(57)【要約】  非線形相互作用から媒質の特性を決定するシステム及び方法は、第１ライン上の前記媒質の表面に設けられた第１及び第２の音響源により、第１及び第２の音響波を生成する工程と、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の音響波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制御可能である。前記方法は更に、前記第１の音響源及び前記第２の音響源を含む面に位置する受信器により、前記混合領域における前記第１の音響波及び前記第２の音響波の非線形混合プロセスにより生成される第３の音響波を受信する工程と、前記表面とほぼ垂直であり前記第１ラインを含む第１の面における前記媒質の非線形特性の第１の２次元画像、又は、当該媒質の圧縮速度とせん断速度との間の第１の比、若しくは、これらの両方を、受信した前記第３の音響波に基づいて生成する工程とを備える。
2016502084.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非線形相互作用から媒質の特性を決定する方法であって、
前記媒質の表面に設けられた第１の音響源により、第１の音響波を生成する工程と、
前記媒質の前記表面において第１ライン上の前記第１の音響源とは離間して配置された第２の音響源により、第２の音響波を生成する工程と、
前記第１の音響源及び前記第２の音響源を含む面に位置する受信器により、前記混合領域における前記第１の音響波及び前記第２の音響波の非線形混合プロセスにより生成される第３の音響波を受信する工程と、
前記表面とほぼ垂直であり前記第１ラインを含む第１の面における前記媒質の非線形特性の第１の２次元画像、又は、当該媒質の圧縮速度とせん断速度との間の第１の比、若しくは、これらの両方を、受信した前記第３の音響波に基づいて生成する工程と、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の音響波及び前記第２の音響波の経路が前記媒質内の混合領域において交差するように制御可能である、方法。
【請求項２】
前記第１の音響源及び前記第２の音響源を第２ラインへと移動する工程と、
前記表面とほぼ垂直であり前記第２ラインを含む第２の面における前記媒質の非線形特性の第２の２次元画像、又は、当該記媒質の圧縮速度とせん断速度との間の第２の比、若しくは、これらの両方を、受信した前記第３の音響波に基づいて生成する工程と、を更に備える請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１の音響源及び前記第２の音響源を移動する工程は、前記第１の音響源及び前記第２の音響源を、前記第１ライン及び前記第２ラインに対してほぼ垂直な方向に、前記第１ラインから前記第２ラインへと移動する工程を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記第１の音響源及び前記第２の音響源と共に前記受信器を前記第１ラインから前記第２ラインへと移動する工程を更に備える、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記第１の音響源及び前記第２の音響源を移動する工程は、前記受信器を通る軸周りに所望の角度間隔で、前記第１の音響源及び前記第２の音響源を前記第１ラインから前記第２ラインへと回転させる工程を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記媒質の前記第１の２次元画像と、前記媒質の前記第２の２次元画像とを組み合わせて、前記媒質の３次元画像を生成する工程を更に備える、請求項２に記載の方法。
【請求項７】
前記受信器を、前記媒質の前記表面に配置する工程を更に備える、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記受信器を、前記媒質内のボアホール内に配置する工程を更に備える、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記媒質は、地下の岩石層である請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１の音響波を生成する工程は、時系列として配列された第１の複数のパルスを有する第１のコード化音響波を生成する工程を有し、前記第１の複数のパルスは時間的に隔たれており、各パルスは中心周波数での変調信号を有し、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１に記載の方法。
【請求項１１】
前記第２の音響波を生成する工程は、時系列として配列された第２の複数のパルスを有する第２のコード化音響波を生成する工程を有し、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有すると共に前記第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である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
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、前記非線形混合プロセスによって生成された第３の信号を抽出し、前記第１の音響波及び前記第２の音響波の前記混合領域において生じるエミュレートされたマイクロサイズミックイベント信号を取得するために、前記受信された音響波のデータ処理若しくはコード化信号テンプレートとの相関処理、又は、これらの両方を、プロセッサによって実行する工程を更に備える、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１のコード化音響波を生成する工程は、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のコード化音響波を生成することを含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記非線形混合プロセスによって生成され前記受信器によって受信される前記第３の信号は、時系列で到達し時間的に隔たれた第３の複数のパルスを有し、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の複数のパルスにおける各パルスは、前記第１の複数のパルスの対応するパルスの中心周波数及び前記第２の複数のパルスの対応するパルスの中心周波数の差と等しい各パルスの中心周波数を有する変調信号を有し、
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１２に記載の方法。
【請求項１５】
複数の混合領域において生成されたエミュレートされたマイクロサイズミックイベントから信号を得るべく、前記第１のコード化音響波を生成する工程、前記第２のコード化音響波を生成する工程、前記第３の信号を受信する工程、及び、開始時刻差の範囲及び周波数分数ｄの範囲に対して前記データ処理若しくは前記コード化信号テンプレートとの相関処理又はこれらの両方を実行する工程、を繰返す工程を更に備える請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記第１の音響波を生成する工程は、複数のパルスの和である第１のコード化音響信号を生成する工程を有し、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し、前記第２の音響波を生成する工程は、複数のパルスの和である第２のコード化音響信号を生成する工程を含み、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１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記相関処理は、前記コード化テンプレート信号と前記検出信号との相関処理を含み、前記テンプレート信号は複数のパルスを有し、前記テンプレート信号における前記複数のパルスの中央間の時間間隔は、前記第１の音響信号の前記複数のパルスの中央の前記時間間隔と同様であり、前記第３の信号における前記複数のパルスの前記中心周波数は前記第１の音響信号における前記複数のパルスの前記中心周波数及び前記周波数分数ｄの関数である請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
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第３の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１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記プロセッサによって、受信器Ｒｉにおける前記第３の音響波とコード化テンプレート信号ｕs（ｔ）との相関処理により、前記混合領域における前記エミュレートされたマイクロサイズミックイベントから、前記第３の信号を抽出する工程と、
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について、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について、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及び前記検出信号間の相関処理を繰り返して、相関処理された信号を生成する工程と、を更に備え、
前記相関処理された信号は、各受信器Ｒｉに対してＭ（Ｒｉ，ｔ）として示され、非線形相互作用の選択ルールに従う特定の混合場所における非線形相互作用によって生成されたエミュレートされたマイクロサイズミックイベントを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記各開始時刻差δに対し、並びに、各周波数比ｄ及び前記対応する相関処理された信号Ｍ（Ｒｉ，ｔ）に対し、場所分析及び圧縮又はせん断波速度に対する速度モデルに基づく伝播速度計算を用いて前記２つの音響信号が非線形に相互作用するエミュレートされたマイクロサイズミックイベントの空間座標を計算する工程を更に備える、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
伝播速度モデルを伴う前記マイクロサイズミックイベントの発生の時刻及び場所に対して、前記エミュレートされたマイクロサイズミックイベントの前記信号を時間的に後方へ伝播させるために時間反転オペレーションを適用する工程を更に備える、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
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、又は時間反転法を用いて、前記第１の音響信号及び前記第２の音響信号の前記混合領域におけるエミュレートされたマイクロサイズミックイベントを含む前記相関処理された信号から、前記マイクロサイズミックイベント若しくは前記媒質の前記非線形特性又はこれらの両方の２次元若しくは３次元画像を生成する工程を更に備え、
前記相関処理された信号は複数の受信器において受信された信号から得られ、
前記第１の音響源及び前記第２の音響源は異なる場所に位置する請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
前記第１の音響源による前記音響波信号の生成を、前記第１の音響源を複数の場所へ配置することによって複数回繰り返し、及び、前記第２の音響源による前記第２の音響波の生成を、前記第２の音響源を複数の場所へ配置することによって複数回繰り返す工程と、
前記第３の信号の受信を、前記受信器を複数の場所へ配置することにより複数回繰り返す工程と、
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、又は時間反転法を用いて、前記第１の音響信号及び前記第２の音響信号の前記混合領域におけるエミュレートされたマイクロサイズミックイベントを含む前記相関処理された信号から、前記媒質の前記非線形特性の多数の３次元画像を生成する工程と、を更に備え、
前記相関処理された信号は複数の受信器において受信された信号から得られる請求項１９に記載の方法。
【請求項２４】
非線形相互作用から媒質の特性を決定するシステムであって、
前記媒質の表面に配置されて、第１の音響波を生成する第１の音響源と、
前記媒質の前記表面において第１ライン上の前記第１の音響源とは離間して配置され第２の音響波を生成する第２の音響源と、
前記第１の音響源及び前記第２の音響源を含む面に位置し、前記混合領域における前記第１の音響波及び前記第２の音響波の非線形混合プロセスにより生成される第３の音響波を受信するように構成される受信器と、
前記表面とほぼ垂直であり前記第１ラインを含む第１の面における前記媒質の非線形特性の第１の２次元画像、又は、当該媒質の圧縮速度とせん断速度との間の第１の比、若しくは、これらの両方を、受信した前記第３の音響波に基づいて生成するように構成されるプロセッサと、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の音響波及び前記第２の音響波の経路が前記媒質内の混合領域において交差するように制御可能である、システム。
【請求項２５】
前記第１の音響源及び前記第２の音響源は、第２ラインへと移動可能であり、
前記プロセッサは、前記表面とほぼ垂直であり前記第２ラインを含む第２の面における前記媒質の前記非線形特性の第２の２次元画像、又は、当該記媒質の圧縮速度とせん断速度との間の第２の比、若しくは、これらの両方を、受信した前記第３の音響波に基づいて生成するように更に構成される、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
前記第１の音響源及び前記第２の音響源は、前記第１ライン及び前記第２ラインに対してほぼ垂直な方向に、前記第１ラインから前記第２ラインへと移動可能である、請求項２５に記載のシステム。
【請求項２７】
前記受信器は、前記第１の音響源及び前記第２の音響源と共に、前記第１ラインから前記第２ラインへと移動可能である、請求項２５に記載のシステム。
【請求項２８】
前記受信器を通る軸周りに所望の角度間隔で前記第１の音響源及び前記第２の音響源を回転させることにより、前記第１の音響源及び前記第２の音響源を前記第１ラインから前記第２ラインへと移動可能である、請求項２５に記載のシステム。
【請求項２９】
前記プロセッサは、前記媒質の前記第１の２次元画像と前記媒質の前記第２の２次元画像とを組み合わせて、前記媒質の３次元画像を生成するように構成される、請求項２５に記載のシステム。
【請求項３０】
前記受信器は前記媒質の前記表面に配置される、請求項２４に記載のシステム。
【請求項３１】
前記受信器は、前記媒質内のボアホール内に配置される、請求項２４に記載のシステム。
【請求項３２】
前記媒質は、地下の岩石層である請求項２４に記載のシステム。
【請求項３３】
前記第１の音響源は、時系列として配列された第１の複数のパルスを有する第１のコード化音響信号を生成するように構成され、前記第１の複数のパルスは時間的に隔たれており、各パルスは中心周波数での変調信号を有し、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２４に記載のシステム。
【請求項３４】
前記第２の音響源は、時系列として配列された第２の複数のパルスを有する第２のコード化音響信号を生成するように構成され、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有すると共に前記第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である、請求項３３に記載のシステム。
【請求項３５】
前記プロセッサは、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、前記非線形混合プロセスによって生成された第３の信号を抽出し、前記第１の音響信号及び前記第２の音響信号の前記混合領域において生じるエミュレートされたマイクロサイズミックイベント信号を取得するために、前記受信された音響波のデータ処理若しくはコード化信号テンプレートとの相関処理、又は、これらの両方を実行するように構成される、請求項３４に記載のシステム。
【請求項３６】
前記第１の音響信号は、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生成される、請求項３５に記載のシステム。
【請求項３７】
前記非線形混合プロセスによって生成され前記受信器によって受信される前記第３の信号は、時系列で到達し時間的に隔たれた第３の複数のパルスを有し、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の複数のパルスにおける各パルスは、前記第１の複数のパルスの対応するパルスの中心周波数及び前記第２の複数のパルスの対応するパルスの中心周波数の差と等しい各パルスの中心周波数を有する変調信号を有し、
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３５に記載のシステム。
【請求項３８】
前記第１の音響源及び前記第２の音響源は、前記第１のコード化音響波の生成及び前記第２のコード化音響波の生成を繰り返すように構成され、
前記受信器は、前記第３の信号の受信を繰り返すように構成され、
前記プロセッサは、複数の混合領域において生成されたエミュレートされたマイクロサイズミックイベントから信号を得るべく、開始時刻差の範囲及び周波数分数ｄの範囲に対して前記データ処理若しくは前記コード化信号テンプレートとの相関処理又はこれらの両方の実行を繰返すように構成される、請求項３５に記載のシステム。
【請求項３９】
前記第１の音響源は、複数のパルスの和である第１のコード化音響信号を生成するように構成され、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し、
前記第２の音響源は、複数のパルスの和である第２のコード化音響信号を生成するように構成され、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３５に記載のシステム。
【請求項４０】
前記プロセッサは、前記検出信号と前記コード化テンプレート信号との相関処理を行うように構成され、
前記テンプレート信号は複数のパルスを有し、前記テンプレート信号における複数のパルスの中央間の時間間隔は、前記第１の音響信号の前記複数のパルスの中央の時間間隔と同様であり、前記第３の信号における複数のパルスの中心周波数は前記第１の音響信号における前記複数のパルスの中心周波数及び前記周波数分数ｄの関数である請求項３５に記載のシステム。
【請求項４１】
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第３の信号の識別性を向上させるために、前記第１の音響源は前記第１の複数のパルスの数を増加させるように構成され、前記第２の音響源は前記第２の複数のパルスの数を増加させるように構成される、請求項４０に記載のシステム。
【請求項４２】
前記プロセッサは、受信器Ｒｉにおける前記第３の音響波とコード化テンプレート信号ｕs（ｔ）との相関処理により、前記混合領域における前記エミュレートされたマイクロサイズミックイベントから、前記第３の信号を抽出するように構成され、更に、
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について、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について、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及び前記検出信号間の相関処理を繰り返して、相関処理された信号を生成するように構成され、
前記相関処理された信号は、各受信器Ｒｉに対してＭ（Ｒｉ，ｔ）として示され、非線形相互作用の選択ルールに従う特定の混合場所における非線形相互作用によって生成されたエミュレートされたマイクロサイズミックイベントを含む、請求項４１に記載のシステム。
【請求項４３】
前記プロセッサは、各開始時刻差δに対して、並びに、各周波数比ｄ及び前記対応する相関処理された信号Ｍ（Ｒｉ，ｔ）に対して、場所分析及び圧縮又はせん断波速度に対する速度モデルに基づく伝播速度計算を用いて前記２つの音響信号が非線形に相互作用するエミュレートされたマイクロサイズミックイベントの空間座標を計算するように構成される請求項４２に記載のシステム。
【請求項４４】
前記プロセッサは、伝播速度モデルを伴う前記マイクロサイズミックイベントの発生の時間及び場所に対して、前記エミュレートされたマイクロサイズミックイベントの前記信号を時間的に後方へ伝播させるために時間反転オペレーションを適用するように構成される請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
前記プロセッサは、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、又は時間反転法を用いて、前記第１の音響信号及び前記第２の音響信号の前記混合領域におけるエミュレートされたマイクロサイズミックイベントを含む前記相関処理された信号から、前記マイクロサイズミックイベント若しくは前記媒質の前記非線形特性又はこれらの両方の２次元若しくは３次元画像を生成するように構成され、前記相関処理された信号は複数の受信器において受信された信号から得られ、前記第１の音響源及び前記第２の音響源は異なる場所に位置する請求項４２に記載の方法。
【請求項４６】
前記第１の音響源は、前記第１の音響波の生成を複数の場所において複数回繰り返すように構成され、
前記第２の音響源は、前記第２の音響波の生成を複数の場所において複数回繰り返すように構成され、
前記受信器は、前記第３の信号の受信を複数の場所において複数回繰り返すように構成され、
前記プロセッサは、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、又は時間反転法を用いて、前記第１の音響信号及び前記第２の音響信号の前記混合領域におけるエミュレートされたマイクロサイズミックイベントを含む前記相関処理された信号から、前記媒質の前記非線形特性の多数の３次元画像を生成するように構成され、
前記相関処理された信号は複数の受信器において受信された信号から得られる、請求項４２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、米国特許仮出願第６１／７３０，４１７号（出願日：２０１２年１１月２７日）に基づく優先権を主張するものであり、この米国特許仮出願の開示は、参照により全体として本明細書に組み込まれる。
【０００２】
（米国政府の権利）
本発明は部分的に、合衆国エネルギー省により授与された契約番号第ＤＥ−ＡＣ５２−０６ＮＡ２５３９６による政府の支持でなされ、また部分的に、共同研究開発契約（Ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ａｎｄ  Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  Ａｇｒｅｅｍｅｎｔ（ＣＲＡＤＡ））の契約番号ＬＡ０５−Ｃ１０５１８に基づいてＬｏｓ  Ａｌａｍｏｓ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｅｃｕｒｉｔｙ，  ＬＬＣとともになされた。米国政府は本発明について所定の権利を有する。
【０００３】
本発明は、地表面地震を用いた岩石層の音響探査に関し、特に、地表面地震あるいは地表面からボアホールまでの地震、又はそれら両方を用いた岩石層の非線形性の２Ｄ及び３Ｄ画像を生成するシステム及び方法に関する。本明細書において、「表面地震」という用語は約１０メートルから約１キロメートルの深さからの地震波の伝播を含む。
【背景技術】
【０００４】
固体物質中の音響波の非線形性は、当該固体物質中のひび割れやその他の破損、また場合によっては応力及び流体飽和の状態と関連付けることができる。岩石中の非線形性は、１９８０年代後半の理論及び実験によって調査され、知見が確立された。その概要はＧｕｙｅｒ及びＪｏｈｎｓｏｎ（Ｎｏｎ−Ｌｉｎｅａｒ  Ｍｅｓｏｓｃｏｐｉｃ  Ｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ，Ｗｉｌｅｙ，１９９９年）、並びにＯｓｔｒｏｖｓｋｙ及びＪｏｈｎｓｏｎ（Ｒｉｖｉｓｔａ  ｄｅｌ  Ｎｏｕｖｏ  Ｃｉｍｅｎｔｏ，  第２４巻，７号，２００１年）の文献に提示されている。
【０００５】
弾性媒質中の音響波の非線形相互作用を決定する一般的な理論は、Ｌａｎｄａｕ及びＬｉｆｓｈｉｔｚによるＴｈｅｏｒｙ  ｏｆ  Ｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ（第３版、Ｐｅｒｇａｍｏｎ  Ｐｒｅｓｓ，Ｏｘｆｏｒｄ，１９８６年）に記載されていることが知られている。２つの音響ビーム又は音響平面波の間の非線形非共線相互作用を決定する選択ルールと呼ばれる特定の運動学的特性が存在する。この特性は、Ｊｏｎｅｓ，  Ｇ．Ｌ．及びＤ．Ｒ．  ＫｏｒｂｅｔｔによるＩｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｅｌａｓｔｉｃ  ｗａｖｅｓ  ｉｎ  ａｎ  ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ  ｓｏｌｉｄ，  Ｊ．  Ａｃｏｕｓｔ．  Ｓｏｃ．  Ａｍ．，  ３５，  ５−１０  （１９６３年）に開示されている。この選択ルールによれば、第１の音響波及び第２の音響波の非線形混合から生じる第３の平面波又はビーム波は、第１の平面波の周波数ｆ１と第２の平面波の周波数ｆ２との周波数の差に等しい。さらに、この選択ルールによれば、第３平面波は、第１及び第２の平面波の特定の交差角度及び周波数比の場合にのみ、第１及び第２の平面波の交差領域における媒質の任意のポアソン比に対して生成される。２つの非共線音響平面波の間のより完全な計算は、Ｋｏｒｎｅｅｖ，Ｎｉｈｅｉ，及びＭｙｅｒによって提供されている（Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｐｌａｎｅ  Ｅｌａｓｔｉｃ  Ｗａｖｅｓ，  Ｌａｗｒｅｎｃｅ  Ｂｅｒｋｌｅｙ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，  Ｅａｒｔｈ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ，  １９９８年６月，  ＬＢＮＬ  ４１４９１４）。
【０００６】
非線形音響プローブを有する基本的な遠隔センシングシステムは、一般的に２つの離れた位置に配置される２つの音響源、及びこれらの音響源とは異なる位置に配置される音響検出器のアレイから構成される。これら２つの音響源は、調査対象の媒質内の様々な位置で交差する第１及び第２の音響波（例えば、第１及び第２の音響ビーム波）を生成することができる。第３の音響波（例えば、第３の音響ビーム波）は、媒質内での第１及び第２の音響波の非線形相互作用によって生成され得る。第３の音響波はその後受信器のアレイにおいて検出される。
【０００７】
ボアホール環境内での特定の用途のために設計された様々なシステムは、Ｄ’Ａｎｇｅ
ｌｏら（米国特許第５，５２１，８８２号）、Ｌｅｇｇｅｔｔら（米国特許第７，３０１，８５２号）、Ｋｈａｎ（米国特許第６，１７５，５３６号）、及びＪｏｈｎｓｏｎら（米国特許出願公開第ＵＳ２０１０／０２６５７９４号）に記載されている。これらのシステムは媒質内における第１及び第２の音響波の非線形相互作用に起因する複雑な干渉パターンの測定を提供する。
【発明の概要】
【０００８】
本発明の一態様は、非線形相互作用から媒質の特性を決定する方法を提供する。当該方法は、前記媒質の表面に設けられた第１の音響源により、第１の音響波を生成する工程と、前記媒質の前記表面において第１ライン上の前記第１の音響源とは離間して配置された第２の音響源により、第２の音響波を生成する工程とを備え、ここで、前記第１の音響源及び前記第２の音響源は、前記第１の音響波及び前記第２の音響波の経路が前記媒質内の混合領域において交差するように制御可能である。前記方法は更に、前記第１の音響源及び前記第２の音響源を含む面に位置する受信器により、前記混合領域における前記第１の音響波及び前記第２の音響波の非線形混合プロセスにより生成される第３の音響波を受信する工程と、前記表面とほぼ垂直であり前記第１ラインを含む第１の面における前記媒質の非線形特性の第１の２次元画像、又は、当該媒質の圧縮速度とせん断速度との間の第１の比、若しくは、これらの両方を、受信した前記第３の音響波に基づいて生成する工程とを備える。
【０００９】
一実施形態において、前記方法は更に、前記第１の音響源及び前記第２の音響源を第２ラインへと移動する工程と、前記表面とほぼ垂直であり前記第２ラインを含む第２の面における前記媒質の非線形特性の第２の２次元画像、又は、当該記媒質の圧縮速度とせん断速度との間の第２の比、若しくは、これらの両方を、受信した前記第３の音響波に基づいて生成する工程とを備える。一実施形態において、前記媒質の前記第１の２次元画像と、前記媒質の前記第２の２次元画像とを組み合わせて、前記媒質の３次元画像を生成することができる。
【００１０】
本発明の他の態様は、非線形相互作用から媒質の特性を決定するシステムを提供する。システムは、前記媒質の表面に配置され第１の音響波を生成する第１の音響源と、前記媒質の前記表面において第１ライン上の前記第１の音響源とは離間して配置され、第２の音響波を生成する第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、前記第１の音響波及び前記第２の音響波の経路が前記媒質内の混合領域において交差するように制御可能である。前記システムは更に、前記第１の音響源及び前記第２の音響源を含む面に位置し、前記混合領域における前記第１の音響波及び前記第２の音響波の非線形混合プロセスにより生成される第３の音響波を受信する受信器と、前記表面とほぼ垂直であり前記第１ラインを含む第１の面における前記媒質の非線形特性の第１の２次元画像、又は、当該媒質の圧縮速度とせん断速度との間の第１の比、若しくは、これらの両方を、受信した前記第３の音響波に基づいて生成するように構成されるプロセッサとを備える。
【００１１】
一実施形態において、前記第１の音響源及び前記第２の音響源は、第２ラインへと移動可能であり、前記プロセッサは、前記表面とほぼ垂直であり前記第２ラインを含む第２の面における前記媒質の非線形特性の第２の２次元画像、又は、当該記媒質の圧縮速度とせん断速度との間の第２の比、若しくは、これらの両方を、受信した前記第３の音響波に基づいて生成するように更に構成される。一実施形態において、前記媒質の前記第１の２次元画像と、前記媒質の前記第２の２次元画像とを前記プロセッサにより組み合わせて、前記媒質の３次元画像を生成することができる。
【００１２】
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】
【００１３】
【図１】地面の横断面図であり、本発明の実施形態に従って、地表面地震アプリケーションの構成を模式的に示す。
【００１４】
【図２】地面の上面図であり、本発明の他の実施形態に従って、地表面地震アプリケーションの構成を模式的に示す。
【００１５】
【図３】地面の横断面図であり、本発明の他の実施形態に従って、地表面地震アプリケーションの構成を模式的に示す。
【００１６】
【図４】地面の上面図であり、本発明の他の実施形態に従って、地表面地震アプリケーションの構成を模式的に示す。
【００１７】
【図５】本発明の実施形態に従って、第１の波源によって生成される第１の音響信号、第２の波源によって生成される第２の音響信号、及び、第１の音響信号と第２の音響信号の非線形混合領域における非線形混合から発する第３の音響信号を示す。
【００１８】
【図６Ａ】本発明の実施形態に従って、第１の音響源及び第２の音響源からのコード化信号を示す。
【図６Ｂ】本発明の実施形態に従って、第１の音響源及び第２の音響源からのコード化信号を示す。
【００１９】
【図７Ａ】本発明の実施形態に従って、２つのパルス系列のブロードキャストから、非線形相互作用によって生成され、受信器アレイの６つの受信器において受信及び記録された、コンピュータでシミュレートされた信号を示す。
【００２０】
【図７Ｂ】本発明の実施形態に従って、受信器アレイにおいて相関処理された信号を抽出するために用いられるテンプレート信号を図示する。
【００２１】
【図７Ｃ】本発明の実施形態に従って、図７Ｂに示すテンプレート信号と考慮される各受信器において図７Ａに示される記録され又は計測された信号との相関処理の結果を示す。
【００２２】
【図８Ａ】本発明の実施形態に従って、受信器アレイの６つの受信器において記録されたノイズを含むシミュレートされた受信信号を示す。
【００２３】
【図８Ｂ】本発明の実施形態に従って、テンプレート信号の一例を示す。
【００２４】
【図８Ｃ】本発明の実施形態に従って、図８Ａに示すノイズを有する信号を図８Ｂに示すコード化されたテンプレート信号と相関処理したときに同じ受信器においてノイズを有する信号から取り出される信号を示す。
【００２５】
【図９】本発明の実施形態に従って、媒質が一定の音響伝播速度と可変の非線形地質パラメータを有するときの、第１の音響源及び第２の音響源を含む平面内における、第１の音響信号と第２の音響信号との間の開始時刻差δ及び周波数比ｄの組合せ（δ，ｄ）に対する、混合領域Ｍｃ（δ，ｄ）の地点を示す。
【００２６】
【図１０】本発明の実施形態に従って、第１の音響源が音響波を生成するための波源であり、第２の音響源が円錐形の音響ブロードキャストを生成する状態を図示する。
【００２７】
【図１１】本発明の実施形態に従って、地震測定法を実装するコンピュータシステムを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１は地表面の上面図であり、本発明の実施形態に従って、地表面地震アプリケーションの構成を模式的に示す。本実施形態において、第１及び第２の音響源（例えば、振動装置アレイ）１０及び１２は、地表面１４に互いに間隔を空けて配設される。第１の音響源（Ｓ１）１０は、第１の音響波１１を第１の周波数ｆ１で生成するように構成され、第２の音響源（Ｓ２）１２は、第２の音響波１３を第１の周波数ｆ１とは異なる第２の周波数ｆ２で生成するように構成される。本明細書において、「音響波」という用語はすべての種類の弾性波を含む。第１の音響源１０及び第２の音響源１２は一又は複数の音響波生成部品（例えば、振動部品）を含み得る。音響源１０内の一又は複数の音響波生成部品（例えば、音響部品のアレイ）は第１の音響波１１を所望の方向に向けるように構成されてもよい。同様に、音響源１２内の一又は複数の音響波生成部品（例えば、音響部品のアレイ）もまた第２の音響波１３を所望の方向に向けるように構成されてもよい。例えば、第１の音響波１１及び第２の音響波１３は、第１及び第２の音響波１１及び１３が地表面１４の下の岩石層１７の所望の範囲又は混合領域１８で交差するように向けられてもよい。つまり、第１の音響源１０及び第２の音響源１２は、第１及び第２の音響波１１及び１３の経路が岩石層１７内の混合領域１８で交差するように制御されてもよい。音響源１０及び音響源１２は、音響ビーム又は音響円錐を生成するように構成されてもよい。また、受信器アレイ（Ｒ）１６は、地表面１４の第１の音響源１０及び第２の音響源１２から離れた位置に配設される。受信器アレイ１６は第１の音響源１０及び第２の音響源１２を含む平面内に配置される。一実施形態において、受信器アレイ１６は第１の音響源１０及び第２の音響源１２と同じ直線状に配置される。受信器アレイ１６は、地表面１４に戻る第３の音響波１５を検知するように構成される。この第３の音響波１５は、混合領域１８における岩石層内の第１の音響波１１及び第２の音響波１３の非線形相互作用によって生成される。２つの音響波１１及び１３の間の位置にある地面、すなわち混合領域１８の非線形性によって、第３の波１５が発生する。第３の波１５の強度は、混合領域１８における岩石の非線形性の関数である。
【００２９】
当該第３の音響波１５の周波数Ｏは、前記第１の周波数ｆ１と第２の周波数ｆ２との差に等しい。例えば、周波数ｆ１を有する初期圧縮（Ｐ）第１波及び周波数ｆ２を有する初期圧縮（Ｐ）第２波が非線形媒質内で交差するとき、第３のせん断（ＳＶ）波が生成され、その周波数Ｏは第１の周波数ｆ１と第２の周波数ｆ２の間の差異に等しい。この種類の相互作用は（Ｐ＋Ｐ→ＳＶ）と記述できる。本明細書においてはＰ＋Ｐ→ＳＶ相互作用について述べているが、他の種類の相互作用も想定できることが理解できよう。以下の記述はＰ＋Ｐ→ＳＶ、又は２つの弾性波、圧縮Ｐ波又はせん断波（ＳＶ及びＳＨモード）の非線形混合のいかなる変更形態にも等しく適用可能である。他の種類の相互作用の例を下記表１に示すが、これは変更形態の完全なリストではない。
【表１】
2016502084.tif 000003
【００３０】
一実施形態において、音響源１０及び１２は２次元アレイの音響源であって、これらはそれぞれ第１の周波数ｆ１及び第２の周波数ｆ２の地震エネルギーのビームが特定の射出角度（例えば、ゼロに等しい固定の方位角）で下方に向けられるように構成されている。一実施形態において、受信器アレイ１６は２次元アレイであってもよい。
【００３１】
非共線非線形混合の選択ルールは、第１の音響波１１の第１の周波数ｆ１及び第２の音響波１３の第２の周波数ｆ２の間の関係を決定する。この選択ルールはまた、第１の音響波１１の第１の波ベクトルｋ１と第２の音響波１３の第２の波ベクトルｋ２の間の交差角Θを決定し、また、圧縮速度Ｖｐ及びせん断速度Ｖｓの間の速度比Ｖｐ／Ｖｓ、及び第３の音響波１５の第３波ベクトルｋ３と第１の音響波１１の第１の波ベクトルｋ１との間の角度φを決定する。
【００３２】
一実施形態において、音響波ベクトルｋ３、ｋ２、及びｋ１の間の三角法の関係（ｋ３はｋ１とｋ２の差異に等しい（ｋ３＝ｋ１−ｋ２））及び選択ルールを用いて、以下の角度関係を決定できる。これらの関係の詳細な記述は、米国特許出願第１３／２９２，９０８号（発明の名称は「圧縮音響源を用いて岩石層の表面下の特徴を調査するシステム及び方法」）に提供されており、この出願は参照によりその全内容が本明細書に組み込まれる。
【数１】
2016502084.tif 000004
【数２】
2016502084.tif 000005
【００３３】
ビーム方向角（すなわち、角度Θ）及び周波数ｆ１及び周波数ｆ２の間の比ｆ２／ｆ１を変更することによって、混合領域は第１の音響源１０、第２の音響源１２、及び受信器１６を含む平面に沿うすべての位置に位置付けることができる。等式（１）及び（２）により、受信器１６内で検知される戻り信号からＶｐ／Ｖｓの比を導出及びマッピングしてもよい。受信された第３の波の振幅は、混合領域における地面の非線形性に比例する。これによって音響源１０及び音響源１２の領域の直下の平面内の、Ｖｐ／Ｖｓの比あるいは振幅、又はその両方を記述する地面の画像の構築が可能になる。
【００３４】
図２は地面の上面図であり、本発明の他の実施形態に従って、地表面地震アプリケーションの構成を模式的に示す。本実施形態において、類似の参照記号は図１における類似の構成要素を示す。しかしながら、図２においては、地表面１４に配置された第１の音響源１０、第２の音響源１２、及び受信器１６はインライン（一直線）方向に動かしてもよい。具体的には、図２に示すように、地表面１４に配置された第１の音響源１０、第２の音響源１２、及び受信器１６は、インライン方向２０−１からインライン方向２０−２、そしてインライン方向２０−３、最後にインライン方向２０−Ｎ（Ｎは任意の整数）へと連続的に移動する。インライン方向２０−１、２０−２、２０−３、・・・、２０−Ｎの各々で測定が行われる。よって、インライン方向２０−１から２０−Ｎの各々において計測が反復される。このように、直線２０−１、２０−２、２０−３、・・・、又は２０−Ｎに沿う垂直平面内、又は直線２０−１、２０−２、又は２０−Ｎを含む地表面１４に略直角の平面内の地表面下の非線形性の２次元（２Ｄ）画像を構築又は取得することができる。構成全体、すなわち第１の音響源１０、第２の音響源１２、及び受信器１６を地表面上で、直線２０−１、２０−２、２０−３等に実質的に直角の方向に沿って距離Ｄだけ移動させることによって、直線に沿う計測を反復することができる。距離Ｄは２つの連続する直線２０−１及び２０−２、２０−２及び２０−３等の間で同じであっても異なってもよい。インライン位置２０−１、２０−２、２０−３、・・・、２０−Ｎの各々において計測が実施され、それぞれ非線形性の２Ｄ画像が得られる。複数の直線に沿って計測を反復することによって、複数の非線形性の２Ｄ画像が得られ、これにより地表面１４の下の地面の非線形性の３Ｄ画像が得られる。この３Ｄ画像は、複数の２Ｄ画像を組み合わせることで作成されるが、この際地震探査産業において一般的に用いられる３Ｄ地震処理画像技術を用いる。つまり、直線２０−１、２０−２、２０−Ｎの各々に沿って得られる地面の非線形性の二次元画像の各々は、地表面１４の下の非線形性の３Ｄ画像をスライスしたものを表す。
【００３５】
図２において、第１の音響源１０及び第２の音響源１２は、波源１０及び１２の間の間隔を等しく保ちながら、直線２０−１、２０−２等に実質的に直角の軸に沿って同時に移動するものとして示されている。しかしながら、第１の音響源１０及び第２の音響源１２の間の間隔は１つのインライン位置（例えば、直線２０−１）と他のインライン位置（例えば、直線２０−２又は直線２０−３等）との間で変化し得ることが理解できる。さらに、受信器３０と波源１０又は１２の一方との間の間隔は、一定に保つこともでき、又は複数のインライン位置の間で変化させることもできる。
【００３６】
図３は地面の横断面図であり、本発明の他の実施形態に従って、地表面地震アプリケーションの構成を模式的に示す。本実施形態は図１に関して上述した実施形態と多くの点で類似している。図３において、同じ参照記号は図１に示すものと同じ構成要素を指示する。しかしながら、本実施形態においては、受信器３０はボアホールの中に配置される。受信器又は受信器アレイ（Ｒ）３０は、第１の音響源１０及び第２の音響源１２から離れた位置に配設される。受信器３０は第１の音響源１０及び第２の音響源１２を含む平面内に配置される。受信器３０は、混合領域１８における岩石層内の第１の音響波１１及び第２の音響波１３の非線形相互作用によって生成される第３の音響波３５を検知するように構成される。２つの音響波１１及び１３の間の位置にある地面、すなわち混合領域１８の非線形性によって、第３の波３５が発生する。第３の波３５の強度は、混合領域１８における岩石の非線形性の関数である。
【００３７】
図１の実施形態と同様に、第３の音響源３５の周波数ｆ３は、第１の音響波１１の第１の周波数ｆ１と第２の音響波１３の第２の周波数ｆ２との差異に等しい。
【００３８】
非共線非線形混合の選択ルールは、第１の音響波１１の第１の周波数ｆ１及び第２の音響波１３の第２の周波数ｆ２の間の関係を決定する。この選択ルールはまた、第１の音響波１１の第１の波ベクトルｋ１と第２の音響波１３の第２の波ベクトルｋ２の間の交差角Θを決定し、また、圧縮速度Ｖｐ及びせん断速度Ｖｓの間の速度比Ｖｐ／Ｖｓ、及び第３の音響波３５の第３波ベクトルｋ３と第１の音響波１１の第１の波ベクトルｋ１との間の角度φを決定する。
【００３９】
ボアホール３２の内側に受信器３０を設けることにより、第３の音響波３５の第３の波ベクトルｋ３と第１の音響波１１の第１の波ベクトルｋ１との間の角度φを小さくすることができ、よって音響波３５の検出がより容易になる。ボアホール３２内の受信器３０の位置は音響波３５を検出するために任意に変更できることが理解できる。さらに、ボアホール３２は地表面１４に対して比較的垂直に示されているが、ボアホールはこのような構成に限定されないことが理解できる。実際、一実施形態において、ボアホール３２は地表面１４に対して傾けてもよい。他の実施形態において、ボアホール３２は曲線状でもよい。例えば、ボアホール３２はその一部が比較的水平となるように曲がっていてもよい。受信器３０は地表面１４に対して傾いた部分を含むボアホール３２の任意の部分内に配置してもよく、又は比較的水平な曲線状のボアホールの部分内に配置してもよい。
【００４０】
図４は地面の上面図であり、本発明の他の実施形態に従って、地表面地震アプリケーションの構成を模式的に示す。本実施形態は図２に関して上述した実施形態と多くの点で類似している。よって、本実施形態において、類似の参照記号は図２における類似の構成要素を示す。しかしながら、図４において、第１の音響源１０及び第２の音響源１２は地表面１４上で間隔を空けて配置され、ボアホール３２の軸の回りを同時に移動する。図３に示すように、受信器３０はボアホール３２の内側に配設される。図４に示すように、第１の音響源１０及び第２の音響源１２はボアホール３２の軸（すなわち、受信器３０を貫通する軸）の回りを円状に移動又は回転し、インライン方向４０−１からインライン方向４０−２、そしてインライン方向４０−３、４０−４、４０−５、４０−６、４０−７、４０−８、４０−９、４０−１０、４０−１１、最後にインライン方向４０−Ｎへと順次変遷する（ここでＮは任意の整数である）。インライン方向４０−１、４０−２、４０−３、・・・、４０−Ｎの各々で測定が行われる。
【００４１】
インライン方向４０−１から４０−Ｎの各々において計測が反復される。
このように、直線４０−１、４０−２、４０−３、・・・、４０−Ｎに沿う垂直平面内で地表面下の非線形性の二次元（２Ｄ）画像を構築又は取得できる。第１の音響源１０及び第２の音響源１２を地表面１４上で、ボアホール３２の軸の回りに任意の角度ａだけ移動させることによって、直線に沿う計測を反復することができる。角度ａは２つの連続する直線４０−１及び４０−２、４０−２及び４０−３等の間で同じであっても異なってもよい。インライン位置４０−１、４０−２、４０−３、・・・、４０−Ｎの各々において計測が実施され、それぞれ非線形性の２Ｄ画像が得られる。複数の直線に沿って計測を反復することによって、複数の非線形性の２Ｄ画像が得られ、その後これらが地震探査産業の様々な３Ｄ画像処理技術を用いて組み合わされて、ボアホールの周囲の地表面１４の下の地面の非線形性の３Ｄ画像が得られる。図４において、第１の音響源１０及び第２の音響源１２は、それらの間隔を等しく保ちながら、ボアホール３２の軸の回りを同時に移動又は回転するものとして示されている。しかしながら、第１の音響源及び第２の音響源の間の間隔は１つのインライン位置（例えば、直線４０−１）と他のインライン位置（例えば、直線４０−２又は直線４０−３等）との間で変化し得ることが理解できる。さらに、受信器３０のボアホール内の（ある深さにおける）位置は一定に保つこともでき、又は複数のインライン位置又は角度位置の間で変化させることもできる。さらに、受信器３０と波源１０又は１２の一方との間の径方向の距離は、一定に保つこともでき、又は複数のインライン位置又は角度位置の間で変化させることもできる。
【００４２】
図１から図４を参照しながら２つの構成を上述したが、波源及び受信器の配置又は構成は、図１から図４について述べた構成に限定されることはなく、むしろ他の配置又は構成を包含することができる。例えば、一実施形態において、一の音響源はボアホールの内側に配置されてもよく、また他の音響源及び受信器は地表面上に配置されてもよい。他の実施形態において、一の音響源は地表面上に配置されてもよく、また他の音響源及び受信器はボアホールの内側に配置されてもよい。さらに、また別の実施形態において、第１の波源及び第２の波源は２つの異なるボアホール内に配置され、受信器は地表面上に配置されてもよく、又は一の波源及び受信器が２つの異なるボアホール内に配置され、他の波源が地表面上に配置されてもよい。
【００４３】
一実施形態において、音響源１０及び１２からの音響波１１及び１３をそれぞれコード化し、媒質の非線形応答又は音響波１５，３５を検出し、媒質内又は地下の岩石層のコード化された音響波１１及び１３の非線形相互作用の混合領域１８において生じるマイクロサイズミックイベントをエミュレートする帯域制限スパイク音響波（ｂａｎｄ−ｌｉｍｉｔｅｄ  ｓｐｉｋｅ  ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｓｉｇｎａｌ）を生成するために、検出された非線形音響波１５，３５をコンピュータ上で処理することが可能である。この帯域制限スパイク音響波は、非線形相互作用から発するエミュレートされたマイクロサイズミックイベントとして、本明細書において言及される。本発明の様々な実施形態が記述する方法及びシステムは、ａ）遠隔で媒質を探査すると共に媒質の非線形応答を検出するために、波源及び受信器の適切な計測構成を設定し、ｂ）音響源信号をコード化し、ｃ）イベントの強度が媒質の非線形特性に対して比例するような媒質内の特定の位置におけるエミュレートされたマイクロサイズミックイベントに対応する検波器又は受信器において計測応答を生成するために、コード化された検出信号をプロセッサ上で処理し、ｄ）媒質の非線形特性及び伝播速度モデルの三次元（２Ｄ又は３Ｄ）画像を生成するためにエミュレートされたマイクロサイズミックイベントを処理する。
【００４４】
一実施形態において、第１の音響源（Ｓ１）１０及び（Ｓ２）１２は、コード化された音響信号を生成するように構成される。つまり、それぞれ音響源１０及び１２によって生成される音響波１１及び１３は、コード化された音響信号を含む。コード化の仕組みは、媒質内の所望の混合特性を実現するように選択することができる。
【００４５】
一実施形態において、２つの初期音響波１１及び１３に対してコード化された信号は、媒質又は地下の岩石層１７内で混合し、非線形相互作用によって第３の音響波１５，３５に対する承継された（ｉｎｈｅｒｉｔｅｄ）特定のコード化された信号を生成することができる。媒質１７内の非線形相互作用からのコード化された戻り信号１５，３５の計測値は、混合が生じる領域での非線形混合の選択ルールから演算できるテンプレートコード化信号との相関処理を行うことができる。
【００４６】
例えば、音響波１１及び１３内の初期コード化音響信号間の適切な開始時刻差δが与えられ、および、音響波１１及び１３内のコード化音響信号の周波数ｆ１及びｆ２間の周波数比が与えられれば、非線形相互作用の各領域から生成される結果信号（ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ  ｓｉｇｎａｌ）は、第３の音響波１５，３５に対応する。第３の音響波１５，３５は復号することができ、例えば、非線形相互作用から発し、又は、非線形相互作用によって生成される音響パルス信号を分離し又は認識するための相関処理技術によって復号することができる。復号化された音響パルス信号は、２つの初期波１１及び１３の波面の交差において生成されるエミュレートされたマイクロサイズミックイベントによって生成される周波数帯域制限音響信号として考えることができる。パルスの強度は、相互作用領域１８の非線形特性、及び、初期波１１及び１３の歪み振幅の積（ｐｒｏｄｕｃｔ）に対して比例する。受信器１６，３０までの伝播時間は、音響源１０又は音響源１２から非線形相互作用領域（相互作用領域又は混合領域）１８の位置までの伝播時間及び相互作用１８の位置から受信器１６，３０までの第３の波１６Ａの伝播時間の合計に対応する。
【００４７】
図５は、本発明の実施形態に従って、第１の波源１０によって生成される第１の音響信号ｕ1、第２の波源１２によって生成される第２の音響信号ｕ2、及び、第１の音響信号ｕ1と第２の音響信号ｕ2の非線形混合領域１８における非線形混合から生じる第３の音響信号ｕ3を示す。
【００４８】
一実施形態において、第１の音響源Ｓ１は、複数の又は連続する音響信号のパルスを備えるｕ1信号を伴う圧縮（Ｐ）波（例えば、平面波又はビーム波）をブロードキャストする。一実施形態において、複数の音響パルスは、パルスが重ならないように時間的に間隔が保たれる。各パルスは、中心周波数ωmで変調された音響信号を有する。ここで、ｍ＝１からＭであり、Ｍは第１の複数のパルスにおけるパルス数である。各音響パルスは、所定の継続時間を伴う振幅包絡線（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ  ｅｎｖｅｌｏｐｅ）を有する。ブロードキャスト中心周波数ωmは、信号のブロードキャスト全体を通して固定の時間間隔で順次に設定される。
【００４９】
第２の音響源１２は、複数の又は連続する音響信号のパルスを備えるｕ2信号を伴う圧縮（Ｐ）波（例えば、平面波又はビーム）をブロードキャストする。ｕ2信号の第２の複数の音響パルスは、ｕ1信号の第１の複数のパルスにおけるパルスの中央間の時間間隔と同様のパルスの中央間の時間間隔を有する。各パルスは、中心周波数（ｄ＊ωm）で変調された音響信号を有する。ここで、ｍ＝１からＭであり、Ｍは第１の複数のパルスにおけるパルス数であり、ｄは全てのパルスに対する固定の周波数比である。各音響パルスは、継続時間を伴う振幅包絡線を有する。理解されるように、ここで記号“＊”は、乗算演算子として用いられる。
【００５０】
ブロードキャストコード化信号の一実施形態を図５に示す。図５において、ｕ1信号の複数のパルスの最初の３つの信号が示されている。第１の音響信号ｕ1は、第１のパルス２２Ａ、第２のパルス２２Ｂ及び第３のパルス２２Ｃを有するものとして描かれている。第１のパルス２２Ａは時刻ｔ1において生成される。第１のパルスは時間幅又は継続時間Δｔ1を有する。第１のパルス２２Ａは、第１の包絡線２２１Ａ及び第１の中心周波数ω１を有する第１の変調信号を有する。第２のパルス２２Ｂは時刻ｔ2において生成される。第２のパルスは時間幅又は継続時間Δｔ2を有する。第２のパルス２２Ｂは、第２の包絡線２２１Ｂ及び第２の中心周波数ω２を有する第２の変調信号を有する。第３のパルス２２Ｃは時刻ｔ3において生成される。第３のパルスは時間幅又は継続時間Δｔ3を有する。第３のパルス２２Ｃは、第３の包絡線２２１Ｃ及び第３の中心周波数ω３を有する第３の変調信号を有する。一実施形態において、図５に例示するように、第１のパルス２２Ａの第１の包絡線、第２のパルス２２Ｂの第２の包絡線及び第３のパルス２２Ｃの第３の包絡線は異なる。しかしながら、パルス２２Ａ、２２Ｂ及び２２Ｃの包絡線は同じとすることができる。一実施形態において、第１の周波数ω１、第２の周波数ω２及び第３の周波数ω３は異なる。第１の複数のパルス２２Ａ、２２Ｂ及び２２Ｃは、時間間隔が保たれている（ｔ1はｔ2と異なり、ｔ2はｔ3と異なる）。また、２つの連続するパルス２２Ａ及び２２Ｂの中心周波数（例えば、ω１及びω２）は、例えば、異なっている。図５では第１の信号ｕ1は３つのパルスを有するものとして描かれているが、理解されるように、第１の音響信号ｕ1は１又は複数のパルスを有するものとすることができる（即ち、ｍは１からＭパルスと等しい。ここで、Ｍは１以上の整数値である）。
【００５１】
第２の圧縮音響源１２は様々な周波数（ｄ＊ωm）の音響信号をブロードキャストする。ここで、ｄはすべてのｍの値に対する固定の周波数比である。この音響信号は振幅包絡線を有し、第１の音響信号ｕ1と同じ固定の時間間隔で連続する周波数を有する。例えば、図５に示すように、第２の音響信号は、第１の音響パルス２４Ａ、第２の音響パルス２４Ｂ及び第３の音響パルス２４Ｃを有するものとして描かれる。第１のパルス２４Ａは、時刻（ｔ1＋δ）において生成される。ここで、δは、第１の音響信号及び第２の音響信号の生成の開始時刻差である。言い換えると、δは、第１の複数のパルス２２Ａ、２２Ｂ及び２２Ｃのブロードキャストの開始時刻と、第２の複数のパルス２４Ａ、２４Ｂ及び２４Ｃのブロードキャストの開始時刻との間で提供される開始時刻差である。第１の音響パルス２４Ａは第１の包絡線２４１Ａ及び第１の中心周波数（ｄ＊ω１）を有する第１の変調信号を有する。ここでｄは第１の音響信号ｕ1における音響パルス２２Ａ、２２Ｂ、又は２２Ｃ内の変調信号の周波数と、第２の音響信号ｕ2のそれぞれ対応する音響パルス２４Ａ、２４Ｂ、又は２４Ｃ内の変調信号の周波数との間の周波数比である。第２の音響パルス２２Ｂは、時刻（ｔ2＋δ）において生成される。第２の音響パルス２４Ａは、第２の包絡線２４１Ｂ及び第２の中心周波数（ｄ＊ω２）を有する第２の変調信号を有する。第３の音響パルス２４Ｃは、時刻（ｔ3＋δ）において生成される。第３の音響パルス２４Ｃは、第３の包絡線２４１Ｃ及び第３の中心周波数（ｄ＊ω３）を有する第３の変調信号を有する。一実施形態において、図５に例示するように、第１の音響パルス２４Ａの第１の包絡線、第２の音響パルス２４Ｂの第２の包絡線及び第３の音響パルス２４Ｃの第３の包絡線は異なる。しかしながら、パルス２４Ａ、２４Ｂ及び２４Ｃの包絡線も同様とすることができる。一実施形態において、第１の中心周波数（ｄ＊ω１）、第２の中心周波数（ｄ＊ω２）、及び第３の中心周波数（ｄ＊ω３）は異なる。第２の複数のパルスにおける２つの連続するパルス（例えば、２４Ａ及び２４Ｂ）の中央間の時間間隔は、第１の複数のパルスにおける２つの対応するパルス（例えば、２２Ａ及び２２Ｂ）の中央間の時間間隔と同様である。一実施形態において、第１の複数のパルスにおける２つの連続するパルス（例えば、２２Ａ及び２２Ｂ）の中央間の時間間隔は、各パルスの継続時間よりも大きい（即ち、継続時間Δｔ1及び継続時間Δｔ2よりも大きい）ものとすることができる。第２の音響信号ｕ2は図５において３つのパルスを有するものとして描かれているが、理解されるように、第２の音響信号ｕ2は１又は複数のパルス（即ち、ｍパルス。ここで、ｍは１以上の整数）を有するものとすることができる。
【００５２】
音響信号ｕ1及びｕ2は数学的にそれぞれ次の関係式（３）及び（４）によって表現することができる。
【数３】
2016502084.tif 000006
【数４】
2016502084.tif 000007
ここで、ｍはパルスに関連するインデックス番号であり、
Σはインデックス番号ｍ＝１からＭまでの和を示し、Ｍは１以上の整数であり、
Ｅ１m（ｔ−ｔm）は、前記第１の音響信号ｕ1のパルスｍの振幅包絡線であり、
Ｅ２m（ｔ−ｔm−δ）は、第２の音響信号ｕ2のパルスｍの振幅包絡線であり、ωmは、第１の音響信号ｕ1のパルスｍの変調信号の中心周波数であり、
（ｄ＊ωm）は、前記第２の音響信号ｕ2のパルスｍの前記変調信号の前記中心周波数であり、
ｄは、周波数ωm及び周波数ｄ＊ωm間の周波数比であり、ここで、ｄは正の実数であり、
δは、前記第１の音響信号ｕ1及び前記第２の音響信号ｕ2の生成間の前記開始時刻差であり、
ｅｘｐ（ｉωm（ｔ−ｔm））は、第１の音響信号ｕ1のパルスｍ内の変調信号であり、
ｅｘｐ（ｉｄ＊ωm（ｔ−ｔm−δ））は、第２の音響信号ｕ2のパルスｍ内の変調信号であり、
ｔmは、パルスｍが前記第１の音響信号ｕ1において生成される時刻であり、
ｔm＋δは、パルスｍが前記第２の音響信号ｕ2において生成される時刻であり、
ｅｘｐ（ｉζｍ）は、前記第１の信号ｕ1又は第２の信号ｕ2内の各パルスｍの位相期間である。
【００５３】
一実施形態において、２つの連続するパルスｍ及びｍ＋１の周波数ωm及びωm+1は、（ωm−ωm+1）として示される周波数ωm及びωm+1間の差がωmと比較して小さくならないように、相互に異なるように選択される。一実施形態において、周波数ωmの範囲は、１又は複数のオクターブを跨いで比較的大きい。一実施形態において、２つの隣接する時間期間（ｔｉｍｅ  ｐｅｒｉｏｄ）ｔ1及びｔ2間の時間間隔は、パルスｍ（ここで、ｍは１以上の整数値）の継続時間Δｔmよりも大きい。言い換えると、連続するパルスｍ及びｍ＋１間の時間差（ｔm+1−ｔm）はΔｔmより大きく（即ち、Δｔm＜＜（ｔm+1−ｔm））、連続するパルスｍ−１及びｍ間の時間差（ｔm−ｔm-1）はΔｔmより大きい（即ち、Δｔm＜＜（ｔm−ｔm-1））。
【００５４】
第１の音響信号ｕ1及び第２の音響信号ｕ2が一定の距離をおいて非線形に混合するとき、この非線形混合が第３の音響信号ｕ3を生成する。第３の音響信号ｕ3は連続した音響パルスを備え、各音響パルスは包絡線及び変調信号を有する。ｕ3信号内のｍ番目のパルスにおいて、ｕ3信号内のｍ番目のパルスの変調信号は、第１の音響信号の変調信号の周波数ωmと第２の音響信号の変調信号の周波数（ｄ＊ωm）との間の差、即ち、（ωm−ｄ＊ωm）又は（（１−ｄ）＊ωm）と等しい中心周波数を有する。
【００５５】
例えば、図５に示すように、第３の音響信号ｕ3は、第１の音響パルス２６Ａ、第２の音響パルス２６Ｂ及び第３の音響パルス２６Ｃを有するものとして描かれる。第１の音響信号の生成と第２の音響信号の生成との開始時刻の差異δがＴ2とＴ1の時間差に等しいとき、これらのパルス２６Ａ、２６Ｂ、及び２６Ｃは生成される。ここで、Ｔ1は第１の音響源１０から混合領域１８の中心までの第１の音響信号ｕ1の伝播時間であり、Ｔ2は第２の音響源１２から混合領域１８の中心までの第２の音響信号ｕ2の伝播時間である。第１のパルス２６Ａは時刻ｔ1＋Ｔ1＋Ｔ3において受信される。ここで、時刻Ｔ3は受信器１６，３０に対する第３の信号が生成される混合領域１８の中心からの伝播時間である。一実施形態において、２つの連続するパルス（例えば、パルス２６Ａ及び２６Ｂ）の中央間の時間間隔は、第１の複数のパルスにおける２つの対応する連続するパルス（２２Ａ及び２２Ｂ）の中央間の時間間隔と同様である。
【００５６】
第１のパルス２６Ａは包絡線２６１Ａ及び第１の中心周波数（１−ｄ）＊ω１を有する第１の変調信号を有する。パルス２６Ａの包絡線は、第１の信号ｕ1におけるパルス２２Ａ及び第２の信号ｕ2におけるパルス２４Ａの包絡線よりも幅が広い。この第１の中心周波数（１−ｄ）＊ω１は、第１の信号ｕ1における第１のパルス２２Ａの中心周波数ω１と第２の信号ｕ2における第２のパルス２４Ａの中心周波数（ｄ＊ω１）との間の周波数の差に対応する。第２のパルス２６Ｂは時刻ｔ2＋Ｔ1＋Ｔ3において受信される。第２のパルス２６Ｂは、包絡線２６１Ｂ及び第２の中心周波数（１−ｄ）＊ω２を有する第２の変調信号を有する。パルス２６Ｂの包絡線は、第１の信号ｕ1におけるパルス２２Ｂ及び第２の信号ｕ2におけるパルス２４Ｂの包絡線よりも幅が広い。この第２の中心周波数（１−ｄ）＊ω２は、第１の信号ｕ1における第２のパルス２２Ｂの中心周波数ω２と第２の信号ｕ2における第２のパルス２４Ｂの中心周波数（ｄ＊ω２）との間の周波数の差に対応する。第３のパルス２６Ｃは、時刻ｔ3＋Ｔ1＋Ｔ3において受信される。第３のパルス２６Ｃは、包絡線２６１Ｃ及び第３の中心周波数（１−ｄ）＊ω３を有する第３の変調信号を有する。パルス２６Ｃの包絡線は、パルス２２Ｃ及びパルス２４Ｃの包絡線よりも幅が広い。この中心周波数（１−ｄ）＊ω３は、第１の信号ｕ1における第３のパルス２２Ｃの中心周波数ω３と第２の信号ｕ2における第３のパルス２４Ｃの中心周波数（ｄ＊ω３）との間の周波数の差に対応する。従って、第３の複数のパルスの各パルス（パルス２６Ａ、２６Ｂ又は２６Ｃ）の受信器における到達時刻は、第１の複数のパルスの対応するパルス（２２Ａ、２２Ｂ又は２２Ｃ）の生成に対し、第１の音響源から混合領域の中央までの伝播時間（Ｔ1）及び混合領域の中央から受信器までの伝播時間（Ｔ3）の合計時間によって遅延した時刻である。
【００５７】
混合領域１８における非線形媒質１７内で第１及び第２の信号の非線形相互作用から生成される第３の信号ｕ3は、次の数式（５）によって表現することができる。
【数５】
2016502084.tif 000008
ここで、ｍは各パルスに関連するインデックス番号であり、
Σはインデックス番号ｍ＝１からＭまでの和を示し、Ｍは１以上の整数であり、
Ｅ３ｍ（ｔ−ｔm−Ｔ1）は、第３の音響信号ｕ3のパルスｍの振幅包絡線であり、Ｅ３mは、Ｅ１m及びＥ２mよりも少し幅が広い包絡線の関数であって、Ｅ１m、Ｅ２m、ωm、ｄ及び混合領域の大きさから計算することができ、
（１−ｄ）＊ωmは、第３の音響信号ｕ3のパルスｍの変調信号の中心周波数であり、
ｄは、周波数ωm及び周波数ｄ＊ωm間の周波数比であり、ここで、ｄは正の実数であり、
ｅｘｐ（ｉ（１−ｄ）＊ωm＊（ｔ−ｔm−Ｔ1−Ｔ3））は、第３の音響信号ｕ3のパルスｍ内の変調信号であり、
ｔm＋Ｔ1＋Ｔ3は、第３の信号ｕ3におけるパルスｍが受信される時刻であり、
ｅｘｐ（ｉζｍ）は、第３の信号ｕ3内の各パルスｍの位相期間である。
【００５８】
一実施形態において、Ｔ1−Ｔ2＝δであり（即ち、第１の音響信号ｕ1のパルスｍの混合領域１８の中央までの伝播時間Ｔ1と第２の音響信号ｕ2のパルスｍの混合領域１８の中央までの伝播時間Ｔ2との間の時間差Ｔ1−Ｔ2が、第１の音響信号ｕ1のパルスｍ及び第２の音響信号ｕ2のパルスｍの生成間の開始時刻差δと等しく）、かつ、第１の音響信号のパルスｍ内の変調信号の周波数ωmと第２の音響信号のパルスｍ内の変調信号の周波数ｄωmとの間の周波数比が等式（１）を満たす場合には、図５に示されるようなコード化信号を伴う第３の波ｕ3を生成するための２つのコード化ブロードキャスト信号ｕ1及びｕ2の全てのパルスの完全な配置（ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）となる。強い吸収Ｑ伝播効果（ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ  Ｑ  ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ  ｅｆｆｅｃｔ）が存在しない場合において、第３の波は、次に続く等式（５）の承継されたコード化信号ｕ3を伴う混合領域１８の中央からの効果的なブロードキャストであることを示し得る。
【００５９】
例えば、Ｅ１m（ｔ）及びＥ２m（ｔ）がガウス関数として選択された場合には、第１の音響信号ｕ1のパルスｍの包絡線Ｅ１m（ｔ−ｔm）及びＥ２m（ｔ−ｔm）の振幅は、等式（６）によって表現することができる。
【数６】
2016502084.tif 000009
そして、混合領域が大きい場合には、包絡線Ｅ３ｍ（ｔ−ｔm）の振幅は等式（６）によって表現することができる。
【数７】
2016502084.tif 000010
【００６０】
例えば、Ｅ１m（ｔ）及びＥ２m（ｔ）がガウス関数として選択された場合には、第１の音響信号ｕ1のパルスｍの包絡線Ｅ１m（ｔ−ｔm）及びＥ２m（ｔ−ｔm）の振幅は、等式（６）によって表現することができる。
【００６１】
Ｔ1−Ｔ2＝δという条件が合致せず、又は、ｄが等式（４）を満たさない、いずれかの場合には、各パルスに対する選択ルールが満たされない。これに伴い、結果としての第３の波ｕ3は減少し又は減衰する。地質吸収Ｑ効果（ｅａｒｔｈ  ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ  Ｑ  ｅｆｆｅｃｔ）が大きい場合には、等式（３）において表現される結果としての第３の信号に対する更なる複雑さが存在し得ることは注目すべきである。
【００６２】
Ｔ1−Ｔ2＝δであり、ｄが等式（１）を満たす場合には、１６，３０の受信器Ｒにおいて検出される信号ｕ3（Ｒ，ｔ）は、伝播時間Ｔ3によって遅延した時刻であり、混合領域Ｍｃ１８の中央から発出するブロードキャスト信号ｕ3（Ｍｃ，ｔ）となる。受信器における信号ｕ3（Ｒ，ｔ）は以下の等式（８）によって表現することができる。
【数８】
2016502084.tif 000011
【００６３】
ｕ3（Ｒ，ｔ）は次の等式（９）によって表現されるテンプレート信号ｕs（ｔ）と交差相関する。
【数９】
2016502084.tif 000012
ここで、Ｗｍ（ｔ）は選択又は指定された包絡線であり、ｇ（ωm）はチャープ信号の標準的な信号処理としての選択又は指定された周波数の関数であり、結果信号は、時刻ｔ＝Ｔ1＋Ｔ3において生じる周波数帯域制限スパイクであり、信号ｕ1及びｕ2が周波数範囲ωmin及びωmaxを跨る密集した（ｄｅｎｓｅ）ωmセットを構成することをもたらす。帯域制限スパイクは、周波数範囲（１−ｄ）＊ωmin及び（１−ｄ）＊ωmaxを有し、又は、ｍ＝１からＭにおける（１−ｄ）＊（ω１ｍ−ω２ｍ）の各値に対応する一連の個別の周波数によって構成される周波数容量（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｃｏｎｔｅｎｔ）を有する。等式（９）における関数ｇ（ωm）は、適宜選択することができる。関数ｇ（ωm）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。ｇ（ωm）は、周波数分数（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｆｒａｃｔｉｏｎ）ｄに従属する。例えば、関数ｇ（ωm）は、ｇ（ωm）＝（１−ｄ）＊ωmとなるように選択することができる。しかしながら、他の関数もまた選択することができる。
【００６４】
帯域制限スパイクは、時間Ｔ1で混合領域１８において生じるマイクロサイズミックイベントから発する有効な信号である。混合領域１８におけるマイクロサイズミックイベントからの信号は、時間Ｔ3の間で受信器に向かって伝播する。受信器１６，３０は時間Ｔ1＋Ｔ3において信号を検出する。
【００６５】
相関処理された計測信号は、次の特性を有する。第１に、相関処理された信号は、第２及び第２の初期のコード化信号間の開始時間差δが、第１の音響源１０から混合領域１８までの伝播時間ｔ1と第２の音響源１２から混合領域１８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、混合領域１８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が合致する場合には、図１及び図３に示されるように、第１の初期の音響源１０から混合領域１８までの伝播時間と混合領域１８から受信器アレイ１６，３０内の受信器Ｒｉ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、（第１の信号ｕ1及び／又は第２の信号ｕ2における）連続するブロードキャストにおけるパルスＭの数の増大は、ノイズはテンプレート信号ｕsの形状を有しないから、ノイズからの信号の識別性を向上させる。
【００６６】
第１の波源１０及び第２の波源１２が、ガウス包絡線を有する順次の音響パルスから構成される連続するコード化信号ｕ1（ｔ）及びｕ2（ｔ）の音響ビームを発する場合の結果である数値シミュレーションを図６Ａ及び図６Ｂに示す。  この限定を意図しない例において、１２パルスのコード化信号は、（２２．９６０Ｈｚ，  １４．９２０Ｈｚ）  （２４．９６０Ｈｚ，  １６．２２４）  （２８．０００Ｈｚ，  １８．２００Ｈｚ）  （３０．２８０Ｈｚ，  １９．６８０Ｈｚ）  （３２．０８０Ｈｚ，  ２０．８５２）  （３４．８２０，  ２２．６４０Ｈｚ）  （３７．８８０Ｈｚ，  ２４．６２０）  （４０．０００Ｈｚ，  ２６．０００Ｈｚ）  （４４．８００Ｈｚ，  ２９．１２０Ｈｚ）  （４８．７２０Ｈｚ，  ３１．６８０Ｈｚ）  （５２．９６０Ｈｚ，  ３４．４４０Ｈｚ）  （５７．６００Ｈｚ，  ３７．４４０Ｈｚ）という組み合わせの周波数で用いられる。組合せ間の周波数比ｄ＝ω２／ω１は、一定値０．６５である。２つの連続する信号ｕ1及びｕ2間の開始時刻差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。受信器アレイの６つの受信器において受信され記録される２つの順次のパルスのブロードキャストからの非線形相互作用に起因するエミュレートされたマイクロサイズミックイベント信号が、図７Ａに示される。  各受信器Ｒｉ１６，３０は１から６の番号が付され、受信器アレイに沿って距離ｍを置いて図７Ａ上に示されている。戻りコード化信号に対するテンプレートｕsが図７Ｂに示される。テンプレート信号と考慮される各受信器おいて記録される信号との相関処理の結果が図７Ｃに示される。図７Ｃに示される各受信器における結果としての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。この鋭い帯域制限スパイクは、時間Ｔ  ＝  Ｔ1＋  Ｔ3において発生する。ここで、Ｔ1は、音響源Ｓ１０から混合領域１８の中心までの走時であり、Ｔ3は、混合領域１８の中心から受信器Ｒｉ１６，３０までの走時である。一実施形態において、Ｔ3は、各受信器Ｒｉ１６，３０において異なり、図７Ｃ上に示される受信器アレイに沿った相関スパイク（ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ  ｓｐｉｋｅ）のムーブアウト（ｍｏｖｅ−ｏｕｔ）の要因である。
【００６７】
図３Ａ−３Ｃに示される数値シミュレーションは、コード化の仕組みの能力と有用性を明確に例示している。混合領域１８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１６，３０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１０から混合領域１８への伝播時間及び受信器Ｒｉ１６，３０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１８における非線形相互作用の散乱角度φと従属関係にある。散乱角度φは、混合領域１８における物質又は媒質の特性、例えば、Ｖｐ／Ｖｓ速度比と従属関係にある。この結果がコード化の仕組みの特徴であることは注目されるべきである。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。適用分野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もできる。
【００６８】
本開示の一部の態様において、初期の音響信号におけるコード化音響信号は、受信器に向かって伝播す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８Ａ−８Ｃ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。図８Ａは、ノイズを含み、受信器アレイ１６，３０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８Ｃは、図８Ｂ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。
【００６９】
音響源１０及び１２が音響ビームに代えて音響波を発するときに、Ｍ（Ｒｉ，ｔ）として示される、媒質１７内の何れかの受信器Ｒｉ１６，３０において計測される信号のコード化及び後続する相関処理の計測値Ｍ（Ｒｉ，ｔ）は、Ｔ1−Ｔ2＝δ及びｄが等式（１）を満たすという条件を満たす媒質内の全ての地点Ｍｃによる全ての音響パルスの合計である。従って、全ての時刻差及び周波数比（δ，ｄ）の組合せに対し、Ｍｃ（δ，ｄ）として示され、Ｔ1−Ｔ2＝δ及びｄが等式（１）を満たすという条件を満たすいくつかのＭｃ地点が存在する。各地点ｉにおける等式Ｍ（Ｒｉ，ｔ）は、次の等式（１０）によって表現することができる。
【数１０】
2016502084.tif 000013
ここで、Ａ（Ｍｃ）は、Ｍｃにおける伝搬効果及び非線形混合強度を考慮に入れる振幅の要素であり、
Σは、Ｍｃ（δ，ｄ）における中央の全ての混合領域を通した和を示し、
Ｔ（Ｓ１，Ｍｃ）は波源Ｓ１から特定のＭｃ（δ，ｄ）までの伝播時間であり、
Ｔ（Ｍｃ，Ｒｉ）は特定のＭｃ（δ，ｄ）から受信器Ｒｉまでの伝播時間であり、
ＷＢ（ｔ，ωmin，ωmax）は周波数範囲がωmin及びωmaxの間である帯域制限スパイクである。
【００７０】
等式（１０）によって定義されるように、復号化された計測値Ｍ（Ｒｉ，ｔ）は、波源１０から場所Ｍｃ（δ，ｄ）までの伝播時間及び場所Ｍｃ（δ，ｄ）から受信器Ｒｉ１６，３０までの伝播時間の合計に対応する受信器Ｒｉ１６，３０におけるマイクロサイズミックイベントの受信時間と共に媒質１７内の場所Ｍｃ（δ，ｄ）において生じるマイクロサイズミックイベントの複数の計測値を備える。しかしながら、マイクロサイズミックイベントの強度は、伝搬効果及び混合の運動学的効果（ｍｉｘｉｎｇ  ｋｉｎｅｍａｔｉｃ  ｅｆｆｅｃｔｓ）に対する補正後に、マイクロサイズミックイベント場所Ｍｃ（δ，ｄ）の位置における岩石の非線形特性に対して比例することは注目すべきである。
【００７１】
理解されるように、図５に示されるコード化の仕組みは、計測値を、エミュレートされたマイクロサイズミックイベントへと処理できるようにするコード化の仕組みの単なる一例である。このコード化の仕組みに対して多くの変形例が存在する。例えば、一実施形態において、各周波数に対するパルス間の期間は、ランダム又は周期的とし得る特定の時間間隔で可変とすることができる。一実施形態において、各パルスの振幅は、ランダム又は周期的とし得る特定の値を用いて可変とすることができる。一実施形態において、信号の時間期間（即ち、パルス間の時間期間）は、可変とすることができる。一実施形態において、パルスを伴う変調信号は、それ自体を、例えば、エミュレートされたマイクロサイズミックイベントの信号対雑音比を向上させるために、変調信号間における可変のリスニング期間（ｌｉｓｔｅｎｉｎｇ  ｐｅｒｉｏｄ）で配列された一連の変調信号の合成（ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）又は重畳（ｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎ）とし得る。理解されるように、上述の実施形態は、別々に実装することができ、又は、所望のコード化の仕組みを実現するために所望の方法で結合することができる。
【００７２】
図９は、本発明の実施形態に従い、媒質が一定の音響伝播速度と可変の非線形地質パラメータを有するときの、第１の音響源Ｓ１  １０及び第２の音響源Ｓ２  １２を含む平面における場所Ｍｃ（δ，ｄ）の地点を示す。一定のδの地点の場所は、波源Ｓ１  １０及びＳ２  １２を含む平面における双曲線に対して垂直方向に位置する。一定の周波数比ｄにおける地点の場所は、複数の円Ｃdを定義する。円Ｃdの中心は、Ｓ１  １０からＳ２  １２への線分の二等分線上にある。円は、同じ平面における地点Ｓ１及びＳ２を通過する。従って、各（δ，ｄ）の組合せに対し、Ｍｃ（δ，ｄ）に対する平面内にちょうど２つの地点（例えば、Ｐ1及びＰ2）が存在する。Ｓ１Ｓ２軸に沿って平面を回転させることによって、Ｍｃ（δ，ｄ）の場所は円Ｃ（δ，ｄ）として定義することができ、この円Ｃ（δ，ｄ）は、各（δ，ｄ）の組合せに対しＳ１Ｓ２軸上に中心を有する。（δ，ｄ）の組合せの全ての値を調べれば、Ｓ１Ｓ２ラインを囲む媒質内の容積空間における全ての場所に対するマイクロサイズミックイベントを生成することができる。
【００７３】
一定の音響速度であるという仮定を置くとき、Ｍｃ（δ，ｄ）の場所は、伝搬効果、例えば、放射線屈曲（ｒａｙ  ｂｅｎｄｉｎｇ）及び波面の複雑性に起因してより複雑になるであろうことが分かる。しかしながら、非線形媒質内の複雑さ（例えば、異なる波面速度等）にもかかわらず、上述した計測及びコード化の仕組みを用いて２つの波源Ｓ１  １０及びＳ２  １２からの波面の交点において生じるマイクロサイズミックイベントをエミュレートすることができる。
【００７４】
一実施形態において、音響源Ｓ１  １０及びＳ２  １２がビーム照射パターンを有する場合であってさえも、エミュレートされたマイクロサイズミックイベントを局所化（ｌｏｃａｌｉｚｅｄ）することができる。図１０は、本発明の実施形態に従い、音響源Ｓ１  １０が放射ビームを生成するためのアレイ波源である状況を図示する。一実施形態において、アレイ波源Ｓ１  １０は、Ｓ１Ｓ２軸に対して直角に位置する。波源要素の適切な開始時刻差によって、アレイ波源Ｓ１は、Ｓ１Ｓ２軸に対して特定の傾きで音響波を生成することができる。波源Ｓ１  １０の音響波面は、例えば、円錐形に制限される。図１０に示すように、円錐形の軸は、Ｓ１Ｓ２軸に対して直角である。従って、エミュレートされたマイクロサイズミックイベントは、図１０に示すように、円錐形と円Ｃ（δ，ｄ）の場所との交点における媒質内の２つの地点Ｍ１及びＭ２に限定される。このように、Ｓ１及びＳ２のビーム照射パターンは、エミュレートされたマイクロサイズミックイベントが媒質内で生じ得る場所を制御する。
【００７５】
地震学において、媒質内の音響伝播速度のモデルを仮定することによって、地震計測上で時間反転オペレーションを実行することができる。時間反転モデリングオペレーションは、サイズミックイベントの発生時におけるピークへと戻る音響波に再度焦点を定めることができる。発生時における焦点を定められたエネルギーピークの強度は、最初のサイズミックイベントの強度の関数である。時間反転の一般的なコンセプトは、音響学の分野において多くの適用例をもたらしてきた。一般にリバースタイムマイグレーション又はＲＴＭとして知られる一般的な時間反転の方法論は、例えば石油及びガスの探査のような複雑な媒質内の画像処理に適用されており（Ｇｅｏｒｇｅ  Ａ．  ＭｃＭｅｃｈａｎ，  Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｓｏｕｒｃｅ  ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ  ｂｙ  ｗａｖｅｆｉｅｌｄ  ｅｘｔｒａｐｏｌａｔｉｏｎ，  Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｒｏｙａｌ  Ａｓｔｒｏｎｏｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ，  Ｖｏｌｕｍｅ  ７１，  Ｉｓｓｕｅ  ３，  ｐａｇｅｓ  ６１３−６２８，  Ｄｅｃｅｍｂｅｒ  １９８２を参照）、この内容全体は参照によってここに組み入れられる。
【００７６】
時間反転の方法論は、上の段落で述べたエミュレートされたマイクロサイズミック計測に適用することができる。本出願において、時間反転オペレーションは、マイクロサイズミックイベントの発生時の時刻及び場所（即ち、上の段落で述べたような位置Ｍｃ（δ，ｄ）及び時刻Ｔ（Ｓ１，Ｍｃ））へと戻る波に焦点を定めることができる。上の段落で述べたように、発生時におけるマイクロサイズミックイベントの強度は、マイクロサイズミックイベントの場所における非線形特性に対して比例する。従って、時間反転オペレーションは、発生の地点Ｍｃ（δ，ｄ）における非線形特性の関係する値を決定するためのツールとして用いることができる。このように、時間反転オペレーションが全ての（δ，ｄ）の組合せに対してエミュレートされたマイクロサイズミックイベント上で実行される場合には、全ての場所Ｍｃ（δ，ｄ）における非線形特性を定量化することができる。全ての場所Ｍｃ（δ，ｄ）の非線形特性の値を結合することによって、波源Ｓ１及びＳ２の周囲の媒質の非線形特性の関係する強度の三次元（３Ｄ）画像を構成することができる。
【００７７】
例えば、キルヒホッフ、光線（Ｂｅａｍ）及び波動方程式マイグレーションのような探査地震学における従来の標準的な画像処理方法を変更し、媒質の伝播速度モデルを仮定するエミュレートされたマイクロサイズミックイベントの計測値から媒質の非線形特性の関係する強度の３Ｄ画像を生成するために、この非線形音響相互作用に適用することもできる。様々な産業に対して知られている他の進歩した逆変換法（ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ  ｍｅｔｈｏｄｓ）をエミュレートされたマイクロサイズミックイベントに適用することができる。
【００７８】
非線形媒質内の２つの音響波の非線形相互作用によって生じるエミュレートされたマイクロサイズミックイベントに対してキルヒホッフ画像処理方法論を使用する実施形態について、次の段落で詳述する。
【００７９】
一実施形態において、エミュレートされたマイクロサイズミックイベントはＭ（Ｒｉ，ｔ）として表現することができる。媒質内の全ての所定の地点Ｍｃに対し、相互作用領域Ｍｃから受信器アレイ１６，３０の受信器Ｒｉ（例えば、Ｒ１，Ｒ２等）までの伝播時間Ｔ（Ｒｉ，Ｍｃ）及び音響源Ｓ１から受信器（例えば、Ｒ１，Ｒ２等）１６，３０までの伝播時間（Ｓ１，Ｍｃ）は伝播速度モデルを用いて計算することができる。一実施形態において、波源Ｓ１から相互作用領域Ｍｃまでの波伝播Ａ（Ｓ１，Ｍｃ）の振幅、波源Ｓ２から相互作用領域Ｍｃまでの波伝播Ａ（Ｓ２，Ｍｃ）の振幅及び相互作用領域Ｍｃから受信器Ｒｉ（例えば、Ｒ１，Ｒ２等）までのビーム伝播Ａ（Ｍｃ，Ｒｉ）の振幅もまた計算することができる。非線形特性の画像値は、次の等式（１１）によって表現することができる。
【数１１】
2016502084.tif 000014
【００８０】
一実施形態において、標準的な信号処理の最良の慣行に従って逆の重み付け要素を固定するために、逆の要素（ｉｎｖｅｒｓｅ  ｆａｃｔｏｒｓ）、例えば、（１／Ａ（Ｓ１，Ｍｃ））を計算して、適切な小さな“ノイズ要因”を、等式（１１）に導入しても良い。Ｍｃにおいてマイクロサイズミックイベントが存在する場合には、Ｍｃにおけるマイクロサイズミックイベントからの全ての計測応答Ｒｉの和は、他の場所における全ての他のマイクロサイズミックイベントの寄与が位相を異にする限り、同位相となる。従って、等式（１１）から計算されるＩ（Ｍｃ）は、Ｍｃにおけるマイクロサイズミックイベントからの情報のみを含む。
【００８１】
等式（１１）は、音響源Ｓ１及びＳ２の組合せからの音響波によって生成されるエミュレートされたマイクロサイズミックイベントから３Ｄ画像をいかに構成できるかを示す。多数の画像Ｉ（Ｍｃ；Ｓ１，Ｓ２）を、異なる場所における音響源Ｓ１及びＳ２の多数の組合せから構成することができる。伝播速度モデルが正しい場合には、これらの画像は同一となるはずである。これらが同一でない場合には、伝播速度モデルにエラーが存在する。この自己矛盾しない条件を、混合場所Ｍｃにおける局所速度比Ｖｐ／Ｖｓは勿論のこと、正しい伝播速度モデルの決定に用いることができる。
【００８２】
Ｓ１及びＳ２の複数の場所に対する多数の画像Ｉ（Ｍｃ；Ｓ１，Ｓ２）を、混合場所Ｍｃにおける最初の伝播速度モデル及び局所速度比Ｖｐ／Ｖｓを仮定して構成することができる。取得する（３Ｄ）画像Ｉ（Ｍｃ；Ｓ１，Ｓ２）における差を最小化するために、速度断層撮影手法（ｖｅｌｏｃｉｔｙ  ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ  ｍｅｔｈｏｄ）による伝播速度モデルの更新を実行することができる。一実施形態において、更新処理は、取得する画像Ｉ（Ｍｃ；Ｓ１，Ｓ２）における差が最小化されるまで、繰り返すことができる。媒質の非線形特性若しくは局所速度比Ｖｐ／Ｖｓ又はこれらの両方の最終画像を作成するために、多数の画像Ｉ（Ｍｃ；Ｓ１，Ｓ２）は、その後、結合することができる。
【００８３】
本開示の一部の態様において、上述したデータ取得処理及び画像処理を、タイムラプス調査（ｔｉｍｅ−ｌａｐｓｅ  ｓｕｒｖｅｙｓ）を実行するために用いることができる。例えば、圧力、地層流体圧又は飽和率の変化によって生じる非線形性又は速度比Ｖｐ／Ｖｓの変形は、ｄ，δ、ｔのスペースに見ることができ、従って、マップ化された特性へと変換するための複雑な処理を必要とせずに、おおよそ局所化させても良い。
【００８４】
ここに記載された方法及びシステムは、音響波伝播を受けるあらゆる媒質に適用することができる。例えば、この方法及びシステムは、地震学、ボアホール検層、医療上の超音波画像診断、非破壊検査、物質科学に適用することができ、例えば、制限されないが、拡散接着サンプル（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ｂｏｎｄｅｄ  ｓａｍｐｌｅｓ）内の損傷の位置判定、爆発物内の損傷の位置判定、骨内の損傷の位置判定、合成物内の亀裂密度と非線形性との相関処理、固体の大部分の内部の非線形特性の位置判定等に適用することができる。この方法及びシステムは、物質の一般的な非線形、非破壊評価（ＮＤＥ）のために用いることもできる。
【００８５】
一実施形態において、上記の方法を、コンピュータが実行可能な一連の命令として実装することができる。本明細書において、「コンピュータ」という言葉は、パーソナルコンピュータ（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、若しくは、任意のその他のハンドヘルドコンピュータデバイス）、メインフレームコンピュータ（例えば、ＩＢＭメインフレーム）、スーパーコンピュータ（例えば、ＣＲＡＹコンピュータ）、又は、分散コンピューティング環境における複数のネットワーク接続されたコンピュータを含む、任意の種類のコンピュータシステム又はデバイスを包含する。
【００８６】
例えば、方法を、ハードディスク、ＣＤＲＯＭ、光ディスク、ＤＶＤ、光磁気ディスク、ＲＡＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、磁気又は光学カード、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その他の媒体のようなコンピュータ可読媒体に格納することができるソフトウェアプログラムアプリケーションとして実装してもよい。
【００８７】
これに代えて、ソフトウェアプログラム物品の一部又は全体を、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。
【００８８】
これに代えて、コンピュータプログラム物品（例えば、ソフトウェア物品）として方法を実装する代わりに又は実装することに加えて、例えば、方法を実装するように設計された特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）のようなハードウェアとして実装することもできる。
【００８９】
図１１には、本発明の一実施形態に係る、方法を実装するコンピュータシステム１１０の模式図が示されている。図１５に示すように、コンピュータシステム１１０は、プロセッサ（例えば、一の又は複数のプロセッサ）１１２、及び、プロセッサ１１２と接続されたメモリ１１４を備える。コンピュータシステム１１０は更に、データを入力するための入力装置１１６（例えば、キーボード、マウス等）、及び、計算結果を表示するのに使用されるディスプレイ装置のような出力装置１１８を備える。コンピュータシステム１１０を、様々なモジュールを制御するように構成してもよく、例えば、音響源１０及び１２を制御する制御モジュール１２０、及び受信器１６，３０から取得した測定データを取り込むための取込又は処理装置１２２を制御するように構成されてもよい。測定データを、後で可視化又は処理等を行うために、記憶装置１２４に格納してもよい。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。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。
【００９０】
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。例えば、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。
【００９１】
更に、当業者であれば数多くの変形及び変更が想到でき、本発明を上気した構造及びオペレーションに限定することを意図していない。したがって、全ての公的な変形及び均等物が、本発明の精神及び範囲に含まれるとみなされるべきである。
【図２】
2016502084.tif 000015
【図４】
2016502084.tif 000016
【図１１】
2016502084.tif 000017
【図１】
2016502084.tif 000018
【図３】
2016502084.tif 000019
【図５】
2016502084.tif 000020
【図６Ａ】
2016502084.tif 000021
【図６Ｂ】
2016502084.tif 000022
【図７Ａ】
2016502084.tif 000023
【図７Ｂ】
2016502084.tif 000024
【図７Ｃ】
2016502084.tif 000025
【図８Ａ】
2016502084.tif 000026
【図８Ｂ】
2016502084.tif 000027
【図８Ｃ】
2016502084.tif 000028
【図９】
2016502084.tif 000029
【図１０】
2016502084.tif 000030
【手続補正書】
【提出日】平成27年1月23日(2015.1.23)
【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】
非線形相互作用から地下の岩石層の特性を決定する方法であって、
地表面に設けられた第１の音響源により、第１の音響波を生成する工程と、
前記地表面において第１ライン上の前記第１の音響源とは離間して配置された第２の音響源により、第２の音響波を生成する工程と、
前記地表面とほぼ垂直であり前記第１の音響源及び前記第２の音響源により生成される前記第１の音響波及び前記第２の音響波の経路を含む第１の面に位置する受信器により、前記混合領域における前記第１の音響波及び前記第２の音響波の非線形混合プロセスにより生成される第３の音響波を受信する工程と、
前記地表面とほぼ垂直であり前記第１ラインを含む前記第１の面における前記地下の岩石層の非線形特性の第１の２次元画像、又は、当該地下の岩石層の圧縮速度とせん断速度との間の第１の比、若しくは、これらの両方を、受信した前記第３の音響波に基づいて生成する工程と、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の音響波及び前記第２の音響波の前記経路が前記地下の岩石層内の混合領域において交差するように制御可能である、方法。
【請求項２】
前記第１の音響源及び前記第２の音響源を第２ラインへと移動する工程と、
前記地表面とほぼ垂直であり前記第２ラインを含む第２の面における前記地下の岩石層の非線形特性の第２の２次元画像、又は、当該地下の岩石層の圧縮速度とせん断速度との間の第２の比、若しくは、これらの両方を、受信した前記第３の音響波に基づいて生成する工程と、を更に備える請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１の音響源及び前記第２の音響源を移動する工程は、前記第１の音響源及び前記第２の音響源を、前記第１ライン及び前記第２ラインに対してほぼ垂直な方向に、前記第１ラインから前記第２ラインへと移動する工程を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記第１の音響源及び前記第２の音響源と共に前記受信器を前記第１ラインから前記第２ラインへと移動する工程を更に備える、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記第１の音響源及び前記第２の音響源を移動する工程は、前記受信器を通る軸周りに所望の角度間隔で、前記第１の音響源及び前記第２の音響源を前記第１ラインから前記第２ラインへと回転させる工程を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記地下の岩石層の前記第１の２次元画像と、前記地下の岩石層の前記第２の２次元画像とを組み合わせて、前記地下の岩石層の３次元画像を生成する工程を更に備える、請求項２に記載の方法。
【請求項７】
前記受信器を、前記地表面に配置する工程を更に備える、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記受信器を、前記地下の岩石層内のボアホール内に配置する工程を更に備える、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記第１の音響波を生成する工程は、時系列として配列された第１の複数のパルスを有する第１のコード化音響波を生成する工程を有し、前記第１の複数のパルスは時間的に隔たれており、各パルスは中心周波数での変調信号を有し、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１に記載の方法。
【請求項１０】
前記第２の音響波を生成する工程は、時系列として配列された第２の複数のパルスを有する第２のコード化音響波を生成する工程を有し、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有すると共に前記第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である、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
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、前記非線形混合プロセスによって生成された第３の信号を抽出し、前記第１の音響波及び前記第２の音響波の前記混合領域において生じるエミュレートされたマイクロサイズミックイベント信号を取得するために、前記受信された音響波のデータ処理若しくはコード化信号テンプレートとの相関処理、又は、これらの両方を、プロセッサによって実行する工程を更に備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１のコード化音響波を生成する工程は、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のコード化音響波を生成することを含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記非線形混合プロセスによって生成され前記受信器によって受信される前記第３の信号は、時系列で到達し時間的に隔たれた第３の複数のパルスを有し、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の複数のパルスにおける各パルスは、前記第１の複数のパルスの対応するパルスの中心周波数及び前記第２の複数のパルスの対応するパルスの中心周波数の差と等しい各パルスの中心周波数を有する変調信号を有し、
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１１に記載の方法。
【請求項１４】
複数の混合領域において生成されたエミュレートされたマイクロサイズミックイベントから信号を得るべく、前記第１のコード化音響波を生成する工程、前記第２のコード化音響波を生成する工程、前記第３の信号を受信する工程、及び、開始時刻差の範囲及び周波数分数ｄの範囲に対して前記データ処理若しくは前記コード化信号テンプレートとの相関処理又はこれらの両方を実行する工程、を繰返す工程を更に備える請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１の音響波を生成する工程は、複数のパルスの和である第１のコード化音響信号を生成する工程を有し、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し、前記第２の音響波を生成する工程は、複数のパルスの和である第２のコード化音響信号を生成する工程を含み、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１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記相関処理は、前記コード化テンプレート信号と前記検出信号との相関処理を含み、前記テンプレート信号は複数のパルスを有し、前記テンプレート信号における前記複数のパルスの中央間の時間間隔は、前記第１の音響信号の前記複数のパルスの中央の前記時間間隔と同様であり、前記第３の信号における前記複数のパルスの前記中心周波数は前記第１の音響信号における前記複数のパルスの前記中心周波数及び前記周波数分数ｄの関数である請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
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第３の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１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記プロセッサによって、受信器Ｒｉにおける前記第３の音響波とコード化テンプレート信号ｕs（ｔ）との相関処理により、前記混合領域における前記エミュレートされたマイクロサイズミックイベントから、前記第３の信号を抽出する工程と、
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について、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について、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及び前記検出信号間の相関処理を繰り返して、相関処理された信号を生成する工程と、を更に備え、
前記相関処理された信号は、各受信器Ｒｉに対してＭ（Ｒｉ，ｔ）として示され、非線形相互作用の選択ルールに従う特定の混合場所における非線形相互作用によって生成されたエミュレートされたマイクロサイズミックイベントを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記各開始時刻差δに対し、並びに、各周波数比ｄ及び前記対応する相関処理された信号Ｍ（Ｒｉ，ｔ）に対し、場所分析及び圧縮又はせん断波速度に対する速度モデルに基づく伝播速度計算を用いて前記２つの音響信号が非線形に相互作用するエミュレートされたマイクロサイズミックイベントの空間座標を計算する工程を更に備える、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
伝播速度モデルを伴う前記マイクロサイズミックイベントの発生の時刻及び場所に対して、前記エミュレートされたマイクロサイズミックイベントの前記信号を時間的に後方へ伝播させるために時間反転オペレーションを適用する工程を更に備える、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
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、又は時間反転法を用いて、前記第１の音響信号及び前記第２の音響信号の前記混合領域におけるエミュレートされたマイクロサイズミックイベントを含む前記相関処理された信号から、前記マイクロサイズミックイベント若しくは前記地下の岩石層の前記非線形特性又はこれらの両方の２次元若しくは３次元画像を生成する工程を更に備え、
前記相関処理された信号は複数の受信器において受信された信号から得られ、
前記第１の音響源及び前記第２の音響源は異なる場所に位置する請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
前記第１の音響源による前記音響波信号の生成を、前記第１の音響源を複数の場所へ配置することによって複数回繰り返し、及び、前記第２の音響源による前記第２の音響波の生成を、前記第２の音響源を複数の場所へ配置することによって複数回繰り返す工程と、
前記第３の信号の受信を、前記受信器を複数の場所へ配置することにより複数回繰り返す工程と、
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、又は時間反転法を用いて、前記第１の音響信号及び前記第２の音響信号の前記混合領域におけるエミュレートされたマイクロサイズミックイベントを含む前記相関処理された信号から、前記地下の岩石層の前記非線形特性の多数の３次元画像を生成する工程と、を更に備え、
前記相関処理された信号は複数の受信器において受信された信号から得られる請求項１８に記載の方法。
【請求項２３】
非線形相互作用から地下の岩石層の特性を決定するシステムであって、
地表面に配置されて、第１の音響波を生成する第１の音響源と、
前記地表面において第１ライン上の前記第１の音響源とは離間して配置され第２の音響波を生成する第２の音響源と、
前記地表面とほぼ垂直であり前記第１の音響源及び前記第２の音響源により生成される前記第１の音響波及び前記第２の音響波の経路を含む第１の面に位置し、前記混合領域における前記第１の音響波及び前記第２の音響波の非線形混合プロセスにより生成される第３の音響波を受信するように構成される受信器と、
前記地表面とほぼ垂直であり前記第１ラインを含む前記第１の面における前記地下の岩石層の非線形特性の第１の２次元画像、又は、当該地下の岩石層の圧縮速度とせん断速度との間の第１の比、若しくは、これらの両方を、受信した前記第３の音響波に基づいて生成するように構成されるプロセッサと、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の音響波及び前記第２の音響波の前記経路が前記地下の岩石層内の混合領域において交差するように制御可能である、システム。
【請求項２４】
前記第１の音響源及び前記第２の音響源は、第２ラインへと移動可能であり、
前記プロセッサは、前記地表面とほぼ垂直であり前記第２ラインを含む第２の面における前記地下の岩石層の前記非線形特性の第２の２次元画像、又は、当該地下の岩石層の圧縮速度とせん断速度との間の第２の比、若しくは、これらの両方を、受信した前記第３の音響波に基づいて生成するように更に構成される、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２５】
前記第１の音響源及び前記第２の音響源は、前記第１ライン及び前記第２ラインに対してほぼ垂直な方向に、前記第１ラインから前記第２ラインへと移動可能である、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
前記受信器は、前記第１の音響源及び前記第２の音響源と共に、前記第１ラインから前記第２ラインへと移動可能である、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２７】
前記受信器を通る軸周りに所望の角度間隔で前記第１の音響源及び前記第２の音響源を回転させることにより、前記第１の音響源及び前記第２の音響源を前記第１ラインから前記第２ラインへと移動可能である、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２８】
前記プロセッサは、前記地下の岩石層の前記第１の２次元画像と前記地下の岩石層の前記第２の２次元画像とを組み合わせて、前記地下の岩石層の３次元画像を生成するように構成される、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２９】
前記受信器は前記地表面に配置される、請求項２３に記載のシステム。
【請求項３０】
前記受信器は、前記地下の岩石層内のボアホール内に配置される、請求項２３に記載のシステム。
【請求項３１】
前記第１の音響源は、時系列として配列された第１の複数のパルスを有する第１のコード化音響信号を生成するように構成され、前記第１の複数のパルスは時間的に隔たれており、各パルスは中心周波数での変調信号を有し、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２３に記載のシステム。
【請求項３２】
前記第２の音響源は、時系列として配列された第２の複数のパルスを有する第２のコード化音響信号を生成するように構成され、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有すると共に前記第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である、請求項３１に記載のシステム。
【請求項３３】
前記プロセッサは、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、前記非線形混合プロセスによって生成された第３の信号を抽出し、前記第１の音響信号及び前記第２の音響信号の前記混合領域において生じるエミュレートされたマイクロサイズミックイベント信号を取得するために、前記受信された音響波のデータ処理若しくはコード化信号テンプレートとの相関処理、又は、これらの両方を実行するように構成される、請求項３２に記載のシステム。
【請求項３４】
前記第１の音響信号は、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生成される、請求項３３に記載のシステム。
【請求項３５】
前記非線形混合プロセスによって生成され前記受信器によって受信される前記第３の信号は、時系列で到達し時間的に隔たれた第３の複数のパルスを有し、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の複数のパルスにおける各パルスは、前記第１の複数のパルスの対応するパルスの中心周波数及び前記第２の複数のパルスの対応するパルスの中心周波数の差と等しい各パルスの中心周波数を有する変調信号を有し、
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３３に記載のシステム。
【請求項３６】
前記第１の音響源及び前記第２の音響源は、前記第１のコード化音響波の生成及び前記第２のコード化音響波の生成を繰り返すように構成され、
前記受信器は、前記第３の信号の受信を繰り返すように構成され、
前記プロセッサは、複数の混合領域において生成されたエミュレートされたマイクロサイズミックイベントから信号を得るべく、開始時刻差の範囲及び周波数分数ｄの範囲に対して前記データ処理若しくは前記コード化信号テンプレートとの相関処理又はこれらの両方の実行を繰返すように構成される、請求項３３記載のシステム。
【請求項３７】
前記第１の音響源は、複数のパルスの和である第１のコード化音響信号を生成するように構成され、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し、
前記第２の音響源は、複数のパルスの和である第２のコード化音響信号を生成するように構成され、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３３に記載のシステム。
【請求項３８】
前記プロセッサは、前記検出信号と前記コード化テンプレート信号との相関処理を行うように構成され、
前記テンプレート信号は複数のパルスを有し、前記テンプレート信号における複数のパルスの中央間の時間間隔は、前記第１の音響信号の前記複数のパルスの中央の時間間隔と同様であり、前記第３の信号における複数のパルスの中心周波数は前記第１の音響信号における前記複数のパルスの中心周波数及び前記周波数分数ｄの関数である請求項３３記載のシステム。
【請求項３９】
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第３の信号の識別性を向上させるために、前記第１の音響源は前記第１の複数のパルスの数を増加させるように構成され、前記第２の音響源は前記第２の複数のパルスの数を増加させるように構成される、請求項３８記載のシステム。
【請求項４０】
前記プロセッサは、受信器Ｒｉにおける前記第３の音響波とコード化テンプレート信号ｕs（ｔ）との相関処理により、前記混合領域における前記エミュレートされたマイクロサイズミックイベントから、前記第３の信号を抽出するように構成され、更に、
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について、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について、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及び前記検出信号間の相関処理を繰り返して、相関処理された信号を生成するように構成され、
前記相関処理された信号は、各受信器Ｒｉに対してＭ（Ｒｉ，ｔ）として示され、非線形相互作用の選択ルールに従う特定の混合場所における非線形相互作用によって生成されたエミュレートされたマイクロサイズミックイベントを含む、請求項３９に記載のシステム。
【請求項４１】
前記プロセッサは、各開始時刻差δに対して、並びに、各周波数比ｄ及び前記対応する相関処理された信号Ｍ（Ｒｉ，ｔ）に対して、場所分析及び圧縮又はせん断波速度に対する速度モデルに基づく伝播速度計算を用いて前記２つの音響信号が非線形に相互作用するエミュレートされたマイクロサイズミックイベントの空間座標を計算するように構成される請求項４０に記載のシステム。
【請求項４２】
前記プロセッサは、伝播速度モデルを伴う前記マイクロサイズミックイベントの発生の時間及び場所に対して、前記エミュレートされたマイクロサイズミックイベントの前記信号を時間的に後方へ伝播させるために時間反転オペレーションを適用するように構成される請求項４１に記載のシステム。
【請求項４３】
前記プロセッサは、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、又は時間反転法を用いて、前記第１の音響信号及び前記第２の音響信号の前記混合領域におけるエミュレートされたマイクロサイズミックイベントを含む前記相関処理された信号から、前記マイクロサイズミックイベント若しくは前記地下の岩石層の前記非線形特性又はこれらの両方の２次元若しくは３次元画像を生成するように構成され、前記相関処理された信号は複数の受信器において受信された信号から得られ、前記第１の音響源及び前記第２の音響源は異なる場所に位置する請求項４０に記載のシステム。
【請求項４４】
前記第１の音響源は、前記第１の音響波の生成を複数の場所において複数回繰り返すように構成され、
前記第２の音響源は、前記第２の音響波の生成を複数の場所において複数回繰り返すように構成され、
前記受信器は、前記第３の信号の受信を複数の場所において複数回繰り返すように構成され、
前記プロセッサは、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、又は時間反転法を用いて、前記第１の音響信号及び前記第２の音響信号の前記混合領域におけるエミュレートされたマイクロサイズミックイベントを含む前記相関処理された信号から、前記地下の岩石層の前記非線形特性の多数の３次元画像を生成するように構成され、
前記相関処理された信号は複数の受信器において受信された信号から得られる、請求項４０に記載のシステム。
【国際調査報告】
2016502084.tif 000031
2016502084.tif 000032