(57)【要約】【課題】センサ要素を取り外しまたは追加することなく完全に組み立てた形で、船上で保管しかつ水中に入れることができる小型水中電磁測定システムを提供する。【解決手段】従来のシステムより実質上小さく、使用がはるかに簡単で、かつ頑丈な水中ＥＭ測定システム（１００）は、単一の圧力容器（２５０）内に組み込まれたセンサ筐体（２００）として形成される。筐体（２００）は、直交方向の界を測定するために実質上水平に配置された誘導コイル（２４１〜２４３）を含む２つの磁気センサを含む。筐体（２００）はまた、導電材料（１）と絶縁材料（５）から形成される電気絶縁層とを有する容量電極を介して水（媒体４）の電位に結合するように適合された電位アンテナ（２３１〜１３５）を含む２つの電界センサを含む。容量電極は、媒体（４）に対して１ｍＦより大きい静電容量を有する。絶縁材料（５）は金属酸化物であることが好ましい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電媒体内の磁界および電界を測定するシステムであって、
２つの磁気センサであり、各磁気センサが、磁界信号を生成するための磁界誘導コイルと、前記誘導コイルに接続され、前記磁界信号に基づいて増幅された磁界信号を生成するための磁界信号増幅器とを有し、各誘導コイルが、直交方向の界を測定するように実質上水平に配置される、２つの磁気センサと、
２つの電界センサであり、各電界センサが、少なくとも２つの電位アンテナに接続され、増幅された電界信号を生成するための電界信号増幅器を有し、各電界センサが、直交方向の界を測定するように実質上水平に配置され、前記電位アンテナが、導電芯線と前記芯線を覆う電気絶縁層とを有するそれぞれの容量電極を介して電位に結合するように適合され、前記絶縁層が、前記芯線から前記媒体への抵抗性電流の伝達を防止する、２つの電界センサと、
前記増幅された電界信号および前記増幅された磁界信号を受信し、かつ前記増幅された電界信号および前記増幅された磁界信号を表すデータを記憶するためのデータ取得システムと、
データログ記録処理装置、電気センサ、および磁気センサへ電力を供給するための電源と
を含む、一体型センサ筐体を構成する１群の構成要素を備えるシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記界誘導コイルおよび電界アンテナによってそれぞれ測定される較正磁界および電界を発生させる磁気源コイルおよび導体をさらに備えるシステム。
【請求項３】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記２つの磁気センサに直交する方向の磁界の成分を測定するための磁界誘導コイルをさらに備えるシステム。
【請求項４】
請求項１に記載のシステムにおいて、任意の方向の電界を求めることができるように、前記２つの電界センサの前記電位アンテナより上方に配置された第５の電位アンテナをさらに備えるシステム。
【請求項５】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記誘導コイル、前記磁界信号増幅器、前記電位アンテナ、前記電界信号増幅器、および前記データ取得システムが、共通の圧力容器内に組み込まれるシステム。
【請求項６】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記容量電極が、前記媒体に対して１ｍＦより大きい静電容量を有するシステム。
【請求項７】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記絶縁層が金属酸化物であるシステム。
【請求項８】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記電界信号増幅器が、それぞれの前記電位アンテナと一体化された前置増幅器を含むシステム。
【請求項９】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記電界信号増幅器が前置増幅器を含み、分離段が、前記前置増幅器の出力と最終的な下流のデータ記録段との直流結合を防止し、それによって、前記容量電極での電気化学反応を最小限にするために、各容量電極と前記媒体との間の直流電位差が最小限にされるシステム。
【請求項１０】
請求項５に記載のシステムにおいて、前記電位アンテナのうちの少なくとも１つが前記圧力容器に及ぶシステム。
【請求項１１】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記システムを海底に配備するための固定具と、前記システムを前記海底から回収するための浮遊装置とをさらに含み、前記システムが、前記海底の抵抗率を求めて炭化水素堆積物を定量化するように適合されるシステム。
【請求項１２】
請求項１２に記載のシステムにおいて、前記浮遊装置が、すべてのシステム要素を接続する構造体として働くシステム。
【請求項１３】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記データ取得システムに接続され、命令を受信しかつデータを受信器へ無線で伝送するアンテナをさらに備えるシステム。
【請求項１４】
請求項５に記載のシステムにおいて、前記圧力容器内に配置された、磁気コンパスを含む配向モジュールをさらに備えるシステム。
【請求項１５】
媒体内の非常に低い電位を測定するシステムであって、
前記媒体に対する電気インピーダンスの低い電極と、
前記電極に取り付けられた、導電材料から形成される接続要素と、
前記接続要素に取り付けられた、低ノイズ前置増幅器を含む増幅器であり、前記電極での電気化学反応を最小限にするために、前記電極から前記増幅器入力を通じて引き寄せられる電流を最小限にする入力バイアス回路を含む、増幅器とを備えるシステム。
【請求項１６】
請求項１５に記載のシステムにおいて、前記電極が、導電芯線と前記芯線を覆う電気絶縁層とをさらに含み、前記絶縁層が、前記芯線から前記媒体への抵抗性電流の伝達を防止し、前記接続要素が、前記電極の前記芯線に取り付けられるシステム。
【請求項１７】
請求項１６に記載のシステムにおいて、前記電極が、前記媒体に対して１ｍＦより大きい静電容量を有するシステム。
【請求項１８】
請求項１６に記載のシステムにおいて、前記絶縁層が金属酸化物であるシステム。
【請求項１９】
水面下で海水中の電界を測定する方法であって、
既定の電極離隔距離を提供する剛性の構造体上に電極を配備するステップと、
前記電極から前記水への抵抗性電流の伝達を防止するステップと、
前記電極からの差分信号を増幅すること、またはまず各電極からの信号を増幅し次いで差をとることのいずれかによって、増幅された電界信号を生成するステップと、
前記増幅された電界信号を記憶するステップとを含む方法。
【請求項２０】
水面下で電界および磁界を測定する方法であって、
水中で実質上水平面に配置される、関連する電極を有する少なくとも２つの電位アンテナにそれぞれ接続された電界センサと、少なくとも２つの磁界誘導コイルを有する磁界センサとを含むシステムを配備するステップと、
直交方向の電界および磁界を測定して、前記電界および磁界を表す信号を生成するステップと、
前記電極の少なくとも１つから前記水への抵抗性電流の伝達を防止するステップと、
前記電位アンテナおよび磁界誘導コイルからの前記信号を増幅して、それぞれ増幅された電界信号および増幅された磁界信号を生成するステップと、
前記増幅された電界信号および増幅された磁界信号を記憶するステップとを含む方法。
【請求項２１】
請求項２０に記載の方法において、
前記電極での電気化学ノイズを最小限にするために、前記電極と前記水との間の直流電位差を最小限にするステップと、
前記電極での電気化学ノイズを最小限にするために、増幅された出力を外部接地電位から絶縁するステップとをさらに含む方法。
【請求項２２】
請求項２０に記載の方法において、
前記電界および磁界センサのうちの少なくとも１つの近傍に電磁界を生成するステップと、
前記生成された電磁界を使用することによって、前記電界および磁界センサのうちの前記少なくとも１つの正しい動作を確認するステップとをさらに含む方法。
【請求項２３】
請求項２０に記載の方法において、前記電界センサ、前記磁界センサ、およびデータ取得システムを収容する単一の圧力容器を、船舶搭載による配備中常に封止したまま保持するステップをさらに含む方法。
【請求項２４】
請求項２０に記載の方法において、前記センサ筐体の任意の構成要素の動作を開始もしくは停止させるために音響信号によって命令を送信するステップ、または前記システムの内部計時機構を望ましい時間に設定するステップをさらに含む方法。
【請求項２５】
請求項２０に記載の方法において、前記電界および磁界センサとともに収容されたデータ取得システムに接続されたケーブルを介して、データを前記水面へ送信するステップをさらに含む方法。
【請求項２６】
請求項２０に記載の方法において、前記海底の抵抗率を求めて炭化水素堆積物を定量化するステップをさらに含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、２００６年１２月１１日出願の「Ｕｓｅ  ｏｆ  Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ  ｆｏｒ  Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｆｉｅｌｄ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ」という名称の米国仮特許出願第６０／８７４，１８４号の利益を主張する。
【０００２】
連邦政府の支援による研究または開発に関する陳述
米国政府は、本発明の支払済みライセンスを有し、かつ限定された状況で、特許所有者に対して、海軍ＳＢＩＲ第Ｉ期Ｎ６８３３５−０５−Ｃ−０２４２および海軍ＳＢＩＲ第ＩＩ期Ｎ６８３３５−０７−Ｃ−０２３５の条項によって規定される妥当な条件で他者にライセンスを供与することを要求する権利を有する。
【０００３】
本発明は、導電媒体内の電界および磁界を測定する技術に関する。詳細には、本発明は、海底の電気抵抗率を求めるシステムおよび方法に該当し、最も詳細には、沖合での炭化水素探査に該当する。
【背景技術】
【０００４】
様々な技法で、水中、特に海底の電界および磁界を測定する必要がある。地磁気地電流界の測定および信号源制御型電磁（ＣＳＥＭ）測深は、その例である。これらの測定を実行する現在のシステムは、共通の枠に接続された一連の独立したセンサおよびデータ記録モジュールからなる。米国特許第５，７７０，９４５号によって構築されかつ民間の炭化水素探査で使用される地磁気地電流測定システムの一例を図１に示す。同特許を、参照により本明細書に組み込む。
【０００５】
図示のように、海底石油探査用の地磁気地電流測定システムは、大まかに４つのユニットに分類される。第１のユニット、ログ記録ユニットは、４チャネルのデジタルデータログ記録処理装置１０４と、磁界後置増幅器と、電界増幅器とを含み、これらがすべて、第１の防水圧力容器１１２内に含まれる。第２のユニットは、音響ナビゲーション／解放システム１１６を含む第２の防水圧力容器１１４である。第３のユニットは、長さ５メートルのブーム１３９〜１４２の端部に取り付けられた４つの銀／塩化銀（Ａｇ−ＡｇＣｌ）電極１１８〜１２１からなる。第４のユニットは、磁気誘導コイルセンサ１２２、１２４を含む。（第３の磁気センサを使用して垂直磁界を測定することができることに留意されたい。第３の磁気センサは図示せず。）システムの要素はそれぞれ、浮遊のためのガラス球１２６および海底に配備するための固定具１２８とともに、耐食性プラスチックおよびアルミニウム枠１０２に取り付けられる。
【０００６】
図１に示すものなどの従来技術の水中ＥＭ測定システムの寸法および動作方法論は、ａ）電界センサ内で使用される電極間の離隔距離を大きくする必要があること、およびｂ）海洋中に配備するより前に電極を水中で保管する必要があることによって決まってきた。その結果、システムは非常に厄介なものとなり、感知アームは１０メートルに及び、センサは、配備する直前に船の甲板上でシステム内に据え付けなければならない。そのようなデリケートなシステムを船の甲板上で組み立てることは困難な課題であり、配備されたときの測定システムの全体的な信頼性を低下させる。特に、コネクタによってつながれた複数の個別のモジュールが存在し、これらは漏れたり海水にさらされたりする可能性があり、それによって感知回路内で腐食が発生するリスクを高める。また一般に、コネクタピンを損傷するリスクがある。
【０００７】
現在の水中電極の根本的な制限は、第１段増幅器と海洋との間に実（すなわち、直流）の電流路を提供するために、海水とイオンを交換する必要があるということである。電流が電極から媒体内へ通る実際の工程は複雑になる可能性があり、電極と媒体との間で電子が直接通り抜けることと、媒体内のイオン内外へ電子を伝達する化学反応を起こすことと、電極表面の媒体内での化学反応を触媒しかつそれに関連して電極へ電荷を伝達することとを必要とする。これらの工程は通常、媒体内のイオンの拡散および電界誘起運動を伴い、電流は電極から離れるように流れる。実際の工程ははるかに複雑であり、オームの法則に従わないことが多いが、本書では、そのような電流伝導機構を「抵抗性」と呼ぶ。抵抗性電流が流れるには、媒体は、海水、土壌、または適切な対応する岩（たとえば、砂）などの、どんなに弱くても電極に抵抗結合できる流体または固体環境でなければならない。
【０００８】
これらの化学反応および関連する拡散からくる影響により、抵抗結合された電極は、固有の整定時間および関連するレベルの低周波電気ノイズを有する。イオンの境界層および濃度勾配が平衡状態に到達するには、通常１０分程度の時間を要する。さらに、電極の製造および使用歴に応じて、この平衡状態に関連するわずかな直流電位差が存在する。温度変化または局所的な化学環境（たとえば、塩分濃度）の変動などの影響によりこの直流電位がわずかに変動すると、低周波数での電極測定ノイズが増大する。浅瀬環境では、溶液を必然的に撹拌することでこの平衡状態を妨げ、それによって直流電位を変化させ、かつノイズを増大させる。これらの影響を最小限にするために、抵抗電極は通常、媒体への電気抵抗ができるだけ小さくなるように、できるだけ大きく作られる。しかし、電極の実用上最大の寸法（長さ約３０ｃｍ）でも、電極からのノイズは、システム性能を制約する要因となることが多い。さらに、化学工程では、既存の抵抗電極は、それらの最適のレベルで機能するために、常に濡れたままでなければならない。
【０００９】
他の適用分野では、媒体に抵抗結合させる必要のない電極が開発されてきた。そのような電極は、本質的に容量性で媒体と相互作用し、局所的な電束密度の変化率によって、媒体内の所与の点で電位に直接結合する。容量結合では、媒体に対する静電エネルギーを中和させるために電極の方へ影像電荷が流れ、この電荷が、読出し装置の入力に等しくかつ反対の電荷を発生させる。実際には完全な電気絶縁体は存在せず、何らかの媒体に接触する際、小さいがゼロではない抵抗性電流が流れるので、この結合は本質的に容量性である。
【００１０】
本質的に容量性の電極の大部分は、人体内で発生する信号を測定するように開発され、または信号を印加して身体を刺激するために埋め込まれる。前者の一例は、皮膚上でかつ／または皮膚から少し離れて作用する容量電極である。そのような測定の目的は、皮膚の外側の層のインピーダンスを、１００ｋΩより大きい抵抗から１０ｋΩ未満に低減させるために抵抗電極と併せて使用される導電ゲルの使用を避けることである。皮膚に接触する電極の静電容量は０．１〜１００ｎＦ程度であり、その結果、よく設計された増幅器を有するシステムのノイズは、実効値で１μＶ程度となる。このノイズレベルは、人体の皮膚のノイズと同等であり、心臓および脳の信号を記録するのに十分である。
【００１１】
刺激電極が埋め込まれる後者の場合、問題は、組織に有毒である恐れのある電解生成物の蓄積につながりうる直流電流の流れを防止することである。従来は、そのような直流電流を阻止するために、抵抗電極と直列にコンデンサが配置される。全体的なシステム寸法を低減するために、容量電極を使用して直列コンデンサを不要にすることがある。刺激パルスを大脳皮質または蝸牛に印加するには、１ミリ秒程度の持続時間にわたって５ｍＡ程度の電流パルスを必要とする。これは、媒体に対して１μＦ程度の静電容量を有する電極および５Ｖ程度の印加電圧によって、容易に実現することができる。正しく構築されたとき、このタイプの容量性刺激電極は、直径１ｍｍおよび厚さ０．２５ｍｍ程度の寸法を有する。いくつかの適用分野では、これらの刺激電極を使用して、振幅１００μＶおよび周波数２から７０Ｈｚの範囲の信号を受信する。これらの信号は、治療法の変更が必要とされることを表す可能性のある震え、無運動、および硬直などの電気機械的身体活動を示す。しかし、１Ｈｚでは、このタイプの刺激電極のインピーダンスは２００ｋΩ程度である。入力電流ノイズが１ｐＡの現況技術の前置増幅器とともに使用されるとき、そのような電極は、２Ｈｚから７０Ｈｚの範囲にわたって少なくとも３μＶの実効値電圧ノイズを有する。このノイズは、既存の抵抗性に基づく水中電極測定システムより１００倍程度高い。
【００１２】
最近開発されたタイプのセンサは、空気との容量結合を行う。この場合、空気との有用な抵抗接触を行うことはできず、容量結合が唯一の選択肢である。しかし、空気に対する達成可能な静電容量は非常に小さく、１ｐＦ程度（すなわち、皮膚に接触する電極の１０００分の１および刺激電極の１００万分の１）である。その結果１Ｈｚで生じるノイズレベルは１００μＶ程度であり、この場合も、既存の抵抗性に基づく水中電極測定システムよりはるかに高い。
【００１３】
したがって、容量電極は、媒体との電気化学反応なしで電位を測定する方法を提供するが、従来の容量電極システムでは、既存の水中抵抗電極によって達成できるものより相当ノイズが多かった。さらに、現在の容量結合に関連するすべてのノイズを除去することができた場合でも、それでもなお、公称では容量性の電極で電気化学ノイズが生じる可能性があるはずである。実際には、これらの電極の内部ノイズも同等に高いので、電極と媒体との間の電気化学ノイズの存在は、以前より、容量性電界測定システムの設計上考慮すべき点ではなかった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上記に基づいて、センサ要素を取り外しまたは追加することなく完全に組み立てた形で、船上で保管しかつ水中に入れることができる小型水中電磁測定システムが必要とされる。さらに、海洋中に配備するより前にその全体の機能を確認でき、次いで海底に置いたときにその完全な動作性能を高水準の精度で確認できる測定システムが必要とされる。商業上かつ研究上著しく重要な適用分野の１つは、水中地磁気地電流法およびＣＳＥＭ測深の分野であり、この分野では、複数の場所で電界および磁界測定を行って、下にある地質の導電性を推論することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の一目的は、従来技術で使用されるシステムよりはるかに小型でかつ使用が容易な電磁測定システムを提供することである。本発明の好ましい実施形態は、電位を有する導電媒体内の磁界および電界を測定するシステムを対象とする。このシステムは、単一の圧力容器内に組み込まれたセンサ筐体と、このセンサ筐体を配備しかつ回収するための補助システムとを組み合わせて備える。
【００１６】
センサ筐体は、少なくとも２つの磁界センサを含む。各磁界センサは、磁界信号を生成するための磁界誘導コイルと、この誘導コイルに接続され、誘導コイル出力に基づいて増幅された磁界信号を生成するための磁界信号増幅器とを有する。誘導コイルは、少なくとも水平面の界を測定するように、実質上直交かつ水平に配置される。筐体はまた、少なくとも２つの電界センサを含む。各電界センサは、少なくとも２つの電位アンテナからの入力を受信し、これらの電位アンテナからの信号を増幅しかつ差をとることによって電界信号を生成する。電界アンテナもまた、直交方向の界を測定するように、実質上水平に配置される。垂直方向の電界および磁界を測定するために、第３の磁界誘導コイルおよび第５の電位アンテナが、水平方向のセンサを含む平面より上方に取り付けられることが好ましい。
【００１７】
電位アンテナは、導電芯線とこの芯線を覆う電気絶縁層とを有する容量電極を介して、水の電位に結合する。絶縁層は、芯線から水中への抵抗性電流の伝達を防止し、それによって導電芯線と媒体との間の電気化学的酸化還元反応を最小限にする。０．１Ｈｚから１０Ｈｚの容量性領域では、容量電極は、水に対して１ｍＦより大きい静電容量を有する。絶縁層は金属酸化物であることが好ましい。電界信号増幅器の入力バイアス回路は、電極と媒体との間の直流電流の流れを最小限にするように構成され、増幅器と、記録回路と、他のシステム要素との間に直流電気的分離を使用して、電極と媒体との間の直流電位差を最小限にし、それによってさらに、電極での電気化学反応を最小限にする。
【００１８】
磁気源コイルおよび局所的な電圧駆動される導体は、較正磁界および電界を発生させ、それぞれ誘導コイルおよび電位アンテナによって測定される。データログ記録処理装置は、増幅された電界信号および増幅された磁界信号を受信し、これらの信号を表すデータを記憶する。計時装置は、このデータログ記録処理装置の動作を他のデータログ記録処理装置と同期させる。電源は、データログ記録処理装置、電気センサ、および磁気センサへ電力を供給する。
【００１９】
データ出力は、高速デジタルリンクを介して供給される。そのようなリンクを使用することで、データ記憶媒体を取り出すために圧力容器を開く必要がなくなる。このデータリンクは、圧力容器のＲＦ透過窓を通じて動作する無線リンクを介して、または圧力容器の外部の小さなアンテナを介して、有線コネクタによって提供される。同様に、システムの電池は、充電または交換のために取り出されるのではなく、圧力容器内の定位置に置かれたまま充電される。電力は、有線コネクタによって、または誘導結合されたポートを介して供給されることが好ましい。有線接続が使用される場合、これらの接続は、当業者には周知の圧力キャップ組立体を使用することによって、高圧環境から保護される。
【００２０】
圧力筐体およびセンサは、海底にシステムを配備するための固定具およびシステムをその後回復するための浮遊装置の接続を可能にする構造体に取り付けられることが好ましい。特に効率的な設計では、浮遊装置自体がこの構造体として働く。それだけには限らないが、向きおよび傾斜を決定するためのセンサユニット、ならびに音響応答器システムなどの他の部材も、望みに応じてこの構造体に接続される。
【００２１】
これらの設計上の革新によって、その結果得られる水中ＥＭ測定システムは、従来のシステムより実質上小さく、使用がはるかに簡単で、かつ頑丈になる。寸法の低減は、圧力容器構成要素の重量およびコストの実質上の低減につながり、またそれに関連して、浮遊装置ならびに配備および回復機器などの補助システムのコストの低減につながる。さらに、寸法の低減により、はるかに多くのシステムを調査船によって運ぶことができ、またはシステムを遠隔操作機によって海底に直接配備することができ、それによって船による配備で発生する配置の誤りをなくす。
【００２２】
本発明の追加の目的、特徴、および利点は、図面と併せて、好ましい実施形態についての以下の詳細な説明からより容易に明らかになるであろう。図面では、複数の図で同じ参照番号が対応する部分を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】従来技術によって構築された水中電磁測定システムの斜視図である。
【図２】本発明によって構築された小型電磁センサシステムの斜視図である。
【図３】本発明の別の好ましい実施形態による水中電磁測定用システムの斜視図である。
【図４】水中電磁測定用感知筐体の斜視図である。
【図５】別々の圧力容器に入れた磁界誘導コイル間の直交支距の定義を示す図である。
【図６】ある磁界誘導コイルが別の磁界誘導コイルに対して及ぼす界の歪み効果の測定値を示すグラフである。
【図７】垂直および水平軸でアンテナ電圧を規定する３軸センサ構成の概略図である。
【図８】垂直磁界センサが水平磁界センサの周囲に配置された３軸センサ構成を含む本発明のさらに別の好ましい実施形態の斜視図である。
【図９】電位感知組立体の図である。
【図１０】図１０ａは、電位アンテナによって生じた周囲の電位の歪みを、アンテナの内部空間内に媒体を流すことによってどのように低減できるかを示す図である。図１０ｂは、電位アンテナによって生じた周囲の電位の歪みを、アンテナの内部空間内に媒体を流すことによってどのように低減できるかを示す図である。
【図１１】本発明によって構築された電位測定装置に接続された絶縁電極を示す図である。
【図１２】媒体内で電位差Ｖ０に結合する任意の形の２つの電極の斜視図である。
【図１３】導電媒体内の一般的な電極のための一次等価回路を示す概略図である。
【図１４】導電媒体内の一般的な電極内のノイズのための等価回路を示す概略図である。
【図１５】従来技術（上図）によって構築されたＡｇ／ＡｇＣｌ電極を、本発明によって構築された焼結タンタル粉末電極と比較して示す斜視図である。
【図１６】本発明によって構築されかつ深海水中で電界を測定するために使用される４つの完全な電位アンテナの斜視図である。
【図１７】水中で測定された電界センサシステム性能の比較を示すグラフである。
【図１８】電界信号増幅器の図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
まず図２を参照すると、電界および磁界を測定するためのセンサ筐体２００は、単一の圧力容器２５０内に組み込まれた電位アンテナ２３１〜２３５および磁気誘導コイル２４１〜２４３からなる小型の装置を備える。圧力容器２５０内にはまた、センサデータを記録しかつ保存するデータ取得システム２５５と、電源２７０とが収容される。圧力容器２５０は、寸法および重量を最小限にするために、個別の接続された区画２６１、２６２、２６３からなる。アンテナ２３１〜２３５、コイル２４１〜２４３、およびデータ取得システム２５５への電気的接続、ならびにそれらの間の電気的接続はすべて、圧力容器２５０内に密閉される。すべての電気構成要素は、常に接続されたままである。特に、アンテナ２３１〜２３５、コイル２４１〜２４３、および他の電気システムは決して、通常動作中にシステム２００のデータ取得システム２５５から取り外されない。
【００２５】
一体型の圧力容器２５０により、磁界誘導コイル２４１、２４２を、小型の十字形構成内に構成することができる。この十字形構成は、一方のコイル２４１が他方のコイル２４２によって測定される界にもたらす歪みを最小限にする。本発明によって構築される構成の利益は、データ取得システム２５５用の圧力区画２６３を直接、磁界誘導コイル用の圧力区画へ接続することにより、磁界センサ用の第１段増幅器をデータ取得システム２５５と同一場所に配置することができ、それによって、磁界誘導コイル２４１、２４２を密閉するのに必要な圧力容器区画２６１、２６２の寸法を最小化することである。実際には、各磁界誘導コイルに必要な磁界信号増幅器全体を、データ取得システムの回路と一体化させ、それによってさらに、圧力容器２５０の寸法を最小化し、かつ内部の電気コネクタおよびケーブルの数を減らすことができる。
【００２６】
各磁界誘導コイル２４１〜２４３の周りには、局所的な磁界を生成できるソースコイル２８１〜２８３が存在し、この磁界は、それぞれの磁界誘導コイルによって感知される。図２では、これらのソースコイルを、磁界誘導コイルの長さに沿って巻かれて延びる、つる巻線２８１〜２８３として示す。しかし、これらのソースコイルは、圧力容器に適合する任意の長さのものとすることができ、さらには、１回巻いたコイルを使用することもできる。生成された磁界は、必要なときに励起させることができる。特に、システムが配備された後に短時間電源を入れて、磁界センサの動作を確認し、データを収集すべき正確な位置のセンサの応答関数を限られた形でさらに較正することができる。同様に、望みに応じて、局所的な電位を生成するために、各電界電位アンテナ内に小さな導体（図９に５２３として示す）が組み込まれる。一体型の圧力容器２５０を使用することで、センサ動作を確認するために使用される磁界および電界源のデータ取得システム２５５への接続、ならびにこれらの源の動作がかなり容易になる。
【００２７】
センサ筐体は、図３に示す他のシステム要素と一体化される。水中ＥＭ測定システム１００の全体的な形式は、すべてのシステム要素を接続する構造体として働くこともできる浮遊装置１２０に接続された感知筐体２００、ならびにナビゲーション１３０、標識１４０、点滅器１５０、回収用リング１６０、音響応答器１７０、固定具１８０、およびアンテナ１９０である。図３では、アンテナ１９０を、圧力容器１５０の壁を横切るものとして示す。しかし、十分な寸法のＲＦ透過窓が容器１５０内に構築されることを条件として、アンテナ１９０を容器１５０内に入れることもできる。電位アンテナ２３２などが枠および補助システムに非常に近接しているので、電気化学的腐食が発生する可能性を最小限にするために、媒体に接触しているすべてのシステム構成要素の反応性を極めて低くすることが不可欠である。感知筐体の画期的な設計のために、固定具および浮遊要素の寸法を大幅に削減することができる。その結果、全体的なＥＭ測定システム１００の最大直線寸法は、従来の現況技術のシステムの約１／１０であり、体積は１／４である。これらの寸法を削減することで、より多くの測定システムを所与の船で運ぶことができ、また船上での取扱いがはるかに容易になる。
【００２８】
好ましい動作形態では、システムは、海底で水中に配備される。しかし、この適用分野では、海洋、海水、および海底という用語は、十分なレベルの電気伝導が発生しうる水域を広く参照するために使用され、海洋に限定されるものではなく、湖沼、河川、および電位アンテナへの適切な接続のために飽和したまたは十分に飽和させた土壌を含む。特に、水中とは、電位アンテナが適切な容量結合を提供するのに十分な流体に接触していることを意味する。海底とは、水面下の地質学的特性を精査すべき土地と電位アンテナが結合する流体領域との表面を意味する。同様に、浮遊および固定のための補助システムの提供は、深海配備の最も一般的な現在の慣行に適用されるが、それに限定されるものではない。実際には、システムは、潜水艦によって据え付けかつ／もしくは回収し、ケーブルを介して海底へ降ろし、または手で湿地に配備することができる。さらに、主要な適用分野は、地磁気地電流（ＭＴ）または信号源制御型電磁（ＣＳＥＭ）法によって、海底の導電性プロファイルの画像化のためにデータを収集することである。しかし、測定システムは、これらの適用分野、またはこれらの適用分野で通常引用される０．００１Ｈｚから１０Ｈｚの周波数範囲のいずれにも限定されるものではない。
【００２９】
センサ筐体２００の別の第２の例示的な形式を図４に示す。２つの磁界誘導コイル２４１、２４２およびこれらのコイルに関連する信号増幅器、４つの電位アンテナ２３１〜２３４およびこれらのアンテナに関連する信号増幅器（符号なし）、データログ記録処理装置２５５、ならびに電源２７０が、単一の圧力容器２５０内に組み込まれる。圧力容器２５０により、深海配備中に、センサおよび電子機器をほぼ大気圧に維持することができる。磁界信号増幅器および計時装置は、データログ記録処理装置２５５内に組み込まれ、またはこのデータログ記録処理装置に隣接する回路基板２５７内に組み込まれる。同様に、電界信号増幅器も、データログ記録処理装置２５５内または回路基板２５７内に組み込まれる。ただし、電界信号増幅器の第１段は、要素５２０で示す電位アンテナに隣接して配置することができる（上記の議論参照）。圧力容器は、規定の構成で配置された管状の１組の補助圧力容器２５２、２５３に接続された中心ハブ２５１からなる。管２５２、２５３とハブ２５１との組合せにより、必要とされる特定のセンサの向きと、圧力が保護される空間の体積と、製作および材料コストとの間で最適の兼合いが提供される。補助圧力容器２５２、２５３は、溶接部、接着剤接合部、またはＯリングなどの封止ガスケットによって、ハブ２５１に封止される。望ましいならば、少なくとも圧力容器２５２、２５３は、ケーブルを通すのに適した開口部を有するハブ２５１と交差する単一の管とすることができる。好ましい実施形態では、磁界誘導コイルを収容する管は圧力容器に溶接され、これらの管の端部は、ガスケットによって管を封止する端部キャップで閉じられる。電位アンテナは、下に述べるように、誘導コイル管の端部キャップ内に組み込まれる。電位アンテナは、動作するために海水に接触しなければならないので、この好ましい実施形態によって構築された感知筐体には、圧力容器を通るセンサの電気的接続の数をできるだけ小さくする必要があるという特徴がある。
【００３０】
従来技術のシステムでは、感知筐体のシステム要素に対して、個別の圧力容器が使用される。特に、これには、磁界誘導コイルをそれらの磁界信号増幅器に接続しかつ電位アンテナをそれらの第１段増幅器に接続するケーブルが、海水中を通る必要がある。磁界誘導コイルおよび電位アンテナによって生成される信号は、わずか１ｎＶ（１０−９Ｖ）である可能性がある。ケーブルを直接海水の流れにさらす結果、スプリアス電気信号が生成される可能性があり、またケーブル性能を全体的に劣化させる恐れがある。したがって、圧力容器２５０内にすべてのセンサケーブルを密閉する利益は、センサケーブルが媒体に接触するのを防止し、それによって、関連するノイズおよびケーブル故障の可能性を低減させることである。一体化された感知筐体のさらなる利益は、アンテナ間またはコイル間のケーブルのあらゆる電気コネクタを圧力容器内に入れ、それによって、海水にさらされる可能性から防止することである。従来技術のシステムの欠陥は、高圧の海水中で動作しなければならない各アンテナおよびコイル信号経路内に１つまたは複数の電気コネクタがあることである。そのようなコネクタは、接続されまたは取り外されるとき損傷する恐れがあり、海水がコネクタに浸透した場合、電気化学的腐食ノイズを生じる恐れがある。これらの問題は、システムが海底に配備されるまで現れず、収集されたデータが分析されるまで検出できないので、従来のシステムでは、そのような故障の影響は悪化する。
【００３１】
システムの好ましい形式では、２つの磁界誘導コイルが、ほぼ水平の平面内に位置決めされる。この向きは、測定システムが海底に置かれることによって提供され、またはシステムが水域内に配置される場合、浮遊装置および固定具の適切な組合せによって提供される。最も簡単なバージョンでは、磁界誘導コイルは直角に交差する。しかし、センサは、ともに動作して周囲の磁界の直交方向の成分を測定するように構成されるだけでよい。磁気コイルと同じく、電界センサも、周囲の電界を直交に測定するように構成されなければならないが、望ましい場合は、電界測定軸を磁界軸から独立させることができる。しかし、好ましい実施形態では、電界アンテナは、誘導コイルを収容する圧力容器の端部に取り付けられ、それによって電界および磁界測定方向を整合させる。
【００３２】
磁界誘導コイルを同じ圧力容器内に配置する特定の利益は、図５に示すようにコイルが別々の圧力容器内にある場合より、コイル間の直交距離ｓをはるかに小さくできることである。距離ｓは、２つのコイルの平面に直交する。コイルが別々の容器内にある場合、コイル間の最小距離は、圧力容器壁の厚さおよびコイルのために残した内部の隙間によって設定される。アルミニウム６０６１合金などの強度の高い材料を深海（５０００ｍ）中に配置する場合、約０．５ｃｍの壁厚さが必要とされる。隙間に０．５ｃｍおよび支持構造体の組立て公差にさらに１ｃｍを見越すと、本深海測定システム内の磁界誘導コイルは、少なくとも３ｃｍ離れる（ｓ＝３ｃｍ）。図６は、ある磁界誘導コイルが別の磁界誘導コイルに及ぼす磁界歪みの測定値とコイルの中心間の直交離隔距離（すなわち、距離ｓ）との関係を示す。この測定では、２つの磁界誘導コイルは、コイルの中心で交差する（図５に示す通り）ように直交して配置され、周囲の磁界は、一方のコイルの軸に沿って配向する。図６では、分離されたコイル（ｓ＝∞）のコイル応答を実線の帯（応答＝１１１）として示す。直感に反して、コイルが接触している（ｓ＝０）ときに一方の磁界誘導コイルが他方の磁界誘導コイルに及ぼす影響はわずかであり、芯線が少なくとも５ｃｍの離隔距離まで離されると、相互作用は直線的により強くなる。磁界誘導コイル内で使用される透磁率の高い芯線は、コイルの長さ程度の距離にわたって周囲の磁界をコイルの軸と平行にすることによって、コイル感度を高める。芯線が接触しているときに一方の芯線が他方の芯線に及ぼす影響がこうして驚くほど小さい理由は、芯線が本質的に、芯線自体のすぐ外側の界に零位を生成するからである。その結果、芯線が互いに非常に近接しているとき、芯線は実際には低磁界領域に位置し、したがって、芯線の正味の歪み効果は最小限になる。その結果、コイルの離隔距離が最小限になる（ｓ→０）ように両方のコイルを共通の圧力体積内に組み込むことで、磁界誘導コイルが少なくとも圧力容器壁の厚さだけ、また多くの場合それより相当大きな距離だけ離された従来技術のシステムより、周囲の磁界をより精密に測定することができる。
【００３３】
電極によって測定すべき基本的な信号は電界である。実際には、２つの空間的に離れた点で電位が測定され、電位差Ｖａ−Ｖｂが記録される。この電位差は、等式１によって媒体内の電界に関係する。
【００３４】
Ｖａ−Ｖｂ＝Ｅａｂｒ  ［１］
上式で、Ｅａｂは測定されている電界であり、ｒは測定点間の直線離隔距離である。所与のＥａｂでは、電極間の間隔ｒをより大きくすることによって、測定される電位差を増大させることができる。言い換えれば、ｒを増大させることにより、電極でより高い電圧ノイズをオフセットすることができ、これのことが、現在のシステムの電極間の距離が１０ｍである（すなわち、ｒ＝１０ｍ）理由である。ｒのベクトル方向は、電界Ｅの方向を規定する。したがって、１つの電極が各電界信号に共通する構成で、３つの電極だけを使用して２方向のＥを測定することができる。
【００３５】
図２に示す感知筐体の例示的な形式では、第５の電位アンテナおよび第３の磁界誘導コイルは、他の２対の電界および磁界センサの平面に直交する方向の電界成分および磁界成分を測定するように、感知筐体内に組み込まれる。４つの電位アンテナの中心から第５のアンテナへの方向に沿った電界は、第５のアンテナの読取り値（Ｖ５）から、水平面の４つの電位の読取り値（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４）の平均を減算することによって、求めることができる。４つの電位アンテナが実質上水平面にある標準的な配備では、底面に対する第５の電位アンテナの方向は実質上垂直であり、この方向の電界Ｅｚは、等式２によって与えられる。
【００３６】
【数１】
2010512538.tif 000003
【００３７】
上式で、ｈは、図７に示すように、４つの水平アンテナを含む平面からの第５のアンテナの高さである。等式２で与えられる式によって垂直電界を導出する利益には、標準的な電位差測定に必要な２つの追加のアンテナではなく１つの追加の電位アンテナだけが必要とされ（等式１参照）、また水平アンテナを使用することにより、システム高さの最小の正味増大量でｈの最大値が得られることが含まれる。確かに、垂直界は、水平界のための平面センサに直交する電界成分を測定するように、２つの追加の電界電位アンテナおよび別の電界信号増幅器を追加することによって、内蔵式の追加の測定チャネルを介して測定することもできる。直交方向の電界および磁界の測定を追加することで、最終的な界データを任意の望ましい組の３軸座標に分解することができる。これは、一部の水中画像化適用分野では利益になる。
【００３８】
通常、垂直電界Ｅｚおよび垂直磁界Ｂｚを水平界の場合と同じ感度で測定する必要はない。したがって、垂直方向の電位アンテナの効果的な離隔距離ｈおよび垂直磁界誘導コイルの長さは、水平面の同等値より小さくすることができる。システム高さを低減させることで、水の流れに起因するシステムへの横方向の抗力を低減させる利益がある。そのような力はセンサを直流の地磁気内へ移動させ、その結果スプリアス磁界信号を発生させる可能性があるので、これは特に重要である。さらに、従来のシステムは、水流によって生じる移動のために紛失されてきた。水からの横方向の力をさらに低減するために、垂直磁界誘導コイルは、図８に示すように、水平磁界センサを本質的に取り巻く平坦なコイル３２０として構成することができる。３軸構成の変形形態は、垂直電界感知機能２３５とともに構築することができ、または一部の適用分野では、コストを削減するために垂直磁界機能なしで構築することができる。
【００３９】
好ましい実施形態では、電位アンテナは、磁界誘導コイルを収容する圧力容器の端部キャップ内に組み込まれる。電位アンテナ組立体５００の構成を図９に示す。電位アンテナ５５０は、穿孔された接続管５５５によって圧力容器端部キャップ５０２に取り付けられる。端部キャップ５０２と圧力容器５０６の組合せにより、測定すべき電界を歪ませる効果を有する導電性の空隙を海水中に生成する。端部キャップ５０２に存在する電界の歪みが大きい領域から電極５５０を離して位置決めするために、管５５５の長さは、端部キャップ５０２の半径にほぼ等しくする。管５５５の穿孔領域５５７により、海水を管内に流入させることができ、それによって管５５５によって締め出される海水の体積を最小限にして、端部キャップ５０２近傍の周囲の電界の歪みを最小限にする。図１０は、穿孔領域５５７をもつ組立体５００および穿孔領域５５７をもたない組立体５００近傍の計算された電位を示す。穿孔された場合、図１０ａでは、電極５５０を通過する定電位の線８２０は、開放された媒体内の線８２５と平行であり、これは、局所的な電位の歪みが最小であることを立証する。穿孔されていない場合、図１０ｂでは、定電位線８３０（図１０ａ内の線８２０と同等）は、管５５５内へ湾曲しており、電極５５０を通過しない。これは、局所的な電位が著しく歪んでいることを示す。
【００４０】
再び図９を参照すると、電極５５０は、直列の導電線およびピンによって電位信号増幅器５２０に接続される。図９では、端部キャップ５０２の内面に接続された増幅器５２０を示すが、増幅器５２０は、圧力容器内の任意の場所に配置することができる。海水などの電解液にさらされた異種物質間で生じる比較的急速な電気化学反応を最小限にするために、導線５５２は電極５５０と実質上同じ化学組成を有することが好ましい。電極５５０のうちの海水に接触する面積を最大限にするために、この接合部は管５５５の穿孔５５８によって海水にさらされることが好ましい。導線５５２が電極５５０とは異なる組成を有する場合、導線５５２と電極５５０との接合部を封止して、海水にさらされるのを最小限にすることが好ましい。導線５５２は、電極５５０と増幅器５２０との間の直列抵抗を最小にするように導電性および面積の点で最適化された棒５５３に接続することが好ましい。必要な場合、管５５５の穿孔領域５５７で締め出される海水の体積を最小限にするために、棒５５３は、第２の細い導線５５９に接続される。導線５５９が使用されるかどうかは、測定すべき電界の歪みの許容レベルに依存する。棒５５３への電気的接続は、海水にさらされるのを防止するために、当業者には周知の方法によって構築される封止材料５５４内に密閉される。導線５５９は、端板のフィードスルー５１０に接続される。このフィードスルーは、端部キャップ５０２への高圧封止材を有し、当業者には周知の方法によって構築される。
【００４１】
電極５５０の周りの海水の運動は、多孔質キャップ５６０の使用によって最小限にされる。このキャップにより、浅い水深（１０ｍより深い）で見られる典型的な圧力で、水は分単位の時間尺度で電極５５０の周りの空間に入ることができるが、アンテナの周りの流体の乱流を抑える。アンテナ組立体全体は、測定すべき電界内に発生させる歪みを最小限にするために網または格子タイプの材料から構築されるカバー５６５によって、機械力から保護される。
【００４２】
好ましい実施形態では、電位信号増幅器５２０、または少なくともこの増幅器の第１段は、端部キャップ５０２の内側に直接組み込まれる。この場所に増幅器を配置することで、フィードスルー５１０からの信号を増幅器５２０の入力ポートへ運ぶのに必要な導体５２４の長さを最小限にする。磁界誘導コイルに関しては、電位アンテナによって生成される信号は非常に低く、１ｎＶ程度である。導体５２４の長さを最小限にすることで、圧力容器内の電磁界によって生成されるスプリアス電圧を拾うのを最小限にする。特に、データ処理構成要素および電力システムは、あるレベルの電界干渉を必然的に生成するが、増幅器５２０を端部キャップに配置することで、当該の信号をこの干渉のレベルより上に増幅してから、ケーブル５２６を介して圧力容器の本体内に伝送することができる。対照的に、従来技術のシステムでは、電位アンテナからの信号は、最初に増幅されるまでに長さ５ｍのケーブルを通過する。
【００４３】
増幅された電位電圧を減算して、実質上水平な界（上記等式１）および実質上垂直な界（上記等式２）を求めるのに必要な電圧差を提供することは、アナログ差動回路を使用して実行され、次いでさらに増幅されることが好ましい。便宜上、端部キャップに配置された増幅構成要素、差動回路、および後続の増幅器を、電界信号増幅器と呼ぶ。したがって、水平面の界（Ｅｘ、Ｅｙ−図７参照）に対するそのような電界信号増幅器はそれぞれ、２つの電位アンテナに接続され、垂直界Ｅｚに対する電界信号増幅器は、５つの電位アンテナすべてに接続される。別法として、個々の電位信号増幅器からの信号はデジタル化され、データログ記録処理装置によって電圧間の差が計算される。この場合、端部キャップ（および使用される任意の後段増幅）にある２つの電位信号増幅器を水平軸用の電界信号増幅器と呼び、かつ５つすべての電界電位増幅器からなる群を垂直軸用の電界信号増幅器と呼ぶ。
【００４４】
各磁界誘導コイルからの信号は、磁界信号増幅器によって増幅される。電位信号増幅器に関しては、好ましい実施形態では、磁界信号増幅器は、信号が増幅される前に圧力容器の内側からのスプリアス信号を拾うのを最小限にするために、入力信号源（この場合、磁界誘導コイル）にできるだけ近接して配置される。革新的な設計では、水平軸に使用される誘導コイルからの出力ケーブルは、従来技術で通例であるようにコイルの端部ではなく、中心から出る。この構成により、磁界信号増幅器を各コイルの中心およびハブ内に配置することができ、コイルからの増幅されていない信号を運ぶケーブルの長さと、圧力容器のうちの水平コイルのみを収容する部分の長さおよび直径との両方を最小限にする。
【００４５】
磁界および電界信号増幅器の出力は、データ取得システムによってフィルタリングされ、デジタル化され、かつ記憶される。一般に、データ取得システムは、当業者には周知の方法によって設計されかつ構築される。論じたように、本発明の革新的な要素は、取得システムを電磁センサと同じ圧力容器内に密閉することである。したがって、この取得システムの設計の重要な特徴は、システムが生成する電界および磁界の干渉およびノイズの放出を最小限にすることである。たとえば、長い導線内の１ｍＡの電流Ｉが、導線から１ｍの距離ｒで生成する磁界Ｂは、Ｂ＝μ０Ｉ／２πｒの関係により、２００ｐＴである。上式でμ０は自由空間の透磁率である。２００ｐＴという磁界は、水中磁気測定における当該の界より約１０００倍大きい。そのような干渉を最小限にするための手法は、低ノイズ回路要素を、デジタル化および記憶電子機器からできるだけ遠く離すこと、ならびに等しくかつ逆方向の電流が隣接する導体内を流れるようにすべての電流路を配置することである。特に、スイッチング電圧調整器の使用を最小限にし、かつ当該の測定周波数帯域内でデジタル動作を発生させないように、システムを設計することが重要である。
【００４６】
電子機器の組込みのさらなる要素では、音響通信リンクおよび応答器に対する制御電子機器が、取得システムおよび電源と同じ圧力容器内に組み込まれる。そのような組込みにより、音響システム電子機器に電力供給するための別々の電池ユニットが不要になる。これらの電子機器は、他のシステム電子機器と同じ回路基板２５５または１組の回路基板２５７内に組み込まれると理想的である。このようにして電子機器を組み込むことで、動作状態メッセージを水面へ送信する目的で、データ取得システムは音響応答器と容易に連結できるようになる。そのようなメッセージにより、システム操作者は、データが記録される前に、測定ユニットが完全に動作していることを確認することができる。
【００４７】
データ取得システムには、精度の高い計時機構によって時間基準が提供される。現在の慣行では、複数の電磁測定システムからなる配列が、最大３０日間海底に配備される。配列全体にわたってデータを処理できるようにするために、複数のシステム間で精密な時間基準を用いてデータが記録されることが重要である。実際には、１日当たり５ミリ秒（０．００５秒）という最大の計時機構のずれが、炭化水素の海底写像の適用分野で一般に指定されている。この精度の計時機構は、複数の商業的供給源から購入することができるが、計時機構の主発振器を一定の温度に維持するために比較的高い電力を必要とするという欠点がある。必要な計時機構の精度を最小限にする方法の１つは、水面から音響リンクを介してタイミングパルスを送信することである。応答器をデータ取得システムと同じ圧力容器内に組み込む利益は、独立したモジュールの相互作用に起因する制御不能な時間遅延なく、音響リンクの出力をデータ取得システム内へ直接取得できることである。外部タイミング基準を使用することによって、基準が１日当たり１回使用される場合、計時機構の必要な精度を、たとえば１日当たり５ミリ秒から１日当たり１００ミリ秒オーダーまで低減することができる。計時機構および実際にはシステム全体によって使用される電力のさらなる低減は、システム全体を全電力で動作させかつ計時機構の時間をリセットするための制御信号が音響リンクを介して送信されるまで、システムを待機モードで動作させることによって達成される。
【００４８】
データ出力は、高速デジタルリンクを介して供給される。そのようなリンクを使用することで、データ記憶媒体を取り出すために圧力容器を開く必要がなくなり、またこの媒体が正しく再設置されないというリスクがなくなる。データリンクは、圧力容器のＲＦ透過窓を通じて動作する無線リンクを介して、または圧力容器の外部の小さなアンテナを介して、有線コネクタによって提供することができる。有線接続が使用される場合、これらの接続は、圧力キャップを使用して、高い海洋の圧力から保護することができる。この圧力キャップは、ダウンロードポートへのアクセスが望まれるとき、周囲の空気圧力で取り外される。
【００４９】
センサ筐体のための電力は、充電可能な電池によって供給される。充電することにより、電池を取り出しかつ再配置するために圧力容器を開封する従来技術のシステムでの必要がなくなり、また新しい電池自体のコストがなくなる。好ましい実施形態では、センサ筐体の圧力容器２５０の体積を最小限にするために、圧力耐性の電池が海洋圧力に直接さらされる。電池パックをセンサ筐体の圧力容器２５０の外側に配置するには、外側にある電池から圧力容器２５０内の電子機器へ電力を伝達するために、圧力容器２５０の壁を通じて電気的接続を行う必要がある。しかし、電池を外側に置くことで、圧力容器壁を通じた電気的接続で充電のための電力を運ぶ必要がなくなり、したがって、圧力容器２５０を通じた電気的接続の数の正味の増大量は存在しない。電池パックを外側に置くには、電池から圧力容器へ電力を運ぶために、圧力容器２５０の外側にケーブルを置く必要がある。しかし、このケーブルによって拾われる電気的干渉およびノイズの影響は、内部の電気システムの電力レールへ渡されるだけであり、その最終結果は、電界または磁界信号増幅器に接続されたケーブルによって拾われる同じレベルの干渉およびノイズと比較すると、無視できるほどである。
【００５０】
前述のように、磁界誘導コイルおよび電位感知アンテナを、データログ記録処理装置と同じ圧力容器によって組み込む結果、全体的なシステムがはるかに簡単になり、また当該の非常に小さな信号を運ぶケーブルを圧力容器の外側からなくす。実際のレベルでは、センサケーブルをさらすことなく単一の圧力容器２５０を使用することで、浸漬被覆の使用により、センサ筐体全体を覆って連続した保護層を生成することができる。そのような被覆は、圧力容器内の接合部を覆い、それによって腐食電圧および腐食電流の発生を最小限にする好ましい方法を提供する。さらに、電位アンテナを圧力容器の端部キャップ内に完全に組み込むことで、圧力容器の外側のケーブル、関連するコネクタ、およびシステムによってこれらのアンテナが結合されかつ制御されなければならない場合は普通なら不可能なはずの他の革新的なシステム要素を、実際に追加することができる。現在の従来技術の水中ＥＭ測定システムで利用可能なものを超える主要な追加の特徴は、望ましい制限の範囲内でシステムがそのような界を検出できることを確認するために、それぞれのアンテナの近傍に電位および磁界を生成する機能である。各磁界誘導コイルの周りには、必要なときに磁界を生成できる１から１０回巻いた小さなソースコイルがあり、この磁界が、Ｂフィールドセンサによって感知される。特に、こうして生成された界は、当該の測定が行われる前にＢフィールドセンサの動作を確認するために、システムが海底に配備された後、短時間励起させることができる。さらに、望ましい周波数範囲にわたって界を生成することによって、測定チャネルの応答関数は、データを収集すべき厳密な位置で、限られた形で較正することができる。同様に、図９を参照すると、増幅器５２０への入力で局所的な電位を生成するために、小さなソース電位が導体５２４に容量結合または抵抗結合される。このソースは、増幅器入力に、たとえば導体５２４に容量結合する増幅器回路基板上の導体５２３であることが好ましいが、望ましいならば、適切なバルク抵抗によって直接抵抗接続を行うこともできる。別法として、ソース信号は、海水に接触しないように穿孔された接続管５５５の絶縁体内に埋め込まれた導体によって生成することができる。この構成では、ソースの導体と電極５５０との間の主要な結合は、それらの相互静電容量を介して行われる。磁界チャネルに関しては、生成された電位を励起させて適切な動作を確認することができ、また望ましい周波数範囲にわたって電位を生成することによって、測定チャネルの応答関数を較正することができる。
【００５１】
電位源と磁界源はどちらも、システムが船の甲板のドック上で空気中にあるとき、およびシステムが浸漬されているときに励起させることができる。電界センサの場合、濡れた条件および乾いた条件で別々に、ソースへの応答を較正する必要がある。動作の一般概念では、感知筐体の圧力容器は、工場での保守または修理の場合を除いて決して開かれることはない。システムが必要な仕向け先へ出荷されるとき、各ソース電位または界を順に励起させることによって、各測定チャネルの終端間動作が確認される。同様に、システムを海洋へ配備するより前に船上で、またシステムが海底に置かれた後も、正しい動作を確認することができる。データログ記録処理装置は、望ましいだけの頻度で海底での機能点検および／または現場での較正を繰り返すようにプログラムすることができる。どの場合も、各測定チャネルによって記録される信号の絶対値は重要ではなく、所与のソース強度に対して記録された値が、出荷前に工場でシステムが最初に動作されてから変化していないことを確認することが重要である。センサチャネル動作を確認しかつその結果を報告する処理は、システム動作状態を報告させるための命令に従って自動的に行われるようにプログラムすることができる。
【００５２】
好ましい実施形態では、浮遊装置に使用される組立体１２０はまた、すべてのシステム要素をともに接続する支持構造体として働く。これらのシステム要素を組み合わせることで、システムコストおよび重量を低減し、また互いに接触する異種物質の数も低減する。さらに好ましい実施形態では、浮遊装置は、圧力容器を覆う絶縁被覆を損傷する可能性のある衝撃および摩耗からセンサ筐体を保護する。
【００５３】
小型システムの寸法を低減する利益は、磁界誘導コイルに非常に近接して配向モジュールを組み込むことが容易になることである。従来技術では、地磁気に対するセンサ軸の向きを測定するために、別々の配向モジュールが使用される。ナビゲーションモジュールは通常、磁北に対する方位を求めるために磁気コンパスを使用し、このコンパスが測定する地球の直流界は、磁界誘導コイル内に透過性の芯線が存在することによって歪む。従来技術では、この歪みは、全体的なシステム支持構造体上で磁界誘導コイルから最も近くても５０ｃｍ程度の距離に配向モジュールを配置することによって克服される。こうして遠く離して配置するには、配向モジュールは、別々の圧力容器内に配置され、かつそれ自体の記録システムおよび専用の電力システムを有する必要がある。本発明によって構築された小型システムでは、配向モジュールは、磁界誘導センサと同じ圧力容器内に組み込むことができ、また同じ物理回路基板（たとえば、２５７）内に組み込むことができる。これは、ナビゲーションモジュールのコンパスによって生成されるデータに対して誘導センサが及ぼす歪み効果をすっかり較正するために、全体的な電磁測定システムの寸法を低減することで、当業者には周知の方法によって地磁気内でシステムを回転できることから可能になる。ナビゲーションモジュールがそのように共通の圧力容器内に組み込まれるとき、その出力は、データ取得システムによって記録することができ、またその電力は、共通のシステム電源によって供給することができる。
【００５４】
システム寸法が小さいことのさらなる利益は、システムの配備および回収が容易になることである。従来技術では、システムは、システムのブームの端部の電界センサの損傷を防止するために、調査船の側面の上へ突出するクレーンまたは類似の構造体によって海洋から回収する必要があった。そのようなクレーンを使用するには、センサシステムにフックを取り付ける必要がある。これは、船の甲板からでは困難であり、危険を伴う恐れがある。センサシステムの寸法を小さくすることで、システムを落とし口から海洋内へ配備することができる。さらに、システムは、水面へ戻った後、簡単な網または柄杓で海洋から収集することができる。
【００５５】
電極は、抵抗性電流が媒体へ伝達されるのを防止するために意図的に電気絶縁された導電材料から形成される。図１１は、導電材料１が導線または他の接続要素３によって増幅器２に電気的に接続されることによって構成される電極の代表的な構成を示す。電極の一部またはすべては、媒体４内に浸漬され、媒体４の電位が測定される。導線３は、絶縁材料５または他の手段によって媒体４から完全に絶縁される。導電材料１と媒体４との間の電気伝導および電気化学反応は、絶縁材料層６によって最小限にされる。
【００５６】
規定の容量電極を提供するために、電極１の本体および絶縁隔壁６に選択される幾何形状および材料は、以下の特性を有するべきである。
【００５７】
１．絶縁材料６は、電気化学ノイズを最小限にしかつ長い有用寿命を提供するために、媒体４とまたは導電材料１と化学反応を起こすべきではない。
【００５８】
２．絶縁材料６は、材料６と媒体４との間の望ましくない電気化学反応によって発生しうる電極導体１から媒体への電流の流れを最小限にするために、良好な電気絶縁物とするべきである。
【００５９】
３．絶縁材料６は、導体１が媒体４に接触するのを防止するために、欠陥なく連続して導体１を覆うように形成するべきである。
【００６０】
４．電極は、高い静電容量Ｃｅを提供するために、高い表面積を有するべきである。静電容量は、電極の表面積に比例する。
【００６１】
５．絶縁材料６は、高い静電容量を提供するために、薄くするべきである。静電容量Ｃｅは、材料６の厚さに反比例する。
【００６２】
６．絶縁材料６は、高い静電容量Ｃｅを提供するために、高い比誘電率を有するべきである。静電容量は、比誘電率に比例する。
【００６３】
上記の目標１〜６のいくつかは、実際のシステムでは互いに対立しており、実際には、当該の信号の周波数、許容電極寸法、および媒体の特定の化学特性に応じて兼合いがなされる。たとえば、絶縁材料６をより薄くすると、静電容量を増大させるが、導体１を媒体４に接触させそれによって媒体４と反応させうる微小な穴または他の欠陥が生じる可能性も増大する。同様に、電極面積を増大させると、致命的な寸法の欠陥が絶縁体６に存在する確率を高める。容量電極の従来の使用とは対照的に、本発明によって構築されたシステムでは、極めて低いシステムノイズを達成することが重要である一方、降伏電圧および蓄積電荷などの従来の容量測定法は重要でない。
【００６４】
ゼロまたは低電圧バイアスで媒体に対して一般に反応性の低い材料は、電圧が印加された場合、電気化学反応を有する可能性がある。さらに、それ自体反応しない材料も、駆動電圧が存在する場合、他の化学反応のための触媒として働く可能性がある。したがって、例示的な実施形態では、電極に接続された増幅器は特に、電極と媒体との間に印加される電圧の存在を最小限にするように設計される。特定の設計上の修正形態では、増幅器が電極から直流電流を引き寄せる（それによって電極と媒体との間に直流電圧差を生成する）のを防止するための回路を使用し、増幅器を外界から電気的に絶縁して媒体に対して電気的に浮動させる。
【００６５】
論じたように、電位アンテナ内の電極に絶縁導体を使用する革新は、全体的なシステム寸法の低減を達成する際に、また従来技術と比較するとはるかに便利な動作方法を可能にする際に、不可欠な要素である。媒体内の電位に結合する任意の形式の２つの電極に対する代表的な測定構成を図１２に示す。媒体内の２つの測定点での電位差Ｖ０は、第１の電極表面と第１の電極が中に存在する媒体との間の境界面（ΔＶ＝Ｖｅ１）と、読出し装置への入力（ΔＶ＝Ｖｉｎｐｕｔ）と、第２の電極表面と第２の電極が中に存在する媒体との間の境界面（ΔＶ＝Ｖｅ３）との間で、Ｖ０＝Ｖｅ１＋Ｖｅ２＋Ｖｉｎｐｕｔとなるように分散される。一般的な慣行では、電極と周囲の媒体との間の電気インピーダンスＺｅｍは、できるだけ小さくする。インピーダンスを低減することで、電極−媒体間境界面での電圧降下Ｖｅ１およびＶｅ２を最小限にし、その結果、当該の電位差Ｖ０は、読出し装置の入力間で最大になる。すなわちＶｉｎｐｕｔは約Ｖ０になる。この構成により、読出し装置への入力で信号の振幅を最大限にする。抵抗電極の場合、従来技術によれば、Ｚｅｍは主として抵抗である。この場合、Ｚｅｍをできるだけ小さくする追加の重要な理由は、測定でのノイズを最小限にすることである。たとえば、電極と媒体との間の電気抵抗が１００オームである場合、１．３ｎＶのナイキストノイズが生成される。
【００６６】
最大の感度（すなわち、最小の内部ノイズ）を有するように設計された従来技術のシステムで抵抗を小さくする方法は、電気化学反応によって電解液とイオンを交換する電極を使用することである。たとえば、海水でこれを行う標準的な方法は、表面がＡｇＣｌのＡｇ電極による。しかし、Ａｇ／ＡｇＣｌ電極には、以下の複数の実用上の問題がある。Ａ）反応に関連する直流電位差が、電極間で異なる。その結果、電極は、正味の直流オフセットを最小限にするように、注意深く対にしなければならない。Ｂ）直流オフセットは、温度、塩分濃度、および露光に依存し、その結果、ゆっくりと平衡状態に到達するまで、電極が配備される時間とともにずれる。このずれは、測定で低周波ノイズとして現れる。Ｃ）電極表面での化学平衡状態は、乱流によって容易に崩される。その結果、流体の流れを最小限にするために、電極の周りに多孔質の隔壁材料が配置されることが多い。これらの隔壁材料は、微生物によって詰まる可能性がある。
【００６７】
これらのノイズ源をすべて取り出す方法は、電極表面でのあらゆる電気化学反応をできる限り防止するための積極的な処置をとることである。これは、媒体を通さずかつそれ自体媒体と化学反応を起こさない不活性化層で導電性電極を被覆することによって行われる。限られた場合には、電極と媒体との間に無限の電気抵抗が存在する。この場合、電極と媒体との間の結合は、完全に容量性である。
【００６８】
容量電極、および容量性手段を介して測定を行うシステム（たとえば、水位センサ）は、現況技術の抵抗結合された電極の性能を超えるのに必要な極限レベルの測定感度とは関係なく、複数の実用上の理由（たとえば、皮膚の快適性）で、様々に開発されてきた。実際には、本明細書に記載の発見につながった開発努力以前には、抵抗結合されていない電極が既存の抵抗電極技術の低ノイズ性能を改善できる方式は提案されなかった。
【００６９】
一般的な電極（すなわち、特に容量性でも抵抗性でもない）に対する一次等価回路を図１３に示す。見やすいように、この回路は、溶液中のイオンの拡散に関連するワールブルグインピーダンスなどの媒体に関連する影響を無視する。抵抗性の場合も容量性の場合も、読出し器に結合される信号は、等式３によって与えられる。等式３で、電極インピーダンスＺｅ１、Ｚｅ２は、並列に示す抵抗成分Ｒｅｍと容量成分Ｃｅとの合計であり、すなわち、Ｚ＝Ｒｅｍ／（ｊωＣｅＲｅｍ＋１）である。上式で、ωは角周波数（＝２π×信号の周波数）であり、ｊ＝√−１であり、電極の本体の抵抗Ｒｅは、無視できると見なされる。
【００７０】
【数２】
2010512538.tif 000004
【００７１】
論じたように、従来技術で使用される低ノイズ電極は、主として抵抗性である。その結果、電極インピーダンスＺｅは、電極と媒体との間の抵抗Ｒｅｍによって与えられ、等式１は、等式２によって与えられる従来の抵抗分割器ネットワークになる。前述のように、読出し器の所与の入力抵抗では、電極−媒体間抵抗Ｒｅｍ１、Ｒｅｍ２がより小さくなると、読出し器に現れる電圧Ｖｉｎｐｕｔは最大限になる。
【００７２】
【数３】
2010512538.tif 000005
【００７３】
抵抗結合を防止するために不活性化層で被覆された電極の場合、Ｒｅｍ→∞、Ｚｅ＝１／ｊωＣｅであり、等式１は、
【００７４】
【数４】
2010512538.tif 000006
【００７５】
になる。上式で、Ｃｉｎｐｕｔは、読出し装置の入力静電容量である。読出し段への入力抵抗は、通常、読出し装置の適切な設計によりＲｉｎｐｕｔを非常に大きくすることによって、信号周波数でωＣｉｎｐｕｔＲｉｎｐｕｔ＞＞１となるように十分に大きくすることが望ましい。この好ましい場合では、等式５は、コンデンサ分割器の形式で、周波数から独立する。
【００７６】
【数５】
2010512538.tif 000007
【００７７】
実際には、Ｃｅ１、Ｃｅ２＞＞Ｃｉｎｐｕｔとなるように構成することは簡単明瞭であり、したがって、抵抗電極の最適な場合に関しては、Ｖｉｎｐｕｔは約Ｖｓｉｇｎａｌになる。したがって、等式６によれば、感知電極と媒体との間の電気結合抵抗を必要とせず、電位を媒体から読出し装置へ高効率で結合することができる。
【００７８】
しかし、等式６は、２つの電極をもつ容量結合された測定システムへの信号の結合が可能であることを示すが、そのような測定で、抵抗結合された電極を使用するよりノイズを低くすることができることを、理論上も実際上も証明するものではない。後者の場合、実際には、完全に絶縁性の不活性化隔壁を構築することは不可能であり、ある程度の有限のＲｅｍが常に存在する。図１４は、読出し装置への入力の有限のＲｅｍを含めて、電極によって生成される電圧ノイズを求める等価回路モデルを示す。Ｒｅｍによって生成された電圧ノイズを示すために、Ｒｅｍと直列の電圧源Ｖｅｍｎが明示的に追加された。読出し装置への入力のノイズＶｉｎは、等式７によって与えられる。
【００７９】
【数６】
2010512538.tif 000008
【００８０】
等式７は、有限のＲｅｍが常に存在するので、ωＣｅＲｅｍ≧１の場合、Ｒｅｍが生成するノイズＶｅｍｎを低減できることを示す。ωＣｅＲｅｍ＞＞１の領域では、等式７は、等式８の形式に簡略化することができる。等式８で、Ｖｅｍｎは、√（４ｋＴＲｅｍ）に置き換えられた。
【００８１】
【数７】
2010512538.tif 000009
【００８２】
等式８は、領域ωＣｅＲｅｍ＞＞１では、電極と媒体との間の抵抗Ｒｅｍによって生じる、読出し装置へ結合される等価ノイズは、Ｒｅｍが増大されるにつれて低減されることを示す。これは、Ｒｅｍが増大されるにつれてＶｉｎが増大される従来の抵抗電極の場合とは対照的である。海水中に配備される電極などの実際の適用分野では、Ｖｅｍｎは、ナイキストノイズではなく電気化学的腐食ノイズに左右されるが、一次的には腐食ノイズはまた、√Ｒｅｍに比例する。したがって、実際には、抵抗電極のノイズは、等式６によって予測されるより高いが、Ｒｅｍが増大されるにつれてノイズが低減される１／√Ｒｅｍに等式６が依存するのに従う。
【００８３】
したがって、導電媒体内の電極の動作でノイズが非常に低くなる２つの可能な領域が存在する。
【００８４】
１．電極が抵抗結合される従来技術の領域。抵抗領域では、電極が媒体に結合することによって生成されるノイズは、Ｒｅｍが低減されるにつれて低減する（Ｖｅｍｎ≧√（４ｋＴＲｅｍ）。
【００８５】
２．ωＣｅＲｅｍ＞＞１の領域。この領域では、電極が媒体に結合することによって生成されるノイズは、Ｒｅｍが増大されるにつれて低減する（等式８）。
【００８６】
したがって、ωＣｅＲｅｍ＞＞１になるように導電媒体に結合する電極を開発することは、技術上かつ商業上著しく重要である可能性がある。出発点として、水中電位測定に使用される現況技術の長さ１５ｃｍ×直径１ｃｍのＡｇ／ＡｇＣｌ電極は、Ｃｅ＝７ｍＦおよびＲｅｍ＝１０Ωを有し、その結果、１ＨｚでのωＣｅＲｅｍの積が０．４４になることに留意されたい。このおそらく驚くほど高い値は、静電容量の高い地金が導電流体にさらされることに起因する。電極が厚さ１μｍで比誘電率３の絶縁層によって不活性化された場合、この電極の静電容量は、約１３０ｎＦとなるはずである。静電容量１３０ｎＦの電極の場合、Ｒｅｍは、１１００ＭΩ（１０８Ω）程度でなければならないはずである。これは、利用可能なバルク電子構成要素と比較すると妥当な値に見えるかもしれないが、厚さ１μｍ程度のフィルム上でＲｅｍ＝１００ＭΩを達成するには、５×１０１１Ωｍのバルク抵抗率を必要とする。かなり大きな３次元表面積を覆う絶縁性で水を通さないフィルムを厚さ１μｍの精度で作製することは、著しい技術上の難題である。
【００８７】
以下の表１は、水中に配備できる実用的で費用効果の高い方法で基準ωＣｅＲｅｍ＞＞１を満たす目的で、本発明者らによって構築され次いで海水中で測定された、一連の電極材料候補および構成を列挙する。参考のために、研究室での測定用に基準電極として市販されている試薬級（すなわち、高純度）のＡｇ／ＡｇＣｌ円盤電極を、表１の第１の列に示す。これらの電極材料は、以下の根拠で選択された。
白金：Ｐｔは、水と反応しないので、複数の電気化学工程で標準的な電極として使用される。したがって、Ｐｔは、高いＲｅｍを有するはずである。結合静電容量Ｃｅもまた、電解液中の地金表面の比静電容量が高いので、高いはずである。
シリコン／窒化シリコン：Ｓｉ３Ｎ４は、民生用シリコンウェーハ上に非常に薄い層でほとんど表面欠陥なく成長させることができる非常に硬質の材料である。
炭素繊維：ＰｔおよびＴｉに関しては、炭素は水との反応性をほとんどもたない。さらに、１束の炭素繊維は、非常に大きな表面積を有するはずであり、これは、増幅器入力の絶対インピーダンスを低くするので有益である。
チタン：Ｔｉ金属は、水中で非常に反応性が低く、白金と同じ理由で、高いＣｅＲｅｍ値を有するはずである。
チタン−ルテニウム合金：Ｔｉ−Ｒｈ合金は、反応性が低いので、いくつかの民生用電気化学工程で触媒として使用される。
タンタル：タンタル金属（Ｔａ）は、様々なイオン溶液のうちの１つに入れた電極に電圧を印加することによって精密な厚さに成長させることができる、安定した絶縁性の高い酸化物層（Ｔａ２Ｏ５）を有する。表１で報告する実験では、タンタル酸化物は、１枚のタンタル金属シート上で成長させた。焼結タンタル粉末は、非常に多孔質であり、非常に大きな表面積を有しており、これは、増幅器入力の絶対インピーダンスを低くすることができる。タンタル粉末の場合、不活性化隔壁は、薄い「自然酸化物」を形成する空気の存在下で、タンタル表面の自然酸化によって形成される。
【００８８】
【表１】
2010512538.tif 000010
【００８９】
表１に要約した結果は、公称では不活性の材料（たとえば、Ｐｔ、炭素繊維）が、海水中で驚くほど低い抵抗を有することを示す。これは、ほぼ確実に、意図しない化学反応が、電極表面によって触媒されたこと、または電極表面との間に発生したことに起因する。さらに、炭素繊維の断面が非常に小さい結果、数１０オーム程度のバルク電極抵抗Ｒｅ（図１３参照）が生じる。金属電極の場合、Ｒｅは１０−３〜１０−６オーム程度であり、その影響は、上記の分析では無視できると見なされた。抵抗Ｒｅは、ＣｅおよびＲｅｍと直列に現れ、熱ノイズ（√４ｋＴＲｅ）の形でシステムのノイズに寄与する。１０Ｈｚの帯域幅で２０Ωの場合、このノイズは、１．５ｎＶより大きく、多くの水中適用分野での目標ノイズ仕様より大きい。Ｓｉ３Ｎ４およびＴｉなどの材料では、Ｒｅｍは高いが、Ｃｅは不十分である。単位面積当たりの静電容量で表すと、ＴｉおよびＴｉ−Ｒｈが最も高い値（それぞれ５μＦ／ｃｍ２および１２．５／ｃｍ２）を提供し、２０ｎｍの酸化物隔壁を有するタンタルは、Ｃｅ＝１／ｃｍ２を有する。しかし、Ｔａ／Ｔａ２Ｏ５は、海水中での電気化学的活性がはるかに小さく、ＴｉおよびＴｉ−Ｒｈそれぞれの２５ｋΩｃｍ２および６００ｋΩｃｍ２と比較すると、Ｒｅｍは約１０ＭΩｃｍ２である。所与の材料では、ＣｅおよびＲｅｍは、それぞれ表面積に比例および反比例して変倍しており、したがって、単にその寸法を変えるだけでは、積ＣｅＲｅｍを変えることはできないことに留意されたい。
【００９０】
信号源制御型電磁測深に使用される０．１Ｈｚから１０Ｈｚの範囲にわたる動作では、表１は、Ｔｉ−Ｒｈ合金およびタンタルベース電極のどれもが、十分なωＣｅＲｅｍの積を提供することを示す。地磁気地電流測深に使用される０．００１Ｈｚから０．１Ｈｚのより低い周波数範囲では、焼結タンタル粉末のみが、明らかに、十分な特性を有する。しかし、周波数が低減されるにつれ、１Ｈｚ未満の環境電磁ノイズが約１／周波数だけ増大し、極めて低い電極内部ノイズを求める要件が緩和される。したがって、Ｔｉ−Ｒｈ合金およびタンタルベース電極のどれもがまた、海底ＭＴで適用される可能性が高い。
【００９１】
Ｒｅｍの値は、他の導電媒体、たとえば淡水、または汚染物質含量の高い水（すなわち、潜在的に反応性の化学種）内では異なる可能性が高い。さらに、導体上で金属と被覆とを合金した追加の組合せは、製作コスト、老朽化機構、および藻の発生への耐性などの他の要因が含まれるとき、同等またはより良好な特性を有する可能性が高い。したがって、導電媒体内の非常に小さな電位の測定に使用するための不活性化された電極に使用される材料の選択は、表１に列挙したものに限定されるものではなく、当該の主要な周波数範囲にわたって要件ωＣｅＲｅｍ＞＞１に限定される。
【００９２】
海水中の焼結タンタル粉末電極の場合、Ｃｅ＝５０ｍＦおよびＲｅｍ＞１ｋΩを達成することができ、その結果、１ＨｚでのωＣｅＲｅｍが少なくとも３００になり、それに対応して、少なくとも３００のＲｅｍによって生成される電気ノイズは低減する（等式８）。等式８によって与えられるノイズは、Ａｇ／ＡｇＣｌ電極に対して計算された２９０ｐＶと比較すると２０ｐＶであり、容量性領域の利益を示す。これらの値は実際に見られるよりはるかに低いことに留意されたい。√（４ｋＴＲｅｍ）は、電極が電気化学反応によって抵抗性で接触するときの電圧ノイズＶｅｍｎに対する絶対下限値であるからである。容量性のＴａＯ２で被覆された電極は、１Ｈｚで３Ω程度の低いインピーダンスを有することにも留意されたい。図１５では、焼結タンタル粉末電極６５０が、従来技術によって構築されたＡｇ／ＡｇＣｌ電極６３０と比較される。図１６は、本発明によって構築されかつ深海水中の電界を測定するために使用される４つの完全な電位アンテナを示す。各電極の周りの円筒５６０は、図９に５６０と示す多孔質カバーである。本発明によって構築された焼結タンタルの容量水中アンテナによって測定された電界スペクトルと、従来の現況技術によって構築された、米国サンディエゴ沖水深１ｋｍに共同で配備された従来のＡｇ／ＡｇＣｌベースのシステムとの比較を図１７に示す。３Ｈｚでは、新しい容量電極システムは、最善の従来の技術より５倍感度が高い。
【００９３】
ゼロまたは低電圧バイアスで媒体に比べて一般に反応性の低い材料は、電圧が、たとえば電極の間に印加された場合、電気化学反応を有する可能性がある。この一例はＡｕであり、Ａｕは、０．３Ｖのバイアス電圧で海水と反応してＡｕＣｌ２を形成する。さらに、それ自体反応しない材料も、他の化学反応のための触媒として働く可能性がある。たとえば、Ｐｔ電極は、＋１Ｖから−１Ｖの電圧の範囲で、ＯＨ−、Ｃｌ−、およびＳＯ４−などの水中で一般に見られるイオンとの様々な電気化学反応に触媒をする。この種の反応のいくつかの組合せが、海水中のＰｔに対して低いＲｅｍ値が記録される原因である（表１）。
【００９４】
実際の環境では、潜在的に反応性のイオン種が媒体内に閾値濃度で存在しないことを確実にするのは非常に困難である。したがって、電極が、システム内の他の要素と比較すると無視できるまたは少なくとも小さな電圧ノイズを有する電位測定を実施するには、電界読出し装置は、電極と媒体との間に擬似直流コモンモード電圧バイアスＶｂｉａｓを生成せずに動作する必要がある。Ｖｂｉａｓの影響は、各電極表面での電気化学反応に対して±Ｖｂｉａｓ／２の平均駆動電圧を生成することである。このようにして非常に低い電位を測定するように設計された増幅器を、図１８に示す。この増幅器は、電気的に分離された電池電源および回路接地点に接続されたアナログ増幅モジュールからなる。アナログ増幅チェーンの出力は、デジタル化モジュールへのインターフェースとして働くアナログ光分離段に接続される。デジタル化モジュール自体は、他のシステム要素、たとえば磁界増幅器の直流電位の基準とされる。別法として、アナログ増幅モジュールおよびデジタル化モジュールは、共通の電気的に分離された電池電源および回路接地点に接続され、デジタル化モジュールの出力は、記録システムおよび他のシステム要素の直流電位へのインターフェースとして働くデジタル光分離段に接続される。これらの手段のうちの１つによって、増幅器モジュールへの入力と媒体との平均直流電位の差を最小限にすることができる。
【００９５】
前置増幅器は、低ノイズ差動入力−差動出力前置増幅器の初段からなり、それに差動および計測増幅器段が続く。第１段増幅器は、増幅器およびデジタル化モジュールのアナログ接地電圧からあらゆる残留平均駆動電圧（すなわち、Ｖｂｉａｓ／２）を減結合するために、第１段増幅器の入力でのコモンモード除去比が非常に高くなるように設計される。さらに、システムの残りの部分と前置増幅器出力との間で直流電位の結合を阻止するために、前置増幅器の出力と第２段増幅器の入力との間にコンデンサを配置すると有益である。
【００９６】
さらに、読出し装置に対する入力バイアス回路が媒体から電極への著しい直流電流の流れを必要としないようにすることが重要である。そのような電流を供給するには、媒体への抵抗結合を必要とし、それに関連する電気化学ノイズを伴うからである。したがって、前置増幅器は、その入力が開回路である場合のように動作しなければならない。自由空間（実際には、空気）中の電位を測定するセンサでこれを達成する基本的な方法は、米国特許第６，６８６，８００号および第７，０８８，１７５号でＫｒｕｐｋａによって教示されている。同特許を、参照により本明細書に組み込む。
【００９７】
高いインピーダンス電極を使用するシステムに対するさらなる要件は、読出し装置の電流ノイズＩｎの影響を最小限にすることである。前置増幅器の入力に生じる電流ノイズは、電極のインピーダンスに作用して、入力にノイズ電圧を生成する。２つの測定電極を有するシステムの場合、この電流ノイズは、Ｉｎ（Ｚｅ１＋Ｚｅ２）程度の電圧ノイズを生成する。従来技術では、抵抗電極のインピーダンスは低いことが多く、したがって、電流ノイズは比較的重要ではない。Ｒｅｍを意図的に大きくした容量システムでは、入力段の電流ノイズがその全体的なノイズ性能を左右しないように、電極の静電容量を十分に大きくすることが重要である。
【００９８】
図１８に示す回路では、前置増幅器は、差動入力で動作する。つまり、前置増幅器が端部キャップ５０２に取り付けられた場合（図９参照）、図示のように、短い導体５２４によって１つの入力を接続することができる。しかし、図１８に示す形式では、第２の入力は、電位アンテナ同士を離す必要があるので１ｍ程度離して配置された第２の電位アンテナ組立体から生じなければならない。論じたように、導体５２４を長くし、かつ圧力容器内に通すことで、他のシステム要素からのノイズおよび干渉を拾い、それによって前記ノイズおよび干渉を前置増幅器の入力へ通過させるリスクを高める。代替手法の１つは、それぞれ対応する電位アンテナに配置された２つの別々の差動増幅器に、共通の基準電圧を供給することである。アンテナ電極が第１の入力を供給する一方、この基準電圧は、前置増幅器への第２の入力を供給する。基準電圧は、この電圧を運ぶ導体によって拾われたノイズまたは干渉を除去するために、前置増幅器入力でフィルタリングされる。２つのアンテナ出力がその後の増幅または処理段で減算されるとき（等式１および２参照）、基準電圧はその後の電界測定から除去される。便宜上、基準電圧は、ケーブル５２６内の別々の絶縁導体を介して、前置増幅器へ伝達することができる。
【００９９】
本発明の好ましい実施形態に関連して説明したが、本発明の精神から逸脱することなく、本発明に様々な変更形態および／または修正形態を加えることができることが、容易に理解されるはずである。一般に、本発明は、以下の特許請求の範囲によってのみ限定されるものとする。
【図１】
2010512538.tif 000011
【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１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
2010512538.tif 000023
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2010512538.tif 000027
【図１７】
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【図１８】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年8月12日(2009.8.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電媒体内の磁界および電界を測定するシステムであって、
２つの磁気センサであり、各磁気センサが、磁界信号を生成するための磁界誘導コイルと、前記誘導コイルに接続され、前記磁界信号に基づいて増幅された磁界信号を生成するための磁界信号増幅器とを有し、各誘導コイルが、直交方向の界を測定するように実質上水平に配置される、２つの磁気センサと、
２つの電界センサであり、各電界センサが、少なくとも２つの電位アンテナに接続され、増幅された電界信号を生成するための電界信号増幅器を有し、各電界センサが、直交方向の界を測定するように実質上水平に配置され、前記電位アンテナが、導電芯線と前記芯線を覆う電気絶縁層とを有するそれぞれの容量電極を介して電位に結合するように適合され、前記絶縁層が、前記芯線から前記媒体への抵抗性電流の伝達を防止する、２つの電界センサと、
前記増幅された電界信号および前記増幅された磁界信号を受信し、かつ前記増幅された電界信号および前記増幅された磁界信号を表すデータを記憶するためのデータ取得システムと、
データログ記録処理装置、電気センサ、および磁気センサへ電力を供給するための電源と
を含む、一体型センサ筐体を構成する１群の構成要素を備えるシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記界誘導コイルおよび電界アンテナによってそれぞれ測定される較正磁界および電界を発生させる磁気源コイルおよび導体をさらに備えるシステム。
【請求項３】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記２つの磁気センサに直交する方向の磁界の成分を測定するための磁界誘導コイルをさらに備えるシステム。
【請求項４】
請求項１に記載のシステムにおいて、任意の方向の電界を求めることができるように、前記２つの電界センサの前記電位アンテナより上方に配置された第５の電位アンテナをさらに備えるシステム。
【請求項５】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記誘導コイル、前記磁界信号増幅器、前記電位アンテナ、前記電界信号増幅器、および前記データ取得システムが、共通の圧力容器内に組み込まれるシステム。
【請求項６】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記容量電極が、前記媒体に対して１ｍＦより大きい静電容量を有するシステム。
【請求項７】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記絶縁層が金属酸化物であるシステム。
【請求項８】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記電界信号増幅器が、それぞれの前記電位アンテナと一体化された前置増幅器を含むシステム。
【請求項９】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記電界信号増幅器が前置増幅器を含み、分離段が、前記前置増幅器の出力と最終的な下流のデータ記録段との直流結合を防止し、それによって、前記容量電極での電気化学反応を最小限にするために、各容量電極と前記媒体との間の直流電位差が最小限にされるシステム。
【請求項１０】
請求項５に記載のシステムにおいて、前記電位アンテナのうちの少なくとも１つが前記圧力容器に及ぶシステム。
【請求項１１】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記システムを海底に配備するための固定具と、前記システムを前記海底から回収するための浮遊装置とをさらに含み、前記システムが、前記海底の抵抗率を求めて炭化水素堆積物を定量化するように適合されるシステム。
【請求項１２】
請求項１１に記載のシステムにおいて、前記浮遊装置が、すべてのシステム要素を接続する構造体として働くシステム。
【請求項１３】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記データ取得システムに接続され、命令を受信しかつデータを受信器へ無線で伝送するアンテナをさらに備えるシステム。
【請求項１４】
請求項５に記載のシステムにおいて、前記圧力容器内に配置された、磁気コンパスを含む配向モジュールをさらに備えるシステム。
【請求項１５】
媒体内の非常に低い電位を測定するシステムであって、
前記媒体に対する電気インピーダンスの低い電極と、
前記電極に取り付けられた、導電材料から形成される接続要素と、
前記接続要素に取り付けられた、低ノイズ前置増幅器を含む増幅器であり、前記電極での電気化学反応を最小限にするために、前記電極から前記増幅器入力を通じて引き寄せられる電流を最小限にする入力バイアス回路を含む、増幅器とを備えるシステム。
【請求項１６】
請求項１５に記載のシステムにおいて、前記電極が、導電芯線と前記芯線を覆う電気絶縁層とをさらに含み、前記絶縁層が、前記芯線から前記媒体への抵抗性電流の伝達を防止し、前記接続要素が、前記電極の前記芯線に取り付けられるシステム。
【請求項１７】
請求項１６に記載のシステムにおいて、前記電極が、前記媒体に対して１ｍＦより大きい静電容量を有するシステム。
【請求項１８】
請求項１６に記載のシステムにおいて、前記絶縁層が金属酸化物であるシステム。
【請求項１９】
水面下で海水中の電界を測定する方法であって、
既定の電極離隔距離を提供する剛性の構造体上に電極を配備するステップと、
前記電極から前記水への抵抗性電流の伝達を防止するステップと、
前記電極からの差分信号を増幅すること、またはまず各電極からの信号を増幅し次いで差をとることのいずれかによって、増幅された電界信号を生成するステップと、
前記増幅された電界信号を記憶するステップとを含む方法。
【請求項２０】
水面下で電界および磁界を測定する方法であって、
水中で実質上水平面に配置される、関連する電極を有する少なくとも２つの電位アンテナにそれぞれ接続された電界センサと、少なくとも２つの磁界誘導コイルを有する磁界センサとを含むシステムを配備するステップと、
直交方向の電界および磁界を測定して、前記電界および磁界を表す信号を生成するステップと、
前記電極の少なくとも１つから前記水への抵抗性電流の伝達を防止するステップと、
前記電位アンテナおよび磁界誘導コイルからの前記信号を増幅して、それぞれ増幅された電界信号および増幅された磁界信号を生成するステップと、
前記増幅された電界信号および増幅された磁界信号を記憶するステップとを含む方法。
【請求項２１】
請求項２０に記載の方法において、
前記電極での電気化学ノイズを最小限にするために、前記電極と前記水との間の直流電位差を最小限にするステップと、
前記電極での電気化学ノイズを最小限にするために、増幅された出力を外部接地電位から絶縁するステップとをさらに含む方法。
【請求項２２】
請求項２０に記載の方法において、
前記電界および磁界センサのうちの少なくとも１つの近傍に電磁界を生成するステップと、
前記生成された電磁界を使用することによって、前記電界および磁界センサのうちの前記少なくとも１つの正しい動作を確認するステップとをさらに含む方法。
【請求項２３】
請求項２０に記載の方法において、前記電界センサ、前記磁界センサ、およびデータ取得システムを収容する単一の圧力容器を、船舶搭載による配備中常に封止したまま保持するステップをさらに含む方法。
【請求項２４】
請求項２０に記載の方法において、前記センサ筐体の任意の構成要素の動作を開始もしくは停止させるために音響信号によって命令を送信するステップ、または前記システムの内部計時機構を望ましい時間に設定するステップをさらに含む方法。
【請求項２５】
請求項２０に記載の方法において、前記電界および磁界センサとともに収容されたデータ取得システムに接続されたケーブルを介して、データを前記水面へ送信するステップをさらに含む方法。
【請求項２６】
請求項２０に記載の方法において、前記海底の抵抗率を求めて炭化水素堆積物を定量化するステップをさらに含む方法。
【国際調査報告】
2010512538.tif 000030