、ダウンロードすることができる。
【００６７】
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。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】
2014506317.tif 000021
【図２】
2014506317.tif 000022
【図３ａ】
2014506317.tif 000023
【図３ｂ】
2014506317.tif 000024
【図３ｃ】
2014506317.tif 000025
【図３ｄ】
2014506317.tif 000026
【図４ａ】
2014506317.tif 000027
【図４ｂ】
2014506317.tif 000028
【図５ａ】
2014506317.tif 000029
【図５ｂ】
2014506317.tif 000030
【図５ｃ】
2014506317.tif 000031
【図６】
2014506317.tif 000032
【図７】
2014506317.tif 000033
【国際調査報告】
2014506317.tif 000034
2014506317.tif 000035
2014506317.tif 000036