JP2021085871A - 複合電極に基づく高空間分解能の交差検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複合電極に基づく高空間分解能の交差検出方法を提供する。【解決手段】インバージョンによってＺ軸方向以外の、同一直線上にない少なくとも２つの点電極比抵抗ベクトルを推定するステップと、水平断面に環状分布される点電極に基づく検出を行うステップと、垂直方向に線形分布される点電極に基づくスクロール検出を行うステップと、複合点電極に基づく複数層拡張検出を行うステップと、空間的な点電極に基づく定方向検出を行うステップと、空間的な比抵抗の交差インバージョンを行い、複合点電極の交差検出データに基づき、空間的な内挿を行い、完全な立体空間検出データを取得するステップとを含む。【選択図】図１−１

Description

本発明は、地質探査分野に関し、具体的に複合電極に基づく高空間分解能の交差検出方法に関する。

従来の高分解能比抵抗方法では、１本の測定線での二次元測定であり、測定線の鉛直下方にない対象物体について、傍観者効果の影響によって対象物体の位置と形態を正確に判断することができない。面積を測定する際には、各測定線を簡単に組み合わせるだけで、測定線の間に内在的なつながりが存在しない。一般的な高密度比抵抗方法の場合は、三次元探査を行う時、データ量が膨大で、三次元のフィッティング及びインバージョンに相当の時間を必要とし、収束も困難である。

上記に基づいて、出願番号２００８１００２２１８１．２、発明名称「三次元高分解能比抵抗探査及び直接イメージング方法」が開示される。当該方法では、モノポール・ダイポール装置を均一、直交格子の形で地面に設置し、面積を測定する。適当な電極配列及び組み合わせにより、縦、横２つの方向においても地下の分析解像部の複数回の包括的な観測を実現し、直接的な図解析によるイメージングは、従来の半円交差イメージングから半球交差イメージングになることで、測定領域における探査深さの範囲内の洞道のより正確的な空間位置を取得し、さらに野外現場で地下洞道の大きさと形状をより正確的、リアルタイムに再現する。

当該方法では、直交格子の形で布設されるが、本質的に、二次元の空間測定である。正確的な探査を実現するには、横、縦方向にモノポール・ダイポール装置を布設しなければならない。そのような大規模な空間布設方式には、使用しにくく、布設コストが高く、効率が低いなどの欠点がある。

従来の比抵抗検出方法に一次元、二次元空間の大規模検出に限定され、特定の精密検出の要求を満たすことができないという問題を解決するために、本発明は複合電極に基づく高空間分解能の交差検出方法を提案する。

それは複合電極に基づく高空間分解能の交差検出方法であり、

インバージョンによってＺ軸方向以外の、少なくとも２つの同一直線上にない点電極比抵抗ベクトルを推定するステップＡと、

水平断面に環状分布される点電極に基づく検出を行うステップＢと、

垂直方向に線形分布される点電極に基づくスクロール検出を行うステップＣと、

複合点電極に基づく複数層拡張検出を行うステップＤと、

空間的な点電極に基づく定方向検出を行うステップＥと、

上記複合点電極の交差検出データにより、空間的な内挿を行い、完全な立体空間検出データを取得するという空間的な比抵抗交差インバージョンを行うステップＦとを含む。

さらに、前記ステップＢは、同一水平断面に等間隔で環状分布される複数の直交点電極に基づき、隣接する電極を励起し、二極法による比抵抗検出を行うことを含む。

さらに、前記ステップＣは、同一方向において、垂直方向に等間隔で分布される複数の点電極に基づき、隣接する４つの電極を励起し、ウェンナー法により、スクロール測定を上から下まで順次行うことを含む。

さらに、前記ステップＤは、同一方向、垂直方向に等間隔分布される複数の点電極に基づき、垂直方向に線形分布される点電極に基づく検出のもとで、より大きな間隔をあけてウェンナー法によるスクロール測定を行うことを含む。

さらに、前記ステップＥは、三次元高密度比抵抗の現場モニタリングプローブの空間分布形態に基づき、複数の直交方向において、垂直方向に線形分布される点電極に基づくスクロール検出、複合点電極に基づく複数層拡張検出を順次行い、三次元立体空間分布規則を有する直交定方向検出データを取得することを含む。

従来技術と比較すると、本発明は以下の優位点及び好ましい効果を有する。

本発明は、インバージョンによってＺ軸方向以外の、少なくとも２つの同一直線上にない点電極比抵抗ベクトルを推定し、水平断面の検出、垂直方向のスクロール検出、複数層の複合検出、定方向の拡張検出を十分に合わせて、完全な三次元比抵抗動的モニタリング法を確立することで、ある特定の位置に海水の侵入があるか否か、さらにその侵入元の方向を判定することができる。当該方法では、さまざまな災害連鎖により引き起こされた特殊土壌における水分・塩分の移動規則及びメカニズムを提示し、沿岸域における水分・塩分移動の空間分布の動的変化プロセスに対して高分解能、高精度の現場長期モニタリングを実現する。

本発明の実施例における三次元比抵抗現場モニタリングプローブの構造分解図である。 図１−１のエンドカバーの構造を示す図である。 図１−１の主要制御キャビンの構造を示す図である。 図１−１のキャビン本体のコネクタ構造を示す図である。 図１−１の比抵抗センサーモジュール構造を示す図である。 図１−１のコーンチップコネクタ構造を示す図である。 図１−１のコーンチップ構造を示す図である。 本発明の実施例における絶縁リング、補機回路の取付構造を示す図である。 本発明の実施例における絶縁リング、補機回路の取付構造を示す別の図である。 本発明の実施例における各比抵抗センサーモジュールの取付構造を示す図である。 本発明の実施例における空間的な比抵抗交差インバージョン技術検出領域を示す図である。 本発明の実施例における水平断面に環状分布される点電極に基づく検出を示す図である。 本発明の実施例における垂直方向ウェンナー法による比抵抗検出を示す図である。 本発明の実施例における線形分布される電極に基づくスクロール検出を示す図である。 本発明の実施例における複合点電極に基づく複数層拡張検出を示す図である。 本発明の実施例における空間的な点電極に基づく定方向検出を示す図である。 本発明の実施例における鉛直方向のポジション分布特徴図である。 本発明の実施例における水平方向のポジション分布特徴図である。図では、電極位置は実点で、測定データのポジションは白丸で表される。 本発明の実施例における計算対象ポジション分布図である。図では、計算対象ポジションは＋記号で、既知のポジションは実点で、遷移点は白丸で表される。

図１−１から図１−７を参照すると、本発明は、三次元比抵抗現場モニタリングプローブを開示し、上から下まで、主要制御キャビン、キャビン本体コネクタ、プローブ及びコーンチップを含む。

本発明のプローブは、モジュール挿設構造を採用し、複数個の比抵抗センサーモジュール、キャビン本体コネクタ及びコーンチップコネクタを含む。図２から図４を参照すると、各比抵抗センサーモジュールは互いに重ね合わされた複数の絶縁リング１を含み、各絶縁リング１の頂部に突起構造１−１があり、突起と嵌合する溝構造が底部にあり、絶縁リングの頂面に４つの点電極溝１−２（６個や８個も設置可）及び２つの上下貫通孔を設けて、絶縁リングの位置決めスタッド２を挿設するために使用され、点電極溝は、前記絶縁リングの外周縁部に位置し、コーンチップコネクタの先端に、比抵抗センサーモジュールを装着するための位置制限スタッド３を２本設け、キャビン本体コネクタに、主機キャビンに合わせる接続端を設ける。

比抵抗センサーモジュール、位置決めスタッド及び位置制限スタッド、主要制御キャビン本体などの強度材料は、ＰＥＥＫ２０００材料（３０％繊維を添加した中粘度ポリエーテルエーテルケトン、炭素繊維又はガラス繊維強化化合物）、点電極は塩化銀めっきの真鍮材料を採用する。

組立では、２つの位置決めスタッドの底端にナットをはめ込み、補機回路基板を固定し、点電極を装着した絶縁リングを重ねて位置決めスタッドにセットし、頂部をナットで締め付けることで、比抵抗センサーモジュールの組立は完了する。次に複数の比抵抗センサーモジュールを２本の位置制限スタッドに順次セットし、キャビン本体コネクタを介して頂端を主機キャビンに接続し、底端を前記コーンチップに接続する。

本実施例の三次元比抵抗現場モニタリングプローブ主体部分の外径はφ７０ｍｍ、有効なモニタリングの長さは８００ｍｍ、全長は１２００ｍｍである。点電極は、水平方向において等間隔で４箇所環状分布され、垂直方向において等間隔、線形分布され、間隔は５ｍｍである。各水平断面は４個の電極を含み、断面垂直方向の分布は１６０個で、合計６４０個の電極がある。

本実施例の三次元比抵抗現場モニタリングシステムは、主機補機型データ収集制御構造を採用し、複数の電極配列方式の検出と高速切り替えを実現することができる。主機キャビン内の主機回路は、機能構造として、データ伝送、格納、制御、通信、給電などのユニット（給電はセル内蔵を採用する）を含み、定電流（０．０１Ａ／０．１Ａ／１Ａ／５Ａ）、定電圧（０．１Ｖ／０．５Ｖ／２Ｖ／１０Ｖ）の２つの給電モードを提供することができる。主機回路本体は、水密性コネクタを貫通するバス構造により、プローブ内部の各補機に接続される。なお、主機は、エンドカバーに取付可能な水密性コネクタを介して、ホストコンピュータ間でコード修正、リアルタイムな通信、データ伝送、パラメータ調整、バッテリー充電などの機能をスムーズに実行することができる。

補機はプローブ内部に組み込まれ、毎補機ユニットの長さは８０ｍｍであり、接続ピンを介して、１６個の水平断面にある６４個の点電極に順次接続され、これらの６４個の電極の電源励起とデータ収集を実現する。補機は、機能構造として、データ収集、伝送、電極切り替えなどの機能を含み、電極切り替えは、主に複合スイッチ変換行列により、さまざまな電極配列方式、さまざまな層数の検出を実現する。

具体的に検出は、以下のステップを含む。

（１）水平断面に環状分布される点電極に基づく検出

図６に示すように、同一水平断面に等間隔で環状分布される複数の直交点電極に基づき、隣接する電極を励起し、二極法による比抵抗検出を行う。各水平断面に４つのデータ測定点が与えられ、各層の水平断面について順次測定を行い、空間測定分解能は３．５×２０．５ｍｍ≒４．９５ｍｍとする。最後、二極法の断面測定により、合計４個・層×１６０層＝６４０個の近接プローブ、均一に分布される測定点データが得られる。

（２）垂直方向に線形分布される点電極に基づくスクロール検出

図７に示すように、同一方向において、垂直方向に等間隔で分布される１６０個の点電極に基づき、隣接する４つの電極を励起し、ウェンナー法により測定を行う。図７と図８に示すように、上から下まで、スクロール測定を順次行う。空間分解能は５ｍｍ、各線形分布に１６０−３＝１５７個の測定点データが与えられる。

（３）複合点電極に基づく複数層拡張検出

図９に示すように、同一方向、垂直方向に等間隔分布される１６０個の点電極に基づき、垂直方向に線形分布される点電極に基づく検出のもとで、より大きな間隔をあけてウェンナー法によるスクロール測定を行う。第Ｎ層（Ｎ≦４０）の測定点について、空間分解能は５ｍｍ×Ｎ、水平検出距離は０．５×（５ｍｍ×Ｎ）とする。測定点の個数は１６０−１−２×Ｎ＝１５９−２Ｎ個である。第１層から第４０層まで、測定点の総個数は５９４０個である。

（４）空間的な点電極に基づく定方向検出

図１０に示すように、三次元高密度比抵抗の現場モニタリングプローブの空間分布形態に基づき、４つの直交方向において、垂直方向に線形分布される点電極に基づくスクロール検出、複合点電極に基づく複数層拡張検出を順次行い、三次元立体空間分布規則を有する直交定方向検出データを取得する。

（５）空間的な比抵抗交差インバージョン

上記複合点電極交差検出データをまとめて、間的な内挿を行い、完全な立体空間検出データを取得する。図５に示すように、上記方法の検出特徴をまとめると、最後に得られた比抵抗検出空間分布は、１つの規則的な楕円球であることがわかる。その内部はプローブの水平距離に近いほど、データの空間分解能が高くなる。これに基づいて、本システムに適する空間的な比抵抗交差インバージョン技術を確立し、インバージョンにより比抵抗空間の分布状況を推定し、水分・塩分移動の空間分布の動的変化過程を正確的に取得する。

具体的なプロセスは以下の通りである。

複合電極に基づく高空間分解能の交差検出装置は、合計１６０個の断面垂直方向の分布があり、各水平断面に４個の電極があり、検出装置は６４０個の電極がある。

検出装置で検出された比抵抗ポジションは、鉛直方向構造及び水平構造に分けられる。鉛直方向構造については、等間隔（ｎ倍の両点間の距離）の４つのポジションを任意選択し、ウェンナー法による比抵抗測定を行うことができる。すなわち、一番上のポジションを送信電極とし、一番下のポジションを受信電極とし、中央の２つのポジションを測定電極とする。それにより、検出装置の片側に１５７個の既知の比抵抗ポジションがある。同様に、検出装置の他の三側において、各側に１５７個の既知の比抵抗ポジションがある。水平位置において、各層にいずれも４個の直交分布される電極があり、隣接する２つのポジションの間で、二極法を用いて比抵抗検出を行うことで、１個の既知のポジションの比抵抗値が得られ、１つの水平面内に４個の既知のポジションの比抵抗値が得られる。合計１６０層の水平方向構造であれば、１６０×４＝６４０個の既知の比抵抗ポジションが得られる。そうすると、装置全体は、１５７×４＋６４０＝１２６８個の既知のポジションの比抵抗値が得られ、検出されるポジションは１つの球体範囲内に含まれ、その分布特徴は図１１−１と図１１−２に示す。

図１２に示すように、球体空間内において、既知の１２６８個のポジションの比抵抗値について、球体空間内の任意の１つのポジションの比抵抗値を推算しなければならない。本実施例では、当該ポジションを囲むための最も近い４つのポジション（距離の一番近いもの）を参照点とする。

［１］遷移点比抵抗の大きさを求めるには、

ρ₁＞ρ_２の場合、式中の「±」をマイナス記号に置き換え、逆の場合、プラス記号に置き換え、ρ_３＞ρ_４、の場合、式中の「±」をマイナス記号に置き換え、逆の場合、プラス記号に置き換え、

は第一遷移点比抵抗、

は第二遷移点比抵抗であり、ρ_１、ρ_２、ρ_３及びρ_４は既知のポジションであり、

［２］２つの遷移点で計算対象ポジションの比抵抗を求めるには、

の場合、式中の「±」をマイナス記号に置き換え、逆の場合、プラス記号に置き換える。

以上で述べたことは、本発明の好ましい実施例に過ぎず、本発明のその他の形態を限定するものではなく、当業者が上記で開示した技術内容に基づいて同等の効果が得られる改変又は改造を行い、実施例を他の分野に応用するとしても、すべて本発明の技術案の内容を逸脱することはなく、本発明の技術的要素に基づいて以上の実施例に対して行う何らかの簡単な修正、同等変化及び改造はいずれも本発明の技術案の保護範囲に属する。

Claims (4)

1. 複合電極に基づく高空間分解能の交差検出方法であって、
   インバージョンによってＺ軸方向以外の、少なくとも２つの同一直線上にない点電極比抵抗ベクトルを推定するステップＡと、
   水平断面に環状分布される点電極に基づく検出を行うステップＢと、
   垂直方向に線形分布される点電極に基づくスクロール検出を行うステップＣと、
   同一方向、垂直方向に等間隔分布される複数の点電極に基づき、垂直方向に線形分布される点電極に基づく検出のもとで、より大きな間隔をあけてウェンナー法によるスクロール測定を行うという複合点電極に基づく複数層拡張検出を行うステップＤと、
   三次元高密度比抵抗の現場モニタリングプローブの空間分布形態に基づき、複数の直交方向において、垂直方向に線形分布される点電極に基づくスクロール検出、複合点電極に基づく複数層拡張検出を順次行い、三次元立体空間分布規則を有する直交定方向検出データを取得するという空間的な点電極に基づく定方向検出を行うステップＥと、
   上記複合点電極の交差検出データにより、空間的な内挿を行い、完全な立体空間検出データを取得するという空間的な比抵抗交差インバージョンを行うステップＦとを含むことを特徴とする方法。
2. 前記ステップＢは、同一水平断面に等間隔で環状分布される複数の直交点電極に基づき、隣接する電極を励起し、二極法による比抵抗検出を行うことを含むことを特徴とする請求項１に記載の複合電極に基づく高空間分解能の交差検出方法。
3. 前記ステップＣは、同一方向において、垂直方向に等間隔で分布される複数の点電極に基づき、隣接する４つの電極を励起し、ウェンナー法により、スクロール測定を上から下まで順次行うことを含むことを特徴とする請求項１に記載の複合電極に基づく高空間分解能の交差検出方法。
4. 前記ステップＦは、
   ［１］遷移点比抵抗の大きさを求める時に、
   

   

   

   ρ₁＞ρ_２の場合、式中の「±」をマイナス記号に置き換え、逆の場合、プラス記号に置き換え、ρ_３＞ρ_４の場合、式中の「±」をマイナス記号に置き換え、逆の場合、プラス記号に置き換え、
   

   

   は第一遷移点比抵抗、
   

   

   は第二遷移点比抵抗であり、ρ_１、ρ_２、ρ_３及びρ_４は既知のポジションであり、
   ［２］２つの遷移点で計算対象ポジションの比抵抗を求める時に、
   

   

   

   の場合、式中の「±」をマイナス記号に置き換え、逆の場合、プラス記号に置き換えることを含むことを特徴とする請求項１に記載の複合電極に基づく高空間分解能の交差検出方法。

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