(57)【要約】本発明は海底水中聴音器（ＯＢＨ）又は海底地震計（ＯＢＳ）のような海底地震観測器に関わる。上記海底地震観測器はその場で測定を行うように設計されており、正の浮力を持った支持構造体（２、３）から構成されている。上記支持構造体は少なくとも一つの取り外し可能なバラスト（４）を取り付けることにより、測定期間中、海底へ運ばれる。上記支持構造体は少なくとも一つの水中聴音器（６）と、一つのデータ取得ユニット（７）とを備えている。上記データ取得ユニットは、水中聴音器および上記バラストを解離するための装置からの測定データを記録する。本発明は上記データ取得ユニット（７）が水中聴音器（６）により受信した音波の解離命令に応じてバラスト解離装置を制御するという特徴を有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
その場で測定を行うために設計された海底地震観測器であって、
正の浮力を持つ支持構造体（２、３）から構成され、
上記支持構造体は、測定期間中、当該支持構造体を海底に運ぶための取り外し可能なバラスト（４）が少なくとも１つ取り付けられ、
さらに上記支持構造体は、少なくとも１つの水中聴音器（６）と、測定データを記録するための１つのデータ取得ユニット（７）と、上記取り外し可能なバラストの解離するための１つの解離装置とを備え、
上記データ取得ユニット（７）は、上記水中聴音器（６）で受信された音波による解離命令に応じて、解離装置の制御が可能であることを特徴とする海底地震観測器。
【請求項２】
上記解離命令は、８〜１２ＫＨｚの周波数をもつキャリアー信号によって調節された低周波数の音波信号であることを特徴とする請求項１に記載の海底地震観測器。
【請求項３】
上記低周波数の音波信号は、海底地震観測器に特有な音波信号であることを特徴とする請求項２に記載の海底地震観測器。
【請求項４】
上記低周波数の音波信号は、上記海底観測器に特有のビット列を表す第１型と、第２型の複数の連続的な基本信号から構成され、第１型と第２型の基本信号はそれぞれ値０及び値１を持つビット、又は逆のビットを表すことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の海底地震観測器。
【請求項５】
上記第１型の基本信号は、ｆ２＞ｆ１の関係を持つ、周波数ｆ１から周波数ｆ２に連続的に調節された信号であり、
上記第２型の基本信号は、周波数ｆ２から周波数ｆ１、又はその逆に連続的に調節された信号であることを特徴とする請求項４に記載の海底地震観測器。
【請求項６】
上記データ取得ユニット（７）は、水中聴音器（６）で受信された信号から音波による解離命令を検出するため、上記受信信号をサンプリングするための手段（１００）と、デジタル相関によりサンプリングされた信号から低周波数信号の存在を検出し、上記低周波数信号が検出されたときに、解離機構へ解離命令を送るための検出手段（１１０）とを備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の海底地震観測器。
【請求項７】
上記海底地震観測器の支持構造体は、保護殻（３）の内側に置かれた球状のガラス封入体（２）により構成され、
上記球状封入体（２）は数千メートルに至るまでの深さにおいて存在する静水圧に耐え得るものであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の海底地震観測器。
【請求項８】
さらに、上記バラストの解離後、海面に支持構造体が上昇する時に、発光するフラッシュライト（９）を上記球状封入体（２）の内側に備えており、上記フラッシュライト（９）により生じた光を通過させる開口部が保護殻（３）に備えられていることを特徴とする請求項７に記載の海底地震観測器。
【請求項９】
一端が上記バラスト（４）に固定され、もう一端が電気分解により破壊可能な金属環（１５）に固定されている弾性コード（５）により、バラスト（４）が支持構造体に取り付けられていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の海底地震観測器。
【請求項１０】
解離命令を受信した場合において、金属環を破壊するために金属環へ電流を流すように、上記データ取得ユニット（７）の検出手段（１００）によって制御されるスイッチを備える解離機構を有することを特徴とする請求項９に記載の海底地震観測器。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、測定期間中、海底に放置され、その後、海面において回収することができるように設計されている、水中聴音器と付随したデータ取得ユニットから構成された装置に関する。本発明は、特に海底水中聴音器（ＯＢＨ）と海底地震計（ＯＢＳ）として知られる装置に関する。
【０００２】
上記装置は、地球の地殻の最も深い層の探索、特に石油探索のために使われる。上記装置は海底に置かれ、その後、上記装置表面から規則的な間隔で音波が放射される。この音波に対する海底からの反応の記録は、地質学的な層の配置の決定や、例えばそれらの性質の判断に利用されている。測定されたデータは、また過去の層の決定や、将来の層の進展の予測にも利用可能である。
【０００３】
海底水中聴音器（ＯＢＨ）は、海面から海底下の層に至るまで伝播する音波を記録するために使われる。測定された上記音波は、海底下の層で反射及び／又は屈折して到達する。
【０００４】
海底地震計（ＯＢＳ）は海底水中聴音器（ＯＢＨ）と同一だが、海底水中聴音器の特性の代わり、又は補うものとして、海底地震計は少なくともねじれ波を検出する地中聴検器と呼ばれる地震感知器を持つ。このように特に海底下の流動性要素を決定することを可能にする。
【０００５】
そのため、海底聴音器または海底地震計（以下、海底地震観測器と称する）は、完全に独立している。上記海底地震観測器を海底に投下したとき、海の底に降りるために負の浮力が必要となる。一度海底の正しい位置までくると、上記海底地震観測器はプログラムされた周波数帯にある音波を測定する。作業終了時において、特定の音波命令が、上記海底地震観測器に正の浮力を再び与えて海面へ上昇させ、当該海底地震観測器を回収するという機構制御に利用される。この正の浮力は、一般的にバラストの開放によって得られる。
【０００６】
実際には、このタイプの装置は、例えばＷＯ９３／０５４１１に開示されている。そしてこのタイプの装置は、取り外し可能なバラストが取り付けられた正の浮力を持つ支持構造体から本質的に構成されており、上記支持構造体は測定感知器、水中聴音器、地中聴検器、そしてそれらと関わるデータ取得ユニット、バラスト解離セット、電源ブロックとＶＨＦ発信機やそのアンテナのような上記装置を海面に回収するために使われる装置の二次的な部分、光源を含んでいる。別個のユニットであるデータ取得ユニットと、バラストの解離を制御するためのセットとは、上記装置が深海へ潜行するために必要となるので保護されている。
【０００７】
さらに、バラスト解離セットとその制御ユニットは、完全に信頼できるものでなければならない。これはＵＳ特許４ ４４６ ５３７に論じられている。この特許はどのような状況においても解離機能を行うことができるように、とても複雑で重複したバラスト解離システムが示されている。この目的のために、バラスト解離セットは自身の電気回路を有し、特に上記装置の表面からの音波によるバラスト解離命令を受け取るための変換器を備えている。
【０００８】
上記装置の主な欠点は、上述のように、様々な構成要素が複雑なために装置が巨大になり、コストがかかってしまうことである。
【０００９】
現在の測定技術における将来への動向は、特に測定密度の向上、および測定結果の解釈の正確性向上させるべく、多くの海底地震観測器の配備の実行に向かっている。
【００１０】
これは、例えば、５０〜７０基の海底地震観測器を備えた一隻の船が、海底地震観測器の輸送、投下、および測定音波の送信後の海底地震観測器の回収、という操作を考慮する必要があるということを意味する。既存の海底地震観測器では大きなコスト、および大きなスペースが必要となるため、上記測定技術における将来への動向は、現在のところ非現実的なものとなっている。
【００１１】
このように、上記課題について考慮した結果、本発明は、装置の海面への上昇と能率的な測定に関して信頼性を有すると同時に、低コスト、且つ、より小型で、さらに操作が容易な海底地震観測器（ＯＢＨとＯＢＳ）の設計する方向に向かった。
【００１２】
本発明によれば、測定感知装置からのデータの取得と、バラスト解離機構の制御に共通の唯一の電子回路ユニットを使用し、表面からのバラスト解離命令を受信するために測定水中聴音器を使用するように設計されている。
【００１３】
すなわち本発明は、その場で測定を行うために設計された海底地震観測器であって、正の浮力を持つ支持構造体から構成され、上記支持構造体は、測定期間中、当該支持構造体を海底に運ぶための取り外し可能なバラストが少なくとも１つ取り付けられており、さらに上記支持構造体は、少なくとも１つの水中聴音器と、測定データを記録するための１つのデータ取得ユニットと、上記取り外し可能なバラストの解離するための１つの解離装置とを備え、上記データ取得ユニットは、上記水中聴音器で受信された音波による解離命令に応じて解離装置の制御が可能であることを特徴とする海底地震観測器に関するものである。
【００１４】
上記解離命令は、例えば８〜１２ＫＨｚの周波数を持つキャリアー信号により調節される低周波数の音波信号であることが好ましい。
【００１５】
上記低周波数の音波信号は、上記海底地震観測器に特有のビット列を表す第１型と、第２型の複数の連続的な基本信号から構成され、第１型と第２型の基本信号はそれぞれ値０及び値１を持つビット、又は逆のビットを表すことが好ましい。当該第１型の基本信号は、例えば周波数ｆ１から周波数ｆ２、ｆ２＞ｆ１に連続的に調節された信号であり、第２型の基本信号は周波数ｆ２から周波数ｆ１、又はその逆に連続的に調節された信号である。
【００１６】
上記データ取得ユニットは、水中聴音器で受信された信号から音波による解離命令を検出するため、上記受信信号をサンプリングするための手段と、デジタル相関によりサンプリングされた信号から低周波数信号の存在を検出し、上記低周波数信号が検出されたときに、解離機構へ解離命令を送るための検出手段とを備えることが好ましい。
【００１７】
さらに、上記海底地震観測器の支持構造体は、保護殻の内側に置かれた球状のガラス封入体により構成され、上記球状封入体は数千メートルに至るまでの深さにおいて存在する静水圧に耐え得るものであることが好ましい。一端が上記バラストに固定され、もう一端が電気分解により破壊可能な金属環に固定されている弾性コードにより、バラストが支持構造体に取り付けられていることが好ましい。
【００１８】
上記解離機構は、データ取得ユニットの検出手段によって制御されるスイッチからなる。当該スイッチは、解離命令を受信した場合において、金属環を破壊するために金属環へ電流を流す。
【００１９】
本発明の他の特徴や利点は下記の詳細な図により明らかになるだろう。
【００２０】
図１は、本発明に係る海底地震観測器の断面図である。
【００２１】
図２は、図１の海底地震観測器を金属環１５の方向から見た図である。
【００２２】
図３は、データ取得ユニットと解離命令ユニットの一実施形態の構成を示すブロック図である。
【００２３】
図４Ａおよび図４Ｂは、解離信号で使用された参照キーであるキー０とキー１に割り当てられたベースバンドの信号を示す図である。
【００２４】
図５Ａおよび図５Ｂは、観測器の水中聴音器により受信された信号において、値０をもつビットと値１をもつビットをそれぞれ決定するための相関ピークの検出を示した図である。
【００２５】
本発明に係る海底地震観測器の一実施形態を図１、２に示す。
【００２６】
図１は海底地震観測器の断面の概略図であり、図２は上面図である。図１に示したように海底地震観測器は、プラスチックで形成された保護殻３の中にガラス製の球状封入体２が置かれ、弾性コード５により保護殻に取り付けられた取り外し可能なバラスト４と、保護殻の外面に取り付けられた水中聴音器６を備えている。保護殻３と球体封入体２によって形成された部品は正の浮力を持ち、測定終了後、海面で回収されるために観測器の一部を構成している。
【００２７】
ガラス製の球状封入体２は中空で、使用する深さで存在する静水圧に耐えることが可能である。すなわち、水深約６０００メートルまで耐えることができる。球状封入体２は切れ目の無い端を持った二つの半球体から構成され、球体の内側を真空にするようにして接合される。球状封入体２は、水中聴音器６からの信号と、もし必要ならば３つの軸ｘ、ｙ、ｚに沿ってねじれ波を検出するために設計された地中聴検器８からの信号を加工処理するためのデータ取得ユニット７を含んでいる。また、球状封入体２は、フラッシュライト９、ＶＨＦ発信機１０そして観測器の電気回路のすべてに動力を供給するための充電可能な電池又はバッテリー１１も含んでいる。これらの回路の全ては、地中聴検器とフラッシュライトを除き、球状封入体の中に取り付けられた支持トレイ１２に固定されている。このトレイは球状封入体の内部に水平に置かれ、固定されている。フラッシュライト９は球状封入体の頂部、例えば、トレイ１２に固定された棒の先端に設置され、また地中聴検器８は球状封入体の底に置かれる。
【００２８】
データ取得ユニット７は、水中聴音器によって受信され、バラスト解離音波信号のような、水中聴音器６や地中聴検器８からの地震信号を加工処理する役割を持つ。この加工処理は図３に詳細に記している。
【００２９】
球体の外側のアンテナ１３に備えられたフラッシュライト９とＶＨＦ発信機１０は、海面に上昇したとき、海底地震観測器の位置を捕捉するために使われる。この目的のために保護殻３に作られた窓１４は、フラッシュライト９によって生じた光を通過させる。フラッシュライトとＶＨＦ発信機は、海底地震観測器が水の表面から現れたとき、動作させることが好ましい。それらは、例えば海底地震観測器の周りに存在する圧力の急激な変化を検出する感知装置からの信号に応じて切り替わる。
【００３０】
図１、２の一実施形態において、バラスト４を保護殻３に結びつける役割を持つ弾性コード５は、ｓａｎｄｏｗ型、又はそれに類似するものである。弾性コードは３つあり、下末端はバラスト４の３点に、上端は保護殻３の頂点に位置する三角の金属環１５につながっている。解離命令が観測器により受信されたとき、電流が金属環に送られ、水と接触して電気分解が起こり、金属環が破壊してバラストが解離される。
【００３１】
さらに、しっかりとシールされた球状封入体２には、海底地震観測器が船へ回収されたときに、地震データを取得すべく、データ取得ユニット７を水中聴音器６又は外部コンピューターへつなげるための、別個のケーブルまたはコネクター用のしっかりシールされた管１６が備えられている。上記管の一つは、また球体の内側を真空にするためにも用いられる。
【００３２】
データ取得ユニット７とバラスト解離装置の機能図を図３に示す。データ取得ユニットは、本質的に、水中聴音器６と地中聴検器８からの信号のデジタルサンプルを生成するためのアナログ−デジタル変換器１００、上記デジタルサンプルを加工処理するための超小型処理装置１１０、および地震信号のサンプルを記録するためのメモリー１２０（例えば、コンパクトフラッシュ型のメモリー）により構成されている。データ取得ユニット７は、正確な日付を伴った地震データを得るために、超小型処理装置の内蔵時計の変わりに置き換えられた、高精度の時計回路１３０により補完されていることが好ましい。
【００３３】
本発明においては、メモリー１２０に記録された地震データに加えて、超小型処理装置１１０は解離スイッチ１４０の閉鎖を作動させる解離命令を伝える。このスイッチは最初に、充電可能なバッテリー１１の正電極につながり、２番目に三角の金属環１５につながっている。超小型処理装置１１０が解離命令を伝えると、スイッチ１４０は閉じ、三角の金属環１５に電流が流れることとなる。当該金属環は、その後、電気分解によって分解され、バラストが解離する。
【００３４】
バラスト解離装置の信頼性を増すために、海底地震観測器の充電可能なバッテリー１１は、２つの分かれたブロックにより形成されており、そのうちの１つはデータ取得ユニット７に動力を供給し、もう１つはバラスト解離機構に動力を供給するように設計されていることが好ましい。データ取得ユニット７に割り当てられたブロックの電圧レベルが、データ取得ユニットの能率的な動作の閾値以下に低下した場合、スイッチ１４０の操作によりバラストの解離を自動的に行うように設計されている。バラスト４の解離のコンディションを向上させるために、解離する際の海底地震観測器の解離を最適化すべく、弾性コード５を保護殻３に対して力強く張るように設計されていてもよい。
【００３５】
解離命令とデータ取得ユニット７の動作について詳細に説明する。本発明においては、データ取得ユニット７は、恒久的に地震波および解離命令を検出可能な状態にある。このように水中聴音器６および地中聴検器８からの信号より地震データを正常に獲得し、さらに水中聴音器からの信号より解離命令の存在を検出する。解離命令を検出した場合、海底地震観測器を、海底に維持するために必要なバラストの解離が起こる。
【００３６】
解離命令は、音波変換器によって生じた音波である。実は、海の環境下において最もよく伝播するのは音波である。データ取得ユニット７による解離命令の検出を最適化すべく、データ取得ユニットの地震データ取得帯が低周波帯であるとの理由から、解離命令は低周波数信号が好ましい。しかしながら、信号を海面から何千メートルの深さの海底に対して放射しなければならないため、より高周波数のキャリアー信号、例えば８〜１２ＫＨｚの周波数を持つ信号によりこの低周波数の信号を調節する必要がある。
【００３７】
音波命令は、値０又は値１をもつ一連のビットにより構成される。より好ましくは、容易に繰り返すことができる短い配列が選ばれる。この音波命令は、例えば１２ビットを持っている。それゆえ、２１２通りの組み合わせが利用可能であり、４０９６の異なるコードが与えられる。これは、それぞれの海底地震観測器に対する個別の解離命令を利用することができるということである。こうして、全体で１０００基の海底地震観測器に対して、１つの海底地震観測器につき４つの音波命令を利用することが可能となる。解離命令以外の全ての目的命令を認識することが可能となる。例えばいくつかの海底地震観測器に対して、同時にデータ取得の終了を命令することができる。
【００３８】
下記に示すように、解離命令の値０又は値１をもつビットは参照キーとよばれ、それぞれキー０とキー１として表される。特定の基本信号はこれらの参照キーのそれぞれと関連している。これらの基本信号を明白に見分けることを可能にするために、自然条件又は海に関わる行動（測定、発信、船の音などのように）から検出できない信号を選ぶ必要がある。これらの基本信号としては、例えば、図４Ａ及び図４Ｂで示されたように周波数ｆ１及びｆ２の二つの周波数の間で連続的に調節された音波信号が挙げられる。これらの例において、キー０は、周波数が周波数ｆ１から周波数ｆ２に連続的に変化するように調節された信号である（ただしｆ２＞ｆ１）。逆にキー１は、周波数ｆ２から周波数ｆ１に連続的に変化するように調節された信号である。基本信号の持続時間は、例えば０．２５６秒で定められる。
【００３９】
解離命令の発生は、例えば０ｓと１ｓで構成される１２ビットコードを表す信号を生じることと、８〜１２ＫＨｚ帯のキャリアー信号によって得られた信号を調節することからなる。その結果、解離命令信号は、高周波キャリアー信号によって調節された１２の連続的な基本信号により構成される。解離信号の持続期間は、例えば３．０７２秒に相当する。この信号は、測定終了時に海底地震観測器へ送信される。
【００４０】
上記信号の受信側において、地震観測器は、この解離命令信号を検出しなければならない。データ取得ユニット７は、サンプリング、二進数化、シフトレジスタへの記録、参照キーとの相関、相関ピークの検出、および命令検出というステップを経て、上記解離命令の検出を行う。
【００４１】
データ取得ユニット７では、水中聴音器６と地中聴検器８により受信した信号は、最初に例えば５００Ｈｚの周波数で全てサンプリングされる。このサンプリングは、データ取得ユニット７の動作休止のように、超小型処理装置１１０の周期的なスイッチ調節器によって２ｍｓごとに入力促進された中断処理を行うソフトウェアにより制御されている。かかるサンプリングの周波数は、超小型処理装置１１０の機能を働かせないように選ばれる。２０ＭＨｚで働く超小型処理装置の場合、我々はデータ取得ユニット７による消費が劇的に増加しない５００Ｈｚのサンプリング周期を選んだ。
【００４２】
信号の振幅を考慮することなく、次のデジタル相関の動作を簡便にするために、サンプルはその後二進数化される。この動作を通じて、サンプルの信号情報だけが保たれ、もしサンプルの値が正ならば１、負ならば０、又はその逆となる。
【００４３】
二進数化されたサンプル（０又は１）は、例えば１２８ビットの深さを持つ超小型処理装置のシフトレジスタに記憶される。このシフトレジスタの値は２ｍｓごとに左の方向に移動する。新しいサンプルはこのように右に最も遠いシフトレジスタのセルで２ｍｓごとに記録される。その結果、１２８サンプルの新しいコードは２ｍｓごとにシフトレジスタに現れる。このようにして２ｍｓごとのデジタル相関は、このコードの１２８サンプルと、予めサンプリングされたキー（キー０およびキー１）の１２８サンプルとの間で作られる。このデジタル相関は、以下に示すようにＸＯＲ型動作を通じて行われる。
【００４４】
【数１】
2006501458.tif 000003
【００４５】
これらの計算を通して、「Correlation_key0」と「Correlation_key1」の二つのレベルは、０から１２８の範囲の値とともに得られ、またシフトレジスタに記録されたコードとキー（キー０やキー１）との間に比例する。
【００４６】
理論上は、もしシフトレジスタに記録されたコードが参照キーのコードと同一ならば、「Correlation_key0」又は「Correlation_key1」の値の一つは１２８と等しくなる。実際には、発信機と地震観測器との間において与えられたノイズ、複数の経路、ドップラー効果、時計の非同期化などの小さな値は検出されることとなる。
【００４７】
このように、二つの相関レベル（「Correlation_key0」及び「Correlation_key1」）は２ｍｓごとに得られる。これら二つの相関レベルは図５Ａと５Ｂにおいて示されたように、時間関数として図示することができる。図５Ａでは、相関ピークは水中聴音器により受信された信号において値０をもつビットの存在と一致し、そして図５Ｂでは値１を持つビットに対応している。これらのピークは、参照閾値、例えば１００と等しい値と比較することにより検出される。
【００４８】
超小型処理装置が０．２５６秒ごとに参照閾値より高い相関ピークを検出し、さらにこれらの相関ピークが解離信号の１２ビット列に一致した場合は、解離機構へバラストを解離するための解離命令を伝える。
【００４９】
結論として、上記に示された海底地震観測器は以下の利点を備えている。つまり、データ取得とバラスト解離制御機能を併合したために、小さなスペースしか必要とせず、製作コストが低下させることができる。また例えば、球体を開けることなく、一連の流れで、バッテリーを充電可能にし、データ取得ユニットを初期状態に戻し、外部コンピューターに地震データを送信することを可能にすることにより、動作コストを下げることができる。
【００５０】
さらに可能な改善として、メモリー１２０に記録される前にデータの圧縮を行うことが考えられる。
【００５１】
本発明の一実施形態だけを示したが、例えば保護殻の形態や、又はバラスト解離機構に関わる技術において、同じ精神の中で熟練することにより生じる変更や変化は、本発明の範囲を超えないことは明白である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明に係る海底地震観測器の断面図である。
【図２】図１の海底地震観測器を金属環１５の方向から見た図である。
【図３】データ取得ユニットと解離命令ユニットの一実施形態の構成を示すブロック図である。
【図４Ａ】解離信号で使用された参照キーであるキー０とキー１に割り当てられたベースバンドの信号を示す図である。
【図４Ｂ】解離信号で使用された参照キーであるキー０とキー１に割り当てられたベースバンドの信号を示す図である。
【図５Ａ】観測器の水中聴音器により受信された信号において、値０をもつビットと値１をもつビットをそれぞれ決定するための相関ピークの検出を示した図である。
【図５Ｂ】観測器の水中聴音器により受信された信号において、値０をもつビットと値１をもつビットをそれぞれ決定するための相関ピークの検出を示した図である。
【図１】
2006501458.tif 000004
【図２】
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【図３】
2006501458.tif 000006
【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
2006501458.tif 000008
【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【国際調査報告】
2006501458.tif 000011
2006501458.tif 000012
2006501458.tif 000013
2006501458.tif 000014
2006501458.tif 000015
2006501458.tif 000016