JP2939334B2 - 可聴周波以下の低周波磁気測定装置 - Google Patents

可聴周波以下の低周波磁気測定装置

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Description

【発明の詳細な説明】 背景技術 本発明は物理探査（geophysical exploration/invest
igation）および他の各種地下調査用の方法および装置
に関する。より詳細には、時間的原点（temporal origi
n）および空間的原点からの磁気異常（magnetic anomal
ies）を同時に測定できかつ簡便に識別できる装置に関
する。本装置によれば、ただ１回の操作とただ１つの感
知装置によって、大地に関するいくつかの電気パラメー
タおよび磁気パラメータを決定し、その分布を作成する
ことができる。本装置は各測定値を十分に実用的な速さ
で取得することができるので、いまや1m又はそれ以下の
間隔で定形的に測定値を記録することがきるようにな
り、そのような記録動作をすることより地表面に近いと
ころでの物理探査に於いて極度に高い精度を得ることが
できるようになった。このような情報は地質図の作成に
有用であり、更に鉱床、地下水、石油のような資源の位
置と、パイプライン、地雷（explosive ordnance）、考
古学的貴重品のような人工埋設物の位置を知るために有
用である。
物理探査の方法には、組成物の変化の測定および調査
対象地域の大地の構造に関係して変わる物理的特性の測
定が含まれている。前記物理的特性には、密度、磁化率
や残留磁気、地震波の速度、電気伝導度や分極率（pola
rizability）ほか多数の特性が含まれている。地球物理
学の文献にはこれらのパラメータを個別に測定する各種
装置が説明されている。物理探査の方法では一般に、こ
れらの物理的特性に関して次の２種類の特性値が測定さ
れている。
1.磁気特性 大地の磁場は空間的かつ時間的に変化する。物理探査
に対して、この磁場を利用するいくつかの方法が従来の
技術の中で確立されている。例えば、調査地域の中のい
くつかの地点に於ける大地の磁場の大きさを決定するた
めに磁気検出器が最も普通に使用されてきた。前記調査
地域全面で起こる大地の磁場の空間的変化は、その近く
にある定置基準点（stationary reference point）で同
時に測定された磁場の値を各測定値から減算することに
より分離することができる。この磁場の空間的変化は大
地の磁気特性の変化に定量的関連がある。
2.電気特性および電磁特性 電気抵抗率、電磁分極および強制分極（induced pola
rization）の分布図作成（mapping）方法は地球物理学
の文献に見られる多数の論文の中で説明されている。こ
れらの方法によれば、人工的な直流電源あるいは誘導電
源から、あるいは自然によって、大地中に電流が生成さ
れる。電流の流れは、確立済みの電気法則および電磁気
法則に従った挙動をする。例えば、電流はより電気伝導
度の高い物質の中を優先的に流れ、誘導電流が交流であ
れば、電流の流れも周波数対深度の関係（frequencydep
th relationship）に従う。またこれも知られているの
は、大地の中に人工的電流を生成すると、存在する物質
の組成と周波数対深度の関係によって変わってしまうほ
どの分極効果が発生するということである。
各種の異なる効果に対しては各種波形の人工電源電流
が使用可能である。大地に接触して設置された電極間の
電位差を１点づつ測定し、大地に流れる電流によって生
じる２次電磁場を測定し、更に送出した波形と受信した
信号の間の位相を測定することは、すべて以前から個別
にあるいは組み合わせて、地下の電気特性の分布を作成
するために使用されてきたのである。
直流による測定の場合、大地に電極を配置した場所を
１点づつ測定しなければならなかった。この場合、電極
の幾何図形的配列を考慮することが必要となる。電極を
使用することに付随して生ずる制限事項は、大地の中に
必要な電流を発生させるため誘導電源（inductive sour
ces）を適用することによって回避される。大地中に流
れる電流から生ずる２次電磁場の個々の成分は一般に誘
導コイル形受信器により測定される。誘導電源と受信器
が使用される場合、本方法は移動形方法、即ち、海上あ
るいは空からの利用方法に適用できる。誘導形手法を使
用する場合、送信器と受信器の位置について配慮する必
要があった。
発明の開示 本発明では、大地の磁気特性、電気特性、または電磁
特性に関連して、いくつかのパラメータを測定するため
に、ただ１つのトランスデューサを使用する装置が設計
されているが、同時にコスト、時間および複雑性に於い
て本質的節減を伴う設計となっている。
前述の磁気特性、電気特性、または電磁特性は、本発
明により指定される前記装置により同時に調査される。
一般的に言って、本発明は地下の調査に対する手段あ
るいは方法であって、磁気検出器をほぼ一定の所定の高
さに保持し、かつ所定の最高速度を越えない横断速度
で、調査地域を横断することによって、更に横断速度お
よび検出器の高さによって決まる高カットオフ周波数
（high frequency out off）より低いかまたはそれに等
しい周波数を含む、磁気時間信号（magentic temporal
signal）あるいは電磁時間信号を測定することによっ
て、空間的に変化する磁場あるいは電磁場が決定される
という手段あるいは方法として説明することができる。
本発明では、単に調査地域を横断するだけで空間的磁
気異常を時間信号として測定できる。位置情報は内蔵の
路程計（odometer）あるいは他の位置ぎめ装置から得ら
れる。移動する磁気センサーから得られるこの時間信号
は高カットオフ周波数を有し、この高カットオフ周波数
は前記センサーの地表からの高さと、前記センサーが動
く速度に関係している。
地表からほぼ一定の高さＥで動作し、最高速度Ｓで移
動する磁気検出器を想定されたい。本発明の発明者は、
空間的原点の磁場の低域カットオフ周波数Ｆは近似的に
次の関係によって与えられることを決定した。
Ｆ＝S/2E 方程式1. したがって、地表から1mの高さで、かつ2m/secで横断
する磁気センサーからの時間信号は1Hz未満又は約1Hzの
とき20dbのカットオフとなる。
この周波数以下で自然に発生する磁場の時間的変化
は、同期している定置磁気センサー（stationary magne
tic sensor）を参照する事により都合よく除去される。
したがって、本発明の１つの好適実施例には、同期し
て動作する定置磁気センサーから大地の磁場の時間的変
化を得て、それを測定した信号から減算すること同時に
行うステップの方法、あるいは追加手段が更に含まれて
いる。
誘導電源あるいは直流電源、あるいはその組み合わせ
又はその両方により発生させられた人工的誘導磁場は適
切な磁気センサーにより同時に測定される。人工的信号
は空間的原点の信号の最高周波数Ｆよりも高い周波数に
限定されるという条件ならば、地中の空間的電源に起因
する信号は人工的電源に起因する信号から都合よく取り
除かれる（filtered）。
低域濾波器を通ったデータは位置ぎめ装置により決定
される規則的な距離を置いて再サンプルされ、サンプリ
ングの理論に従って前記空間的磁場を適切にサンプリン
グするように選択される。一般に、前記距離間隔はセン
サーの高さにほぼ等しい。再サンプルされたデータは記
録される。
高域濾波器を通ったデータはスペクトル分析され、前
記スペクトルの関連パラメータも規則的な距離間隔を置
いて記録される。関連パラメータには一般的に、人工的
に発生させた電磁場に現れる各成分周波数の振幅と位相
が含まれている。
記録された空間的磁場および２次電磁場のスペクトル
・パラメータは、該当調査地域の望ましい磁気分布およ
び電気分布をつくるために調査の専門家によって後で分
布される。
人工的に誘導された信号の中の直流から最高周波数迄
の帯域内の磁場の変化を検出するためには、感度と周波
数応答に関する要求仕様を満足する適切な磁気センサー
でなければならない。
このような測定に便利なセンサーは光ポンプ装置（op
tically pumped device）であり、この装置は周囲の磁
場の大きさによって決まる周波数に共鳴する。ある限界
内ならば、この形のセンサーは位置に関係なく動作する
ので、以前に使用されていた電磁検出器の動作に共通す
る制限は回避されている。
例のみによって、本発明の好適実施例を添付の図面を
参照して説明する。
第１図は、本発明の実施例の動作モードを示す流れ図
である。
第２図は、本発明１方法が効果を発揮する調査地域の
計画概略図である。
調査する地域１は、おそらく数km四方の大きさであ
り、まず第１に用意することは目的に合った送信器２の
セットアップである。送信器２は、電源と電気波形発生
器３および電極４を有する直流形送信器2aから構成され
るか、または、誘導コイルあるいはアンテナと、付随す
る電源、および波形発生器３を含む誘導形送信器2bから
構成される。いずれの場合も、送信される波形には、方
程式１に定義されるＦとディジタル磁力計の最高周波数
応答との間の範囲にある周波数だけが含まれていなけれ
ばならない。両方の形の送信器を組み合わせ、上に定義
した帯域内の各種波形の周波数で動作する送信器も、あ
る条件では有利に使用される。便利なように、予め選択
した横断線は、調査地域１を覆う適切な回路網を形成す
るとともに、調査作業を実行する職員に示されている。
好適に光ポンプ磁気共鳴装置から構成された磁場トラ
ンスデューサは、人手あるいは自力推進形走行車によっ
て、実質的に一定の高さで所定の横断線に沿って運搬さ
れる。この間、木綿糸形あるいは無線形のような高精度
の路程計装置は前記トランスデューサの正確な位置情報
を与える。
トランスデューサ６からの信号はカウンター７によっ
て処理され、実時間で検出された磁場強度を表すディジ
タル信号に変換される。次にこの信号はディジタル濾波
器８に通され、高周波数成分と低周波数成分に分けられ
る。濾波器８の分離周波数Ｆは最高横断速度とセンサー
の高さの組み合わせが定義されたとき、方程式１に従っ
て既に選択されていたであろう。
空間的異常に該当する低周波数成分は、規則的な位置
増分で再サンプラ９により再サンプルされるが、この位
置増分は地表からのセンサーの高さを超過してはならな
い。測定値の取得時刻も記録されるため、大地の磁場に
自然に起こる時間的変動は同期して動作している定置基
準磁力計から記録されており、後の段階で減算すること
ができる。送信器により大地を通して流される電流によ
って起こる２次電磁場に該当する高周波成分は、信号増
幅手法（signal enhancement techniques）とスペクト
ル分析を含む10でディジタル的に処理される。規則的な
位置増分のもとで、送信した各周波数の振幅が記録用
（と後の使用のため）および即時読み出し用に再び作り
出される。ある種の亜土壌特性（sub soil propertie
s）の分布図をつくる場合は、源信号と検出された信号
の間の位相のシフト量に関する尺度を取得することが望
ましい。したがって、無線周波タイミング回線あるいは
同様な同期装置を含めても良いし、複雑なスペクトル分
析器をディジタル処理に使用しても良い。ついで、それ
ぞれの送信済み信号周波数の位相情報は前記振幅情報と
共に記録される。
また、測定指導者のすぐの用に役立てるために、予め
定められた望ましい形式、例えばグラフあるいはディジ
タル読み出しの形式による実時間表示装置を提供するこ
とができる。
このように、作り出されたかつ任意に記録された情報
により、調査専門家は確立済みの前記方法を使って、調
査地域の磁場分布、電気伝導度分布またはその他の分布
を作成することができる。しかし、この変化する情報を
ただ１つのトランスデューサにより、非常に速い速度
で、従って非常に少ない費用で収集することが今や可能
となったのである。以前ならば、各種の機器を使用して
多数の個別測定を実施し、次の測定地点に移動する前に
それら測定値を記録する必要がしばしばあったのに対
し、前記１つの測定装置により連続的にすべての必要な
情報を測定し、分析し、更に記録しながら前記調査地域
を迅速に横断することが可能となったのである。
横断速度は磁気検出器の周波数応答とディジタル処理
装置の能力により一部制限されているが、使用可能な技
術により、センサーの高さおよび測定間隔が1mの状態
で、10km/hのオーダーとなっている。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 カタック，マルコルム ケイ. オーストラリア国2351 ニュー サウス ウェールズ，アーミデール，ユニバー シティ オブ ニュー イングランド, ジオフィジカル リサーチ インスチチ ュート (72)発明者 リー，スチーブン ジェイ. オーストラリア国2351 ニュー サウス ウェールズ，アーミデール，ユニバー シティ オブ ニュー イングランド, ジオフィジカル リサーチ インスチチ ュート (56)参考文献 米国特許3889181（ＵＳ，Ａ) 米国特許2777112（ＵＳ，Ａ) 米国特許4021725（ＵＳ，Ａ) 米国特許4675606（ＵＳ，Ａ) 米国特許4727329（ＵＳ，Ａ) 米国特許4814711（ＵＳ，Ａ) 米国特許4939460（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01V 3/17 G01V 3/165 G01V 3/08 G01V 3/38

Claims (17)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】地下調査の為に集められた地下データを処
    理する方法であって、該地下データは、携帯磁気検出器
    をほぼ一定の所定の高さに保持し且つ所定の最高速度を
    越えない横断速度で調査地域を横断する事によって同時
    に記録される、空間的に変化する磁界及び時間的に変化
    する電磁界を表わし、該処理方法は、調査データを表わ
    す信号を横断速度及び検出器の高さで決まるカットオフ
    周波数で分けられる二つの周波数成分に分け、第１の周
    波数成分はカットオフ周波数に等しいか或いはより低い
    周波数成分より成り且つ上記の空間的に変化する磁界を
    表わし、第２の周波数成分はカットオフ周波数に等しい
    か或いはより高い周波数成分より成り、且つ上記の時間
    的に変化する電磁界を表わし、二つの成分は調査地域の
    地下特性を決める様に別々に処理される事を特徴とする
    処理方法。
  2. 【請求項２】請求項１に記載の方法であって、カットオ
    フ周波数はＦ＝S/2Eで限定され、ここでカットオフ周波
    数はＦで与えられ、所定の最高速度はＳで与えられ、ほ
    ぼ一定の所定の検出器の高さはＥで与えられる事を特徴
    とする方法。
  3. 【請求項３】請求項２に記載の方法であって、Ｅはほぼ
    1mであり、Ｓはほぼ2m/secであることを特徴とする方
    法。
  4. 【請求項４】請求項１−３のいずれかによる方法であっ
    て、定置磁気センサーで測定される補足データが設けら
    れ、該補足データは前記カットオフ周波数より低い周波
    数を有する磁界内の時間変化を表し、空間的に変化する
    磁界を表す信号から調査の間に生じるいかなる低周波の
    磁場の時間的変化の効果を減少するか或いは取り除く様
    に、前記方法は調査データ或いは第１の成分を表す信号
    から補足データを減ずるステップより成る事を特徴とす
    る方法。
  5. 【請求項５】請求項１−４のいずれかによる方法であっ
    て、前記第１の信号成分は前記検出器の高さにほぼ等し
    いか又はそれより短い所定の規則的な横断距離を表す点
    で再サンプルされる事を特徴とする方法。
  6. 【請求項６】請求項１、２、３又は５のいずれかによる
    調査データを処理する方法であって、調査地域の横断は
    携帯磁気検出器で行われ、処理は同時に横断によって行
    われる事を特徴とする方法。
  7. 【請求項７】請求項６に記載の方法であって、前記磁界
    及び電磁界に於ける低周波の時間的変化を測定する定置
    磁気センサーを設けるステップと；空間的に変化する磁
    界を表す信号から調査の間に生じるいかなる低周波の磁
    場の時間的変化の効果を減少するか或いは取り除く様に
    第１の信号成分から前記定置磁気センサーの出力信号を
    減ずるステップとを有する事を特徴とする方法。
  8. 【請求項８】請求項１−７のいずれかによる方法であっ
    て、前記カットオフ周波数よりも高い周波数の人工的信
    号を使用して前記調査地域の中に人工的誘導磁場を与え
    るステップと；前記人工的誘導磁場を前記第２の成分と
    して測定するステップとを有する事を特徴とする方法。
  9. 【請求項９】第１に所定のカットオフ周波数より下の周
    波数範囲を有する第１の信号成分、及び第１に所定のカ
    ットオフ周波数より上の周波数範囲を有する第２の信号
    成分より成る信号を出力する携帯磁気検出器より成る地
    下調査の装置であって、信号処理手段が該携帯磁気検出
    器よりの信号を受信する様に配置され、該信号処理手段
    は上記第１及び第２の信号成分を分け、各成分を記録す
    る様に配置され、選択されたカットオフ周波数は該検出
    器の所定の最高横断速度及び動作の高さで決められる事
    を特徴とする装置。
  10. 【請求項１０】請求項９に記載の装置であって、カット
    オフ周波数選択手段は周波数ＦがＦ＝S/2Eに設定される
    様に配置され、ここでＥは該検出器の高さ、Ｓは最高横
    断速度である事を特徴とする装置。
  11. 【請求項１１】請求項10に記載の装置であって、Ｅはほ
    ぼ1mであり、Ｓはほぼ2m/secである事を特徴とする装
    置。
  12. 【請求項１２】請求項９、10又は11に記載の装置であっ
    て、分けられた第１及び第２の信号成分及び横断距離信
    号を受信し、リアルタイムで記録手段に分けられた情報
    を高め処理し記録するよう配置されるオン・ボード処理
    装置を更に有する事を特徴とする装置。
  13. 【請求項１３】請求項９−12のいずれかによる装置であ
    って、時間的に変化する電磁場を人工的に調査地域に誘
    導し、該時間的に変化する電磁場は第２の測定信号成分
    に対応する事を特徴とする装置。
  14. 【請求項１４】請求項９−13のいずれかによる装置であ
    って、時間的に変化する磁界や電磁界を測定する定置磁
    気検出手段、及び第１の信号成分から該定置磁気検出手
    段で測定された信号を減ずる処理装置を更に有する事を
    特徴とする装置。
  15. 【請求項１５】請求項９−14のいずれかによる装置であ
    って、横断距離を測定し横断距離基準信号出力を処理手
    段に引き続いて供給する様なオン・ボード装置を更に有
    する事を特徴とする装置。
  16. 【請求項１６】請求項15による装置であって、分離した
    信号及び横断距離信号を受信し、リアルタイムで分けら
    れた情報を高め処理し記録する様に適用される装置。
  17. 【請求項１７】請求項９−16のいずれかによる装置であ
    って、磁気検出器が搭載される車両を更に含み、該車両
    は所定の一定速度及び所定の一定の検出器高さで磁気検
    出器を調査地域へ輸送する様に配置されている事を特徴
    とする装置。
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