(57)【要約】      （修正有）【課題】単体ではＳＮ比が十分ではないＭＥＭＳ加速度センサーを複数用いて安価で小型な単一の地震計として動作させる。【解決手段】ＭＥＭＳ加速度センサーの出力に対して、電気回路による処理と数値演算処理とを組み合わせてノイズを低減する。電気回路による処理は、複数のＭＥＭＥＳ加速度センサーの出力を、時系列電圧信号の段階で電気的に加算する。ここでＭＥＭＳ加速度センサーの個数をＮとすれば加算処理することによりノイズ成分はＮの平方根の逆数に比例して減少する。加算後の出力は帯域通過フィルターを通り不要な周波数範囲のノイズが除去される。数値演算処理は、１０倍以上オーバーサンプリングしたのち、低域通過フィルターを通過させることにより量子化誤差および数値化以前に混入したノイズを除去する。これらの数値演算処理はＩＩＲフィルターによりリアルタイムで連続的に処理されてリサンプリングされ、地震計の出力となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の加速度センサーを単一の地震計として動作させるための処理方法であって、複数のセンサーからの時系列出力に対して、電気回路による加算処理とフィルター処理を行ったのち、ＡＤ変換装置により数値データに変換し、変換された数値データに対してリアルタイム演算処理を行うことにより、単体のセンサーの出力に比べてＳＮ比が大きくダイナミックレンジの拡大した出力を得る、リアルタイム処理方法。
【請求項２】
前記請求項１のリアルタイム処理方法を用いて複数の加速度センサーから単一の地震計を構成する方法であって、複数の加速度センサーと、それらの出力信号を加算する機能と不要な信号を除去するフィルター機能を持った電気回路と、出力信号を数値化するためのＡＤ変換装置と、ＡＤ変換された数値データに対してリアルタイムで数値演算処理を行う演算部により、地震計を構成する方法。
【請求項３】
前記ＡＤ変換装置において量子化ビット数が不十分な場合、必要とされる周波数域よりも１０倍以上高い周波数までを含むようなサンプリングレートでＡＤ変換し、その時系列出力に対して低域通過フィルターを施し、必要とされるサンプリングレートにリサンプリングすることによって、量子化ビット数が十分なＡＤ変換装置と同等の出力を得る、オーバーサンプリングによる処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地震計として用いる加速度センサーの処理方法と構成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
体感地震を対象とした一般的な地震計に用いられている加速度計は、プラスマイナス２０００ガルの範囲の加速度を１０万分の１程度の分解能で測定している。例えば、独立行政法人防災科学技術研究所によって運営されている強震ネットワークで使用されているＫ−ｎｅｔ９５型強震計は、プラスマイナス２０００ガルの範囲を２４ビットのＡＤ変換により数値化しており、実効的に０．０１５ガルの分解能で観測が可能である。このような地震計はフォースバランス型加速度センサーを用いており、１０ｃｍ四方以上の大きさと５ｋｇ以上の重さを持った、高価な計測器である。
【０００３】
一方、ＭＥＭＳ加速度センサーに代表される工業用加速度センサーは、安価かつ小型で省電力なデバイスであって様々な分野で広く用いられており、これを用いて地震計を構成できれば、その特性を生かして高密度で面的あるいは立体的にセンサーを配置することが可能となる。極めて高密度な地震観測により、今まで不可能であった地震時の建築構造物の詳細な挙動や地下から地上にいたる詳細な地震波の伝播過程の観測等が可能となり、地震防災上有益な情報を得ることができると期待される。
【０００４】
しかし、安価で小型の工業用加速度センサーを単体で地震計として用いるには、ＳＮ比およびダイナミックレンジが不足している。例えば、一般的なＭＥＭＳ加速度センサーは、プラスマイナス２０００ガル以上の範囲の加速度を計測することは可能だが、出力に含まれるノイズにより、その分解能は測定可能な加速度範囲の１０００分の１程度が多い。したがって一般的なＭＥＭＳ加速度センサーをそのまま地震計として用いることはできない。
【０００５】
ＭＥＭＳ加速度センサーを地震計として用いるためには、ノイズを減らすことにより低加速度領域まで測定範囲を拡大しなければならない。ＭＥＭＳ加速度センサーのノイズは熱雑音が主なものであり、複数のセンサーの同時出力に含まれるノイズの間には相関がないと期待できる。また、すべての周波数範囲で均質なノイズ密度を持つことが期待できる。
【０００６】
安価で小型という長所を生かすためにはセンサーだけでなく構成するパーツすべてが安価で小型であることが要求される。一般にＡＤ変換装置の量子化ビット数は小さいものほど安価である。しかし、量子化ビット数が不十分な場合はノイズの問題以外に量子化誤差により低加速度領域での測定が困難になる。
【０００７】
このように、一般的なＭＥＭＳ加速度センサーを用いて安価で小型の地震計を構成することには解決すべき問題があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明が解決しようとする従来技術の課題は、一般的なＭＥＭＳ加速度センサーを用いて地震計を構成する場合に、安価で小型であるという長所を損なわず、いかにして低加速度領域まで測定範囲を拡大するか、という点である。具体的には、ＭＥＭＳ加速度センサーの出力に含まれる熱雑音に起因するノイズを低減するという課題と、量子化ビット数の不十分な安価なＡＤ変換装置を用いた場合の量子化誤差を低減するという課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
ＭＥＭＳ加速度センサーのノイズは熱雑音が主なものであり、複数のセンサーの同時出力に含まれるノイズの間には相関がなく、すべての周波数範囲で均質なノイズ密度を持つとの仮定の下に、電気回路による処理と数値演算処理とを組み合わせてノイズを低減する。
【００１０】
電気回路による処理は、複数のＭＥＭＥＳ加速度センサーの出力を、時系列電圧信号の段階で電気的に直接加算する。ここでＭＥＭＳ加速度センサーの個数をＮとすれば加算処理することによりノイズ成分はＮの平方根の逆数に比例して減少する。そして、加算処理の出力に対して帯域通過フィルターを通して不要な周波数範囲のノイズを除去する。
【００１１】
数値演算処理は、電気回路による処理後の出力である時系列電圧信号を、必要とされる周波数域よりも１０倍以上高い周波数範囲までの信号を含むようなサンプリングレートで数値化したのち、必要な周波数範囲のデータのみ残すため低域通過フィルターを通過させることにより量子化誤差と数値化以前に混入したノイズを低減する。処理後のデータは不要に細かい時間刻みの数値データとなって収録部の資源を浪費するため、必要なサンプリングレートにリサンプリングする。
【００１２】
地震計としての機能を実現するためには、これらの数値演算処理はリアルタイムで連続的に行わなければならないため、低域通過フィルターはＩＩＲ（無限インパルスレスポンス）フィルターにより実現し、リアルタイムでリサンプリングすることにより、複数の加速度センサーを用いて単一の地震計を構成する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明により、安価で小型で省電力というＭＥＭＳ加速度センサーの長所を生かした安価で小型の地震計を製作することができる。従来の地震計は高価で大型であったために気軽に取り付けられなかったが、本発明による地震計は小型で安価なため、面的あるいは立体的に高密度で地震計を設置して地震波形を測定できるようになる。
【００１４】
高密度な地震計配置により、従来不可能だった、地震時の建築構造物の詳細な挙動の把握、地表および地中に高密度に配置した地震計群による地震波伝播状況の詳細な測定に基づいた正確な地下構造探査、地震時の正確な振動予測とそれに基づいた精度の高い被害予測、などが可能となり、土木建築分野、自然科学分野、防災分野、資源分野で有用な情報を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の方法を具体化する形態は、９個または１６個のＭＥＭＳ加速度センサーを３Ｘ３または４Ｘ４の配列で一枚の基板上に配置し、それらの出力を電気的に加算したのち帯域通過フィルターに通す回路を備えた加速度センサーユニットと、その出力を１００００サンプル毎秒以上でサンプリングできる１６ビットのＡＤ変換装置と、ＡＤ変換された数値データをリアルタイムで処理する演算部からなる。
【００１６】
加速度センサーユニットでは、ＭＥＭＳ加速度センサーの個数の平方根に応じてＳＮ比を改善することができ、ＡＤ変換装置では安価な１６ビットの量子化ビット数で、必要とされる周波数のほぼ１００倍の周波数が含まれるようなサンプリングレートで数値化した後、ＩＩＲによる低域通過フィルターで量子化誤差等を低減する。そして処理後のデータに対して１００分の１にリサンプリングして適切なサンプリングレートでの出力を得る。
【実施例１】
【００１７】
図１は本発明による地震計の構成例であって、９個または１６個のＭＥＭＳ加速度センサー、電気回路、ＡＤ変換部、数値演算部から構成されている。これらのすべてを１０ｃｍ四方よりも小さいサイズに収める。
【００１８】
図２は、複数のＭＥＭＳ加速度センサーの出力に対する加算処理の効果を示している。図３はオーバーサンプリングによる量子化誤差の低減の効果を示している。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明による地震計の構成例を示している。
【図２】複数のＭＥＭＳ加速度センサーの加算処理の効果を示している。
【図３】オーバーサンプリングによる量子化誤差の低減効果を示している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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