JP2015224916A - 振動検出システム、信号処理装置及び信号処理方法 - Google Patents
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Abstract
Description
そのため、通常、マイクロサイスミック観測時には震源装置の運転を停止し、能動的地震探査をマイクロサイスミック観測時以外に実施することとしている。
この点、自然地震はいつ発生するかわからないため、自然地震の発生に併せて震源装置の運転を停止することはできず、震源装置を停止することなく監視可能な更なる工夫が求められている。
初めに、図1を参照して、本発明の振動検出システムSの概要について説明する。図1は、振動検出システムSのシステム構成を模式的に示す図である。
図1に示すように、振動検出システムSは、信号処理装置1と、震源装置50と、複数の受振装置60と、を含んで構成される。なお、信号処理装置1、震源装置50及び受振装置60は、GPSシステム100により同期がとられている。
ここで、受振装置60の近傍で水圧破砕を行った場合や、自然地震が発生した場合等は、受振装置60は、震源装置50が発生した振動波に基づく振動信号に加えて、水圧破砕に伴うマイクロサイスミックに基づく振動信号、及び自然地震に基づく振動信号も併せて受信することになる。なお、以下では、受振装置60が受信した振動信号を測定振動信号と呼ぶ。この測定振動信号の中には、震源装置50から発生した振動波に基づく振動信号に加え、マイクロサイスミックや自然地震に基づく振動信号が含まれるが、測定振動信号の中のマイクロサイスミックや自然地震に基づく振動信号を、以下では、差分信号と呼ぶ。
以下、信号処理装置1が差分信号を抽出するための具体的な構成について説明する。
図3は、信号処理装置1の機能構成を示すブロック図である。図3に示すように、信号処理装置1は、通信部2と、蓄積部3と、制御部4と、を含んで構成される。
また、通信部2は、震源装置50から、震源装置50の動作のログ情報を受信する。このログ情報を解析することで、信号処理装置1は、震源装置50から発生する振動波を算出することができる。図2に示すように、定常運転中において震源装置50は精密に制御されているため、発生する振動波も予め制御されたものとなる。これに対して、後述する反転期間は、震源装置50の制御が安定しないため、発生する振動波も安定しない。この点、このような制御が安定しない期間であっても、信号処理装置1は、ログ情報を用いて振動波を算出することができる。
以下、制御部4の具体的な構成について説明する。
初めに、震源装置50が定常運転中に、制御部4が行う制御について説明する。
ここで、人為的に振動波を発生させる震源装置として、鉛直又は水平方向のいずれか一方の振動波のみを発生する震源装置、及び、鉛直及び水平方向の双方の振動波を発生する震源装置が知られている。例えば、地面に対して上下振動を与えることで振動波を発生する震源装置は、鉛直方向の振動波のみを発生する震源装置であり、上述のACROSSのように偏心錘を回転させることで振動波を発生する震源装置は、鉛直及び水平方向の双方の振動波を発生する震源装置である。以下において説明する定常運転中の制御は、これら双方の震源装置において好適に適用することができる。
定常運転の震源装置50は、振動波が200秒周期のスイープ波形となるように精密に制御される。そのため、400秒単位で離散フーリエ変換を行うと、震源装置50から発生した振動波のスペクトルは、周波数F=5.000,5.005,5.010,・・・49.995,50.000Hzのように0.005Hz(1/200)毎に現れる。他方、周波数F+0.0025Hz(1/400)には、震源装置50の振動波に基づく振動信号のスペクトルは現れず、地動ノイズ等のノイズが現れる。
算出部42は、複数の個別周期信号を、複数の個別周期信号の夫々に含まれるノイズの分散の逆数を重みとして平均化することで、標準周期信号を算出する。具体的には、算出部42は、震源装置50から発生した振動波が現れる周波数Fに、周波数F+0.0025Hzに現れるノイズ成分の分散の逆数を掛けた上で、複数の個別周期信号の平均値をとる。そして、算出した重み付け平均値を逆フーリエ変換し、標準周期信号を算出する。
このようなノイズの分散の逆数を重みとして用いることで、ノイズの影響を1/√M(M=平均値の算出に用いる個別周期信号の数)にすることができる。即ち、個別周期信号の蓄積数を増やすことにより、ノイズの影響が低減する。
また、算出部42は、複数の個別周期信号の中央値を、標準周期信号として算出することとしてもよい。具体的には、算出部42は、震源装置50から発生した振動波が現れる周波数Fの複数の個別周期信号における中央値を取り、逆フーリエ変換することで、標準周期信号を算出する。
なお、震源装置50から発生した振動波の測定結果は、受振装置60の設置位置により異なる。そのため、算出部42は、複数の受振装置60の夫々について、標準周期信号を算出する。また、上述のように、震源装置50から発生した振動波の測定結果は、気象や温度等の環境条件に応じて異なる。そのため、算出部42は、環境条件に応じて標準周期信号を算出することが好ましい。
図6は、震源装置50が定常運転中の制御部4の処理の流れを示すフローチャートである。
震源装置50を用いた能動的地震探査は、大まかに説明すると、震源装置50から発生した振動波の振動信号と、受振装置60が受信した測定振動信号とから、地盤の伝達関数を求め、この伝達関数を用いて振幅解析や走時解析を行う。
図7(A)に示すように、震源装置50は、回転軸51に対し偏心した錘52をサーボモータ53で精密に制御して回転させることで、振動波を発生させる。
そこで、震源装置50は、第1期間に第1極性の振動信号を有する第1振動波を発生させ、第1期間と同じ長さの第2期間に第1極性を水平方向又は鉛直方向に反転させた第2極性の振動信号を有する第2振動波を発生させる。具体的には、震源装置50は、第1期間に錘52を正方向に回転させて水平方向「X」、鉛直方向「Z」の振動波を発生させ、第2期間に錘52を逆方向に回転させて水平方向「−X」、鉛直方向「Z」の振動波を発生させる。
なお、図8では、「0秒〜2800秒」の間は、震源装置50を定常運転(正回転又は逆回転)しており、「2800秒〜3000秒」の間では、震源装置50を反転制御している。また、「3000秒〜3600秒」の間では、次の1時間のための慣らし運転(逆回転又は正回転)を行っている。
同様に、正回転時に受振装置60で受信した測定振動信号と逆回転時に受振装置60で受信した測定振動信号とを加算すると、測定振動信号の水平方向成分を除去することができ、正回転時に受振装置60で受信した測定振動信号から逆回転時に受振装置60で受信した測定振動信号を減算すると、測定振動信号の鉛直方向成分を除去することができる。
ところで、偏心錘を回転させることで振動波を発生させる震源装置50の場合、偏心錘を一定の態様で回転可能な状況では、発生させる振動波を制御することができ、発生させる振動波の再現性を確保することができる。この偏心錘を一定の態様で回転可能な状況は、例えば、図8における定常運転中(0秒〜2800秒)及び慣らし運転中(3000秒〜3600秒)が該当する。
そこで、本発明の振動検出システムSは、以下に示す方法により、震源装置50の反転運転中であっても、自然地震等の他の振動の検出を可能にしている。
震源装置50が偏心錘を正回転させる第1期間と逆回転させる第2期間との間の反転期間に発生する振動波を、遷移振動波とする。以下に示す制御1では、算出部42は、複数回の反転期間において受振装置60が受信した遷移振動波に基づく測定振動信号の中央値を、当該反転期間における標準周期信号として算出する。
算出部42は、これら複数(12データ)の測定振動信号の中央値をとり、反転期間における標準周期信号を算出する。具体的には、算出部42は、反転期間中の任意の時間Tにおける測定振動信号A1乃至A12の中央値を、正回転から逆回転に反転する際の標準周期信号として算出する。また、算出部42は、反転期間中の任意の時間Tにおける測定振動信号B1乃至B12の中央値を、逆回転から正回転に反転する際の標準周期信号として算出する。
本発明者らが制御1を用いて反転運転中の振動の検出を行ったところ、震源装置50の近傍(10m)の受振装置60を除き、他の受振装置60において50μカイン(=5×10−7m/s)の地動データを検出することができた。また、自然地震のような一定の大きさ以上の振動は、全ての受振装置60において検出することができた。
また、制御2では、算出部42は、震源装置50の定常運転中(第1期間中又は第2期間中)に震源装置50から受振装置60までの地盤の伝達関数を算出しておき、反転運転中の遷移振動波と算出した伝達関数とに基づいて、反転期間における標準周期信号を算出する。
H(ω)=f(ω)×R(ω)
また、震源装置50から受振装置60までの地盤の伝達関数H(ω)は、定常運転時において既に算出しているため、標準周期信号R´(ω)は、以下の式により算出することができる。
R´(ω)=H(ω)/f(ω)
そのため、制御2による方法では、反転運転時の「5Hz〜−5Hz」の範囲では、標準周期信号R´(ω)を算出することができない。
もちろん、定常運転中に算出した「±5Hz〜±50Hz」の範囲の伝達関数H(ω)から、伝達関数を算出できない「5Hz〜−5Hz」の範囲の伝達関数を外挿し、用いることとしてもよい。
震源装置50を用いた能動的地震探査は、発信元や受信先の数を増やすことで精度を高めることができため、能動的地震探査では、複数の震源装置50を用いることがある。
続いて、複数の震源装置50を用いる場合の制御について説明する。
図11に示す例では、震源装置50Aから発生させる振動波の周波数を「N(5Hz〜50Hz)」とし、震源装置50Bから発生させる振動波の周波数を「N+0.0025Hz(5.0025Hz〜50.0025Hz)」としている。震源装置50A,50Bをこのように制御した場合、200秒毎に震源装置50A,50Bの位相が反転し、400秒毎に震源装置50A,50Bの位相が一致する。
これにより、震源装置50A,50Bから発生した振動波に基づく振動信号を適切に分離することができる。
以上、本発明の振動検出システムSの実施形態について説明した。続いて、本発明者らが柏崎テストフィールドにおいて行った実験データの一部を図13,14に示す。
図13に示すように、本発明者らはテストフィールドに2台の震源装置50A,50Bと、10台の受振装置60A乃至60Jを設置し、受振装置60A乃至60Jにおいて受信した測定振動信号から、震源装置50A,50Bから発生した振動波による影響を除去する実験を行った。図14は、受振装置60Gにおける測定振動信号の原波形(図14(A))と、影響除去処理後の差分信号の信号波形(図14(B))とを示す図である。
また、24時の「3000秒〜3600秒」については、比較のため影響除去処理を行っていない。
なお、符号112の時点において処理後の信号波形が若干乱れている。本発明者らが気象データを確認すると、符号112の時点において雨が降っていたことが確認できた。このことから、気象や温度等の環境条件と受振装置60で受信する測定振動信号との間に著しい相関があることが分かった。
以上説明した本発明の振動検出システムSによれば、以下の効果を期待できる。
このように算出した標準周期信号は、自然地震等の他の振動信号の影響が除去され、震源装置50の振動波に基づく振動信号による影響が現れるため、受振装置60が受信した測定振動信号から標準周期信号を減算することで、震源装置50の振動波の影響を除去することができる。これにより、震源装置50の運転中であっても、受振装置60において、自然地震等の他の振動の検出を行うことができる。
振動検出システムSでは、この第1振動波の受信結果である測定振動信号と、第2振動波の受信結果である測定振動信号とを加減算することで、震源装置50から発生した振動波の水平方向成分や鉛直方向成分を除去することができる。その結果、振動検出システムSでは、能動的地震探査を多様な観点から実施することができる。
Claims (11)
- 所定の周期で繰り返される振動波を発生する震源装置と、地盤を介して伝達された前記振動波に基づく応答波を受信する受振装置と、前記受振装置が受信した応答波に応じた振動信号を処理する信号処理装置と、を備える振動検出システムであって、
前記信号処理装置は、
前記受振装置が受信した振動信号を蓄積する蓄積部と、
蓄積した前記振動信号から前記震源装置が発生する前記振動波の周期性に応じた周期を有する個別周期信号を分離する分離部と、
分離した前記個別周期信号から標準周期信号を算出する算出部と、
前記受振装置が受信した前記振動信号と前記標準周期信号との差分を示す差分信号を生成する生成部と、
を備える振動検出システム。 - 前記震源装置は、発生する前記振動波の周波数を、前記周期内で変化させる、
請求項1に記載の振動検出システム。 - 前記算出部は、複数の前記個別周期信号を、当該複数の個別周期信号の夫々に含まれるノイズの分散の逆数を重みとして平均化することで、前記標準周期信号を算出する、
請求項1又は2に記載の振動検出システム。 - 前記算出部は、複数の前記個別周期信号の中央値を、前記標準周期信号として算出する、
請求項1又は2に記載の振動検出システム。 - 前記蓄積部は、前記算出部が算出した前記標準周期信号を、環境条件に対応付けて蓄積し、
前記生成部は、前記受振装置が前記振動信号を受信したときの環境条件に対応する前記標準周期信号に基づいて前記差分信号を生成する、
請求項1から4のいずれかに記載の振動検出システム。 - 前記震源装置は、水平方向の振動と鉛直方向の振動とを含む振動波を発生する震源装置であり、第1期間に第1極性の振動信号を有する第1振動波を発生し、前記第1期間と同じ長さの第2期間に前記第1極性を水平方向又は鉛直方向に反転させた第2極性の振動信号を有する第2振動波を発生する、
請求項1から5のいずれかに記載の振動検出システム。 - 前記震源装置は、前記第1期間と前記第2期間との間の反転期間に遷移振動波を発生し、
前記算出部は、複数回の前記反転期間において前記受振装置が受信した前記遷移振動波に基づく振動信号の中央値を、当該反転期間における前記標準周期信号として算出する、
請求項6に記載の振動検出システム。 - 前記震源装置は、前記第1期間と前記第2期間との間の反転期間に遷移振動波を発生し、
前記算出部は、前記第1期間又は前記第2期間に算出した前記地盤の伝達関数と、前記遷移振動波とに基づいて、前記標準周期信号を算出する、
請求項6に記載の振動検出システム。 - 発生する振動波の周波数が夫々異なる複数の震源装置を備える、
請求項1から8のいずれかに記載の振動検出システム。 - 受振装置が受信した振動信号から震源装置が発生した振動波に基づく信号を除去する信号処理装置であって、
前記受振装置が受信した振動信号を蓄積する蓄積部と、
蓄積した前記振動信号から前記震源装置が発生する前記振動波の周期性に応じた周期を有する個別周期信号を分離する分離部と、
分離した前記個別周期信号から標準周期信号を算出する算出部と、
前記受振装置が受信した前記振動信号と前記標準周期信号との差分を示す差分信号を生成する生成部と、
を備える信号処理装置。 - 受振装置が受信した振動信号から震源装置が発生した振動波に基づく信号を除去する信号処理方法であって、
前記受振装置が受信した振動信号を蓄積するステップと、
蓄積した前記振動信号から前記震源装置が発生する前記振動波の周期性に応じた周期を有する個別周期信号を分離するステップと、
分離した前記個別周期信号から標準周期信号を算出するステップと、
前記受振装置が受信した前記振動信号と前記標準周期信号との差分を示す差分信号を生成するステップと、
を含む信号処理方法。
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