(57)【要約】  ボアホール外部の岩石層を調査する方法及びシステムが提供される。当該方法は、第１の音響源によって第１の周波数の第１の音響波を生成すること、及び、第２の音響源によって第２の周波数の第２の音響波を生成すること、を含む。当該第１及び第２の音響源は、ボアホール内の局所的な領域内に配置される。当該第１及び第２の音響波は、ボアホール外部の交差領域において交差する。当該方法はさらに、第３の周波数の第３の音響波をボアホール内に配置された受信機で受信する。当該第３のせん断音響波は、上記交差領域内の非線形混合領域における非線形混合処理によりボアホール内に戻ってくる。当該第３の周波数は、前記第１の周波数と第２の周波数との差に等しい。
2014500961.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボアホール外部の岩石層の情報を調査するシステムであって、
第１の周波数を有する第１の音響圧縮波を生成するように構成された第１の音響源と、
第２の周波数を有する第２の音響圧縮波を生成するように構成された第２の音響源と、
を備え、
当該第１及び第２の音響源は、前記ボアホール内の局所的な領域内に配置され、前記第１及び第２の音響波は、前記ボアホール外部の交差領域において交差し、
前記ボアホール内に配置され、
さらに第３の周波数を有する第３の音響波を受信する受信機を備え、
前記第３のせん断音響波は、前記交差領域内の非線形混合ゾーンにおける非線形混合処理によりボアホール内に帰還し、前記第３の周波数は、前記第１の周波数と前記第２の周波数との差に等しい、
システム。
【請求項２】
前記第１の音響圧縮波及び前記第２の音響圧縮波は音響ビームである、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記第１の音響源、前記第２の音響源又はその両方は、トランスデューサの線形アレイを備えるように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記受信機は、前記ボアホールの壁部に固定されるように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記第１の周波数における前記第１の音響波、前記第２の周波数における前記第２の音響波、又はその両方を方位角及び仰角について所定の方向において走査する、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
コンピュータ読み取り可能な命令を処理するように構成されたプロセッサをさらに備え、当該命令は、実行時に、前記プロセッサに、前記帰還する第３の音響波を分析させ、非線形相互作用が前記ボアホール内での帰還エネルギーとなった場合に、前記岩石層内の前記混合領域の位置を決定させる、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記第１の音響源の軸は、前記第２の音響源の軸に対して傾斜している、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記第２の周波数の前記第１の周波数に対する比は、前記非線形混合ゾーンにおける前記非線形混合処理の混合係数を最大化するように選択される、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
時間変動属性又は周波数変動属性又はその両方で、前記第１の音響波、前記第２の音響波、又はその両方を符号化するように構成されたエンコーダをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記受信した第３のせん断音響波に対応するデータを記録するように構成された記憶装置と、コンピュータ読み取り可能な命令を処理するように構成されたプロセッサと、をさらに備え、
前記命令は、実行されたときに、前記プロセッサに、周波数比と収束角との関係を支配する選択規則に従って圧縮速度対せん断速度比を推定させ、又は、前記記憶装置の前記記録データを用い、さらに、前記第１の周波数の前記第１の音響波の生成、前記第２の周波数の前記第２の音響波の生成、前記ボアホールへ帰還する前記第３の音響波の受信、及び前記第１の音響源及び前記第２の音響源の配置及び前記第１の音響源と前記第２の音響源の複数の方向に基づく前記交差領域の位置の特定を繰り返すことにより、前記ボアホール周囲の前記岩石層の非線形特性を推定させる、
請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記受信した第３のせん断音響波に対応するデータを記録するように構成された記憶装置と、コンピュータ読み取り可能な命令を処理するように構成されたプロセッサと、をさらに備え、
前記命令は、実行されたときに、前記プロセッサに、前記記憶装置の前記記録データを用い、さらに、前記第１の周波数の前記第１の音響波の生成、前記第２の周波数の前記第２の音響波の生成、前記ボアホールへ帰還する前記第３の音響波の受信、及び前記第１の音響源及び前記第２の音響源の配置及び前記第１の音響源と前記第２の音響源の複数の方向に基づく前記交差領域の位置の特定を繰り返すことにより、岩石層の非線形特性の３次元画像又は圧縮波速度対せん断波速度比の３次元画像を計算させる、
請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
ボアホール外部の岩石層の情報を調査する方法であって、
第１の音響源によって第１の周波数を有する第１の圧縮波を生成する工程と、
第２の音響源によって第２の周波数を有する第２の圧縮波を生成する工程と、
を備え、
当該第１及び第２の音響源は、前記ボアホール内の局所的な領域内に配置され、前記第１及び第２の音響波は、前記ボアホール外部の交差領域において交差し、
さらに第３の周波数の第３のせん断音響波を受信する工程を備え、
前記第３のせん断音響波は、前記交差領域内の非線形混合ゾーンにおける非線形混合処理によりボアホール内の受信機に帰還し、前記第３の周波数は、前記第１の周波数と前記第２の周波数との差に等しい、
方法。
【請求項１３】
前記第１の圧縮波を生成する工程及び前記第２の圧縮波を生成する工程は、第１の音響ビーム及び第２の音響ビームを生成する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１の音響源、前記第２の音響源又はその両方を、トランスデューサの線形アレイとして配置する工程さらに備える、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記受信機を前記ボアホールの壁部に固定する機構をさらに備え、前記受信機は３成分受信機アレイを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記第１の周波数の前記音響波、前記第２の周波数の前記第２の音響波、又はその両方を、方位角、仰角、又はその両方において向きを調整するすることにより、所定の方向において走査する工程をさらに備える、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記帰還エネルギーを分析する工程と、非線形相互作用が前記ボアホール内で前記帰還する第３の音響波となった場合に、前記岩石層の前記混合領域の位置を決定する工程と、をさらに備える、請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１の音響源の軸方向を、前記第２の音響源の軸方向に対して傾斜するように配置する工程をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
エンコーダを用いて、時間変動属性又は周波数変動属性又はその両方で、前記第１の音響波、前記第２の音響波、又はその両方を符号化する工程をさらに備える、請求項１２に記載の方法。
【請求項２０】
前記混合ゾーンの位置を、前記第１の音響源及び前記第２の音響源の配置及び前記帰還エネルギーの方向に基づいて計算する工程をさらに備える、請求項１２に記載の方法。
【請求項２１】
複数の方向において前記第１の音響波及び前記第２の音響波の生成及び受信を繰り返すことにより、圧縮速度対せん断速度比、前記ボアホール周辺の岩石層の非線形特性、又はその両方を推定する工程をさらに備える、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記非線形混合ゾーンにおける前記非線形混合処理の混合係数を決定する工程と、前記混合係数を最大化するために、前記第２の周波数と前記第１の周波数との比を選択する工程と、をさらに備える、請求項１２に記載の方法。
【請求項２３】
音響信号源からのコード化信号を用いてボアホール外部の岩石層の情報を調査す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分離されており、各パルスは中心周波数での第１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分離されており、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、各パルスは第２の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第２の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第１の変調信号の前記中心周波数の選択された分数である、第２の音響源と、
を備え、
前記第１の音響源及び前記第２の音響源は、前記ボアホール内に配置されており、前記第１及び第２の音響信号の軌跡が前記ボアホールの外部にある交差領域において交差するように制御可能であり、
前記ボアホール内に配置された受信機であって、前記ボアホールに帰還する帰還信号を検出するように構成され、前記受信信号は、前記非線形交差領域内の非線形混合領域において、前記第１の音響信号及び前記第２の音響信号に基づく非線形混合プロセスによって生成された信号を含む、受信機と、
雑音、線形相互作用プロセスにより生成される信号、又はその両方から抽出するように、前記非線形混合プロセスによって生成された前記信号に対してデータ処理を行うように構成されたプロセッサと、
をさらに備える、
システム。
【請求項２４】
前記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い、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２５】
前記プロセッサは、前記非線形混合プロセスによって生成された信号を、波形認識法を用いて抽出するように構成される、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２６】
前記プロセッサは、前記非線形混合プロセスによって生成された信号を、前記非線形混合プロセスが起こる前記領域における非線形混合の選択規則に従って、前記非線形信号の予測特性に基づいて、バンドパスフィルタを用いて抽出する、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２７】
前記プロセッサは、前記非線形混合プロセスによって生成された信号を、前記非線形混合プロセスが起こる前記領域における非線形混合の選択規則に従って、前記信号の予測特性に従って設計されるテンプレート信号を用いて前記検出信号を相関処理することにより抽出する、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２８】
前記非線形混合プロセスによって生成される前記信号は、時系列に構成され時系列に到達する第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の複数のパルスの各パルスは、前記第１の複数のパルス及び前記第２の複数のパルスのうちの対応する各パルスにおいて、前記第１の中心周波数と前記第２の中心周波数との差に等しい第３の中心周波数を有する第３の変調信号を含み、
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前記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前記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２３に記載のシステム。
【請求項２９】
前記プロセッサは、
複数の混合ゾーンにおいて生成された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の信号の生成及び前記第２の信号の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、
前記ボアホールに帰還した前記受信信号の検出を繰り返すとともに、雑音、線形相互作用プロセスによって生成された信号、又はその両方から、前記非線形混合プロセスによって生成された前記信号を抽出するように当該受信信号に対するデータ処理を繰り返すように前記受信機を制御する、
請求項２３記載のシステム。
【請求項３０】
前記混合ゾーンにおける非線形相互作用により生成される前記信号は、前記第２の音響源の第２の複数のパルスと前記第１の音響源の第１の複数のパルスとの間の開始時間差が前記第１の音響源から前記混合ゾーンの中心までの伝播時間と前記第２の音響源から前記混合ゾーンの中心までの伝播時間との伝播時間差に等しい場合にのみ生成され検出される、請求項２３に記載のシステム。
【請求項３１】
雑音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信号の識別性を向上させるために、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２３記載のシステム。
【請求項３２】
前記第１の信号は、複数のパルスの和を含み、各パルスは包絡線関数と変調信号関数との積に等しい信号振幅を有する、請求項２３に記載のシステム。
【請求項３３】
前記第１の信号ｕ１（ｔ）は以下の形式であり、
【数２０】
2014500961.tif 000023
ここで、
Ｅ１ｎ（ｔ−Ｔｎ）は、前記第１の複数のパルスのうちｎ番目のパルスの正又は負の振幅を有する包絡線に対応し、
ｅｘｐ（ｉ２π＊ｆｎ＊（ｔ−Ｔｎ））は、前記第１の複数のパルスのうちｎ番目のパルスにおける前記第１の変調信号に対応し、
ｆｎは、前記ｎ番目のパルスにおける前記変調信号の中心周波数であり、
ｔは、信号時間であり、
Ｔｎは、前記ｎ番目のパルスが生成される時間であり、
ζｎは各パルスｎの位相であり、ｅｘｐ（ｉζｎ）は各パルスｎの位相期間である、
請求項２３記載のシステム。  
【請求項３４】
前記第２の信号は、複数のパルスの和を含み、各パルスは包絡線関数と変調信号関数との積に等しい信号振幅を有する、請求項２３に記載のシステム。
【請求項３５】
前記第２の信号ｕ２（ｔーδ）は以下の形式であり、
【数２１】
2014500961.tif 000024
ここで、
Ｅ２ｎ（ｔ−（Ｔｎ＋δ）は、前記第２の複数のパルスのうちｎ番目のパルスの包絡線に対応し、
ｅｘｐ（ｉ２π＊ｄ＊ｆｎ＊（ｔ−（Ｔｎ＋δ））は、前記第２の複数のパルスのうちｎ番目のパルスにおける前記第２の変調信号に対応し、
ｄ＊ｆｎは、前記第２の複数のパルスのうちの前記ｎ番目のパルス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、
（Ｔｎ＋δ）は、前記第３２複数のパルスにおけるｎ番目のパルスがブロードキャストされる時間であり、
δは、前記第２の音響源のブロードキャストの開始時間と前記第１の音響源のブロードキャストの開始時間との差であり、
ζｎは各パルスｎの位相であり、ｅｘｐ（ｉζｎ）は各パルスｎの位相期間である、
請求項２３に記載のシステム。
【請求項３６】
非線形混合プロセスにより生成される前記信号は、第３の複数のパルスの数にわたって、各パルスの包絡線関数と各パルスについての変調信号関数との積を合計したものに比例する、請求項２３に記載のシステム。
【請求項３７】
非線形混合プロセスによって生成される前記信号ｕ３（ｔ）は以下の形式であり、
【数２２】
2014500961.tif 000025
ここで、
Ｅ３ｎ（ｔ−（Ｔｎ＋Ｔ）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（ｉ２π＊（１−ｄ）＊ｆｎ＊（ｔ−（Ｔｎ＋Ｔ））は、前記第３の複数のパルスのうちｎ番目のパルスにおける前記第３の変調信号に対応し、
（１−ｄ）＊ｆｎは、前記第１の複数のパルスのｎ番目のパルス内の前記第１の変調信号の中心周波数ｆｎ及び前記第２の複数のパルスのｎ番目のパルス内の前記第２の変調信号の中心周波数ｄ＊ｆｎ間の差異である前記第３の複数のパルスにおけるｎ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、
（Ｔｎ＋Ｔ）は、前記第３の複数のパルスにおけるｎ番目のパルスが前記受信機に到達する時間であり、
Ｔは、前記第１の音響源から前記混合ゾーンの中心までの伝播時間と当該混合ゾーンから前記受信機までの伝播時間との合計の伝播時間であり、
ζｎは各パルスｎの位相であり、ｅｘｐ（ｉζｎ）は各パルスｎの位相期間である、
請求項２３に記載のシステム。
【請求項３８】
前記プロセッサは、前記非線形混合プロセスにより生成された信号を、前記検出信号をテンプレート信号で相関処理することにより抽出し、前記テンプレート信号は、複数のパルスの和を含み、各パルスは包絡線関数と変調信号関数との積に等しい信号振幅を有する、請求項２３に記載のシステム。
【請求項３９】
前記プロセッサは、前記非線形混合プロセスにより生成された信号を、前記検出信号をテンプレート信号で相関処理することにより抽出し、前記テンプレートｕｓは、以下の形式であり、
【数２３】
2014500961.tif 000026
ここで、
Ｗｎ（ｔ−Ｔｎ）は前記テンプレート信号におけるｎ番目のパルスの振幅包絡線であり、
ｅｘｐ（ｉ２π＊ｇ（ｆｎ）＊（ｔ−Ｔｎ））は、前記テンプレート信号の複数のパルスのうちｎ番目の変調信号に対応し、
ｇ（ｆｎ）は前記テンプレートの前記複数のパルスにおけるｎ番目のパルス内の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、
Ｔｎは前記複数のパルスにおけるｎ番目のパルスが前記受信器に到達するとシミュレートされた時間であり、
ζｎは各パルスｎの位相であり、ｅｘｐ（ｉζｎ）は各パルスｎの位相期間である、
請求項２３に記載のシステム。
【請求項４０】
前記プロセッサが、
前記非線形混合プロセスによって生成された信号を、音響波の非線形相互作用の選択規則に従って、前記信号の予測特性に従って設計されるテンプレート信号を用いて前記検出信号を相関処理することにより抽出し、
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、前記テンプレート信号と前記検出信号との間の相関処理を繰り返して、各開始時間差δ及び各周波数比ｄについて非線形相互作用信号を含む相関処理信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）を生成する、
ように構成された、請求項２３に記載のシステム。
【請求項４１】
前記プロセッサは、前記信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）内で、到着時間ｔ、開始時間差δ、及び周波数比ｄの全ての値を検索し、前記非線形混合プロセスによって生成された信号の発生に対応する相関処理された帯域制限スパイク信号の存在に関し、到着時間ＴＮＬ、開始時間差δＮＬ、及び周波数比ｄＮＬを決定する、請求項４０に記載のシステム。
【請求項４２】
前記非線形プロセスによって生成される帯域制限スパイク信号が前記相関処理信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）内で発生する場合に、前記決定された開始時間差δＮＬは、前記第１の音響源から前記混合ゾーンの中心までの伝播時間と前記第２の音響源から前記混合ゾーンの中心までの伝播時間との差に実質的に等しい、請求項４１に記載のシステム。
【請求項４３】
前記非線形プロセスによって生成される帯域制限スパイク信号が前記相関処理信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）内で発生する場合に、前記決定された到着時間ＴＮＬは、前記第１の音響源から前記混合ゾーンの中心までの伝播時間と当該混合ゾーンの中心から受信機までの伝播時間との合計の伝播時間に実質的に等しい、請求項４１に記載のシステム。
【請求項４４】
ボアホール外部の岩石層の情報を調査する方法であって、
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分離されており、各パルスは中心周波数での第１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、前記ボアホール内に配置されており、前記第１及び第２の音響信号の軌跡が前記ボアホールの外部にある交差領域において交差するように制御可能であり、
前記ボアホール内に配置された受信機によって、前記ボアホールに帰還する検出信号を受信し、当該検出信号は、前記非線形交差領域内の非線形混合領域において、前記第１の音響信号及び前記第２の音響信号に基づく非線形混合プロセスによって生成された信号を含み、
プロセッサによって、前記受信信号に対するデータ処理を行い、雑音、線形相互作用プロセスにより生成される信号、又はその両方から、前記非線形混合プロセスによって生成された前記信号を抽出する、
方法。
【請求項４５】
前記第１の音響信号の生成は、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の音響信号を生成することを含む、請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記プロセッサによって、前記非線形混合プロセスによって生成された信号を、波形認識法を用いて抽出する、請求項４４に記載の方法。
【請求項４７】
前記プロセッサによって、前記非線形混合プロセスによって生成された信号を、前記非線形混合プロセスが起こる前記領域における非線形混合の選択規則に従って、前記非線形信号の予測特性に基づいて、バンドパスフィルタを用いて抽出する、請求項４４に記載の方法。
【請求項４８】
前記プロセッサによって、前記非線形混合プロセスによって生成された信号を、前記非線形混合プロセスが起こる前記領域における非線形混合の選択規則に従って、前記信号の予測特性に従って設計されるテンプレート信号を用いて前記検出信号を相関処理することにより抽出する、請求項４４に記載の方法。
【請求項４９】
前記非線形混合プロセスによって生成される前記信号は、時系列に配置された時間的に分離された第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４４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の複数のパルスの各パルスは、前記第１の複数のパルス及び前記第２の複数のパルスのうちの対応する各パルスにおいて、前記第１の中心周波数と前記第２の中心周波数との差に等しい第３の中心周波数を有する第３の変調信号を含み、
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前記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前記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４４に記載の方法。
【請求項５０】
前記帰還信号の前記受信機による検出を繰り返すために、前記第１の信号の生成工程及び前記第２の信号の生成を繰り返し、複数の混合ゾーンにおいて生成された信号を得るために開始時刻差の範囲及び周波数分数ｄの範囲に対し、雑音、線形相互作用プロセスによって生成された信号、又はその両方にわたって前記非線形混合プロセスによって生成された前記信号を抽出するために、前記受信信号のデータ処理の実行を繰り返す、請求項４４に記載の方法。
【請求項５１】
前記混合ゾーンにおける非線形相互作用により生成される前記信号を、前記第２の音響源の第２の複数のパルスと前記第１の音響源の第１の複数のパルスとの間の開始時間差が前記第１の音響源から前記混合ゾーンの中心までの伝播時間と前記第２の音響源から前記混合ゾーンの中心までの伝播時間との伝播時間差に等しい場合にのみ検出する、請求項４４に記載の方法。
【請求項５２】
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４４記載の方法。
【請求項５３】
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する、請求項４４に記載の方法。
【請求項５４】
前記第１の信号の生成は、以下の形式の第１の信号ｕ１（ｔ）を生成することを含む。
【数２４】
2014500961.tif 000027
ここで、
Ｅ１ｎ（ｔ−Ｔｎ）は、前記第１の複数のパルスのうちｎ番目のパルスの正又は負の振幅を有する包絡線に対応し、
ｅｘｐ（ｉ２π＊ｆｎ＊（ｔ−Ｔｎ））は、前記第１の複数のパルスのうちｎ番目のパルスにおける前記第１の変調信号に対応し、
ｆｎは、前記ｎ番目のパルスにおける前記変調信号の中心周波数であり、
ｔは、信号時間であり、
Ｔｎは、前記ｎ番目のパルスが生成される時間であり、
ζｎは各パルスｎの位相であり、ｅｘｐ（ｉζｎ）は各パルスｎの位相期間である、
請求項４４に記載の方法。
【請求項５５】
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４４に記載の方法。
【請求項５６】
前記第２の信号の生成は、以下の形式の第２の信号ｕ２（ｔーδ）を生成することを含み、
【数２５】
2014500961.tif 000028
ここで、
Ｅ２ｎ（ｔ−（Ｔｎ＋δ）は、前記第２の複数のパルスのうちｎ番目のパルスの包絡線に対応し、
ｅｘｐ（ｉ２π＊ｄ＊ｆｎ＊（ｔ−（Ｔｎ＋δ））は、前記第２の複数のパルスのうちｎ番目のパルスにおける前記第２の変調信号に対応し、
ｄ＊ｆｎは、前記第２の複数のパルスのうちの前記ｎ番目のパルス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、
（Ｔｎ＋δ）は、前記第３２複数のパルスにおけるｎ番目のパルスがブロードキャストされる時間であり、
δは、前記第２の音響源のブロードキャストの開始時間と前記第１の音響源のブロードキャストの開始時間との差であり、
ζｎは各パルスｎの位相であり、ｅｘｐ（ｉζｎ）は各パルスｎの位相期間である、
請求項４４に記載の方法。
【請求項５７】
前記非線形混合プロセスによって生成される前記信号は、複数のパルスの和を含み、各パルスは包絡線関数と変調信号関数との積に等しい信号振幅を有する、請求項４４に記載の方法。
【請求項５８】
非線形混合プロセスによって生成される前記信号ｕ３（ｔ）は以下の形式であり、
【数２６】
2014500961.tif 000029
ここで、
Ｅ３ｎ（ｔ−（Ｔｎ＋Ｔ）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（ｉ２π＊（１−ｄ）＊ｆｎ＊（ｔ−（Ｔｎ＋Ｔ））は、前記第３の複数のパルスのうちｎ番目のパルスにおける前記第３の変調信号に対応し、
（１−ｄ）＊ｆｎは、前記第１の複数のパルスのｎ番目のパルス内の前記第１の変調信号の中心周波数ｆｎ及び前記第２の複数のパルスのｎ番目のパルス内の前記第２の変調信号の中心周波数ｄ＊ｆｎ間の差異である前記第３の複数のパルスにおけるｎ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、
（Ｔｎ＋Ｔ）は、前記第３の複数のパルスにおけるｎ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、
Ｔは、前記第１の音響源から前記混合ゾーンの中心までの伝播時間と当該混合ゾーンから前記受信機までの伝播時間との合計の伝播時間であり、
ζｎは各パルスｎの位相であり、ｅｘｐ（ｉζｎ）は各パルスｎの位相期間である、
請求項４４に記載の方法。
【請求項５９】
前記プロセッサによって、前記非線形混合プロセスによって生成される前記信号を、前記検出信号をテンプレート信号で相関処理することにより抽出し、前記テンプレート信号は、複数のパルスの和を含み、各パルスは包絡線関数と変調信号関数との積に等しい信号振幅を有する、請求項４４に記載の方法。
【請求項６０】
前記プロセッサによって、前記非線形混合プロセスにより生成された信号を、前記検出信号をテンプレート信号で相関処理することにより抽出する工程をさらに備え、前記テンプレートｕｓは、以下の形式であり、
【数２７】
2014500961.tif 000030
ここで、
ここで、Ｗｎ（ｔ−Ｔｎ）は前記テンプレート信号におけるｎ番目のパルスの振幅包絡線であり、
ｅｘｐ（ｉ２π＊ｇ（ｆｎ）＊（ｔ−Ｔｎ））は、前記テンプレート信号の複数のパルスのうちｎ番目の変調信号に対応し、
ｇ（ｆｎ）は前記テンプレートの前記複数のパルスにおけるｎ番目のパルス内の、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、
Ｔｎは前記複数のパルスにおけるｎ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、
ζｎは各パルスｎの位相であり、ｅｘｐ（ｉζｎ）は各パルスｎの位相期間である、
請求項４４に記載の方法。
【請求項６１】
前記プロセッサによって、前記非線形混合プロセスによって生成された信号を、音響波の非線形相互作用の選択規則に従って、前記信号の予測特性に従って設計されるテンプレート信号を用いて前記検出信号を相関処理することにより抽出し、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、前記テンプレート信号と前記検出信号との間の相関処理を繰り返して、各開始時間差δ及び各周波数比ｄについて非線形相互作用信号を含む相関処理信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）を生成する、請求項４４に記載の方法。
【請求項６２】
前記プロセッサによって、前記信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）内で、到着時間ｔ、開始時間差δ、及び周波数比ｄの全ての値を検索し、前記非線形混合プロセスによって生成された信号の発生に対応する相関処理された帯域制限スパイク信号の存在に関し、到着時間ＴＮＬ、開始時間差δＮＬ、及び周波数比ｄＮＬを決定する、請求項６１に記載の方法。
【請求項６３】
前記非線形プロセスによって生成される帯域制限スパイク信号が前記相関処理信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）内で発生する場合に、前記決定された開始時間差δＮＬは、前記第１の音響源から前記混合ゾーンの中心までの伝播時間と前記第２の音響源から前記混合ゾーンの中心までの伝播時間との差に実質的に等しい、請求項６２に記載の方法。
【請求項６４】
前記非線形プロセスによって生成される帯域制限スパイク信号が前記相関処理信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）内で発生する場合に、前記決定された到着時間ＴＮＬは、前記第１の音響源から前記混合ゾーンの中心までの伝播時間と当該混合ゾーンの中心から受信機までの伝播時間との合計の伝播時間に実質的に等しい、請求項６２に記載の方法。
【請求項６５】
ボアホール外部の岩石層の情報を調査するシステムであって、
第１の周波数を有する第１の音響信号を生成するように構成された第１の音響源と、
第２の周波数を有する第２の音響信号を生成するように構成された第２の音響源と、
を備え、
前記第１の音響源及び前記第２の音響源は、前記第１の音響信号及び前記第２の音響信号が前記ボアホール外部の交差領域において交差し、前記第２の音響信号と前記第１の音響信号との間で開始時間の差が設けられるように、前記ボアホール内に配置及び設置され、
前記ボアホール内に配置され、前記第１の周波数と前記第２の周波数との差に等しい周波数を有する前記ボアホールへの帰還信号を受信するように構成されており、前記検出信号は、前記非線形交差領域内の非線形混合領域において、前記第１の音響信号及び前記第２の音響信号に基づく非線形混合プロセスによって生成される受信機と、
前記検出信号を記録し、前記検出信号を記憶装置に記憶し、また、前記第１の音響源の位置、前記第２の音響源の位置、前記受信機の位置、前記第１の音響信号の仰角及び方位角、前記第２の音響信号の仰角及び方位角を含む測定パラメータを記憶するように構成された記録システムと、
をさらに備えるシステム。
【請求項６６】
前記第１の音響信号のブロードキャストの開始時間と前記第２の音響信号のブロードキャストの開始時間との間の開始時間差の範囲を走査し、前記開始時間差の範囲が前記第１の音響信号と前記第２の音響信号とが実質的に同時に前記混合ゾーンに到達する時間差を含むようにする、請求項６５に記載のシステム。
【請求項６７】
前記第１の音響信号と前記第２の音響信号との相互作用から得られる受信信号が逆の極性を持つように、前記第１の音響信号又は前記第２の音響信号の位相を制御するように構成されたハードウェア、ソフトウェア又はその両方をさらに備える、請求項６５に記載のシステム。
【請求項６８】
前記第１の音響信号と前記第２の音響信号との相互作用から得られる逆の極性を有する信号が、雑音、線形相互作用から生じる信号、又はその両方に対して、前記非線形相互作用によって生成される信号を強化するために結合される、請求項６７に記載のシステム。
【請求項６９】
前記非線形相互作用によって生成される前記検出信号の少なくとも一部が、前記第１の音響信号の振幅と前記第２の音響信号の振幅との積に比例する、請求項６５に記載のシステム。
【請求項７０】
非線形相互作用により生成される前記信号の期待帯域の周囲に狭い周波数帯域幅を維持するために、時変周波数バンドパスフィルタを検出信号に適用する時変バンドパスフィルタ装置をさらに備え、前記狭い周波数帯域幅は、前記第１の周波数と前記第２の周波数との差の周囲で選択される、請求項６５に記載のシステム。
【請求項７１】
前記第１の音響信号は、時系列として配列された第１の複数のパルスを含み、前記第１の複数のパルスは時間的に分離されており、各パルスは中心周波数における変調信号を含み、２つの連続するパルスの中心周波数は異なっており、
前記第２の音響信号は、時系列として配列された第２の複数のパルスを含み、前記第２の複数のパルスは時間的に分離されており、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、前記第２の複数のパルスにおける各パルス内の前記第２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内の前記第１変調信号の前記中心周波数の選択小部分（ｓｅｌｅｃｔｅｄ  ｆｒａｃｔｉｏｎ）であり、
前記開始時間は、前記第１の音響信号及び前記第２の音響信号が前記混合領域において交差するように制御される、
請求項６５に記載のシステム。
【請求項７２】
前記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い、請求項７１に記載のシステム。
【請求項７３】
前記検出信号を複数のパルスを含むテンプレート信号と相関処理するように構成されたプロセッサをさらに備え、前記複数のパルスは、時系列に配置されるとともに時間的に分離されており、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、前記複数のパルスにおける各パルスは、前記非線形混合ゾーンにおける非線形相互作用によって生成される前記信号を含む相関信号を得るために、前記第１の複数のパルス及び前記第２の複数のパルスの対応する各々のパルス内に、前記第１の変調信号の中心周波数と前記第２の変調信号の中心周波数との差に等しい中心周波数を有する変調信号を含む、請求項７１に記載のシステム。
【請求項７４】
複数の検出信号を受信するように構成された複数の受信機を備え、前記プロセッサは、多次元フィルタリング法（ｍｕｌｔｉ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ）、反射伝播時間差分析及びスタッキング法（ｔｉｍｅ  ｍｏｖｅｏｕｔ  ａｎａｌｙｓｉｓ  ａｎｄ  ｓｔａｃｋｉｎｇ）、又はその両方を、前記複数の受信機によって受信される前記複数の検出信号に適用するように構成される、請求項７３に記載のシステム。
【請求項７５】
前記受信機は、ハイドロフォン、多成分検出器、又はその両方を備え、前記検出信号は、前記ハイドロフォンによって検出される圧両信号、前記多成分検出器によって検出される多成分信号、又はその両方を含む、請求項７３に記載のシステム。
【請求項７６】
前記プロセッサは、前記検出信号に対するホドグラム分析を実行するように構成される、請求項７５に記載のシステム。
【請求項７７】
前記プロセッサは、ホドグラム分析を、垂直せん断ＳＶ信号、水平せん断ＳＨ信号、及び圧縮Ｐ信号を含む前記３つの検出された成分信号に適用するように構成される、請求項７６に記載のシステム。
【請求項７８】
前記プロセッサは、多次元フィルタリング、反射伝播時間差分析及びスタッキング法、又はその両方を、前記３つの検出器によって受信される前記３つの検出された成分信号に適用するように構成され、又は、多次元フィルタリング、反射伝播時間差分析及びスタッキング法、又はその両方を、前記ハイドロフォンにより検出される前記圧力信号に適用するように構成される、請求項７７に記載のシステム。
【請求項７９】
非線形相互作用により生成される前記信号の期待帯域の周囲に狭い周波数帯域幅を維持するために、時変周波数バンドパスフィルタを検出信号に適用する時変バンドパスフィルタ装置をさらに備え、前記狭い周波数帯域幅は、前記第１の周波数と前記第２の周波数との差の周囲で選択される、請求項７７に記載のシステム。
【請求項８０】
前記プロセッサは、前記第１の音響源、前記第２の音響源、前記受信機を制御し、信号対雑音比を改選するために、前記第１の音響信号の生成、前記第２の音響信号の生成、前記検出信号の受信、前記時変周波数バンドパスフィルタの適用、前記検出信号と前記テンプレート信号との相関処理、前記ホドグラム分析の適用、及び信号の前記結合を複数回繰り返すように構成される、請求項７９に記載のシステム。
【請求項８１】
前記プロセッサは、前記開始時間差を変化させ、圧縮モードＰ、垂直せん断モードＳＶ、及び水平せん断モードＳＨを含む異なる伝播信号モードを分離するために、３つの検出信号の各々について、前記第１の音響信号の生成、前記第２の音響信号の生成、前記検出信号の受信、前記時変周波数バンドパスフィルタの適用、前記検出信号と前記テンプレート信号との相関処理、及び前記ホドグラム分析の適用を繰り返すように構成される、請求項７９に記載のシステム。
【請求項８２】
前記プロセッサは、前記開始時間差を変化させ、前記第１の信号の生成、前記第２の信号の生成、前記検出信号の受信、前記時変周波数バンドパスフィルタの適用、及びハイドロフォンにより検出される信号の前記テンプレート信号との相関処理を複数回繰り返すように構成される、請求項７９に記載のシステム。
【請求項８３】
前記プロセッサは、前記第１の音響源、前記第２の音響源、及び前記受信機を制御して、前記第１の音響信号の複数の方位角及び仰角、前記第２の音響信号の複数の方位角及び仰角、又は前記受信機の位置を走査し、また、前記第１音響信号の生成、前記第２音響信号の生成、前記検出信号の受信、前記時変周波数バンドパスフィルタの適用によるフィルタ信号の取得、及び前記成分信号を圧縮モードＰ、垂直せん断モードＳＶ、及び水平せん断モードＳＨを含む異なる伝播信号モードを含む異なる伝播信号モードに分離するための前記３つの検出された成分信号に対する前記ホドグラム分析、を複数回繰り返す、ように構成される、請求項７９に記載のシステム。
【請求項８４】
前記プロセッサは、複数の信号測定値を得るために、前記第１の音響信号のブロードキャストの開始時間と前記第２の音響信号のブロードキャストの開始時間との開始時間差の変更を繰り返し、前記第１の周波数と前記第２の周波数との周波数比の変更を繰り返し、また、前記第１の音響信号の前記複数の方位角及び仰角、前記第２の音響信号の前記複数の方位角及び仰角、及び前記受信機の位置の操作を繰り返すように構成される、請求項８３に記載のシステム。
【請求項８５】
前記プロセッサと通信する記憶装置をさらに備え、前記記憶装置は、取得された複数の信号測定値を記憶するように構成される、請求項８４に記載のシステム。
【請求項８６】
ボアホール外部の岩石層を調査する方法であって、
第１の音響源によって第１の周波数の第１の音響信号を生成し、
第２の音響源によって第２の周波数の第２の音響信号を生成し、
前記第１の音響源及び前記第２の音響源は、前記第１の音響信号及び前記第２の音響信号が前記ボアホール外部の交差領域において交差し、前記第２の音響信号と前記第１の音響信号との間で開始時間の差が設けられるように、前記ボアホール内に配置及び設置され、
受信機によって、前記ボアホールに帰還する検出信号を受信し、当該検出信号は、前記第１の周波数と前記第２の周波数との差に等しい周波数を有するとともに、前記非線形交差領域内の非線形混合ゾーンにおいて、前記第１の音響信号及び前記第２の音響信号に基づく非線形混合プロセスによって生成された信号であり、
前記検出信号を記録し、前記検出信号を記憶装置に記憶し、また、前記第１の音響源の位置、前記第２の音響源の位置、前記受信機の位置、前記第１の音響信号の仰角及び方位角、前記第２の音響信号の仰角及び方位角を含む測定パラメータを記憶する、
方法。
【請求項８７】
前記第１の音響信号のブロードキャストの開始時間と前記第２の音響信号のブロードキャストの開始時間との間の開始時間差の範囲を走査し、前記開始時間差の範囲が前記第１の音響信号と前記第２の音響信号とが実質的に同時に前記混合ゾーンに到達する時間差を含むようにする、請求項８６に記載の方法。
【請求項８８】
前記第１の音響信号と前記第２の音響信号との相互作用から得られる受信信号が逆の極性を持つように、前記第１の音響信号又は前記第２の音響信号の位相を制御する、請求項８６に記載の方法。
【請求項８９】
前記第１の音響信号と前記第２の音響信号との相互作用から得られる逆の極性を有する信号を、雑音、線形相互作用から生じる信号、又はその両方に対して、前記非線形相互作用によって生成される信号を強化するために結合する、請求項８８に記載の方法。
【請求項９０】
前記非線形相互作用によって生成される前記検出信号の少なくとも一部が、前記第１の音響信号の振幅と前記第２の音響信号の振幅との積に比例する、請求項８６に記載の方法。
【請求項９１】
時変バンドパスフィルタによって、非線形相互作用により生成される前記信号の期待帯域の周囲に狭い周波数帯域幅を維持するために、時変周波数バンドパスフィルタを検出信号に適用し、前記狭い周波数帯域幅は、前記第１の周波数と前記第２の周波数との差の周囲で選択される、請求項８６に記載の方法。
【請求項９２】
前記第１の音響信号の生成は、時系列として配列された第１の複数のパルスを生成することを含み、前記第１の複数のパルスは時間的に分離されており、各パルスは中心周波数での第１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、
前記第２の音響信号の生成は、時系列として配列された第２の複数のパルスを生成することを含み、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、
前記開始時間は、前記第１の音響信号及び前記第２の音響信号が前記混合領域において交差するように制御される、
請求項８６に記載の方法。
【請求項９３】
前記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い、請求項９２に記載の方法。
【請求項９４】
プロセッサによって、前記検出信号を複数のパルスを含むテンプレート信号で相関処理し、前記複数のパルスは、前記非線形混合プロセスによって生成される前記信号は、時系列に構成されるとともに時間分離されており、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、前記複数のパルスにおける各パルスは、前記非線形混合ゾーンにおける非線形相互作用によって生成される前記信号を含む相関信号を得るために、前記第１の複数のパルス及び前記第２の複数のパルスの対応する各々のパルス内に、前記第１の変調信号の中心周波数と前記第２の変調信号の中心周波数との差に等しい中心周波数を有する変調信号を含む、請求項９２に記載の方法。
【請求項９５】
複数の検出信号を複数の受信機で受信し、前記プロセッサによって、多次元フィルタリング法（ｍｕｌｔｉ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ）、反射伝播時間差分析及びスタッキング法（ｔｉｍｅ  ｍｏｖｅｏｕｔ  ａｎａｌｙｓｉｓ  ａｎｄ  ｓｔａｃｋｉｎｇ）、又はその両方を、前記複数の受信機によって受信される前記複数の検出信号に適用する、請求項９４に記載の方法。
【請求項９６】
ハイドロフォンによって圧力信号を検出し、又は、前記受信機の３つの検出器の各々によって多成分信号を検出する、請求項９４に記載の方法。
【請求項９７】
前記受信機の３つの検出器の各々の前記受信信号の３つの成分信号の各々を検出する、請求項９４に記載の方法。
【請求項９８】
前記プロセッサによって、ホドグラム分析を前記検出信号に対して実行する、請求項９７に記載の方法。
【請求項９９】
ホドグラム分析の実行には、ホドグラム分析を、垂直せん断ＳＶ信号、水平せん断ＳＨ信号、及び圧縮Ｐ信号を含む前記３つの検出された成分信号に適用することを含む、請求項９８に記載の方法。
【請求項１００】
多次元フィルタリング、反射伝播時間差分析及びスタッキング法、又はその両方を、前記３つの検出器によって受信される前記３つの検出された成分信号に適用し、又は、多次元フィルタリング、反射伝播時間差分析及びスタッキング法、又はその両方を、前記ハイドロフォンにより検出される前記圧力信号に適用する、請求項９９に記載の方法。
【請求項１０１】
非線形相互作用により生成される前記信号の期待帯域の周囲に狭い周波数帯域幅を維持するために、時変周波数バンドパスフィルタを検出信号に適用し、前記狭い周波数帯域幅は、前記第１の周波数と前記第２の周波数との差の周囲で選択される、請求項９９に記載の方法。
【請求項１０２】
信号対雑音比を改選するために、前記第１の音響信号の生成、前記第２の音響信号の生成、前記検出信号の受信、前記時変周波数バンドパスフィルタの適用、前記検出信号と前記テンプレート信号との相関処理、前記ホドグラム分析の適用、及び信号の前記結合を複数回繰り返す、請求項１０１に記載の方法。
【請求項１０３】
前記開始時間差を変化させ、また、圧縮モードＰ、垂直せん断モードＳＶ、及び水平せん断モードＳＨを含む異なる伝播信号モードを分離するために、３つの検出信号の各々について、前記第１の音響信号の生成、前記第２の音響信号の生成、前記検出信号の受信、前記時変周波数バンドパスフィルタの適用、前記検出信号と前記テンプレート信号との相関処理、及び前記ホドグラム分析の適用を繰り返す、請求項１０１に記載の方法。
【請求項１０４】
前記開始時間差を変化させ、前記第１の信号の生成、前記第２の信号の生成、前記検出信号の受信、前記時変周波数バンドパスフィルタの適用、及びハイドロフォンにより検出される信号の前記テンプレート信号との相関処理を複数回繰り返す、請求項１０３に記載の方法。
【請求項１０５】
前記第１の音響信号の複数の方位角及び仰角、前記第２の音響信号の複数の方位角及び仰角、又は前記受信機の位置を走査し、また、前記第１音響信号の生成、前記第２音響信号の生成、前記検出信号の受信、前記時変周波数バンドパスフィルタの適用によるフィルタ信号の取得、及び前記成分信号を圧縮モードＰ、垂直せん断モードＳＶ、及び水平せん断モードＳＨを含む異なる伝播信号モードを含む異なる伝播信号モードに分離するための前記３つの検出された成分信号に対する前記ホドグラム分析、を複数回繰り返す、請求項９７に記載の方法。
【請求項１０６】
前記第１の音響信号のブロードキャストの開始時間と前記第２の音響信号のブロードキャストの開始時間との開始時間差の変更を繰り返し、前記第１の周波数と前記第２の周波数との周波数比の変更を繰り返し、また、複数の信号測定値を得るために、前記第１の音響信号の前記複数の方位角及び仰角、前記第２の音響信号の前記複数の方位角及び仰角、及び前記受信機の位置の操作を繰り返す、請求項１０５に記載の方法。
【請求項１０７】
前記プロセッサと通信する記憶装置に前記取得された複数の信号測定値を記憶する、請求項１０６に記載の方法。
【請求項１０８】
岩石層の３次元画像を生成する方法であって、
第１の音響源によって第１の音響信号を生成し、前記第１の音響信号は、時系列に配列された第１の複数のパルスを含み、前記第１の複数のパルスは時間的に分離されており、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、
第２の音響源によって第２の音響信号を生成し、当該第２の音響信号は時系列に配列された第２の複数のパルスを含み、前記第２の複数のパルスは時間的に分離されており、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であり、
前記第１の音響源及び前記第２の音響源は、前記ボアホール内に配置されており、前記第１及び第２の音響信号の軌跡が前記ボアホールの外部にある交差領域において交差するように制御可能であり、
前記ボアホール内に配置された受信機によって、前記ボアホールに帰還する検出信号を受信し、当該検出信号は、前記非線形交差領域内の非線形混合領域において、前記第１の音響信号及び前記第２の音響信号に基づく非線形混合プロセスによって生成された信号を含み、
プロセッサによって、雑音、線形相互作用プロセスにより生成される信号、又はその両方から抽出するように、前記非線形混合プロセスによって生成された前記信号に対してデータ処理を行い、
前記非線形混合プロセスによって生成された前記信号に基づいて、圧縮速度の伝播、せん断速度の伝播、圧縮速度対せん断速度比、岩石層の非線形特性、又はこれらの２以上の任意の組み合わせの３次元画像を生成する、
方法。
【請求項１０９】
前記第１の音響信号の生成は、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複数のパルスを生成することを含む、請求項１０８に記載の方法。
【請求項１１０】
前記圧縮速度の伝播、せん断速度の伝播、圧縮速度対せん断速度比、岩石層の非線形特性、又はこれらの２以上の任意の組み合わせの３次元画像の生成は、キルヒホッフ画像処理、ビーム画像処理、又は波動方程式画像処理を用いて実行される、請求項１０８に記載の方法。
【請求項１１１】
トモグラフィー速度反転法（ｔｏｍｏｇｒａｐｈｉｃ  ｖｅｌｏｃｉｔｙ  ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ）、全波形逆解析法（ｆｕｌｌ  ｗａｖｅ  ｆｏｒｍ  ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ）、又はトモグラフィー速度反転法と組み合わされた反復画像法（ｉｔｅｒａｔｉｖｅ  ｉｍａｇｉｎｇ）を用いて、伝播圧縮速度の値、せん断速度の値、又はその両方を決定する、請求項１１０に記載の方法。
【請求項１１２】
前記圧縮速度の伝播、せん断速度の伝播、圧縮速度対せん断速度比、岩石層の非線形特性、又はこれらの２以上の任意の組み合わせの３次元画像の生成は、
ボアホール内の採掘検層及び当該ボアホールから離れた位置の岩石層特性の水平方向の連続性に関する仮定を用いて、初期伝播速度モデルを推定する工程、
前記第１の音響信号の前記第１の音響源から前記混合ゾーンまでの伝播時間を計算する工程、
前記第２の音響信号の前記第２の音響源から前記混合ゾーンまでの伝播時間を計算する工程、
受信機によって、前記混合ゾーンと前記ボアホールに帰還する検出信号を受信する受信機との間の第３の伝播時間を計算する工程であり、当該検出信号は、前記第１の周波数と前記第２の周波数との差に等しい周波数を有するとともに、前記混合ゾーン内の前記第１の音響信号及び前記第２の音響信号に基づく非線形混合プロセスによって生成された信号である工程、
前記第１の伝播時間と前記第３の伝播時間を加算することにより、前記ボアホールに帰還する信号の合計伝播時間に対応する到着時間Ｔｐを計算するとともに、前記第１の伝播時間と前記第２の伝播時間との開始時間差δを計算する工程、
各開始時間差δ及び各周波数比ｄについて、相関処理信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）を生成するために、前記受信機において受信された信号から、前記非線形混合プロセスによって生成された信号を抽出する工程であって、前記信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）は、到着時間ｔ、開始時間差δ、及び周波数比ｄの関数であり、非線形相互作用信号を含む工程、
前記相関処理信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）内で、到着時間ｔ、開始時間差δ、及び周波数比ｄの全ての値を検索し、前記非線形混合プロセスによって生成された帯域制限スパイク信号が発生する到着時間ＴＮＬ、開始時間差δＮＬ、及び周波数比ｄＮＬを決定する工程、
前記計算された到着時間Ｔｐを測定された到着時刻ＴＮＬと比較し、前記計算された開始時刻差δＰを測定された開始時刻差δＮＬと比較する工程、
前記計算された到着時間Ｔｐが測定された到着時刻ＴＮＬと異なるか否か、及び、前記計算された開始時刻差δＰが測定された開始時刻差δＮＬと異なるか否かを決定し、異なる場合には、前記計算された到着時刻と計算された到着時刻との差及び前記計測定れた開始時刻差と計算された開始時刻差に基づいて、前記伝播速度モデルを更新する工程、
測定された到着時間と実質的に等しい計算された到着時間又は測定された開始時間差と実質的に等しい計算された開始時間差又はその両方が得られる伝播速度Ｖｐ及び伝播速度Ｖｓを得るために、前記第１の音響源の位置、前記第２の音響源の位置、前記受信機の位置、前記第１の音響信号の前記方位角、前記第２の音響信号の前記方位角、前記第１の音響信号の前記仰角、前記第２の音響信号の前記仰角、又はこれらの２以上の任意の組み合わせについて、前記合計伝播時間に対応する前記計算された到着時刻が測定された到着時間と実質的に等しくなるか、前記計算された開始時間差が測定された開始時間差と等しくなるか、その両方となるまで、上記工程を反復して繰り返す工程、
伝播圧縮速度、伝播せん断速度、圧縮速度対せん断速度比、非線形特性、又はこれらの２以上の任意の組み合わせの３次元画像を生成する工程、
の各工程を含む分析法又はマッピング法を用いて実行される、
請求項１０８に記載の方法。
【請求項１１３】
プロセッサによって、前記非線形混合プロセスによって生成された信号を抽出するために前記受信信号に対するデータ処理を実行することは、前記検出信号を非線形媒体における非線形相互作用の選択規則に従って前記信号の予測特性に従って設計されるテンプレート信号と相関処理することにより、前記非線形混合プロセスによって生成された信号を抽出すること、及び、前記第２の複数のパルスと前記第１の複数のパルスとの間の複数の開始時間差δについて、また、前記第２の複数のパルスの各パルス内の前記変調信号の前記中心周波数と前記第１の複数のパルスの対応する各パルス内の前記変調信号の前記中心周波数との複数の周波数比ｄについて、前記テンプレート信号と前記検出信号との相関処理を繰り返して、各開始時間差δ及び各周波数比ｄについて、非線形相互作用信号を含む相関処理信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）を生成することを含む、請求項１０８に記載の方法。
【請求項１１４】
伝播速度モデルに基づいて、第１の音響源から放射される前記第１の音響信号及び第２の音響源から放射される前記第２の音響信号の軌道を、前記第１の音響源の位置、前記第１の音響信号の仰角及び方位角、及び、前記第２の音響源の位置、前記第２の音響信号の仰角及び方位角を用いて計算する、請求項１１２に記載の方法。
【請求項１１５】
前記第１の音響源の位置、前記第１の音響信号の仰角及び方位角、及び、前記第２の音響源の位置、前記第２の音響信号の仰角及び方位角に基づいて、前記第１の音響信号及び前記第２の音響信号が非線形性の相互作用を行う混合ゾーンの位置を決定する、請求項１１４に記載の方法。
【請求項１１６】
前記２つの音響信号が非線形に相互作用する前記混合ゾーンの空間座標を計算し、前記第１の音響信号の仰角及び方位角、前記第１の音響源の位置、前記第２の音響信号の仰角及び方位角、及び前記第２の音響源の位置に基づいて、前記第１の音響源からの前記第１の音響信号と前記第２の音響源からの前記第２の音響信号との間の収束角を計算する、請求項１１５に記載の方法。
【請求項１１７】
前記相関処理信号Ｍ（ＴＮＬ、δＮＬ、ｄＮＬ）を、前記混合ゾーンにおける前記岩石層の前記非線形特性に対応する前記混合ゾーンの前記空間座標にマッピングする、請求項１１６に記載の方法。
【請求項１１８】
周波数比ｄＮＬ及び前記収束角に基づき、圧縮速度とせん断速度の速度比、周波数比、及び収束角と前記混合ゾーンの前記空間座標の全比計算された速度比との選択規則の関係を用いて、前記混合ゾーンにおける前記圧縮速度と前記せん断速度との速度比を計算する、請求項１１７に記載の方法。
【請求項１１９】
前記相関処理信号Ｍ（ＴＮＬ、δＮＬ、ｄＮＬ）を前記混合ゾーンの前記空間座標にマッピングすること、又は、前記計算された速度比を前記混合ゾーンの前記空間座標にマッピングすること、又はその両方を、前記第１の音響源の位置の値、前記第２の音響源の位置の値、前記受信機の位置の値、前記第１の音響信号の方位角の値、前記第２の音響信号の方位角の値、前記第１の音響信号の仰角の値、もしくは前記第２の音響信号の仰角の値、又はこれらのうちの２以上の任意の値の組み合わせについて繰り返し、繰り返しの測定により測定された値を組み合わせることにより、前記非線形特性の強さの３次元画像、前記速度比の３次元画像又はその両方を得る、請求項１１８に記載の方法。
【請求項１２０】
前記伝播圧縮速度の値、前記伝播せん断速度の値、又は圧縮速度対せん断速度比の値、又はこれらの２以上の任意の組み合わせを決定する、請求項１０８に記載の方法。
【請求項１２１】
前記伝播圧縮速度の値、前記伝播せん断速度の値、又は圧縮速度対せん断速度比の値、又はこれらの２以上の任意の組み合わせを決定することは、
ボアホール内の採掘検層及び当該ボアホールから離れた位置の岩石層特性の水平方向の連続性に関する仮定を用いて、初期伝播速度モデルを推定する工程、
前記第１の音響信号の前記第１の音響源から前記混合ゾーンまでの伝播時間を計算する工程、
前記第２の音響信号の前記第２の音響源から前記混合ゾーンまでの伝播時間を計算する工程、
受信機によって、混合ゾーンと前記ボアホールに帰還する検出信号を受信する受信機との間の第３の伝播時間を計算する工程であって、当該検出信号は、前記第１の周波数と前記第２の周波数との差に等しい周波数を有するとともに、前記混合ゾーン内の前記第１の音響信号及び前記第２の音響信号に基づく非線形混合プロセスによって生成された信号である工程、
前記第１の伝播時間と前記第３の伝播時間を加算することにより、前記ボアホールに帰還する信号の合計伝播時間に対応する到着時間Ｔｐを計算するとともに、前記第１の伝播時間と前記第２の伝播時間との開始時間差δを計算する工程、
各開始時間差δ及び各周波数比ｄについて、相関処理信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）を生成するために、前記受信機において受信された信号から、前記非線形混合プロセスによって生成された信号を抽出する工程であって、前記信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）は、到着時間ｔ、開始時間差δ、及び周波数比ｄの関数であり、非線形相互作用信号を含む工程、
前記相関処理信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）内で、到着時間ｔ、開始時間差δ、及び周波数比ｄの全ての値を検索し、前記非線形混合プロセスによって生成された帯域制限スパイク信号が発生する到着時間ＴＮＬ、開始時間差δＮＬ、及び周波数比ｄＮＬを決定する工程、
前記計算された到着時間Ｔｐを測定された到着時刻ＴＮＬと比較し、前記計算された開始時刻差δＰを測定された開始時刻差δＮＬと比較する工程、
前記計算された到着時間Ｔｐが測定された到着時刻ＴＮＬと異なるか否か、及び、前記計算された開始時刻差δＰが測定された開始時刻差δＮＬと異なるか否かを決定し、異なる場合には、前記計算された到着時刻と計算された到着時刻との差及び前記計測定れた開始時刻差と計算された開始時刻差に基づいて、前記伝播速度モデルを更新する工程、
測定された到着時間と実質的に等しい計算された到着時間又は測定された開始時間差と実質的に等しい計算された開始時間差又はその両方が得られる伝播速度Ｖｐ及び伝播速度Ｖｓを得るために、前記第１の音響源の位置、前記第２の音響源の位置、前記受信機の位置、前記第１の音響信号の前記方位角、前記第２の音響信号の前記方位角、前記第１の音響信号の前記仰角、前記第２の音響信号の前記仰角、又はこれらの２以上の任意の組み合わせについて、前記合計伝播時間に対応する前記計算された到着時刻が測定された到着時間と実質的に等しくなるか、前記計算された開始時間差が測定された開始時間差と等しくなるか、その両方となるまで、上記工程を反復して繰り返す工程、
の各工程を備えるマッピング法を用いて実行される、請求項１０８に記載の方法。
【請求項１２２】
伝播速度モデルに基づいて、前記第１の音響源から放射される前記第１の周波数を有する前記第１の音響信号及び前記第２の音響源から放射される前記第２の周波数を有する前記第２の音響信号の軌道を、前記第１の音響源の位置、前記第１の音響信号の仰角及び方位角、前記第２の音響源の位置、前記第２の音響信号の仰角及び方位角、及び前記受信機の位置を用いて計算する、請求項１２１に記載の方法。
【請求項１２３】
前記第１の音響源の位置、前記第１の音響信号の仰角及び方位角、及び、前記第２の音響源の位置、前記第２の音響信号の仰角及び方位角に基づいて、前記第１の音響信号及び前記第２の音響信号が非線形性の相互作用を行う混合ゾーンの位置を決定する、請求項１２２に記載の方法。
【請求項１２４】
前記２つの音響信号が非線形に相互作用する前記混合ゾーンの空間座標を計算し、前記第１の音響信号の仰角及び方位角、前記第１の音響源の位置、前記第２の音響信号の仰角及び方位角、及び前記第２の音響源の位置に基づいて、前記第１の音響源からの前記第１の音響信号と前記第２の音響源からの前記第２の音響信号との間の収束角を計算する、請求項１２３に記載の方法。
【請求項１２５】
周波数比ｄＮＬ及び前記収束角に基づき、圧縮速度とせん断速度の速度比、周波数比、及び収束角と前記混合ゾーンの前記空間座標の計算された速度比との選択規則の関係を用いて、前記混合ゾーンにおける前記圧縮速度と前記せん断速度との速度比を計算する、請求項１２４に記載の方法。
【請求項１２６】
前記計算された速度比を前記混合ゾーンの前記空間座標にマッピングすることを、前記第１の音響源の位置の値、前記第２の音響源の位置の値、前記受信機の位置の値、前記第１の音響信号の方位角の値、前記第２の音響信号の方位角の値、前記第１の音響信号の仰角の値、もしくは前記第２の音響信号の仰角の値、又はこれらのうちの２以上の任意の値の組み合わせについて繰り返し、前記ボアホール周囲の前記岩石層の領域に関する前記速度比の値を得る、請求項１２５に記載の方法。
【請求項１２７】
岩石層の非線形特性の３次元画像を生成する方法であって、
プロセッサによって、第１の周波数を有する第１の音響信号を生成するように構成された第１の音響源の位置、第２の周波数を有する第２の音響信号を生成するように構成された第２の音響源の位置、前記第１の音響信号と前記第２の音響信号とが交差する岩石層の混合ゾーンからボアホールに帰還する検出信号を受信するように構成された受信機の位置、及び前記第１の音響信号及び前記第２の音響信号の仰角及び方位角を含む測定パラメータを読み取り、
前記プロセッサによって、相関処理信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）を読み取り、前記相関処理信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）は、到着時間ｔ、開始時間差δ、及び前記第１の周波数と前記第２の周波数との周波数比ｄの関数であり、前記岩石層内の混合ゾーンにおける第１の音響信号及び第２の音響信号に基づく非線形混合プロセスによって生成される信号を含み、
前記プロセッサによって、初期伝播圧縮及びせん断速度モデルを読み取り、
前記プロセッサによって、前記第１の音響信号の前記第１の音響源から前記混合ゾーンまでの伝播時間を計算し、
前記プロセッサによって、前記第２の音響信号の前記第２の音響源から前記混合ゾーンまでの伝播時間を計算し、
前記プロセッサによって、前記混合ゾーンの中心と前記ボアホールに帰還する前記検出信号を受信する受信機との間の第３の伝播時間を計算し、当該検出信号は、前記第１の周波数と前記第２の周波数との差に等しい周波数を有するとともに、前記混合ゾーン内の前記第１の音響信号及び前記第２の音響信号に基づく非線形混合プロセスによって生成された信号であり、
前記プロセッサにより、前記第１の伝播時間と前記第３の伝播時間を加算することにより、前記ボアホールに帰還する信号の合計伝播時間に対応する到着時間Ｔｐを計算するとともに、前記第１の伝播時間と前記第２の伝播時間との開始時間差δを計算し、
前記相関処理信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）内で、到着時間ｔ、開始時間差δ、及び周波数比ｄの全ての値を検索し、前記非線形混合プロセスによって生成された帯域制限スパイク信号Ｍ（ＴＮＬ、δＮＬ、ｄＮＬ）が発生する到着時間ＴＮＬ、開始時間差δＮＬ、及び周波数比ｄＮＬを決定し、
前記プロセッサによって、前記第１の音響信号の仰角及び前記第１の音響源の位置、並びに、前記第２の音響信号の仰角及び前記第２の音響源の位置を用い、前記伝播圧縮速度及びせん断速度モデルに基づいて、音響伝播の軌道を計算し、
前記非線形混合プロセスにより生成された前記帯域制限信号Ｍ（ＴＮＬ、δＮＬ、ｄＮＬ）を、前記第１の音響信号と前記第２の音響信号とが交差する相互作用混合ゾーンの空間座標にマッピングし、
前記帯域制限スパイク信号Ｍ（ＴＮＬ、δＮＬ、ｄＮＬ）の前記相互作用混合ゾーンの前記空間座標へのマッピングを、前記第１の音響源の位置の複数の値、前記第２の音響源の位置の複数の値、前記受信機の位置の複数の値、前記第１の音響信号の仰角の複数の値、前記第１の音響信号の方位角の複数の値、前記第２の音響信号の仰角の複数の値、もしくは前記第２の音響信号の方位角の複数の値、又はこれらの２以上の任意の組み合わせについて繰り返し、前記非線形混合プロセスの強さの３次元画像を生成する、
方法。
【請求項１２８】
前記第１の音響源の位置、前記第１の音響信号の仰角及び方位角、及び、前記第２の音響源の位置、前記第２の音響信号の仰角及び方位角を用いて、前記第１の音響信号及び前記第２の音響信号が交差する前記混合ゾーンの位置を決定する、請求項１２７に記載の方法。
【請求項１２９】
岩石層の伝播圧縮速度、伝播せん断速度、圧縮速度対せん断速度比、又はこれらの２以上の任意の組み合わせの３次元画像を生成する方法であって、
プロセッサによって、第１の周波数を有する第１の音響信号を生成するように構成された第１の音響源の位置、第２の周波数を有する第２の音響信号を生成するように構成された第２の音響源の位置、前記第１の音響信号と前記第２の音響信号とが交差する岩石層の混合ゾーンからボアホールに帰還する検出信号を受信するように構成された受信機の位置、及び前記第１の音響信号及び前記第２の音響信号の仰角及び方位角を含む測定パラメータを読み取り、
前記プロセッサによって、相関処理信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）を読み取り、前記相関処理信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）は、到着時間ｔ、開始時間差δ、及び前記第１の周波数と前記第２の周波数との周波数比ｄの関数であり、前記岩石層内の混合ゾーンにおける第１の音響信号及び第２の音響信号に基づく非線形混合プロセスによって生成される信号を含み、
前記プロセッサによって、初期伝播圧縮及びせん断速度モデルを読み取り、
前記プロセッサによって、ボアホール内の採掘検層及び当該ボアホールから離れた位置の前記岩石層の水平方向の連続性に関する仮定を用いて、初期伝播速度モデルを推定し、
前記プロセッサによって、前記第１の音響信号の前記第１の音響源から前記混合ゾーンまでの伝播時間を計算し、
前記プロセッサによって、前記第２の音響信号の前記第２の音響源から前記混合ゾーンまでの伝播時間を計算し、
前記プロセッサによって、混合ゾーンの中心と前記ボアホールに帰還する前記検出信号を受信する受信機との間の第３の伝播時間を計算し、当該検出信号は、前記第１の周波数と前記第２の周波数との差に等しい周波数を有するとともに、前記混合ゾーン内の前記第１の音響信号及び前記第２の音響信号に基づく非線形混合プロセスによって生成された信号であり、
前記プロセッサにより、前記第１の伝播時間と前記第３の伝播時間を加算することにより、前記ボアホールに帰還する信号の合計伝播時間に対応する到着時間Ｔｐを計算するとともに、前記第１の伝播時間と前記第２の伝播時間との開始時間差δを計算し、
前記相関処理信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）内で、到着時間ｔ、開始時間差δ、及び周波数比ｄの全ての値を検索し、前記非線形混合プロセスによって生成された帯域制限スパイク信号Ｍ（ＴＮＬ、δＮＬ、ｄＮＬ）が発生する到着時間ＴＮＬ、開始時間差δＮＬ、及び周波数比ｄＮＬを決定し、
前記計算された到着時間Ｔｐを測定された到着時刻ＴＮＬと比較し、前記計算された開始時刻差δＰを測定された開始時刻差δＮＬと比較し、
前記測定された到着時間と前記計算された到着時間との差を用い、前記計算された到着時間が前記測定時間と異なる場合、又は、前記計算された開始時間差と前記測定された開始時間差とを用い、前記計算された開始時間差が前記測定された開始時間差と異なる場合に、トモグラフィー速度反転法（ｔｏｍｏｇｒａｐｈｉｃ  ｖｅｌｏｃｉｔｙ  ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ）又は全波形逆解析法（ｆｕｌｌ  ｗａｖｅ  ｆｏｒｍ  ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ）によって、前記伝播速度モデルを更新し、
測定された到着時間と実質的に等しい計算された到着時間又は測定された開始時間差と実質的に等しい計算された開始時間差又はその両方が得られる伝播速度Ｖｐ及び伝播速度Ｖｓを得るために、前記第１の音響源の位置、前記第２の音響源の位置、前記受信機の位置、前記第１の音響信号の前記方位角、前記第２の音響信号の前記方位角、前記第１の音響信号の前記仰角、前記第２の音響信号の前記仰角、又はこれらの２以上の任意の組み合わせについて、前記計算された到着時刻が測定された到着時間と実質的に等しくなるか、前記計算された開始時間差が測定された開始時間差と等しくなるか、その両方となるまで、上記工程を反復して繰り返し、
圧縮速度の伝播、せん断速度の伝播、圧縮速度対せん断速度比、又はこれらの２以上の任意の組み合わせの３次元画像を生成する、
方法。
【請求項１３０】
前記伝播圧縮速度の値、前記伝播せん断速度の値、又は圧縮速度対せん断速度比の値、又はこれらの２以上の任意の組み合わせを決定する、請求項１２９に記載の方法。
【請求項１３１】
前記２つの音響信号が交差する前記混合ゾーンの空間座標を計算し、前記第１の音響信号の仰角及び方位角、前記第１の音響源の位置、前記第２の音響信号の仰角及び方位角、及び前記第２の音響源の位置に基づいて、前記第１の音響源からの前記第１の音響信号と前記第２の音響源からの前記第２の音響信号との間の収束角を計算する、請求項１２９に記載の方法。
【請求項１３２】
測定された周波数比ｄＮＬ及び計算された収束角に基づいて、圧縮速度とせん断速度との比、周波数比、及び収束角の間の選択規則の関係を用いて、前記混合ゾーンにおける前記圧縮速度と前記せん断速度との速度比を計算する、請求項１３１に記載の方法。
【請求項１３３】
前記計算された速度比を前記混合ゾーンの前記空間座標にマッピングすることを、前記第１の音響源の位置の値、前記第２の音響源の位置の値、前記受信機の位置の値、前記第１の音響信号の方位角の値、前記第２の音響信号の方位角の値、前記第１の音響信号の仰角の値、もしくは前記第２の音響信号の仰角の値、又はこれらのうちの２以上の任意の値の組み合わせについて繰り返し、前記速度比の３次元画像を得る、請求項１３２に記載の方法。
【請求項１３４】
岩石層の３次元画像を生成するシステムであって、
時系列に配列された第１の複数のパルスを含む第１の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分離されており、各パルスは中心周波数での第１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、
時系列に配列された第２の複数のパルスを含む第２の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分離されており、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である、第２の音響源と、
を備え、
前記第１の音響源及び前記第２の音響源は、前記ボアホール内に配置されており、前記第１及び第２の音響信号の軌跡が前記ボアホールの外部にある交差領域において交差するように制御可能であり、
前記ボアホール内に配置され、前記ボアホールに帰還する受信信号を受信するように構成された受信機であって、当該受信信号は、前記非線形交差領域内の非線形混合領域において、前記第１の音響信号及び前記第２の音響信号に基づく非線形混合プロセスによって生成された信号を含む受信機と、
雑音、線形相互作用プロセスにより生成される信号、又はその両方から抽出するように、前記非線形混合プロセスによって生成された前記信号に対してデータ処理を行うように構成された第１のプロセッサと、
前記非線形混合プロセスによって生成された前記信号に基づいて、圧縮速度の伝播、せん断速度の伝播、圧縮速度対せん断速度比、岩石層の非線形特性、又はこれらの２以上の任意の組み合わせの３次元画像を生成するように構成された第２のプロセッサと、
をさらに備えるシステム。
【請求項１３５】
前記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い、請求項１３４に記載のシステム。
【請求項１３６】
前記第２のプロセッサは、キルヒホッフ画像処理、ビーム画像処理、又は波動方程式画像処理を用いて、前記圧縮速度の伝播、せん断速度の伝播、圧縮速度対せん断速度比、岩石層の非線形特性、又はこれらの２以上の任意の組み合わせの３次元画像を生成するように構成された、請求項１３４に記載のシステム。
【請求項１３７】
前記第２のプロセッサは、トモグラフィー速度反転法（ｔｏｍｏｇｒａｐｈｉｃ  ｖｅｌｏｃｉｔｙ  ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ）、全波形逆解析法（ｆｕｌｌ  ｗａｖｅ  ｆｏｒｍ  ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ）、又はトモグラフィー速度反転法と組み合わされた反復画像法（ｉｔｅｒａｔｉｖｅ  ｉｍａｇｉｎｇ）を用いて、伝播圧縮速度の値、せん断速度の値、又はその両方を決定する、請求項１３６に記載のシステム。
【請求項１３８】
前記第２のプロセッサが、
ボアホール内の採掘検層及び当該ボアホールから離れた位置の岩石層特性の水平方向の連続性に関する仮定を用いて、初期伝播速度モデルを推定し、
前記第１の音響信号の前記第１の音響源から前記混合ゾーンまでの伝播時間を計算し、
前記第２の音響信号の前記第２の音響源から前記混合ゾーンまでの伝播時間を計算し、
受信機によって、前記混合ゾーンと前記ボアホールに帰還する検出信号を受信する受信機との間の第３の伝播時間を計算し、当該検出信号は、前記第１の周波数と前記第２の周波数との差に等しい周波数を有するとともに、前記混合ゾーン内の前記第１の音響信号及び前記第２の音響信号に基づく非線形混合プロセスによって生成された信号であり、
前記第１の伝播時間と前記第３の伝播時間を加算することにより、前記ボアホールに帰還する信号の合計伝播時間に対応する到着時間Ｔｐを計算するとともに、前記第１の伝播時間と前記第２の伝播時間との開始時間差δを計算し、
各開始時間差δ及び各周波数比ｄについて、相関処理信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）を生成するために、前記受信機において受信された信号から、前記非線形混合プロセスによって生成された信号を抽出し、前記信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）は、到着時間ｔ、開始時間差δ、及び周波数比ｄの関数であり、非線形相互作用信号を含み、
前記相関処理信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）内で、到着時間ｔ、開始時間差δ、及び周波数比ｄの全ての値を検索し、前記非線形混合プロセスによって生成された帯域制限スパイク信号が発生する到着時間ＴＮＬ、開始時間差δＮＬ、及び周波数比ｄＮＬを決定し、
前記計算された到着時間Ｔｐを測定された到着時刻ＴＮＬと比較し、前記計算された開始時刻差δＰを測定された開始時刻差δＮＬと比較し、
前記計算された到着時間Ｔｐが測定された到着時刻ＴＮＬと異なるか否か、及び、前記計算された開始時刻差δＰが測定された開始時刻差δＮＬと異なるか否かを決定し、異なる場合には、前記計算された到着時刻と計算された到着時刻との差及び前記計測定れた開始時刻差と計算された開始時刻差に基づいて、前記伝播速度モデルを更新し、
測定された到着時間と実質的に等しい計算された到着時間又は測定された開始時間差と実質的に等しい計算された開始時間差又はその両方が得られる伝播速度Ｖｐ及び伝播速度Ｖｓを得るために、前記第１の音響源の位置、前記第２の音響源の位置、前記受信機の位置、前記第１の音響信号の前記方位角、前記第２の音響信号の前記方位角、前記第１の音響信号の前記仰角、前記第２の音響信号の前記仰角、又はこれらの２以上の任意の組み合わせについて、前記合計伝播時間に対応する前記計算された到着時刻が測定された到着時間と実質的に等しくなるか、前記計算された開始時間差が測定された開始時間差と等しくなるか、その両方となるまで、上記工程を反復して繰り返し、
圧縮速度の伝播、せん断速度の伝播、圧縮速度対せん断速度比、非線形特性、又はこれらの２以上の任意の組み合わせの３次元画像を生成する、
ように構成されている、請求項１３４に記載のシステム。
【請求項１３９】
前記第１のプロセッサが、前記検出信号を非線形媒体における非線形相互作用の選択規則に従って前記信号の予測特性に従って設計されるテンプレート信号と相関処理し、前記第２の複数のパルスと前記第１の複数のパルスとの間の複数の開始時間差δについて、また、前記第２の複数のパルスの各パルス内の前記変調信号の前記中心周波数と前記第１の複数のパルスの対応する各パルス内の前記変調信号の前記中心周波数との複数の周波数比ｄについて、前記テンプレート信号と前記検出信号との相関処理を繰り返して、各開始時間差δ及び各周波数比ｄについて、非線形相互作用信号を含む相関処理信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）を生成することにより、前記非線形混合プロセスによって生成された信号を抽出するように構成されている、請求項１３４に記載のシステム。
【請求項１４０】
前記第２のプロセッサが、伝播速度モデルに基づいて、第１の音響源から放射される前記第１の音響信号及び第２の音響源から放射される前記第２の音響信号の軌道を、前記第１の音響源の位置、前記第１の音響信号の仰角及び方位角、及び、前記第２の音響源の位置、前記第２の音響信号の仰角及び方位角を用いて計算するように構成されている、請求項１３８に記載のシステム。
【請求項１４１】
前記第２のプロセッサが、前記第１の音響源の位置、前記第１の音響信号の仰角及び方位角、及び、前記第２の音響源の位置、前記第２の音響信号の仰角及び方位角に基づいて、前記第１の音響信号及び前記第２の音響信号が非線形性の相互作用を行う混合ゾーンの位置を決定するように構成されている、請求項１４０に記載のシステム。
【請求項１４２】
前記第２のプロセッサが、前記２つの音響信号が非線形に相互作用する前記混合ゾーンの空間座標を計算し、前記第１の音響信号の仰角及び方位角、前記第１の音響源の位置、前記第２の音響信号の仰角及び方位角、及び前記第２の音響源の位置に基づいて、前記第１の音響源からの前記第１の音響信号と前記第２の音響源からの前記第２の音響信号との間の収束角を計算するように構成されている、請求項１４１に記載のシステム。
【請求項１４３】
前記第２のプロセッサが、前記相関処理信号Ｍ（ＴＮＬ、δＮＬ、ｄＮＬ）を、前記混合ゾーンにおける前記岩石層の前記非線形特性に対応する前記混合ゾーンの前記空間座標にマッピングするように構成されている、請求項１４２に記載のシステム。
【請求項１４４】
前記第２のプロセッサが、周波数比ｄＮＬ及び前記収束角に基づき、圧縮速度とせん断速度の速度比、周波数比、及び収束角と前記混合ゾーンの前記空間座標の全比計算された速度比との選択規則の関係を用いて、前記混合ゾーンにおける前記圧縮速度と前記せん断速度との速度比を計算するように構成されている、請求項１４３に記載のシステム。
【請求項１４５】
前記第２のプロセッサが、前記第１の音響源の位置の値、前記第２の音響源の位置の値、前記受信機の位置の値、前記第１の音響信号の方位角の値、前記第２の音響信号の方位角の値、前記第１の音響信号の仰角の値、もしくは前記第２の音響信号の仰角の値、又はこれらのうちの２以上の任意の値の組み合わせについて、前記相関処理信号Ｍ（ＴＮＬ、δＮＬ、ｄＮＬ）を前記混合ゾーンの前記空間座標にマッピングし、又は、前記計算された速度比を前記混合ゾーンの前記空間座標にマッピングし、又はその両方を行って、繰り返しの測定により測定された値を組み合わせることにより、前記非線形特性の強さの３次元画像、前記速度比の３次元画像又はその両方を得るように構成されている、請求項１４４に記載のシステム。
【請求項１４６】
前記第２のプロセッサが、前記伝播圧縮速度の値、前記伝播せん断速度の値、又は圧縮速度対せん断速度比の値、又はこれらの２以上の任意の組み合わせを決定するように構成されている、請求項１３４に記載のシステム。
【請求項１４７】
前記第２のプロセッサが、
ボアホール内の採掘検層及び当該ボアホールから離れた位置の岩石層特性の水平方向の連続性に関する仮定を用いて、初期伝播速度モデルを推定し、
前記第１の音響信号の前記第１の音響源から前記混合ゾーンまでの伝播時間を計算し、
前記第２の音響信号の前記第２の音響源から前記混合ゾーンまでの伝播時間を計算し、
受信機によって、前記混合ゾーンと前記ボアホールに帰還する検出信号を受信する受信機との間の第３の伝播時間を計算し、当該検出信号は、前記第１の周波数と前記第２の周波数との差に等しい周波数を有するとともに、前記混合ゾーン内の前記第１の音響信号及び前記第２の音響信号に基づく非線形混合プロセスによって生成された信号であり、
前記第１の伝播時間と前記第３の伝播時間を加算することにより、前記ボアホールに帰還する信号の合計伝播時間に対応する到着時間Ｔｐを計算するとともに、前記第１の伝播時間と前記第２の伝播時間との開始時間差δを計算し、
各開始時間差δ及び各周波数比ｄについて、相関処理信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）を生成するために、前記受信機において受信された信号から、前記非線形混合プロセスによって生成された信号を抽出し、前記信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）は、到着時間ｔ、開始時間差δ、及び周波数比ｄの関数であり、非線形相互作用信号を含み、
前記相関処理信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）内で、到着時間ｔ、開始時間差δ、及び周波数比ｄの全ての値を検索し、前記非線形混合プロセスによって生成された帯域制限スパイク信号が発生する到着時間ＴＮＬ、開始時間差δＮＬ、及び周波数比ｄＮＬを決定し、
前記計算された到着時間Ｔｐを測定された到着時刻ＴＮＬと比較し、前記計算された開始時刻差δＰを測定された開始時刻差δＮＬと比較し、
前記計算された到着時間Ｔｐが測定された到着時刻ＴＮＬと異なるか否か、及び、前記計算された開始時刻差δＰが測定された開始時刻差δＮＬと異なるか否かを決定し、異なる場合には、前記計算された到着時刻と計算された到着時刻との差及び前記計測定れた開始時刻差と計算された開始時刻差に基づいて、前記伝播速度モデルを更新し、
測定された到着時間と実質的に等しい計算された到着時間又は測定された開始時間差と実質的に等しい計算された開始時間差又はその両方が得られる伝播速度Ｖｐ及び伝播速度Ｖｓを得るために、前記第１の音響源の位置、前記第２の音響源の位置、前記受信機の位置、前記第１の音響信号の前記方位角、前記第２の音響信号の前記方位角、前記第１の音響信号の前記仰角、前記第２の音響信号の前記仰角、又はこれらの２以上の任意の組み合わせについて、前記合計伝播時間に対応する前記計算された到着時刻が測定された到着時間と実質的に等しくなるか、前記計算された開始時間差が測定された開始時間差と等しくなるか、その両方となるまで、上記工程を反復して繰り返す、
ように構成されている、請求項１４６に記載のシステム。
【請求項１４８】
前記第２のプロセッサが、伝播速度モデルに基づいて、第１の音響源から放射される前記第１の音響信号及び第２の音響源から放射される前記第２の音響信号の軌道を、前記第１の音響源の位置、前記第１の音響信号の仰角及び方位角、及び、前記第２の音響源の位置、前記第２の音響信号の仰角及び方位角を用いて計算するように構成されている、請求項１４７に記載のシステム。
【請求項１４９】
前記第２のプロセッサが、前記２つの音響信号が非線形に相互作用する前記混合ゾーンの空間座標を計算し、前記第１の音響信号の仰角及び方位角、前記第１の音響源の位置、前記第２の音響信号の仰角及び方位角、及び前記第２の音響源の位置に基づいて、前記第１の音響源からの前記第１の音響信号と前記第２の音響源からの前記第２の音響信号との間の収束角を計算するように構成されている、請求項１４８に記載のシステム。
【請求項１５０】
前記第２のプロセッサが、周波数比ｄＮＬ及び前記収束角に基づき、圧縮速度とせん断速度の速度比、周波数比、及び収束角の間の選択規則の関係を用いて、前記混合ゾーンにおける前記圧縮速度と前記せん断速度との速度比を計算し、計算された速度比を前記混合ゾーンの空間座標にマッピングするように構成されている、請求項１４９に記載のシステム。
【請求項１５１】
前記第２のプロセッサが、前記計算された速度比を前記混合ゾーンの前記空間座標にマッピングすることを、前記第１の音響源の位置の値、前記第２の音響源の位置の値、前記受信機の位置の値、前記第１の音響信号の方位角の値、前記第２の音響信号の方位角の値、前記第１の音響信号の仰角の値、もしくは前記第２の音響信号の仰角の値、又はこれらのうちの２以上の任意の値の組み合わせについて繰り返し、前記ボアホール周囲の前記岩石層の領域に関する前記速度比の値を得るように構成されている、請求項１５０に記載のシステム。
【請求項１５２】
岩石層の非線形特性の３次元画像を生成するプロセッサを備えたシステムであって、当該プロセッサは、
第１の周波数を有する第１の音響信号を生成するように構成された第１の音響源の位置、第２の周波数を有する第２の音響信号を生成するように構成された第２の音響源の位置、前記第１の音響信号と前記第２の音響信号とが交差する岩石層の混合ゾーンからボアホールに帰還する検出信号を受信するように構成された受信機の位置、及び前記第１の音響信号及び前記第２の音響信号の仰角及び方位角を含む測定パラメータを読み取り、
相関処理信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）を読み取り、前記相関処理信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）は、到着時間ｔ、開始時間差δ、及び前記第１の周波数と前記第２の周波数との周波数比ｄの関数であり、前記岩石層内の混合ゾーンにおける第１の音響信号及び第２の音響信号に基づく非線形混合プロセスによって生成される信号を含み、
初期伝播圧縮及びせん断速度モデルを読み取り、
前記第１の音響信号の前記第１の音響源から前記混合ゾーンまでの伝播時間を計算し、
前記第２の音響信号の前記第２の音響源から前記混合ゾーンまでの伝播時間を計算し、
前記混合ゾーンと前記ボアホールに帰還する検出信号を受信する受信機との間の第３の伝播時間を計算し、当該検出信号は、前記第１の周波数と前記第２の周波数との差に等しい周波数を有するとともに、前記混合ゾーン内の前記第１の音響信号及び前記第２の音響信号に基づく非線形混合プロセスによって生成された信号であり、
前記第１の伝播時間と前記第３の伝播時間を加算することにより、前記ボアホールに帰還する信号の合計伝播時間に対応する到着時間を計算するとともに、前記第１の伝播時間と前記第２の伝播時間との開始時間差δｐを計算し、
前記相関処理信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）内で、到着時間ｔ、開始時間差δ、及び周波数比ｄの全ての値を検索し、前記非線形混合プロセスによって生成された帯域制限スパイク信号が発生する到着時間ＴＮＬ、開始時間差δＮＬ、及び周波数比ｄＮＬを決定し、
前記第１の音響信号の仰角及び前記第１の音響源の位置、並びに、前記第２の音響信号の仰角及び前記第２の音響源の位置を用い、前記伝播圧縮速度及びせん断速度モデルに基づいて、音響伝播の軌道を計算し、
前記非線形混合プロセスにより生成された前記帯域制限信号Ｍ（ＴＮＬ、δＮＬ、ｄＮＬ）を、前記第１の音響信号と前記第２の音響信号とが交差する相互作用混合ゾーンの空間座標にマッピングし、
前記帯域制限スパイク信号Ｍ（ＴＮＬ、δＮＬ、ｄＮＬ）の前記相互作用混合ゾーンの前記空間座標へのマッピングを、前記第１の音響源の位置の複数の値、前記第２の音響源の位置の複数の値、前記受信機の位置の複数の値、前記第１の音響信号の仰角の複数の値、前記第１の音響信号の方位角の複数の値、前記第２の音響信号の仰角の複数の値、もしくは前記第２の音響信号の方位角の複数の値、又はこれらの２以上の任意の組み合わせについて繰り返し、前記非線形混合プロセスの強さの３次元画像を生成する、
ように構成されているシステム。
【請求項１５３】
前記第１の音響源の位置、前記第１の音響信号の仰角及び方位角、及び、前記第２の音響源の位置、前記第２の音響信号の仰角及び方位角を用いて、前記第１の音響信号及び前記第２の音響信号が交差する前記混合ゾーンの位置を決定する、請求項１５２に記載のシステム。
【請求項１５４】
岩石層の伝播圧縮速度、伝播せん断速度、圧縮速度対せん断速度比、又はこれらの２以上の任意の組み合わせの３次元画像を生成するプロセッサを備えたシステムであって、当該プロセッサは、
第１の周波数を有する第１の音響信号を生成するように構成された第１の音響源の位置、第２の周波数を有する第２の音響信号を生成するように構成された第２の音響源の位置、前記第１の音響信号と前記第２の音響信号とが交差する岩石層の混合ゾーンからボアホールに帰還する検出信号を受信するように構成された受信機の位置、及び前記第１の音響信号及び前記第２の音響信号の仰角及び方位角を含む測定パラメータを読み取り、相関処理信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）を読み取り、前記相関処理信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）は、到着時間ｔ、開始時間差δ、及び前記第１の周波数と前記第２の周波数との周波数比ｄの関数であり、前記岩石層内の混合ゾーンにおける第１の音響信号及び第２の音響信号に基づく非線形混合プロセスによって生成される信号を含み、
初期伝播圧縮及びせん断速度モデルを読み取り、
ボアホール内の採掘検層及び当該ボアホールから離れた位置の岩石層特性の水平方向の連続性に関する仮定を用いて、初期伝播速度モデルを推定し、
前記第１の音響信号の前記第１の音響源から前記混合ゾーンまでの伝播時間を計算し、
前記第２の音響信号の前記第２の音響源から前記混合ゾーンまでの伝播時間を計算し、
前記混合ゾーンと前記ボアホールに帰還する検出信号を受信する受信機との間の第３の伝播時間を計算し、当該検出信号は、前記第１の周波数と前記第２の周波数との差に等しい周波数を有するとともに、前記混合ゾーン内の前記第１の音響信号及び前記第２の音響信号に基づく非線形混合プロセスによって生成された信号であり、
前記第１の伝播時間と前記第３の伝播時間を加算することにより、前記ボアホールに帰還する信号の合計伝播時間に対応する到着時間Ｔｐを計算するとともに、前記第１の伝播時間と前記第２の伝播時間との開始時間差δｐを計算し、
前記相関処理信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）内で、到着時間ｔ、開始時間差δ、及び周波数比ｄの全ての値を検索し、前記非線形混合プロセスによって生成された帯域制限スパイク信号Ｍ（ＴＮＬ、δＮＬ、ｄＮＬ）が発生する到着時間ＴＮＬ、開始時間差δＮＬ、及び周波数比ｄＮＬを決定し、
前記計算された到着時間Ｔｐを測定された到着時刻ＴＮＬと比較し、前記計算された開始時刻差δＰを測定された開始時刻差δＮＬと比較し、
前記測定された到着時間と前記計算された到着時間との差を用い、前記計算された到着時間が前記測定時間と異なる場合、又は、前記計算された開始時間差と前記測定された開始時間差とを用い、前記計算された開始時間差が前記測定された開始時間差と異なる場合に、トモグラフィー速度反転法（ｔｏｍｏｇｒａｐｈｉｃ  ｖｅｌｏｃｉｔｙ  ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ）又は全波形逆解析法（ｆｕｌｌ  ｗａｖｅ  ｆｏｒｍ  ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ）によって、前記伝播速度モデルを更新し、
測定された到着時間と実質的に等しい計算された到着時間又は測定された開始時間差と実質的に等しい計算された開始時間差又はその両方が得られる伝播速度Ｖｐ及び伝播速度Ｖｓを得るために、前記第１の音響源の位置、前記第２の音響源の位置、前記受信機の位置、前記第１の音響信号の前記方位角、前記第２の音響信号の前記方位角、前記第１の音響信号の前記仰角、前記第２の音響信号の前記仰角、又はこれらの２以上の任意の組み合わせについて、前記計算された到着時刻が測定された到着時間と実質的に等しくなるか、前記計算された開始時間差が測定された開始時間差と等しくなるか、その両方となるまで、上記工程を反復して繰り返し、
圧縮速度の伝播、せん断速度の伝播、圧縮速度対せん断速度比、又はこれらの２以上の任意の組み合わせの３次元画像を生成する、
ように構成されたシステム。
【請求項１５５】
前記プロセッサが、前記伝播圧縮速度の値、前記伝播せん断速度の値、又は圧縮速度対せん断速度比の値、又はこれらの２以上の任意の組み合わせを決定するように構成されている、請求項１５４に記載のシステム。
【請求項１５６】
前記プロセッサが、前記２つの音響信号が交差する前記混合ゾーンの空間座標を計算し、前記第１の音響信号の仰角及び方位角、前記第１の音響源の位置、前記第２の音響信号の仰角及び方位角、及び前記第２の音響源の位置に基づいて、前記第１の音響源からの前記第１の音響信号と前記第２の音響源からの前記第２の音響信号との間の収束角を計算するように構成されている、請求項１５４に記載のシステム。
【請求項１５７】
前記プロセッサが、測定された周波数比ｄＮＬ及び計算された収束角に基づいて、圧縮速度とせん断速度との比、周波数比、及び収束角の間の選択規則の関係を用いて、前記混合ゾーンにおける前記圧縮速度と前記せん断速度との速度比を計算するように構成される、請求項１５６に記載のシステム。
【請求項１５８】
請求項１５７に記載の方法。前記計算された速度比を前記混合ゾーンの前記空間座標にマッピングすることを、前記第１の音響源の位置の値、前記第２の音響源の位置の値、前記受信機の位置の値、前記第１の音響信号の方位角の値、前記第２の音響信号の方位角の値、前記第１の音響信号の仰角の値、もしくは前記第２の音響信号の仰角の値、又はこれらのうちの２以上の任意の値の組み合わせについて繰り返し、前記速度比の３次元画像を得る、
【請求項１５９】
ボアホール外部の岩石層を調査する方法であって、
ボアホール内に配置された第１の音響源によって、第１の周波数でのブロードキャストである第１の円錐音響信号を生成し、
ボアホール内に配置された第２の音響源によって、前記第１の周波数と異なる第２の周波数でのブロードキャストである第２の円錐音響信号を生成し、前記第１の周波数及び前記第２の周波数は、約５００Ｈｚから５００ｋＨｚの間の周波数範囲にあり、
前記第１の円錐音響信号と前記第２の円錐音響信号とが前記ボアホール外部の所望の交差領域において交差するように、前記第１の音響源及び前記第２の音響源を構成し、
前記ボアホール内に配置された受信機によって、前記ボアホールに帰還する検出信号を受信し、当該検出信号は、前記第１の周波数と前記第２の周波数との差に等しい周波数を有するとともに、前記非線形交差領域内の非線形混合ゾーンにおいて、前記第１の円錐音響信号及び前記第２の円錐音響信号に基づく非線形混合プロセスによって生成された信号であり、
前記検出信号を記録し、前記検出信号を記憶装置に記憶し、前記第１の音響源の位置、前記第２の音響源の位置、前記受信機の位置、前記第１の円錐音響信号の円錐角及び円錐軸の方向、及び記第２の円錐音響信号の円錐角及び円錐軸の方向を含む測定パラメータを前記記憶装置に記憶する、
方法。
【請求項１６０】
前記第１の円錐音響信号の生成及び前記第２の円錐音響信号の生成は、前記第１の音響源及び前記第２の音響源が単一のボアホールに配置されている間に前記第１の円錐音響信号の生成及び前記第２の円錐音響信号を生成することを含む、請求項１５９に記載の方法。
【請求項１６１】
前記第１の円錐音響信号及び前記第２の円錐音響信号が共線関係にない対称の軸を有するように、前記ボアホールは、直線状ではないか、又は、前記ボアホールは側線を備える、請求項１５９に記載の方法。
【請求項１６２】
前記第１の円錐音響信号を生成することは、時系列に配列された第１の複数のパルスを含む第１の音響信号を生成することを含み、前記第１の複数のパルスは時間的に分離されており、各パルスは中心周波数での第１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、請求項１５９に記載の方法。
【請求項１６３】
前記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い、請求項１６０に記載の方法。
【請求項１６４】
前記第２の円錐音響信号を生成することは、符号化された時系列に配列された第２の複数のパルスを生成することを含み、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周波数比ｄである、請求項１５９に記載の方法。
【請求項１６５】
前記第１の音響信号と前記第２の音響信号との間の複数の開始時間の差について、また、前記第１の周波数と前記第２の周波数との複数の周波数比について、前記第１の音響信号の生成、前記第２の音響信号の生成、及び前記検出信号の受信を繰り返す、請求項１６４に記載の方法。
【請求項１６６】
前記第１の音響信号の生成及び前記第２の音響信号の生成は、前記ブロードキャスト信号が反対の極性を有するように、前記第１の円錐音響信号の位相、前記第２の円錐音響信号の位相、又はその両方を制御することを含む、請求項１５９に記載の方法。
【請求項１６７】
非線形相互作用信号を強化し線形相互作用信号及び雑音を最小化するために、前記第１の円錐音響信号及び前記第２の円錐音響信号から前記混合プロセスによって生成され前記受信機で検出された信号を、反対の極性を有する前記第１の円錐音響信号及び反対の極性を有する前記第２の円錐音響信号から前記混合プロセスによって生成され前記受信機で検出された信号に加える、請求項１６６に記載の方法。
【請求項１６８】
複数の検知器によって複数の検知信号を受信し、多次元フィルタリング法（ｍｕｌｔｉ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ）、反射伝播時間差分析及びスタッキング法（ｔｉｍｅ  ｍｏｖｅｏｕｔ  ａｎａｌｙｓｉｓ  ａｎｄ  ｓｔａｃｋｉｎｇ）、又はその両方を、前記複数の検知器によって受信される前記複数の検出信号に適用する、請求項１５９に記載の方法。
【請求項１６９】
前記複数の検知器による前記検知信号の受信は、前記複数の検知器の各々の複数の成分検知器による前記検知信号の各々の検出成分信号を受信することを含み、多次元フィルタリング法（ｍｕｌｔｉ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ）、反射伝播時間差分析及びスタッキング法（ｔｉｍｅ  ｍｏｖｅｏｕｔ  ａｎａｌｙｓｉｓ  ａｎｄ  ｓｔａｃｋｉｎｇ）、又はその両方を、前記複数の検知器の各々の前記複数の成分検知器によって受信される前記複数の検出成分信号に適用する、請求項１６８に記載の方法。
【請求項１７０】
前記第１の音響源の異なる位置、前記第２の音響源の異なる位置、前記受信機の異なる位置、前記第１の音響源のブロードキャスト円錐角、前記第２の音響源のブロードキャスト円錐角、又はこれらの２つ以上の任意の組み合わせについて、前記第１の円錐音響信号の生成、前記第２の円錐音響信号の生成、及び前記検出信号の受信を繰り返す、請求項１５９に記載の方法。
【請求項１７１】
前記第１の音響源及び前記第２の音響源から前記岩石層内における非線形相互作用により生成された前記記録検出信号から、前記非線形混合プロセスによって生成された信号を抽出及び強化し、また、線形相互作用プロセスもしくは雑音又はその両方によって生成された信号を抑圧する、請求項１５９に記載の方法。
【請求項１７２】
前記第１の円錐音響信号の生成は、符号化された時系列に配列された第１の複数のパルスを生成することを含み、前記第１の複数のパルスは時間的に分離されており、各パルスは中心周波数での第１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、
前記第２の円錐音響信号を生成することは、符号化された時系列に配列された第２の複数のパルスを生成することを含み、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、各パルスは第２の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第２の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第１の変調信号の前記中心周波数の選択された分数周波数比ｄであり、
前記記録データを読み取り、プロセッサを用いて、前記検出信号を時系列に配列された複数のパルスを含むテンプレート信号と相関処理し、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実質的に同じであり、前記複数のパルスにおける各パルスは、前記第１の複数のパルス及び前記第２の複数のパルスの対応する各々のパルス内に、前記第１の変調信号の中心周波数と前記第２の変調信号の中心周波数との差に等しい中心周波数を有する変調信号を含む、
請求項１５９に記載の方法。
【請求項１７３】
前記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い、請求項１７２に記載の方法。
【請求項１７４】
複数の開始時間差δについて、また、前記第１の周波数と前記第２の周波数との複数の周波数比ｄについて、前記テンプレート信号と前記検出信号との相関処理を繰り返し、非線形相互作用信号を含む相関処理信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）を生成する、請求項１７２に記載の方法。
【請求項１７５】
非線形相互作用により生成される前記信号の期待帯域の周囲に狭い周波数帯域を維持するために、時変周波数バンドパスフィルタを前記検出信号に適用し、前記狭い周波数帯域幅は、各パルスの前記第１の周波数と前記第２の周波数との差の周囲で選択される、請求項１７４に記載の方法。
【請求項１７６】
プロセッサを用いて、前記検出信号のホドグラム分析を実行する、請求項１７２に記載の方法。
【請求項１７７】
前記岩石層内の音響信号の非線形相互作用に関する選択規則に従って、前記相互作用領域における前記混合ゾーンの位置を制御するために、前記第１の周波数の前記第２の周波数に対する周波数比もしくは開始時間差の範囲を走査し、又は、その両方を走査する、請求項１５９に記載の方法。
【請求項１７８】
前記第１の音響源を前記ボアホール内で第１の軸方向に配置し、前記第２の音響源を前記ボアホール内で第２の軸方向に配置し、前記第１の軸方向と前記第２の軸方向は、非共線方向又は非平行である、請求項１５９に記載の方法。
【請求項１７９】
前記第１の円錐音響信号と前記第２の円錐音響信号の交差軌跡に配置されている前記交差領域内で特定の混合ゾーンを選択するために、前記第１の周波数と前記第２の周波数の前記周波数比及び前記開始時間差を制御する、請求項１７８に記載の方法。
【請求項１８０】
前記第１の音響源から前記混合ゾーンの中心までの伝播時間と前記混合ゾーンの中心から前記受信機までの伝播時間との合計によって、又は、前記第１の円錐音響信号と前記第２の円錐音響信号との間の前記混合ゾーンへの収束角によって、前記第１の音響信号、前記第２の音響信号、又はその両方の収束角及び周波数比の間の非線形相互作用選択規則関係に従って、前記第１の円錐ブロードキャストと前記第２の円錐ブロードキャストとの交差軌跡に配置されている混合ゾーンの間で区別する、請求項１７９に記載の方法。
【請求項１８１】
第１のボアホール内に前記第１の音響源を配置し、第２のボアホール内に前記第２の音響源を配置し、前記受信機を前記第１のボアホール、前記第２のボアホール又は第３のボアホールのいずれかに配置する、請求項１５９に記載の方法。
【請求項１８２】
前記第１の円錐音響信号及び前記第２の円錐音響信号が前記ボアホール周囲の前記岩石層内の目標領域において交差するように、前記円錐角もしくは円錐軸又はその両方を選択する、請求項１８１に記載の方法。
【請求項１８３】
ボアホール周囲の岩石層の領域における圧縮速度の値もしくはせん断速度の値又はその両方を伝播時間トモグラフィー反転法（ｔｒａｖｅｌ  ｔｉｍｅ  ｔｏｍｏｇｒａｐｈｉｃ  ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ）によって決定する方法であって、
ボアホール内の採掘検層及び当該ボアホールから離れた位置の岩石層特性の水平方向の連続性に関する仮定を用いて、初期伝播速度モデルを推定そ、
プロセッサにより、第１の円錐音響信号をブロードキャストする第１の音響源及び第２の円錐音響信号をブロードキャストする第２の音響源の位置及び前記第１の円錐音響信号及び前記第２の円錐音響信号の仰角に基づいて、混合ゾーンの空間座標を計算し、    
前記プロセッサによって、前記第１の音響源から前記混合ゾーンの中心までの伝播時間と当該混合ゾーンから前記受信機までの伝播時間との合計の伝播時間を計算し、
前記プロセッサによって、前記第１の音響源から前記混合ゾーンの中心までの伝播時間と前記第２の音響源から前記混合ゾーンの中心までの伝播時間との差を計算し、
前記プロセッサによって、相関処理信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）を読み出し、当該相関処理信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）は、到達時間ｔ、前記第２の音響信号と前記第１の音響信号との間の前記開始時間差δ、及び前記第１の音響信号の周波数と前記第２の音響信号の周波数との周波数比ｄの関数であり、非線形相互作用信号を含み、
前記プロセッサによって、前記信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）内で、到着時間ｔ、開始時間差δ、及び周波数比ｄの値の範囲を走査し、前記到着時間ＴＮＬの複数の値、前記開始時間差δＮＬの複数の値、前記周波数比ｄＮＬの複数の値を決定し、前記到着時間ＴＮＬ、前記開始時間差δＮＬ、及び前記周波数比ｄＮＬは、前記非線形混合プロセスによって生成される帯域制限スパイク信号Ｍ（ＴＮＬ、δＮＬ、ｄＮＬ）に対応し、
前記プロセッサによって、前記計算された到着時間を測定された到着時間ＴＮＬと比較し、又は、前記計算された開始時間差を測定された開始時間差δＮＬと比較し、又はその両方を実行し、
前記計算された到着時間が前記測定された到着時間と異なり、また、前記計算された開始時間差が前記測定された開始時間差と異なる場合に、全ての受信機、第１の音響源、第２の音響源及び前記第１の円錐音響信号の仰角及び前記第２の円錐音響信号の仰角について、前記測定された到着時間と前記計算された到着時間との差及び前記計算された開始時間差と前記測定された開始時間差との差を用いて、トモグラフィー速度反転法もしくは全波形逆解析手法により、前記伝播速度モデルを更新し、
測定された到着時間と実質的に等しい計算された到着時間又は測定された開始時間差と実質的に等しい計算された開始時間差又はその両方が得られる伝播速度Ｖｐ及び伝播速度Ｖｓを得るために、前記第１の音響源の複数の位置、前記第２の音響源の複数の位置、前記第１の円錐音響信号の複数の仰角、及び前記第２の円錐音響信号の複数の仰角について、前記合計伝播時間に対応する前記計算された到着時間が測定された到着時間と実質的に等しくなるまで、もしくは、前記計算された開始時間差が即知恵された開始時間差と実質的に等しくなるまで、又は、その両方が実現されるまで、上記工程を反復して繰り返す、
方法。
【請求項１８４】
前記伝播速度モデルに基づいて、レイトレーシング又はそれ以外の音響数値モデリング技術を用い、音響伝播の軌跡及び伝播時間を計算する、請求項１８３に記載の方法。
【請求項１８５】
非線形特性の３次元画像、圧縮速度対せん断速度比の３次元画像、又はこれらの２つ以上の任意の組み合わせをマッピング、キルヒホッフ画像処理、ビーム画像処理、又は波動方程式画像処理によって、前記記録信号に基づいて生成し、又は、トモグラフィー速度反転法、全波形逆解析手法又はトモグラフィー速度反転法と組み合わされた反復画像法を用いて、伝播圧縮速度、伝播せん断速度、又はその両方を、決定する、請求項１８３に記載の方法。
【請求項１８６】
非線形特性の３次元画像を生成する方法であって、
プロセッサによって、第１の周波数を有する第１の円錐音響信号を生成するように構成された第１の音響源の位置、第２の周波数を有する第２の円錐音響信号を生成するように構成された第２の音響源の位置、前記第１の円錐音響信号と前記第２の円錐音響信号とが交差する岩石層の混合ゾーンからボアホールに帰還する検出信号を受信するように構成された受信機の位置、及び前記第１の円錐音響信号及び前記第２の円錐音響信号の円錐角及び円錐軸の方向を含む測定パラメータを読み取り、
前記プロセッサによって、非線形相互作用信号を含む相関処理信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）を読み取り、到着時間ｔ、前記第１の円錐音響信号のブロードキャストの開始時間と前記第２の円錐音響信号のブロードキャストの開始時間との開始時間差δ、及び前記第１の周波数と前記第２の周波数との周波数比ｄの関数であり、
前記プロセッサによって、初期伝播圧縮及びせん断速度モデルを読み取り、
前記プロセッサによって、前記伝播圧縮及びせん断速度モデルに基づいて、前記第１の音響源の位置及び前記第２の音響源の位置、並びに、前記第１の円錐音響信号の円錐角及び円錐軸の方向及び記第２の円錐音響信号の円錐角及び円錐軸の方向を用いて、音響伝播の軌道を計算し、
前記第１の円錐音響信号と前記第２の円錐音響信号とが交差する交差領域ゾーンの空間座標を計算し、
前記プロセッサによって、到着時間ｔ、開始時間差δ、及び周波数比ｄの範囲において、前記相関信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）を計算して、前記到着時間ＴＮＬの複数の値、前記開始時間差δＮＬの複数の値、前記周波数比ｄＮＬの複数の値を決定し、前記到着時間ＴＮＬ、前記開始時間差δＮＬ、及び前記周波数比ｄＮＬは、前記非線形混合プロセスによって生成される帯域制限スパイク信号Ｍ（ＴＮＬ、δＮＬ、ｄＮＬ）に対応し、
前記非線形混合プロセスにより生成された前記帯域制限信号Ｍ（ＴＮＬ、δＮＬ、ｄＮＬ）を、前記第１の円錐音響信号と前記第２の円錐音響信号とが交差する相互作用混合ゾーンの空間座標にマッピングし、
前記帯域制限スパイク信号Ｍ（ＴＮＬ、δＮＬ、ｄＮＬ）の前記相互作用混合ゾーンの前記空間座標へのマッピングを、前記第１の音響源の位置の複数の値、前記第２の音響源の位置の複数の値、前記受信機の位置の複数の値、前記第１の円錐音響信号の円錐角及び円錐軸の方向の複数の値、前記第２の円錐音響信号の円錐角及び円錐軸の方向の複数の値、又はこれらの２以上の任意の組み合わせについて繰り返し、前記非線形混合プロセスの強さの３次元画像を得るためにマップされた相関信号を結合する、
方法。
【請求項１８７】
圧縮速度対せん断速度比の３次元画像を生成する方法であって、
プロセッサによって、第１の周波数を有する第１の円錐音響信号を生成するように構成された第１の音響源の位置、第２の周波数を有する第２の円錐音響信号を生成するように構成された第２の音響源の位置、前記第１の円錐音響信号と前記第２の円錐音響信号とが交差する岩石層の混合ゾーンからボアホールに帰還する検出信号を受信するように構成された受信機の位置、及び前記第１の円錐音響信号及び前記第２の円錐音響信号の円錐角及び円錐軸の方向を含む測定パラメータを読み取り、
前記プロセッサによって、非線形相互作用信号を含む相関処理信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）を読み取り、到着時間ｔ、前記第１の円錐音響信号のブロードキャストの開始時間と前記第２の円錐音響信号のブロードキャストの開始時間との開始時間差δ、及び前記第１の周波数と前記第２の周波数との周波数比ｄの関数であり、
前記プロセッサによって、初期伝播圧縮及びせん断速度モデルを読み取り、
前記プロセッサによって、前記伝播圧縮及びせん断速度モデルに基づいて、前記第１の音響源の位置及び前記第２の音響源の位置、並びに、前記第１の円錐音響信号の円錐角及び円錐軸の方向及び記第２の円錐音響信号の円錐角及び円錐軸の方向を用いて、音響伝播の軌道を計算し、
前記第１の円錐音響信号と前記第２の円錐音響信号とが交差する交差領域ゾーンの空間座標を計算し、
前記第１の円錐音響信号の前記円錐角及び円錐軸の方向及び前記第２の円錐音響信号の前記円錐角及び円錐軸の方向、前記第１の音響源の位置、及び前記受信機の位置に基づいて、前記第１の円錐音響信号と前記第２の円錐音響信号との間の収束角を計算し、
前記プロセッサによって、到着時間ｔ、開始時間差δ、及び周波数比ｄの値の範囲において、前記相関信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）を計算して、前記到着時間ＴＮＬの複数の値、前記開始時間差δＮＬの複数の値、前記周波数比ｄＮＬの複数の値を決定し、前記到着時間ＴＮＬ、前記開始時間差δＮＬ、及び前記周波数比ｄＮＬは、前記非線形混合プロセスによって生成される帯域制限スパイク信号Ｍ（ＴＮＬ、δＮＬ、ｄＮＬ）に対応し、
検出された非線形信号となる前記周波数比ｄＮＬを用いて前記速度比を計算し、前記周波数比と前記収束角との間の選択規則の関係を用いて前記収束角を計算し、
前記計算された速度比を前記混合ゾーンの前記空間座標にマッピングし、
前記速度比の前記混合ゾーンの前記空間座標へのマッピングを、前記第１の音響源の位置の複数の値、前記第２の音響源の位置の複数の値、前記受信機の位置の複数の値、前記第１の円錐音響信号の円錐角及び円錐軸の方向の複数の値、前記第２の円錐音響信号の円錐角及び円錐軸の方向の複数の値、又はこれらの２以上の任意の組み合わせについて繰り返し、前記速度比の３次元画像を得るためにマップされた相関信号を結合する、
方法。
【請求項１８８】
ボアホール外部の岩石層の情報を調査するシステムであって、
ボアホール内に配置され、第１の周波数でのブロードキャストである第１の円錐音響信号を生成するように構成された第１の音響源と、
前記ボアホール内に配置され、第２の周波数でのブロードキャストである第２の円錐音響信号を生成するように構成された第２の音響源と、
を備え、
前記第１の周波数及び前記第２の周波数は、約５００Ｈｚから５００ｋＨｚの間の周波数範囲にあり、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構成され、
前記ボアホール内に配置され、前記ボアホールに帰還する検出信号を受信するように構成された受信機であって、当該検出信号は、前記第１の周波数と前記第２の周波数との差に等しい周波数を有するとともに、前記非線形交差領域内の非線形混合ゾーンにおいて、前記第１の円錐音響信号及び前記第２の円錐音響信号に基づく非線形混合プロセスによって生成された信号である受信機と、
前記検出信号を記録及び記憶するとともに、前記記憶装置に記憶する、前記第１の音響源の位置、前記第２の音響源の位置、前記受信機の位置、前記第１の円錐音響信号の円錐角及び円錐軸の方向、及び記第２の円錐音響信号の円錐角及び円錐軸の方向を含む測定パラメータを記録及び記憶するように構成された記憶装置と、
をさらに備えるシステム。
【請求項１８９】
前記第１の円錐音響信号を生成する前記第１の音響源及び前記第２の円錐音響信号を生成する前記第２の音響源は、単一のボアホール内に配置される、請求項１８８に記載のシステム。
【請求項１９０】
前記第１の円錐音響信号及び前記第２の円錐音響信号が共線関係にない対称の軸を有するように、前記ボアホールは、直線状ではないか、又は、前記ボアホールは側線を備える、請求項１８８に記載のシステム。
【請求項１９１】
前記第１の円錐音響信号は、符号化された時系列に配列された第１の複数のパルスを含み、前記第１の複数のパルスは時間的に分離されており、各パルスは中心周波数での第１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、請求項１８８に記載のシステム。
【請求項１９２】
前記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い、請求項１９１に記載のシステム。
【請求項１９３】
前記第２の円錐音響信号は、符号化された時系列に配列された第２の複数のパルスをを含み、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周波数比ｄである、請求項１８８に記載のシステム。
【請求項１９４】
前記第１の音響源及び前記第２の音響源並びに前記受信機を制御し、前記第１の音響信号と前記第２の音響信号との間の複数の開始時間の差について、また、前記第１の周波数と前記第２の周波数との複数の周波数比について、前記第１の音響信号の生成、前記第２の音響信号の生成、及び前記検出信号の受信を繰り返す、請求項１９３に記載のシステム。
【請求項１９５】
前記第１の円錐音響信号と前記第２の円錐音響信号とが逆の極性を持つように、前記第１の円錐音響信号、前記第２円錐の音響信号又はその両方の位相を制御するように構成された位相制御部をさらに備える、請求項１８８に記載のシステム。
【請求項１９６】
非線形相互作用信号を強化し線形相互作用信号及び雑音を最小化するために、前記第１の円錐音響信号及び前記第２の円錐音響信号から前記混合プロセスによって生成され前記受信機で検出された信号を、反対の極性を有する前記第１の円錐音響信号及び反対の極性を有する前記第２の円錐音響信号から前記混合プロセスによって生成され前記受信機で検出された信号に加えるように構成されたプロセッサをさらに備える、請求項１９５に記載のシステム。
【請求項１９７】
複数の検出信号を受信するように構成された複数の検出器をさらに備え、前記複数の検出器によって受信される前記複数の検出信号に多次元フィルタリング法（ｍｕｌｔｉ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ）、反射伝播時間差分析及びスタッキング法（ｔｉｍｅ  ｍｏｖｅｏｕｔ  ａｎａｌｙｓｉｓ  ａｎｄ  ｓｔａｃｋｉｎｇ）、又はその両方を適用するように構成される、請求項１８８に記載のシステム。
【請求項１９８】
前記検出器は、複数の成分検出器を備え、前記検出信号、は前記成分検出器による成分検出信号を含み、  多次元フィルタリング法（ｍｕｌｔｉ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ）、反射伝播時間差分析及びスタッキング法（ｔｉｍｅ  ｍｏｖｅｏｕｔ  ａｎａｌｙｓｉｓ  ａｎｄ  ｓｔａｃｋｉｎｇ）、又はその両方を、前記複数の成分検出器によって受信される前記検出された複数の成分信号に適用するように構成される、請求項１９７に記載のシステム。
【請求項１９９】
前記第１の音響源の異なる位置、前記第２の音響源の異なる位置、前記受信機の異なる位置、前記第１の音響源のブロードキャスト円錐角、前記第２の音響源のブロードキャスト円錐角、又はこれらの２つ以上の任意の組み合わせについて、前記第１の円錐音響信号の生成、前記第２の円錐音響信号の生成、及び前記検出信号の受信を繰り返すように前記第１の音響源、前記第２の音響源及び前記受信機を制御するように構成されたプロセッサをさらに含む、請求項１８８に記載のシステム。
【請求項２００】
前記第１の音響源及び前記第２の音響源から前記岩石層内における非線形相互作用により生成された前記記録検出信号から、前記非線形混合プロセスによって生成された信号を抽出及び強化し、また、線形相互作用プロセスもしくは雑音又はその両方によって生成された信号を抑圧するように構成されたプロセッサをさらに含む、請求項１８８に記載のシステム。
【請求項２０１】
前記第１の円錐音響信号は、符号化された時系列に配列された第１の複数のパルスを含み、前記第１の複数のパルスは時間的に分離されており、各パルスは中心周波数での第１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、
前記第２の円錐音響信号は、符号化された時系列に配列された第２の複数のパルスをを含み、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、各パルスは前記第２の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第２の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第１の変調信号の前記中心周波数の選択された分数周波数比ｄであり、
前記記録データを読み出し、前記検出信号を、時系列に配置された複数のパルスを含むテンプレート信号と相関処理するように構成されたプロセッサをさらに備え、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つの対応するパルスの中央間の時間間隔と実質的に同じであり、前記複数のパルスにおける各パルスは、前記第１の複数のパルス及び前記第２の複数のパルスの対応する各々のパルス内に、前記第１の変調信号の中心周波数と前記第２の変調信号の中心周波数との差に等しい中心周波数を有する変調信号を含む、
請求項１８８に記載のシステム。
【請求項２０２】
前記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い、請求項２０１に記載のシステム。
【請求項２０３】
複数の開始時間差δについて、また、前記第１の周波数と前記第２の周波数との複数の周波数比ｄについて、前記テンプレート信号と前記検出信号との相関処理を繰り返し、非線形相互作用信号を含む相関処理信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）を生成するように構成されたプロセッサをさらに備える、請求項２０１に記載のシステム。
【請求項２０４】
非線形相互作用により生成される前記信号の期待帯域の周囲に狭い周波数帯域を維持するために、時変周波数バンドパスフィルタを前記検出信号に適用するように構成されたプロセッサをさらに備え、前記狭い周波数帯域幅は、各パルスの前記第１の周波数と前記第２の周波数との差の周囲で選択される、請求項２０３に記載のシステム。
【請求項２０５】
前記検出信号のホドグラム分析を実行するプロセッサをさらに備える、請求項２０１に記載のシステム。
【請求項２０６】
前記岩石層内の音響信号の非線形相互作用に関する選択規則に従って、前記相互作用領域における前記混合ゾーンの位置を制御するために、前記第１の周波数の前記第２の周波数に対する周波数比もしくは開始時間差の範囲を走査し、又は、その両方を走査するように構成されたプロセッサをさらに備える、請求項１８８に記載のシステム。
【請求項２０７】
前記第１の音響源は、前記ボアホール内で第１の軸方向に配置され、前記第２の音響源は、前記ボアホール内で第２の軸方向に配置され、前記第１の軸方向と前記第２の軸方向は、非共線方向又は非平行である、請求項１８８に記載のシステム。
【請求項２０８】
前記第１の円錐音響信号と前記第２の円錐音響信号の交差軌跡に配置されている前記交差領域内で特定の混合ゾーンを選択するために、前記第１の周波数と前記第２の周波数の前記周波数比及び前記開始時間差を制御するように構成されたプロセッサをさらに備える、請求項２０７に記載のシステム。
【請求項２０９】
前記第１の音響源から前記混合ゾーンの中心までの伝播時間と前記混合ゾーンの中心から前記受信機までの伝播時間との合計によって、又は、前記第１の円錐音響信号と前記第２の円錐音響信号との間の前記混合ゾーンへの収束角によって、前記第１の音響信号、前記第２の音響信号、又はその両方の収束角及び周波数比の間の非線形相互作用選択規則関係に従って、前記第１の円錐ブロードキャストと前記第２の円錐ブロードキャストとの交差軌跡に配置されている混合ゾーンの間で区別するように構成されたプロセッサをさらに備える、請求項２０８に記載のシステム。
【請求項２１０】
前記第１の音響源は第１のボアホール内に配置され、前記第２の音響源は第２のボアホール内に配置され、前記受信機は前記第１のボアホール、前記第２のボアホール又は第３のボアホールのいずれかに配置される、請求項１８８に記載のシステム。
【請求項２１１】
前記円錐角もしくは円錐軸又はその両方は、前記第１の円錐音響信号及び前記第２の円錐音響信号が前記ボアホール周囲の前記岩石層内の目標領域において交差するように選択される、請求項２１０に記載のシステム。
【請求項２１２】
ボアホール周囲の岩石層の領域における圧縮速度の値もしくはせん断速度の値又はその両方を伝播時間トモグラフィー反転法（ｔｒａｖｅｌ  ｔｉｍｅ  ｔｏｍｏｇｒａｐｈｉｃ  ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ）によって決定するプロセッサを備えたシステムであって、当該プロセッサは、
ボアホール内の採掘検層及び当該ボアホールから離れた位置の岩石層特性の水平方向の連続性に関する仮定を用いて、初期伝播速度モデルを推定し、
第１の円錐音響信号ブロードキャストの形態で第１の音響信号をブロードキャストする第１の音響源及び第２の円錐音響信号ブロードキャストの形態で第２の音響信号をブロードキャストする第２の音響源の位置、並びに、前記第１の円錐ブロードキャスト及び前記第２の円錐ブロードキャストに基づいて、混合ゾーンの空間座標を計算し、
前記第１の音響源から前記混合ゾーンの中心までの伝播時間と当該混合ゾーンから前記受信機までの伝播時間との合計の伝播時間を計算し、
前記プロセッサによって、合ゾーンの中心までの伝播時間と前記第２の音響源から前記混合ゾーンの中心までの伝播時間との差を計算し、
相関処理信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）を読み出し、当該相関処理信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）は、到達時間ｔ、前記第２の音響信号と前記第１の音響信号との間の前記開始時間差δ、及び前記第１の音響信号の周波数と前記第２の音響信号の周波数との周波数比ｄの関数であり、非線形相互作用信号を含み、
前記信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）内で、到着時間ｔ、開始時間差δ、及び周波数比ｄの値の全ての値を走査し、前記到着時間ＴＮＬ、前記開始時間差δＮＬ、前記周波数比ｄＮＬ及びＭ（ＴＮＬ、δＮＬ、ｄＮＬ）の複数の値を決定し、前記到着時間ＴＮＬ、前記開始時間差δＮＬ、及び前記周波数比ｄＮＬは、前記非線形混合プロセスによって生成される帯域制限スパイク信号Ｍ（ＴＮＬ、δＮＬ、ｄＮＬ）に対応し、
前記プロセッサによって、前記計算された到着時間を測定された到着時間ＴＮＬと比較し、又は、前記計算された開始時間差を測定された開始時間差δＮＬと比較し、又はその両方を実行し、
前記計算された到着時間が前記測定された到着時間と異なり、また、前記計算された開始時間差が前記測定された開始時間差と異なる場合に、全ての受信機、第１の音響源、第２の音響源及びブロードキャスト仰角構成（ｂｒｏａｄｃａｓｔ  ｅｌｅｖａｔｉｏｎ  ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ）について、前記測定された到着時間と前記計算された到着時間との差及び前記計算された開始時間差と前記測定された開始時間差との差を用いて、トモグラフィー速度反転法もしくは全波形逆解析手法により、前記伝播速度モデルを更新し、
測定された到着時間と実質的に等しい計算された到着時間又は測定された開始時間差と実質的に等しい計算された開始時間差又はその両方が得られる伝播速度Ｖｐ及び伝播速度Ｖｓを得るために、前記第１の音響源の複数の位置、前記第２の音響源の複数の位置、前記第１の音響信号及び前記第２の音響信号の複数の仰角について、前記合計伝播時間に対応する前記計算された到着時間が測定された到着時間と実質的に等しくなるまで、もしくは、前記計算された開始時間差が即知恵された開始時間差と実質的に等しくなるまで、又は、その両方が実現されるまで、上記工程を反復して繰り返す、
ように構成されたシステム。
【請求項２１３】
前記伝播速度モデルに基づいて、レイトレーシング又はそれ以外の音響数値モデリング技術を用い、音響伝播の軌跡及び伝播時間を計算するプロセッサをさらに備える、請求項２１２に記載のシステム。
【請求項２１４】
非線形特性の３次元画像、圧縮速度対せん断速度比の３次元画像、又はこれらの２つ以上の任意の組み合わせをマッピング、キルヒホッフ画像処理、ビーム画像処理、又は波動方程式画像処理によって、前記記録信号に基づいて生成し、又は、トモグラフィー速度反転法、全波形逆解析手法又はトモグラフィー速度反転法と組み合わされた反復画像法を用いて、伝播圧縮速度、伝播せん断速度、又はその両方を、決定するプロセッサをさらに備える、請求項２１２に記載のシステム。
【請求項２１５】
非線形特性の３次元画像を生成するプロセッサを備えたシステムであって、当該プロセッサは、
プロセッサによって、第１の周波数を有する第１の円錐音響信号を生成するように構成された第１の音響源の位置、第２の周波数を有する第２の円錐音響信号を生成するように構成された第２の音響源の位置、前記第１の円錐音響信号と前記第２の円錐音響信号とが交差する岩石層の混合ゾーンからボアホールに帰還する検出信号を受信するように構成された受信機の位置、及び前記第１の円錐音響信号及び前記第２の円錐音響信号の円錐角及び円錐軸の方向を含む測定パラメータを読み取り、
非線形相互作用信号を含む相関処理信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）を読み取り、到着時間ｔ、前記第１の円錐音響信号のブロードキャストの開始時間と前記第２の円錐音響信号のブロードキャストの開始時間との開始時間差δ、及び前記第１の周波数と前記第２の周波数との周波数比ｄの関数であり、
初期伝播圧縮及びせん断速度モデルを読み取り、
前記伝播圧縮及びせん断速度モデルに基づいて、前記第１の音響源の位置及び前記第２の音響源の位置、並びに、前記第１の円錐音響信号の円錐角及び円錐軸の方向及び記第２の円錐音響信号の円錐角及び円錐軸の方向を用いて、音響伝播の軌道を計算し、
前記第１の円錐音響信号と前記第２の円錐音響信号とが交差する交差領域ゾーンの空間座標を計算し、
到着時間ｔ、開始時間差δ、及び周波数比ｄの範囲において、前記相関信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）を計算して、前記到着時間ＴＮＬの複数の値、前記開始時間差δＮＬの複数の値、前記周波数比ｄＮＬの複数の値を決定し、前記到着時間ＴＮＬ、前記開始時間差δＮＬ、及び前記周波数比ｄＮＬは、前記非線形混合プロセスによって生成される帯域制限スパイク信号Ｍ（ＴＮＬ、δＮＬ、ｄＮＬ）に対応し、
前記非線形混合プロセスにより生成された前記帯域制限信号Ｍ（ＴＮＬ、δＮＬ、ｄＮＬ）を、前記第１の円錐音響信号と前記第２の円錐音響信号とが交差する相互作用混合ゾーンの空間座標にマッピングし、
前記帯域制限スパイク信号Ｍ（ＴＮＬ、δＮＬ、ｄＮＬ）の前記相互作用混合ゾーンの前記空間座標へのマッピングを、前記第１の音響源の位置の複数の値、前記第２の音響源の位置の複数の値、前記受信機の位置の複数の値、前記第１の円錐音響信号の円錐角及び円錐軸の方向の複数の値、前記第２の円錐音響信号の円錐角及び円錐軸の方向の複数の値、又はこれらの２以上の任意の組み合わせについて繰り返し、前記非線形混合プロセスの強さの３次元画像を得るためにマップされた相関信号を結合する、
ように構成されているシステム。
【請求項２１６】
圧縮速度対せん断速度比の３次元画像を生成するプロセッサを備えたシステムであって、当該プロセッサは、
第１の周波数を有する第１の円錐音響信号を生成するように構成された第１の音響源の位置、第２の周波数を有する第２の円錐音響信号を生成するように構成された第２の音響源の位置、前記第１の円錐音響信号と前記第２の円錐音響信号とが交差する岩石層の混合ゾーンからボアホールに帰還する検出信号を受信するように構成された受信機の位置、及び前記第１の円錐音響信号及び前記第２の円錐音響信号の円錐角及び円錐軸の方向を含む測定パラメータを読み取り、
非線形相互作用信号を含む相関処理信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）を読み取り、到着時間ｔ、前記第１の円錐音響信号のブロードキャストの開始時間と前記第２の円錐音響信号のブロードキャストの開始時間との開始時間差δ、及び前記第１の周波数と前記第２の周波数との周波数比ｄの関数であり、
初期伝播圧縮及びせん断速度モデルを読み取り、
前記伝播圧縮及びせん断速度モデルに基づいて、前記第１の音響源の位置及び前記第２の音響源の位置、並びに、前記第１の円錐音響信号の円錐角及び円錐軸の方向及び記第２の円錐音響信号の円錐角及び円錐軸の方向を用いて、音響伝播の軌道を計算し、
前記第１の円錐音響信号と前記第２の円錐音響信号とが交差する交差領域ゾーンの空間座標を計算し、
前記第１の円錐音響信号の前記円錐角及び円錐軸の方向及び前記第２の円錐音響信号の前記円錐角及び円錐軸の方向、前記第１の音響源の位置、及び前記受信機の位置に基づいて、前記第１の円錐音響信号と前記第２の円錐音響信号との間の収束角を計算し、
到着時間ｔ、開始時間差δ、及び周波数比ｄの値の範囲において、前記相関信号Ｍ（ｔ、δ、ｄ）を計算して、前記到着時間ＴＮＬの複数の値、前記開始時間差δＮＬの複数の値、前記周波数比ｄＮＬの複数の値を決定し、前記到着時間ＴＮＬ、前記開始時間差δＮＬ、及び前記周波数比ｄＮＬは、前記非線形混合プロセスによって生成される帯域制限スパイク信号Ｍ（ＴＮＬ、δＮＬ、ｄＮＬ）に対応し、
検出された非線形信号となる前記周波数比ｄＮＬを用いて前記速度比を計算し、前記周波数比と前記収束角との間の選択規則の関係を用いて前記収束角を計算し、
前記計算された速度比を前記混合ゾーンの前記空間座標にマッピングし、
前記速度比の前記混合ゾーンの前記空間座標へのマッピングを、前記第１の音響源の位置の複数の値、前記第２の音響源の位置の複数の値、前記受信機の位置の複数の値、前記第１の円錐音響信号の円錐角及び円錐軸の方向の複数の値、前記第２の円錐音響信号の円錐角及び円錐軸の方向の複数の値、又はこれらの２以上の任意の組み合わせについて繰り返し、前記速度比の３次元画像を得るためにマップされた相関信号を結合する、
ように構成されているシステム。
【請求項２１７】
ボアホール周囲の岩石層の非線形特性を調査するシステムであって、
データ取得、データ制御及びデータ記録を実行する第１のサブシステムと、
前記第１のサブシステムと通信し、非線形性及び速度の暫定の画像化を実行するように構成された第２のサブシステムと、
前記第１のサブシステムと通信し、制御された音響ブロードキャストを放射し音響エネルギーを受信するように構成された第３のサブシステムと、
前記第１及び第３のサブシステムと通信し、前記岩石層に向かって音響波源信号を生成するように構成された第４のサブシステムと、
前記第３及び第４のサブシステムと通信し、前記岩石層の前記非線形特性を示す信号の検出を実行するように構成された第５のサブシステムと、
を備えるシステム。
【請求項２１８】
前記第１のサブシステムは、前記第２のサブシステム及びオペレータ入力を受信するように構成された取得モデリングモジュールを備える、請求項２１７に記載のシステム。
【請求項２１９】
前記第１のサブシステムは、オペレータ入力及び取得設計モジュールからの入力を受信するように構成されたデータ取得制御部を備える、請求項２１８に記載のシステム。
【請求項２２０】
前記第１のサブシステムは、データ前処理及び強化モジュール及びデータ記憶装置を備え、前記データ前処理及び強化モジュールは、前記データ記憶装置及び前記第２のサブシステムへの入力データを読み込むように構成される、請求項２１９に記載のシステム。
【請求項２２１】
前記第２のサブシステムは、圧縮波及びせん断波のスローネス（ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎａｌ  ａｎｄ  ｓｈｅａｒ  ｓｌｏｗｎｅｓｓ）に関する記録、及び、側方の連続性に関する情報を前記第１のサブシステムに提供するように構成された初期速度モデルモジュールを備える、請求項２１７に記載のシステム。
【請求項２２２】
前記第２のサブシステムは、混合ゾーンにおける前記非線形相互作用によって生成された測定信号の振幅に関連付けられる伝播圧縮速度及びせん断速度領域の領域、速度比の画像、非線形性の画像を初期化するように構成された画像初期化モジュールを備える、請求項２２１に記載のシステム。
【請求項２２３】
前記第３のサブシステムは、第１の音響源、第２の音響源、一以上の受信機、工具運搬輸送モジュール、工具機械的制御部、前記台１の信号の方向を制御する方向制御部、及び前記第２の音響信号の方向を制御する方向制御部を備える、請求項２１７に記載のシステム。
【請求項２２４】
前記第３のサブシステムは、前記第１のサブシステムから、前記第３のサブシステム内で、前記第１の音響信号、前記第２の音響信号、又はその両方の方位角及び仰角を制御するために前記方向制御部を制御する命令を受信するように構成される、請求項２２３に記載のシステム。
【請求項２２５】
工具構成及びブロードキャスト配置に関連する取得記録パラメータは、前記第３のサブシステムから収集され、前記第１のサブシステム内のデータ記録装置に記録される、請求項２２３に記載のシステム。
【請求項２２６】
前記第４のサブシステムは、第１の信号を生成するように構成された信号生成器と、第２の取得信号を生成するように構成された信号生成器と、周波数乗算及び時間差モジュールと、コード化信号生成器と、を備える、請求項２１７に記載のシステム。
【請求項２２７】
前記第５のサブシステムは、前記第１のサブシステムから入力命令を受信するように構成される、請求項２２６に記載のシステム。
【請求項２２８】
請求項２２７に記載のシステム。前記第４のサブシステムは、前記コード化信号生成モジュールを用いてパルス列を生成するために、前記第１のサブシステムから入力命令を受信するように構成される、
【請求項２２９】
前記コード化信号生成モジュールによって生成される前記コード化信号は、第１の周波数の第１の信号を前記第１の音響源に入力するための第１の信号制御及び乗算モジュールへの入力であり、前記コード化信号生成モジュールによって生成される前記コード化信号は、周波数乗算及び開始時間差モジュールへの入力であり、また、  前記第１の信号に対する開始時間差を有するとともに前記第１の周波数の選択された分数である第２の周波数を有する第２の信号を前記第２の音響源へ提供するために、第２の信号制御及び乗算モジュールへの入力となる、請求項２２８に記載のシステム。
【請求項２３０】
前記開始時間差及び前記周波数の分数は、前記第１のサブシステム内のデータ記憶装置に記録ブロードキャスト情報として記憶される、請求項２２９に記載のシステム。
【請求項２３１】
前記第５のサブシステムは、一以上の受信機から信号を受信するように構成された受信モジュールと、前記信号受信モジュールによって受信された信号を強化するように構成された非線形信号強化モジュールと、テンプレート信号を生成するように構成されたテンプレート信号生成モジュールと、前記受信信号を前記テンプレート信号と相関処理する信号相関モジュールと、を備える、請求項２１７に記載のシステム。
【請求項２３２】
前記受信モジュールからの信号は、非線形源の成分を強化するとともに雑音を減少させるために、前記非線形信号強化モジュールによって処理され、前記受信モジュールからの信号及び強化された信号は、前記第１のサブシステム内のデータ記憶装置に記憶される、請求項２３１に記載のシステム。
【請求項２３３】
前記テンプレート生成器は、テンプレート信号を生成するように構成され、前記相関モジュールは、相関処理された信号を抽出するために前記テンプレート信号を前記受信信号と相関処理するように構成され、当該相関処理された信号は、前記ボアホール周囲の前記岩石層内の非線形混合領域における第１の音響源からの第１の信号と第２の音響源からの第２の信号との交差で生成される信号を特定し、ここで、ｔは信号時間、では前記第１の周波数と前記第２の周波数との周波数比、δは前記第１の信号と前記第２の信号との時間遅延である、請求項２３１に記載のシステム。
【請求項２３４】
前記相関処理された信号は、前記第１のサブシステム内のデータ記憶装置に記憶される、請求項２３３に記載のシステム。
【請求項２３５】
前記第１のサブシステム内のデータ取得制御部は、前記第１のサブシステムの前記記憶装置内での記録を繰り返し、前記第１の音響源の位置、前記第２の音響源の位置、前記受信機の位置、前記第１の音響信号の仰角、もしくは前記第２の音響信号の仰角、又はこれらの２以上の任意の組み合わせの複数の値から、前記相関処理されたデータを抽出するように構成された、請求項２３４に記載のシステム。
【請求項２３６】
前記相関処理されたデータをさらに強化するために前記記憶装置内の記憶データを処理するように構成されたホドグラム分析モジュールを備える、請求項２３５に記載のシステム。
【請求項２３７】
前記第２のサブシステムと通信し、前記岩石層の非線形特性の画像化を実行し、前記岩石層内での音響信号速度を決定するように構成された第６のサブシステムをさらに備える、請求項２１７に記載のシステム。
【請求項２３８】
前記第６のサブシステムは、データ前処理及び、強化モジュール、速度モデル反復モジュール、画像化反復モジュール、速度比の画像及び／又は非線形性の画像のための出力画像モジュール、決定された速度Ｖｐ、速度Ｖｓ、及び／又はＶｐ／Ｖｓ速度比を出力する出力速度モジュール、又はこれらの２以上の任意の組み合わせを備える、請求項２３７に記載のシステム。
【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仮特許出願第６１／４１３，１７３号からの優先権を主張するものであり、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（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。
【背景技術】
【０００３】
本発明は、一般には岩石層の地震波探査に関し、より具体的には、ボアホール内音響源の組み合わせを使用してボアホールから離れた領域における非線形特性及び／又は縦波速度対横波速度比の３次元画像を生成すること、及び３波混合処理によって形成される第３の波を受信して解析することに関する。
【０００４】
地盤特性の音響探査は、使用す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が、その一方、低周波信号を用いるためには、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、ボアホール壁に固定された大きな波源を必要とすることが多い。現時点では、音響ボアホール装置は、ボアホール内の音響源を念頭においており、ボアホール壁に沿って伝搬し、または、ボアホールを取り囲む岩石層の線形特性の不均一性によって散乱された帰還音響波（ｒｅｔｕｒｎｉｎｇ  ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｗａｖｅ）を検出するように設計されている。Ｌｅｇｇｅｔｔ，  ＩＩＩらの米国特許第７，３０１，８５２号は、岩石層の境界を検出するように設計された探索中検層装置を開示している。この装置は、ボアホールから２つの音響波を放射する２つの音響源アレイを用い、ボアホールを取り囲む岩石層内における音響波の交差位置において、非線形混合によって、第３の波を生成する。当該第３の波は、前方に進行を続け、地盤特性の不均一性と線形に相互作用（ｉｎｔｅｒａｃｔ  ｌｉｎｅａｒｌｙ）する。当該第３の波は地盤特性の不均一性によって散乱され、散乱された信号が検層装置のセンサによって検出される。米国特許第７，３０１，８５２号は、当該第３の波を直接検出することは開示しておらず、岩石層の不均一性によって散乱された信号を検出するものである。米国特許第７，３０１，８５２号は、岩石層の境界を検出するために、散乱した波を利用しているに過ぎない。
【０００５】
油層探鉱や天然ガス探査地点においてボアホールから地層の非線形特性を明らかにするための試みが行われているが、いずれの方法にも限界がある。例えば、Ｄ’Ａｎｇｅｌｏらの米国特許第５，５２１，８８２号は、受圧部（ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｒｅｃｅｉｖｅｒ）を用いて、２つの波の非線形混合によって生成された非線形波を記録する音響装置を開示する。この非線形波は、ボアホール壁に沿って伝播し、周囲の岩石層にはあまり侵入せず、採掘孔泥水の方へ屈折する。非線形性の指標は、ボアホールを囲む岩石層の相対的な圧密の指標を提供するために用いられる。米国特許第５，５２１，８８２号は、ボアホールから離れている岩石層の非線形特性を測定することを開示していない。Ｋｈａｎの米国特許第６，１７５，５３６号には、第１のボアホールから地層へ送信され第２のボアホールで受信された地震波信号のスペクトル分析によって当該地層の非線形性の程度を推定する方法が開示されている。米国特許第６，１７５，５３６号の方法は、スペクトル分析に基づいて、第２のボアホールに位置する受信機において、第１のボアホールに配置された２つの音響源によって生成された伝送地震波信号の２つの選択周波数の合計又は差を表す周波数の存在を決定する。米国特許第６，１７５，５３６号は、受信機及び音響源をボアホールに配置し、ボアホールから離れた位置における岩石層の非線形特性を測定することについては開示していない。
【０００６】
このような従来技術に照らして、ボアホールから離れた領域における非線形特性を明らかにするためのシステム及び方法が求められている。
【発明の概要】
【０００７】
本開示の一態様は、ボアホール外部の岩石層を調査する方法を提供することである。当該方法は、第１の音響源によって第１の周波数の第１の音響波を生成すること、及び、第２の音響源によって第２の周波数の第２の音響波を生成すること、を含む。当該第１及び第２の音響源は、ボアホール内の局所的な領域内に配置される。当該第１及び第２の音響波は、ボアホール外部の交差領域において交差する。当該方法はさらに、第３の周波数の第３の音響波をボアホール内に配置された受信機で受信する。当該第３のせん断音響波は、上記交差領域内の非線形混合領域における非線形混合処理によりボアホール内に戻ってくる。当該第３の周波数は、前記第１の周波数と第２の周波数との差に等しい。
【０００８】
本開示の他の態様は、ボアホール外部の岩石層を調査するシステムを提供することである。当該システムは、第１の周波数の第１の音響波を生成する第１の音響源と、第２の周波数の第２の音響波を生成する第２の音響源とを含む。当該第１及び第２の音響源は、ボアホール内の局所的な領域内に配置される。当該第１及び第２の音響波は、ボアホール外部の交差領域において交差する。当該システムはさらに、ボアホール内に配置され、第３の周波数の第３の音響波を受信する受信機を備える。当該第３のせん断音響波は、上記交差領域内の非線形混合ゾーンにおける非線形混合処理によりボアホール内に戻ってくる。当該第３の周波数は、前記第１の周波数と第２の周波数との差に等しい。
【０００９】
本開示の一部の態様において、前記第１の音響波及び前記第２の音響波は、コード化音響信号を含む。本開示の他の態様において、前記第１の音響源及び前記第２の音響源は、円錐ブロードキャスト音響信号（ｃｏｎｉｃａｌ  ｂｒｏａｄｃａｓｔ  ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｓｉｇｎａｌ）を生成するように構成される。本開示のさらの他の態様において、岩石層の非線形特性を画像化するシステム及び方法、又は、圧縮速度を決定し、せん断速度を決定し、岩石層における当該圧縮速度とせん断速度との比を決定するシステム及び方法、又はこれらの任意の組み合わせが提供される。
【００１０】
本開示のさらに他の態様において、ボアホール周囲の岩石層の非線形特性を調査するシステムが提供される。当該システムは、データ取得、データ制御及びデータ記録を行う第１のサブシステム、前記第１のサブシステムと通信し、非線形性及び速度の暫定の画像化を実行するように構成された第２のサブシステムと、前記第１のサブシステムと通信し、制御された音響ブロードキャストを放射し音響エネルギーを受信するように構成された第３のサブシステムと、前記第１及び第３のサブシステムと通信し、前記岩石層に向かって音響波源信号を生成するように構成された第４のサブシステムと、前記第３及び第４のサブシステムと通信し、前記岩石層の前記非線形特性を示す信号の検出を実行するように構成された第５のサブシステムと、を備える。
【００１１】
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】
【００１２】
【図１】図１は、本開示の様々な態様に従って、ボアホールから離れた領域における非線形特性の３次元画像を生成するための構成を示す。
【図２】図２は、本開示の様々な態様に従って、ボアホールから離れた領域における非線形特性の３次元画像を生成するための他の構成を示す。
【図３】図３は、本開示の様々な態様に従って、ボアホールから離れた領域における非線形特性の３次元画像を生成するためのさらに他の構成を示す。
【図４】図４は、本開示の様々な態様に従って、ボアホールから離れた領域における非線形特性の３次元画像を生成するためのフローチャートを示す。
【図５】図５は、２つの一次波がビームの場合における表１のビーム間相互作用の第１選択規則の数値シミュレーションを示す。
【図６】図６は、非線形混合選択規則によって支配される２つの一次音響波の非線形混合による差分周波数の第３の波の生成の幾何学的配置を示す。
【図７】図７は、ビームとブロードビーム又は平面波を用いてイメージングを行う本開示の一態様の適用を示す。
【図８】図８は、本開示の一態様に従って、非共線混合（ｎｏｎ−ｃｏｌｌｉｎｅａｒ  ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｍｉｘｉｎｇ）を用い、岩石層の非線形特性及び／又はＶｐ／Ｖｓ比を遠隔マッピング（ｒｅｍｏｔｅ  ｍａｐｐｉｎｇ）するボアホールベースのシステムの構成例を示す。
【図９】図９ａは、ブロードキャスト及び散乱音響波を表すベクトルを特定するために図８の構成を示す。図９ｂは、図９ａの非線形混合を表すベクトルを示す。
【図１０】図１０ａは、本開示の態様に従って、混合ゾーンの圧縮速度対せん断速度比Ｖｐ／Ｖｓの範囲について、平面波周波数に対する混合係数の代表的な依存関係を表す。図１０ｂは、Ｐ＋Ｐ→ＳＶ相互作用についての選択規則を満たす平面波周波数に対する収束角の代表的な依存関係を示す。図１０ｃは、Ｐ＋Ｐ→ＳＶ相互作用についての選択規則を満たす平面波周波数に対する散乱角の代表的な依存関係を示す。
【図１１】図１１ａから図１１ｃは、本開示の態様に従って、ボアホールに帰還する散乱波を生成する非線形媒体における平面波の非共線相互作用の数値シミュレーションの結果の例を示す。
【図１２】図１２ａは、本開示の態様に従って、一次音響波及び散乱音響波についての方向と伝播時間の代表例を示す。図１２ｂ〜図１２ｄは、本開示に一実施形態に従って、第１の音響源からのシミュレートされた信号、第２の音響源からのシミュレートされた信号、及びシミュレートされたテンプレート信号を示す。
【図１３】図１３ａは、本開示に従って、第１及び第２の音響源及び受信器アレイの位置を示す。図１３ｂ〜図１３ｄは、本発明の一実施形態に従って、受信パルス列とモデル化信号の相関処理が、どのようにして受信機アレイにおける信号の到達時間を特定するかを示す。
【図１４】図１４ａは、本開示に従って、第１及び第２の音響源及び受信器アレイの位置を示す。図１４ｂ〜図１４ｄは、本発明の態様に従って、一連のコード化パルスを送信し、信号対雑音比を改善するために相関技術を用いる効果を示す。
【図１５】図１５ａ及び図１５ｂは、本開示の態様に従って、２つの同軸の円錐の交差部分において、ボアホール周囲におけるトロイド形状の非円錐混合配置の例を示す。
【図１６】図１６ａ及び図１６ｂは、本開示の態様に従って、２つの交差する同軸の円錐の間にある非円錐混合配置の例を示す。
【図１７】図１７ａは、本開示の態様に従って、折り曲がった孫井戸を有する単一抗井配置の例を示す。ここでは、下方の円錐が上方の円錐と完全に交差する。図１７ｂは、本開示の態様に従って、折り曲がった孫井戸を有する単一抗井配置の他の例を示す。ここでは、下方の送信機がボアホール軸にほご直交するエネルギーを放射する。
【図１８】図１８ａは、本開示の態様に従って、抗井の垂直部分に受信機を有する垂直な抗井及び側線の例を示す。図１８ｂは、本開示の態様に従って、受信機が側線内に設けられている垂直なパイロットホール及び水平な側線の他の例を示す。
【図１９】図１９は、本開示の態様に従って、測量設計、データ取得、データ処理及び画層かのためのシステムを模式的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、本開示の様々な態様に従って、ボアホールから離れた領域における非線形特性及び圧縮速度対せん断速度比の３次元画像を生成することができる複数の構成の１つを示す。第１音響源１０５はボアホール１１０内に設置されており、第１周波数ｆ１で音響エネルギーの可動一次ビームを生成する。第２音響源１１５もボアホール１１０内に配置されており、第２周波数ｆ２で音響エネルギーの可動一次ビームを生成する。一例として、第１音響源１０５及び第２音響源１１５はいずれもフェイズドアレイ音響源であってもよく、可動圧縮ビーム又は可動せん断ビームの一方を生成するように構成されていてもよい。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。
【００１４】
図１に示されるように、第１音響源１０５は第１装置本体１２０に配置され、第２音響源１１５は第２装置本体１２５に配置される。しかし、この開示は限定的なものではなく、第１装置本体１２０及び第２装置本体１２５を共通の装置本体（不図示）に共に配置することもできる。装置本体１２０及び１２５は、ボアホール１１０の長軸１５０に沿った平行移動及びボアホール１１０の長軸周りの方位角の回転１５５を含む少なくとも２自由度でボアホール１１０内を独立に移動できるように設けられる。第１音響源１０５は、ボアホール１１０内において第２音響源１１５の上方に配置されてもよく下方に配置されてもよい。装置本体１２０及び１２５は、ボアホール１１０内で搬送検層装置（不図示）に設けられてもよい。
【００１５】
第１音響源１０５及び第２音響源１１５の所定の方位角方向に対して、第２音響源１１５によって生成されたビーム及び第１音響源１０５によって生成されたビームは、ボアホール１１０から離れた混合ゾーン１３０において集光及びインターセプトされるように構成される。ビームを独立に操縦することと音響源１０５、１１５間の角距離を変化させることを組み合わせることによってインターセプション角（ａｎｇｌｅ  ｏｆ  ｉｎｔｅｒｃｅｐｔｉｏｎ）を制御するときに、混合ゾーン１３０は、ビームとボアホールの長軸１５０とによって定義される平面内を移動する。混合ゾーン１３０のボアホール１１０からの距離は、ボアホール１１０のエッジ近辺から周辺の地下岩石層に約３００メートル入ったところまでの幅がある。一例として、上記の段落において説明されている音響源アレイ１０５、１１５における隣接する要素間での位相差及び／又は開始時間の差は、一次ビームの音響エネルギーを特定の混合ゾーン１３０に集中させるために修正される。
【００１６】
２つの波の間における地盤の非線形特性によって第３の弾性波が生成される。この第３の弾性波は、非線形物質（ここでは岩石層）において起こる３波混合処理によって生成される。この処理では、異なる周波数ｆ１及びｆ２を有する２つの集束非共線波（一次波とも称される）が混合して、ｆ１−ｆ２、ｆ１＋ｆ２、２×ｆ１及び２×ｆ２等の調和周波数及び相互変調周波数を有する追加的な波が形成される。第３の波の強度は、混合ゾーンにおける岩石の非線形性の関数である。一例として、周波数ｆ１の一次圧縮（Ｐ）波及び周波数ｆ２の一次せん断（ＳＶ）波が非線形媒体を通過するときに、周波数ｆ１−ｆ２の第３の圧縮（Ｐ）波又はせん断（ＳＶ）波が生成される。
【００１７】
伝播選択規則（ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ  ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ  ｒｕｌｅｓ）においては、第３の波の伝播ベクトルは、２つの一次波の伝播ベクトルと同一面上にある。交角、ｆ１／ｆ２比、及び縦波速度対横波速度比を適宜組み合わせることにより、ボアホール１１０に戻る一次ビームに対して特定の角度の方向に伝播する周波数ｆ１−ｆ２の第３の弾性波が得られる。
【００１８】
センサ又は受信機アレイ１３５は、ボアホール１１０に戻ってくる第３の波を検出するためにボアホール１１０内の特定の位置に配置される。図１に例示されるように、本開示の一態様におけるセンサアレイ１３５は、センサ装置本体１４０に接するが装置本体１２０及び１２５とは別個に配置されるセンサアレイを構成する２以上のセンサを含む。センサ１３５は、ボアホール１１０の長軸１５０に沿ってボアホール１１０内を独立して移動可能に構成される。例えば、センサ装置本体１４０は装置本体１２０及び１２５の下方に配置され、又は、装置本体１２０及び１２５の上方及び下方に配置される。一部の態様において、センサ装置本体１４０は、装置本体１２０及び１２５の一方又は両方と接続される。
【００１９】
第３の波は、センサアレイ１３５によって、ボアホール１１０内で検出される。図２は、図１と同様の配置を示す。図２においては、受信機１３５は、ボアホール壁に固定された３成分ジオフォン１４５を備える。到着する第３の波の到来方向を決定してシステムに冗長性を加えるために、得られた信号は情報処理によって傾角及び方位角に分解される。
【００２０】
一態様において、第１プロセッサ又は制御装置は、コンピュータ読み取り可能な命令（不図示）を実行し、音響源放射の制御及びセンサアレイ１３５によって記録されたデータの圧縮又はフィルタリング等の処理タスクを実行するように設けられ、構成されてもよい。一態様において、当該第１のプロセッサは、ボアホール１１０内に配置されてもよい。一態様においては、第２プロセッサを設けてもよく、当該第２プロセッサは、前記第１プロセッサを支援し又は前記第１プロセッサと異なる処理を実行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（不図示）を実行するように構成されてもよい。例えば、第２のプロセッサは、３次元画像を生成する際の一部分の処理又はすべての処理を実行することができる。送信機又は受信機（不図示）は、有線ケーブル（不図示）を介して坑上にデータを伝送するためにボアホール１１０内に配置されてもよい。一態様において、上記第２プロセッサは、例えば、ボアホールの外部に設けられても良い。
【００２１】
音響源１０５、１１５の一方のボアホールに沿った所定の深さにおいて、ボアホール軸を通る平面において混合ゾーンを空間的に走査するために一定の相対方向の傾斜でビームを掃引し、混合ゾーンを回転走査するために音響源を方位角方向に回転し、アッセンブリ全体をボアホール１１０に沿って移動させることにより、非線形特性を得るためにボアホール周囲の混合ゾーンの３次元領域を走査できる。音響源１０５、１１５及びセンサアレイ１３５を独立の装置本体に配置することにより、データの高い冗長性が得られ、探査の際の深さを変化させることができる。このようにして、非線形特性を得るためにボアホール周囲の岩石の３次元領域を調べることができ、帰還信号、すなわちセンサアレイ１３５によって検出された信号に基づいて非線形特性の３次元画像を処理及び計算することができる。
【００２２】
図３は、本開示の他の態様に従って、ボアホール１１０から離れた領域における非線形特性の３次元画像を生成するための他の構成を示す。図３の配置は、図２の配置と似ているが、主要な相違点は、ボアホール１１０内に配置されている音響源が可動指向性ビームに代えて弾性波（例えば球面波）を生成することである。図３に示されているとおり、第１音響源３０５は、ボアホール１１０内において第１装置本体３２０に接するように配置されており、第１周波数ｆ１を有する音響エネルギーの第１弾性波を生成する。第２音響源３１５は、ボアホール１１０内に第２装置本体３２５に接するように配置され、第２周波数ｆ２を有する音響エネルギーの第２弾性波を生成する。音響源３０５、３１５によって生成される第１及び第２弾性波は、様々な混合ゾーン１３０においてボアホール１１０から離れた位置で交差するように構成される。受信機１４５は、ボアホール１１０内に配置されて、上述した３波混合処理によって混合ゾーン１３０で生成された第３の波を受信する。３波混合処理についてはさらに後述する。音響源３０５、３１５によって生成された波は本質的に無指向性なので、波の混合は混合ゾーン１３０の全領域において同時に発生し、図で表した面の外まで拡がる。また、受信機１４５は指向性を有する傾向がある。この目的のために、一例として３成分ジオフォンアレイを用いることができる。得られた信号は、仰角・方位角及び伝播時間の範囲において、情報処理により複数の到来信号に分解される。音響源３０５、３１５及び受信機１４５の位置、伝播時間、及び分解された指向性を有する到着方向を前提とすると、以下の段落で説明される選択規則を適用して第３の波が生成された固有の混合ゾーンを決定するための十分な情報があるといえる。この固有の写像により、受信信号の特性に基づいて３次元（３Ｄ）画像を生成することができる。
【００２３】
図４は、本発明の一態様に従って、搬送検層装置を用いて非線形特性の３次元画像及び縦波速度対横波速度比を形成する方法のためのフローチャートを示す。この方法では、まずステップ４０５において、第１周波数の可動ビーム弾性エネルギーを生成する第１音響源がボアホール内に配置され、また、第２周波数の可動ビーム弾性エネルギーを生成する第２音響源がボアホール内に配置される。この第１及び第２周波数の可動ビームは、ボアホールから離れた位置で交差するように配置される。このように、第２ビームの方位角は第１ビームの方位角と同じであるが、ボアホールの長軸に対する仰角が異なる。次に、ステップ４１０に進み、第３の弾性波がボアホール内でセンサアレイによって受信される。上述のとおり、第３の弾性波は、第１周波数と第２周波数との差に等しい周波数を有し、ボアホールに向かう伝播方向を有するように混合処理によって生成される。ステップ４１５では、第１音響源及び第２音響源の配置及び第３の波の特性に基づき、選択規則に従って、ボアホールから離れた混合位置が決定される。ステップ４２０では、複数の方位角、仰角、及びボアホール内での長手方向における位置においてステップ４０５の生成処理、ステップ４１０の受信処理、及びステップ４１５の決定処理を繰り返すことによって、記録されたデータを用いて非線形特性の３次元画像が生成される。圧縮せん断相互作用がある場合には、上記の段落で説明されたように、圧縮速度／せん断速度（Ｖｐ／Ｖｓ）比を得るために、受信信号がステップ４２５において分析される。ステップ４３０では、非線形特性が、流体飽和率、有効応力、岩盤割れ目密度、及び鉱物特性等の物理的な貯留層特性に変換される。
【００２４】
本開示の一部の態様において、第１音響源及び第２音響源は、ビーム、円筒波、又は球面波の音響源であってもよく、センサアレイは、無指向性単一成分センサ及び３成分ジオフォンの任意を組み合わせを用いることができる。成分部分の組み合わせを変えることにより、信号処理及びイメージングにおける冗長性の程度を変更することができる。
【００２５】
周波数ｆ１の一次圧縮（Ｐ）波及び周波数ｆ２の一次せん断（Ｓ）波が非線形媒体において交差する特別な場合には、周波数ｆ１−ｆ２を有する第３のＰ波又はＳ波が生成される。一次Ｐ波及びＳ波はそれぞれ波動ベクトルｋ１及びｋ２を有するビームであり、非線形の地盤特性が一様な場合には、生成された第３の波は、波の相互作用の運動学（ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ）に基づき、選択規則ｋ１−ｋ２＝ｋ３に従った波動ベクトルｋ３を有する平面波であることが要請される。この選択規則は、一次波の許容される交角及び第３の波の具体的な伝播方向に厳しい制約を課す。２つの線形平面波の非線形混合の一般的な運動論、選択規則、及び振幅応答については、Ｊｏｎｅｓ  ａｎｄ  Ｋｏｂｅｔｔ（１９６３）、Ｒｏｌｌｉｎｓ、Ｔａｙｌｏｒ  ｅｔ  ａｌ．  （１９６４）、及びＫｏｒｎｅｅｖ，  Ｎｉｈｅｉ  ａｎｄ  Ｍｙｅｒ（１９９８）においてさらに説明されている。これらの文献は参照により全体として本明細書に組み込まれる。これらの文献は、混合媒体の非線形パラメータと非線形混合の信号強度との間の具体的な関係を提供する。例えば、Ｋｏｒｎｅｅｖ，  Ｎｉｈｅｉ  ａｎｄ  Ｍｙｅｒの式５３及び式５４は、Ｐ平面波及びＳＶ（垂直に偏波したせん断波）平面波の混合強度が岩石の非線形パラメータの具体的な組み合わせに比例することを示している。
【００２６】
２つの弾性平面波の非線形相互作用を支配する選択規則は、２つの弾性ビームの相互作用のガイダンスとして用いることができる。これらの平面波選択規則により、以下の６つの非線形相互作用が後方散乱波を生成することになる。
【００２７】
２つの弾性平面波の非線形相互作用を支配する選択規則。この表及び本明細書においてｆ１はｆ２よりも大きいものとする。
【００２８】
【表１】
2014500961.tif 000003
図５（ａ）、図５（ｂ）、及び図５（ｃ）は、２つの一次波がビーム間相互作用のビームである場合における表１の選択規則の数値シミュレーションを示す。図５（ａ）に示されている２５ｋＨｚの圧縮ビームと図５（ｂ）に示されている１８ｋＨｚせん断ビームとが混合して、図５（ｃ）に示されている周波数が７ｋＨｚ（＝２５ｋＨｚ−１８ｋＨｚ）の第３のビームが生成される。この例では、前記平面波予測に従って、周波数（ｆ１−ｆ２）でＰ（ｆ１）波に対して１３３°の角度を有する第３の後方伝播Ｐビームが、Ｐ（ｆ１）とＳＶ（ｆ２）ビームとが重なる領域での非線形混合によって生成される。
【００２９】
ビームの非線形相互作用の運動学によって、波動ベクトル及び周波数の特定の組み合わせが生成される。この第３の波は、特定の伝播時間、並びにｆ３＝ｆ１−ｆ２及びｋ３＝ｋ１−ｋ２等で表される特定の周波数ｆ３及び波動ベクトルｋ３で戻ってくる。ｆ１、ｆ２、ｋ１、及びｋ２の組み合わせについて、同一平面における第３の波のｗｅｌｌ−ｄｅｆｉｎｅｄな伝播波動ベクトルｋ３（ｋ１及びｋ２で定義される）が存在する。特定の受信機位置及び２つの一次波ｋ１及びｋ２の非線形混合が起こる位置で検出された信号の間には直接の対応がある。受信機の信号強度は、他の要素の中でも特に混合ゾーンにおける岩石の非線形性の強度に比例し、ベクトルｋ３上にある受信機において最大となる。したがって、受信機における信号強度は、例えば、図１に示されるビーム軌跡に沿って、岩石の非線形性に幾何学的にマッピングされる。
【００３０】
波の伝播についての幾何学理論によって、混合ゾーンにおいて生成されるビームは、特定の時間遅延後に、ボアホールの３つの波動ベクトルｋ１、ｋ２及びｋ３の配置によって定義される特定の受信機に到来することが示される。ボアホール内の特定の位置において特定の時刻に得られる信号の強度は、交差位置の非線形性の程度に依存する。したがって、ビームに沿った岩石の３次元特性の相対的な強度の時間画像を構成できる。受信機における信号の振幅の大きさは、それ自身が混合ゾーンの石油物理学的特性を示す。ビーム及び平面波が収束角を保ったまま方位角及び仰角ついて走査される場合には、ボアホール周囲の岩石の非線形特性の局所的な周方向及び径方向の３次元画像を得ることができる。アッセンブリ全体をボアホールの上下に移動させることによって、ボアホール周囲の岩石の非線形特性の３次元画像を繰り返し得ることができる。これらの繰り返し得られた画像の重み重合を生成することにより、ボアホール全体の周囲にある岩石の非線形特性の画像を以下で説明するコンピュータ処理により生成することができる。また、音響源及び受信機が３つの別個の装置本体の一部になっている場合には、そのうちの１つ又は２つを動かし、３つ目のものを固定しておくことができる（例えば、受信機装置本体が上下動されるときに音響源を固定しておく）。または、装置本体同士が異なる間隔を有するようにして坑井への降下を行ってもよい。
【００３１】
弾性ビームとより幅の広いビーム（準平面波）との間の非線形混合については、選択規則が緩和されている。ビーム幅が前記第３の波の約１０波長である場合には、波動ベクトルｋ３＝ｋ１−ｋ２を中心とした周波数ｆ１−ｆ２の第３の波が一次ビームに沿って継続的に生成される。ｆ３＝ｆ１−ｆ２の周波数に対して得られる信号強度は、混合領域の平均非線形特性、周波数ｆ１の平均伝播速度と周波数ｆ２の平均伝播速度との比（ｆ１及びｆ２を有するビーム圧縮波又はせん断波であってもよい）、混合ゾーンの領域、及び混合の配置の関数である。この関数は、様々な混合モードについて計算される。例えば、ｆ１に対する圧縮波Ｐ及びｆ２に対するＳＶ等の特定の混合モードについての信号強度は、以下の式１で与えられる。
【００３２】
【数１】
2014500961.tif 000004
ここで、Ｕは前記ボアホールで受信された前記第３の波の変位振幅であり、Ａ１は圧縮波の縦偏極であり、Ｂ２はせん断波の横偏極である。βは、Ｌａｎｄａｕ  ａｎｄ  ＬｉｆｓｃｈｉｔｚのＡ、Ｂ及びＣパラメータの関数であり、混合ゾーンにおける岩石の非線形性を表す。νは混合ゾーンの体積であり、ｒは混合ゾーンから受信機までの距離である。Ｆは入射ビームの配置に依存し特定の幾何学的配置について数値計算できる一次の幾何形状因子（ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ  ｆｏｒｍ  ｆａｃｔｏｒ）である。Δは、波動ベクトルｋ１，ｋ２及びｋ３の数値計算可能な関数であり、相互作用の幾何学的配置が当該選択規則に従う場合にのみ重要な選択規則形状因子（ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ  ｒｕｌｅ  ｆｏｒｍ  ｆａｃｔｏｒ）である。式における下付文字のＰＳＶＰは、圧縮波を生成する圧縮せん断相互作用について言及するものである。
【００３３】
本開示の一部の態様に従って、圧縮速度対せん断速度比の画像は、以下のようにして生成される。図６に示されるように、音響源の１つが周波数ｆ１の圧縮波（Ｐ波）を生成し、他の音響源が周波数ｆ２のＳＶ波を生成し、この両方の波が特定の交差領域に向けられたときに、差分周波数ｆ３＝ｆ１−ｆ２の第３の圧縮波（Ｐ波）の伝播方向が、選択規則によって決定される混合ゾーンにおける岩石の平均ｉｎ  ｓｉｔｕ  Ｖｐ／Ｖｓ比によって制御される。図２又は図３の３成分受信機アレイ１４５における信号の測定値に基づいて、第３の波の方向が決定され、これにより混合ゾーンのｉｎ  ｓｉｔｕ  Ｖｐ／Ｖｓが計算される。ビーム及び平面波が必要な収束角を保ったまま方位角及び仰角について走査される場合には、前記ボアホール周囲の岩石のｉｎ  ｓｉｔｕ  Ｖｐ／Ｖｓ比の局所的な周方向及び径方向の３次元画像が得られる。アッセンブリ全体を前記ボアホール内で上下動させることにより、前記ボアホール周囲の岩石のｉｎ  ｓｉｔｕ  Ｖｐ／Ｖｓの３次元画像を繰り返し取得できる。これらの繰り返し取得された画像の重み重合を生成することにより、ボアホール全体の周囲の岩石のｉｎ  ｓｉｔｕ  Ｖｐ／Ｖｓの画像が、以下のコンピュータ処理により生成される。または、装置本体同士が異なる間隔を有するようにして坑井への降下を行ってもよい。
【００３４】
本開示の一部の態様では、一次ビームの周波数ｆ１のｆ２に対する比を走査することにより、Ｖｐ／Ｖｓ比の別の決定方法が実現される。図６は、図１の構成において生成される２つのビームの相互作用の幾何学的配置を示す。この幾何学的配置は、ベクトル解析及び上記の段落において説明した三角法を用いて分析される。ベクトルｋ１及びｋ２の長さｋ１及び長さｋ２は、対応する周波数及び速度の比によって定義される。図６に示したとおり、リターン角（ｒｅｔｕｒｎｉｎｇ  ａｎｇｌｅ）φは、ｆ１／ｆ２、Ｖｐ／Ｖｓ比、及び２つの一次ビームの交角θの関数である。また、物理的な選択規則によって、第３の波は、図５に示した例のようなｆ１／ｆ２，、Ｖｐ／Ｖｓ比、及びインターセプション角θの特定の組み合わせにおいてのみ生成が可能となる。
【００３５】
Ｖｐ／Ｖｓ比の記号ｒ及び図６で定義された文言を用いることにより、ベクトルｋ３の大きさｋ３は、ｋ１と−ｋ２のベクトル和、すなわち、以下の式
【００３６】
【数２】
2014500961.tif 000005
と、以下の余弦法則によって与えられる。
【００３７】
【数３】
2014500961.tif 000006
この２つの式を組み合わせ、ｋ１にｆ１／Ｖｐを代入し、ｋ２にｆ２／Ｖｓを代入すると、選択規則によって課される幾何学的条件の表現が導かれる。以下の二次方程式は、ｒ、混合ゾーンのＶｐ／Ｖｓ比について解くことができる。
【００３８】
【数４】
2014500961.tif 000007
これにより、特定の混合領域のｉｎ  ｓｉｔｕ  Ｖｐ／Ｖｓ比を評価する別の例示的な方法が導かれる。この方法は以下のシーケンスで表される。ａ）標準的な音波波形ログを記録してボアホール近くのＶｐ及びＶｓを決定し、フェイズド音響源アレイの隣接する要素の間の位相差を推定するためのデータを取得し、測定対象の幾何学的配置におけるおおよその収束角にビームを向ける。ｂ）制御角θの方向で集束しボアホール周囲の特定の空間において混合するようにＰ音響源及びＳＶ音響源を操作する。ｃ）ｆ１を固定したままｆ２を変動させ、ボアホール内のセンサで差分周波数ｆ１−ｆ２の受信信号の振幅を測定する。ｄ）アレイ中の各受信機の信号が最大振幅強度に達した周波数を特定する。ｅ）音響源及び受信機の幾何学的配置から角度θ及び角度φを決定する。傾斜方向においてビームを掃引し、方位角方向にビームを回転し、アッセンブリ全体を前記ボアホールの上下方向に動かし、これらの操作を繰り返すことにより、前記ボアホール周囲の３次元領域のＶｐ／Ｖｓ比を探査し、これにより前記ボアホール周囲の岩石のｉｎ  ｓｉｔｕ  Ｖｐ／Ｖｓ比の３次元画像を取得することができる。
【００３９】
上述した方法は、周波数の差分ｆ１−ｆ２をはっきり特定し、スペクトル解析を行って測定の信号対雑音比を改善できる。また、両周波数ｆ１及びｆ２が同時に比例的にチャープする場合には、得られる差分周波数信号ｆ１−ｆ２もはっきりとしたチャープ信号になる。時変符号には、第１のビーム／波、第２のビーム／波、又は第１のビーム／波及び第２のビーム／波の両方における振幅変動、周波数変動、及び／又は位相変動の単数又は複数を含む。一次周波数のうちの１つを周波数比を固定したまま周波数で掃引した場合に第３の差分波は広帯域になる。このように、得られた第３のビームｆ２−ｆ１は同じ方向を保ったまま広い周波数帯で掃引される。これにより、チャープ信号又は符号化された信号の標準的な自己相関によって信号対雑音比を改善することができる。
【００４０】
波動ベクトルｋ３＝ｋ１−ｋ２はｗｅｌｌ−ｄｅｆｉｎｅｄであるため、受信機１３５において記録された第３の波における信号と雑音を、ボアホールにおいて３成分受信機を利用してさらに区別できる。例えば、３成分受信機の信号は、ホドグラム解析等の技術により特定の指向性を有するようになる。
【００４１】
本開示の一部の態様においては、上記の工程を逆の極性（１８０度の位相差）の音響源信号を用いて繰り返し行ってその結果を合計することにより信号対雑音比を改善することができる。リターン差分周波数信号の振幅は２つの一次波の振幅の積に比例し一次音響源が反転しても極性が反転しないため、リターン差分周波数信号はコヒーレントに重ね合わされる。他方、当該システムの一次音響源によって生成される線形雑音は極性を反転させるため、重ね合わせにより相殺される。
【００４２】
ビームと波の様々な非排他的な組み合わせを用いて代替的な方法を実現できる。一例として、音響信号及び地震波信号のコンピュータ処理により画像を生成する方法は以下の工程を含む。当該方法は、第１に、非線形混合処理により生成された第３の波の信号を分離するために、記録された第３の波の周波数成分のスペクトル解析及び差分周波数信号の適当な選択規則を実行する。センサが３成分ジオフォンを含む場合には、方向技術（ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ）を用いてボアホールにぶつかる第３の波の方向を決定する。続いて、非線形媒体における非共線混合の選択規則、第１ビーム、第２ビーム及び第３の波の波数並びに２つのビーム音響源及びセンサアレイの位置に基づいて、記録された第３の波の振幅を一次混合波の周波数比の関数として分析し、第３の波の信号が発生した混合位置を決定する。続いて、各音響源・受信機の組み合わせについてチャープされた送信機信号を用いて、受信信号の相互相関により地震波形（ｓｅｉｓｍｏｇｒａｍ）を生成する。続いて、時間と距離の一方又は両方においてボアホール周囲の地盤の非線形特性の３次元画像を得るために、全データセットに対して３次元時間画像処理又は３次元深度画像処理を行う。地震波形から画像を生成する方法は公知である。例えば、Ｈｉｌｌ  ｅｔ  ａｌ．には、ビームから画像を形成する特定な場合の一般的な方法が記載されている。Ｈｉｌｌ  ｅｔ  ａｌ．は、参照により全体として本明細書に組み込まれる。
【００４３】
図７は、他の代替的な画像処理方法を例示する。図７は、狭いビーム７０５及び広いビーム７１０が相互作用する場合を示す。探索される領域のＶｐ及びＶｓの滑らかな背景モデルを仮定し、選択規則を適用することにより、狭いビームに沿った混合ゾーン７３０について受信機位置７３５において検出されるエネルギーの幾何学的写像が可能になる。このようにして、非線形特性の時間画像を狭いビームに沿って生成することができる。方位角方向に回転しアッセンブリをボアホールに沿って動かすことにより、ボアホール周辺の領域の３次元時間画像を生成することができる。異なるビーム仰角での測定の連続した繰り返し、ｆ２／ｆ１で表される周波数比αを変更することにより、一連の３次元時間画像を生成することができる。画像処理におけるこの冗長性によって、滑らかな背景モデル及び３次元空間画像をさらに改良することができる。
【００４４】
岩石の非線形パラメータは、天然ガス、石油、及び水の飽和率の変動、有効応力、岩盤割れ目密度及び鉱物含有量等の多数の重要な炭化水素貯留層パラメータに関連することが分かった。本開示の一態様において、上記の方法により生成された非線形特性の３次元画像は、記録時におけるボアホール周辺における特性の分布に関する定量的な情報を提供するように変換される。また、本方法を連続的に繰り返すことにより、貯留層を監視するために、貯留層特性の時間変化を検出することができる。
【００４５】
受信した波形の記録は、地盤の非線形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伝播時間によって、散乱波の生成場所を特定することができ、これにより、当該方法は、従来の無指向性モノポール音響源及びダイポール音響源を用いた通常の音響画像処理技術に基づく技術と区別される。
【００４６】
一例として、周波数ｆ１の一次圧縮（Ｐ）波及び周波数ｆ２の一次圧縮（Ｐ）波が非線形媒体を通過するときに、前記の選択規則が守られ、周波数ｆ１−ｆ２の第３のせん断（ＳＶ）波を生成することができる。この具体的な構成を用いることにより、ボアホールからの様々な測定距離範囲について、Ｖｐ／Ｖｓ速度比及びボアホール周辺の岩石層の非線形特性の３Ｄ画像が生成される。せん断波（すなわちＰ＋Ｐ→ＳＶ）を生成するための圧縮非線形混合の具体例は、以下の段落において、測定及び分析のための多くのコンセプト、方法、処理及びシステムを説明するために用いられる。これらは、同様にＰ＋ＳＶ→ＳＶや、第３の波を生成するための２つの音響圧縮波又は音響せん断波の任意の置換にも同様に適用される。
【００４７】
図８は、本開示の一態様に従って、非共線混合（ｎｏｎ−ｃｏｌｌｉｎｅａｒ  ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｍｉｘｉｎｇ）を用い、岩石層の非線形特性及びＶｐ／Ｖｓ速度比を遠隔マッピング（ｒｅｍｏｔｅ  ｍａｐｐｉｎｇ）するボアホールベースのシステムの構成例を示す。ボアホール８００内の送信機８０１、８０２の上方アレイ及び下方アレイからの２つの一次音響ビーム、例えば、圧縮（Ｐ）波は、当該ボアホールを囲む岩石層に向けられる。
【００４８】
送信機アレイは、音響エネルギーが任意の方位角φ１８０９及びφ２８１１及び仰角α１８１０及びα２８１２の方向に伝播するように、方向を合わせられる。好適な仰角α１、α２及び方位角φ１、φ２について、岩石層を伝播する２つの一次Ｐビームは、ボアホール８００から離れた混合ゾーン８０５において収束角θで交差する。収束角θは、２つの収束ビームの方向の間の角度として定義され、図８においては、２つの送信機８０１及び８０２を混合ゾーン８０５につなげる線で表されている。交差する点における岩石層が非線形特性を有している場合には、二次（Ｓ）せん断波ＳＶ（例えば、２つの交差する圧縮波の軸によって定義される平面において偏波したせん断波）が、非線形交差によって生成される。この二次せん断波は、散乱角ψ８０６によって表される選択規則によって定義される。この散乱角ψは、下方の送信機からの音響波の軸と、散乱波の軸との間の角度として定義される。図示された構成においては、エネルギー８０７はボアホールに戻り、受信機又は受信機８０３のアレイによって記録される。
【００４９】
上記のとおり、二次せん断波の生成に好適な条件は、エネルギー保存及び運動量保存に由来する選択規則に基づいて推論される。二次波Ｓは、以下の条件のいずれかに従わなければならない。
ｆ３＝ｆ１−ｆ２  （２）
ｋ３＝ｋ１−ｋ２  （３）
又は、
ｆ３＝ｆ１＋ｆ２  （４）
ｋ３＝ｋ１＋ｋ２  （５）
ここで、ｋ１、ｋ２及びｋ３は、波動ベクトルである。ｆ３＝ｆ１−ｆ２が成り立つ第１の周波数条件は、ボアホール近くの岩石層の特性を調査する際に特に関連する。図９に示すように、条件（２）及び条件（３）は、波動ベクトル三角形の形成によって表され、以下の関係（６）、（７）及び（８）によって満足される。
【００５０】
【数５】
2014500961.tif 000008
【００５１】
【数６】
2014500961.tif 000009
【００５２】
【数７】
2014500961.tif 000010
これらの条件は、図９ｂのベクトル図における三角法を用いることにより、式（９）及び式（１０）が成り立つときに、満たされることが示される。
【００５３】
【数８】
2014500961.tif 000011
【００５４】
【数９】
2014500961.tif 000012
多くの堆積岩においてＶｐ／Ｖｓ速度比は１．５〜３．０の範囲にあるので、図９ａに示す構成においてボアホールに戻るように伝播する二次せん断波ＳＶの生成を許容する収束角θと周波数比ｆ１／ｆ２（本明細書においてｄで表される。）との組み合わせが存在する。
【００５５】
上記のとおり、交差する非共線平面波の非線形相互作用によって生成される音響エネルギーの振る舞いは計算可能である。選択規則は、１セットの許容される相互作用を定義する。Ｐ＋Ｐ→ＳＶ相互作用は、表１における部分的な列挙に対して付加的なものである。これらの様々な相互作用は、収束波が圧縮波かせん断波か、交差位置における物質のＶｐ／Ｖｓ速度比に応じて変わり、また、合計（ｆ１＋ｆ２）周波数エネルギー及び差分（ｆ１-ｆ２）周波数エネルギーを生成する相互作用によって変化する収束角、周波数比、及び散乱角の所定の組み合わせを用いる。以下の例において示される配置は、Ｐ（ｆ１）＋Ｐ（ｆ２）→Ｖ（ｆ１-ｆ２）相互作用に基づくものであり、類似の配置が、差分周波数共鳴（ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）又は合計周波数共鳴（ｓｕｍ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）を生成する他の許容される相互作用、例えば、Ｐ（ｆ１）＋ＳＶ（ｆ２）→ＳＶ（ｆ１-ｆ２）及びＰ（ｆ１）＋ＳＶ（ｆ２）→Ｐ（ｆ１-ｆ２）について同様に示される。
【００５６】
例えば、Ｐ（ｆ１）＋Ｐ（ｆ２）→ＳＶ（ｆ１-ｆ２）を考えると、図１０ａは、混合係数Ｗを２つの音響源の周波数比の関数として表す。混合係数Ｗは、散乱波を生成する変換の効率の大きさの基準であり、式（１１）で表される。
【００５７】
【数１０】
2014500961.tif 000013
ここで、Ｄは、式（１２）に定義されているとおり、ラメ定数λ及びμに依存し、混合ゾーンのｆ２／ｆ１に比例する。
【００５８】
【数１１】
2014500961.tif 000014
式（１３）に表されているように、θは、２つの一次ビームの混合ゾーンにおける収束角であり、ｍはＬａｎｄａｕ−Ｌｉｆｓｈｉｔｚ非線形定数Ａ及びＢに関連する倍率である。
【００５９】
【数１２】
2014500961.tif 000015
したがって、ｍは、所定の混合ゾーンに関して定数である。
【００６０】
図１０ａ、１０ｂ、及び１０ｃは、ｍがその代表的な値である-３６６０ＧＰａ（Ｋｏｒｎｅｅｖ，  Ｎｉｈｅｉ  ａｎｄ  Ｍｙｅｒ  １９９８）と仮定した場合に、混合ゾーンにおいて１．５〜２．０の範囲にあるＶｐ／Ｖｓ速度比への混合係数Ｗ、収束角及び散乱角の依存度を示す。図１０ａは、混合ゾーンＶｐ／Ｖｓ比のある範囲について、混合係数の平面波周波数への依存度を示す。図１０ｂ及び１０ｃは、Ｐ＋Ｐ→ＳＶの相互作用についての選択規則に従う対応の収束角及び散乱角を示す。図１０ａから理解されるように、混合係数は、第２の周波数ｆ２の第１の周波数ｆ１に対する比が約０．７のときに、最大値をとる。また、図１０ｂから、第２の周波数ｆ２の第１の周波数ｆ１に対する比が約０．７のときに、収束角が約３０度と約４０度の間の範囲にあることが分かる。さらに、第２の周波数ｆ２の第１の周波数ｆ１に対する比が約０．７のときに、第１の波の方向に対する帰還波（ｒｅｔｕｒｎｉｎｇ  ｗａｖｅ）の散乱角は約４０度になる。
【００６１】
図１１ａから図１１ｃは、ボアホールに帰還する散乱波を生成する非線形媒体における音響ビームの非共線相互作用の数値シミュレーションの結果の例を示す。図１１ａ〜図１１ｃにおいて、ボアホール１１００は、下方送信機１１０１、上方送信機１１０２、及び受信器アレイ１１０３を備える。下方送信機１１０１及び上方送信機１１０２によって生成される圧縮ビームの形態における音響エネルギーは、ボアホールから離れた位置で、収束角１１０４で収束する。受信器アレイ１１０３は、上述し、また、以下でも繰り返し説明するように、選択規則によって定義される散乱角１１０６の音響ビームの相互作用によって生成される散乱波１１０７を受信するように配置される。図１１ａ、１１ｂ、及び１１ｃでは、ボアホールに沿う方向のメートル単位の距離が、ボアホールから離れる方向の半径方向のメートル単位の距離に対して示されている。図１１ａ及び１１ｂには、２つの音響波源によって生成された２つのビームの圧縮音響エネルギーに関連する体積ひずみが示されている。図１１ｃには、散乱せん断波１１０７に関連するせん断ひずみが示されている。
【００６２】
以下の段落では、測定された散乱音響波を高めて抽出するために用いられるコード化スキームが説明される。この散乱音響波は、ボアホール周囲の岩石層内の混合ゾーンにおける一次音響信号の非線形混合によって生じる。ボアホールから離れた岩石層内の非線形音響現象によって生成される散乱音響波の測定は、コード化一次音響信号をブロードキャストし、非線形相互作用によって生じる信号を記録し、その後非線形信号の予測特性に基づいて波形認識法及び／又はバンドパスフィルタ法を用いることによって高められる。１つの非限定的な例は、選択規則に従って、記録信号を、ブロードキャストパラメータ（ｂｒｏａｄｃａｓｔ  ｐａｒａｍｅｔｅｒ）に由来するタイミングの予測及び周波数成分を表すテンプレートと相関処理することである。相関処理の結果は、ボアホールを通過して伝播した音響パルスを表す。例えば、Ｐ＋Ｐ→ＳＶの場合には、当該非線形相互作用から生じる帰還エネルギー（ｒｅｔｕｒｎｉｎｇ  ｅｎｅｒｇｙ）は、ボアホールに沿って、当該層のせん断波速度をその伝搬方向とボアホール軸とが為す角度の余弦で割ったものと等しい速度で伝播するように見える。図８に図示されたようなシステムに適用される場合に、コーディング及び相関処理方法は、弱い非線形信号の検出を改善し、測定によって探査される領域における非線形特性及びＶｐ／Ｖｓ速度比の３Ｄ画像の構築を改善する。
【００６３】
非線形媒体における非線形音響混合により生成される信号を改善するコーディング及び信号相関処理を利用する非限定的な実施態様が以下の段落において説明される。コード体系のより一般的な実施態様の詳細な説明は、本出願と同時に出願された、「Ｓｙｓｔｅｍ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ  Ｍｉｃｒｏ−Ｓｅｉｓｍｉｃ  Ｅｖｅｎｔｓ  ａｎｄ  Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｉｎｇ  Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  ａ  Ｍｅｄｉｕｍ  Ｗｉｔｈ  Ｎｏｎ−Ｌｉｎｅａｒ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ」（アトーニードケット番号０９１２３０−０３９７０４６）と題する米国特許出願に記載されている。この米国特許出願の内容は参照により全体として本明細書に組み込まれる。図１２ａ〜１２ｄを参照して、音響源１２０１は、時刻ｔ＝０においてＮ個の音響パルスから成る第１のコード化時間列（ｔｉｍｅ  ｔｒａｉｎ）ｕ１（ｔ）又は変調時間列ｕ１（ｔ）のブロードキャストを開始する。ｎ番目の音響パルスは、周波数ｆｎ及び限定された時間間隔における振幅包絡線Ｅ１ｎ（ｔ−Ｔｎ）を有する。ここで、ｎ＝１，２・・・Ｎであり、Ｔｎはｎ番目のパルスのブロードキャスト時間である。連続するパルス間の時間間隔は可変である。一部の実施形態において、連続するパルス間の時間間隔は、個別のパルスの持続時間よりもはるかに長く、パルスは重複しない。第２のコード化時間列（ｔｉｍｅ  ｔｒａｉｎ）ｕ１（ｔ）又は変調時間列ｕ１（ｔ）は音響源１２０２からブロードキャストされる。この第２のコード化時間列又は変調時間列は、時刻ｔ＝δにおてＮ個の連続音響パルスのシーケンスから成る。ここで、δは、第１のコード化列の開始時間と第２のコード化列の開始時間との間の開始時間差である。一部の実施形態において、開始時間差は、第１のコード化列と第２のコード化列との間の時間遅延と理解される。第１のコード化列のブロードキャストは、第２のコード化列に比べて遅延していてもよく、その逆であってもよい。本明細書においては、δを「遅延時間」と称することが多い。しかしながら、第２のパルス例が最初に開始することもあるので、δは、「時間差」を意味するものとして広い意味に解釈されるべきである。ｎ番目の音響パルスは、ｄ＊ｆｎの周波数及び限定された時間間隔における振幅包絡線Ｅ２ｎ（ｔ−（Ｔｎ＋δ）振幅包絡線Ｅ１ｎ（ｔ−Ｔｎ）を有する。ここで、ｎ＝１，２・・・Ｎである。２つの列の対応するパルス間の周波数比はｄに固定されている。Ｔｎ＋δは、ｎ番目のパルスのブロードキャスト時間である。第１のコード化信号列及び第２のコード化信号列の振幅包絡線Ｅ１及びＥ２は、異なるものであってもよいし、同じものであってもよい。時間コード化信号の例が図１２ｂ〜１２ｃに示されている。これらのコード化信号は、数学的に、以下の式（１４）及び式（１５）で表される。本明細書において、記号「＊」は、乗算演算子として用いられる。
【００６４】
【数１３】
2014500961.tif 000016
【００６５】
【数１４】
2014500961.tif 000017
ここで、ζｎは各パルスｎの位相であり、ｅｘｐ（ｉζｎ）は各パルスｎの位相期間である。
【００６６】
それぞれの信号包絡線Ｅ１ｎ（ｔ−Ｔｎ）及びＥ２ｎ（ｔ−（Ｔｎ＋ｄ））は、ガウス包絡線等の任意の形状又は形態を取り得る。同様に、包絡線内の変調信号は式（１４）及び式（１５）で表されるが、他の数式で表されても良い。時間遅延δが送信機１２０１及び１２０２から混合ゾーン１２０４までの伝播時間の差分に等しい場合には、２つのブロードキャスト列の対応するパルスｎの音響エネルギーは、混合ゾーンに同時に到着し、収束角、周波数比及びＶｐ／Ｖｓ比が調和規則の基準に合致すると、（１-ｄ）＊ｆｎの卓越周波数を有する第３の散乱音響パルスの例を生成する。この卓越周波数は、２つの一次パルスの周波数、ｆｎと（１-ｄ）＊ｆｎとの差に等しい。ｕ３で表される第３の波は、受信機で記録され、２つの一次信号のコーディングを引き継ぐ。したがって、第３の波は、式（１６）で表される。
【００６７】
【数１５】
2014500961.tif 000018
ここで、ζｎは、第３の波の各パルスｎの位相であり、ｅｘｐ（ｉζｎ）は、第３の波の各パルスｎの位相期間である。
【００６８】
Ｅ３ｎ（ｔ）は、一次パルスの混合により得られる振幅包絡線であり、Ｔは、以下でさらに詳しく説明するように、音響源１から混合ゾーンの中心を通って受信機に至る伝播時間の合計である。
【００６９】
一実施形態において、信号の改善は、地震処理（ｓｅｉｓｍｉｃ  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）の分野においてよく知られている、測定信号ｕ３の非線形相互作用及び伝播時間情報の関連部分を抽出する相関技術を用いることによって実現できる。この技術には、式（１７）で表されるコード化信号を有するテンプレート信号ｕｓの構築が含まれる。
【００７０】
【数１６】
2014500961.tif 000019
ここで、ζｎは、テンプレート信号の各パルスｎの位相であり、ｅｘｐ（ｉζｎ）は、テンプレート信号の各パルスｎの位相期間である。
【００７１】
Ｗｎは、好適に選択された包絡線関数であり、ｇ（ｆｎ）は、周波数ｆｎの好適に選択された関数である。関数ｇ（ｆｎ）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。例えば、ｇ（ｆｎ）は、（１-ｄ）＊ｆｎとなるように選択される。このとき、図１２に示されるようにｕ３が以下の式と等しくなる。
【００７２】
【数１７】
2014500961.tif 000020
しかしながら、他の関数ｇ（ｆｎ）も本発明の範囲内である。
【００７３】
ｕ３において非線形相互作用から信号を抽出するために、ｕ３とｕｓとの相互相関処理が実行され、相関処理された信号Ｍが得られる。ここで、Ｍは、数学的に式（１８）で定義される。
【００７４】
【数１８】
2014500961.tif 000021
相関処理された信号Ｍは、（１−ｄ）＊ｆｎの全周波数を含むバンド幅を有する鋭い帯域制限スパイク（ｂａｎｄ−ｌｉｍｉｔｅｄ  ｓｐｉｋｅ）である。パルス数Ｎが大きい場合には、ｎ＝１，２，…，Ｎである。「帯域制限」スパイク（ｂａｎｄ−ｌｉｍｉｔｅｄ  ｓｐｉｋｅ）という語は、本明細書において、制限された周波数帯域幅を有するスパイク信号を意味する。一実施形態において、パルス数Ｎを増加させてブロードキャストの持続時間を増加させることにより、線形相互作用により生成された信号やそれ以外の雑音を抑圧しつつ、相関処理された信号Ｍ中の非線形相互作用により生成される信号を改善することができる。コード化信号パターンを用いる相関技術は、非線形相互作用により生成された信号を抽出し改善するための多くの方法の１つであることに留意されたい。パターン認識や周波数バンドフィルタリング等の代替的な信号処理技術も、信号の抽出や改善のために同様に用いられる。
【００７５】
相関処理された計測信号Ｍ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時間遅延δが、第１の音響源１２０１から混合ゾーン１２０４までの伝播時間ｔ１と第２の音響源１２０２から混合ゾーン１２０４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、混合ゾーンにおける非線形相互作用に対応する鋭い帯域制限スパイクを含む。この条件が合致しない場合には、相関処理された信号は、非常に抑圧される。第２に、条件δ＝Ｔ１−Ｔ２が満たされる場合には、一次音響源から混合ゾーンまでの伝播時間と混合ゾーン１２０４から受信器アレイ１２０３内の受信器１２０３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Ｍ（ｔ）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、ブロードキャスト列におけるパルス数Ｎの増大は、雑音からの信号の識別性を向上させる。これは、雑音がテンプレート信号Ｕｓの形状を有しないからである。
【００７６】
下方送信機１２０１及び情報送信機１２０２が、ガウス包絡線を有する連続的な音響パルスから成る２つのコード化信号列を放射する場合の数値シミュレーション結果を図１３ａ〜図１３ｄに示す。この非限定的な例において、１２パルスのコード化信号は、（５７４Ｈｚ，３７３Ｈｚ）（６２４Ｈｚ，１６，２２４）（７００Ｈｚ，４５５Ｈｚ）（７５７Ｈｚ，４９２Ｈｚ）（８０２Ｈｚ，５２１．３Ｈｚ）（８７０．５Ｈｚ，５６６Ｈｚ）（９４７Ｈｚ，６１５．５Ｈｚ）（１０００Ｈｚ，６５０Ｈｚ）（１１２０Ｈｚ，７２８Ｈｚ）（１２１８Ｈｚ，７９２Ｈｚ）（１３２４Ｈｚ，８６１Ｈｚ）（１４４０Ｈｚ，９３６Ｈｚ）という組み合わせの周波数で用いられる。この組み合わせにおける周波数比ｆ２／ｆ１は、定数０．６５である。２つの信号の間の開始時間遅延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。図１３ｂには、非限定的な受信機アレイ１２０３において１〜１１０の番号がつけられた１１０個の受信機のうちの６つの受信機において受信され記録された２つの連続的なパルスのブロードキャストに基づく非線形相互作用に起因するシミュレーション信号が示されている。図１３ｃには、帰還コード化信号に対するテンプレートｕｓが示される。テンプレート信号と各受信機おける記録信号との相関処理の結果が図１３ｄに示される。図１３ｄに示されている各受信機における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。この鋭いスパイクは、時間Ｔ＝ｔ１＋ｔ３において発生する。ここで、ｔ１は、音響源１から混合ゾーンの中心までの伝播時間であり、ｔ３は、混合ゾーンの中心から受信機までの伝播時間である。この受信機アレイ間での時間遅延又は「反射伝播時間差（ｍｏｖｅ−ｏｕｔ）」は、音響エネルギーが、帰還波とボアホール軸との間の角度の余弦によって除されたせん断波速度に等しい見かけの速度で、ボアホールに沿って伝播したかのように見える。
【００７７】
図１３ａ〜１３ｄに示されている数値シミュレーションは、図１２ａ〜１２ｄ又は図８における測定系に関して用いられる場合におえるコード体系の力と有用性をはっきりと示している。混合領域１２０４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１２０１から混合領域１２０４への伝播時間及び受信器１２０３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１２０４における非線形相互作用の散乱角度Ψ１２０６と従属関係にある。散乱角度Ψは、混合領域ＭＺにおける岩石の特性、例えば、Ｖｐ／Ｖｓ速度比と従属関係にある。この結果は、コード体系及び図１２ａ〜１２ｄ又は図８に示されている測定系の特性である点に留意されたい。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。フィールド応用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。
本開示の一部の態様において、一次音響信号におけるコード化音響ビームは、ボアホールに戻ってく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１４ａ〜１４ｄ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１２ａ〜１２ｄ及び図１３ａ〜１３ｄに示される構成と同一である。図１４ｂは、ノイズを含み、受信器アレイ１４０３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１４ｄは、図１４ｃ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。この符号化体系は、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。
【００７８】
以上により、ブロードキャストコーディングと信号処理の組み合わせを用いることにより、いかにして、検知を改善し、非線形媒体における非線形混合によって生成される音響波信号の振幅を決定し、また、混合ゾーンの非線形性及びＶｐ／Ｖｓ比を推測するために音響源から混合ゾーンを通って受信機アレイに至る伝播時間を決定するかを説明した。以下の段落においては、ボアホールベースの測定系（ｂｏｒｅｈｏｌｅ  ｂａｓｅｄ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｓｙｓｔｅｍ）の文脈におけるコーディング方法及び信号処理方法を説明する。
【００７９】
ボアホール周辺の地層に関する初期の圧縮速度及びせん断速度モデルにおいては、レイトレーシング（ｒａｙ  ｔｒａｃｉｎｇ）等の技術が、選択された傾角及び方位角（α１、α２、φ１、及びφ２、８０９〜８１２）並びに収束角及び散乱角（θ及びψ、８０４及び８０６）に対応する図８における混合ゾーンの位置を推定するために用いられる。この情報は、送信機からの２つのパルスが混合ゾーンに同時に到達して非線形相互作用によって受信機に他到達する散乱パルス列を生成するために必要な時間遅延δＰ及び周波数比ｄＰを推定し、第１の音響源から混合ゾーンを通って受信機に至るまでの合計伝播時間ＴＰを推測するために用いられる。その推定値の周辺において体系的にδ及びｄを走査し、テンプレートｕｓ（ｔ）を記録信号ｕ３（ｔ）と相関処理することにより、アレイ８０３の各受信機要素について、一連のＭ（ｔ，δ，ｄ）が得られる。上述のとおり、各受信機要素について相関処理された信号Ｍ（ｔ，δ，ｄ）は、選択条件により非線形相互作用が許容される場合には、混合ゾーン８０５における非線形相互作用に対応する帯域制限スパイクを有する。Ｍ（ｔ，δ，ｄ）の空間（ｔ，δ，ｄ）において、混合ゾーン８０５における非線形相互作用に対応する帯域制限スパイクの位置（ＴＮＬ，δＮＬ，ｄＮＬ）を特定するための調査がなされる。（ＴＮＬ，δＮＬ，ｄＮＬ）は、（ＴＰ，δＰ，ｄＰ）の近傍にある。（ＴＮＬ，δＮＬ，ｄＮＬ）と（ＴＰ，δＰ，ｄＰ）との間の差分は、岩石層の実際の伝播特性からの、伝播速度モデルの偏差を示す。これらの差は、速度トモグラフィー反転（ｖｅｌｏｃｉｔｙ  ｔｏｍｏｇｒａｐｈｉｃ  ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ）やそれ以外の速度更新方法により伝播速度モデルを更新するために用いられる。式９及び図１０における周波数比ｄ、Ｖｐ／Ｖｓ比、収束角及び散乱角の関係を前提として、混合ゾーンにおける岩石層のＶｐ／Ｖｓ比が、混合ゾーンにおける観測されたｄＮＬ、収束角及び散乱角に基づいて計算される。後ろの２つの量は、更新された伝播速度モデルに基づくレイトレーシング又はそれ以外の数値的方法により計算できる。振幅値Ｍ（ＴＮＬ、δＮＬ、ｄＮＬ）は、混合ゾーン８０５における岩石層の非線形混合強度に関する情報を含む。この情報は、以下で説明するように、岩石層の非線形特性の３Ｄ画像化のために用いられる。
【００８０】
特定の混合ゾーンに関連するパラメータの組み合わせ、すなわち、Ｍ（ＴＮＬ、δＮＬ、ｄＮＬ）、ＴＮＬ、δＮＬ、及びｄＮＬを特定するためのテンプレート信号との相関処理による非線形音響混合信号の処理能力は、以後、Ｖｐ／Ｖｓ比、伝播モデルＶｐ、Ｖｓの決定のために用いられるが、コーディング及び相関処理プロトコルの直接の結果である。この固有の特性が以下の画像化体系を支持する。
【００８１】
以下の段落における説明は、ボアホール周囲の岩石層のＶｐ／Ｖｓ比及び非線形特性の３Ｄ画像を生成するためのコード化音響信号の非限定的な使用例に着目するものである。しかしながら、コード化音響信号は、地質学や石油物理学だけにとどまらない幅広い用途を有しており、例えば、非破壊検査や医療上の画像化などの分野で利用される。
【００８２】
非限定的な例として、図８のシステムに関して信号対雑音比を改善するための測定及びデータ処理プロトコルを、以下の段落で説明する。
【００８３】
簡素化のために、処理プロトコルは、非減衰性岩石層（ｎｏｎ−ａｔｔｅｎｕａｔｉｖｅ  ｒｏｃｋ  ｆｏｒｍａｔｉｏｎ）を前提として説明する。しかしながら、以下の測定及びデータ処理プロトコルは、減衰性岩石層にも同様に当てはまる。岩石層の減衰効果は、フォーメーションＱ（ｆｏｒｍａｔｉｏｎ  Ｑ）に関連する予測値によって、散乱波の源（ｏｒｉｇｉｎ）を変位させることである。
【００８４】
第１に、上述したように、２つのコード化信号の周波数比ｄについて、図８の測定系の第１の音響エネルギー源８０１及び第２の音響エネルギー源８０２からの一次音響ビーム信号は、地盤に送信される。時間遅延δは、２つのコード化信号源８０１及び信号源８０２との間で維持される。測定の配置は、選択規則を満たし、時間遅延は、２つの信号源からのエネルギーが混合ゾーンに同時に到達するようなものである。一実施形態において、位置ｚ３における受信機８０３での３成分ジオフォンの各々の成分は、帰還音響波を検出し記録する。測定値は、ｍ（ｔ，δ，ｄ，ｚ３）で表される。代替的又は追加的に、帰還音響波における圧力信号を検出するためにハイドロフォンを備えることもできる。
【００８５】
第２に、コード化一次信号は、上記のように、第１及び第２の音響エネルギー源から送信されるが、極性は反転、すなわち、位相は１８０度シフトしている。受信機８０３で記録される信号は、ｍ_（ｔ，δ，ｄ，ｚ３）と表される。
【００８６】
第３に、２つの信号ｍ（ｔ，δ，ｄ，ｚ３）及びｍ_（ｔ，δ，ｄ，ｚ３）は、加算されて、結合信号を形成する。この結合信号は、ｍｍ（ｔ，δ，ｄ，ｚ３）と表される。信号ｍ（ｔ，δ，ｄ，ｚ３）と信号ｍ_（ｔ，δ，ｄ，ｚ３）とは異なる極性を有するので、岩石層からの線形相互作用による信号は、ｍ（ｔ，δ，ｄ，ｚ３）とｍ_（ｔ，δ，ｄ，ｚ３）とを重ね合わせることにより相殺される。しかしながら、非線形応答の振幅は２つの一次信号の振幅の積に比例し両一次信号の極性が反転されても反転しないため、各々の非線形応答はコヒーレントに重ね合わされる。したがって、ｍｍ（ｔ，δ，ｄ，ｚ３）は、岩石層の非線形相互作用による信号を本質的に含む。
【００８７】
第４に、信号の期待バンドの周辺に狭帯域を維持するために、時変バンドパスフィルタが得られた信号ｍｍ（ｔ，δ，ｄ，ｚ３）に適用される。得られた信号の帯域幅は、２つの一次ブロードキャスト信号の周波数の差及び帯域幅に基づいて決定される。
【００８８】
第５に、フィルタ処理された信号ｍｍ（ｔ，δ，ｄ，ｚ３）のテンプレートコード化信号との相互相関処理が上述したようにして実行され、ｍｍｃ（ｔ，δ，ｄ，ｚ３）で表されるパルス信号が得られる。
【００８９】
第６に、ホドグラム分析が、受信機の３つの一軸センサから得られた３成分データ、及び／又は、ハイドロフォンによって検出された圧力信号に適用されてもよい。これらのデータは、Ｐ、ＳＨ及びＳＶの可能性のある任意のモデルを分析するために用いることができ、また、ｍｍｃｒ（ｔ，δ，ｄ，ｚ３）で表される任意のＰ波、ＳＨ波及びＳＶ波の到達の別個の測定結果を得るために変換され得る。
【００９０】
第７に、異なるブロードキャストコード化信号を用いて上記の６つの工程が複数回繰り返されても良く、ｍｍｃｒ（ｔ，δ，ｄ，ｚ３）信号が集められて信号対雑音比を改善するために蓄積される。得られた蓄積信号は、ＳＶ波、ＳＨ波及びＰ波の各々の到達についての信号記録Ｍ（ｔ，δ，ｄ，ｚ３）である。例えば、Ｐ＋Ｐ→ＳＶモードにおいては、ＳＶモードが受信機によって検出されるが、Ｐ＋ＳＶ→Ｐモードにおいては受信機において検出される信号はＰモードである。
【００９１】
第８に、多くのδ及びｄの値を掃引し、Ｍ（ｔ，δ，ｄ，ｚ３）の全セットを得るために、上記の７つの工程を繰り返してもよい。説明した測定及び処理プロトコルによって、受信機において高い信号対雑音比を有する測定信号Ｍ（ｔ，δ，ｄ，ｚ３）の構成が可能となる。
【００９２】
測定結果Ｍ（ｔ，δ，ｄ，ｚ３）は、多くの送信機位置ｚ１、ｚ２及び多くの受信機アレイ位置において繰り返されても良い。また、受信機を独立に移動させても良い。音響源８０１及び８０２からの一次音響ビームは、任意の方位角φ１、φ２及び仰角α１、α２について、独立に操縦されるので、測定結果Ｍ（ｔ，δ，ｄ，ｚ３）は多くの角度φ１、φ２、α１、及びα２について繰り返されてもよい。これらの繰り返しの複数回の測定結果は、多くの値ｚ１，ｚ２，ｚ３，φ１，φ２，α１及びα２について、地層中での非線形相互作用によって生成される複数の冗長信号を含むことができる。この冗長性によって、コンピュータにおける信号処理及びボアホール周辺の岩石特性の３Ｄ画像の生成に関して追加的な信号対雑音比の向上が可能となる。
【００９３】
上記の測定及び処理プロトコルに関する工程は、当然、様々な順序で並び替えたり省略することが可能である。また、上記以外にも、地震信号処理の技術分野において経験を有する者にとって一般的な信号処理技術が数多く存在する。例えば、多次元フィルタリング法（ｍｕｌｔｉ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ）、反射伝播時間差分析及びスタッキング法（ｔｉｍｅ  ｍｏｖｅｏｕｔ  ａｎａｌｙｓｉｓ  ａｎｄ  ｓｔａｃｋｉｎｇ）などである。これらの追加的な技術は、記録されたデータや処理された画像の質を改善するために、上述した測定及びデータ処理プロトコルに追加することができる。非線形相互作用に基づいて相関処理された信号Ｍ（ｔ，δ，ｄ，ｚ３）は、符号化方法や選択規則に基づく多くの特性を有する。
以下において、非線形特性の３Ｄ画像の構築や各領域のＶｐ／Ｖｓ比を利用し、ＶｐやＶｓ等の他の岩石特性を決定する画像化方法やワークフローを説明する。このワークフローの非限定的な例を以下に説明する。
【００９４】
図８に説明されている測定系及び図１２ａ〜１２ｄに示されている伝播時間の表記、及び上記の説明を参照して、１つの特定の送信機位置及びビーム角度（ｚ１，ｚ２，φ１１，φ２，α１及びα２）について受信機位置ｚ３で測定及び処理された後の相関処理された信号記録Ｍ（ｔ，δ，ｄ，ｚ３）は、以下の条件が満たされたときに、伝播時間Ｔ＝ｔ１＋ｔ３において帯域制限スパイクを含む。
送信されたビームが混合ゾーン８０５において交差し非線形に相互作用する。
時間差δは、伝播時間差ｔ１−ｔ２に等しい。
選択規則が満たされる。すなわち、符号化体系において用いられる周波数比ｄは式（１９）の条件を満たす。
【００９５】
【数１９】
2014500961.tif 000022
ここで、Ｖｐ／Ｖｓは、圧縮ゾーン８０５における圧縮速度対せん断速度比であり、θは、第１の送信ビームと第２の送信ビームとの間の収束角である。Ｖｐ／Ｖｓ比及び収束角θは、ビームの幾何学的配置、位置、ビームの方向パラメータ（ｚ１，ｚ２，ｚ３，φ１，φ２，α１及びα２）、及び探査される岩石領域の圧縮速度Ｖｐ及びせん断速度Ｖｓのモデルに基づくレイトレーシングによって計算できる。
【００９６】
上記の条件は、混合ゾーン８０５における非線形相互作用が記録Ｍ（ｔ，δ，ｄ，ｚ３）に対して、受信機８０３の各位置ｚ３について、（ｔ，δ，ｄ）空間における単一点での帯域制限スパイクとして寄与することを決定する。記録Ｍ（ｔ，δ，ｄ，ｚ３）における観測された帯域制限スパイク信号の位置は、（ＴＮＬ、δＮＬ、ｄＮＬ、ｚ３）として示される。この帯域制限スパイクの振幅は、混合ゾーン８０５における非線形相互作用の強度βの関数である。
【００９７】
地震探査分野において一般的に用いられている合成処理（例えばスタッキング処理）及びボアホール音響波形分析は、信号記録Ｍ（ｔ，δ，ｄ，ｚ３）において実行される。信号記録Ｍ（ｔ，δ，ｄ，ｚ３）における帯域制限スパイクの漸進的な時間遅延又は「ムーブアウト（ｍｏｖｅｏｕｔ）」は、ｚ３の関数として分析される。例えば、スタッキング処理において、信号記録はスタックされ、選択された基準位置ｚ３ｒに対応するスタックされた記録Ｍｓ（ｔ，δ，ｄ，ｚ３ｒ）が得られる。基準位置は、当該複数の信号記録Ｍ（ｔ，δ，ｄ，ｚ３ｒ）が適切にスタックされるように選択される。このスタッキング処理は、雑音対信号比を向上させ、記録Ｍｓ（ｔ，δ，ｄ，ｚ３ｒ）での非線形相互作用から生じる帯域制限スパイクの位置（ＴＮＬ，δＮＬ，ｄＮＬ，ｚ３ｒ）の検出能を改善する。本明細書においてはスタッキング処理を説明しているが、他の合成技術も用いることができる。
【００９８】
所定の初期Ｖｐ及びＶｓ速度モデルは、ボアホール採掘検層及びボアホールから離れた位置の岩石層特性の水平方向の連続性に関する仮定、仰角α１及び方位角音φ１を有する位置ｚ１における送信機８０１からの音響ビーム及び仰角α２及び方位角φ２を有する位置ｚ２における送信機８０１からの音響ビームの軌跡及び伝播時間は、レイトレーシングやそれ以外の数学モデリング技術によって計算される。
【００９９】
したがって、混合ゾーン８０５の位置は、ビームが交差すれば、レイトレーシング又は他の音響数値モデリング技術（ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  ｍｏｄｅｌｉｎｇ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）によって、パラメータｚ１，ｚ２，ｚ３ｒ，φ１，φ２，α１及びα２に基づいて特定される。送信機位置８０１、８０２、基準受信機ｚ３ｒ及び混合ゾーン８０５の間の予測伝播時間ｔ１ｐ、ｔ２ｐ及びｔ３ｐは、レイトレーシングやその他の音響数値モデリング技術を用いて、位置や速度に基づいて計算され得る。
予測パルス到達時間Ｔｐ＝ｔ１ｐ＋ｔ３ｐ及び時間差δｐ＝ｔ１ｐ−ｔ２ｐは、圧縮速度Ｖｐ及びせん断速度Ｖｓモデルに基づいて予測され、次に、実際の記録Ｍｓ（ｔ，δ，ｄ，ｚ３ｒ）で観測された帯域制限スパイクの到着時間ＴＮＬ及び時間差δＮＬと比較される。Ｖｐ及びＶｓ速度モデルが岩石層の実際のＶｐ及びＶｓを正しく近似することができれば、予測時間（Ｔｐ、δｐ）は、観測される時間（ＴＮＬ，δＮＬ）に等しくなる。予測時間と観測時間との間に差があれば、この差は、伝播Ｖｐ及びＶｓ速度モデルを更新し、その差を最小化してモデル化データと観測データとの整合性を実現するために用いられる。伝播Ｖｐ及びＶｓモデル（ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ  Ｖｐ  ａｎｄ  Ｖｓ  ｍｏｄｅｌ）を更新するために、地震処理における画像化の技術分野において経験を有する者によく知られた様々な反復速度トモグラフィー反転（ｉｔｅｒａｔｉｖｅ  ｖｅｌｏｃｉｔｙ  ｔｏｍｏｇｒａｐｈｉｃ  ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ）法を用いることができる。
【０１００】
上記のトモグラフィー速度反転（ｔｏｍｏｇｒａｐｈｉｃ  ｖｅｌｏｃｉｔｙ  ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ）工程で得られるＶｐ及びＶｓの伝播モデルを前提として、仰角α１及び方位角φ１を有する位置ｚ１の送信機８０１及び仰角α２及び方位角φ２を有する位置ｚ２の送信機８０２からの音響ビームの軌道は、レイトレーシングやそれ以外の数値モデル技術によって計算可能である。の方位角φ１について、位置及び収束角θがレイトレーシングやその他の数値モデル技術によって、パラメータｚ１、ｚ２、ｚ３ｒ、φ１、φ２、α１、及びα２に基づいて計算される混合ゾーン８０５において音響源が交差する方位角φ２が存在する。その後、記録Ｍｓ（ｔ、δ、ｄ、ｚ３ｒ）におけるポイント（ＴＮＬ、δＮＬ、ｄＮＬ）のパルスの振幅は、混合ゾーン８０５の空間座標にマッピングされる。ｄＮＬは、式（１９）に従わなければならないので，混合ゾーン８０５におけるＶｐ／Ｖｓ速度比は、式（１９）に基づいて計算され、その空間位置にマッピングされる。パラメータｚ１、ｚ２、ｚ３、φ１、φ２、α１及びα２の値の範囲について、上記のマッピング工程を繰り返すことにより、非線形相互作用の強さβ及び速度比Ｖｐ／Ｖｓの３Ｄ画像が構築される。選択規則を用いて上記のマッピング法から得られるＶｐ／Ｖｓ速度比は、伝播時間のトモグラフィー反転から得られる伝播速度Ｖｐ及びＶｓの比を用いる方法の代替的な方法である。
【０１０１】
上述した幾何学的マッピング工程は、パラメータｚ１、ｚ２、φ１、φ２、α１、及びα２の多くの値についての信号記録Ｍ（ｔ，δ，ｄ，ｚ３）に基づく非線形特性やＶｐ／Ｖｓ速度比の３Ｄ画像化のために用いられてもよい。地震探査の分野で用いられている上記以外の高度な画像化技術、例えば、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は、非線形特性やＶｐ／Ｖｓ速度比の３Ｄ画像化のために適応される。例えば、圧縮速度Ｖｐの伝播の３次元画像、せん断速度Ｖｓの伝播の３次元画像、圧縮速度対せん断速度比Ｖｐ／Ｖｓの３次元画像、又は岩石層の非線形特性の３次元画像、又はこれらの２つ以上の任意の組み合わせが、キルヒホッフ画像処理、ビーム画像処理、又は波動方程式画像処理を用いて実行される。また、一実施形態において、伝播圧縮速度もしくはせん断速度の値又はこれらの両方は、トモグラフィー速度反転法もしくは全波形逆解析手法（ｆｕｌｌ  ｗａｖｅ  ｆｏｒｍ  ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ）、又は、トモグラフィー速度反転法もしくは全波形逆解析手法と組み合わせた反復画像法（ｉｔｅｒａｔｉｖｅ  ｉｍａｇｉｎｇ）により、決定されてもよい。
【０１０２】
当然、パラメータの値の決定は、パラメータの画像化とは異なる。確かに、パラメータの画像は、パラメータの相対値を含むのみで、必ずしもパラメータの絶対値に関する情報を提供しない。したがって、速度比Ｖｐ／Ｖｓの画像を得ることは、速度比Ｖｐ／Ｖｓの値を決定することとは異なる。速度比の画像から速度比の値を決定するためには、追加的な情報が必要となる。
【０１０３】
ボアホールから岩石層のさらに内部における非線形特性や圧縮速度対せん断速度比を調査するためには、５００Ｈｚから１０ｋＨｚのオーダーの低周波数の音響源が必要となることがある。これは、低周波数の音響エネルギーは、検出不能なレベルまで減衰する前に岩石層のさらに内部に侵入することができるためである。５００Ｈｚから１０ｋＨｚの低周波数音響エネルギーは、ボアホールの直径よりもはるかに大きな波長を有する。これらの状況において、ボアホール内に配置された音響源からの音響波ブロードキャストの方位角方向を制御することは難しい。ボアホールから放射される音響エネルギーの２つの一次ビームを有する図８に示した構成は、ボアホールから数百フィートよりも離れた位置における非線形特性の調査や画像化には適していない可能性がある。よって、ボアホールから離れる調査距離を最大化するためには、上記とは異なる低周波数（５００Ｈｚから１０ｋＨｚ）のシステム及び方法が必要とされる。以下では、低周波数の音響源を用いて、非線形特性やＶｐ／Ｖｓ速度比の３次元画像を生成するシステム及び方法の非限定的な例を説明する。以下の説明では、５００Ｈｚから１０ｋＨｚの周波数範囲に言及されるが、説明されるシステム及び方法は、より高周波数範囲、例えば、１０ｋＨｚから５００ｋＨｚの範囲にも適用可能であり有益である。
【０１０４】
図１５は、ボアホール周辺の岩石領域における非線形混合を検出するためにボアホール内に配置された２つの送信機及び受信機又は受信機アレイを有するシステムを示す。一実施形態において、上方の送信機１５０２は、ボアホールに固定され又はその固定が外される送信機の線形アレイを含む。下方の送信機１５０１は、同様にボアホールに固定され又はその固定が外される送信機の線形アレイを含む。受信機アレイ１５０８は、固定された３成分受信機又は固定された３成分受信機アレイを備える。この送信機及び受信機は、共に又は別個に動くことができる。一実施形態において、送信機１５０１及び１５０２のアレイ要素は、例えば位相制御を用いて、音響エネルギーを、送信機１５０１及び１５０２と同一直線上にある軸を有する２つの円錐（下方の音響円錐１５０４は送信機１５０２によって生成され、上方の音響円錐１５０５は送信機１５０２によって生成される）にブロードキャストするように構成される。位相制御された系においては、円錐角は、送信機要素間の位相差と岩石層速度に依存する。音響エネルギーの２つの円錐ブロードキャストの交差は、トロイダル形状の領域１５０６である。選択規則が満たされる場合には、散乱エネルギー１５０７は、交差領域中心１５０６の周囲における非線形相互作用により生成される。非線形相互作用から生じる散乱エネルギーは、受信機又は受信機１５０８のアレイにおいて記録される。
【０１０５】
送信機１５０１及び１５０２の円錐ブロードキャストの垂直方向の位置及び仰角は制御可能なので、トロイダル交差領域１５０６の空間位置（ボアホールからの位置及び垂直方向の位置）は調整可能であり、ボアホール１５００の周囲の３次元岩石領域について走査可能である。２つの円錐の収束角及び２つの音響源の周波数比が選択規則を満たす限り、混合ゾーン１５０６における非線形混合による散乱信号は、２つの円錐の交差位置における地層の非線形特性に関する情報を含む。３成分ジオフォン１５０８のアレイによって記録されるデータは、その波源に対する方位角及び仰角を決定するために分析される。上述した信号の符号化方法及び測定及び処理プロトコルは、図１５ａの系にも適用できる。後者の系及び構成から得られる相関処理された信号Ｍ（ｔ，δ，ｄ，ｚ３）は、図１５ｂに示されているトロイド交差領域１５０６の全ての状況をカバーする全ての交差領域セグメント１５０９−１、２、３、〜１５０９−ｋにおける非線形相互作用によって生成された全パルスの線形重ね合わせからなる。上記のとおり、交差ゾーン又は混合ゾーンに対応するセグメント１５０９−ｋによる波の、受信機アレイ１５０８の位置ｚ３における受信機における相関処理された信号Ｍ（ｔ，δ，ｄ，ｚ３）に対する非線形の寄与は、以下の条件が満たされる場合には、送信機１５０１からセグメント１５０９−ｋまでの伝播時間及びセグメント１５０９−ｋから受信機までの伝播時間に等しい伝播時間を有するパルスである。
【０１０６】
つまり、この条件とは、特定のセグメント１５０６−ｋにおける周波数比ｄ、収束角θ、及びＶｐ／Ｖｓ速度比が式（１９）の選択規則に従い、コード化音響源送信信号間の時間遅延δが送信機１５０１から１５０９−ｋまでの伝播時間と送信機１５０２から１５０９−ｋまでの伝播時間との差に等しいことである。
【０１０７】
換言すれば、相関処理された信号Ｍ（ｔ，δ，ｄ，ｚ３）において、交差領域セグメント１５０９−１〜１５０９−ｋにおける非線形混合によって生成されるパルスは、位置ｚ３にある各受信機について、（ｔ，δ，ｄ）の範囲にわたって分散される。各セグメント１５０９−ｋの寄与は、相関処理された信号Ｍ（ｔ，δ，ｄ，ｚ３）における空間（ｔ，δ，ｄ）内の点にマッピングされる。この特徴は、３成分受信機から得られる信号の起動上方とともに、上述した画像化法を用いて、信号Ｍ（ｔ，δ，ｄ，ｚ３）における空間（ｔ，δ，ｄ）内の点における信号振幅の、トロイダル交差領域内の交差領域セグメント１５０９−１〜１５０９−ｋに対する幾何学的マッピングを可能にする。開始Ｖｐ及びＶｓ伝播モデル（ｉｎｉｔｉａｌ  Ｖｐ  ａｎｄ  Ｖｓ  ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ  ｍｏｄｅｌ）が構築される。続いて、レイトレーシング、伝播時間分析及び反復トモグラフィー速度決定法（ｉｔｅｒａｔｉｖｅ  ｔｏｍｏｇｒａｐｈｉｃ  ｖｅｌｏｃｉｔｙ  ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ）が、実行され、更新Ｖｐ及びＶｓ伝播モデル（ｕｐｄａｔｅｄ  Ｖｐ  ａｎｄ  Ｖｓ  ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ  ｍｏｄｅｌ）が得られる。続いて、上記のワークローを使用し、更新Ｖｐ及びＶｓ伝播モデルに適用されるレイトレーシング分析を用いて、セグメント１５０９−１〜１５０９−ｋにおける非線形特性及びＶｐ／Ｖｓ速度比が抽出されてトロイダル交差領域における空間位置にマッピングされる。円錐ブロードキャストの全ての仰角及び送信機のボアホール内の全ての垂直方向位置について測定を繰り返すことにより、非線形特性及びＶｐ／Ｖｓ速度比の非線形特性の画像がボアホール周囲の全ての混合ゾーンについて構築される。全ての走査された混合ゾーンについての画像は、続いて、重みつきスタッキング法（ｗｅｉｇｈｔｅｄ  ｓｔａｃｋｉｎｇ  ｍｅｔｈｏｄ）等の当業者に知られている好適な処理方法を用いて結合され、非線形特性及びＶｐ／Ｖｓ速度比の３次元画像が得られる。
【０１０８】
垂直抗井について低周波数円錐音響ブロードキャストを用いるシステム及び方法は、岩石層が方位角の対称性を持たない場合にうまく機能する。しかしながら、伝播速度Ｖｐ及びＶｓについて岩石層の方位角の対称性が高く、その影響としてＶｐ／Ｖｓ速度比が大きい場合には、地層の特性における方位角の変動を解決し、３Ｄ画像を生成する際に困難を生じる可能性がある。図１５ｂを参照して、トロイダル交差領域のセグメント１５０９−１〜１５０９０−ｋの非線形相互作用により生成された非線形信号は、完全な方位角の対称性がある場合には、各受信機に同時に到達する。ここの場合、トロイダル交差領域内の複数のセグメント１５０９−１〜１５０９０−ｋで生成されたパルスは、相関処理された信号Ｍにおいてパルスが同時に発生するので、これらを分離することは困難である。これにより、マッピングを実行する際に曖昧さが持ち込まれてしまう。上記の困難性は、ボアホール又はボアホール系が方位角の対称性に起因する限界を克服するように設計されている場合に回避することができる。以下では、この目的を達するために設計された様々な掘削孔の構成を利用する測定システム及び方法の非限定的な例を説明する。
【０１０９】
図１６ａ及び図１６ｂは、受信機アレイ１６０３がボアホールの直線部分に配置され、送信機１６０１及び１６０２の中心が受信機アレイの延長軸１６２５上に配置されている、非円錐状の混合配置の例を示す。線形フェイズドアレイの場合には、送信機は、送信機アレイと整列した軸を有する円錐１６０４及び１６０５の形状の音響エネルギーをブロードキャストする。円錐及びその交差軌跡１６０７は、本発明の態様に従って、図１６及び１６ｂに図示されている。図１６ａに示されているように、交差軌跡は、一連の交差領域セグメント１６０８−１〜１６０８−ｋと考えることができる。このうちの４つが、１６０８ａ、１６０８ｂ、１６０８ｃ、及び１６０８ｄとして特定されている。幾何学的分析に基づいて、２つの交差領域セグメントが同じ収束角を有している場合には、対応する伝播時間の差（下方の送信機から交差領域セグメントまでの伝播時間と上方の送信機から交差領域セグメントまでの伝播時間との差）ｔ１−ｔ２は異なることが示される。したがって、２つの送信機からのコード化ブロードキャスト間の周波数比ｄ及び時間遅延δを制御することにより、類似の収束角及びＶｐ／Ｖｓ速度比を有する、混合ゾーンに対応する交差軌跡の反対側の２つの位置を個別に活性化することができる。同様に、同一の伝播時間差ｔ１−ｔ２を有する２つの混合ゾーンは、混合セグメントに同時に到達する音響信号が、当該２つの位置においてのみＶｐ／Ｖｓ速度比、周波数比ｄ及び収束角θに関する選択条件を満たすようにするために、異なる収束角θを有する。
【０１１０】
上記の説明から理解されるように、２つの円錐音響ブロードキャストの交差は、トロイド形状の交差領域を定義する。本開示においては、トロイドは、多角形、円、楕円又はこれら以外の閉領域を定義するための形状等の平面幾何学形状を回転させることによって生じる「環状」の形状として定義される。一実施形態において、トロイドは、平面視の幾何学形状又は断面形状が軸周りで回転される円である、リング上の環状体またはＯリングである。他の実施形態においては、トロイドは、閉領域を形成ために楕円形に回転される多角形形状として定義される。トロイド領域は、複数の交差領域セグメントにセグメント化される。非線形選択規則及びブロードキャスト音響信号間の開始時間差及び周波数比を含む様々なパラメータの慎重な選択によって、一又は複数の交差領域セグメントが「活性化」され、一又は複数の混合ゾーンが提供される。この混合ゾーンでは、２つの円錐ブロードキャスト信号が非線形に相互作用し、当該ゾーンの岩石層の非線形特性を表す信号が生成される。
【０１１１】
上述の符号化方法、測定及び信号処理プロトコル、及び画像化方法は、図１６ａ及び図１６ｂに図示されている測定系に適用できる。この適用の際には、上述した一般的なアプローチに従う。図１５の直線的なボアホール構成とは異なり、（ｔ，δ，ｄ）空間内の同時到達の問題は存在しない。このように、故意に曲げられた軌道を有するボアホールを用いる図１６の測定系は、非線形特性及びＶｐ／Ｖｓ速度比の一般的な３Ｄ画像化についてロバスト性が高い。画像化方法の副生成物は、画像化処理の中間工程におけるトモグラフィー速度反転法によって生成されるＶｐ及びＶｓ伝播モデルである。
【０１１２】
屈曲し又は斜めになっているボアホール軌道の構成における方位角の対称性の不存在、及び、図１６に示されている傾いた円錐音響波ブロードキャストは、直線上のボアホール内で小さな送信機アレイの軸をオフセットすることによって、又は、ワイヤー線又はパイプ伝送型の検層装置等によっても実現できる。
【０１１３】
図１７ａ及び１７ｂは、ボアホール周辺の岩石層の非線形特性及びＶｐ／Ｖｓ速度比の３Ｄ画像を生成するために用いられる様々な軸方向や円錐角度を有するボアホール構成における送信機−受信機配置の追加的な例を示す。図１７ａは、折り曲がった孫井戸を有する単一抗井配置の例を示す。ここでは、上方の円錐内で下方の円錐が完全に交差する。例えば、図１７ａに示されるように、上方の送信機１７０２は、下方の送信機１７０１によって生成されるより幅狭の円錐１７０４よりも幅広の音響エネルギー１７０５の円錐を生成するように構成され、これにより、下方の円錐が上方の円錐内で完全に交差する。送信機１７０１及び１７０２はいずれも、孫井戸１７０６内に配置される一方、受信機１７０３は、主垂直ボアホール１７００内に配置される。図１５及び図１６ａ〜図１６ｄの構成と同様に、送信機１７０１及び１７０２は、ボアホール内の点音響源のアレイ、例えば線形アレイとして構成されてもよい。送信機１７０１及び１７０２によって生成される音響エネルギーは、交差ゾーン内の非線形物質中で相互作用し、音響エネルギーは、上記のとおり、選択規則に従って受信機１７０３において受信される。非線形混合ゾーンは、円錐１７０４と円錐１７０５との間にある交差軌跡１７０９を含む。この交差位置１７０９は、ボアホール１７００に最も近い位置１７０７とボアホール１７００から最も遠い位置との間に架け渡されている。
【０１１４】
図１７ｂは、より急に折れ曲がった孫井戸を有し、下方の送信機がボアホール１７００の軸とほぼ直交するようにエネルギーを放射するようになっている、単一抗井配置の他の例を示す。これらの抗井において、円錐同士の交差は、上述のような楕円では無く、双曲線である。しかしながら、類似の測定方法、符号化、データ処理及び画像化プロトコルを適用するうことができる。また、円錐同士の交差は、閉曲線ではないため、調査の深度は、音響源の強さ、受信機の感度、及び信号処理アルゴリズムの効率性によって決定される。
【０１１５】
楕円閉交差軌跡が得られる構成と双曲線開軌跡が得られる構成との間の相違は、閉楕円交差軌跡においては、周波数比の走査を最も近い点における方位角よりも高い方位角に対応する低い周波数比ｆ２／ｆ１（例えば図１０ｂ参照）から開始することができる点にある。周波数比ｆ２／ｆ１は、その後、例えば楕円上の最も近い点が活性化されるまで、増加される。走査は、最も遠い点に到達するまで継続されてもよい。遠方の周波数比ｆ２／ｆ１を増加させることにより、活性化されるゾーンがなくなって信号が受信されなくなる。他方、交差が開曲線の場合には、周波数比ｆ２／ｆ１の走査は、最も近くの点から開始され、双曲線のいずれかの側からの受信機への帰還信号が検出できなくなるまで継続されてもよい。
図１８ａは、抗井の垂直部分に受信機を有する垂直な抗井及び側線の例を示す。図１８ｂは、本発明の態様に従って、受信機が側線内に設けられている垂直なパイロットホール及び水平な側線の他の例を示す。主垂直ボアホール１８００は、音響エネルギー１８０４の垂直円錐を生成するように構成された送信機１８０１を備え、一方、側線ボアホール１８０６は、音響円錐１８０５を生成するように抗井された送信機１８０２を備える。受信機１８０３は、その用途に応じて、図１８ａに示すように主垂直ボアホール１８００内に設けられても良く、側線ボアホール１８０６内や主ボアホール１８００と側線ボアホール１８０６の両方に設けられてもよい。図１７ａ〜図１７ｃの例に示したものと同様に、送信機１８０１、１８０２及び受信機１８０３は、それぞれ送信機アレイ及び受信機アレイを含んでも良い。側線ボアホール１８０６内の送信機１８０２は、主垂直ボアヒール１８００内の送信機１８０１の上方に設けられても良くその下方に設けられても良い。
【０１１６】
採掘及び操作の観点からは、図１７ａ、１７ｂ及び図１８ａ、１８ｂの抗井は、複雑さの点で幾らか異なるが、２つの円錐の交差までの距離を最大化することにより、ボアホールから離れたより深度の大きな検査を行うことができるなど、異なる構成を用いることには多くの利点がある。また、ボアホールに対して垂直に近い方向に音響エネルギーを生成する送信機は、小さな円錐角によって定義される走査に関するより大きな検出能力（ｐｏｗｅｒ）や角度解像度を提供することができる。上記の図は、利用可能な複数のボアホール構成の使用の構成例に過ぎない点に留意されたい。当然、上記以外にも、様々な方位角や仰角において２つの一次音響アレイの配置を可能にする構成がある。
【０１１７】
上記の技術、選択規則と信号符号化の組み合わせは、ボアホール内で所定の距離だけ離れている２つの送信機からの音響エネルギーによって形成される２つの交差する円錐によって定義される領域を走査し画像化するために用いられ得る。上記の説明は、Ｐ＋Ｐ→ＳＶ相互作用を説明したものである。しかしながら、これ以外の可能な相互作用についても、表１の例を用いて、同様の方法で使用され得る。
【０１１８】
上記の説明から理解されるように、岩石層を検査する様々な方法は、測量計画（ｓｕｒｖｅｙ  ｐｌａｎｎｉｎｇ）、データ取得や保存、及び画像化の処理や解釈のためのシステムとともに実現され得る。図１９は、本発明の実施形態に従って、測量計画、データ取得や保存、及び画像化の処理や解釈のためのシステムを示す。一実施形態において、掘削孔の中心における岩石層の円筒状領域のの非線形特性、Ｖｐ／Ｖｓ速度比、及び伝播圧縮速度や伝播せん断速度の３Ｄ画像を生成することができる。一実施形態において、非線形特性及びＶｐ／Ｖｓ速度比の３Ｄ画像は、例えば、数百メートルの測定半径の外部に延びる、非線形特性及びＶｐ／Ｖｓ速度比の画像を含むことができる。
【０１１９】
一実施形態におけるシステムは、ハードウェア及び／又はソフトウェア又はモジュール化サブシステムのパッケージと考えることができる。サブシステム１９００〜１９０４は、測量計画及びその実行、坑内工具（ｄｏｗｎｈｏｌｅ  ｔｏｏｌ）の運搬、送信される音響波の符号化及びブロードキャスト、及び非線形信号の記録及び検出のために用いられる。サブシステム１９０１及び１９０５は、測量後の画像処理のために用いられる。サブシステム１９００は、測量設計、データデザインの取得、制御及び記録のために用いられる。サブシステム１９０１は、予備的な非線形性及び速度の画像化のために用いられる。サブシステム１９０２は、受信機及びセンサの制御及び送信に用いられる。サブシステム１９０２は、制御された音響ブロードキャストを放射し、音響エネルギーを受信するように構成される。サブシステム１９０３は、ブロードキャスト信号を生成するために用いられる。サブシステム１９０４は、非線形信号の検出のために用いられる。サブシステム１９０５は、非線形性及び速度の画像化のために用いられる。
【０１２０】
一実施形態において、サブシステム１９００は、取得モジュール１９０７、データ取得制御部１９０８、データ前処理及び増強モジュール１９３０、及びデータ記憶装置１９２１をモデル化することを含む。一実施形態において、サブシステム１９０１は、初期速度モデルモジュール１９０６、及び、伝播圧縮速度及びせん断速度の画像、Ｖｐ／Ｖｓ速度比の画像、及び混合ゾーンにおける非線形相互作用により生成された計測信号の振幅に関連する非線形性の画像を含む３次元画像の予備的な生成のためのモジュール１９３１を含む。一実施形態において、サブシステム１９０２は、工具運搬輸送モジュール１９０９、工具機械的制御部１９１０、第１音響源（Ｓ１）の方位角及び傾角を制御する方位角傾角制御部１９１７、及び第２音響源（Ｓ２）の方位角及び傾角を制御する方位角傾角制御部１９１８を含む。一実施形態において、サブシステム１９０３は、コード化信号生成器１９１１、周波数乗算及び時間遅延モジュール１９１２、第１の音響源（Ｓ１）に送信する信号を生成する信号増幅器１９１３、及び第２の音響源（Ｓ２）に送信する信号を生成する信号増幅器１９１４を含む。一実施形態において、サブシステム１９０４は、受信機Ｒ１、Ｒ２、・・・Ｒｎから信号ｕ３（ｔ）を受信する受信モジュール１９２２、受信モジュール１９２２から受信した信号を増強する非線形信号増強モジュール１９２４、テンプレート信号ｕｓ（ｔ）を生成するテンプレート信号生成モジュール１９２７、及び上記のように受信信号ｕ３（ｔ）をテンプレート信号ｕｓ（ｔ）と相関処理する信号相関モジュール１９２８を含む。一実施形態において、サブシステム１９０５は、データ前処理及び増強モジュール１９３２、速度モデル反復モジュール１９３３、画像化反復モジュール１９３４、速度比の画像及び／又は非線形性の画像のための出力画像モジュール１９３６，決定された速度Ｖｐ、速度Ｖｓ、及び／又はＶｐ／Ｖｓ速度比を出力する出力速度モジュール１９３５を備える。
【０１２１】
本明細書において、モジュールという語には、ハードウェア装置、ソフトウェアプログラム、又はその両方が含まれる。例えば、画像反復モジュールは、反復処理を実行するように構成されたハードウェアの一部であってもよく、コンピュータ上で実行され当該反復処理を実行するソフトウェアであってもよく、ハードウェアの一部とソフトウェアアプリケーションの両方であってもよい。
【０１２２】
動作において、データ取得の前に、圧縮波及びせん断波のスローネス（ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎａｌ  ａｎｄ  ｓｈｅａｒ  ｓｌｏｗｎｅｓｓ）に関する記録、及び、側方の連続性に関する情報を使用して、モジュール１９０６を用い、採掘孔から側方に延びる初期地層モデルが構築される。モジュール１９０６からの初期速度モデルは、前方モデル取得モジュール１９０７によって用いられ、オペレータがオペレータ入力を用いてデータ取得制御部１９０８をプログラムするために使用するデータ取得のための計画が提供される。
【０１２３】
サブシステム１９０２が工具運搬輸送モジュール１９０９を解してボアホール内に配置され、必要に応じて工具機械的制御部１９１０によってボアホールの壁部に固定された後、入力命令がコード化信号生成サブシステム１９０３に送信され、コード化信号生成モジュール１９１１によってコード化パルス列が生成される。コード化信号生成モジュール１９１１によって生成されたコード化信号は、周波数調整され、周波数乗算及び時間遅延モジュール１９１２によって遅延される。信号は、信号増幅器１９１３、１９１４によって、送信機又は音響源Ｓ１（１９１５）及びＳ２（１９１６）に提供され、例えば図１２ａに示したとおりＳ１及びＳ２からの信号が混合ゾーンに同時に到達するように、これらの信号は遅延されてブロードキャストされる。
【０１２４】
音響源Ｓ１（１９１５）及びＳ２（１９１６）からの音響ブロードキャストの傾角及び方位角を含むブロードキャストの形状（ｇｅｏｍｅｔｒｙ）は、データ取得制御部１９０８からの命令によって制御される。データ取得制御部１９０８は、角度制御命令を坑内の方位角及び傾角制御部１９１７、１９１８に送信する。工具運搬モジュール１９０９、工具機械的制御部１９１０、方位角及び傾角制御部１９１７、１９１８からの工具構成（ｔｏｏｌ  ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）及びブロードキャスト配置（ｂｒｏａｄｃａｓｔ  ｇｅｏｍｅｔｒｙ）に関連する全てのデータは、本明細書において、記録取得パラメータ１９１９と呼ばれ、データ記憶装置１９２１に記録される。本明細書において記録ブロードキャスト情報と称される、コード化信号生成サブシステム１９０３からの符号化体系も、同様にデータ記憶装置１９２１に記録される。
【０１２５】
一実施形態において、単数又は複数の受信機１９２３（例えば各受信機は、ハイドロフォンや３成分ジオフォン又はその両方Ｒ１〜Ｒｎを備えていてもよい）に記録されている信号モジュール１９２２からの信号は、非線形源の成分を強化し、線形相互作用源や雑音を減少させ又は実質的に抑圧するために、非線形信号強化モジュール１９２４によって処理される。符号１９２５で示されている信号受信モジュール１９２２からの生信号及び符号１９２６で示されている強化信号は、データ記憶装置１９２１に記憶される。テンプレート信号生成器１９２７で生成されたテンプレート信号Ｕｓ（ｔ）は、図１２〜図１４の例に関して説明したように、信号生成器１９１２及び周波数乗算及び時間遅延モジュール１９１２によって生成される信号Ｕ１（ｔ）及びＵ２（ｔ）に由来し、１９２８において、１９２５で示されている受信信号と相関処理される。テンプレート信号Ｕｓ（ｔ）と受信信号又は検出信号Ｕ３（ｔ）との相関処理は、相関信号出力モジュール１９２９により、相関処理された信号Ｍ（ｔ，ｄ，δ，ｚ３）を抽出するために用いられる。相関処理された信号も、データ記憶装置１９２１に記憶される。
一実施形態において、構成要素又はモジュール１９０９〜１９２９を用いて実現されるデータ取得処理は、抗井中の複数の位置（ｚ３）において、様々なビーム配置を用いて、繰り返し行われてもよい。一実施形態において、既に記録されているデータを、取得パラメータの変化を導くために用いることができる。例えば、記憶装置１９２１に記憶されたデータは、例えば前処理及びホドグラム処理モジュール１９３０におけるホドグラム分析により、さらに強化されてもよい。記憶装置１９２１に記憶されているデータは、画像化モジュール１９３１において非線形特性及び／又はＶｐ／Ｖｓ比を生成するために、初期速度モデルモジュール１９０６からの初期速度モデルとともに用いられる。これらは、取得設計モジュールによるモデリング、及び／又は、データ取得制御部１９０８によって制御される取得パラメータを精緻化するために用いられる。
【０１２６】
調査が完了した後、データ処理が、データ前処理及び強化モジュール１９３２によって実行される。一実施形態において、最終分析用にデータの前提条件を調整するために、ホドグラム分析が実行される。モジュール１９０６における初期速度モデル及びモジュール１９３１からの画像は、速度モデル反復モジュール１９３３を通じた速度モデルのさらなる反復、及び、速度モデリングモジュール１９３３及び画像化モジュール１９３４を通じた非線形特性及び／又はＶｐ／Ｖｓ比の画像化の反復の開始点として使用される。反復の最終結果は、出力モジュール１９３５を通じた最適速度モデル出力、及び、出力モジュール１９３６を通じたＶｐ／Ｖｓ比画像及び／又は非線形特性画像を含む画像である。
【０１２７】
一実施形態において、上記のようなシステムの実行は、採掘孔から比較的遠方（例えば、数百メートル）の画像化に好適であり、信号対雑音比及び複雑な石油物理学的な、層序の、構造的な文脈からの微弱信号の検出を最大化するように設計された構成を含む。比較的小さな領域を調査し特性の変化が小さく強い帰還信号が得られる採掘孔近傍の用途においては、信号検出や速度モデル反復に関するシステムの一部の態様又は部分又はモジュールを省略することもあり得る。同様に、要求が厳しくない条件では、ハードウェアの一部の態様は、単純化され得る。例えば、固定された３成分ジオフォンは、中心に搭載された構成のハイドロフォン受信機で代替され得る。
【０１２８】
また、システムのデータ取得部分をシステムの画像化部分と結びつけて説明したが、データの取得は、Ｖｐ／Ｖｓ比及び／又は非線形特性とは別個に実行されてもよい。実際に、取得データは、第１のエンティティとデータ記憶装置１９２１に記憶されたデータにより実現され得る。データ記憶装置１９２１内の取得データは、次に、第２のエンティティに送信される。第２のエンティティは、第１のエンティティと同じでもよく異なるものでもよい。当該第２のエンティティは、Ｖｐ／Ｖｓ及び／又は非線形特性の画像を得るために、上述した画像化サブシステム又は画像化方法を用いることができる。
【０１２９】
また、以上の説明においては各モジュールは特定の機能を持つように説明したが、一以上のモジュールにおける任意の機能は、任意の一又は複数のモジュールに移転されてもよい。例えば、コード化信号生成サブシステム１９０３の一部又は全部の機能は、非線形信号検出サブシステム１９０４に移転され得る。
【０１３０】
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。
【０１３１】
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】
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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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【国際調査報告】
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