JP2018009878A - 地震観測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アナログフィルタを含む信号処理回路での信号遅延を高精度に補正することができる地震観測装置を提供すること。
【解決手段】本発明の地震観測装置は、地震の揺れを検知する検知部と、検知部から出力された信号を処理するアナログフィルタと、アナログフィルタから出力された処理後信号に基づき演算を行い、地震データを出力する演算部と、を備える。この地震観測装置において、演算部は、基準となる時刻の情報を含む基準時刻信号をアナログフィルタに入力してアナログフィルタでの信号遅延量を取得し、地震データに対して信号遅延量の示す遅延分を補正する処理を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は地震観測装置に関し、より詳しくは、正確な時刻に合わせて信号遅延を補正することができる地震観測装置に関する。

地震観測装置は、地震による揺れで発生する加速度を検知して時間変化に対応付けして記録する振動測定機器の一つである。特許文献１には、振り子系と、振り子系の変位を検出する変位変換手段と、変位変換手段の出力をデジタル信号に変換して再度アナログ信号に変換するデジタル処理手段と、デジタル処理手段により変換したアナログ信号を帰還する帰還手段と、帰還手段の帰還電流により振り子系を静止状態に保つ駆動手段とを備えた負帰還型デジタル加速度換振器が開示される。この加速度換振器では、外乱ノイズ等の影響の少ない、高分解能、広ダイナミックレンジのデジタル信号を取り出せるようにしている。

特許文献２には、入力部（ＡＤＣ＋演算増幅器）、計算部（ＣＰＵ）、出力部（ＤＡＣ＋演算増幅器）からなるディジタルフィードバックコントローラにおいて、入力部に粗い値用ＡＤＣ及び細かい値用ＡＤＣを２基、出力部に粗い値用ＤＡＣ及び細かい値用ＤＡＣを２基設けた高精度デジタル帰還制御装置が開示されている。

特開２００３−０４２８３２号公報 特開２０００−２４４３１９号公報

振動を測定する機器は、振動によって変化する加速度などを検知するセンサと、センサから出力される信号を処理する回路とを備えている。また、処理後の信号（振動測定値）を記録する記録部を備えている場合もある。このうち信号を処理する回路には、アナログフィルタやアナログ／デジタル変換部などが含まれる。アナログフィルタとしては、主としてセンサから出力される信号の特定周波成分をカットするためのローパスフィルタなどが用いられる。

ここで、直線位相特性を持ったデジタルフィルタであれば、信号処理における遅延特性にばらつきが生じないため、理論的な群遅延量を補正することは容易である。一方、アナログフィルタについては、アナログフィルタを構成する素子（抵抗やコンデンサ）の特性ばらつきによって一定の遅延特性にならず、理論的な遅延補正では高精度な補正は困難である。

特に、地震観測装置では正確な時刻に対応した地震波形を得ることが必須である。したがって、アナログフィルタによる信号遅延を高精度に補正する必要が生じる。

本発明は、アナログフィルタを含む信号処理回路での信号遅延を高精度に補正することができる地震観測装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の地震観測装置は、地震の揺れを検知する検知部と、検知部から出力された信号を処理するアナログフィルタと、アナログフィルタから出力された処理後信号に基づき演算を行い、地震データを出力する演算部と、を備える。この地震観測装置において、演算部は、基準となる時刻の情報を含む基準時刻信号をアナログフィルタに入力してアナログフィルタでの信号遅延量を取得し、地震データに対して信号遅延量の示す遅延分を補正する処理を行う。

このような構成によれば、基準となる時刻の情報を含む基準時刻信号をアナログフィルタに入力することで、アナログフィルタでの正確な信号遅延量を得ることができる。このため、アナログフィルタを含む信号処理回路において正確な信号遅延量に基づいた遅延補正を施して、高精度な地震データを得ることができる。

本発明の地震観測装置において、基準時刻信号を演算部へ出力するＧＰＳ（全地球測位システム）受信部をさらに備えていてもよい。これにより、ＧＰＳ受信部で受信した正確な基準時刻信号に基づいて高精度な信号遅延量を得ることができる。

本発明の地震観測装置において、基準時刻信号を演算部へ出力する内部時計をさらに備えていてもよい。これにより、内部時計で得られる正確な基準時刻信号に基づいて高精度な信号遅延量を得ることができる。

本発明の地震観測装置において、演算部で取得した信号遅延量を予め記憶しておく記憶部をさらに備え、演算部は、記憶部から信号遅延量を読み出して遅延分を補正する処理を行うようにしてもよい。これにより、所定のタイミングで信号遅延量を取得して記憶部に記憶しておき、地震データを出力する際に記憶部に記憶された信号遅延量を読み出して遅延処理を施すことができる。

本発明の地震観測装置において、アナログフィルタはローパスフィルタであってもよい。これにより、ローパスフィルタを構成する素子の遅延特性を正確に補正した地震データを得ることができる。

本発明の地震観測装置において、検知部は、第１軸に沿った加速度を検知する第１加速度センサと、第１軸とは異なる第２軸に沿った加速度を検知する第２加速度センサと、を有し、アナログフィルタは、第１加速度センサから出力された第１信号を処理する第１アナログフィルタと、第２加速度センサから出力された第２信号を処理する第２アナログフィルタと、を有し、演算部は、基準時刻信号を第１アナログフィルタおよび第２アナログフィルタのそれぞれに入力して信号遅延量における第１アナログフィルタでの第１信号遅延量および第２アナログフィルタでの第２信号遅延量を取得し、地震データにおける第１軸に沿った第１地震データに対して第１信号遅延量の示す第１遅延分を補正する処理および第２軸に沿った第２地震データに対して第２信号遅延量の示す第２遅延分を補正する処理を行うようにしてもよい。このような構成によれば、互いに異なる複数の軸に沿った地震データの取得において、それぞれの軸に対応したアナログフィルタでの遅延特性を正確に補正することができる。

本実施形態に係る地震観測装置を例示するブロック図である。 （ａ）および（ｂ）は、地震観測装置の信号遅延について例示するブロック図である。 信号遅延の補正処理の流れを例示するフローチャートである。 地震観測装置での信号遅延の補正を例示するブロック図である。 他の実施形態に係る地震観測装置を例示するブロック図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材については適宜その説明を省略する。

〔地震観測装置の全体構成〕
図１は、本実施形態に係る地震観測装置を例示するブロック図である。
図１に示すように、本実施形態に係る地震観測装置１は、地震の揺れを検知する検知部１０と、検知部１０から出力された信号を処理するアナログフィルタ２０と、アナログフィルタ２０から出力された処理後信号に基づき演算を行い、地震データを出力する演算部４０と、を備える。また、本実施形態に係る地震観測装置１では、これらの構成に加え、アナログデジタル変換部（以下、「ＡＤ変換部」と言う。）３０、ＧＰＳ（全地球測位システム）受信部５０、内部時計６０、メモリ７０および記録媒体８０を備えている。

検知部１０には、例えば複数のセンサが設けられる。図１には、第１センサ１０ａおよび第２センサ１０ｂの２つのセンサが示される。第１センサ１０ａは、第１軸の方向に沿った加速度を検知する第１加速度センサである。第２センサ１０ｂは、第１軸とは異なる第２軸に沿った加速度を検知する第２加速度センサである。なお、通常、地震観測装置１ではＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸に沿った加速度を検知するため、３つのセンサが設けられる。説明の便宜上、本実施形態では２軸に沿った加速度を検知する２つのセンサが設けられている場合を例とする。

第１センサ１０ａおよび第２センサ１０ｂのそれぞれに対応して、アナログフィルタ２０およびＡＤ変換部３０についてもそれぞれ２つ設けられる。すなわち。第１センサ１０ａの後段には第１アナログフィルタ２０ａが設けられ、第１アナログフィルタ２０ａの後段には第１ＡＤ変換部３０ａが設けられる。また、第２センサ１０ｂの後段には第２アナログフィルタ２０ｂが設けられ、第２アナログフィルタ２０ｂの後段には第２ＡＤ変換部３０ｂが設けられる。本実施形態では、複数のセンサのそれぞれについての信号処理ラインを「系統」と言うことにする。

アナログフィルタ２０は、抵抗やコンデンサなどの素子によって構成される。アナログフィルタ２０は、検知部１０（第１センサ１０ａおよび第２センサ１０ｂの総称）で検知した信号（地震による加速度を検知した信号）のうち特定の周波数を超える信号成分を除去する。すなわち、アナログフィルタ２０（第１アナログフィルタ２０ａおよび第２アナログフィルタ２０ｂを総称）は、ローパスフィルタである。

ＡＤ変換部３０によってアナログ信号をデジタル信号に変換する場合、ＡＤ変換部３０によるサンプリング周波数の１／２よりも高い周波数の信号をアナログフィルタ２０によってカットする必要がある。したがって、ローパスフィルタであるアナログフィルタ２０のカットオフ周波数はＡＤ変換部３０によるサンプリング周波数の１／２となる。

ＡＤ変換部３０（第１ＡＤ変換部３０ａおよび第２ＡＤ変換部３０ｂの総称）は、アナログフィルタ２０を通過したアナログ信号を、所定のサンプリング周波数によってデジタル信号に変換する。微小な加速度の変化を検知する必要のある地震観測装置では、ＡＤ変換部３０は高分解能であることが要求される。ＡＤ変換部３０として、例えばデルタシグマ（ΔΣ）型ＡＤ変換器を用いるとよい。

演算部４０は、ＡＤ変換部３０から出力されるデジタル信号を処理して、時間に対する地震の振動波形を出力する。また、演算部４０は、必要に応じて振動波形から震度の値を算出して出力する。演算部４０から出力された情報は、記録媒体８０に記録される。

地震観測装置１では、地震が発生した正確な時刻と、時間経過に対応した精度の高い振動波形の取得とが重要である。このため、演算部４０は正確な時間（時刻）の情報を保持している。正確な時間は、例えばＧＰＳ受信部５０で受信して出力される基準時刻信号によって得ることができる。基準時刻信号には、ＧＰＳ受信部５０で受信した正確な時刻情報および１秒幅のパルス信号が含まれる。演算部４０は、ＧＰＳ受信部５０で受信した時刻情報および１秒幅のパルス信号を受けて、内部時計６０を正確な時刻に設定する。なお、ＧＰＳ受信部５０が設けられていない場合、他の手段（例えば、インターネット経由での時刻情報取得）によって内部時計６０に正確な時刻を設定するようにしてもよい。

メモリ７０は、後述する信号遅延量を記憶する記憶部である。演算部４０は、信号遅延量を取得して、メモリ７０に予め記憶しておく処理を行う。また、地震観測装置１にはゲート９０が設けられていてもよい。ゲート９０は、演算部４０によって信号遅延量を取得する際、基準時刻信号をアナログフィルタ２０の前段へ送るか否かを制御する。

〔信号遅延〕
次に、信号遅延について説明する。
図２（ａ）および（ｂ）は、地震観測装置の信号遅延について例示するブロック図である。
図２（ａ）にはＡＤ変換部３０での信号遅延が例示され、図２（ｂ）にはアナログフィルタ２０での信号遅延が示される。
検知部１０で検知した地震の揺れに基づく信号ＷＳは、アナログフィルタ２０やＡＤ変換部３０を通過する際に遅延する。演算部４０では、地震の揺れを検知した時刻と地震データとが合致するように信号遅延を補正する処理を行い、地震データとして記録媒体８０へ出力する。

ここで、ＡＤ変換部３０だけの信号遅延に着目した場合、図２（ａ）に示すように、ＡＤ変換部３０のようなデジタルフィルタについては直線位相特性を持っている。すなわち、第１ＡＤ変換部３０ａおよび第２ＡＤ変換部３０ｂともにばらつきなく同じ信号遅延量ＤＳとなる。演算部４０は、入力された信号に対して第１ＡＤ変換部３０ａおよび第２ＡＤ変換部３０ｂの信号遅延量ＤＳの示す遅延分ＣＳを補正する処理を行う。これにより、第１ＡＤ変換部３０ａおよび第２ＡＤ変換部３０ｂでの信号遅延は正確に補正される。

また、アナログフィルタ２０だけの信号遅延に着目した場合、図２（ｂ）に示すように、アナログフィルタ２０についてはフィルタを構成する素子によって信号遅延量ＤＳ１、ＤＳ２にばらつきが生じる。すなわち、第１アナログフィルタ２０ａおよび第２アナログフィルタ２０ｂのそれぞれについて別個に信号遅延量ＤＳ１、ＤＳ２があり、同じ回路構成であっても信号遅延量ＤＳ１、ＤＳ２に差が生じる。さらに、温度や湿度等の環境変化によっても信号遅延量ＤＳ１、ＤＳ２に変化が生じる。したがって、演算部４０において、アナログフィルタ２０での信号遅延量を正確に補正することは困難である。

地震観測装置では、地震発生前から発生時点、さらには地震の揺れが終わるまでの時間の経過と地震による震動波形との対応付けが非常に重要となる。このため、信号遅延の補正を正確に行う必要がある。したがって、デジタルフィルタのみならずアナログフィルタ２０による信号遅延分も正確に補正することが要求される。

〔信号遅延の補正〕
次に、本実施形態に係る地震観測装置１での信号遅延の補正について説明する。
図３は、信号遅延の補正処理の流れを例示するフローチャートである。
図４は、地震観測装置での信号遅延の補正を例示するブロック図である。
本実施形態に係る地震観測装置１では、演算部４０によってアナログフィルタ２０での信号遅延量ＤＳ１、ＤＳ２を予め取得しておき、検知した地震データに対して信号遅延量ＤＳ１、ＤＳ２の示す遅延分ＣＳ１、ＣＳ２を補正する処理を行う。これにより、アナログフィルタ２０での信号遅延量ＤＳ１、ＤＳ２を補正した地震データを得ることができる。

図３に示す各ステップの処理は、演算部４０によって行われる。各ステップの処理は、例えば演算部４０で実行されるプログラム処理によって実施される。
先ず、図３のステップＳ１０１に示すように、遅延補正済みか否かの判断を行う。遅延補正済みであれば、ステップＳ１０７へ進む。遅延補正済みでない場合には、ステップＳ１０２へ進む。ステップＳ１０２では、ＧＰＳ受信部５０によって受信した基準時刻信号に基づき、内部時計６０の時刻の補正を行う。

次に、ステップＳ１０３に示すように、時刻補正が完了したか否かの判断を行う。時刻補正が完了していない場合にはステップＳ１０２に戻る。時刻補正が完了した場合にはステップＳ１０４へ進む。

ステップＳ１０４では、ＧＰＳ受信部５０で受信した基準時刻信号ＴＳをアナログフィルタ２０の前段に出力する処理を行う。すなわち、演算部４０はゲート９０を制御して、ＧＰＳ受信部５０で受信した基準時刻信号ＴＳの１秒幅のパルス信号をアナログフィルタ２０の前段に出力する。演算部４０は、アナログフィルタ２０の前段に基準時刻信号ＴＳを出力した時刻（基準時刻）を記録しておく。

次に、ステップＳ１０５に示すように、アナログフィルタ２０およびＡＤ変換部３０を通過した１秒幅のパルス信号が演算部４０に入力された時刻と、予め記録した基準時刻との差から信号遅延量を算出する。ここで、信号遅延量は、複数のセンサの信号処理ラインにおける各系統ごとに算出される。すなわち、図４に示すように、第１センサ１０ａおよび第２センサ１０ｂについて２つの信号処理ラインの系統が設けられている場合には、２つの信号遅延量ＤＳ１、ＤＳ２が算出される。

次に、ステップＳ１０６に示すように、演算部４０は取得した信号遅延量ＤＳ１、ＤＳ２をメモリ７０に書き込む処理を行う。信号遅延量ＤＳ１、ＤＳ２は、各系統ごとにメモリ７０に書き込まれる。

次に、ステップＳ１０７に示すように、演算部４０はメモリ７０に書き込まれた信号遅延量ＤＳ１、ＤＳ２を読み込み、ステップＳ１０８に示すように、遅延補正を行う。すなわち、ステップＳ１０７〜ステップＳ１０８の処理は、実際に検知部１０から出力される信号についての遅延補正である。

この遅延補正では、予め取得したアナログフィルタ２０を含む回路の信号遅延量ＤＳ１、ＤＳ２の示す遅延分ＣＳ１、ＣＳ２を補正する処理を行う。信号遅延量ＤＳ１、ＤＳ２は各系統ごとに取得されているため、各系統ごとの信号について対応する信号遅延量ＤＳ１、ＤＳ２の示す遅延分ＣＳ１、ＣＳ２を補正する処理を行う。これにより、アナログフィルタ２０を含む信号処理回路であっても、そのアナログフィルタ２０についての個別の信号遅延量ＤＳ１、ＤＳ２に基づいた遅延補正ＣＳ１、ＣＳ２を行うことができ、高精度な地震データを得ることができる。

上記の信号遅延の補正処理においてはＧＰＳ受信部５０で受信した基準時刻信号ＴＳを用いているが、ＧＰＳ受信部５０が設けられていない場合やＧＰＳ受信部５０で基準時刻信号ＴＳを受信できない状況の場合には、内部時計６０から基準時刻信号ＴＳを出力するようにしてもよい。

なお、図３に示す信号遅延の補正処理のフローチャートにおいて、ステップＳ１０１〜ステップＳ１０６までの処理（信号遅延量の算出および書き込み）は、地震観測装置１の電源を立ち上げたときや、地震観測装置１の定期点検を行ったとき、また任意のタイミングで適宜行うようにすればよい。

〔他の実施形態〕
図５は、他の実施形態に係る地震観測装置を例示するブロック図である。
図５に示すように、他の実施形態に係る地震観測装置１Ｂでは、信号遅延量を取得する際に用いる基準時刻信号（例えば、１秒幅のパルス信号）ＴＳが検知部１０に入力される。基準時刻信号ＴＳは、ゲート９０を介して検知部１０の第１センサ１０ａおよび第２センサ１０ｂにそれぞれ入力される。

地震観測装置１Ｂでは、アナログフィルタ２０に加え、第１センサ１０ａおよび第２センサ１０ｂ内にもアナログフィルタ等のアナログ回路が含まれている。また、検知部１０とアナログフィルタ２０との間にプリアンプなどのアナログ回路（図示せず）が含まれる場合もある。このような構成において、各系統におけるアナログ回路を含めた信号遅延量ＤＳ１、ＤＳ２を取得するため、地震観測装置１Ｂでは、基準時刻信号ＴＳを検知部１０の第１センサ１０ａおよび第２センサ１０ｂにそれぞれ入力している。

このような構成によって、各系統における信号遅延量ＤＳ１、ＤＳ２を取得する場合には、基準時刻信号ＴＳを第１センサ１０ａおよび第２センサ１０ｂにそれぞれ入力する。演算部４０は、基準時刻信号ＴＳが第１センサ１０ａおよび第２センサ１０ｂに入力された時刻と、各系統を通過してこの基準時刻信号ＴＳを受けた時刻との差から信号遅延量ＤＳ１、ＤＳ２を取得し、メモリ７０に記憶しておく。そして、実際の地震の揺れを検知した際の信号処理において、メモリ７０に記憶した信号遅延量ＤＳ１、ＤＳ２の示す遅延分ＣＳ１、ＣＳ２を補正する。これにより、各系統に含まれるアナログ回路での信号遅延を正確に補正することができる。

以上説明したように、実施形態によれば、アナログフィルタ２０を含む信号処理回路での信号遅延を高精度に補正することができる地震観測装置１、１Ｂを提供することができる。

なお、上記に本実施形態を説明したが、前述の各実施形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものや、各実施形態の特徴を適宜組み合わせたものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含有される。

１，１Ｂ…地震観測装置
１０…検知部
１０ａ…第１センサ
１０ｂ…第２センサ
２０…アナログフィルタ
２０ａ…第１アナログフィルタ
２０ｂ…第２アナログフィルタ
３０…ＡＤ変換部
３０ａ…第１ＡＤ変換部
３０ｂ…第２ＡＤ変換部
４０…演算部
５０…ＧＰＳ受信部
６０…内部時計
７０…メモリ
８０…記録媒体
９０…ゲート

Claims (6)

1. 地震の揺れを検知する検知部と、
   前記検知部から出力された信号を処理するアナログフィルタと、
   前記アナログフィルタから出力された処理後信号に基づき演算を行い、地震データを出力する演算部と、
   を備え、
   前記演算部は、基準となる時刻の情報を含む基準時刻信号を前記アナログフィルタに入力して前記アナログフィルタでの信号遅延量を取得し、前記地震データに対して前記信号遅延量の示す遅延分を補正する処理を行うことを特徴とする地震観測装置。
2. 前記基準時刻信号を前記演算部へ出力するＧＰＳ（全地球測位システム）受信部をさらに備えた、請求項１記載の地震観測装置。
3. 前記基準時刻信号を前記演算部へ出力する内部時計をさらに備えた、請求項１または２に記載の地震観測装置。
4. 前記演算部で取得した前記信号遅延量を予め記憶しておく記憶部をさらに備え、
   前記演算部は、前記記憶部から前記信号遅延量を読み出して前記遅延分を補正する処理を行う、請求項１〜３のいずれか１つに記載の地震観測装置。
5. 前記アナログフィルタはローパスフィルタである、請求項１〜４のいずれか１つに記載の地震観測装置。
6. 前記検知部は、第１軸に沿った加速度を検知する第１加速度センサと、前記第１軸とは異なる第２軸に沿った加速度を検知する第２加速度センサと、を有し、
   前記アナログフィルタは、前記第１加速度センサから出力された第１信号を処理する第１アナログフィルタと、前記第２加速度センサから出力された第２信号を処理する第２アナログフィルタと、を有し、
   前記演算部は、前記基準時刻信号を前記第１アナログフィルタおよび前記第２アナログフィルタのそれぞれに入力して前記信号遅延量における前記第１アナログフィルタでの第１信号遅延量および前記第２アナログフィルタでの第２信号遅延量を取得し、前記地震データにおける前記第１軸に沿った第１地震データに対して前記第１信号遅延量の示す第１遅延分を補正する処理および前記第２軸に沿った第２地震データに対して前記第２信号遅延量の示す第２遅延分を補正する処理を行う、請求項１〜５のいずれか１つに記載の地震観測装置。

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