JP5670323B2 - 位相ベースの検知 - Google Patents

Description

本発明は、問い合わせ信号の位相変化を利用して検知パラメータを決定するセンサに関するが、特に、光ファイバ干渉検知に限定されない。本発明は、地震探査の測量や画像化の分野の特定の用途に利用される。

光ファイバセンサは、検知パラメータにより光ファイバに歪みがかかるように配置された光ファイバ長を使用する。一般には、ファイバはコイル内に配置されるが、他の配置も可能である。このような歪みはファイバで伝播する光信号の位相変化を発生させ、この変化は干渉法によって検知できる。このタイプの変換器のさまざまな配列は以前に提案されており、このタイプの変換器の多くは、検知振動などの検知パラメータに応答して半径方向の膨張もしくは収縮を受ける変形コアまたはマンドレルに巻き付けられた光ファイバのコイルを有する。

このような光ファイバセンサは、極めて高い感度を示すことができ、完全に受動的であり、検知変換器にパワーを全く使用しないという利点がある。また、このようなセンサは、大型アレイのセンサが必要な用途では、比較的容易に多重化できるという理由で一般的であることがわかった。

このような用途の一例は、石油ガス探鉱業界における地震探査であり、数百または数千もの震動センサおよび／またはハイドロフォンを備える大型の時分割多重アレイが海底の下の地層からの入射パルスの反射を検知するのに使用されることができる。このようなアレイを規則的な周期でサンプリングすることで、既存のまたは可能性のある新しい条件での３Ｄの経時的データが得られる。

より詳細には、高振幅の震源（通常は、エアガン）が（知られているまたは潜在的な）油田の上面全体を引いて、一定間隔で震源を発射し、震源からの反射応答が、震源と共に引かれた、または海底に位置決めされたセンサを使用して監視される。最初にエアガンがセンサに発射されたときのエアガンからの直接信号（非常に高振幅）と、その領域内地下の地層から反射された地震応答（かなり低振幅）との両方を直接測定できるのが望ましい。センサ出力と時間との関係の２つの例が図１に示されている。上の図では、エアガンが下の図の場合よりもセンサにより近く、それに対応して、信号の振幅も大きくなる。グラフの左側のセンサ出力の大きな変動は、センサに作用する震源からの直接信号を表す。ほとんど動作していない短い間隔の後、右側のセンサ出力の小さな変動は、センサによって検知された地下の地層からの地震応答を表す。

国際公開第２００８／１１０７８０号 国際公開第２００９／００７６９４号

この検知手法の問題は、所与のサンプリングレートに対して、一定の振幅閾値を超える信号が位相ベースの検知情報を歪めさせ、復調プロセスに支障をきたす可能性があることである。一般に、オーバーローディングまたはオーバースケーリングと呼ばれるこの影響は、測定された信号の周波数に依存する。地震探査システムにおいては、この影響は、震源に対してセンサの向きを決定するのに使用される入射パルスの直達に関する特定の問題を引き起こす可能性がある。これは、特に、パルスがセンサ近くで生成されたときに当てはまるが、それより広い範囲では、直達信号でさえもオーバースケールされない場合がある。この入射パルスを、オーバースケーリングが引き起こす可能性のある歪みなしに記録できるのが望ましい。

センサ信号を検知し処理するための改良型の方法および装置を提供することを本発明の全体的な目的とし、多重光ファイバセンサアレイを使用して検知するための改良方法および装置を提供することを本発明の特定の実施形態の目的とする。

本発明の第１の態様によれば、位相ベースの変換器を使用する検知方法を提供する。この検知方法は、変換器応答を表す複数の信号であって、異なる感度を有する複数の信号を提供するステップと、少なくとも１つの前記信号を使用して変換器応答の振幅値を決定するステップと、前記値に基づいて、異なる感度の１つまたは複数の信号を使用して検知出力を提供するステップとを含む。

このようにさまざまな感度の多数の異なる信号を提供することによって、コンポジット信号が生成され、この信号によって、全ての位相および地震応答と直達信号との両方の振幅が信号レベルの全ての範囲にわたって必要とされる精度までわかるようになる。上述のような地震探査の測量の場合、全ての実用範囲において直達信号と地震応答とが得られることが可能である。

特定の実施形態では、複数の感度信号は信号検知要素から得られる。例えば、ハイドロフォンまたは加速度計の場合、検知ファイバコイルの各々の検知出力に対応する信号に対して、ほぼ同時に複数の感度が得られる。このような実施形態により、時変データ出力が、各時間における複数の異なる感度のデータと共に、各センサ要素から取得できるようになる。これは、複数の必要な感度に対応して各々のセンサ位置に複数の検知要素を配設しなくても取得できる。３つ以上、さらには４つ以上の異なる感度を有する本発明の実施形態が有利であることがわかった。

本発明のさらなる態様は、伝搬媒体によって信号源から発せられた信号を検知するようになされたセンサ配列を較正する方法を提供する。前記方法は：
（ａ）初期センサ感度を提供するステップと、
（ｂ）信号の特徴と知られている伝播条件とに基づいて、前記感度のセンサからの出力がオーバースケールとなる範囲を決定するステップと、
（ｃ）前記範囲において、必要とされるＳＮＲを提供する最も低いセンサ感度を決定するステップと、
（ｄ）最小の必要範囲に達するまでステップ（ｂ）と（ｃ）とを繰り返すステップとを含む。

本発明の範囲は、実質的には、本明細書内で添付図面を参照して説明されるように、方法、装置および／または用途にまで及ぶ。

本発明の一態様の任意の特徴は、任意に適切に組み合わせて、本発明の他の態様に適用されてもよい。特に、方法態様は装置態様に適用されてもよいし、またその逆も言える。

さらに、ハードウェアに実装される特徴は、一般に、ソフトウェアに実装されてもよいし、またその逆も言える。本明細書では、適宜、任意でソフトウェアの特徴およびハードウェアの特徴に言及していると解釈されるべきである。

センサ出力と時間との関係の２つの例を示している。 周波数多重システムからの応答を示している。 ２つの感度を有するセンサを効果的に製造するためにさまざまな方法で組み合わされる出力を有する光センサを示している。 国際公開第２００８／１１０７８０号に示されるようなセンサパッケージの問い合わせを示す。 光入力信号が光学伝送段５０２で生成され、複数のセンサコイルを含むセンサパッケージ５０４に入力される光学機構を示す。 入射信号に応答してさまざまな感度の４つの出力を示している。 オーバースケールレベル（すなわち、連続サンプル間の位相変化がｐｉ／２を超える回数）および全ての可能なタイプのセンサ出力における信号／雑音比を算出することができる較正方法を示すフローチャートである。 ３つのセンサ出力に対して説明されている手法を示している。

添付図面を参照して、ほんの一例として本発明の好適な特徴を説明する。

オーバースケールは、一般に、任意の位相検出システムの測定帯域幅が超過したときに、システムにおける位相のトラッキングのロスとして定義されることができる。オーバースケールは、任意の位相ベースのシステムに生じる可能性があるが、本明細書では光システム、特に、地震測定に使用される光ファイバセンサシステムに関して説明されている。光システムでは、オーバースケール自体は、システムがどの程度多重化されているかに応じてさまざまな形で現れる可能性がある。

周波数多重システムでは、多数のセンサが異なるキャリア周波数で連続して問い合わせされる。周波数多重システムからの応答は、図２に示されている。検知される信号は、およそ各々のキャリア周波数で位相変調として搬送される。各々の信号の許容帯域幅は、キャリア周波数ｆｃに等しい。各々の信号が占める周波数帯域幅は、その信号の振幅と周波数とが増加するにつれて増加する。帯域幅が許容システム帯域幅を超えると、オーバースケールが生じる。この場合、オーバースケール自体は、振幅歪みとセンサ間の潜在的なクロストークとの組み合わせとして現れる。

時分割多重光システムでは、各センサは、（一般には、物理センサ配列によって設定された）一定時間間隔で光学的にサンプリングされる。典型的なシステムでは、サンプル間の時間間隔は、約５マイクロ秒とすることができる。システムが位相のトラッキングを十分に維持するために、連続する光サンプル間の光位相変化はπ／２未満である必要がある。この閾値を超えると、位相アンビギュイティが現れ、オーバースケール状態が生じることになる。

異なる感度のセンサ出力信号を提供するのに、さまざまな技術が採用を採用することができる。

１つの方法は、異なる位相感度を有するように機械的に設計された多数のセンサと共に光多重化する方法である。加速度計の場合、異なる感度の光装置は、同じ寸法であるが異なる地震質量部を有するセンサを使用して構成されることができる（加速度計の感度は加速度計の地震質量に直接比例する）。例えば、加速度計Ａはタングステン質量部が使用され、加速度計Ｂは同じでなく、約１／５の密度のアルミニウム質量部が使用される場合、センサＡはセンサＢの感度の５倍となる。光センサがハイドロフォンである場合、感度はファイバが巻き付けられるマンドレル（管）の厚さおよび／または材料特性を変えることで変化する可能性がある。感度変化は、得られる剛性の変動によって引き起こされる。異なる感度センサは、時分割周波数多重化のようなよく理解されている技術を使用して、まとめて光多重化することによって組み合わされる。

代替方法は、平衡センサ技術である。２つの感度を有するセンサを効果的に製造するためにさまざまな方法で組み合わされることができる出力を有する光センサを構成することができる。このようなセンサは図３に示されている。

センサは、地震観測質量部３０４を含むカン３０２を備える加速度計であり、地震観測質量部３０４は、カン３０２の上部および底部に取り付けられた２つのスプリング３０６、３０８（例えば、従属シリンダ）の間に配置され、スプリングの各々は周囲に巻き付けられたファイバコイル３１０、３１２を有する。カンがスプリング軸に沿って少なくとも１つの成分の振動を受けると、一方のスプリングが収縮され、他方が伸ばされる。したがって、それに応じてファイバコイルの長さは、一方が収縮され、他方が伸ばされる。光信号３１４、３１６は、別々に各コイルを通過し、光信号の一方は出力３１８で負の位相シフトを受け、他方は出力３２０で同じ量の正の位相シフトを受けることになり、またその逆も言える。２つの光位相シフト量を差し引くと、これらの正味の位相シフト量は一方のコイルの位相シフトの２倍であり、２つの光位相シフト量を足すと、（両方のスプリングが同じように正確に機能すれば）位相シフト量は０となる。スプリングの剛性のわずかな差を導入することによって、２つのコイルの出力の和は小さいが０ではない位相変化となる。また、除算の前に、光チャネルの一方のスケーリングを電気的に調節することで、０でない出力を生成することもできる。

したがって、２つの出力を差し引けば高い感度を有し、２つの出力を足せば低い感度を有するセンサを作り出すことができる。この場合、感度はスプリングの相対剛性を調節することで較正できる。低い感度バージョンがオーバースケールするのを防ぐために、光信号がサンプリングされる前に位相シフト量を足さなければならない。

本出願者の同時係属出願国際公開第２００８／１１０７８０号、国際公開第２００９／００７６９４号は、時分割多重光ファイバ感知システムにおいて、低感度を有する出力を提供することによってオーバースケーリングの問題に対処する技術を記載している。記載されている技術は、ｃｏｓ（ω_ｃｔ＋φ（ｔ））の形で応答を出すセンサに関連する。ここで、φ（ｔ）は、検知パラメータであり、すなわち、周波数ω_ｃのキャリア信号に重畳された位相変化として表される。その後、キャリアから位相信号を復調するのに当業者に知られている技術を使用することができる。時分割多重化パルス干渉光ファイバセンサアレイの例は、上記の特許出願に示されている。

キャリア周波数は、一般には、ナイキスト周波数の１／２に選択される、つまりサンプリング周波数の１／２である。１つのサンプルが各々の反射光パルスで作られるのが通常であるので、サンプリング周波数はパルスの組がアレイに送信される割合である。一例として、サンプリング周波数は約３２０ＫＨｚとすることができ、ナイキスト周波数は約１６０ＫＨｚ、キャリア周波数は約８０ＫＨｚとすることができる。サンプリング周波数は、一般には、いくつかある要因の中で特に、センサのタイプや配列に応じて、実用上限がある。

位相変調キャリアの瞬時周波数がナイキスト帯域を超えると、すなわち、

または

のとき、オーバースケール状態が生じる。ここで、ω_Ｎおよびω_ｃはそれぞれナイキスト周波数およびキャリア周波数（ラジアン／秒）である。実際に、オーバースケール状態は、周波数空間の限界値の１つの周囲で折り返したり、または折り畳んだりすることでナイキスト帯域に戻る瞬時周波数のエイリアシングとなる。検知パラメータの大きさや周波数に応じて、瞬時周波数は複数回折り畳まれる可能性がある。検知パラメータがおよそφ（ｔ）＝φ_０ｃｏｓω_ｍｔとしてモデル化される場合、オーバースケール状態は発生しない。通常の状態ω_Ｎ＝２ω_ｃは、

と表される場合もある。

図４は、国際公開第２００８／１１０７８０号に示されるようなセンサパッケージの問い合わせを示す。パッケージ４０２は、音響光学変調器４０４によって生成される１組のパルスによって問い合わせされる。一連のパルスの出力は、接合点４０６で取り出され、アイソレータ４０８を通過されて、４１０の出力干渉計に渡される。図４のスキームでは、入力パルス間の遅延が出力干渉計の遅延コイル４１２を通る光の通過時間の２倍に設定される。記載されている実施形態はマイケルソン（Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ）干渉計を使用しているが、当業者は、アームの１つに遅延コイルを有するマッハツェンダ（Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ）タイプの干渉計も同様に使用できることは理解できる。この場合、入力パルス間の間隔がちょうど干渉計の１つのアームの遅延コイルの通過時間になるように設定することにより、等価な測定値が得られることになる。

このように、干渉計４１０は、パッケージ４０２の同じ検知コイルを通過し、異なる回数通過したパルスの組を時間的に揃えて干渉することがわかる。つまり、ミラーＢからＥに結合されたファイバに反射し、関連する検知コイルに情報を収集する各パルス（ミラーＡに反射したパルスは検知コイルを通過していない）は、同じ光経路を通ったパルスと組み合わされて、同じ情報を後で収集する。したがって、干渉計の出力は、通常は直接測定される位相の実値とは違い、位相値の微分値を示す。したがって、上記の用語を使用すれば、変換器から返される信号がｃｏｓ（ω_ｃｔ＋φ（ｔ））（φ（ｔ）は検知パラメータの測定値である）である場合、図４に示されるシステムは、

の値または応答信号の瞬時周波数を導く。

変化率または位相変化の微分値は、一般には、信号自体よりかなり小さい振幅を有する。それは、信号が測定される２つの時間の差が、通常は信号が測定される期間よりもかなり短くなるためである。したがって、微分センサ技術（ＤＳＴ）では低い感度測定値になる。

国際公開第２００８／１１０７８０号は、標準（高感度の）センサ出力と、光信号の微分値（変化率）である出力との両方が同時に提供されることができる方法を示している。この微分信号は標準光信号よりもかなり低い振幅を有し、微分信号は標準信号の変化率の測定値であるので、周波数の関数として効果的に振幅が増加する応答を有する。標準チャネルと微分チャネルとの正確な振幅差は、微分信号を生成するのに使用される２つの光パルスの間隔によって決まるが、一般的なパラメータセットでは、微分信号の振幅は、８００Ｈｚでは標準信号よりも６６ｄＢ低く、その後、１オクターブにつき６ｄＢ低下して、１００Ｈｚでは８４ｄＢ低くなる。

国際公開第２００８／１１０７８０号はさらに、異なる光応答機構を使用し、異なる間隔の光パルスを利用して、異なる振幅を有する微分信号を生成する他の手段を記載している。この場合、光パルスの間隔の長さはチャネルの振幅を決定する。これにより、８００Ｈｚで約５６ｄＢ低いレベル（「中間ＤＳＴ」とする）および８００Ｈｚで３８ｄＢ低いレベル（「長いＤＳＴ」とする）の微分出力になる。

したがって、各々が異なる感度の光信号を生成することができるＤＳＴ技術のクラスが存在する。これらの技術のいくつかは同時に実行されることができる。例えば、図５は、光入力信号が光学伝送段５０２で生成され、複数のファイバセンサコイルを含むセンサパッケージ５０４に入力される光学機構を示す。パッケージの光出力は、長いＤＳＴ干渉計５０６と短いＤＳＴ干渉計５０８とからなる。干渉計出力は出力段５０６に入る。出力段５０６は、Ｌｏｎｇ ＤＳＴとＳｈｏｒｔ ＤＳＴとが同時に実装されるようにして、並列時分割多重データが流れると、比較的低感度のＳｈｏｒｔ ＤＳＴおよび比較的高感度のＬｏｎｇ ＤＳＴの両方、さらに（干渉計出力の１つから生じた）高感度の標準チャネルを提供する。異なる感度の３つの信号は処理されて、以下で説明されるような単一信号５１２を提供する。

国際公開第２００９／００７６９４号には、問い合わせ波長が大きければ大きいほど、返される位相値は小さくなり、したがって、オーバースケール状態に対する感度が低くなることが記されている。しかしながら、本発明の好適な用途である光ファイバを通って伝播できる波長の値に対して実用限界がある。しかしながら、２つ以上の非常に小さな波長成分から合成波長を生成することによって、低い感度を有する合成位相測定値が得られる。

国際公開第２００９／００７６９４号は、少なくとも２つの異なる波長の成分を含む変換器にパルスを入力する合成波長技術（ＳＷＴ）を提案している。このように、変換器は、２つの異なる入力波長の組み合わせにより生成された合成波長に応答して動作して、合成位相出力を生成するものと考えられることができる。合成波長が２つの成分の波長の両方よりもかなり大きくなるように設定することによって、合成位相は比較的小さくなり、したがって、オーバースケーリングに対して感度が小さくなる。さらに、（１つの問い合わせ波長に基づく）標準出力が合成波出力と共に生成できるようにする方法および装置が記載されている。

ＤＳＴ技術とは異なり、ＳＷＴでは、合成波長出力は、標準信号（微分信号でない）の真の低感度バージョンであるので、周波数とは無関係であるが２つの波長間の差に関係した感度を有する。一般的な許容波長では、合成波長技術は、全周波数にわたって標準信号よりも６０ｄＢ低い出力を出すことになる。また、３つ以上の波長を有する各センサに問い合わせることによって、同時に感度範囲を有するセンサ出力を生成することも可能である。

上述のＤＳＴおよびＳＷＴの利点は、複数の感度信号を提供するのに、従来の光ファイバパッケージ（またはこのようなパッケージのアレイ）が使用できる（パッケージに実質的にほとんど変更を加えずに、または全く変更せずに）という点である。上述した問い合わせパルスタイミングおよび波長の特別な操作により、個々のセンサ要素の見掛けの感度を変えることができる。これらの技術は共に、特別に複数の感度を提供するように構成されたものでない、もしくはそのように意図されたものでない既存またはレガシーのセンサハードウェアで動作することができる方法および装置を使用するものであり、したがって、特に、実用性の点で魅力的である。

多くの地震探査システムは、光センサでなく電気センサを使用する。異なる感度のセンサ出力の範囲を生成することができる方法が多数ある。そのいくつかはすでに光センサで説明した方法と同じである。例えば、異なる感度を有する多数の異なるセンサが各センサ位置で使用されるのも可能である。あるいは、平衡加速度計が、上述の平衡光センサと同じように設計されるのも可能で、この場合、２つの電気出力が足されて高感度センサになり、２つの電気出力が差し引かれて低感度センサになる。

オーバースケール回復プロセスは、直達信号（および地震反射）の位相および振幅の両方を正確に再構成しなければならない。直達信号は、信号源に対してセンサの向きを算出するのに使用され、位相および振幅の測定値は、この配向測定がなされるように十分に正確なものでなければならない。

上述した種々の技術により、さまざまな感度の多数（２つ以上）のセンサ出力が同時に得られる。一般に、最も高感度のセンサ出力を使用するのが望ましく、この出力はそれ自体最も近い範囲でオーバースケールしなくなる。時分割多重化システムでは、確実に、震源に近い範囲でも低感度信号の光位相の連続サンプル間の位相変化がｐｉ／２未満となるようにする必要がある。

しかしながら、最も低い感度のセンサ出力（例えば、短いＤＳＴアプローチ）のみを使用する場合、直達信号が向きや他の処理のために必要とされる精度まで再構成できるようにするのに必要な信号／雑音比を達成することができない。したがって、最も長距離では、より高感度のセンサ出力を使用する必要がある場合がある。このより高感度のセンサ出力は、（オーバースケールする可能性があるので）短距離での使用に適さないが、信号源がオーバーロードしないような長距離で必要な信号／雑音比を得ることができる。より長距離でも、標準（高感度）センサ出力は、オーバースケールしないので、直接使用できる。

したがって、ほとんどの場合、さまざまな感度を有する少なくとも２つ、場合によってはそれ以上のセンサ出力が必要であり、信号源が受信器に近づくにつれて低くなる感度の出力を連続的に使用する。一般原理は図６に示されている。図６では、入射信号に応答してさまざまな感度の４つの出力を示している。システムは、全ての重要な範囲で、オーバーロードされず、必要とされる信号／雑音比を達成する、有効な少なくとも１つの出力が得られるように設計されるべきである。

図７は、オーバースケールレベル（すなわち、連続サンプル間の位相変化がｐｉ／２を超える回数）および全ての可能なタイプのセンサ出力における信号／雑音比を算出することができる較正方法を示すフローチャートである。方法は、震源の特徴の予備知識、使用している各々の基準センサタイプの周波数応答、海洋の音響伝播に基づくものである。

所与の用途に必要なセンサチャネル出力の数や感度を決定する方法は、以下の通りである：
１．直達信号が標準信号（最も高感度Ｓ_１）をオーバーロードする最も広い範囲では、オーバースケールされず、必要とされる信号／雑音比を有する出力を生成するのに必要なセンサ出力感度Ｓ_２を算出する。オーバーロードが発生する最も広い範囲が対象の最大範囲より大きい場合、この最大範囲が算出に使用される
２．震源に対する範囲が小さくなると、範囲の関数として出力感度Ｓ_２を使用してオーバースケールのレベルを算出する。Ｓ_２を使用するオーバースケールレベルが１になると、オーバースケールしなくなり、必要とされる信号／雑音比を達成するようなより低い出力感度Ｓ_３も算出する
３．エアガンからの必要とされる最小範囲になるまで、ステップ２を繰り返す

ステップ１から３は、センサ感度出力Ｓ_１．．．Ｓ_ｎの範囲を生成する。ここで、Ｓ_１は標準（最も高感度の）信号であり、Ｓ_ｎは最も低感度の信号であり、これらはエアガン近くで使用される。これらの出力は、センサ配列（またはセンサ配列の出力）に適用されて、システムおよび生成された所望の地震情報に対して適切な感度の検知出力を生成することができる。

上述の異なるセンサ出力を生成するさまざまな方法を使用して、方法によって決定された感度を厳密に有するセンサ出力を実際に生成することができないことに留意すべきである。したがって、実際には、達成できるどの感度が理論的に必要とされる感度に近いかを決定し、大体これらの感度を基本としたシステムを設計することが必要となる。

例えば、図５に示した標準チャネル、短いＤＳＴ、長いＤＳＴの組み合わせを使用する場合、モデリングから、これらの３つのセンサチャネル出力が、一般的なエアガンおよびセンサ周波数応答に対して、全ての有効な範囲で必要とされる性能を示すことがわかる。図５の出力段５１０は、異なる感度の信号を適応可能に組み合わせる。

信号源のいずれの特定のショットに対しても、図５の出力段５１０は、異なる感度信号の適切な組み合わせを決定して、適切な出力を行う。手順は、１つのセンサに対して以下のように要約されることができるが、複数のセンサに対しても同じように同じ方法が適用できることは理解できる。

実際に、図１では、地震応答に対して標準チャネルＳ１は決してオーバースケールされず、全ての地震応答に対して、常に最大の信号／雑音比を示す標準チャネルを選択することになる。直達信号の時間の間、標準チャネルは、オーバースケールされる場合もアレイば、されない場合もある。この時間の間、オーバースケールされない低感度入力のうちの最も高い感度入力が選択される。

上述の較正方法から、システムは、センサごとに感度Ｓ_１．．．Ｓ_ｎを有するＮ個の入力が与えられる。ここで、Ｓ_１＞Ｓ_２＞Ｓ_Ｎであり、Ｓ_１は「標準」センサ出力である。位相の変化率が最も低感度の感度出力であるＳ_Ｎで測定される場合、全ての他の出力ではどんな位相変化率になるか、したがって、連続する光サンプル間の位相変化ｄｆｎが何であるかを決定するのに使用される（Ｓ１、Ｓ２間などの相対的振幅関係を識別することができる）。

最も高感度の出力が選択され、ｄｆｎ＜π／２である（ｄｆｎ＝π／２の点はオーバースケールレベル１として定義されることができる。より高いオーバースケールレベルはπ／２の複数倍に相当する）。

手法は、図８に示されている。手法は、３つのセンサ出力に対して説明されている。ここで、Ｓ３は最も低い感度の出力であり、Ｓ２は中間の感度の出力であり、Ｓ１は最も高い感度（標準チャネル）である。しかしながら、任意の数のセンサチャネル入力にも同じ手順が適用できる。

非常に多くの感度出力がある場合、最も低感度の出力（Ｓ_Ｎ）のＳＮＲは、かなり高い感度の出力がオーバーロードされるか否かを正確に算出するのに十分でない可能性がある。代替手法は、Ｓ_Ｎ出力を使用してＳ_Ｎ−１出力がオーバースケールするか否かを決定する方法である。Ｓ_Ｎ−１出力がオーバースケールしない場合、Ｓ_Ｎ−２出力がオーバースケールするか否かを算出するのにこの手法が使用される。プロセスは、感度出力Ｓ_ｘが、次に高い感度出力Ｓ_ｘ−１がオーバースケールするのを予測するまで繰り返される。この場合、Ｓ_ｘ出力が使用される。

以下の手順は、選択された低い感度チャネルを利用してオーバースケールチャネルを回復するのに使用されることができる。

第１のオプションは、最適な感度レベルを有する選択された低感度の信号（複数可）を使用してオーバースケールされた信号の変化率を決定し、それによりオーバースケールされた信号を再構成することである。オーバースケールは、時分割多重化システムで発生する。それは、信号の瞬時周波数が存在するどれかのナイキスト帯域に関してアンビギュイティがあるためである。オーバースケールされない低感度チャネルとオーバースケールされたチャネルとの間の関係は知られているので、オーバースケールされないチャネルを使用して、オーバースケールされた信号が実際に存在するのはどのナイキスト周波数であるかを決定し、オーバースケールされたチャネルを再構成することが可能である（これは、周波数アンラッピングとして知られている）。

あるいは、標準信号がオーバースケールされるどの時点に対しても、サンプルごとにサンプル上で選択された低感度信号がオーバースケールされた信号と置換されてもよい。オーバースケールされたチャネルを再構成するためにオーバースケールされないチャネルを使用するのではなく、オーバースケールされないチャネルを直接使用し、２つのチャネルの感度差に等価な振幅因子によってアップスケールすることも可能である（微分チャネルが使用される場合、単純なスケール変更であり得る他の方法に対しては微分信号の積分を伴うことになる）。このプロセスは、サンプルごとにサンプル上で実行されることができるので、サンプリングされる時間ごとに（一般には、２００ｋＨｚサンプルレートで）、プロセスは標準チャネルがオーバースケールされているか否かを決定し、オーバースケールされている場合、最も高い感度のオーバースケールされていないチャネルを置換する。ＤＳＴの場合、微分信号も積分しないで使用される、つまり、使用されている地震信号の微分を使用することになる。

サンプルごとにサンプル上で上述の置換プロセスを実行しないで、オーバースケールの最初の時点の後の一定期間の間、どのサンプルに対しても置換が実行されてもよい。信号のモデリングから、最初の到着時にオーバースケールが発生する可能性があること、また、最初のオーバースケールの一定期間内ではそれ以上オーバースケールが発生しないことが知られている。これは、一定期間（一般には、オーバースケールの最初の発現から約１００ｍｓとすることができる）、低感度の感度信号を直接（ＤＳＴ信号（積分されたまたはその微分形態のいずれか）と）置換することよりも簡単である可能性がある。代替方法は、震源が発射した後のオーバースケールが発生する時間（例えば、約５０ｍｓ）を推定し、さらに一定期間、低い感度チャネルを使用するトリガとして震源の発射を使用するものである。

さらに別の手法は、低感度の出力を使用してより高い感度の出力がオーバースケールされる最初の時間および最後の時間を決定し、２つの限界時間内で常に低感度の出力を使用するものである。

１つまたは複数のセンサの位相出力が、異なる時間部分の異なる感度読取値からなる技術および装置で、これらの数値が１つに「まとめられた」技術および装置を説明してきた。微分信号が、例えば、エアガンパルスの直達による加速度のような衝撃的加速信号から得られる位相を測定するのに使用される場合、微分信号および微分信号から導かれることのできる積分信号のＳＮＲを改善するために雑音の推定値が作成されることができる。

微分信号の雑音が、以下の式で近似されることが可能であると仮定する場合、

ｔ＝０は直達の音響パルスの中間の時間であり、これは、時間ｔ＝±ｒの間で発生する。

直接パルスの始まりと終わりの加速度は０であると仮定されることができるので、パルスの間の加速度の微分値の平均値も０にしなければならない。したがって、微分信号の平均値が０でない場合、式１の値がこの０でない値に等しくなければならないことが知られている。このことにより、残留雑音を以下の式として残す微分信号から雑音の項を差し引くことができる。

したがって、微分信号における定常状態の雑音の推定値が微分信号から除去される。

加速度における雑音を求めるために式（２）を積分すれば、

が得られる。ここで、ｋは任意の定数である。

直接パルスの前後で使用されることのできる標準信号の雑音レベルは、微分信号の積分から得られるレベルよりもかなり小さくなり、０と仮定できる。これは境界条件となり、直接パルスの始まりと終わりにおける雑音の不連続性を避けるためには、ｋ＝−ｂｒ^２である必要がある。加速度雑音は、

として表されることができる。

また、速度は、直接パルスの始まりと終わりでは０でなければならない、つまり、イベント時の平均加速度は０でなければならないということが知られている。平均加速度が０でない場合、残留雑音は式（３ａ）で得られる形の雑音であると推定される。ここで、ｂはこの雑音項が差し引かれた後、加速度の平均が０になるように選択される。

このように、微分測定に基づくセンサまたはセンサアレイの出力部分は、前記出力部分の始まりと終わりとに境界条件を課すことによって定数の雑音項を算出して、この雑音項を差し引くことで雑音低減されることができる。その後、信号は加速度の値を求めるために積分され、さらに課された境界条件に基づいて二次の雑音項が算出され、差し引かれることができる。

式（３ａ）により得られた雑音の推定値は時間ｔ＝±ｒでは連続的であるが、その微分値は連続的でない。これを避けるために、推定値に窓関数を掛けて、ｔ＝±ｒにおいて急な遷移を滑らかにすることが可能である。

雑音の初期推定値が一次の時間変動項のみ含まれるが、この方法は、微分信号の雑音が以下の式によって近似されるように、追加の項を式１に足すことでさらに拡大適用できることは理解する。

直接パルスの間の加速度計の正味変位量も０であるということは、ｃの値を求めるのに使用できる。

このようにして、異なる感度のセンサ応答から導かれる少なくとも２つの出力部分を組み合わせて形成されるセンサ出力の雑音を低減する方法が提供される。前記方法は、選択部分の雑音の推定値を求めるステップと、前記選択部分の限界値で境界条件を課すステップとを含む。その後、雑音推定値は出力またはその微分値から差し引かれて、改善されたＳＮＲを有する結果値を得ることができる。この方法は、本発明の他の態様と共に使用されて、改善されたセンサ出力を提供することができる。

雑音推定は測定されている信号の性質の認識に基づくものであり、異なるセンサ構成では雑音推定の異なる形態も適切である。例えば、ハイドロフォンからの微分信号を補正するのに同じ技術が使用される可能性もあるが、圧力は速度に比例するので、式（４）のｃ項は、直接パルスのときの変位平均値が０になるという物理的要件がないときには使用できない。

ＳＷＴの場合、低感度信号は、標準信号の微分値でなく標準信号に正比例する。この違いにも関わらず、合成波長の雑音の推定値は、適切な境界条件を使用して上述の技術を適用することで得られることができる。加速度計では、雑音は式（１）で示されるが、この場合、加速信号の微分値ではなく加速信号の雑音と呼ぶ。

本発明を単なる例として説明してきたが、本発明の範囲内で細部の変更を加えることも可能であることは理解される。

本明細書および（必要に応じて）請求項および図面内に開示されている各特徴は、別個に、または適切に組み合わせて使用されてもよい。

Claims (13)

1. 位相に基づく光ファイバセンサ配置を使用する検知方法であって、
   異なる感度を表わし１つまたは複数のセンサから受信された、センサ配置応答を表わす複数の信号を提供するステップと、
   前記信号の少なくとも１つを使用して、オーバースケール状態が発生したかどうかを決定するステップと、
   前記決定に基づいて、異なる感度の１つまたは複数の前記信号を使用して検知出力を提供するステップであって、オーバースケールを受けていない最も高感度の信号が使用されるために選択されるステップとを含む、方法。
2. ３つ以上の異なる感度の信号が提供される、請求項１に記載の方法。
3. 最も低い利用可能な感度信号がセンサ配置応答の前記値を決定するのに使用される、請求項１また２に記載の方法。
4. 複数の感度信号が１つの検知要素から得られる、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記センサ配置に問い合わせパルス信号で問い合わせするステップと、返されたパルスを処理して異なる感度を提供するステップとを含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記問い合わせ信号が複数の波長の成分を含む、請求項５に記載の方法。
7. 前記センサ配置が複合センサを含み、前記複合センサからの部分信号が、異なる感度を提供するために出力信号のサンプリングの前に組み合わされる、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記振幅値から、各感度レベルで信号のオーバースケールレベルを決定するステップを含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 高感度信号がオーバースケールされた程度を決定するために前記選択された信号を使用するステップと、前記検知出力を提供するために前記高感度信号を再構成するステップとを含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. オーバースケールされやすい高感度信号に一致させるために前記選択された信号をアップスケールするステップと、前記アップスケールされた信号をオーバースケールされやすい前記高感度信号と置換するステップとを含む、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 位相に基づく光ファイバセンサ配置に問い合わせするためのシステムであって、
    問い合わせ信号を前記センサ配置の入力に提供するための信号源と、
    問い合わせ信号に応答して、センサ配置から信号出力を受信するための検出器と、
    １つまたは複数のセンサから受信されたセンサ配置応答を表す複数の信号であって、異なる感度を表わす複数の信号を提供し、前記複数の信号を使用して、検知信号レベルの全範囲にわたって出力を適応的に提供するための信号プロセッサとを備え、オーバースケールを受けていない最も高感度の信号が、前記複数の信号の１つとして使用されるために選択される、システム。
12. プロセッサが少なくとも３つの異なる感度の信号を提供する、請求項１１に記載のシステム。
13. プロセッサが、前記複数の信号のうちの１つを選択し、前記選択された信号に基づいて出力値を決定する手段を含む、請求項１１または１２に記載のシステム。

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