JP2010249848A - 微弱地電流検出方法及びそのシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 高感度に微弱地電流を検出して地震の前駆現象の地震地電流の高精度な検出や、電磁環境の定量的な把握に資することができる微弱地電流検出方法及びそのシステムを提供する。
【解決手段】 電力送電線の架空地線１４内に収容されている光ファイバー２３を伝送される光信号を、前記架空地線１４を流れる電流による偏波変動を偏波検出部２４で電気信号に変換し、この偏波検出部２４の出力信号から極超長波帯ＥＬＦ成分測定部２６で微弱地電流を表す信号と他の雑音とを分離することにより、前記光ファイバー２３を伝送される光信号の偏波変動が架空地線２３を流れる地電流によって変化することを利用して、微弱な地電流を高精度に計測する。
【選択図】 図２

Description

本発明は微弱地電流検出方法、地震地電流検出方法及びそのシステムに関し、特に地震前駆現象による地電流異常等、微弱地電流を高感度に検出する必要のある用途に適用して有用なものである。

地震の前の数週間から数ヶ月間に電磁気的な各種の異常現象が検出されることが世界的に報告されている。これを受けて、地殻の膨張やずれなど機械的な計測量の異常から地震の直前に異常を検出する方式が現在主に採用されている。しかし、機械的な計測量の異常が地表近くで検出可能になるのは、半日程度前から数日前の直前になる場合が多い。このため、充分な防災活動が採択できない。

したがって、電磁気的計測方法によって、早期の異常が検出できれば、防災上の効果ははかり知れない。ちなみに、地震に伴う電磁気現象の存在が世界的に報告されており、特に地震の前の数週間から数ヶ月間に電磁気的な異常現象がより早期に観測されることが報告されている。

電磁現象の観測を基礎とする地震予知方法の一つは、直接大地の地電流や地電位、大地周辺の電磁界を観測する方法である。他は、航法電波や放送電波の伝搬異常から間接的に伝搬路上の地殻の異常を検知する方法である。

しかし、これらの方法は人工雑音などによって十分な感度が安定に得られない場合が多く、装置が複雑になる。また、観測点の設置上の制約も大きいなどの問題がある。すなわち、検出される電磁気的な異常は量的に小さく、商用電源による人工雑音などによって検出信号がマスクされ検出できない場合が多い。

このほか、送電設備を用いて地電流異常を検出する方法が検討されている。例えば、送電変電所の中性点接地電流の異常から地電流異常を検出する方法がその一例である。しかし、この場合は検出性能が限定的であり、詳細な地殻異常の検知までには至っていない。その原因として、送電電流のリークや負荷変動による雑音のほか、雷などの放電雑音などが影響して、微弱な地電流信号の検出が困難であるためと考えられる。

なお、地電流の検出に係る公知文献としては次の非特許文献を挙げることができる。

上述の如く、地震の準備段階にある地殻では、高い圧力を受け、電気伝導度の変化や一部岩体の溶融によって帯電・地電流変化など電磁気的な異常が形成されると考えられているが、それらの異常地電流は地殻の広い範囲に分散して流れるため検出にかかる量は極めて小さく、一般に検知が困難である。特に送電設備内においては、送電電流のリークや負荷変動による雑音電流のほか雷などの放電雑音などが影響して、微弱な地電流の検出が困難である。また、架空地線内の光ファイバーを用いる場合においても架空地線を流れる地電流には、電力システムの電流や雑音が検出電流よりも大きく流れ、さらに雷放電電流や風によるケーブルのゆれによる偏波変動雑音が発生し、微弱な地電流の検出を妨げている。

また、微弱な電磁波を高精度に検出することにより環境の電磁波を定量的に把握する電磁環境の調査も行われている。現在、この調査は、各調査ポイント毎に観測装置を設置して実施している。したがって、調査点が増えれば増える程、調査に多大の労力を要するという問題がある。

愛知，堀井，黒野， 電学高圧研究会 HV-00-4，2000 黒野，森村，堀井， 電学電磁環境研究会 EMC-02-10，2002

本発明は、上記従来技術に鑑み、送電線の架空地線内に収容されている光ファイバー中を伝搬する光波の偏波回転量が架空地線を流れる地電流に関連することを利用して高感度に微弱地電流を検出して地震の前駆現象の地震地電流の高精度な検出や、電磁環境の定量的な把握に資することができる微弱地電流検出方法、地震地電流検出方法及びそのシステムを提供することを目的とする。

本発明の第１の解決手段として、強い送電電流や負荷変動の影響を避けるために、変電所等における中性点接地電流から直接、地電流信号を検出するのではなく、送電鉄塔上の架空地線を流れる地電流を架空地線内に収容されている光ファイバーの光信号の偏波変動から間接的に検出する方式を採用することにより、送電電流や負荷変動などの電力システムからの雑音を大幅に軽減できる光ファイバー検出方式を採用することを前提とする。そして、この解決手段だけでは、架空地線を流れる送電雑音や雷放電雑音、さらには架空地線のゆれによる光ファイバー検出雑音が影響して高感度な検出が達成できないので、次の第２乃至第６の解決手段を付加して高感度化を達成している。

これらのうちの第２の解決手段としては、光の偏波変動を検出した後、その検出信号から低周波数域で直接地電流変化を検出するのではなく、雑音の多い低周波域をはずして搬送周波数域で地電流現象の変動スペクトラムを狭帯域に検出することにより、検出信号に含まれる雑音を除去する手段を用いる。

第３の手段としては、検出信号に残存する強い送電電流の倍調波、分調波またそれらの混変調雑音成分を除去するため、それらの周波数を避けて検出周波数を選定する。ここで、一つの周波数の選定方法として、５０又は６０Ｈｚの送電電流に対して、１７，２２３Ｈｚといった素数周波数を検出周波数に選定する。また、検出帯域も混変調周波成分の周波数間隔が１Ｈｚとなることから１Ｈｚ以下に選定し、電力システムからの雑音を除外して高感度に地電流変化を検出する方式を採用した。

また，第４の解決手段としては、観測装置に近接して存在する人工雑音によって、検出信号に人工雑音が混入する場合があるが、この人工雑音を除去するために、人工雑音の変動周期よりも充分長い時間の積分回路により平均化することで、人工雑音を平滑化して除去する手段を採用する。具体的には、１日程度の観測時間に対して、積分時間は６０乃至２００秒（好ましくは、６０乃至１５０秒）である。ここで、人工雑音の変動周期より充分長く、検出すべき地電流変化周期よりも充分短い積分時間の採用が必要になるが、地殻変動の周期は多くの場合、１５０秒よりも充分長いことが判っている。なお、急激な早い変動現象の検出には、６秒平均を用いて人工雑音の除去とバランスをとった観測を行っている。

また、第５の解決手段としては、全国的に張りめぐらされた電力送電設備網の架空地線内に収容された光ファイバーを用いて地電流観測を送電経路ごとに行い、異常検知信号を複数取得することにより、相互の相関成分と非相関成分を相関検出器により分離し、後者は雑音による場合が多いことからこれを除去する。さらに、同期検波方式によって位相変化を検出し、検出対象の移動や広がりなどの解析性能を向上することを特徴とする改善手段により検出性能を向上させる。

第６の解決手段としては、経路方向による検出信号の差異から、異常信号の発生領域を推定する。

具体的な構成は次の通りである。
１） 電力送電線の架空地線内に収容されている光ファイバーを伝送される光信号の偏波状態が前記架空地線を流れる電流によって変化することを利用して、前記光信号の偏波状態の変化である偏波変動を電気信号に変換した後、フィルタリングして、微弱地電流を表す信号と他の雑音とを分離することにより前記微弱地電流を高精度に検出することを特徴とする。
この結果、電力送電線の架空地線内に収容されている光ファイバーを流れる光信号の偏波変動が架空地線を流れる地電流によって変化することを利用して、微弱な地電流を高精度に計測することができる。

２） 上記１）に記載する微弱地電流検出方法において、
前記微弱地電流を表す信号に基づき地震の前駆現象を検出することを特徴とする。
この結果、地電流に基づき地電流異常を介して地震予知に有用な情報を得ることができる。

３） 電力送電線の架空地線内に収容されている光ファイバーと、
この光ファイバーを伝送される光信号の、前記架空地線を流れる電流による偏波変動を表す電気信号を形成する偏波検出手段と、
この偏波検出手段の出力信号から微弱地電流を表す信号と他の雑音とを分離するフィルタリング手段とを有することを特徴とする。
この結果、電力送電線の架空地線内に収容されている光ファイバーを流れる光信号の偏波変動が架空地線を流れる地電流によって変化することを利用して、微弱な地電流を高精度に計測することができる。

４） 上記３）に記載する微弱地電流検出システムにおいて、
前記フィルタリング手段は、偏波検出手段で変換した電気信号を、１０乃至５００Ｈｚの周波数帯で微弱地電流を表す信号を検出することを特徴とする。
この結果、送電系統に基づく雑音、風による架空地線のゆれ雑音、雷放電雑音を排除することができる。

５） 上記３）又は４）に記載する微弱地電流検出システムにおいて、
前記フィルタリング手段は、さらに送電電流の基本周波数、送電及び電力利用機器システムの非線形特性によって発生する高調波及び分調波並びにそれらの混変調周波数成分に対して素数となる周波数を中心周波数として選択するとともに、検出帯域を混変調周波数成分の周波数の間隔よりも小さく選定したことを特徴とする。
この結果、送電電流の基本周波数は５０又は６０Ｈｚであるが、送電及び電力利用機器システムの非線形特性によって発生する高調波、分調波とそれらの混変調周波数成分を、検出周波数を１７Ｈｚや２２３Ｈｚなどの素数周波数に選定し、かつ検出帯域を混変調周波数成分の周波数間隔である１Ｈｚよりも小さく選定して増幅することで、高感度に地電流変動信号を得ることができ、送電システムからの妨害雑音を軽減することができる。

６） 上記３）乃至５）の何れか一つに記載する微弱地電流検出システムにおいて、
前記フィルタリング手段は、雑音を平滑化して除去するために、人工雑音の発生周期よりも十分長く、前記微弱地電流を表す信号の変動周期よりも十分短い積分時間である１５０秒を中心として６０乃至２００秒の積分手段を含むことを特徴とする。
この結果、電力システム雑音のほか、観測装置に近接して設備された商用電力利用機器や近接の空電雑音、自動車のイグニッション雑音、その他の機器が発生する人工雑音を、この人工雑音の発生周期よりも十分長く、観測する地震地電流のほとんど変動周期よりも十分短い積分時間である積分手段により平滑化して除外することができる。

７） 上記６）に記載する微弱地電流検出システムにおいて、
前記積分手段は、数秒乃至６秒としたことを特徴とする。
この結果、地殻変動の細やかな変化を観測する場合において、雷雑音や人工雑音の改善効果とのバランスを保つことができる。

８） 上記３）乃至７）の何れか一つに記載する微弱地電流検出システムにおいて、
前記フィルタ手段は、狭帯域増幅手段及び同期検波手段を有し、基準信号発生手段から得た時刻基準クロックを用いてデジタル処理するとともに、前記狭帯域増幅手段の周波数と同一周波数の基準信号をクロック回路より形成し、この信号を基準として同期検波することにより検出信号の同相成分と直交成分との２成分を検出して、信号の位相的な変化を検出するようにしたことを特徴とする。
この結果、信号の位相的な変化を検出して詳細な地電流解析を行うことが可能になる。

９） 上記８）に記載する微弱地電流検出システムを、送電線経路ごとにそれぞれ設置して複数箇所の観測点を構築し、前記各観測点における検波方式を、ＧＰＳによる時間基準クロックを基準とする同期検波により前記同相成分及び直交成分を各観測点毎に検出するとともに、解析センターに集めて、各位相変化状態から地震前駆現象による地電流異常の源の変化状態を検出することを特徴とする。
この結果、広帯域の地震地電流を一括して検出することができ、より精度の高い地震予知に資することができる。

１０） 上記８）に記載する微弱地電流検出システムを、送電線経路ごとにそれぞれ設置して複数箇所の観測点を構築し、前記各観測点における検波方式を、ＧＰＳによる時間基準クロックを基準とする同期検波により前記同相成分及び直交成分を各観測点毎に検出するとともに、解析センターに集めて、各観測点における検出信号間の相関と非相関成分を抽出し、信号と雑音とを区別して非相関雑音成分を除去するようにしたことを特徴とする。
この結果、広帯域の地震地電流を一括して検出するとともに各検出信号の相関も加味することにより、Ｓ／Ｎ比の改善を図ることができる。

上述の如き構成を有する本発明によれば、送電線架空地線内の光ファイバーの偏波回転量を電気信号に変換した後、必要な周波数成分をフィルタリングにより抽出しているので、雑音を除去して、従来方式に比べ格段に高感度な地電流の計測が可能になる。このため、地震の前兆的な微小地電流変化の検出など各種の計測に応用が可能になる。また、既設の送電設備を用いて、地震前兆の観測を高精度に行うことができるので、防災に果たす効果や電力送電線をはじめとするライフラインの震災対策に果たす役割は多大なものがある。

すなわち、従来の送電線中性点接地電流から直接計測する方法に較べて、送電系統からの雑音が著しく軽減されるほか、さらに従来の架空地線光ファイバーの数Ｈｚ以下の偏波変動を用いる方式に比べて、１０乃至５００Ｈｚの周波数において狭帯域に検出する方式を採用したため、混入雑音が除去され、従来方式に較べて感度を千倍から１万倍に高めることができる。また、検知できる地電流変化を数１０μＡの微弱な値まで検出できるようになる。

さらに、送電線を用いた各種目的の新たな地電流計測装置、例えば環境電磁波の分布状況の調査等が実現可能となる。すなわち、従来、ポイント毎に観測機器を設置して微弱電磁波を計測していたが、これを全国にくまなく張りめぐらしてある送電線をアンテナとして計測することができ、計測効率が飛躍的に向上するという効果も得る。

本発明に係る架空地線光ファイバー（ＯＰＧＷ）による地電流検出の原理を送電設備の概要とともに示す概念図である。 本発明の実施の形態に係る地電流検出システムを示すブロック線図である。 図２に示すブロック線図中の偏波検出部の詳細構造を示すブロック線図である。 偏波変動量の定義を示す説明図である。 図２に示すブロック図中の極超長波帯ＥＬＦ成分測定部の詳細構造を示すブロック線図である。 地電流スペクトラムと電力システムの雑音および低周波雑音と、狭帯域増幅特性との関連を示す特性図である。 ＧＰＳ時刻基準による同期検波と同相と直交成分の検出回路を示すブロック線図である。 他観測点からの同期検波による同相、直交成分を利用した地震準備地域の詳細観測システムを示すブロック線図である。 本発明の実施の形態に係る観測データの一例を示すグラフである。

本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。

図１は送電線設備の構成図とこれを利用した地電流計測の概念図である。同図に示すように、３相変圧器の巻線１１の端子はそれぞれ３本の送電線（代表的に１本のみが示されている）１２に接続される。また変圧器巻線の共通の中性点１３は接地されている。架空地線１４は雷障害から送電線を保護するために送電線鉄塔の最上部に架空されている。この架空地線１４は複数の導線をらせん状に巻きつけた構造をしており、中空で適当な可撓性をもっている。架空地線１４の中空部には複数の通信用の光ファイバーが収容されている。なお、導線の外側に光ファイバーを巻き付けた構成でも適用できる。

図１では左から右に光信号が伝送される模式図が示されている。架空地線１４には鉄塔間の大地電位差による電流、負荷変動による中性点不平衡電流のほか、架空地線に誘導される雷誘導電流など多くの電流が流れる。このｉ区間の地電流をＩ_gi１５で示している。これらの値は一般的に区間ごとに相違する。

本形態に係る地電流は伝送経路途中に出現した震源域１６によって発生する地殻内の異常地電流や電磁波が関連しており、それらの一部が鉄塔間に電位差Ｅ_i１７を生じ、それによって各区間の架空地線１４に地電流変化が形成される。図中、１８は距離に対する地殻内の異常電位分布の一例を示している。

上述の如き各種の要因による地電流は重なり合って架空地線１４を流れる。この際に架空地線１４の巻線構造により、光ファイバーの周りを巻きつくように流れてゆく。このため、光ファイバーに沿う方向の磁界が形成される。この磁界によって、ファラディ効果と命名される光波信号の偏波回転が生じる。その偏波回転量は架空地線１４を流れる地電流量と伝送距離に概ね比例する。このため受端では観測経路全体の総偏波回転量（変動）が検出される。この中に検出対象となる地震地電流による偏波変動量が含まれているのを、偏波変動の性質の違いから振るい分けて検出する。詳細は次の通りである。

図２は本発明の実施の形態に係る光ファイバーの送端側に設置される半導体レーザ２１からなる光源と受端側の偏波検出部２４とを架空地線１４内の光ファイバー２３を介して接続している。地電流の検出信号としては、偏波検出部２４で偏波変動を電気信号に変換して得る出力信号２５を狭帯域な極超長波帯（ＥＬＦ）成分測定部２６に入力して高感度に地電流を検出する。本装置の導入によって、地電流の検出感度が千倍ないし１万倍に高められる。

図３は図２に示す偏波検出部の詳細な構造を示すブロック線図である。同図に示すように、この偏波検出部２４では、光ファイバー２３の出力光を受光レンズ３１で収束した後、分岐回路３２で分岐し、ある方向の偏波のみを通過させる偏光子３３など３種の偏光子検出系から偏波変動を検出する。偏光子３３の出力を検出するフォトダイオード３４など、各組の検出系からなり、Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３の３つの偏波成分出力３５、３６、３７を得ることにより偏波変動量を検出する。また、最上位の検出系３８は光の全電力Ｐ₀３９を検出して、上記の偏波成分出力を基準化し角度に変換するのに用いられる。

図４は、偏波検出部２４の各検出出力Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３と基準時刻からの偏波変動量の対応を示す。

図５は図２に示す極超長波帯成分測定部２６の詳細な構成を示すブロック線図である。同図に示すように、この極超長波帯成分測定部２６は狭帯域増幅部５１、検波部５３、６秒の積分回路５５及び１５０秒の積分回路５７からなり、これらが偏波成分出力３５乃至３７に対して一組づつ対応して設けてある。

すなわち、当該極超長波帯成分測定部２６の入力信号は偏波検出部２４からの出力２５であるが、図３に示すように、偏波検出部２４からは３種類の偏波成分出力３５乃至３７が送出されるので、それらがそれぞれ３系統の処理系に入力される。

当該極超長波帯成分測定部２６における狭帯域増幅部５１は１０乃至５００Ｈｚの周波数帯域（極超長波帯ＥＬＦ）の中で、１７Ｈｚ又は２２３Ｈｚといった送電電流周波数成分と互いに素となる素数周波数を増幅周波数とするとともに、その増幅帯域は１Ｈｚ弱の狭帯域であり、たとえば高増幅度１５万倍の増幅器である。この極超長波帯成分測定部２６は検出したい周波数毎に並列に複数台用いることもできる。

狭帯域増幅部５１の出力信号５２は、電力システム雑音のほか、低周波の各種要因による雑音が除去された地電流検出信号である。この出力信号５２は選定した周波数の狭帯域信号であるため、その振幅成分が検波部５３で検波され、地電流信号の振幅５４が検出される。

さらに、雷放電電流や人工雑音による時間的に変化の早い細かな変動が残留して検出されるので、それらを除去するために積分回路５５が付加されている。

ここで、地殻活動による地電流は、雑音に較べると早く変化する成分が少なく、数秒から数時間、さらに変動周期の長いものが多いことが観測から明らかになっている。一方、人工雑音等による変動は６秒から１５０秒程度よりも十分に早い成分が多いことが明らかになっている。このため、積分回路５５により６秒平均値を出力５６としている。なお、雑音の除去効果の高い１５０秒平均値は６秒平均値２５個を平均する積分回路５７により作ることができ、その出力５８を得る。

以上により、人工的な雑音を平滑化して除外し、地殻の異常に基づく地電流信号成分のみを高感度に検出することができる。なお、図３および図５において、装置の簡略化のために、３５乃至３７の１系統または２系統を省略しても、感度は劣るが、ある程度の信号を得ることができる。

図６は検出すべき地電流のスペクトラム６１と低周波雑音スペクトラム６２、電力システムの雑音６３及び狭帯域増幅特性６４との関係を模式的に示す特性図である。

電力システムの雑音スペクトラム６３は電力周波数とその高調波、および分調波で強いことが一般的に知られているが、最近では電力システムで非線形制御機器が多く利用されており、それら非線形特性による混変調作用で発生する各周波数成分はさらに多くなっている。本形態では、地震前駆現象に関わる検出対象が微弱な地電流信号であるため、小さな混変調成分まで考慮することが必要になる。このため、非線形性の高次数によって発生する雑音スペクトラムまで考慮する必要があり、強度の差はあるが１Ｈｚ周波数ごとに存在すると考えなければならない。また、それらの周波数成分は電力の負荷変動により変化し周波数軸上で広がった雑音と見られることを、図６の電力システムの雑音６３は模式的に示している。なお、素数周波数で発生する混変調成分は特に高次数の結合によるため、その振幅は小さい。

ここで、検出すべき地電流スペクトラム６１は地殻の各種の高速や低速の変化・変動や揺らぎによって特性付けられ、広い周波数までフラクタルな揺らぎ雑音として分布している。そのスペクトラム強度（面積あたり、ヘルツあたりの電力密度）は小さいが全体の電力は膨大である。

一般に、離れた深い地殻にソースを持つ地電流変化を地表近くで検出する場合、その検出信号レベルは電力システム雑音よりずっと弱い。しかしながら、特定周波数で狭帯域な観測ではあるが、本形態に係る地電流検出システムによって強い電力システム雑音を排除することができ、微弱な地電流成分を測定することができる。なお、検出信号を検波すれば、低周波変動成分の再生が可能となるので観測上の問題はない。

図７は図５の構成をより詳細に示したブロック線図である。同図は、偏波成分出力３５乃至３７のうちの一つの信号の処理系を示しているが、実際は、図５の場合と同様に、同様の処理系が３系統設けてある。

狭帯域増幅器７１は、クロック回路７２のクロックにより動作するデジタル信号処理回路型のフィルタからなる狭帯域増幅器であり、その出力７３は分岐され、２つの同期検波器７４、７５に供給される。同期検波器７４にはクロック回路７２から、狭帯域フィルタの中心周波数と同一の周波数の搬送波が供給され、同期検波器７５にはその周波数で９０度位相を遅らせる遅延回路７６を介したクロックが供給される。同期検波器７４、７５の出力側にはそれぞれ積分回路７７、７８が接続してあり、６秒程度の時間平均を行った後、出力７９、８０として出力される。ここで、出力７９は同相出力、出力８０は直交出力と呼ぶ。これらをベクトル合成したのが振幅出力となり、図５の出力５６と同じになる。

図７に示す構成においては、同相、直交成分から信号の位相情報が得られ、信号（地電流）の変化が早くなりつつあるか遅くなりつつあるか、近づいているか遠ざかっているかなどの情報が得られるため、地震現象を解明するのに有力な手段となる。

なお、クロック回路７２をＧＰＳなど時刻基準信号７０で同期することにより、異なる観測点の検出信号と比較し、より詳細な信号の検出と処理が可能となる。

図８は遠隔の観測点間で検出信号の位相変化を比較することにより、地殻の現象がどのように変化し移動しているかなどの情報を得るための構成を示す。Ａ，Ｂ，Ｃ・・は観測点を示し、それぞれの観測装置８１等において、ＧＰＳ受信機８２によって各観測点Ａ，Ｂ，Ｃ・・の時間基準となるクロック回路８３を同期し、各局ごとの基準クロック信号８４を獲得する。図１から図７までで説明してきた架空地線１４の光ファイバー２３を利用した偏波変動を検出するセンサー系８５の出力８６を、基準クロック８４により図７で詳細構造を説明した狭帯域増幅、同期検波回路８７を駆動して同相成分８８、直交成分８９を得る。

以上のようにして地震準備地域からの信号をそれぞれの観測点で同相、直交２成分データとして獲得し、それらを解析センター９０に通信回線で転送し、各観測点の検出信号を総合化して位相差から距離的なずれやその進行方向などを解析し、地殻異常の場所の推定や変化を詳細に把握する。

また、解析センター９０では、各観測点間の信号の相関成分と非相関成分をデジタル信号処理により検出し、関連のない非相関成分は雑音として除去し、更なる信号品質の向上と現象の解析評価が可能となる。デジタル信号解析手法としては、主成分解析、独立成分解析のほか、最近では非線形解析手法まで多くの方法が開発されており、多信号による解析の効果が期待できる。

なお、本形態に係る地電流検出システムにおいて、観測周波数を１０乃至５００Ｈｚの極超長波帯に選定した理由は次の通りである。すなわち、地球磁場変動は１Ｈｚ以下ｍＨｚ帯で強く、また増幅のための電子回路の揺らぎ雑音は１００Ｈｚ以下の低周波数になるほど増加することが知られている。また、風による送電線のゆれによる光ファイバー２３のひずみによる機械的検出特性によって不要な低周波変動信号が発生するが、それらは１５Ｈｚ以下で顕著であることが知られている。また、雷放電による雑音は逆に５００Ｈｚ以上の周波数で急激に強くなり放送波帯まで顕著に存在している。

これらを考慮すると、偏波出力信号の評価周波数として１０乃至５００Ｈｚが各種の雑音を除去して、微弱な地電流の観測に適した周波数であることが分かる。なお、図６で考察したように、観測対象の地電流も変化し揺らいでおり、周波数にほぼ逆比例する連続な電力スペクトラム分布を持つため、検知信号の強度は広い周波数にわたって存在している。

図９に各種の観測データ波形を比較のために示す。同図中最上段の第１列（１）は本発明に係る観測データを比較検討するために、本発明とは直接関係のないＥＬＦ帯２２３Ｈｚを用いたコイルセンサーによるある地点における大気中の東西磁束密度の変動観測データ（縦軸はピコテスラ/ルートヘルツ）を示す。第２列（２）のβ_ｅは、架空地線光ファイバーの偏波変動出力を本発明に係る極超長波成分測定部で雑音を除去した後、６０秒平均した高感度の観測データを示す。なお、積分時間は１５０秒でなく６０秒としたのは、従来の方法（３）、（４）による１分データと比較するためである。縦軸はラヂアンで規格化され、最上位の１は１０^-4ラヂアン（ｒａｄ）を示す。本発明に係る極超長波成分測定部を使用しない場合、（３）の検知レベルは約２０分の１ラヂアンであった。本発明による第２列のβ_ｅが示す観測の最低レベルは約１０^-5ラヂアンであることがわかる。この値は観測系の残存雑音を示し、観測の限界を示す。

したがって、本発明によって２０分の１ラヂアンから約１０^-5ラヂアンまで感度が千倍から１万倍高まったことが示されている。

また、第３列（３）、第４列（４）のβ_ｓ、β_ｍは従来方式による光偏波変動出力を低速変動測定系で観測した変動量を示し、β_ｓは１秒間隔の変動、β_ｍは１分間隔の変動を示す。

図９において、１３日にβ_ｅ、β_ｓ、β_ｍともに強い変化が見られるが、それは風の強い日であり光ファイバー２３が風で振動したためと見られる。β_ｓ、β_ｍと気象との関連については、先行する２２ヶ月間の観測期間における検討結果があり、以下のことが判明している。すなわち、１時間平均で最大風速１ｍ/ｓの場合、β_ｓでほぼ０〜０．２ｒａｄ／ｓｅｃ の変動となる。第５列（５）は観測期間の１時間平均最大風速を示す。また、変動雑音は風向にも関連し北東の風に対して強く変動する。送電線の走行方位である北西から南東と関連すると見られる。また、β_ｍは日射量と関連があり、日中大きくなるのはファイバー温度変化が原因と見られる。最下部の第６列（６）は太陽照射熱量(平方メートル当りメガジュール)を示すが、（４）β_ｍは太陽照射熱量との対応が見られる。

ＥＬＦ成分測定部を経由して観測された偏波変動量β_ｅは、β_ｍよりβ_ｓとの類似性が見られるが、１０日や１５日以降においてはβ_ｓとも類似せず、また風の変化とも異なっている。１５日以降は（１）と類似の変化が見られる。したがって、β_ｅはＥＬＦ磁束密度に対応する電流成分を検出していると考えられる。このβ_ｅの値を評価すると、１０^-5ラヂアンで架空地線地電流にして約数１０μＡのオーダとなる。１６日、１７日の最大レベルで大よそ１００μＡの地電流が存在したことになる。地電流は大地を分散して流れるために、架空地線に分流する地電流はかなり小さな値であることが観測から明らかになった。また、以上の評価から数１０〜１００μＡの高感度な地電流観測が可能であることが明らかになった。

本発明は微弱地電流の正確な検出が必要な地震予知、環境の電磁界分布の観測等の産業分野で利用することができる。

１４ 架空地線
２３ 光ファイバー
２４ 偏波検出部
２６ 極超長波帯成分測定部
５１ 狭帯域増幅部
５３ 検波部
５５ 積分回路
５７ 積分回路
７１ 狭帯域増幅部
７２ クロック回路
７４ 同期検波器
７５ 同期検波器
８２ ＧＰＳ受信機

Claims (10)

1. 電力送電線の架空地線内に収容されている光ファイバーを伝送される光信号の偏波状態が前記架空地線を流れる電流によって変化することを利用して、前記光信号の偏波状態の変化である偏波変動を電気信号に変換した後、フィルタリングして、微弱地電流を表す信号と他の雑音とを分離することにより前記微弱地電流を高精度に検出することを特徴とする微弱地電流検出方法。
2. 請求項１に記載する微弱地電流検出方法において、
   前記微弱地電流を表す信号に基づき地震の前駆現象を検出することを特徴とする地震地電流検出方法。
3. 電力送電線の架空地線内に収容されている光ファイバーと、
   この光ファイバーを伝送される光信号の、前記架空地線を流れる電流による偏波変動を表す電気信号を形成する偏波検出手段と、
   この偏波検出手段の出力信号から微弱地電流を表す信号と他の雑音とを分離するフィルタリング手段とを有することを特徴とする微弱地電流検出システム。
4. 請求項３に記載する微弱地電流検出システムにおいて、
   前記フィルタリング手段は、偏波検出手段で変換した電気信号を、１０乃至５００Ｈｚの周波数帯で微弱地電流を表す信号を検出することを特徴とする微弱地電流検出システム。
5. 請求項３又は請求項４に記載する微弱地電流検出システムにおいて、
   前記フィルタリング手段は、さらに送電電流の基本周波数、送電及び電力利用機器システムの非線形特性によって発生する高調波及び分調波並びにそれらの混変調周波数成分に対して素数となる周波数を中心周波数として選択するとともに、検出帯域を混変調周波数成分の周波数の間隔よりも小さく選定したことを特徴とする微弱地電流検出システム。
6. 請求項３乃至請求項５の何れか一つに記載する微弱地電流検出システムにおいて、
   前記フィルタリング手段は、雑音を平滑化して除去するために、人工雑音の発生周期よりも十分長く、前記微弱地電流を表す信号の変動周期よりも十分短い積分時間である１５０秒を中心として６０乃至２００秒の積分手段を含むことを特徴とする微弱地電流検出システム。
7. 請求項６に記載する微弱地電流検出システムにおいて、
   前記積分手段は、数秒乃至６秒としたことを特徴とする微弱地電流検出システム。
8. 請求項３乃至請求項７の何れか一つに記載する微弱地電流検出システムにおいて、
   前記フィルタ手段は、狭帯域増幅手段及び同期検波手段を有し、基準信号発生手段から得た時刻基準クロックを用いてデジタル処理するとともに、前記狭帯域増幅手段の周波数と同一周波数の基準信号をクロック回路より形成し、この信号を基準として同期検波することにより検出信号の同相成分と直交成分との２成分を検出して、信号の位相的な変化を検出するようにしたことを特徴とする微弱地電流検出システム。
9. 請求項８に記載する微弱地電流検出システムを、送電線経路ごとにそれぞれ設置して複数箇所の観測点を構築し、前記各観測点における検波方式を、ＧＰＳ(Global Positioning System)による時間基準クロックを基準とする同期検波により前記同相成分及び直交成分を各観測点毎に検出するとともに、解析センターに集めて、各位相変化状態から地震前駆現象による地電流異常の源の変化状態を検出することを特徴とする地震地電流検出システム。
10. 請求項８に記載する微弱地電流検出システムを、送電線経路ごとにそれぞれ設置して複数箇所の観測点を構築し、前記各観測点における検波方式を、ＧＰＳによる時間基準クロックを基準とする同期検波により前記同相成分及び直交成分を各観測点毎に検出するとともに、解析センターに集めて、各観測点における検出信号間の相関と非相関成分を抽出し、信号と雑音とを区別して非相関雑音成分を除去するようにしたことを特徴とする地震地電流検出システム。