(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
並列して接続された４本の同軸ケーブルにおける１対の同軸ケーブル間にインピーダンス測定対象物を接続し、その一方から正弦波の信号を入力してインピーダンスを測定する４端子対法を利用したスペクトル強制分極探査装置において、
前記同軸ケーブルに電流を供給する主ダイレクトデジタルシンセサイザおよび副ダイレクトデジタルシンセサイザと、
各前記ダイレクトデジタルシンセサイザを制御する演算装置と、
を備え、
前記演算装置は、
測定基準とする前記同軸ケーブルの心線と外部シールドの間の電位差が最小になるように、各前記ダイレクトデジタルシンセサイザの振幅と位相を相互にデジタル制御することにより、前記同軸ケーブルのキャパシタンスまたは電極の接地インピーダンスによって前記同軸ケーブル間に生じる位相差をキャンセルし、前記同軸ケーブル内の電磁誘導及び静電誘導のアクティブ制御を行う
ことを特徴とするスペクトル強制分極探査装置。
【請求項２】
前記２つのダイレクトデジタルシンセサイザ間の電位の位相差を利用して回路内での位相遅れの制御を行うことを特徴とする請求項１記載のスペクトル強制分極探査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地盤や岩盤に特有であるインピーダンスや位相スペクトルを計測するスペクトル強制分極に関する技術であり、特に、電磁誘導アクティブ制御によるスペクトル強制分極探査装置に関する。  
【背景技術】
【０００２】
電気探査は、地盤に電流を流した際の「比抵抗（電気の流れにくさ）」や電気化学的な「分極現象」を測定し、地盤物性を把握する物理探査法である。
【０００３】
従来、地質等の物理探査に比抵抗法が利用されていることは知られている（特許文献１参照）。比抵抗法は、地盤に直流電流（あるいは交替電流）を流し、電流の流れにくさの分布状況から地盤性状を把握する電気探査法である。
【０００４】
即ち、地下水の分布している地盤や、風化岩と基盤岩あるいは堆積層と基盤岩の境界、さらに良好な岩盤と断層破砕帯では、電流の流れ方に大きな違いがあり、地盤に電流を流して電流の流れ方の違いを測定すれば、地下水の有無、地すべり面の形状、さらにトンネルやダム等の施工面における地山状況を事前に推定することができる。
【０００５】
強制分極法（ＩＰ法：induced polarization 法）は、大地に電流を流したときに様々な電気化学的な分極現象が生じ、電圧の観測波形に過度現象が認められるが、この現象を応用した地質の探査方法である。
【０００６】
特に、スペクトル強制分極法（ＳＩＰ：Special Induced Polarization 法）は、地盤や岩盤の複素比抵抗（インピーダンスおよび位相）を周波数毎に測定することによって、地盤や岩盤に特有であるインピーダンスや位相スペクトルを計測する技術である。地盤や岩盤は、内部に含まれる導電性鉱物粒子による分極や岩石内の微細孔性膜を介して生じる膜分極による特徴的なインピーダンススペクトルを持つ。
【０００７】
これらのインピーダンスのスペクトルを取得することにより、その岩石や地盤の分類や性状を把握することが可能になると考えられ、従来からさまざまな取り組みがなされてきた。しかしながら、測定器と電極間に用いられる計測ケーブルの電磁カップリングの影響や静電誘導の影響により、その利用範囲が数Ｈｚ以下という低周波に限定され、その応用が限定されてきた。
【特許文献１】特開２００１−３３７１７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の技術では、測定器と電極間に用いられる計測ケーブルの電磁カップリングや静電誘導の影響により、利用できる周波数の帯域が低周波に限定されている。この周波数領域では、ＩＰの全スペクトルを取得することができず、また、低周波を利用することで測定時間が長くなるという欠点がある。
【０００９】
これらの問題を解決するためには、測定器と電極間に用いられる計測ケーブルの電磁誘導と静電誘導の影響をいかに防ぐかが重要となる。本発明では、電磁誘導や静電誘導の影響を制御するため、電流・電位ケーブルに同軸ケーブルを用いて誘導電磁場のアクティブ制御を行ってそのうち消しを行う手段を採用する。
【００１０】
従来、スペクトル強制分極法は、４端子対法として用いられてきた技術であるが、４端子法では対になる発信器として逆位相のフィードバックを行うことで誘導電磁場の打ち消しを行うのに対し、本発明では、二つのＤＤＳ（ダイレクトデジタルシンセサイザ）を用い、基準電位点の電位が最小になるように、ＤＤＳ間の振幅と位相を相互に制御することによりケーブル内の電磁誘導、キャパシタンス及び回路内での位相遅れの影響を含んだ制御を行えるようにすることを課題とする。
【００１１】
また、同時にＤＤＳ間の位相差を測定し、その位相差を用いて電流−電位の位相差の補正を行う。この補正により、電位検出のため用いたアイソレーションアンプ等の機械的特性によって生じた位相の補正を可能とするとともに、高精度な計測を可能とすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は上記課題を解決するために、並列して接続された４本の同軸ケーブルにおける１対の同軸ケーブル間にインピーダンス測定対象物を接続し、その一方から正弦波の信号を入力してインピーダンスを測定する４端子対法を利用したスペクトル強制分極探査装置において、２つのダイレクトデジタルシンセサイザを用い、基準電位点の電位が最小になるように、ＤＤＳ間の振幅と位相を相互にデジタル制御することにより、ケーブル内の電磁誘導及び静電誘導のアクティブ制御を可能とすることを特徴とするスペクトル強制分極探査装置を提供する。
【００１３】
前記２つのダイレクトデジタルシンセサイザ間の電位の位相差を利用して回路内での位相遅れの制御を行うような構成としてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
以上のような構成から成る本発明に係るスペクトル強制分極探査装置によれば、次のような効果が生じる。
（１）従来適用が困難であった検層分野や貫入試験、トモグラフィー探査にフルカラーの地質断面図ならびに地質柱状図を提供することが可能になり、より詳細な地質分類や地盤汚染の状況などを把握することが可能となる。
【００１５】
（２）二つのＤＤＳ（ダイレクトデジタルシンセサイザ）を用い、基準電位点の電位が最小になるように、ＤＤＳ間の振幅と位相を相互に制御するので、ケーブル内の電磁誘導・キャパシタンスおよび回路内での位相遅れの影響を含んだ制御が可能である。
【００１６】
（３）また、同時にＤＤＳ間の位相差を測定し、その位相差を用いて電流−電位の位相差の補正を行うので、電位検出のため用いたアイソレーションアンプ等の機械的特性によって生じた位相の補正を可能とするとともに、高精度な計測を可能とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明に係るスペクトル強制分極探査装置の実施の形態を実施例に基づいて図面を参照して、以下に説明する。
【００１８】
（原理）
ＩＰ現象と電磁カップリングの影響は、図１に示されるように、１Ｈｚ以上の高周波で顕著となり、それ以上の周波数帯において測定が困難となる。そのため、測定できる周波数領域が低周波に限定されてきた。
【００１９】
従来、高周波インピーダンス計測法として、４端子対法と呼ばれる手段があり、実験室レベルの高周波インピーダンスの計測法として用いられてきた。
【００２０】
図２は、本発明に係るスペクトル強制分極探査装置の基本的な構成であり、図３は本発明の実施例の構成を示す図である。図２において、４端子対法の原理を説明する。発信器１から送信された正弦波の信号が同軸ケーブル１０を通り、同軸ケーブル１０の電極２から送信され、インピーダンス測定対象物３から同軸ケーブル７の電極４を通過し、同軸ケーブル７の内芯を通って、発信器１と対になる電流制御回路６に至る。
【００２１】
ここで、Ｐ２電極５と同軸ケーブル１０のシールド間の電位差が０Ｖとなるように、電流制御回路６から位相を反転させた電流を同軸ケーブル７の外部シールドに供給する。
【００２２】
同軸ケーブル７の外部シールドに流れ  電極２の信号と正反対の位相を持つ信号は、同軸ケーブル８、９、１０のそれぞれの外部シールドの外端を通り、最終的に発信器１に到達する。この過程において、同軸ケーブル８、９はそれぞれ高インピーダンスであるため、電流は流れずに外部シールドに流れる電流は、同軸ケーブル７、１０に流れる。この電流は、同軸ケーブル１０、７の電極２、４の心線に流れる電流と逆位相で振幅もほぼ等しくなるため、電磁誘導が抑制される。
【００２３】
以上が、４端子対法の原理であるが、図２において、ここで接続される配線や同軸ケーブルが非常に長い場合、また、電極Ｃ１、Ｃ２が接地インピーダンスやキャパシタンスを持つ場合には、この４端子対法の回路をそのまま適用することが困難である。
【００２４】
すなわち、４端子対法では、同軸ケーブル８について、Ｐ２電極５接続されているケーブルの心線と外部シールドの電位差が０Ｖになるように、電極４から入る信号の振幅をコントロールしているが、その前提は電極４、５の位相が等しいことである。
【００２５】
しかしながら、実際には電極４、５は、Ｃ２の接地インピーダンスやケーブルの持つキャパシタンスのため位相差が生じており、電極５の信号を使ったコントロールは困難である。さらに、この位相差は周波数依存性を持つことから補正が困難である。
【００２６】
電子回路等のインピーダンス測定で用いられる４端子対法を用いた測定器では、あらかじめ特定のケーブルを用意して、それに併せてチューニングしているが、地層における物理探査や検層にように、ケーブルやプローブが長く、計測するたびに接地インピーダンスが異なるインピーダンス対象を計測するシステムにおいては、そのような４端子対法を用いた測定器手法は適用できない。
【００２７】
そこで、本発明に係るスペクトル強制分極探査装置では、送信対１、６のフィードバックによる電流反転手段を行わず、独立した二つの発信器を使い、コンピュータによる位相および振幅の最適制御を行う手段を適用する。
【実施例】
【００２８】
本発明に係るスペクトル強制分極探査装置２０の実施例において、本発明の具体的な構成を作用をまじえて詳細に説明する。図３において、探査装置の４つの電極Ｃ１、Ｐ１、Ｐ２、Ｃ２のそれぞれに、同軸ケーブル１０、９、８、７の心線が接続される。また、同軸ケーブルの外部シールドは、互いに電極近傍でシールド接続線２４により、相互に接続されている。
【００２９】
ＣＰＵ１４は、主ＤＤＳ１６への周波数をセットすることができ、主ＤＤＳ１６から設定された周波数の正弦波が発信される。その後、正弦波はＣＰＵ１４により出力電圧が調整され、送信電極Ｃ１に接続された電流ケーブルの心線をとおり、送信電極Ｃ１から地層に送信される。送信された信号は、Ｃ２電極をとおり、Ｃ２電極に接続された電流ケーブルを通って、副送信器１２に至る。
【００３０】
一方、電位電極Ｐ２と外部シールド間の電位差として検出された電位信号は、絶縁アンプ２１および絶対値整流器２２をとおって、実効値に変化させ、Ａ／Ｄ変換器２３を通してＣＰＵ１４に送られる。ここで、ＣＰＵ１４は、このＰ２の心線と外部シールドの間の電位差が０Ｖになるように、副ＤＤＳ１７の発信周波数、位相を変化させる。
【００３１】
副ＤＤＳ１７から送信された信号は、さらにＣＰＵ１４からの指令により振幅がコントロールされ、副送信機１２に送られる。副送信機１２から出力された信号は、Ｃ２に接続された同軸ケーブル７の外部シールドを通り、電極近傍で接続された同軸ケーブルのシールド接続線２４からＣ１の外部シールドを通して主送信機１１に至る。
【００３２】
なお、ここでの副ＤＤＳ１７の周波数・位相および正弦波Ｄ／Ａによる振幅制御は、Ｐ２に接続された同軸ケーブル８の心線と外部シールドの間の電圧が０Ｖに調整されるまで続くように構成されている。また、Ｐ１と外部シールド間の電位差は、絶縁アンプ２１を通した後、絶対値整流器２２により実効値に変換された後にＡ／Ｄ変換され、ＣＰＵ１４に記録される。
【００３３】
また、電流については、副送信機１２からの出力を無誘導抵抗で電流センス１５で測定し、その電流値を実効値に変換し。Ａ／Ｄ変換を通してＣＰＵ１４に記録される。ここで得られたＰ１の電位差と電流値からＣＰＵ１４でインピーダンスが計算され、コンソール２５に表示される。
【００３４】
また、Ｐ１から得られた信号と電流検出器１５（図中の「電流センス１５」）から得られた信号は、位相検出回路２６に送られ、ここで位相差の計測を行う。電位計測と同様に位相差についてもＡ／Ｄ変換により実効値に変換され、ＣＰＵ１４に送られる。
【００３５】
ＣＰＵ１４では、これらのインピーダンスおよび位相差をコンソール２５に表示する。また、ＣＰＵ１４はコンソール２５からのマニュアル設定およびパソコンからの自動コントロールの両方が可能である。
【００３６】
なお、このスペクトル強制分極探査装置２０は、１２ＶバッテリーからのＤＣ入力で稼働する。このように、本スペクトル強制分極探査装置２０は、ＣＰＵ１４によって全てコントロールされ、主ＤＤＳ１６及び副ＤＤＳ１７の制御をデジタル制御で行っているところに特徴がある。
【００３７】
本発明の特徴をさらに、説明する。本発明に係るスペクトル強制分極探査装置では、主送信機１１および副送信機１２に示される二つの送信機用いて、振幅および位相を交互に切り替え、シールドケーブル８の心線と外部シールドの電位差が０Ｖに近くなるように、ＣＰＵ１４の指令により副送信機１２の振幅と位相を変化させていく。最終的に、シールドケーブル８の心線と外部シールドの電位差を０Ｖ近くに調整した時点で終了する。  
【００３８】
ここで、Ｐ１電極とＰ２電極の電位差は、Ｐ２電極を基準としてとられる電位差が計測される。また、電流値は、電流検出器１５（図３中の「出力電流センス」）から出力される電流をモニターする。そして、電流検出器１５で計測される電流の位相は、Ｐ２電極に接続されたシールドケーブル８の心線と外部シールドの電位差が０ｖになるように、副送信機１２からの位相の調整がされているので、Ｃ２電極の電流線のキャパシタンスや接地インピーダンスによって生じた位相差は、副送信機１２の位相調整によりキャンセルされており、図４に示すような等価回路で表現することができる。
【００３９】
このように、本発明では、Ｃ２電極の接地インピーダンスやケーブルのキャパシタンスの影響を考慮することなく正確に測定対象を流れる電流の位相を計測することが可能である。また、本発明では主送信機１１および副送信機１２の二つの送信機の位相差を計測することにより、電流値の変化に伴う位相差の補正を行っている。すなわち、主送信機１１と副送信機１２に使われている回路がほぼ同じであるため、本位相差がこれらの回路の位相差の２倍となる特性を利用している。
【００４０】
本発明に係るスペクトル強制分極探査装置では、主ＤＤＳ１６および副ＤＤＳ１７に示される二つのＤＤＳを用いて制御を行う。即ち、ＣＰＵ１４からの指令により、主ＤＤＳ１６から特定の周波数を持つ正弦波が発信される、本送信源に対し、ＣＰＵ１４は副ＤＤＳ１７の周波数および位相を、Ｐ２電極に接続されたシールドケーブル８の心線と外部シールドの間の電位差が０Ｖになるように変えていく。
【００４１】
ここで、Ｐ２電極に接続されたシールドケーブル８の心線と外部シールド間の電位差が０Ｖになった時点で、ほぼ逆位相の電流がＣ１電極およびＣ２電極のそれぞれのケーブルの心線と外部シールドに流れているために電磁誘導が発生しない。また、Ｐ１電極に接続されたシールドケーブル９の内芯とＰ２電極に接続されたシールドケーブル８の内芯の間の電位差と、電流検出器１５で測定された値を用いて、位相および電位差を検出してインピーダンスおよび位相差を出力する。
【００４２】
（実験例）
本発明者は、本発明に係る強制分極探査装置を製作し（図５の写真参照）、これに１００ｍ長の６芯同軸ケーブルおよび検層プローブを接続した上で、無誘導抵抗のインピーダンスおよび位相を計測した。その結果得られた、機器特性の測定結果を図６に示す。
【００４３】
図６によると、２０Ｈｚから２０００Ｈｚ付近まで、インピーダンス値や位相精度１  ｍｒａｄでフラットであり、測定器やケーブルの影響を受けずにこの帯域で計測可能である事が分かる。なお、位相のオフセットは、電位計測に用いているアイソレーションアンプの機器特性によって生じているが、ＤＤＳ間の位相差を計測することで補正可能である。また、２０Ｈｚ以下の低周波で位相およびインピーダンスの誤差が増大している原因は、直流成分のカットのために使用しているＬＰＦ（ローパスフィルタ）のためである。
【００４４】
ＬＰＦの遮断周波をより低周波にもっていくことで、測定範囲を低周波側に広げることも可能であるが、その反面、測定時間が著しく悪化する。現在、１周波数あたりの測定時間を３０秒以内で考慮しており、１点４周波のスペクトル計測で２分以内を想定している。実際の検層において、この時間程度で測定できれば、深度分解能１ｍ、深度１００ｍまでの検層を２００分（３時間程度）で計測できると考えられる。
【００４５】
また、１点１０周波の計測では、８時間程度の測定時間が必要であり、これ以上に測定時間がかかることは、実際の利用では困難であるため、測定周波数を２０Ｈｚ以上に設定した。低周波の測定時間が著しく悪化する理由の一つは、４端子対のアクティブ制御を行っているためであるが、特定周波数に周波数を固定する方法や、電磁カップリングの影響の少ない低周波でのアクティブ制御を制限することにより低周波側に測定領域を広げることも可能である。
【００４６】
また、本発明に係る強制分極探査装置の有効性を確認するため、実際のボーリング孔でのＳＩＰ検層を実施した。ボーリング孔は、深度６０ｍのボーリング孔である。ボーリング孔の内径は、６６ｍｍであり、塩化ビニール製のケーシングに５％から７％のストレーナが切ってある（深度２５ｍ以浅と深度５５ｍ以深にはストレーナは切っていない）。
【００４７】
検層プローブは、直径３０ｍｍの塩化ビニール製プローブであり、電極には半田（鉛６０％）の電極を使用している。プローブに無誘導抵抗を接続した結果は、図６のとおりである。本ボーリング孔において、１ｍ毎に、１点あたり２０Ｈｚ、２００Ｈｚ、１０００Ｈｚの３周波数の検層を行い、比抵抗に特徴がある特定の深度では、２０Ｈｚから２０００Ｈｚまでの８周波のスペクトルを計測した。
【００４８】
その結果を図７に示す。各深度とも特徴的なスペクトルの変化を示し、類似した砂層やシルト層で、特徴的なスペクトルを示している。また、深度別の各周波数の位相分布を図８に示す。各地層に応じたスペクトルの特徴が、検層結果に表れている。
【００４９】
以上、本発明に係るスペクトル強制分極探査装置の最良の形態を実施例に基づいて説明したが、本発明はこのような実施例に限定されることなく、特許請求の範囲記載の技術的事項の範囲内で、いろいろな実施例があることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
以上の構成から成る本発明によれば、従来適用が困難であった検層分野や貫入試験、トモグラフィー探査にフルカラーの地質断面図ならびに地質柱状図を提供することが可能になり、より詳細な地質分類や地盤汚染の状況などを把握するための装置として適用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】従来技術を説明する図である。
【図２】本発明の実施例の構成を説明する図である。
【図３】本発明の実施例の構成を説明する図である。
【図４】本発明の要部の等価回路を説明する図である。
【図５】本発明の実験に使用した強制分極探査装置である。
【図６】無誘導抵抗を接続したＳＩＰ特性の実験結果を示すグラフである。
【図７】各深度から取得されたＳＩＰスペクトルを示すグラフである。
【図８】検層の結果得られたＳＩＰスペクトルの深度分布を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５２】
１  発信器
２  電極
３  インピーダンス測定対象物
４Ｃ２  電極
５Ｐ２  電極
６  電流制御回路
７  同軸ケーブル
８、９、１０  同軸ケーブル 
１１  主送信機                  
１２  副送信器                  
１４  ＣＰＵ                    
１５  電流検出器                
１６  主ＤＤＳ                  
１７  副ＤＤＳ                  
２０  スペクトル強制分極探査装置
２１  絶縁アンプ                
２２  絶対値整流器              
２３  Ａ／Ｄ変換器              
２４  シールド接続線            
２５  コンソール                
２６  位相検出回路              
【図１】
0004538608.tif 000002
【図２】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図３】
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【図５】
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