JP2012208117A - Detection sensor for three-dimensional component of underground electromagnetic wave - Google Patents

Detection sensor for three-dimensional component of underground electromagnetic wave Download PDF

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稔 筒井
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To detect a horizontal electric field component of feeble underground electromagnetic waves with long wavelength with sufficient sensitivity in a narrow borehole for observation provided underground.SOLUTION: As a detection sensor for horizontal electric field component, many short dipole antenna elements consisting of a pair of linear conductors whose full length is smaller than an inner diameter of a borehole for observation are arranged in parallel with the depth direction by separating them from one another for predetermined separation distance or more, elements on one side of the respective short dipole antenna elements are connected to an input of one side of a differential amplifier via a capacitor C, elements on the other side are connected to on input on the other side of the differential amplifier via the capacitor C, respectively, potential difference between the elements on both sides of the respective short dipole antennas is added by detecting the potential difference by the total value of electric charges to be inducted by capacitance C(<<C) between the input on one side and the input on the other side of the differential amplifier by the potential difference between the elements on both sides of the respective short dipole antennas, and detection sensitivity and directional characteristics equivalent to those of long dipole antennas are obtained.

Description

この発明は、狭隘な観測ボアホール内において地中電磁波の3次元成分を検出する地中電磁波3次元成分検出センサに関する。   The present invention relates to an underground electromagnetic wave three-dimensional component detection sensor for detecting a three-dimensional component of an underground electromagnetic wave in a narrow observation borehole.

発明者は、地中において微弱な電磁波パルスを検出し、その到来方位を検出することで地殻変動等による地中起源の電磁波パルスの発生源を特定する地中電磁波観測システムの研究を行っている(例えば、特許文献1参照)。
図6に、特許文献1に開示された従来の地中電磁波観測システムの構成を示す。
本システムは、東西方向の磁界成分を検出するサーチコイル12と、南北方向の磁界成分を検出するサーチコイル14と、垂直方向の電界成分を検出する垂直ダイポールアンテナ16とから構成されたセンサ部10と、センサ部10により検出された信号をAD変換してコンピュータ解析により到来方位を演算する信号処理部20とを備え、地上から深さ方向に100mに亘って設けられた狭隘な観測用ボアホール内にセンサ部10を挿入して地中電磁波を検出するものであり、東西方向の磁界センサ12により検出された東西方向の磁界成分と、南北方向の磁界センサ14により検出された南北方向の磁界成分とから地中電磁波の水平面内における到来方向を演算し、同時に電界センサ16により検出された垂直方向の電界成分の位相情報とから地中電磁波が水平面内のいずれの方位から到来した電磁波であるかを特定する。
The inventor is researching a subsurface electromagnetic wave observation system that detects a weak electromagnetic pulse in the ground and identifies the source of the electromagnetic pulse originating in the ground due to crustal deformation, etc. by detecting the arrival direction of the pulse. (For example, refer to Patent Document 1).
In FIG. 6, the structure of the conventional underground electromagnetic wave observation system disclosed by patent document 1 is shown.
This system includes a search coil 12 that detects magnetic field components in the east-west direction, a search coil 14 that detects magnetic field components in the north-south direction, and a vertical dipole antenna 16 that detects electric field components in the vertical direction. And a signal processing unit 20 that performs AD conversion on the signal detected by the sensor unit 10 and calculates the arrival direction by computer analysis, and is located in a narrow observation borehole that extends over 100 m from the ground in the depth direction. The sensor unit 10 is inserted into the sensor to detect underground electromagnetic waves. The east-west magnetic field component detected by the east-west magnetic field sensor 12 and the north-south magnetic field component detected by the north-south magnetic field sensor 14 are detected. The arrival direction of the underground electromagnetic wave in the horizontal plane is calculated, and the phase information of the vertical electric field component detected by the electric field sensor 16 at the same time Underground electromagnetic waves to identify whether the electromagnetic waves coming from any direction in the horizontal plane from.

特開2005−274371号公報JP 2005-274371 A 特開2009−156661号公報JP 2009-156661 A 特開2010−164327号公報JP 2010-164327 A

このように、従来の地中電磁波観測システムでは、地中電磁波の水平面内の到来方位を求めることはできるものの、到来する電磁波の垂直方向の方位を特定することができず、到来した電磁波が地中を起源とするものであるか、地上を起源とするもの(例えば、雷によるもの)であるかを分離することができない。
また、この地中電磁波観測システムを用いて、地上の雷によって生じた電磁波を観測したところ、電磁波の偏波面が時間とともに回転する楕円偏波となる場合があることが観測された。電磁波は、時間的に変動する電界と磁界が結合して媒質中を伝搬するものであり、偏波面が回転する電磁波の3次元到来方位を正確に求めるためには、電磁波の電界3方向成分と磁界3方向成分を同時に検出する必要がある。
As described above, in the conventional underground electromagnetic wave observation system, although the arrival direction of the underground electromagnetic wave in the horizontal plane can be obtained, the vertical direction of the incoming electromagnetic wave cannot be specified. It cannot be separated whether it is from the inside or from the ground (for example, from lightning).
Moreover, when the electromagnetic wave generated by lightning on the ground was observed using this underground electromagnetic wave observation system, it was observed that the polarization plane of the electromagnetic wave might be an elliptically polarized wave that rotates with time. An electromagnetic wave propagates through a medium by combining a time-varying electric field and a magnetic field, and in order to accurately determine the three-dimensional arrival direction of the electromagnetic wave whose polarization plane rotates, It is necessary to simultaneously detect the three magnetic field components.

通常、電磁波の磁界成分を検出するためには、コイルが用いられるが、検出感度を高めるために強磁性体をコアとして多数回の巻線を設けたサーチコイルを用いることで小型化を図ることができる。従って、電磁波の3次元磁界成分を検出するセンサは、図7に示すようにサーチコイルを互いに直交する3方向に配備することで構成でき、狭隘な観測用ボアホール内に挿入して地中電磁波の磁界3次元成分を検出することができる。   Normally, a coil is used to detect the magnetic field component of electromagnetic waves. However, in order to increase detection sensitivity, the search coil can be miniaturized by using a ferromagnetic coil as a core and providing a number of windings. Can do. Therefore, a sensor for detecting a three-dimensional magnetic field component of an electromagnetic wave can be configured by arranging search coils in three directions orthogonal to each other as shown in FIG. 7, and can be inserted into a narrow observation borehole to A three-dimensional magnetic field component can be detected.

これに対して、電磁波の電界成分を検出するためには、通常は直線上に一対の線状導体を備えた線状ダイポールアンテナが用いられる。従って、電磁波の電界3次元成分を検出するためには、線状ダイポールアンテナを互いに直交する3方向に設ける必要がある。
電界とは、空間における単位長さ当りの電位勾配であるが、ダイポールアンテナにより検出される電界は、ダイポールアンテナの一方側の素子の中点の電位と他方側の素子の中点の電位の差分として与えられるので、検出感度を上げるためにはダイポールアンテナの両側の素子の中点間の電位差が大きくなるようにダイポールアンテナの素子の長さを長くする必要がある。
On the other hand, in order to detect an electric field component of electromagnetic waves, a linear dipole antenna having a pair of linear conductors on a straight line is usually used. Therefore, in order to detect a three-dimensional electric field component of electromagnetic waves, it is necessary to provide linear dipole antennas in three directions orthogonal to each other.
The electric field is the potential gradient per unit length in space, but the electric field detected by the dipole antenna is the difference between the potential at the midpoint of the element on one side of the dipole antenna and the potential at the midpoint of the element on the other side. Therefore, in order to increase the detection sensitivity, it is necessary to increase the length of the element of the dipole antenna so that the potential difference between the midpoints of the elements on both sides of the dipole antenna is increased.

しかしながら、地中にセンサを挿入するために設けられる小さな直径の観測用ボアホールにおいて電磁波の3次元電界成分を検出するには、垂直方向の電界成分の検出は深さ方向に長尺のダイポールアンテナを設けることで対応することが可能であるものの、水平方向の電界成分の検出は、図8に示すように、観測用ボアホールの直径以上にダイポールアンテナの素子の長さを長くできないという制約があるため、実用的な検出感度を得ることが困難であるという問題があった。   However, in order to detect a three-dimensional electric field component of an electromagnetic wave in a small-diameter observation borehole provided for inserting a sensor into the ground, a vertical dipole antenna is used to detect a vertical electric field component. Although it is possible to cope with this problem, the detection of the electric field component in the horizontal direction has a limitation that the length of the element of the dipole antenna cannot be made longer than the diameter of the observation borehole as shown in FIG. There is a problem that it is difficult to obtain a practical detection sensitivity.

一方、3次元空間において互いに直交する3方向の電界成分を同時に検出するセンサとして、例えば特許文献2には、立方体状や球状の金属製筐体の各面に導電性電極が配置された電界検出部を持つ3次元電界センサが開示されている。
しかしながら、かかる従来の3次元電界センサでは、本願発明が対象とする地中電磁波のような波長の長い微弱な電磁波の電界成分を検出するためには、各検出電極の面積を大きくするとともに、対向する検出電極間の距離も大きくする必要があり、狭隘な観測用ボアホール内で地中電磁波の電界成分を検出することは困難である。
また、面状や球状の検出電極では、広い角度範囲での方向成分の電界を誘起するので、遠方より到来する電磁波の到来方向を精度よく検出することは難しい。
On the other hand, as a sensor that simultaneously detects electric field components in three directions orthogonal to each other in a three-dimensional space, for example, Patent Document 2 discloses an electric field detection in which conductive electrodes are arranged on each surface of a cubic or spherical metal casing. A three-dimensional electric field sensor having a portion is disclosed.
However, in such a conventional three-dimensional electric field sensor, in order to detect the electric field component of a weak electromagnetic wave having a long wavelength such as the underground electromagnetic wave targeted by the present invention, the area of each detection electrode is increased, It is also necessary to increase the distance between the detection electrodes to be detected, and it is difficult to detect the electric field component of the underground electromagnetic wave in a narrow observation borehole.
In addition, since the planar or spherical detection electrode induces an electric field having a directional component in a wide angle range, it is difficult to accurately detect the direction of arrival of electromagnetic waves coming from far away.

また、地中に設けられたボアホール内において電磁波の到来方位を検出するシステムとして、例えば特許文献3には、ボアホールの垂直方向において外周上にダイポールアンテナを複数配列したダイポールアレイアンテナを用いて、信号の位相差から受信波の到来方位を推定するボアホールレーダシステムが開示されている。
かかるボアホールレーダシステムは、送信アンテナから地中に電磁波を放射し、地中内の亀裂、断層、地下水などによる散乱波や反射波を他方のボアホールに設けた受信アンテナで受信して到来方位を検出することで、地中内の亀裂、断層、地下水などの3次元位置を推定するものであり、受信アンテナとして送信アンテナから送信する電磁波の波長に同調させたダイポールアンテナを使用することができるので、検出感度を高く保つことができる。
しかしながら、本願発明において検出する地中電磁波は、地殻変動等によって自然界において発生した電磁波であって、検出対象は波長の長い50kHz以下の低周波の電磁波であるが、周波数範囲が広く、同調型の受信アンテナを使用することができない。
また、上述のボアホールレーダシステムでは、水平方向の到来方位は、ダイポールアレイアンテナに到達する信号の位相差によって検出するので、地中電磁波の水平2方向の電界成分を分離して検出することはできない。更には、上述のボアホールレーダシステムでは、地中内の亀裂、断層、地下水などの深さ方向の位置を検出するためには送信アンテナと受信アンテナを深さ方向に上下させる必要があり、自然界で発生した電磁波の垂直方向の到来方位を瞬時に検出することはできない。
このように、上述のボアホールレーダシステムのダイポールアレイアンテナは、本願発明が目的とする自然界において発生した電磁波の3次元電界成分を検出する目的に使用することはできず、検出された地中電磁波が地中を起源とするものであるか、地上を起源とするものであるかを分離することは不可能である。
In addition, as a system for detecting the arrival direction of electromagnetic waves in a borehole provided in the ground, for example, Patent Document 3 discloses a signal using a dipole array antenna in which a plurality of dipole antennas are arranged on the outer periphery in the vertical direction of the borehole. A borehole radar system for estimating the arrival direction of a received wave from the phase difference between the two is disclosed.
This borehole radar system radiates electromagnetic waves from the transmitting antenna into the ground, and receives the scattered waves and reflected waves from the underground cracks, faults, groundwater, etc. with the receiving antenna provided in the other borehole, and detects the direction of arrival By doing so, it is intended to estimate the three-dimensional position of cracks, faults, underground water, etc. in the ground, and since a dipole antenna tuned to the wavelength of the electromagnetic wave transmitted from the transmitting antenna can be used as the receiving antenna, The detection sensitivity can be kept high.
However, the underground electromagnetic wave to be detected in the present invention is an electromagnetic wave generated in the natural world due to crustal movement or the like, and the detection target is a low-frequency electromagnetic wave having a long wavelength of 50 kHz or less, but has a wide frequency range and is of a tuning type. The receiving antenna cannot be used.
In the above-described borehole radar system, since the horizontal arrival direction is detected by the phase difference of the signals reaching the dipole array antenna, the electric field components in the horizontal two directions of the underground electromagnetic wave cannot be detected separately. . Furthermore, in the above-described borehole radar system, it is necessary to raise and lower the transmitting antenna and the receiving antenna in the depth direction in order to detect the position in the depth direction such as cracks, faults, and groundwater in the ground. The direction of arrival of the generated electromagnetic wave in the vertical direction cannot be detected instantaneously.
As described above, the above-described dipole array antenna of the borehole radar system cannot be used for the purpose of detecting the three-dimensional electric field component of the electromagnetic wave generated in the natural world which is the object of the present invention. It is impossible to separate whether it originates in the ground or the ground.

それ故に、本願発明の主たる目的は、地中に設けられた狭隘な観測用ボアホール内において、波長の長い微弱な地中電磁波の水平電界成分を感度よく検出することができる地中電磁波3次元成分検出センサを提供することである。   Therefore, the main object of the present invention is to provide a three-dimensional underground electromagnetic wave component that can detect a horizontal electric field component of a weak electromagnetic wave with a long wavelength with high sensitivity in a narrow observation borehole provided in the ground. It is to provide a detection sensor.

この発明にかかる地中電磁波3次元成分検出センサは、地中に設けられた狭隘な観測用ボアホール内において地中電磁波の3次元電界成分を検出する3次元電界センサを備えたものであって、前記3次元電界センサは、3次元電界成分のうち水平2方向の電界成分を検出する水平電界成分検出センサとして、全長が前記観測用ボアホールの内径より小さい一対の線状の導体からなる短尺ダイポールアンテナを深さ方向に平行に複数配列した短尺ダイポールアンテナアレイと、前記各短尺ダイポールアンテナアレイのそれぞれに対応して、前記配列された各短尺ダイポールアンテナの検出方向に対して一方側の素子に誘起される電位と他方側の素子に誘起される電位の電位差を前記配列された各短尺ダイポールアンテナについて加算する差動増幅器とを備えたものである。
この発明によれば、水平2方向の電界成分を検出する水平電界成分検出センサとして、全長が観測用ボアホールの直径より小さい一対の線状の導体からなる短尺ダイポールアンテナを深さ方向に平行に複数配列し、差動増幅器により各短尺ダイポールアンテナの一方側の素子に誘起される電位と他方側の素子に誘起される電位の電位差を加算するようにしたので、狭隘な観測用ボアホールに挿入して地中電磁波の水平電界成分を感度よく検出できる地中電磁波3次元成分検出センサを構成することができる。
An underground electromagnetic wave three-dimensional component detection sensor according to the present invention includes a three-dimensional electric field sensor that detects a three-dimensional electric field component of an underground electromagnetic wave in a narrow observation borehole provided in the ground, The three-dimensional electric field sensor is a short dipole antenna comprising a pair of linear conductors whose overall length is smaller than the inner diameter of the observation borehole as a horizontal electric field component detection sensor for detecting electric field components in two horizontal directions among the three-dimensional electric field components. Corresponding to each of the short dipole antenna arrays, and a plurality of short dipole antenna arrays arranged in parallel in the depth direction. A differential increment that adds the potential difference between the potential and the potential induced in the other element to each of the arranged short dipole antennas. It is obtained by a vessel.
According to this invention, as a horizontal electric field component detection sensor for detecting electric field components in two horizontal directions, a plurality of short dipole antennas having a pair of linear conductors whose overall length is smaller than the diameter of the observation borehole are parallel to the depth direction. Since the difference between the potential induced in one element of each short dipole antenna and the potential induced in the other element is added by a differential amplifier, it is inserted into a narrow observation borehole. An underground electromagnetic wave three-dimensional component detection sensor that can detect the horizontal electric field component of the underground electromagnetic wave with high sensitivity can be configured.

この発明にかかる地中電磁波3次元成分検出センサは、前記水平電界成分検出センサは前記配列された各短尺ダイポールアンテナの検出方向に対して一方側の素子はそれぞれ前記差動増幅器の一方側の入力と他方側の入力の間の静電容量に対して十分に大きい静電容量を有するコンデンサを介して前記対応する差動増幅器の一方側の入力に接続され、前記配列された各短尺ダイポールアンテナの検出方向に対して他方側の素子はそれぞれ前記一方側の素子の接続に用いたコンデンサと同一の静電容量を有するコンデンサを介して前記対応する差動増幅器の他方側の入力に接続され、前記各短尺ダイポールアンテナアレイに対応する差動増幅器は、前記配列された各短尺ダイポールアンテナの検出方向に対して一方側の素子に誘起される電位と他方側の素子に誘起される電位との電位差により前記差動増幅器の一方側の入力と他方側の入力の間の静電容量に誘導される電荷の合計値による電位差を検出するようにしたものである。
この発明によれば、前記水平電界成分検出センサは、各短尺ダイポールアンテナの一方側の素子をそれぞれ差動増幅器の一方側の入力と他方側の入力の間の静電容量に対して十分に大きい静電容量を有するコンデンサを介して差動増幅器の一方側の入力に接続し、他方側の素子を一方側の素子の接続に用いたコンデンサと同一の静電容量を有するコンデンサを介して差動増幅器の他方側の入力に接続し、差動増幅器は、各短尺ダイポールアンテナの両側の素子の電位差により差動増幅器の一方側の入力と他方側の入力の間の静電容量に誘導される電荷の合計値による電位差を検出することによって、各短尺ダイポールアンテナの両側の素子の電位差を加算するようにしたので、各ダイポールアンテナ素子から電流を吸い上げることがなくなり、短尺ダイポールアンテナの周囲の微弱な空間電界を乱すことを防止でき、配列する短尺ダイポールアンテナの素子数に比例した検出感度を得ることが可能となる。
The ground electromagnetic wave three-dimensional component detection sensor according to the present invention is such that the horizontal electric field component detection sensor is an input on one side of the differential amplifier with respect to the detection direction of each of the arranged short dipole antennas. Connected to the input on one side of the corresponding differential amplifier through a capacitor having a sufficiently large capacitance with respect to the capacitance between the input on the other side and the input on the other side, and The element on the other side with respect to the detection direction is connected to the input on the other side of the corresponding differential amplifier via a capacitor having the same capacitance as the capacitor used for connecting the element on the one side, The differential amplifier corresponding to each short dipole antenna array has a potential induced in an element on one side with respect to the detection direction of each short dipole antenna arranged. A potential difference due to the total value of charges induced in the capacitance between the input on one side and the input on the other side of the differential amplifier is detected by the potential difference with the potential induced in the element on the side. It is.
According to the present invention, in the horizontal electric field component detection sensor, the element on one side of each short dipole antenna is sufficiently large with respect to the capacitance between the input on one side and the input on the other side of the differential amplifier. Connect to the input of one side of the differential amplifier via a capacitor with capacitance, and differentially connect the device on the other side via a capacitor with the same capacitance as the capacitor used to connect the device on one side The differential amplifier is connected to the input on the other side of the amplifier, and the differential amplifier is a charge induced in the electrostatic capacitance between the input on one side and the other side of the differential amplifier due to the potential difference between the elements on both sides of each short dipole antenna. By detecting the potential difference based on the sum of the values, the potential difference between the elements on both sides of each short dipole antenna is added, so that no current is drawn from each dipole antenna element. It is possible to prevent disturbing the weak spatial electric field around the short dipole antenna, it is possible to obtain a detection sensitivity which is proportional to the number of elements of the short dipole antenna arranged.

この発明にかかる地中電磁波3次元成分検出センサは、前記水平電界成分検出センサは前記配列された各短尺ダイポールアンテナと隣接する短尺ダイポールアンテナとの間を前記各短尺ダイポールアンテナ素子による電荷蓄積に対して隣接する短尺ダイポールアンテナ素子による電荷蓄積の影響が無視できる離隔距離を空けて配列するようにしたものである。
この発明によれば、前記水平電界成分検出センサは、各短尺ダイポールアンテナと隣接する短尺ダイポールアンテナとの間を各短尺ダイポールアンテナによる電荷蓄積に対して隣接する短尺ダイポールアンテナによる電荷蓄積の影響が無視できる離隔距離を空けて配列するようにしたので、配列する短尺ダイポールアンテナの素子数に比例した検出感度を得ることが可能となる。
The ground electromagnetic wave three-dimensional component detection sensor according to the present invention is configured such that the horizontal electric field component detection sensor is configured to store charges between the arranged short dipole antennas and the adjacent short dipole antennas by the short dipole antenna elements. In other words, they are arranged with a separation distance at which the influence of charge accumulation by adjacent short dipole antenna elements can be ignored.
According to the present invention, the horizontal electric field component detection sensor ignores the effect of charge accumulation by the adjacent short dipole antenna with respect to charge accumulation by each short dipole antenna between each short dipole antenna and the adjacent short dipole antenna. Since the arrangement is performed with a possible separation distance, detection sensitivity proportional to the number of elements of the short dipole antenna to be arranged can be obtained.

この発明にかかる地中電磁波3次元成分検出センサは、前記水平2方向の電界成分を検出する前記短尺ダイポールアンテナアレイは、前記水平2方向の短尺ダイポールアンテナアレイに配列される各短尺ダイポールアンテナのそれぞれを、深さ方向に互いに前記離隔距離を空けた各水平面のそれぞれにおいて直交する方向に配列するようにしたものである。
この発明によれば、水平2方向の短尺ダイポールアンテナアレイは、各短尺ダイポールアンテナのそれぞれの素子を、深さ方向に互いに離隔距離を空けた各水平面のそれぞれにおいて直交する方向に配列するようにしたので、水平2方向の電界成分の検出を同一容積内で行うことができ、水平2方向の短尺ダイポールアンテナアレイの空間利用効率を高め、地中電磁波3次元成分検出センサの全体の容積を低減することができる。
In the ground electromagnetic wave three-dimensional component detection sensor according to the present invention, the short dipole antenna array for detecting the electric field component in the two horizontal directions is each of the short dipole antennas arranged in the short dipole antenna array in the two horizontal directions. Are arranged in a direction orthogonal to each of the horizontal planes spaced apart from each other in the depth direction.
According to the present invention, the short dipole antenna array in two horizontal directions is arranged such that the respective elements of each short dipole antenna are arranged in directions orthogonal to each other in each horizontal plane spaced apart from each other in the depth direction. Therefore, it is possible to detect the electric field component in the two horizontal directions within the same volume, increase the space utilization efficiency of the short dipole antenna array in the two horizontal directions, and reduce the overall volume of the underground electromagnetic wave three-dimensional component detection sensor. be able to.

この発明にかかる地中電磁波3次元成分検出センサは、前記3次元電界センサは、3次元検出方向のうち垂直方向の電界成分を検出する垂直電界成分検出センサとして、前記水平2方向の電界成分検出用の複数の短尺ダイポールアンテナの合計長さに相当する長さの長尺ダイポールアンテナと、前記長尺ダイポールアンテナの検出方向に対して一方側の素子に誘起される電位と他方側の素子に誘起される電位の電位差を検出する垂直方向電界成分検出用差動増幅器とを備えたものであって、前記長尺ダイポールアンテナの検出方向に対して一方側の素子は、前記垂直方向電界成分検出用差動増幅器の一方側の入力と他方側の入力の間の静電容量に対して十分に大きい静電容量を有するコンデンサを介して前記垂直方向電界成分検出用差動増幅器の一方側の入力に接続され、前記長尺ダイポールアンテナの検出方向に対して他方側の素子は、前記垂直方向電界成分検出用差動増幅器の一方側の入力の接続に用いたコンデンサと同一の静電容量を有するコンデンサを介して前記垂直方向電界成分検出用差動増幅器の他方側の入力に接続され、前記垂直方向電界成分検出用差動増幅器は、前記長尺ダイポールアンテナの検出方向に対して一方側の素子に誘起される電位と他方側の素子に誘起される電位との電位差により前記垂直方向電界成分検出用差動増幅器の一方側の入力と他方側の入力の間の静電容量に誘導される電荷による電位差を検出するようにしたものである。
この発明によれば、3次元検出方向のうち垂直方向の電界成分を検出する垂直方向電界成分検出センサとして、水平2方向の電界成分検出用の複数の短尺ダイポールアンテナの合計長さに相当する長さの単一の長尺ダイポールアンテナを用い、前記短尺ダイポールアンテナアレイと同様に、長尺ダイポールアンテナの検出方向に対して一方側の素子は、垂直方向電界成分検出用差動増幅器の一方側の入力と他方側の入力の間の静電容量に対して十分に大きい静電容量を有するコンデンサを介して垂直方向電界成分検出用差動増幅器の一方側の入力に接続し、長尺ダイポールアンテナの検出方向に対して他方側の素子は、一方側の素子の接続に用いたコンデンサと同一の静電容量を有するコンデンサを介して垂直方向電界成分検出用差動増幅器の他方側の入力に接続し、垂直方向電界成分検出用差動増幅器は、長尺ダイポールアンテナの両側の素子の電位差により垂直方向電界成分検出用差動増幅器の一方側の入力と他方側の入力の間の静電容量に誘導される電荷による電位差を検出することによって、長尺ダイポールアンテナの両側の素子の電位差を検出するようにしたので、垂直方向の電界成分についても水平2方向の電界成分と同等の検出感度と指向特性を得ることができ、地中電磁波の3次元電界成分を均等に検出することができる。
The ground electromagnetic wave three-dimensional component detection sensor according to the present invention is characterized in that the three-dimensional electric field sensor is a vertical electric field component detection sensor for detecting a vertical electric field component in a three-dimensional detection direction, and the electric field component detection in the two horizontal directions. A long dipole antenna having a length corresponding to the total length of a plurality of short dipole antennas, a potential induced in one element with respect to a detection direction of the long dipole antenna, and an induction in the other element And a vertical direction electric field component detection differential amplifier for detecting a potential difference between the detected electric potentials, wherein the element on one side with respect to the detection direction of the long dipole antenna is for detecting the vertical direction electric field component The differential amplification for detecting the electric field component in the vertical direction through a capacitor having a sufficiently large capacitance with respect to the capacitance between the input on one side and the input on the other side of the differential amplifier Connected to one input of the long dipole antenna, the element on the other side with respect to the detection direction of the long dipole antenna is the same as the capacitor used to connect the input on one side of the differential amplifier for detecting the vertical electric field component The vertical direction electric field component detection differential amplifier is connected to the other side input of the vertical direction electric field component detection differential amplifier through a capacitor having capacitance, and the vertical direction electric field component detection differential amplifier is connected to the detection direction of the long dipole antenna. The electrostatic capacitance between the input on one side and the input on the other side of the vertical direction electric field component detecting differential amplifier due to the potential difference between the potential induced in the one side element and the potential induced in the other side element The potential difference due to the electric charge induced in is detected.
According to the present invention, a length corresponding to the total length of a plurality of short dipole antennas for detecting electric field components in two horizontal directions as a vertical electric field component detecting sensor for detecting a vertical electric field component in the three-dimensional detection direction. In the same manner as the short dipole antenna array, the element on one side with respect to the detection direction of the long dipole antenna is the one on the one side of the differential amplifier for detecting the vertical electric field component. Connected to the input on one side of the differential amplifier for detecting the electric field component in the vertical direction through a capacitor having a sufficiently large capacitance between the input and the input on the other side of the long dipole antenna The element on the other side with respect to the detection direction is a differential amplifier for detecting the electric field component in the vertical direction via a capacitor having the same capacitance as the capacitor used for connecting the element on the one side. The vertical direction electric field component detection differential amplifier is connected to the other side input, and the vertical electric field component detection differential amplifier is connected to the other side input by the potential difference between the elements on both sides of the long dipole antenna. Since the potential difference between the elements on both sides of the long dipole antenna is detected by detecting the potential difference due to the electric charge induced by the capacitance between the vertical electric field component and the horizontal two-direction electric field component. Equivalent detection sensitivity and directivity can be obtained, and the three-dimensional electric field component of the underground electromagnetic wave can be detected evenly.

この発明にかかる地中電磁波3次元成分検出センサは、前記長尺ダイポールアンテナは、円筒導体で形成され、前記長尺ダイポールアンテナの地上側円筒導体内には、前記長尺ダイポールアンテナの接続点と前記垂直方向電界成分検出用差動増幅器の入力側を接続するための接続用同軸ケーブルを備え、前記長尺ダイポールアンテナの地上側素子の地上端において、前記垂直方向電界成分検出用差動増幅器の一方側の入力を前記接続用同軸ケーブルのシールド部に接続し、前記垂直方向電界成分検出用差動増幅器の他方側の入力を前記接続用同軸ケーブルの芯線部に接続し、前記長尺ダイポールアンテナの地上側素子の地下端において、前記長尺ダイポールアンテナの地上側素子を前記十分に大きい静電容量を有するコンデンサを介して前記接続用同軸ケーブルのシールド部に接続し、前記長尺ダイポールアンテナの地下側素子を前記十分に大きい静電容量を有するコンデンサと同一の静電容量を有するコンデンサを介して前記接続用同軸ケーブルの芯線部に接続したものである。
この発明によれば、長尺ダイポールアンテナを円筒導体で形成し、地上側素子の円筒導体内に接続用同軸ケーブルを備え、長尺ダイポールアンテナと垂直方向電界成分検出用差動増幅器を接続する接続ケーブルを長尺ダイポールアンテナの地上側素子内を通過させるようにし、長尺ダイポールアンテナの地上側素子からコンデンサを介した垂直方向電界成分検出用差動増幅器の一方側の入力との接続には接続用同軸ケーブルのシールド部を用い、長尺ダイポールアンテナの地下側素子からコンデンサを介した垂直方向電界成分検出用差動増幅器の他方側の入力との接続には接続用同軸ケーブルの芯線部を用いるようにしたので、長尺ダイポールアンテナの地下側素子からコンデンサを介して垂直方向電界成分検出用差動増幅器の他方側の入力へ接続する接続線は接続用同軸ケーブルのシールド部によって遮蔽され、長尺ダイポールアンテナの地上側素子との電気的結合が抑制される。これにより、接続ケーブルを地上側素子に沿わせて布設せざるを得ない狭隘なボアホール用の垂直ダイポールアンテナにおいて、ダイポールアンテナ本来の指向特性と信号対雑音比を有する長尺ダイポールアンテナを提供することができる。
In the underground electromagnetic wave three-dimensional component detection sensor according to the present invention, the long dipole antenna is formed of a cylindrical conductor, and a ground-side cylindrical conductor of the long dipole antenna includes a connection point of the long dipole antenna. A connection coaxial cable for connecting the input side of the vertical electric field component detection differential amplifier; and at the ground end of the ground side element of the long dipole antenna, the vertical electric field component detection differential amplifier An input on one side is connected to a shield part of the connecting coaxial cable, an input on the other side of the differential electric field component detecting differential amplifier is connected to a core part of the connecting coaxial cable, and the long dipole antenna In the underground end of the ground side element, the ground side element of the long dipole antenna is passed through the capacitor having a sufficiently large capacitance. The connecting coaxial cable core wire is connected to the shield portion of the connecting coaxial cable, and the underground element of the long dipole antenna is connected to the capacitor having the same capacitance as the capacitor having a sufficiently large capacitance. Connected to the part.
According to the present invention, the long dipole antenna is formed of a cylindrical conductor, the coaxial cable for connection is provided in the cylindrical conductor of the ground side element, and the long dipole antenna is connected to the vertical electric field component detecting differential amplifier. Pass the cable through the ground side element of the long dipole antenna, and connect the ground side element of the long dipole antenna to the input on one side of the differential amplifier for detecting the vertical electric field component through the capacitor. The coaxial cable core is used for connection from the underground side element of the long dipole antenna to the other side input of the differential amplifier for detecting the vertical electric field component through the capacitor. As a result, the input on the other side of the vertical direction electric field component detection differential amplifier from the underground element of the long dipole antenna via the capacitor Connecting lines for connecting is shielded by the shield of the coaxial cable connection, the electrical coupling between the ground-side element of the long dipole antenna is suppressed. This provides a long dipole antenna that has the original directivity and signal-to-noise ratio of a dipole antenna in a narrow borehole vertical dipole antenna that must be laid along the ground-side element. Can do.

この発明にかかる地中電磁波3次元成分検出センサは、前記長尺ダイポールアンテナは、3重同軸ケーブルで形成され、前記3重同軸ケーブルの外側シールド部をアンテナ素子とするものであって、前記長尺ダイポールアンテナの地上側3重同軸ケーブルの地上端において、前記垂直方向電界成分検出用差動増幅器の一方側の入力を前記地上側3重同軸ケーブルの内側シールド部に接続し、前記垂直方向電界成分検出用差動増幅器の他方側の入力を前記地上側3重同軸ケーブルの芯線部に接続し、前記長尺ダイポールアンテナの地上側3重同軸ケーブルの地下端において、前記地上側3重同軸ケーブルの外側シールド部を前記十分に大きい静電容量を有するコンデンサを介して前記地上側3重同軸ケーブルの内側シールド部に接続し、前記長尺ダイポールアンテナの地下側3重同軸ケーブルの外側シールド部を前記十分に大きい静電容量を有するコンデンサと同一の静電容量を有するコンデンサを介して前記地上側3重同軸ケーブルの芯線部に接続したものである。
この発明によれば、長尺ダイポールアンテナを、外側シールド部と内側シールド部が絶縁された3重同軸ケーブルで形成し、3重同軸ケーブルの外側シールド部をアンテナ素子として用い、長尺ダイポールアンテナの地上側素子からコンデンサを介した垂直方向電界成分検出用差動増幅器の一方側の入力との接続には地上側3重同軸ケーブルの内側シールド部を用い、長尺ダイポールアンテナの地下側素子からコンデンサを介した垂直方向電界成分検出用差動増幅器の他方側の入力との接続には地上側3重同軸ケーブルの芯線部を用いるようにしたので、長尺ダイポールアンテナの地下側素子からコンデンサを介して垂直方向電界成分検出用差動増幅器の他方側の入力へ接続する接続線は地上側3重同軸ケーブルの内側シールド部によって遮蔽され、長尺ダイポールアンテナの地上側素子との電気的結合が抑制される。これにより、接続ケーブルを地上側素子に沿わせて布設せざるを得ない狭隘なボアホール用の垂直ダイポールアンテナにおいて、ダイポールアンテナ本来の指向特性と信号対雑音比を有する長尺ダイポールアンテナを提供することができる。
In the underground electromagnetic wave three-dimensional component detection sensor according to the present invention, the long dipole antenna is formed of a triple coaxial cable, and an outer shield portion of the triple coaxial cable is used as an antenna element. At the ground end of the ground-side triple coaxial cable of the long dipole antenna, an input on one side of the vertical direction electric field component detection differential amplifier is connected to an inner shield portion of the ground-side triple coaxial cable, and the vertical field The input on the other side of the differential amplifier for component detection is connected to the core of the ground-side triple coaxial cable, and the ground-side triple coaxial cable is connected to the ground end of the ground-side triple coaxial cable of the long dipole antenna. An outer shield part of the ground side triple coaxial cable through a capacitor having a sufficiently large capacitance, The outer shield portion of the underground side triple coaxial cable of the dipole antenna is connected to the core portion of the ground side triple coaxial cable via a capacitor having the same capacitance as the capacitor having a sufficiently large capacitance. It is.
According to the present invention, the long dipole antenna is formed of a triple coaxial cable in which the outer shield part and the inner shield part are insulated, and the outer shield part of the triple coaxial cable is used as an antenna element. Use the inner shield part of the ground side triple coaxial cable to connect to the input on one side of the differential amplifier for detecting the vertical electric field component from the ground side element through the capacitor. From the underground side element of the long dipole antenna to the capacitor Because the core part of the ground side triple coaxial cable is used for connection with the other side input of the differential amplifier for detecting the electric field component in the vertical direction through the base, the underground side element of the long dipole antenna is passed through the capacitor. Therefore, the connection line connected to the input on the other side of the differential amplifier for detecting the electric field component in the vertical direction is blocked by the inner shield part of the ground side triple coaxial cable. Is electrically coupled with the ground-side element of the long dipole antenna is suppressed. This provides a long dipole antenna that has the original directivity and signal-to-noise ratio of a dipole antenna in a narrow borehole vertical dipole antenna that must be laid along the ground-side element. Can do.

この発明にかかる地中電磁波3次元成分検出センサは、前記3次元電界センサによる地中電磁波の3次元電界成分の検出方向のそれぞれに対応して地中電磁波の3次元磁界成分を検出するサーチコイルを配備した3次元磁界センサを更に備え、前記3次元電界センサによる電界3方向成分と前記3次元磁界センサによる磁界3方向成分に基づいて地中電磁波の到来方位を演算する到来方位演算手段を備えたものである。
この発明によれば、3次元電界センサに加えて、地中電磁波の磁界成分を検出するサーチコイルを3次元電界センサの3次元検出方向のそれぞれに対応して配備した3次元磁界センサを備え、3次元電界センサによる電界3方向成分と3次元磁界センサによる磁界3方向成分に基づいて地中電磁波の到来方位を演算するようにしたので、地中電磁波の偏波面が回転している場合であっても、地中電磁波の3次元到来方位を正確に検出することができ、検出された電磁波が地上起源のものか、地中起源のものかを正しく分離することができる。
The underground electromagnetic wave three-dimensional component detection sensor according to the present invention is a search coil for detecting a three-dimensional magnetic field component of the underground electromagnetic wave corresponding to each of the detection directions of the three-dimensional electric field component of the underground electromagnetic wave by the three-dimensional electric field sensor. And a direction-of-arrival calculation means for calculating the direction of arrival of underground electromagnetic waves based on the three-direction electric field component of the three-dimensional electric field sensor and the three-direction magnetic field component of the three-dimensional magnetic field sensor. It is a thing.
According to this invention, in addition to the three-dimensional electric field sensor, the three-dimensional magnetic field sensor provided with a search coil for detecting the magnetic field component of the underground electromagnetic wave corresponding to each of the three-dimensional detection directions of the three-dimensional electric field sensor, Since the arrival direction of the underground electromagnetic wave is calculated based on the three-direction electric field component by the three-dimensional electric field sensor and the three-direction magnetic field component by the three-dimensional magnetic field sensor, the polarization plane of the underground electromagnetic wave is rotating. However, the three-dimensional arrival direction of the underground electromagnetic wave can be accurately detected, and whether the detected electromagnetic wave originates from the ground or from the ground can be correctly separated.

本願発明によれば、地中に設けられた狭隘な観測用ボアホール内において、波長の長い微弱な地中電磁波の水平電界成分を感度よく検出することができるという効果がある。   According to the present invention, there is an effect that a horizontal electric field component of a weak underground electromagnetic wave having a long wavelength can be detected with high sensitivity in a narrow observation borehole provided in the ground.

本願発明の上述の目的、その他の目的、特徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明を実施するための最良の形態の説明から一層明らかとなろう。   The above object, other objects, features, and advantages of the present invention will become more apparent from the following description of the best mode for carrying out the invention with reference to the drawings.

本願発明の一実施形態にかかる地中電磁波3次元成分検出センサの概略構成図である。(1)は水平電界成分検出センサの回路構成を示し、(2)は垂直電界成分検出センサの回路構成を示し、(3)は電界3次元成分検出センサのアンテナ素子の配列構成を示す。It is a schematic block diagram of the underground electromagnetic wave three-dimensional component detection sensor concerning one Embodiment of this invention. (1) shows a circuit configuration of the horizontal electric field component detection sensor, (2) shows a circuit configuration of the vertical electric field component detection sensor, and (3) shows an arrangement configuration of antenna elements of the electric field three-dimensional component detection sensor. 本願発明の一実施形態にかかる地中電磁波3次元成分検出センサの水平電界成分検出センサの基本原理説明図である。(1)は短尺ダイポールアンテナアレイの指向特性を理論的に解明するためのアンテナ素子の配置設定を示し、(2)は電流駆動型の電界検出センサの回路構成を示し、(3)は電荷加算型の電界検出センサの回路構成を示す。It is basic principle explanatory drawing of the horizontal electric field component detection sensor of the underground electromagnetic wave three-dimensional component detection sensor concerning one Embodiment of this invention. (1) shows the arrangement of antenna elements for theoretically elucidating the directional characteristics of a short dipole antenna array, (2) shows the circuit configuration of a current-driven electric field detection sensor, and (3) shows charge addition 1 shows a circuit configuration of a type electric field detection sensor. 本願発明の一実施形態にかかる地中電磁波3次元成分検出センサの水平電界成分検出センサによる検出電位の測定実験データを示す図である。(1)は測定実験に用いた磁気シールドボックスの外観を示し、(2)はシールドボックス内の左右壁面に設置した電界印加用電極に直交する方向の検出電位変化を4種類のダイポールアンテナで測定した結果を示す。It is a figure which shows the measurement experimental data of the detection potential by the horizontal electric field component detection sensor of the underground electromagnetic wave three-dimensional component detection sensor concerning one Embodiment of this invention. (1) shows the appearance of the magnetic shield box used in the measurement experiment, and (2) measures the change in detected potential in the direction perpendicular to the electric field application electrodes installed on the left and right wall surfaces in the shield box using four types of dipole antennas. The results are shown. 本願発明の一実施形態にかかる地中電磁波3次元成分検出センサの水平電界成分検出センサによる検出電位の測定実験データを示す図である。(3)は短尺ダイポールアンテナの素子間隔によって検出電位に変化を生ずる要因となる各アンテナ素子の検出電位に影響を及ぼす空間領域を示す。It is a figure which shows the measurement experimental data of the detection potential by the horizontal electric field component detection sensor of the underground electromagnetic wave three-dimensional component detection sensor concerning one Embodiment of this invention. (3) shows a spatial region that affects the detection potential of each antenna element that causes a change in the detection potential depending on the element spacing of the short dipole antenna. 本願発明の一実施形態にかかる地中電磁波3次元成分検出センサの水平電界成分検出センサによる検出電位の測定実験データを示す図である。(4)は電極間の中心線上での検出電位変化の測定結果を示し、(5)は測定環境でのアンテナ素子間隔による検出電位変化の測定結果を示す。It is a figure which shows the measurement experimental data of the detection potential by the horizontal electric field component detection sensor of the underground electromagnetic wave three-dimensional component detection sensor concerning one Embodiment of this invention. (4) shows the measurement result of the detection potential change on the center line between the electrodes, and (5) shows the measurement result of the detection potential change due to the antenna element spacing in the measurement environment. この発明の一実施形態にかかる地中電磁波3次元成分検出センサの水平電界成分検出センサによる指向特性の測定データを示す図である。(1)は水平電界成分の指向特性の測定状況を示し、(2)は水平電界成分の指向特性の測定結果を示す。It is a figure which shows the measurement data of the directional characteristic by the horizontal electric field component detection sensor of the underground electromagnetic wave three-dimensional component detection sensor concerning one Embodiment of this invention. (1) shows the measurement situation of the directivity of the horizontal electric field component, and (2) shows the measurement result of the directivity of the horizontal electric field component. この発明の一実施形態にかかる地中電磁波3次元成分検出センサの垂直電界成分検出センサによる指向特性の測定データを示す図である。(1)は垂直電界成分の指向特性の測定状況を示し、(2)は垂直電界成分の指向特性の測定結果を示す。It is a figure which shows the measurement data of the directional characteristic by the vertical electric field component detection sensor of the underground electromagnetic wave three-dimensional component detection sensor concerning one Embodiment of this invention. (1) shows the measurement situation of the directivity of the vertical electric field component, and (2) shows the measurement result of the directivity of the vertical electric field component. この発明の他の実施形態にかかる地中電磁波3次元成分検出センサの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the underground electromagnetic wave three-dimensional component detection sensor concerning other embodiment of this invention. 従来の地中電磁波観測システムの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the conventional underground electromagnetic wave observation system. 地中電磁波の磁界3方向成分検出センサの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the magnetic field 3 direction component detection sensor of underground electromagnetic waves. 地中電磁波の電界成分検出センサの問題点を示す図である。It is a figure which shows the problem of the electric field component detection sensor of underground electromagnetic waves.

空間に振動電界が存在することは、その変動する電界の方向に沿って変位電流が流れていることを意味している。従って、電磁波の電界成分は、変位電流に対して平行においた線状ダイポールアンテナ素子に電流を誘起させ、両側のアンテナ素子の集合点(接続点)に接続した抵抗にその電流を流させ、その抵抗の両端の電位差を読み取ることにより検出することができる。それ故、多くの誘起電流を検出するには、検出しようとする変動電界の波長の1/4にまで素子の長さを長くすれば良いことは、アンテナ理論の教えるところである。   The presence of an oscillating electric field in the space means that a displacement current flows along the direction of the changing electric field. Therefore, the electric field component of the electromagnetic wave induces a current in the linear dipole antenna element parallel to the displacement current, and causes the current to flow through the resistance connected to the collection point (connection point) of the antenna elements on both sides. It can be detected by reading the potential difference across the resistor. Therefore, the antenna theory teaches that in order to detect many induced currents, the element length should be increased to ¼ of the wavelength of the varying electric field to be detected.

しかしながら、波長の判らない自然界の電磁波を検出する場合は、むしろアンテナの設置できる空間の広さによって制限されることが多い。特に、地中電磁波を観測する場合には、地中にセンサを挿入するための観測用ボアホールを設け、そのなかに3次元方向に形成したダイポールアンテナを挿入することになるが、観測用ボアホール内では特に水平方向の長さの制約が大きく、実用的な検出感度を得ることは困難である。   However, when detecting an electromagnetic wave in the natural world whose wavelength is unknown, it is often limited by the size of the space where the antenna can be installed. In particular, when observing underground electromagnetic waves, an observation borehole for inserting a sensor is provided in the ground, and a dipole antenna formed in a three-dimensional direction is inserted into the borehole. However, the horizontal length is particularly limited, and it is difficult to obtain practical detection sensitivity.

線状ダイポールアンテナの電流誘起に寄与する空間は、アンテナ素子の周囲にできる円柱状領域である。従って、地上の水平ダイポールアンテナにおいては、必要に応じてアンテナ素子の長さを長くとることにより、電流誘起に寄与する円柱状領域を長くすることができ、検出感度を高めることができる。
このため、観測用ボアホール内で垂直電界成分を検出するセンサには長尺の一対のアンテナ素子を有する垂直ダイポールアンテナを用いているが、水平電界成分を測定する場合においても、何らかの方法で円柱状空間領域を必要な分だけ確保することで、必要な検出感度を得ることができると考えられる。
The space that contributes to the current induction of the linear dipole antenna is a cylindrical region formed around the antenna element. Accordingly, in a horizontal dipole antenna on the ground, by increasing the length of the antenna element as necessary, the cylindrical region contributing to current induction can be lengthened, and the detection sensitivity can be increased.
For this reason, a vertical dipole antenna having a pair of long antenna elements is used as a sensor for detecting a vertical electric field component in an observation borehole. It is considered that necessary detection sensitivity can be obtained by securing a necessary space area.

ここで、地中電磁波は、先に述べたように波長の長い電磁波であり、検出しようとする地中電磁波の電界成分は観測用ボアホール全体に一様に掛っていると考えられるので、観測用ボアホールの内径に相当する短尺の円柱状空間を深さ方向に多数設け、各短尺の円柱状空間において検出される電界成分を加算することで、長尺の水平ダイポールアンテナと同等の円柱状領域を得ることができると考えられる。
このように、観測用ボアホール内に平行に設けた多数の短尺の水平ダイポールアンテナに誘起された電界成分を合算することで、長尺の水平ダイポールアンテナと同等の検出感度を得ることができるというのが本願発明の基本的考え方である。
Here, the underground electromagnetic wave is an electromagnetic wave having a long wavelength as described above, and it is considered that the electric field component of the underground electromagnetic wave to be detected is uniformly applied to the entire observation borehole. A large number of short cylindrical spaces corresponding to the inner diameter of the borehole are provided in the depth direction, and by adding the electric field components detected in each short cylindrical space, a cylindrical region equivalent to a long horizontal dipole antenna is obtained. It is thought that it can be obtained.
Thus, by adding the electric field components induced in many short horizontal dipole antennas provided in parallel in the observation borehole, it is possible to obtain detection sensitivity equivalent to that of the long horizontal dipole antenna. Is the basic idea of the present invention.

すなわち、本願発明の水平電界成分検出センサは、短尺の水平ダイポールアンテナを深さ方向に平行に配列したダイポールアンテナアレイが基本となっており、各短尺ダイポールアンテナの両側の素子の電位差を合算することで、長尺のダイポールアンテナと同等の検出性能を得ようとするものである。
通常のアレイアンテナでは、各アンテナ素子間の信号位相を制御することによって、鋭い電磁波ビームを特定の方向に向けることを目的とするが、本願発明においては、各アンテナ素子間に信号位相差を与えずに信号強度のみを増加させることを目的としており、その場合の構造は波長を全く考慮する必要が無いことを特徴としている。
That is, the horizontal electric field component detection sensor of the present invention is basically a dipole antenna array in which short horizontal dipole antennas are arranged in parallel in the depth direction, and adds up the potential difference between the elements on both sides of each short dipole antenna. Therefore, the detection performance equivalent to that of a long dipole antenna is to be obtained.
In a normal array antenna, the purpose is to direct a sharp electromagnetic beam in a specific direction by controlling the signal phase between each antenna element. In the present invention, a signal phase difference is given between each antenna element. In this case, the structure is characterized in that it is not necessary to consider the wavelength at all.

従って、短尺ダイポールアンテナを平行に配列したダイポールアンテナアレイの指向特性は、単一の短尺ダイポールアンテナの指向特性と一致し、平行に配列したN個の短尺ダイポールアンテナの誘起電流の合計は、単一の短尺ダイポールアンテナの誘起電流のN倍として得ることができる。このように、全長が観測用ボアホールの内径より小さい短尺ダイポールアンテナを多数平行に配備し、各短尺ダイポールアンテナに誘起された電流を加算することで、狭隘なボアホールに挿入して地中電磁波の水平電界成分を検出するセンサを構成することができる。   Therefore, the directivity characteristics of the dipole antenna array in which short dipole antennas are arranged in parallel coincide with the directivity characteristics of a single short dipole antenna, and the total induced current of N short dipole antennas arranged in parallel is It can be obtained as N times the induced current of the short dipole antenna. In this way, a number of short dipole antennas whose overall length is smaller than the inner diameter of the observation borehole are arranged in parallel, and by adding the currents induced in each short dipole antenna, they are inserted into narrow boreholes and horizontal electromagnetic waves A sensor for detecting an electric field component can be configured.

図2(2)に、本願発明の電磁波3次元成分検出センサの一実施形態にかかる電流駆動型の電界成分検出センサを示す。電流駆動型の電界成分検出センサは、全長が観測用ボアホールの内径よりも小さい一対の線状の導体からなるN個の短尺ダイポールアンテナ素子(110A1、110B1)、(110A2、110B2)、・・・、(110AN、110BN)を平行に配列した短尺ダイポールアンテナアレイ110と、各短尺ダイポールアンテナの両側の素子の電位差を加算する差動増幅器120とを備えるものである。各短尺ダイポールアンテナの一方側の素子(110A1、110A2、・・・、110AN)は、それぞれ入力抵抗器Rを介して差動増幅器120の一方側の入力120に接続され、各短尺ダイポールアンテナの他方側の素子(110B1、110B2、・・・、110BN)は、それぞれ入力抵抗器Rを介して差動増幅器120の他方側の入力120に接続され、差動増幅器の他方側の入力120は、帰還抵抗器Rを介して差動増幅器の出力120に接続され、差動増幅器の一方側の入力120は、整合抵抗器Rを介して接地されている。
このような構成により、差動増幅器の出力120において得られる出力電圧Vは、上記(2)式の関係が満たされているとすると、各短尺ダイポールアンテナの両側の素子に誘起される電位の電位差をVとすると、V=N×Vとなり、単一の短尺ダイポールアンテナのN倍の電圧出力が得られる。
FIG. 2B shows a current-driven electric field component detection sensor according to an embodiment of the electromagnetic wave three-dimensional component detection sensor of the present invention. The current-driven electric field component detection sensor has N short dipole antenna elements (110 A1 , 110 B1 ), (110 A2 , 110 B2 ) made of a pair of linear conductors whose overall length is smaller than the inner diameter of the observation borehole. ,... (110 AN , 110 BN ) are arranged in parallel, and a short dipole antenna array 110 and a differential amplifier 120 for adding the potential difference between the elements on both sides of each short dipole antenna. Elements on one side (110 A1 , 110 A2 ,..., 110 AN ) of each short dipole antenna are connected to an input 120 A on one side of the differential amplifier 120 via input resistors R, respectively. The elements on the other side of the dipole antenna (110 B1 , 110 B2 ,..., 110 BN ) are connected to the input 120 B on the other side of the differential amplifier 120 via input resistors R, respectively. The other side input 120 B is connected to the output 120 C of the differential amplifier via the feedback resistor R, and the one side input 120 A of the differential amplifier is grounded via the matching resistor R.
With such a configuration, the output voltage V o obtained at the output 120 C of the differential amplifier is a potential induced in the elements on both sides of each short dipole antenna, assuming that the relationship of the above equation (2) is satisfied. When the potential difference and V, V o = N × V becomes, N times the voltage output of a single short dipole antenna is obtained.

しかしながら、実際に、N個の短尺ダイポールアンテナを配列して図2(2)に示すような差動増幅器による加算を行った結果、短尺ダイポールアンテナの素子数に比例した電圧が得られないことが確認された。これは、図2(2)のような回路では、各短尺ダイポールアンテナに誘起された電流は入力抵抗器・帰還抵抗器・整合抵抗器を介して差動増幅器側に吸い上げられるため、各短尺ダイポールアンテナにより検出される微弱な空間電界が乱されることが原因であると考えられる。
そこで、次に、各短尺ダイポールアンテナの空間電界を乱すことなく各短尺ダイポールアンテナの両側の素子に誘起される電位の電位差を加算できるようにした、より好ましい実施形態を示す。
However, as a result of actually arranging N short dipole antennas and performing addition using a differential amplifier as shown in FIG. 2B, a voltage proportional to the number of elements of the short dipole antenna may not be obtained. confirmed. This is because, in the circuit as shown in FIG. 2 (2), the current induced in each short dipole antenna is sucked up to the differential amplifier side via the input resistor, feedback resistor, and matching resistor. This is considered to be caused by the disturbance of the weak spatial electric field detected by the antenna.
Therefore, a more preferred embodiment will now be described in which the potential difference between the potentials induced on the elements on both sides of each short dipole antenna can be added without disturbing the spatial electric field of each short dipole antenna.

図2(3)に、本願発明の電磁波3次元成分検出センサの他の実施形態にかかる電荷加算型の電界検出センサを示す。電荷加算型の電界検出センサは、各短尺ダイポールアンテナの両素子の接続点をコンデンサC、C、Cにより直列に接続し、コンデンサCの両端の電圧を高入力インピーダンス差動増幅器により測定することを基本とする。 FIG. 2 (3) shows a charge addition type electric field detection sensor according to another embodiment of the electromagnetic wave three-dimensional component detection sensor of the present invention. In the charge addition type electric field detection sensor, the connection points of both elements of each short dipole antenna are connected in series by capacitors C 1 , C 0 , C 1 , and the voltage at both ends of the capacitor C 0 is obtained by a high input impedance differential amplifier. It is based on measurement.

空間に現れた交流電界Eにより短尺ダイポールアンテナの両側の素子には電荷が蓄積され、両側の素子は導体であるため、それぞれ等電位が形成される。両側の素子の電位をそれぞれV、Vとすると、接続点には電位差V(V=V−V)が生ずる。
また、コンデンサC1、Co、C1は直列接続のため、各コンデンサには等しい電荷Qが蓄えられ、それぞれのコンデンサの両端に静電容量に逆比例した電位差V1、V、Vが発生する。ここで、C=Cの関係が成り立つので、V=(C/C)Vとなり、ダイポールアンテナ素子間の接続点の電位差Vは、
このように、各ダイポールアンテナの両側の素子に蓄積された電荷による電位の差によって2つのコンデンサCを介して高入力インピーダンス差動増幅器の入力コンデンサCに誘導された電荷を加算することで、各ダイポールアンテナの空間電界を乱すことなく各短尺ダイポールアンテナの両側の素子間の電位差を加算することができる。
Electric charges are accumulated in the elements on both sides of the short dipole antenna due to the alternating electric field E appearing in the space, and since the elements on both sides are conductors, equipotentials are formed respectively. Assuming that the potentials of the elements on both sides are V A and V B , a potential difference V (V = V B −V A ) is generated at the connection point.
Further, since the capacitors C1, Co, and C1 are connected in series, the same charge Q is stored in each capacitor, and potential differences V1, V 0 , and V 1 that are inversely proportional to the capacitance are generated at both ends of each capacitor. Here, since the relationship of C 1 V 1 = C 0 V 0 is established, V 1 = (C 0 / C 1 ) V 0 , and the potential difference V at the connection point between the dipole antenna elements is
In this way, by adding the charges induced to the input capacitor C 0 of the high input impedance differential amplifier through the two capacitors C 1 due to the potential difference due to the charges accumulated in the elements on both sides of each dipole antenna. The potential difference between the elements on both sides of each short dipole antenna can be added without disturbing the spatial electric field of each dipole antenna.

すなわち、図2(3)に示すように、配列されたN個の短尺ダイポールアンテナの各素子の接続点に同一の静電容量のコンデンサCを取り付け、それぞれのコンデンサの他端を共通のコンデンサCに接続する。このようにコンデンサC、C、Cを直列に接続するのは、空間に一様に生じた電界Eが配列された各短尺ダイポールアンテナに対して独立した電界供給源(ある種の電源)であると考え、それぞれの短尺ダイポールアンテナに電位V=E×l(lは両側のアンテナ素子の中心間距離)を与えるためである。
このため、各コンデンサCの両端に電荷Qが発生するが、コンデンサCにはダイポールの素子数Nに相当する電荷N×Qが蓄積される。これにより、コンデンサCの両端(C−D間)には電位差N×Vが現れ、結果として単一の短尺ダイポールアンテナが検出する電圧VのN倍の電圧N×Vを得る事ができる。
なお、このような電荷加算型の電界検出センサの近似関係が得られる条件は、C<<Cであるので、コンデンサCは現実に設ける必要はなく、接続ケーブル等による浮遊容量を用いることができる。
That is, as shown in FIG. 2 (3), fitted with a condenser C 1 of the same capacitance to the connection point of the elements of the N short dipole antenna arranged, the other end of each capacitor of the common capacitor to connect to the C 0. The capacitors C 1 , C 0 , and C 1 are connected in series in this way because an independent electric field supply source (a kind of power source) is used for each short dipole antenna in which the electric field E generated uniformly in the space is arranged. This is because the potential V = E × l (l is the distance between the centers of the antenna elements on both sides) is given to each short dipole antenna.
Thus, although both ends to the charge Q of the capacitor C 1 is generated, the capacitor C 0 charge N × Q corresponding to the number of elements N of the dipole are accumulated. As a result, a potential difference N × V appears at both ends (between C and D) of the capacitor C 0 , and as a result, a voltage N × V that is N times the voltage V detected by a single short dipole antenna can be obtained.
Note that the condition for obtaining such an approximate relationship of the electric charge addition type electric field detection sensor is C 0 << C 1 , and therefore the capacitor C 0 does not need to be actually provided, and a stray capacitance by a connection cable or the like is used. be able to.

次に、上述のような理論に基づいて、短尺ダイポールアンテナアレイによる電界検出センサによって長尺のダイポールアンテナと同等の電界検出性能が得られるかどうかについて検証するため、測定実験を行った。その結果を図3、図4aに示す。   Next, based on the above-described theory, a measurement experiment was conducted to verify whether an electric field detection sensor using a short dipole antenna array can obtain an electric field detection performance equivalent to that of a long dipole antenna. The results are shown in FIGS. 3 and 4a.

電荷加算型の電界検出センサの場合は、高入力インピーダンスの差動増幅器を使用するため、通常の環境では商用電源周波数成分の混入が大きく、測定が困難な状態になる。
このため、測定は、内容積が60cm×60cm×60cmのパーマロイ合金製の磁気シールドボックス内で行った。
図3a(1)に、測定実験を行った磁気シールドボックスの外観を示す。磁気シールドボックス内には50cm×50cmの銅板電極を左右壁面に50cm隔てて平行に配置し、両電極間の中央付近に被測定用短尺ダイポールアンテナを置き、両銅板電極間に信号を印加して、測定実験を行った。
印加信号としては、測定に使用するダイポールアンテナの両素子に対して交流的に平衡電界となるように、両電極には互いに逆相となる5kHzで1Vppの信号(両端間では2Vpp)を印加した。
In the case of a charge addition type electric field detection sensor, since a differential amplifier with a high input impedance is used, the commercial power supply frequency component is largely mixed in a normal environment, which makes measurement difficult.
For this reason, the measurement was performed in a magnetic shield box made of permalloy alloy having an internal volume of 60 cm × 60 cm × 60 cm.
FIG. 3 a (1) shows the appearance of the magnetic shield box in which the measurement experiment was performed. In the magnetic shield box, 50 cm x 50 cm copper plate electrodes are placed 50 cm apart on the left and right wall surfaces in parallel, a short dipole antenna for measurement is placed near the center between both electrodes, and a signal is applied between the copper plate electrodes. A measurement experiment was conducted.
As an applied signal, a signal of 1 Vpp (2 Vpp between both ends) was applied to both electrodes so as to have a balanced electric field in an alternating manner with respect to both elements of the dipole antenna used for measurement. .

短尺ダイポールアンテナアレイによる電界検出測定実験に先立って、最初に、単一の短尺ダイポールアンテナによって上記磁気シールドボックス内の銅板電極に挟まれた領域内の空間電位分布の確認のための測定実験を行った。
この測定実験においては、図2(3)に示した電荷加算型の電界検出センサにおける素子数が1つである単一の短尺ダイポールアンテナを、両電極の中心を結ぶ軸上(左右方向)に沿って1cm刻みで移動させ、各点における短尺ダイポールアンテナの両素子間の電位差を測定し、軸中心での値を基準として軸方向に積算していくことにより、軸方向の相対的な空間電位分布を得た。
この測定実験では、線形が0.8mmφの銅線で形成した片側素子長が2cm、3cm、4cm、5cmの4種類の単一短尺ダイポールアンテナについて測定を行った。
図3a(2)に、上記4種類の素子長の短尺ダイポールアンテナによる測定実験で得られた空間内での軸方向の空間電位分布の測定結果を示す。
各電位分布では、中央付近は電位勾配が一定(均一電界)になっていると考えられるので、その勾配をそれぞれの素子長で割り算した結果、すべての素子長の短尺ダイポールアンテナにおいて、ほぼ2.4mV/mの電界強度であることを示している。
このことから、電荷加算型の短尺ダイポールアンテナによって、その素子長に関係なく空間電界を正しく測定できることが検証された。
Prior to the electric field detection measurement experiment using the short dipole antenna array, first, a measurement experiment was performed to confirm the spatial potential distribution in the region sandwiched between the copper plate electrodes in the magnetic shield box by a single short dipole antenna. It was.
In this measurement experiment, a single short dipole antenna having one element in the electric charge addition type electric field detection sensor shown in FIG. 2 (3) is placed on the axis connecting the centers of both electrodes (in the left-right direction). Relative spatial potential in the axial direction by measuring the potential difference between both elements of the short dipole antenna at each point, and integrating in the axial direction with reference to the value at the axial center. Distribution was obtained.
In this measurement experiment, measurement was performed on four types of single short dipole antennas each having a one-side element length of 2 cm, 3 cm, 4 cm, and 5 cm formed of a copper wire having a linear shape of 0.8 mmφ.
FIG. 3 a (2) shows the measurement result of the spatial potential distribution in the axial direction in the space obtained by the measurement experiment using the short dipole antenna having the four element lengths.
In each potential distribution, it is considered that the potential gradient is constant (uniform electric field) in the vicinity of the center. As a result of dividing the gradient by the respective element lengths, in the short dipole antenna having all the element lengths, approximately 2. It shows that the electric field strength is 4 mV / m.
From this, it was verified that the space electric field can be correctly measured by the charge-added short dipole antenna regardless of the element length.

次に、短尺ダイポールアンテナアレイにおいて、検出電界の短尺ダイポールアンテナのアンテナ素子間隔依存性を確認する測定実験を行った。
前述したように、空間電界が存在する領域内に置かれた単一のダイポールアンテナの素子には、その構造に見合った電荷が蓄積されるが、ダイポールアンテナアレイにすると、アンテナ素子間の間隔が短い場合には、互いの素子に十分な電荷を蓄積することができないと考えられる。図3b(3)に、このようなダイポールアンテナのアンテナ素子への電荷蓄積に寄与する周囲の円柱状の有効領域直径と素子間隔との関係を示す。従って、アンテナ素子の素子間隔Dがこの円柱の直径よりも短くなれば、円柱の一部が隣の円柱と領域を共有することになり、アンテナ素子に十分な電荷を供給することができなくなる。
このような短尺ダイポールアンテナアレイの素子間隔による電界検出の依存性を確認するために次のような測定実験を行った。
Next, in a short dipole antenna array, a measurement experiment was performed to confirm the dependence of the detected electric field on the antenna element spacing of the short dipole antenna.
As described above, in a single dipole antenna element placed in a region where a spatial electric field exists, charges corresponding to the structure are accumulated. If the length is short, it is considered that sufficient charges cannot be accumulated in the mutual elements. FIG. 3 b (3) shows the relationship between the diameter of the surrounding cylindrical effective region contributing to charge accumulation in the antenna element of such a dipole antenna and the element spacing. Therefore, if the element spacing D of the antenna elements is shorter than the diameter of the cylinder, a part of the cylinder shares an area with the adjacent cylinder, and sufficient charge cannot be supplied to the antenna element.
In order to confirm the dependence of the electric field detection on the element spacing of such a short dipole antenna array, the following measurement experiment was performed.

短尺ダイポールアンテナアレイの素子間隔による電界検出の依存性を確認するには、理想的には均一電界を持った広い測定空間が必要であるが、前述のように、通常の環境では商用電源周波数成分の混入によって測定が困難なため、この測定実験においても上述の磁気シールドボックスを用いた。
磁気シールドボックスのような狭い空間では、均一電界となる空間領域が狭いため、短尺ダイポールアンテナアレイ全体で空間電界の素子間隔依存性を確認することは不可能である。そこで、単一の短尺ダイポールアンテナを2つ用い、両者の素子間隔を変化させて測定を行い、図3b(3)の妥当性を確認した。この測定に先立って、磁気シールドボックス内の測定領域での空間電界分布を測定した。
この測定においては、一辺の素子長が5cmの短尺ダイポールアンテナを用い、銅板電極の中央において中心軸に直交する方向に5mm刻みで移動させ、検出される電位差(相対電界値)の変化を測定した。
その結果、図3c(4)に示すように、中心軸から約7cmの範囲では均一と見られる電界領域が得られているが、シールドボックスの奥や扉面など壁面に近くなる領域では小さく、不均一電界であることがわかった。このような不均一電界は、短尺ダイポールアンテナアレイの素子間隔が大きくなった場合に、正しい素子間隔依存性を得ることができない。そこで、以下のように2つの短尺ダイポールアンテナのアンテナ素子間隔依存性を測定した。
In order to confirm the dependence of the electric field detection on the element spacing of the short dipole antenna array, ideally a wide measurement space with a uniform electric field is required. In this measurement experiment, the above-described magnetic shield box was used because it was difficult to measure due to the mixing of.
In a narrow space such as a magnetic shield box, since the space region where the uniform electric field is formed is narrow, it is impossible to confirm the element spacing dependency of the spatial electric field in the entire short dipole antenna array. Therefore, two single short dipole antennas were used, and the measurement was performed while changing the element spacing between the two to confirm the validity of FIG. 3b (3). Prior to this measurement, the spatial electric field distribution in the measurement region in the magnetic shield box was measured.
In this measurement, a short dipole antenna with an element length of 5 cm on one side was used and moved in 5 mm increments in the direction perpendicular to the central axis at the center of the copper plate electrode, and the change in the detected potential difference (relative electric field value) was measured. .
As a result, as shown in FIG. 3 c (4), an electric field region that is seen to be uniform is obtained in the range of about 7 cm from the central axis, but small in the region close to the wall surface such as the back of the shield box or the door surface, It was found to be a non-uniform electric field. Such a non-uniform electric field cannot obtain correct element spacing dependency when the element spacing of the short dipole antenna array becomes large. Therefore, the antenna element spacing dependency of the two short dipole antennas was measured as follows.

短尺ダイポールアンテナアレイの素子間隔による電界検出の依存性を確認する測定実験は、2つの短尺ダイポールアンテナを平行に配列した2素子の短尺ダイポールアンテナアレイを用いて行った。
測定に使用した2素子の短尺ダイポールアンテナアレイは、各短尺ダイポールアンテナの一辺の素子長をいずれも5cmとし、2つの短尺ダイポールアンテナのアンテナ素子間の中央を外部電界印加用電極間の軸中央となるようにし、図3c(4)に示す測定領域に沿って、2つの短尺ダイポールアンテナの素子間隔を最小間隔3.5cmから、1cm刻みで、最大間隔27cmまで変化させた。
測定は、両短尺ダイポールアンテナにより単独で検出した後、両短尺ダイポールアンテナの素子からそれぞれコンデンサCを介して素子間隔の長さの接続線に接続し、別々に各短尺ダイポールアンテナの接続点側で電圧を測定し、その平均値をダイポールアンテナアレイの出力電圧とした。
A measurement experiment for confirming the dependency of the electric field detection on the element spacing of the short dipole antenna array was performed using a two-element short dipole antenna array in which two short dipole antennas were arranged in parallel.
The two-element short dipole antenna array used for the measurement has an element length on each side of each short dipole antenna of 5 cm, and the center between the antenna elements of the two short dipole antennas is the center of the axis between the electrodes for applying an external electric field. Then, along the measurement region shown in FIG. 3c (4), the element interval of the two short dipole antennas was changed from the minimum interval of 3.5 cm to the maximum interval of 27 cm in increments of 1 cm.
Measurements after detecting solely by both short dipole antenna, connected to a length of the connection line of the element spacing through the capacitor C 1 from each element of the two short dipole antennas, separately connected point side of each short dipole antenna The voltage was measured by using the average value as the output voltage of the dipole antenna array.

図3c(5)に、その測定結果を示す。図において、●印で示したものが短尺ダイポールアンテナアレイの出力電圧であり、+印で示したものが単独で測定した2つの短尺ダイポールアンテナの出力電圧値の合算値をプロットしたものである。
図3c(5)は、測定値を0Vからのスケールで表示したものであり、単独の短尺ダイポールアンテナの出力電圧の合算値に対して、短尺ダイポールアンテナアレイとした状態の出力電圧値はそれ程かけ離れていないことが判る。
しかし、間隔5cm付近では、短尺ダイポールアンテナアレイとした状態の出力電圧は単独の短尺ダイポールアンテナの出力電圧の合算値に比べて10%程度少なく現れており、そのような状況は素子間隔13cmまで現れている。
これは、図3b(3)の説明で述べたように、2つの短尺ダイポールアンテナへの電荷供給に寄与する領域が共有するため、2つの素子に十分な電荷を供給できていないことを物語っている。
図3c(5)では、素子間隔が15cm、16cmにおいても実測値と合算値がずれており、その原因は不明であるが、概ね14cm以上離す事で、両者が一致した値を示すものとみなすことができる。
このため、本願発明の一実施形態にかかる短尺ダイポールアンテナアレイの素子間隔は14cmとすることとした。
FIG. 3c (5) shows the measurement results. In the figure, the mark indicated by ● is the output voltage of the short dipole antenna array, and the mark indicated by + is a plot of the sum of the output voltage values of the two short dipole antennas measured independently.
FIG. 3 c (5) shows the measured values on a scale from 0 V, and the output voltage value in the state of a short dipole antenna array is far away from the total output voltage of a single short dipole antenna. You can see that it is not.
However, in the vicinity of an interval of 5 cm, the output voltage in the state of a short dipole antenna array appears about 10% less than the sum of the output voltages of a single short dipole antenna, and such a situation appears up to an element interval of 13 cm. ing.
As described in the explanation of FIG. 3b (3), this indicates that the region contributing to the charge supply to the two short dipole antennas is shared, so that sufficient charge cannot be supplied to the two elements. Yes.
In FIG. 3c (5), even when the element spacing is 15 cm and 16 cm, the measured value and the total value are deviated, and the cause is unknown. However, it is considered that the two values coincide with each other by separating them by approximately 14 cm or more. be able to.
For this reason, the element interval of the short dipole antenna array according to one embodiment of the present invention is set to 14 cm.

次に、短尺ダイポールアンテナアレイによる指向特性を確認する測定実験を行った。
この測定実験では、素子間隔5cmの9素子の短尺ダイポールアンテナアレイを図2(3)のように差動増幅器と接続したものを用い、短尺ダイポールアンテナアレイを図3a(1)の磁気シールドボックス内で短尺ダイポールアンテナアレイの中心位置を回転中心として回転させたときの検出電圧の変化を測定した。
図4a(1)に水平電界成分の指向特性の測定状況を示し、図4a(2)に水平電界成分の指向特性の測定結果を示す。
この結果、短尺ダイポールアンテナアレイの指向特性は、上記(2)式が示す単一の短尺ダイポールアンテナの指向特性と一致していることが確認された。これにより、短尺ダイポールアンテナを平行に配列した短尺ダイポールアンテナアレイにおいて各短尺ダイポールアンテナ素子の両側の素子の電位差を合算することで、長尺のダイポールアンテナとほぼ同等の電位差が得られ、指向特性としては単一の短尺ダイポールアンテナが示す微小ダイポールアンテナの特性が得られるという理論が証明された。
Next, a measurement experiment was conducted to confirm the directivity characteristics of the short dipole antenna array.
In this measurement experiment, a 9-element short dipole antenna array with an element interval of 5 cm was connected to a differential amplifier as shown in FIG. 2 (3), and the short dipole antenna array was placed in the magnetic shield box of FIG. 3a (1). Then, the change in the detection voltage when the center position of the short dipole antenna array was rotated was measured.
FIG. 4a (1) shows the measurement situation of the directivity of the horizontal electric field component, and FIG. 4a (2) shows the measurement result of the directivity of the horizontal electric field component.
As a result, it was confirmed that the directivity characteristics of the short dipole antenna array coincided with the directivity characteristics of the single short dipole antenna expressed by the above equation (2). As a result, in the short dipole antenna array in which the short dipole antennas are arranged in parallel, the potential difference between the elements on both sides of each short dipole antenna element is summed up to obtain a potential difference substantially equal to that of the long dipole antenna. The theory that the characteristics of a small dipole antenna exhibited by a single short dipole antenna can be obtained.

以下、上述のような短尺ダイポールアンテナアレイによる電界検出センサの理論的な検討およびそれを実証する測定実験結果に基づいて実際に構成した本願発明の地中電磁波3次元成分検出センサの実施形態について説明する。
図1に、本願発明の一実施形態にかかる地中電磁波3次元成分検出センサの概略構成を示す。図1(1)は水平2方向の電界成分を検出する水平電界成分検出センサの回路構成を示し、図1(2)は垂直方向の電界成分を検出する垂直電界成分検出センサの回路構成を示し、図1(3)は電界3次元成分検出センサにおけるアンテナ素子の配列構成を示す。この実施形態にかかる地中電磁波3次元成分検出センサでは、水平電界成分検出センサには上述の短尺ダイポールアンテナアレイを用い、垂直電界成分検出センサには、単一の長尺ダイポールアンテナを用いている。
Hereinafter, an embodiment of the underground electromagnetic wave three-dimensional component detection sensor of the present invention actually configured based on the theoretical examination of the electric field detection sensor using the short dipole antenna array as described above and the measurement experiment result demonstrating it will be described. To do.
FIG. 1 shows a schematic configuration of a ground electromagnetic wave three-dimensional component detection sensor according to an embodiment of the present invention. FIG. 1A shows a circuit configuration of a horizontal electric field component detection sensor that detects electric field components in two horizontal directions, and FIG. 1B shows a circuit configuration of a vertical electric field component detection sensor that detects an electric field component in the vertical direction. FIG. 1 (3) shows the arrangement of antenna elements in the electric field three-dimensional component detection sensor. In the underground electromagnetic wave three-dimensional component detection sensor according to this embodiment, the above-described short dipole antenna array is used as the horizontal electric field component detection sensor, and a single long dipole antenna is used as the vertical electric field component detection sensor. .

図1(1)は、地中電磁波の電界3方向成分のうちの水平2方向の電界成分を検出する水平電界成分検出センサの回路構成を示しており、全長が観測用ボアホールの内径より小さい一対の線状の導体からなる4個の東西方向短尺ダイポールアンテナ(111A1,111B1)、(111A2,111B2)、(111A3,111B3)、(111A4,111B4)を深さ方向に平行に配列して東西方向電界成分検出用短尺ダイポールアンテナアレイを形成し、同様に東西方向短尺ダイポールアンテナと同じ長さの4個の南北方向短尺ダイポールアンテナ(112A1,112B1)、(112A2,112B2)、(112A3,112B3)、(112A4,112B4)を深さ方向に平行に配列して南北方向電界成分検出用短尺ダイポールアンテナアレイを形成する。
東西方向短尺ダイポールアンテナの検出方向に対して一方側の素子(111A1,111A2,111A3,111A4)は、それぞれ差動増幅器121の一方側の入力121と他方側の入力121の間の静電容量Cに対して十分に大きい静電容量を有するコンデンサCを介して東西方向電界成分検出用差動増幅器121の一方側の入力121に接続され、東西方向短尺ダイポールアンテナの検出方向に対して他方側の素子(111B1,111B2,111B3,111B4)は、それぞれ一方側の素子の接続に用いたコンデンサと同一の静電容量を有するコンデンサCを介して東西方向電界成分検出用差動増幅器121の他方側の入力121に接続される。これにより、東西方向電界成分検出用差動増幅器121の入力121と121の間コンデンサCの両端には、前述のように各短尺ダイポールアンテナの両側の素子に誘起された電位に基づく電荷の4倍の電荷が誘起され、各短尺ダイポールアンテナの両側の素子間の電位差の4倍の電圧がそれぞれ東西方向電界成分検出用差動増幅器121に入力され、各短尺ダイポールアンテナにより検出される電位差の4倍の電位差が検出される。
同様に、南北方向短尺ダイポールアンテナの検出方向に対して一方側の素子(112A1,112A2,112A3,112A4)は、それぞれ差動増幅器122の一方側の入力122と他方側の入力122の間の静電容量Cに対して十分に大きい静電容量を有するコンデンサCを介して南北方向電界成分検出用差動増幅器122の一方側の入力122に接続され、南北方向短尺ダイポールアンテナ素子の検出方向に対して他方側の素子(112B1,112B2,112B3,112B4)は、それぞれ一方側の素子の接続に用いたコンデンサと同一の静電容量を有するコンデンサCを介して、南北方向電界成分検出用差動増幅器122の他方側の入力122に接続される。これにより、南北方向電界成分検出用差動増幅器122の入力122と122の間のコンデンサCの両端には、前述のように各短尺ダイポールアンテナの両側の素子に誘起された電位に基づく電荷の4倍の電荷が誘起され、各短尺ダイポールアンテナの両側の素子間の電位差の4倍の電圧がそれぞれ南北方向電界成分検出用差動増幅器122に入力され、各短尺ダイポールアンテナにより検出される電位差の4倍の電位差が検出される。
FIG. 1 (1) shows a circuit configuration of a horizontal electric field component detection sensor that detects electric field components in two horizontal directions among the three electric field components of an electromagnetic wave in the ground, and a pair whose overall length is smaller than the inner diameter of the observation borehole. The four east-west short dipole antennas ( 111A1 , 111B1 ), ( 111A2 , 111B2 ), ( 111A3 , 111B3 ), ( 111A4 , 111B4 ) made of a linear conductor Are arranged in parallel to each other to form a short dipole antenna array for detecting an east-west electric field component. Similarly, four north-south short dipole antennas (112 A1 , 112 B1 ), (112 A2, 112 B2), (112 A3, 112 B3), (112 A4, 112 South direction and arranged in parallel to B4) in the depth direction Forming a short dipole antenna array for detecting an electric field component.
The elements on one side (111 A1 , 111 A2 , 111 A3 , 111 A4 ) with respect to the detection direction of the short dipole antenna in the east-west direction are respectively connected to the input 121 A on one side and the input 121 B on the other side of the differential amplifier 121. The east-west short dipole antenna is connected to the input 121 A on one side of the differential amplifier 121 for detecting the electric field component in the east-west direction through a capacitor C 1 having a sufficiently large capacitance relative to the capacitance C 0 between the two. The elements on the other side (111 B1 , 111 B2 , 111 B3 , 111 B4 ) with respect to the detection direction are respectively connected via the capacitor C 1 having the same capacitance as the capacitor used for connecting the one element. This is connected to the input 121 B on the other side of the differential amplifier 121 for detecting the east-west electric field component. As a result, electric charges based on the potentials induced on the elements on both sides of each short dipole antenna are formed at both ends of the capacitor C 0 between the inputs 121 A and 121 B of the differential amplifier 121 for detecting the east-west electric field component as described above. Is induced, and a voltage four times the potential difference between the elements on both sides of each short dipole antenna is input to the east-west electric field component detection differential amplifier 121, and the potential difference detected by each short dipole antenna. 4 times the potential difference is detected.
Similarly, the elements on one side (112 A1 , 112 A2 , 112 A3 , 112 A4 ) with respect to the detection direction of the short dipole antenna in the north-south direction are respectively connected to the input 122 A and the input on the other side of the differential amplifier 122. via the capacitor C 1 having a sufficiently large capacitance with respect to 122 capacitance C 0 between B is connected to one side of the input 122 a north-south field component detecting differential amplifier 122, the north-south direction The other element (112 B1 , 112 B2 , 112 B3 , 112 B4 ) with respect to the detection direction of the short dipole antenna element is a capacitor C having the same capacitance as the capacitor used to connect the one element. 1 is connected to the input 122 B on the other side of the differential amplifier 122 for detecting the north-south direction electric field component. As a result, the both ends of the capacitor C 0 between the inputs 122 A and 122 B of the north-south direction electric field component detection differential amplifier 122 are based on the potentials induced on the elements on both sides of each short dipole antenna as described above. A charge four times the charge is induced, and a voltage four times the potential difference between the elements on both sides of each short dipole antenna is input to the north-south direction electric field component detection differential amplifier 122 and detected by each short dipole antenna. A potential difference that is four times the potential difference is detected.

なお、東西方向電界成分検出用差動増幅器121の入力121と121の間のコンデンサCと南北方向電界成分検出用差動増幅器122の入力122と122の間のコンデンサCは、前述のように実際に設ける必要はなく、各短尺ダイポールアンテナの両側の素子からコンデンサCを介してそれぞれ東西方向電界成分検出用差動増幅器121と南北方向電界成分検出用差動増幅器122の入力に接続される接続ケーブル等による浮遊容量によって代用することができる。 The capacitor C 0 between the input 122 A and 122 B of the input 121 capacitor C between A and 121 B 0 and north-south direction electric field component detecting differential amplifier 122 in the east-west direction electric field component detecting differential amplifier 121 , it is not necessary to provide in practice, as described above, respectively from both sides of the element through the capacitor C 1 in the east-west direction electric field component detecting differential amplifier 121 and the north-south direction electric field component detecting differential amplifier 122 for each short dipole antenna It can be substituted by stray capacitance by a connection cable or the like connected to the input.

図1(2)は、地中電磁波の電界3方向成分のうちの垂直方向の電界成分を検出する垂直方向電界成分検出センサの回路構成を示す。
垂直方向電界成分検出センサは、水平2方向の電界成分検出センサのような観測用ボアホールの内径による制約がないため、単一の長尺ダイポールアンテナ(113,113)を用い、水平電界成分検出センサによる検出特性と均等な検出特性を有するものとするため、検出回路は水平電界成分検出センサと同様にコンデンサ結合による差動増幅を行う回路構成とした。
すなわち、長尺ダイポールアンテナの地上側素子113は、垂直方向電界成分検出用差動増幅器123の一方側の入力123と他方側の入力123の間の静電容量Cに対して十分に大きい静電容量を有するコンデンサCを介して垂直方向電界成分検出用差動増幅器123の一方側の入力123に接続され、長尺ダイポールアンテナの地下側素子113は、一方側の素子の接続に用いたコンデンサと同一の静電容量を有するコンデンサCを介して垂直方向電界成分検出用差動増幅器123の他方側の入力123に接続され、垂直方向電界成分検出用差動増幅器123によって、長尺ダイポールアンテナの一方側の素子に誘起される電位と他方側の素子に誘起される電位との電位差によって垂直方向電界成分検出用差動増幅器123の一方側の入力と他方側の入力の間の静電容量Cに誘導された電荷による電位差が検出される。
FIG. 1 (2) shows a circuit configuration of a vertical electric field component detection sensor that detects a vertical electric field component among three electric field components of an underground electromagnetic wave.
Since the vertical electric field component detection sensor is not restricted by the inner diameter of the observation borehole as in the two horizontal electric field component detection sensors, a single long dipole antenna (113 A , 113 B ) is used, and the horizontal electric field component is detected. In order to have detection characteristics equivalent to the detection characteristics of the detection sensor, the detection circuit has a circuit configuration that performs differential amplification by capacitor coupling in the same manner as the horizontal electric field component detection sensor.
That is, the ground-side element 113 A of the long dipole antenna is sufficient for the capacitance C 0 between the input 123 A on one side and the input 123 B on the other side of the vertical direction electric field component detection differential amplifier 123. large electrostatic via the capacitor C 1 having a capacity is connected to one side of the input 123 a vertical electric field component detecting differential amplifier 123, underground side device 113 B long dipole antenna, one side of the element Is connected to the other input 123 B of the vertical direction electric field component detection differential amplifier 123 via the capacitor C 1 having the same capacitance as the capacitor used for the connection of the vertical direction electric field component detection differential amplifier. 123, a vertical direction electric field component detection differential is generated by a potential difference between a potential induced in one element of the long dipole antenna and a potential induced in the other element. Potential difference due to one side of the input and the other side of the induced charge on the electrostatic capacitance C 0 between the input is detected width 123.

なお、垂直電界成分検出センサにおいては、狭隘なボアホール内において長尺の垂直ダイポールアンテナを用いるため、アンテナ素子(113,113)と垂直方向電界成分検出用差動増幅器123を接続する接続ケーブルは、長尺ダイポールアンテナの地上側素子113に沿って布設することになるが、長尺ダイポールアンテナの地上側素子113にのみ接続ケーブルが近接して布設されることで長尺ダイポールアンテナの両側の素子間に不平衡電圧が発生してノイズ源となるという問題があった。
本願発明では、このような問題を解決するため、長尺ダイポールアンテナのアンテナ素子(113,113)と垂直方向電界成分検出用差動増幅器123を接続する接続ケーブルを長尺ダイポールアンテナの地上側素子内を通過させ、当該接続ケーブルが長尺ダイポールアンテナの地上側素子の電気的特性に影響を与えない構成とした。
具体的には、長尺ダイポールアンテナは、2重シールドが施され外側シールドと内側シールドが絶縁された3重同軸ケーブル(トライアキシャルケーブル)で形成し、その外側シールド部をアンテナ素子として用い、長尺ダイポールアンテナの地上側3重同軸ケーブルの地下端において、長尺ダイポールアンテナの地上側アンテナ素子を形成する地上側3重同軸ケーブルの外側シールド部113を、コンデンサCを介して地上側3重同軸ケーブルの内側シールド部113に接続し、長尺ダイポールアンテナの地下側アンテナ素子を形成する地下側3重同軸ケーブルの外側シールド部113を、コンデンサCを介して地上側3重同軸ケーブルの芯線部113に接続し、長尺ダイポールアンテナの地上側3重同軸ケーブルの地上端において、垂直方向電界成分検出用差動増幅器の一方側の入力123を、接続ケーブル113を介して地上側3重同軸ケーブルの内側シールド部113に接続し、垂直方向電界成分検出用差動増幅器の他方側の入力123を、接続ケーブル113を介して地上側3重同軸ケーブルの芯線部113に接続するようにした。
このように、長尺ダイポールアンテナを3重同軸ケーブルで形成し、3重同軸ケーブルの外側シールド部をアンテナ素子とし、地上側3重同軸ケーブルの外側シールド部により検出した信号は、地上側3重同軸ケーブルの内側シールド部を介して垂直方向電界成分検出用差動増幅器の一方側の入力に導き、地下側3重同軸ケーブルの外側シールド部により検出した信号は、地上側3重同軸ケーブルの芯線部を介して垂直方向電界成分検出用差動増幅器の他方側の入力に導くようにしたので、地下側アンテナ素子で検出した信号は地上側3重同軸ケーブルの内側シールド部で遮蔽され、地上側アンテナ素子に影響を及ぼさなくなる。
なお、長尺ダイポールアンテナの地上側3重同軸ケーブルの地上端と垂直方向電界成分検出用差動増幅器の入力を接続する接続ケーブル(113、113)は、大地に対する電気的平衡状態を維持させるため、地上側3重同軸ケーブルの内側シールド部113と芯線部113から2本の同種の細い同軸ケーブルに接続替えし、それぞれ垂直方向電界成分検出用差動増幅器の一方側入力123と他方側入力123に接続している。
また、垂直電界成分検出用差動増幅器123の入力123と123の間のコンデンサCについても、前述のように実際に設ける必要はなく、長尺ダイポールアンテナの両側の素子からコンデンサCを介して垂直電界成分検出用差動増幅器123に接続される接続ケーブル等による浮遊容量によって代用することができる。
In the vertical electric field component sensor, narrow in the borehole for using vertical dipole antenna long, antenna elements (113 A, 113 B) and the connection for connecting the vertical electric field component detecting differential amplifier 123 cable the elongated dipole antenna becomes to laying along on the ground element 113 a, a long die pole antenna by connection cables only on the ground element 113 a is laid in proximity of the elongated dipole antenna There has been a problem that an unbalanced voltage is generated between the elements on both sides and becomes a noise source.
In the present invention, the ground In order to solve such a problem, long dipole antenna of the antenna elements (113 A, 113 B) and the vertical electric field component of the connection cable for connecting the sensing differential amplifier 123 long dipole antenna The configuration is such that the connection cable does not affect the electrical characteristics of the ground-side element of the long dipole antenna.
Specifically, a long dipole antenna is formed by a triple coaxial cable (triaxial cable) in which a double shield is applied and an outer shield and an inner shield are insulated, and the outer shield portion is used as an antenna element. in the ground side triple underground end of the coaxial cable length dipole antenna, the outer shield part 113 a of the ground-side triple coaxial cable forming the ground antenna element of a long dipole antenna, the ground-side 3 through the capacitor C 1 connected to the inner shield part 113 E heavy coaxial cable, the outer shield portion 113 B of the underground side triple coaxial cable to form an underground antenna element of a long dipole antenna, the ground-side triple coaxial through the capacitor C 1 connected to the core wire portion 113 F of the cable, terrestrial ground-side triple coaxial cable long dipole antenna In, one side of the input 123 A vertical electric field component detecting differential amplifier, the connecting cable 113 through a C connected to the inner shield part 113 E of the ground-side triple coaxial cable, the vertical electric field component for detecting difference the other side of the input 123 B of the dynamic amplifier, and to be connected to the core wire portion 113 F of the ground-side triple coaxial cable via a connecting cable 113 D.
In this way, the long dipole antenna is formed of a triple coaxial cable, the outer shield part of the triple coaxial cable is used as an antenna element, and the signal detected by the outer shield part of the ground side triple coaxial cable is the ground side triple. The signal detected by the outer shield part of the underground triple coaxial cable is guided to the input on one side of the differential amplifier for detecting the vertical electric field component via the inner shield part of the coaxial cable. The signal detected by the underground antenna element is shielded by the inner shield part of the ground-side triple coaxial cable, and is guided to the ground side. The antenna element is no longer affected.
The connection cables (113 C and 113 D ) that connect the ground end of the ground side triple coaxial cable of the long dipole antenna and the input of the vertical direction electric field component detection differential amplifier maintain an electrical equilibrium state with respect to the ground. For this reason, the inner shield part 113 E and the core wire part 113 F of the ground side triple coaxial cable are connected to two thin coaxial cables of the same type, and the one-side input 123 A of the vertical direction electric field component detection differential amplifier respectively. and it is connected to the other side input 123 B.
Further, the capacitor C 0 between the inputs 123 A and 123 B of the vertical electric field component detection differential amplifier 123 does not have to be actually provided as described above, and the capacitor C 1 is provided from the elements on both sides of the long dipole antenna. It is possible to substitute a stray capacitance by a connection cable or the like connected to the vertical electric field component detection differential amplifier 123 via the.

ここで、上記実施形態による垂直電界成分検出センサについて、指向特性を確認する測定実験を行った。この測定実験では、一辺の素子長が20cmのダイポールアンテナを図1(2)の接続方法で差動増幅器と接続したものを用い、このダイポールアンテナを短尺ダイポールアンテナアレイと同じ図3a(1)の磁気シールドボックス内でダイポールアンテナの中心位置を回転中心として回転させたときの検出電圧の変化を測定した。
図4b(1)に垂直電界成分の指向特性の測定状況を示し、図4b(2)に垂直電界成分の指向特性の測定結果を示す。
この結果、図1(2)のように構成された垂直電界成分検出センサにより、理想的な微小ダイポールアンテナとほぼ同様の対称な指向特性が得られることが確認された。
Here, a measurement experiment for confirming directivity characteristics was performed on the vertical electric field component detection sensor according to the embodiment. In this measurement experiment, a dipole antenna having an element length of 20 cm on one side is connected to a differential amplifier by the connection method of FIG. 1 (2), and this dipole antenna is the same as the short dipole antenna array in FIG. 3a (1). The change in the detection voltage was measured when the dipole antenna was rotated around the center position in the magnetic shield box.
FIG. 4 b (1) shows the measurement situation of the directivity of the vertical electric field component, and FIG. 4 b (2) shows the measurement result of the directivity of the vertical electric field component.
As a result, it was confirmed that the vertical electric field component detection sensor configured as shown in FIG. 1 (2) can obtain symmetrical directivity characteristics similar to those of an ideal minute dipole antenna.

図1(3)は、上記のような東西方向電界成分検出センサと南北方向電界成分検出センサと垂直方向電界成分検出センサの各アンテナ素子をどのように配置して観測用ボアホール1に挿入可能な地中電磁波の電界3方向成分を検出する3次元電界センサを形成するかを示している。
上述のように、水平電界成分検出用の短尺ダイポールアンテナアレイにおいて、各短尺ダイポールアンテナを図3b(3)に示すアンテナ電位に寄与する円柱状の有効領域が重なるように配置すると、配列した短尺のダイポールアンテナの数に相当する電界検出性能が得られないので、各短尺ダイポールアンテナ素子と隣接する短尺ダイポールアンテナ素子との間を各短尺ダイポールアンテナ素子による電荷蓄積に対して隣接する短尺ダイポールアンテナ素子による電荷蓄積の影響が無視できる離隔距離を空けて配列する。この実施形態では、前述の短尺ダイポールアンテナアレイの素子間隔による電界検出の依存性の測定実験の結果に基づき、短尺ダイポールアンテナアレイのアンテナ素子間の離隔距離は14cmとした。
なお、ここで実際に使用する観測用ボアホールの内径は19cmであるので、水平電界成分検出用の2つの短尺ダイポールアンテナアレイの各短尺ダイポールアンテナの全長は、いずれも17cmとした。
また、垂直方向電界成分検出用の長尺ダイポールアンテナの全長は、水平電界成分検出センサと等しい検出感度を有するものとするため、水平電界成分検出用の短尺ダイポールアンテナアレイの各短尺ダイポールアンテナの長さにアンテナ素子数をかけた68cmとした。
FIG. 1 (3) shows how the antenna elements of the east-west electric field component detection sensor, the north-south electric field component detection sensor, and the vertical electric field component detection sensor as described above can be arranged and inserted into the observation borehole 1. It shows whether to form a three-dimensional electric field sensor that detects the three-direction electric field component of the underground electromagnetic wave.
As described above, in the short dipole antenna array for horizontal electric field component detection, when the short dipole antennas are arranged so that the cylindrical effective regions contributing to the antenna potential shown in FIG. Since the electric field detection performance corresponding to the number of dipole antennas cannot be obtained, the short dipole antenna elements adjacent to the short dipole antenna elements are charged with respect to charge accumulation between the short dipole antenna elements and the adjacent short dipole antenna elements. Arrange them at a separation distance where the effect of charge accumulation can be ignored. In this embodiment, the separation distance between the antenna elements of the short dipole antenna array was set to 14 cm based on the result of the measurement experiment of the dependency of the electric field detection on the element distance of the short dipole antenna array.
Since the observation borehole actually used here has an inner diameter of 19 cm, the total length of each of the short dipole antennas of the two short dipole antenna arrays for detecting the horizontal electric field component is 17 cm.
In addition, since the total length of the long dipole antenna for detecting the vertical electric field component has the same detection sensitivity as that of the horizontal electric field component detection sensor, the length of each short dipole antenna of the short dipole antenna array for detecting the horizontal electric field component is long. It was set to 68 cm multiplied by the number of antenna elements.

このような条件で、観測用ボアホール内で3次元電界成分を検出する3次元電界センサを構成するため、図1(3)に示すように、東西方向の短尺ダイポールアンテナアレイの各短尺ダイポールアンテナ(111A1,111B1)、(111A2,111B2)、(111A3,111B3)、(111A4,111B4)のアンテナ素子のそれぞれと、南北方向の短尺ダイポールアンテナアレイの各短尺ダイポールアンテナ(112A1,112B1)、(112A2,112B2)、(112A3,112B3)、(112A4,112B4)のアンテナ素子のそれぞれを、深さ方向に互いに離隔距離を空けた各水平面のそれぞれにおいて直交する方向に配列し、垂直方向の長尺ダイポールアンテナ(113,113)を水平電界成分検出用の短尺ダイポールアンテナアレイの下部に配置した。 Under such conditions, in order to construct a three-dimensional electric field sensor that detects a three-dimensional electric field component in the observation borehole, as shown in FIG. 1 (3), each short dipole antenna ( 111 A1 , 111 B1 ), (111 A2 , 111 B2 ), (111 A3 , 111 B3 ), (111 A4 , 111 B4 ) antenna elements, and short dipole antennas of the short dipole antenna array in the north-south direction ( 112 A1 , 112 B1 ), (112 A2 , 112 B2 ), (112 A3 , 112 B3 ), and (112 A4 , 112 B4 ) antenna elements are separated from each other in the depth direction. In each case, the long dipole antennas (113 A , 113 B ) are arranged below the short dipole antenna array for detecting horizontal electric field components.

この実施形態では、水平電界成分検出用の短尺ダイポールアンテナアレイは、各アンテナ素子には0.8mmφの銅線を用い、これを図1(3)に示したように配列するため、穴あきプリント基板に各アンテナ素子を固定し、各アンテナ素子の中央端側にそれぞれコンデンサCを介して接続ケーブルを配線し、対応する水平方向電界成分検出用差動増幅器の入力側と接続するようにした。
すなわち、水平電界成分検出センサは、短辺が観測用ボアホールの内径の半分よりわずかに小さい長方形の東西方向アンテナ素子固定用プリント基板131,131と、短辺が観測用ボアホールの内径の半分よりわずかに小さい長方形の南北方向アンテナ素子固定用プリント基板132,132と、プリント基板131,131とプリント基板132,132を直交する方向に固定する円形支持板133、133とを備え、東西方向アンテナ素子固定用プリント基板131,131に東西方向の各短尺ダイポールアンテナの両側の素子を深さ方向に所定の離隔距離を空けてそれぞれ固定し、南北方向アンテナ素子固定用プリント基板132,132に南北方向の各短尺ダイポールアンテナの両側の素子を深さ方向に所定の離隔距離を空けてそれぞれ固定することで、水平電界成分検出用の短尺ダイポールアンテナアレイを形成することができる。
また、垂直電界成分検出用の長尺ダイポールアンテナは、地上側3重同軸ケーブルと地下側3重同軸ケーブルを絶縁支持板134で連結させ、地上側3重同軸ケーブルの地上端を水平電界成分検出センサ用のアンテナ素子が固定されたプリント基板131,131,132,132に固定して垂直方向に吊り下げた状態で使用するものとし、地上側3重同軸ケーブルの地上端から前述の専用の接続ケーブル(113C、113D)を介して垂直方向電界成分検出用差動増幅器の入力側と接続するようにした。
In this embodiment, the short dipole antenna array for horizontal electric field component detection uses 0.8 mmφ copper wires for each antenna element and is arranged as shown in FIG. each antenna element is fixed to the substrate, each of the central end side via the capacitor C 1 by wiring the connection cable of each antenna element, and to connect the input side of the corresponding horizontal electric field component detecting differential amplifier .
That is, the horizontal electric field component detection sensor includes rectangular printed circuit boards 131 A and 131 B having a short side slightly smaller than half of the inner diameter of the observation borehole, and short sides of half the inner diameter of the observation borehole. A slightly smaller rectangular north-south direction antenna element fixing printed circuit board 132 A , 132 B, and circular support plates 133 1 , 133 that fix the printed circuit boards 131 A , 131 B and the printed circuit boards 132 A , 132 B in a direction orthogonal to each other . 2 , the elements on both sides of each short dipole antenna in the east-west direction are fixed to the east-west antenna element fixing printed boards 131 A , 131 B with a predetermined separation distance in the depth direction, respectively, and the north-south direction antenna element fixing the printed board 132 a, 132 on both sides of each short dipole antenna north-south direction B By fixing each at a predetermined distance in the depth direction element, it is possible to form a short dipole antenna array for detecting a horizontal electric field component.
In addition, the long dipole antenna for detecting the vertical electric field component connects the ground side triple coaxial cable and the underground side triple coaxial cable with the insulating support plate 134, and detects the horizontal electric field component at the ground end of the ground side triple coaxial cable. The sensor antenna element is fixed to the printed circuit boards 131 A , 131 B , 132 A , 132 B and suspended in the vertical direction, and is used from the ground end of the ground-side triple coaxial cable. It was made to connect with the input side of the differential amplifier for vertical direction electric field component detection via the connection cable (113C, 113D).

このように形成された、東西方向の短尺ダイポールアンテナアレイと南北方向の短尺ダイポールアンテナアレイと垂直方向の長尺ダイポールアンテナに対して、東西方向の短尺ダイポールアンテナアレイの各短尺ダイポールアンテナの両側の素子からコンデンサCを介して接続される東西方向電界成分検出用差動増幅器121と、南北方向の短尺ダイポールアンテナアレイの各短尺ダイポールアンテナの両側の素子からコンデンサCを介して接続される南北方向電界成分検出用差動増幅器122と、垂直方向の長尺ダイポールアンテナの両側の素子からコンデンサCを介して接続される垂直方向電界成分検出用差動増幅器123を備え、東西方向電界成分検出用差動増幅器121と南北方向電界成分検出用差動増幅器122において、各短尺ダイポールアンテナの両側の素子に誘起される電位の電位差を加算する電荷加算型の電界検出が行われ、地中電磁波の東西方向の電界成分出力VWEと南北方向の電界成分出力VNSがそれぞれ出力され、垂直方向電界成分検出用差動増幅器123において、東西方向電界成分検出用差動増幅器121と南北方向電界成分検出用差動増幅器122と同様のコンデンサ結合による差動増幅によって電界検出が行われ、地中電磁波の垂直方向の電界成分出力VUDが出力される。 The elements on both sides of each short dipole antenna of the short dipole antenna array in the east-west direction for the short dipole antenna array in the east-west direction, the short dipole antenna array in the north-south direction, and the long dipole antenna in the vertical direction thus formed. the east-west direction electric field component detecting differential amplifier 121 which is connected via the capacitor C 1 from the north-south direction is connected via the capacitor C 1 from both sides of the element of each short dipole antenna north-south direction of short dipole antenna array the electric field component detecting differential amplifier 122, comprises a vertical electric field component detecting differential amplifier 123 is connected from both sides of the elements in the vertical direction of the long dipole antenna via the capacitor C 1, for detecting the east-west direction electric field component In the differential amplifier 121 and the north-south direction electric field component detection differential amplifier 122 Each short dipole antennas on both sides of the device adds the potential difference of the induced voltage in the charge adding type field detection is performed, the electric field component output V WE and the field component output V NS north-south east-west direction of the underground electromagnetic waves In the vertical direction electric field component detection differential amplifier 123, the electric field detection is performed by differential amplification by capacitor coupling similar to the east-west direction electric field component detection differential amplifier 121 and the north-south direction electric field component detection differential amplifier 122. done, the electric field component output V UD in the vertical direction of the underground electromagnetic wave is outputted.

このように、水平電界成分検出センサは、水平2方向の短尺ダイポールアンテナアレイのアンテナ素子の長さを同じにして同じ数のアンテナ素子を配列としたものとし、垂直電界成分検出センサは、水平電界成分検出センサの短尺ダイポールアンテナの長さに素子数を掛けた長さの長尺ダイポールアンテナとすることで、各3次元電界成分について検出感度の等しい直交3方向電界センサを容易に実現することができる。   As described above, the horizontal electric field component detection sensor is configured by arranging the same number of antenna elements with the same length of the antenna elements of the short dipole antenna array in the two horizontal directions. By using a long dipole antenna having a length obtained by multiplying the length of the short dipole antenna of the component detection sensor by the number of elements, an orthogonal three-direction electric field sensor having the same detection sensitivity for each three-dimensional electric field component can be easily realized. it can.

上記実施形態では、垂直電界成分検出センサは、長尺ダイポールアンテナを3重同軸ケーブルによって形成するものとして説明したが、アンテナ素子を円筒導体(例えば、円筒パイプ)で形成し、円筒導体内に同軸ケーブルを備えるようにしてもよい。
すなわち、長尺ダイポールアンテナの地上側円筒導体内に、長尺ダイポールアンテナの接続点と垂直方向電界成分検出用差動増幅器の入力側を接続するための接続用同軸ケーブルを設け、長尺ダイポールアンテナの地上側素子の地下端において、長尺ダイポールアンテナの地上側素子を、コンデンサCを介して接続用同軸ケーブルのシールド部に接続し、長尺ダイポールアンテナの地下側素子を、コンデンサCを介して接続用同軸ケーブルの芯線部に接続し、長尺ダイポールアンテナの地上側素子の地上端において、垂直電界成分検出用差動増幅器の一方側の入力を接続用同軸ケーブルのシールド部に接続し、垂直電界成分検出用差動増幅器の他方側の入力を接続用同軸ケーブルの芯線部に接続することで、上記実施形態と同様の効果を奏する垂直電界成分検出センサを構成することができる。
In the above embodiment, the vertical electric field component detection sensor has been described on the assumption that the long dipole antenna is formed by a triple coaxial cable. However, the antenna element is formed by a cylindrical conductor (for example, a cylindrical pipe) and is coaxial within the cylindrical conductor. A cable may be provided.
That is, in the ground-side cylindrical conductor of the long dipole antenna, a connection coaxial cable for connecting the connection point of the long dipole antenna and the input side of the vertical direction electric field component detecting differential amplifier is provided. of the underground end of the ground side element, the ground-side element of the long dipole antenna, connected to the shield portion of the coaxial cable connected via the capacitor C 1, the underground side element of the long dipole antenna, a capacitor C 1 Connected to the core of the coaxial cable for connection, and at the ground end of the ground-side element of the long dipole antenna, connect the input on one side of the differential amplifier for detecting the vertical electric field component to the shield part of the coaxial cable for connection. By connecting the input on the other side of the vertical electric field component detection differential amplifier to the core portion of the connecting coaxial cable, the same effect as in the above embodiment It can form a vertical electric field component detecting sensors exhibited.

また、上述のような地中電磁波の電界3方向成分を検出する3次元電界センサに対して、更に地中電磁波の磁界3方向成分を検出する3次元磁界センサを組み合せることで、地中電磁波の偏波面が回転している場合でも3次元到来方位を正確に検出できる地中電磁波3次元成分検出センサを構成することができる。
図5に、このような本願発明の他の実施形態にかかる地中電磁波3次元成分検出センサの概略構成を示す。この実施形態の地中電磁波3次元成分検出センサでは、観測用ボアホール1に挿入されるセンサ部100と、センサ部100で検出された信号を処理して地中電磁波の到来方位を演算する信号処理部200を備える。
Further, by combining the three-dimensional electric field sensor for detecting the three-direction electric field component of the underground electromagnetic wave as described above with the three-dimensional magnetic field sensor for detecting the three-direction magnetic field component of the underground electromagnetic wave, Even when the plane of polarization of the rotation is rotating, it is possible to configure a ground electromagnetic wave three-dimensional component detection sensor capable of accurately detecting the three-dimensional arrival direction.
FIG. 5 shows a schematic configuration of a ground electromagnetic wave three-dimensional component detection sensor according to another embodiment of the present invention. In the underground electromagnetic wave three-dimensional component detection sensor of this embodiment, the sensor unit 100 inserted into the observation borehole 1 and the signal processing for calculating the arrival direction of the underground electromagnetic wave by processing the signal detected by the sensor unit 100 Part 200 is provided.

センサ部100は、図1に示した地中電磁波の電界3方向成分を検出する3次元電界センサに加えて、地中電磁波の磁界3方向成分を検出する3次元磁界センサを備える。
3次元磁界センサは、3次元電界センサによる地中電磁波の電界成分の3次元検出方向のそれぞれに対応して、地中電磁波の東西方向の磁界成分を検出する東西方向磁界成分検出用サーチコイル141と、サーチコイル141の両端の電位差を増幅して地中電磁波の東西方向の磁界成分を出力する東西方向磁界成分検出用差動増幅器151と、地中電磁波の南北方向の磁界成分を検出するサーチコイル142と、サーチコイル142の両端の電位差を増幅して地中電磁波の南北方向の磁界成分を出力する南北方向磁界成分検出用差動増幅器152と、地中電磁波の垂直方向の磁界成分を検出するサーチコイル143と、サーチコイル143の両端の電位差を増幅して地中電磁波の垂直方向の磁界成分を出力する垂直方向磁界成分検出用差動増幅器153を備える。
The sensor unit 100 includes a three-dimensional magnetic field sensor that detects the three-direction magnetic field component of the underground electromagnetic wave in addition to the three-dimensional electric field sensor that detects the three-direction electric field component of the underground electromagnetic wave illustrated in FIG.
The three-dimensional magnetic field sensor corresponds to each of the three-dimensional detection directions of the electric field component of the underground electromagnetic wave by the three-dimensional electric field sensor, and the search coil 141 for detecting the east-west magnetic field component for detecting the east-west magnetic field component of the underground electromagnetic wave. And an east-west magnetic field component detection differential amplifier 151 that amplifies the potential difference between both ends of the search coil 141 and outputs an east-west magnetic field component of the underground electromagnetic wave, and a search that detects the north-south magnetic field component of the underground electromagnetic wave. A differential amplifier 152 for detecting the north-south direction magnetic field component that amplifies the potential difference between both ends of the coil 142 and the search coil 142 and outputs the north-south direction magnetic field component of the underground electromagnetic wave, and detects the vertical magnetic field component of the underground electromagnetic wave. Search coil 143 for detecting the vertical direction magnetic field component for amplifying the potential difference between both ends of the search coil 143 and the search coil 143 to output the vertical magnetic field component of the underground electromagnetic wave It comprises a vessel 153.

信号処理部200は、検出部100の3次元電界センサにより検出された電界3方向成分と3次元磁界センサにより検出された磁界3方向成分が入力され、入力された各センサ信号に対してサンプリングする際の折り返し歪(エイリアス)を防止するためのLPF(低域濾波器)210と、LPF210を通過した信号に対して設定された条件で電磁波パルスを切り出してサンプリングするAD変換器220と、AD変換器220においてサンプリングされた信号を取り込んで到来方位を演算する演算処理を行うコンピュータ230と、コンピュータ230により求められた到来方位を表示する表示機240を備える。   The signal processing unit 200 receives the three-direction electric field component detected by the three-dimensional electric field sensor of the detection unit 100 and the three-direction magnetic field component detected by the three-dimensional magnetic field sensor, and samples each input sensor signal. LPF (low-pass filter) 210 for preventing aliasing distortion at the time, AD converter 220 that cuts out and samples an electromagnetic wave pulse under conditions set for a signal that has passed through LPF 210, and AD conversion The computer 220 includes a computer 230 that performs a calculation process of calculating the arrival direction by taking the signal sampled in the device 220, and a display 240 that displays the arrival direction obtained by the computer 230.

ここで、地中電磁波3次元成分検出センサにより検出された電界3方向成分と磁界3方向成分から地中電磁波の到来方位を演算する処理について説明する。
従って、地中電磁波の到来方位は、次のような信号処理によって求めることができる。

1)上記地中電磁波3次元成分検出センサで検出される電磁界6成分はE,E,E,H,H,Hであるが、それらは変動電磁界であり、さまざまな周波数成分を含んでいるので、まず検出された電磁界6成分の信号を周波数成分に分解し、周波数毎の振幅と位相を算出する。
2)一つの周波数成分において電磁界6成分の信号間には位相差が生じているので、その中から基準となる信号を決め、それに対してπ/2以上の位相差を有する成分は逆相となるので負符号を付ける。その結果として、正負符合を含んだ電磁界6成分がえられるので、それを(4)式に代入することで、一周波数成分についてのポインティングベクトルが決定される。
4)伝搬方向の逆が到来方位を表しているので、それを地中で検出された電磁波パルスの一周波数成分の到来方位とする。
5)他の周波数成分についても上記2)〜4)を同時に繰り返して実行し、すべての周波数成分について到来方位を決定する。
6)検出した一つの電磁波パルスについて算出した周波数毎に色分けし、それらの到来方位線を同一立体地図上に描画することにより波源位置方向が明らかとなる。
Here, a process of calculating the arrival direction of the underground electromagnetic wave from the electric field three-direction component and the magnetic field three-direction component detected by the underground electromagnetic wave three-dimensional component detection sensor will be described.
Therefore, the arrival direction of the underground electromagnetic wave can be obtained by the following signal processing.

1) The six electromagnetic field components detected by the above-described underground electromagnetic wave three-dimensional component detection sensor are E x , E y , E z , H x , H y , and H z , which are variable electromagnetic fields, and various First, the detected signal of the electromagnetic field 6 component is decomposed into frequency components, and the amplitude and phase for each frequency are calculated.
2) Since there is a phase difference between the signals of the electromagnetic field 6 component in one frequency component, a reference signal is determined from among the signals, and components having a phase difference of π / 2 or more are in reverse phase Therefore, a negative sign is attached. As a result, six electromagnetic field components including positive and negative signs are obtained, and the pointing vector for one frequency component is determined by substituting it into the equation (4).
4) Since the reverse of the propagation direction represents the arrival direction, it is set as the arrival direction of one frequency component of the electromagnetic wave pulse detected in the ground.
5) Repeat the above steps 2) to 4) for other frequency components, and determine the direction of arrival for all frequency components.
6) Color coding is performed for each frequency calculated for one detected electromagnetic wave pulse, and the direction of the wave source is clarified by drawing the arrival azimuth lines on the same three-dimensional map.

なお、上記実施形態では、水平電界成分検出センサの各短尺ダイポールアンテナアレイにおいて、短尺ダイポールアンテナの素子数が4の場合について説明しているが、予想される電磁界が平面波近似を満たしている(波源から十分に遠方である)限り深さ方向に制限はないので、検出感度を上げるために多数のアンテナ素子を配列することができる。
例えば、各短尺ダイポールアンテナの一辺の素子長が5cmの場合に、20個の短尺ダイポールアンテナを用いて短尺ダイポールアンテナアレイを構成することにより、一辺の素子長が1mの長尺のダイポールアンテナと同等の検出感度を得ることができる。
In the above embodiment, the case where the number of elements of the short dipole antenna is 4 in each short dipole antenna array of the horizontal electric field component detection sensor has been described, but the expected electromagnetic field satisfies the plane wave approximation ( Since there is no limit in the depth direction as long as it is sufficiently far from the wave source, a large number of antenna elements can be arranged to increase detection sensitivity.
For example, when the element length of one side of each short dipole antenna is 5 cm, a short dipole antenna array is configured using 20 short dipole antennas, so that it is equivalent to a long dipole antenna having a side length of 1 m. Detection sensitivity can be obtained.

また、上記実施形態では、水平電界成分検出センサの短尺ダイポールアンテナアレイの各短尺ダイポールアンテナは同じ長さのものを使用するものとして説明したが、本願発明はこれに限定されるものではなく、長さが不均一な短尺ダイポールアンテナを組合せた短尺ダイポールアンテナアレイであっても本願発明の効果を奏する。   In the above embodiment, each short dipole antenna of the short dipole antenna array of the horizontal electric field component detection sensor has been described as having the same length, but the present invention is not limited to this, Even a short dipole antenna array in which short dipole antennas with non-uniform lengths are combined has the effect of the present invention.

また、上記実施形態では、水平2方向の各短尺ダイポールアンテナのそれぞれを互いに離隔距離を空けた各水平面のそれぞれにおいて直交する方向に配列するものとして説明したが、本願発明はこれに限定されるものではなく、各検出方向の短尺ダイポールアンテナアレイのそれぞれについて所定の離隔距離を開けて深さ方向に平行に配列するものである限り、各3次元電界成分について検出感度の等しい直交3方向電界センサを構成することができ、本願発明の効果を奏する。   In the above embodiment, each of the short horizontal dipole antennas in the two horizontal directions has been described as being arranged in a direction orthogonal to each of the horizontal planes spaced apart from each other, but the present invention is limited to this. Rather, as long as each short dipole antenna array in each detection direction is arranged in parallel with the depth direction with a predetermined separation distance, an orthogonal three-direction electric field sensor having the same detection sensitivity for each three-dimensional electric field component is used. The effect of the present invention can be achieved.

また、上記実施形態では、水平電界成分検出センサの短尺ダイポールアンテナアレイにおいて各短尺ダイポールアンテナと隣接する短尺ダイポールアンテナとの間を各短尺ダイポールアンテナ素子による電荷蓄積に対して隣接する短尺ダイポールアンテナ素子による電荷蓄積の影響が無視できる離隔距離を空けて配列するものとして説明したが、本願発明はこれに限定されるものではなく、短尺ダイポールアンテナアレイの各短尺ダイポールアンテナと隣接する短尺ダイポールアンテナとの間隔を所定の離隔距離よりも短くしてもよい。この場合には、短尺ダイポールアンテナアレイのアンテナ素子数に比例した検出感度が得られないことになるが、その分素子数を増やすことによって対応することができる。   Further, in the above embodiment, in the short dipole antenna array of the horizontal electric field component detection sensor, between the short dipole antennas and the adjacent short dipole antennas, the short dipole antenna elements adjacent to the charge accumulation by the short dipole antenna elements are used. Although the description has been given assuming that the arrangement is performed with a separation distance at which the influence of charge accumulation can be ignored, the present invention is not limited to this, and the distance between each short dipole antenna of the short dipole antenna array and the adjacent short dipole antenna May be shorter than a predetermined separation distance. In this case, detection sensitivity proportional to the number of antenna elements of the short dipole antenna array cannot be obtained, but this can be dealt with by increasing the number of elements accordingly.

また、上記実施形態では、水平電界成分検出センサとして電荷加算型の電界検出を行うものとして説明したが、本願発明はこれに限定されるものではなく、差動増幅器において各短尺ダイポールアンテナの一方側の素子に誘起される電位と他方側の素子に誘起される電位の電位差を加算するものである限りどのようなものでも本願発明の効果を奏する。
なお、上述の電流駆動型の電界検出においては、各短尺ダイポールアンテナに誘起された電流が差動増幅器側に吸い上げられるため、各短尺ダイポールアンテナにより検出される微弱な空間電界が乱され、短尺ダイポールアンテナの素子数に比例した検出感度が得られないことが確認されているが、この場合においてもその分素子数を増やすことによって対応することができる。
In the above-described embodiment, the electric field addition type electric field detection is performed as the horizontal electric field component detection sensor. However, the present invention is not limited to this, and one side of each short dipole antenna in the differential amplifier. As long as the potential difference between the potential induced in this element and the potential induced in the other element is added, the effect of the present invention can be obtained.
In the current-driven electric field detection described above, since the current induced in each short dipole antenna is sucked up to the differential amplifier side, the weak spatial electric field detected by each short dipole antenna is disturbed, and the short dipole Although it has been confirmed that detection sensitivity proportional to the number of elements of the antenna cannot be obtained, this case can be dealt with by increasing the number of elements accordingly.

また、上記実施形態では、水平電界成分検出センサの各短尺ダイポールアンテナアレイの各アンテナ素子は、穴あきプリント基板を用いて固定するものとして説明したが、本願発明はこれに限定されるものではなく、各短尺ダイポールアンテナを平行に配列できるものである限り、どのような固定方法を用いたものであってもよい。   In the above embodiment, each antenna element of each short dipole antenna array of the horizontal electric field component detection sensor has been described as being fixed using a perforated printed board, but the present invention is not limited to this. As long as each short dipole antenna can be arranged in parallel, any fixing method may be used.

以上述べたように、本願発明によれば、全長が観測用ボアホールの内径より小さい一対の線状の導体からなる短尺ダイポールアンテナを深さ方向に平行に複数配列し、各短尺ダイポールアンテナの両側の素子に誘起される電位の電位差を加算することにより長尺のダイポールアンテナと同等の検出感度と指向特性を得ることが可能となり、狭隘な観測用ボアホール内で波長の長い微弱な地中電磁波の水平電界成分を感度よく検出することができる地中電磁波3次元成分検出センサを構成できる。
更に、このような3次元電界成分検出センサに加えて地中電磁波の3次元磁界成分を検出する3次元磁界成分検出センサを組合せることで、狭隘な観測ボアホール内で地中電磁波の正確な3次元到来方位を検出することができ、検出された地中電磁波の偏波面が回転している場合であっても、それが地中起源のものか地上起源のものかを正しく分離することが可能となる。
また、このような地中電磁波3次元成分検出センサを複数箇所に設置することにより、例えば地殻変動によって発生する微弱な電磁波パルスの発生源の位置を正確に特定することが可能となり、地震予知等の分野において有用な地中電磁波観測システムを構成することができる。
As described above, according to the present invention, a plurality of short dipole antennas composed of a pair of linear conductors whose overall length is smaller than the inner diameter of the observation borehole are arranged in parallel in the depth direction, and both sides of each short dipole antenna are arranged. By adding the potential difference of the potential induced in the element, it becomes possible to obtain the same detection sensitivity and directional characteristics as a long dipole antenna, and the horizontal level of weak underground electromagnetic waves with long wavelengths in a narrow observation borehole An underground electromagnetic wave three-dimensional component detection sensor capable of detecting an electric field component with high sensitivity can be configured.
Furthermore, in addition to such a three-dimensional electric field component detection sensor, by combining a three-dimensional magnetic field component detection sensor for detecting a three-dimensional magnetic field component of the underground electromagnetic wave, an accurate three-dimensional electromagnetic wave can be detected in a narrow observation borehole. Dimensional azimuth can be detected, and even when the plane of polarization of the detected underground electromagnetic wave is rotating, it is possible to correctly separate whether it is from the ground or from the ground It becomes.
In addition, by installing such underground electromagnetic wave three-dimensional component detection sensors at a plurality of locations, it becomes possible to accurately identify the position of the source of the weak electromagnetic pulse generated due to, for example, crustal movement, etc. It is possible to construct a ground electromagnetic wave observation system useful in the field of

本願発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、本願発明の効果を奏する限り、各実施形態で述べた構成要素を適宜入れ替えたり、新たな構成要素を追加したり、一部の構成要素を削除したりしてもよいことはいうまでもない。   The present invention is not limited to the above-described embodiments. As long as the effects of the present invention are achieved, the constituent elements described in the embodiments are appropriately replaced, new constituent elements are added, or some of the constituent elements are added. Needless to say, the constituent elements may be deleted.

1 観測用ボアホール
110A1〜110AN 短尺ダイポールアンテナ一方側素子
110B1〜110BN 短尺ダイポールアンテナ他方側素子
120 差動増幅器
111A1〜111A4 東西方向短尺ダイポールアンテナ一方側素子
111B1〜111B4 東西方向短尺ダイポールアンテナ他方側素子
121 東西方向電界成分検出用差動増幅器
112A1〜112A4 南北方向短尺ダイポールアンテナ一方側素子
112B1〜112B4 南北方向短尺ダイポールアンテナ他方側素子
122 南北方向電界成分検出用差動増幅器
113 垂直方向長尺ダイポールアンテナ地上側3重同軸ケーブルの外側シールド部
113 垂直方向長尺ダイポールアンテナ地下側3重同軸ケーブルの外側シールド部
113 垂直方向長尺ダイポールアンテナ地上側素子の接続ケーブル
113 垂直方向長尺ダイポールアンテナ地下側素子の接続ケーブル
113 垂直方向長尺ダイポールアンテナ地上側3重同軸ケーブルの内側シールド部
113 垂直方向長尺ダイポールアンテナ地上側3重同軸ケーブルの芯線部
123 垂直方向電界成分検出用差動増幅器
131、131 東西方向アンテナ素子固定用プリント基板
132、132 南北方向アンテナ素子固定用プリント基板
133、133 円形支持板
134 垂直方向長尺ダイポールアンテナ絶縁支持板
100 センサ部
141 東西方向磁界成分検出用サーチコイル
151 東西方向磁界成分検出用差動増幅器
142 南北方向磁界成分検出用サーチコイル
152 南北方向磁界成分検出用差動増幅器
143 垂直方向磁界成分検出用サーチコイル
153 垂直方向磁界成分検出用差動増幅器
200 信号処理部
210 低域濾波器
220 AD変換器
230 コンピュータ
240 表示器
1 Borehole for observation 110 A1 to 110 AN short dipole antenna one side element 110 B1 to 110 BN short dipole antenna other side element 120 differential amplifier 111 A1 to 111 A4 east-west short dipole antenna one side element 111 B1 to 111 B4 east-west direction The other side element of the short dipole antenna 121 The differential amplifier for detecting the electric field component in the east-west direction 112 A1 to 112 A4 The one side element of the short dipole antenna in the north-south direction 112 B1 to 112 B4 The other side element of the short dipole antenna in the north-south direction 122 The difference for detecting the north-south direction electric field component Dynamic Amplifier 113 A Vertical Long Dipole Antenna Outer Shield Part of Ground Side Triple Coaxial Cable 113 B Vertical Long Dipole Antenna Base Outer Side Triple Coaxial Cable Outer Shield Part 113 C Vertical Long Die Pole antenna ground side element connection cable 113 D Vertical long dipole antenna underground side element connection cable 113 E Vertical long dipole antenna Ground side triple coaxial cable inner shield part 113 F Vertical long dipole antenna ground side Triple coaxial cable core line 123 Vertical direction electric field component detection differential amplifier 131 A , 131 B East-west direction antenna element fixing printed circuit board 132 A , 132 B North-south direction antenna element fixing printed circuit board 133 1 , 133 2 Circular support Plate 134 Vertically long dipole antenna insulation support plate 100 Sensor part 141 East-west magnetic field component detection search coil 151 East-west magnetic field component detection differential amplifier 142 North-South magnetic field component detection search coil 152 North-South magnetic field component detection difference Dynamic amplifier 143 Search coil for detecting vertical magnetic field component 153 Differential amplifier for detecting vertical magnetic field component 200 Signal processor 210 Low-pass filter 220 AD converter 230 Computer 240 Display

Claims (8)

地中に設けられた狭隘な観測用ボアホール内において地中電磁波の3次元電界成分を検出する3次元電界センサを備えた地中電磁波3次元成分検出センサであって、
前記3次元電界センサは、3次元電界成分のうち水平2方向の電界成分を検出する水平電界成分検出センサとして、
全長が前記観測用ボアホールの内径より小さい一対の線状の導体からなる短尺ダイポールアンテナを、深さ方向に平行に複数配列した短尺ダイポールアンテナアレイと、
前記各短尺ダイポールアンテナアレイのそれぞれに対応して、前記配列された各短尺ダイポールアンテナの検出方向に対して一方側の素子に誘起される電位と他方側の素子に誘起される電位の電位差を、前記配列された各短尺ダイポールアンテナについて加算する差動増幅器と、
を備えたことを特徴とする、地中電磁波3次元成分検出センサ。
An underground electromagnetic wave three-dimensional component detection sensor comprising a three-dimensional electric field sensor for detecting a three-dimensional electric field component of an underground electromagnetic wave in a narrow observation borehole provided in the ground,
The three-dimensional electric field sensor is a horizontal electric field component detection sensor that detects electric field components in two horizontal directions among three-dimensional electric field components.
A short dipole antenna array in which a plurality of short dipole antennas each consisting of a pair of linear conductors whose overall length is smaller than the inner diameter of the observation borehole are arranged in parallel in the depth direction;
Corresponding to each of the short dipole antenna arrays, a potential difference between a potential induced in one element and a potential induced in the other element with respect to the detection direction of the arranged short dipole antennas, A differential amplifier for summing up each of the arranged short dipole antennas;
An underground electromagnetic wave three-dimensional component detection sensor, comprising:
前記水平電界成分検出センサは、
前記配列された各短尺ダイポールアンテナの検出方向に対して一方側の素子は、それぞれ前記差動増幅器の一方側の入力と他方側の入力の間の静電容量に対して十分に大きい静電容量を有するコンデンサを介して前記差動増幅器の一方側の入力に接続され、
前記配列された各短尺ダイポールアンテナの検出方向に対して他方側の素子は、それぞれ前記一方側の素子の接続に用いたコンデンサと同一の静電容量を有するコンデンサを介して前記差動増幅器の他方側の入力に接続され、
前記差動増幅器は、前記配列された各短尺ダイポールアンテナの検出方向に対して一方側の素子に誘起される電位と他方側の素子に誘起される電位との電位差により前記差動増幅器の一方側の入力と他方側の入力の間の静電容量に誘導される電荷の合計値による電位差を検出するようにしたことを特徴とする、請求項1に記載の地中電磁波3次元成分検出センサ。
The horizontal electric field component detection sensor is
The element on one side with respect to the detection direction of each of the arranged short dipole antennas is sufficiently large in capacitance with respect to the capacitance between the input on one side and the input on the other side of the differential amplifier. Connected to the input on one side of the differential amplifier through a capacitor having
The element on the other side with respect to the detection direction of each of the arranged short dipole antennas is connected to the other side of the differential amplifier via a capacitor having the same capacitance as the capacitor used to connect the one side element. Connected to the side input,
The differential amplifier is arranged on one side of the differential amplifier by a potential difference between a potential induced in one element and a potential induced in the other element with respect to the detection direction of each of the arranged short dipole antennas. 2. The underground electromagnetic wave three-dimensional component detection sensor according to claim 1, wherein a potential difference due to a total value of electric charges induced in a capacitance between the input of the first input and the other input is detected.
前記水平電界成分検出センサは、
前記配列された各短尺ダイポールアンテナと隣接する短尺ダイポールアンテナとの間を、前記各短尺ダイポールアンテナ素子による電荷蓄積に対して隣接する短尺ダイポールアンテナ素子による電荷蓄積の影響が無視できる離隔距離を空けて配列するようにしたことを特徴とする、請求項2に記載の地中電磁波3次元成分検出センサ。
The horizontal electric field component detection sensor is
A space is provided between the arranged short dipole antennas and the adjacent short dipole antennas so that the influence of the charge accumulation by the adjacent short dipole antenna elements can be ignored with respect to the charge accumulation by the respective short dipole antenna elements. The ground electromagnetic wave three-dimensional component detection sensor according to claim 2, wherein the sensor is arranged.
前記水平2方向の電界成分を検出する前記短尺ダイポールアンテナアレイは、
前記水平2方向の短尺ダイポールアンテナアレイに配列される各短尺ダイポールアンテナのそれぞれを、深さ方向に互いに前記離隔距離を空けた各水平面のそれぞれにおいて直交する方向に配列するようにしたことを特徴とする、請求項3に記載の地中電磁波3次元成分検出センサ。
The short dipole antenna array for detecting electric field components in the two horizontal directions is
Each of the short dipole antennas arranged in the horizontal two-direction short dipole antenna array is arranged in a direction orthogonal to each of the horizontal planes spaced apart from each other in the depth direction. The underground electromagnetic wave three-dimensional component detection sensor according to claim 3.
前記3次元電界センサは、3次元電界成分のうち垂直方向の電界成分を検出する垂直方向電界成分検出センサとして、前記水平2方向の電界成分検出用の複数の短尺ダイポールアンテナの合計長さに相当する長さの長尺ダイポールアンテナと、前記長尺ダイポールアンテナの検出方向に対して一方側の素子に誘起される電位と他方側の素子に誘起される電位の電位差を検出する垂直方向電界成分検出用差動増幅器とを備えたものであって、
前記長尺ダイポールアンテナの検出方向に対して一方側の素子は、前記垂直方向電界成分検出用差動増幅器の一方側の入力と他方側の入力の間の静電容量に対して十分に大きい静電容量を有するコンデンサを介して前記垂直方向電界成分検出用差動増幅器の一方側の入力に接続され、
前記長尺ダイポールアンテナの検出方向に対して他方側の素子は、前記一方側の素子の接続に用いたコンデンサと同一の静電容量を有するコンデンサを介して前記垂直方向電界成分検出用差動増幅器の他方側の入力に接続され、
前記垂直方向電界成分検出用差動増幅器は、前記長尺ダイポールアンテナの検出方向に対して一方側の素子に誘起される電位と他方側の素子に誘起される電位との電位差により前記垂直方向電界成分検出用差動増幅器の一方側の入力と他方側の入力の間の静電容量に誘導される電荷による電位差を検出するようにした、
ことを特徴とする、請求項4に記載の地中電磁波3次元成分検出センサ。
The three-dimensional electric field sensor corresponds to a total length of a plurality of short dipole antennas for detecting electric field components in two horizontal directions as a vertical electric field component detecting sensor for detecting a vertical electric field component among the three-dimensional electric field components. And a vertical electric field component detection for detecting a potential difference between a potential induced in one element and a potential induced in the other element with respect to the detection direction of the long dipole antenna. A differential amplifier for use,
The element on one side with respect to the detection direction of the long dipole antenna has a static electricity sufficiently large with respect to the capacitance between the one side input and the other side input of the vertical direction electric field component detection differential amplifier. Connected to one side input of the vertical direction electric field component detection differential amplifier through a capacitor having a capacitance;
The element on the other side with respect to the detection direction of the long dipole antenna has the same capacitance as the capacitor used to connect the element on the one side, and the differential amplifier for detecting the electric field component in the vertical direction Connected to the input on the other side of
The vertical electric field component detecting differential amplifier includes the vertical electric field by a potential difference between a potential induced in one element and a potential induced in the other element with respect to a detection direction of the long dipole antenna. The potential difference due to the charge induced in the capacitance between the input on one side and the input on the other side of the differential amplifier for component detection was detected.
The underground electromagnetic wave three-dimensional component detection sensor according to claim 4, wherein
前記長尺ダイポールアンテナは、円筒導体で形成され、前記長尺ダイポールアンテナの地上側円筒導体内には、前記長尺ダイポールアンテナの接続点と前記垂直方向電界成分検出用差動増幅器の入力側を接続するための接続用同軸ケーブルを備え、
前記長尺ダイポールアンテナの地上側素子の地上端において、前記垂直方向電界成分検出用差動増幅器の一方側の入力を前記接続用同軸ケーブルのシールド部に接続し、前記垂直方向電界成分検出用差動増幅器の他方側の入力を前記接続用同軸ケーブルの芯線部に接続し、
前記長尺ダイポールアンテナの地上側素子の地下端において、前記長尺ダイポールアンテナの地上側素子を前記十分に大きい静電容量を有するコンデンサを介して前記接続用同軸ケーブルのシールド部に接続し、前記長尺ダイポールアンテナの地下側素子を前記十分に大きい静電容量を有するコンデンサと同一の静電容量を有するコンデンサを介して前記接続用同軸ケーブルの芯線部に接続した、
ことを特徴とする、請求項5に記載の地中電磁波3次元成分検出センサ。
The long dipole antenna is formed of a cylindrical conductor, and a connection point of the long dipole antenna and an input side of the differential electric field component detecting differential amplifier are provided in the ground side cylindrical conductor of the long dipole antenna. It has a coaxial cable for connection to connect,
At the ground end of the ground-side element of the long dipole antenna, an input on one side of the vertical direction electric field component detection differential amplifier is connected to a shield part of the connection coaxial cable, and the vertical direction electric field component detection difference Connect the input on the other side of the dynamic amplifier to the core portion of the coaxial cable for connection,
At the underground end of the ground-side element of the long dipole antenna, the ground-side element of the long dipole antenna is connected to the shield portion of the connection coaxial cable via the capacitor having a sufficiently large capacitance, The underground element of the long dipole antenna is connected to the core portion of the connection coaxial cable via a capacitor having the same capacitance as the capacitor having a sufficiently large capacitance.
The underground electromagnetic wave three-dimensional component detection sensor according to claim 5, wherein:
前記長尺ダイポールアンテナは、3重同軸ケーブルで形成され、前記3重同軸ケーブルの外側シールド部をアンテナ素子とするものであって、
前記長尺ダイポールアンテナの地上側3重同軸ケーブルの地上端において、前記垂直方向電界成分検出用差動増幅器の一方側の入力を前記地上側3重同軸ケーブルの内側シールド部に接続し、前記垂直方向電界成分検出用差動増幅器の他方側の入力を前記地上側3重同軸ケーブルの芯線部に接続し、
前記長尺ダイポールアンテナの地上側3重同軸ケーブルの地下端において、前記地上側3重同軸ケーブルの外側シールド部を前記十分に大きい静電容量を有するコンデンサを介して前記地上側3重同軸ケーブルの内側シールド部に接続し、前記長尺ダイポールアンテナの地下側3重同軸ケーブルの外側シールド部を前記十分に大きい静電容量を有するコンデンサと同一の静電容量を有するコンデンサを介して前記地上側3重同軸ケーブルの芯線部に接続した、
ことを特徴とする請求項5に記載の地中電磁波3次元成分検出センサ。
The long dipole antenna is formed of a triple coaxial cable, and an outer shield part of the triple coaxial cable is an antenna element,
At the ground end of the ground-side triple coaxial cable of the long dipole antenna, an input on one side of the vertical direction electric field component detection differential amplifier is connected to an inner shield portion of the ground-side triple coaxial cable, and the vertical Connecting the input on the other side of the differential electric field component detecting differential amplifier to the core portion of the ground side triple coaxial cable;
At the underground end of the ground-side triple coaxial cable of the long dipole antenna, an outer shield portion of the ground-side triple coaxial cable is connected to the ground-side triple coaxial cable via the capacitor having a sufficiently large capacitance. Connected to the inner shield part, the outer shield part of the base-side triple coaxial cable of the long dipole antenna is connected to the ground side 3 via a capacitor having the same capacitance as the capacitor having a sufficiently large capacitance. Connected to the core of the heavy coaxial cable
The underground electromagnetic wave three-dimensional component detection sensor according to claim 5.
前記3次元電界センサによる地中電磁波の3次元電界成分の検出方向のそれぞれに対応して地中電磁波の3次元磁界成分を検出するサーチコイルを配備した3次元磁界センサを更に備えたものであって、
前記3次元電界センサによる電界3方向成分と前記3次元磁界センサによる磁界3方向成分に基づいて地中電磁波の到来方位を演算する到来方位演算手段を備えたことを特徴とする、請求項1ないし請求項7のいずれかに記載の地中電磁波3次元成分検出センサ。
The apparatus further includes a three-dimensional magnetic field sensor provided with a search coil for detecting a three-dimensional magnetic field component of the underground electromagnetic wave corresponding to each detection direction of the three-dimensional electric field component of the underground electromagnetic wave by the three-dimensional electric field sensor. And
The arrival direction calculating means for calculating the arrival direction of the underground electromagnetic wave based on the three-direction electric field component by the three-dimensional electric field sensor and the three-direction magnetic field component by the three-dimensional magnetic field sensor is provided. The underground electromagnetic wave three-dimensional component detection sensor according to claim 7.
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