(57)【要約】【課題】解析を複雑にすることなく、震源から観測点までの直達波と地殻の反射面からの波との区別をほぼリアルタイムで行うことができる地殻探査装置及び方法を提供する。【解決手段】震源制御回路２によって制御されるパルス強度変調人工震源１は、ＧＳＰ衛生からの基準信号に同期して単一周波数の搬送波を発生し、その搬送波にパルス強度変調をかけ、パルス強度変調弾性波を出力する。狭周波数帯域地震計３は、出力されたパルス強度変調弾性波を観測する。同期検波観測装置４は、観測したパルス強度変調弾性波のエンベロープを抽出する【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の信号に同期して単一周波数の搬送波を発生し、その搬送波にパルス強度変調をかけ、パルス強度変調弾性波を出力する手段と、
出力されたパルス強度変調弾性波を観測する手段と、
観測したパルス強度変調弾性波のエンベロープを抽出する手段とを具えることを特徴とする地殻探査装置。
【請求項２】
前記所定の信号を、ＧＰＳ衛星からの基準信号としたことを特徴とする請求項１記載の地殻探査装置。
【請求項３】
前記パルス強度変調弾性波を出力する手段が、人工震源アクロスを有することを特徴とする請求項１又は２記載の地殻探査装置。
【請求項４】
前記パルス強度変調弾性波を観測する手段が、パルス強度変調の周波数帯域をカバーする帯域を用いて前記パルス強度変調弾性波を観測することを特徴とする請求項１から３のうちのいずれか１項に記載の地殻探査装置。
【請求項５】
前記エンベロープを抽出する手段が、ロックインアンプを有することを特徴とする請求項１から４のうちのいずれか１項に記載の地殻探査装置。
【請求項６】
所定の信号に同期して単一周波数の搬送波を発生し、その搬送波にパルス強度変調をかけ、パルス強度変調弾性波を出力するステップと、
出力されたパルス強度変調弾性波を観測するステップと、
観測したパルス強度変調弾性波のエンベロープを抽出するステップとを具えることを特徴とする地殻探査方法。
【請求項７】
前記所定の信号を、ＧＰＳ衛星からの基準信号とすることを特徴とする請求項６記載の地殻探査方法。
【請求項８】
前記パルス強度変調弾性波を、人工震源アクロスによって出力することを特徴とする請求項６又は７記載の地殻探査方法。
【請求項９】
前記パルス強度変調弾性波を、パルス強度変調の周波数帯域をカバーする帯域を用いて観測することを特徴とする請求項６から８のうちのいずれか１項に記載の地殻探査方法。
【請求項１０】
前記エンベロープを、ロックインアンプを用いて抽出することを特徴とする請求項６から９のうちのいずれか１項に記載の地殻探査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強度変調（ＡＭ）をかけた単一周波数の弾性波を用いた地殻探査装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
陸域地殻の探査手法として、地中に仕掛けたダイナマイトによる爆破によって弾性波を放出する手法（以下、「第１の従来手法」と称する。）や、油圧機器によって地面を叩いて弾性波を発生するバイブロサイズを用いた手法（以下、「第２の従来手法」と称する。）がこれまで提案されている。これらの手法により発生した弾性波パルスは、数ｋｍから数十ｋｍ離れた遠方で地震計のアレーにより検出され、取得されたデータは、地殻のトモグラフィーに利用されている。
【０００３】
第１の従来手法では、発生力が大きいために数十ｋｍ以上離れた遠方まで弾性波が到達するが、弾性波の発生が単発的であるとともに、破壊的であり、さらに、弾性波の発生強度及び波形が不明確である、という不都合を有する。したがって、定常的な地殻の監視には適切でない。
【０００４】
第２の従来手法では、破壊的ではないものの、油圧機器を使用するために実際には故障が生じやすい、という不都合を有するため、定常的な運転には適切でない。また、発生力が小さいという不都合もあるため、弾性波が到達し得る距離は、最大でも数ｋｍ程度である。
【０００５】
第１及び第２の従来手法の上記不都合を解消し、地殻の地震などに先行する変動を定常的に監視するために、偏心荷重を回転させてサイン波を発生させる人工震源アクロスが開発され、かかる人工震源アクロスを使った地殻探査手法（以下、「第３の従来手法」という。）が研究されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００６】
第３の従来手法では、震源の発信強度及び周波数が高安定かつ高精度であるとともに、震源関数が明確であり、さらに、発信弾性波がコヒーレントであるので、スタッキングによる高いＳ／Ｎ比を実現することができ、その結果、高感度に信号を抽出できる。
【非特許文献１】大竹雄次など  調和弾性波動場を圧制する人工震源装置アクロスの開発「東京大学地震研究所の弥生１号、２号について」  日本ＩＦＴｏＭＭシンポジウム  ｐｐ．36−41
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、第３の従来手法では、発信弾性表面波がサイン波であるために、震源から観測点までの直達波と地殻の反射面からの波との区別を、観測だけで即座に行うことができない。また、既知の地殻の層構造などのモデルがなければ、これらの波の正確な区別が困難になる。
【０００８】
また、遠距離における波の走時は、震源にＦＭ変調をかけて数日以上の信号のスタッキングによって求めているため、リアルタイム性にも欠けている。さらに、ＦＭ変調をかけることによって震源の発信強度が周波数の２乗に比例して変化するため、解析が複雑になる。
【０００９】
本発明の目的は、解析を複雑にすることなく、震源から観測点までの直達波と地殻の反射面からの波との区別をほぼリアルタイムで行うことができる地殻探査装置及び方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明による地殻探査装置は、
所定の信号に同期して単一周波数の搬送波を発生し、その搬送波にパルス強度変調をかけ、パルス強度変調弾性波を出力する手段と、
出力されたパルス強度変調弾性波を観測する手段と、
観測したパルス強度変調弾性波のエンベロープを抽出する手段とを具えることを特徴とする。
【００１１】
本発明による地殻探査方法は、
所定の信号に同期して単一周波数の搬送波を発生し、その搬送波にパルス強度変調をかけ、パルス強度変調弾性波を出力するステップと、
出力されたパルス強度変調弾性波を観測するステップと、
観測したパルス強度変調弾性波のエンベロープを抽出するステップとを具えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、所定の信号に同期して単一周波数の搬送波（サイン波）を発生し、その搬送波にパルス強度変調をかけ、パルス強度変調弾性波を出力する。出力されたパルス強度変調弾性波が観測されると、パルス強度変調弾性波のエンベロープを抽出できる。
【００１３】
このように発信弾性波として、サイン波の代わりにパルス強度変調された波を使用し、解析の際に、ＦＭ変調の代わりに弾性波のエンベロープの抽出を行っているので、解析を複雑にすることなく、震源から観測点までの直達波と地殻の反射面からの波との区別をほぼリアルタイムで行うことができる。
【００１４】
例えば、前記所定の信号を、ＧＰＳ衛星からの基準信号とし、前記パルス強度変調弾性波を、人工震源アクロスによって出力する。好適には、前記パルス強度変調弾性波を、パルス強度変調の周波数帯域をカバーする帯域を用いて観測し、前記エンベロープを、ロックインアンプを用いて抽出する。その結果、高いＳ／Ｎ比の観測が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明による地殻探査装置及び方法の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明による地殻探査装置の実施の形態を示す図である。この地殻探査装置は、パルス強度変調人工震源（パルスＡＭ人工震源）１と、震源制御回路２と、狭周波数帯域地震計３と、同期検波観測装置４とを具える。
【００１６】
パルスＡＭ人工震源１は、震源制御回路２の制御の下で、ＧＰＳ衛星からの基準信号に正確に同期した単一周波数の搬送波（サイン波）を発生させ、その波にパルス強度変調をかける。パルスＡＭ人工震源１は、後に詳しく説明するように、偏心荷重を回転させ、錘の重心位置を変更することによってパルス強度変調を行う。
【００１７】
観測点では、ＧＰＳ衛星の基準周波数信号を基に振り子の自然周期を正確に制御した狭周波数帯域地震計３によって、パルスＡＭ人工震源１からのパルス強度変調弾性波（パルスＡＭ弾性波）５を観測する。観測に際し、同期検波観測装置４による同期検波の手法を使用する。このような同期検波は、数十ｋｍ以上の射程を持つ弾性波震源による探査では前例がなく、全く新しいものである。
【００１８】
狭周波数帯域地震計３は、ＧＰＳ衛星の基準信号から作ったパルスＡＭ人工震源１の発信周波数に、振り子の自然周波数を磁気ばねによって合わせ、振り子の自然周波数近傍の共振カーブ特性を利用した狭周波数帯域（狭帯域、バンドパス特性）でパルスＡＭ弾性波を測定する。なお、磁気ばねは、スピーカのボイルコイルと同様な形態でソレノイドコイルの中に棒磁石を挿入したものであり、振り子の復元力に対して正負の力を加えて自然周期を変更することができる。
【００１９】
狭周波数帯域地震計３からの出力信号であるパルスＡＭ弾性波５は、後に詳しく説明するように同期検波装置４のロックインアンプを用いた狭帯域の同期検波手法で搬送波が取り除かれ、変調パルス６からエンベロープ７のみが抽出され及び測定される（図２参照）。ロックインアンプを用いることによって、１０００倍以上のノイズから０．１％の精度及び１２０ｄB以上のダイナミックレンジでリアルタイムに信号を観測することができる。
【００２０】
同期検波に使用するパルスＡＭ人工震源１の発信周波数に同期したパルス（震源回転同期パルス）８は、パルスＡＭ人工震源１がＧＰＳ衛星からの信号に同期しているので、ＧＰＳ衛星からの基準信号から作る。なお、このようにロックインアンプを用いた手法は、一般的な広帯域の地震計でも可能である。また、同期検波観測装置４は、ネットワークを通じてパルスＡＭ人工震源１の回転周波数などの情報を、後に説明するアナログ／デジタルフィードバック回路に提供する。
【００２１】
上記実施の形態によれば、震源から搬送波にのせたパルスを放射するので、観測点で直達波と地殻の反射面からの波を識別することができる。また、変調パルスの発生時間や形状を正確に制御し、観測点でのパルスの到達時間と波形の歪を測定することによって、パルスＡＭ人工震源１と狭周波数帯域地震計３（観測点）との間の地殻内の地震波の走時や伝達関数を推定することができる。
【００２２】
本実施の形態では、さらに、パルスＡＭ人工震源１で強度変調するパルスを、短時間でバースト状に繰り返す。パルスＡＭ人工震源１からの直達波と地殻反射面からの波とが曲がるのを防止するために、バースト時間は、直達波が観測点に達する時間から地殻反射面からの波が観測点に到達するまでの時間に比べて十分短くする。このようにバースト時間が短ければ、バースト内のパルスの各々をスタキングして一つに変換し、Ｓ／Ｎ比を向上することができる。
【００２３】
図３は、パルスＡＭ人工震源が有する弾性波出力可変型アクロスを示す図である。このアクロスは、回転している偏心荷重１１の内部に動力を伝えて錘の位置を変えることによって重心を変更するものであり、回転中の波の出力を変更可能とするタイプのものである。
【００２４】
このアクロスは、遊星作動ギア１２を使った２重同軸構造となっており、内軸１３には偏心荷重１１が付いている。主モータ１４で内軸１３を回転させて搬送波（サイン波）９を発生させる（図４参照）。内軸１３と外軸１５は、遊星作動ギア１２を有する作動装置で結合され、同一回転数で同期して運転される。差動装置は、内軸１３と外軸１５との間に、変調モータ１６の回転に比例した速度（回転）差を発生させる。内軸１３と外軸１５の回転差によって、偏心荷重１１の内部の回転座標中に動力（回転）を伝達する。伝達された動力は、荷重体内部の直線摺動ギア機構を用いて錘の位置を動かし、荷重体の重心位置を変更する。
【００２５】
このような重心変更動作が搬送波のパルス強度変調（パルスＡＭ）に相当し、かかる強度変調の信号Sｍ（ωｔ）を搬送波Ａｃｏｓ（ωｃｔ）及び変調された波Ａｍｓｉｎ（ωｍｔ）で表すと、
【数１】
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となり、変調パルス６に変換される（図４参照）。ここで、ｔを時間とし、Ａ及びＡｍをそれぞれ搬送波及び変調された波の振幅とし、ω，ωｃ及びωｍを、上記信号の角周波数とする。
【００２６】
図５は、図１の狭周波数帯域地震計を詳細に説明するための図であり、図６は、図５の振り子の特性を示す図である。図５に示す狭周波数帯域地震計の検出周波数は、図６に示すような振り子の自由振動の周波数ｆ０又はサーボ型地震計（振り子の位置制御）の一順伝達関数（外力に対する応答でバンドパス又はローパス特性）の高いコーナ周波数である。弾性波の検出帯域は、パルスＡＭの周波数帯域をカバーする共振カーブの幅δｆ（例えば、±５Ｈｚ程度）である。
【００２７】
観測に使用する振り子２１の自然周波数又はサーボのコーナ周波数は、ＧＰＳ衛星２２からの基準信号に同期させる。振り子２１の自然周期の校正（安定化）やＧＰＳ衛星２２との同期は、振り子２１に付属した磁気ばね２３で振り子２１の復元力を調整して行う。また、サーボ型の場合には、このような復元力の変更に加えてゲインなどの制御パラメータでコーナ周波数を変更することもできる。
【００２８】
電圧制御発信器２４、周波数乗算器２５及び位相比較器２６からなるフェーズロックループ２７によって、ＧＰＳ受信機２８によって受信された基準信号から震源の基準発信周波数が作られる。磁気ばね２３により、常に振り子２１の自然周期を基準発信周波数に合わせられる。震源の現在の発信周波数の情報は、コンピュータネットワークを通じてアナログ／デジタルフィードバック回路２９が取り込む。
【００２９】
このように正確に合わされた振り子２１を使用することによって、温度などによるばね定数の変化による地震計の特性変化（自然周期の変化）がほとんどなくなり、検出特性の安定度が必要な狭帯域バンドパス特性での搬送波の検出を可能にし、検出位相は、周波数に比例して変化するために平坦でないとしても、常に一定の位相で検出される。
【００３０】
さらに、共振特性を用いるので、主に振り子２１のダンピングに依存するＱ値（特性の尖り具合）に比例して検出感度を上げることができる。また、パルスＡＭ人工震源からのＡＭ弾性波を検出するためには、パルス変調の周波数帯域である数Ｈｚ以下であることを考えると、この程度のバンド幅で十分となる。
【００３１】
図７は、ロックインアンプを用いたＡＭ弾性波の検出原理を説明するための図である。ＡＭ弾性波を検出するために用いられるロックインアンプは、同期検波を行う回路であり、基本的な動作は位相検出器と同様である。
【００３２】
同期検波を行い、ＡＭ搬送波のエンベロープのみを検出するために、入力信号をバンドパスフィルタに通し、そのフィルタを通過した搬送波と、その波に同期して別に入力されたパルスとを乗算する。乗算動作は、入力信号の周波数の半波長ごとにそのパルスによってスイッチングし、全波整流を行うことによって行われる。
【００３３】
かかる操作は、パルスと入力信号との間の位相検出に相当し、１２０ｄＢに達する高い検出ダイナミックレンジを得るためにこのようなスイッチング動作を行う。この同期パルスは、既に説明したように震源の発信周波数に同期する必要があり、ＧＰＳ衛星からの（例えば１０MHｚの）基準信号から分周してつくられる。
【００３４】
近年、地震予知に関連して、地震発生の約一日前からテクトニックな方向に歪が急増する現象を、伊豆において石井式の３成分ボアホール歪計が捉えている。このことは、地震予知のために前駆的な地殻の歪を捉えるのに準リアルタイム性が必要であることを意味している。
【００３５】
本発明によれば、従来のアクロスの機能を向上し、リアルタイム性を確保した非破壊の常時地殻探査を行うことができるため、地震予知のために前駆的な地殻の歪を捉えることができる。
【００３６】
本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。
例えば、上記実施の形態では、ＧＰＳ衛星からの基準信号を用いて同期をとる場合について説明したが、他の基準信号を用いることもできる。また、人工震源アクロス以外の震源を用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明による地殻探査装置の実施の形態を示す図である。
【図２】変調パルスからのエンベロープの抽出及び測定を説明するための図である。
【図３】パルスＡＭ人工震源が有する弾性波出力可変型アクロスを示す図である。
【図４】搬送波の変調パルスへの変換を説明するための図である。
【図５】図１の狭周波数帯域地震計を詳細に説明するための図である。
【図６】図５の振り子の特性を示す図である。
【図７】ロックインアンプを用いたＡＭ弾性波の検出原理を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  パルス強度（ＡＭ）変調人工震源
２  震源制御回路
３  狭周波数帯域地震計
４  同期検波観測装置
５  パルス強度（ＡＭ）変調弾性波
６  変調パルス
７  エンベロープ
８  パルス（震源回転同期パルス）
９  搬送波（サイン波）
１１  偏心荷重
１２  遊星作動ギア
１３  内軸
１４  主モータ
１５  外軸
１６  変調モータ
２１  振り子
２２  ＧＰＳ衛星
２３  磁気ばね
２４  電圧制御発信器
２５  周波数乗算器
２６  位相比較器
２７  フェーズロックループ
２８  ＧＰＳ受信機
２９  アナログ／デジタルフィードバック回路
【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】
2005315741.tif 000008
【図６】
2005315741.tif 000009
【図７】
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