JP6970403B2 - 空中電磁探査装置 - Google Patents

Description

本発明は、空中電磁探査装置に関する。

時間領域空中電磁探査は、時間変化する磁場に対する地下の応答が地下の比抵抗構造を反映することを利用する物理探査である。

時間領域空中電磁探査においては、送信アンテナおよび磁気センサーが地面に対向させられる。送信アンテナには、パルス状の電流が供給される。送信アンテナに流れるパルス状の電流は、１次磁場を発生させる。発生した１次磁場は、地下に渦電流を誘起する。誘起した渦電流は、２次磁場を発生させる。磁気センサーは、発生する２次磁場を含む磁場検出する。誘起する渦電流および発生する２次磁場は、地下の比抵抗構造を反映する。したがって、パルス状の電流が遮断された後における２次磁場の検出結果から地下の比抵抗構造を知ることができる。

非特許文献１は、時間領域空中電磁探査に関する。

城森明、他６名、「P-THEM（空中電磁探査）データ処理ソフトウェアの開発と解析比抵抗構造の検証」、公益社団法人物理探査学会学術講演会講演論文集、平成２８年、第１３４巻、p.138-141

１次磁場は、理論上では、パルス状の電流の供給が遮断された後に消失するが、実際には、パルス状の電流の供給が遮断された後も僅かに残存する。一方で、２次磁場は、パルス状の電流の供給が遮断された後に残存する。このため、磁気センサーが検出する磁場においては、残存する１次磁場が検出すべき２次磁場に重ね合わされる。

したがって、２次磁場の検出にあたっては、磁場の検出結果から１次磁場を反映するシステム応答を差し引くことにより２次磁場を反映する大地応答を得る等の対策が必要である。

しかし、２次磁場は１次磁場より著しく弱く、典型的には２次磁場の大きさは１次磁場の大きさの１０^−６から１０^−４倍である。このため、従来の時間領域空中電磁探査においては、大きな１次磁場の影響を受けて地下の比抵抗構造を正確に探査できないという問題が生じる。

本発明は、この問題を解決するためになされる。本発明が解決しようとする課題は、大きな１次磁場の影響を受けずに地下の比抵抗構造を正確に探査することである。

本発明は、空中電磁探査装置に向けられる。

送信機は、ループアンテナに電流を供給する。電流は、１次磁場を発生させる。１次磁場は、渦電流を地下に誘起する。渦電流は、２次磁場を発生させる。磁気センサーは、２次磁場を含む磁場を検出する。支持体は、ループアンテナに結合されるとともに磁気センサーを支持する。支持体は、支持体に結合したループアンテナが発生した１次磁場の鉛直成分を支持体に支持された磁気センサーで検出した検出結果が０になる位置に沿って磁気センサーが配置されるように磁気センサーを支持する。磁気センサーからループアンテナまでの距離は、ループアンテナの径の０．５倍以上である。

本発明によれば、大きな１次磁場の影響を受けずに地下の比抵抗構造を正確に探査できる。

第１実施形態の空中電磁探査装置の使用状態を図示する断面図である。 第１実施形態の空中電磁探査装置を図示するブロック図である。 第１実施形態の空中電磁探査装置に備えられるバードを図示する斜視図である。 第１実施形態の空中電磁探査装置における位置ごとの１次磁場の変化の値および方向を図示する図である。 第１実施形態の空中電磁探査装置における鉛直位置による１次磁場の鉛直成分の変化を図示するグラフである。 第１実施形態の空中電磁探査装置における鉛直位置による１次磁場の鉛直成分の変化を図示するグラフである。 第１実施形態の空中電磁探査装置における鉛直位置による１次磁場の鉛直成分の変化を図示するグラフである。

１ 空中電磁探査装置の概略
図１の模式図は、第１実施形態の空中電磁探査装置の使用状態を図示する断面図である。図２の模式図は、第１実施形態の空中電磁探査装置を図示するブロック図である。図３の模式図は、第１実施形態の空中電磁探査装置に備えられるバードを図示する斜視図である。

図１および２に図示される空中電磁探査装置１０００は、時間領域空中電磁探査による地下の比抵抗構造の探査に使用される。

空中電磁探査装置１０００は、バード１０２０、吊りロープ１０２１および解析パーソナルコンピューター（ＰＣ）１０２２を備える。空中電磁探査装置１０００がこれらの構成物以外の構成物を備えてもよい。

バード１０２０は、吊りロープ１０２１により吊られる。バード１０２０および吊りロープ１０２１は、ヘリコプター１０４０から吊り下げられる。これにより、バード１０２０は、空中に配置され、ヘリコプター１０４０の移動に伴って空中を移動する。「バード」という名称は、バード１０２０が鳥のように空中を移動する空中移動体であることに由来し、空中電磁探査の技術分野において一般的に用いられる。バード１０２０および吊りロープ１０２１がヘリコプター１０４０以外の飛行機から吊り下げられてもよい。空中探査を行う場所を移動する必要がない場合は、バード１０２０および吊りロープ１０２１が塔等の地上建造物から吊り下げられてもよい。

バード１０２０は、送信機１０６０、ループアンテナ１０６１、磁気センサー１０６２、ロガー１０６３および支持体１０６４を備える。バード１０２０がこれらの構成物以外の構成物を備えてもよい。

バード１０２０および吊りロープ１０２１がヘリコプター１０４０から吊り下げられた場合は、ループアンテナ１０６１および磁気センサー１０６２が地面に対向させられ、ループアンテナ１０６１が水平に配置される。以下では、ループアンテナ１０６１の中心を通り鉛直である軸をコイル軸と呼ぶ。バード１０２０および吊りロープ１０２１がヘリコプター１０４０から吊り下げられた場合は、ループアンテナ１０６１のコイル軸が鉛直方向と平行をなす方向に延在し、ループアンテナ１０６１に流れる電流が発生させる中心磁場が鉛直方向と平行をなす方向に延在する。ただし、揺れ等の影響によりループアンテナ１０６１がわずかに傾く場合がある。

空中探査が行われる場合は、送信機１０６０がループアンテナ１０６１にパルス状の電流を供給する。これにより、ループアンテナ１０６１にパルス状の電流が流れる。ループアンテナ１０６１に流れるパルス状の電流は、１次磁場１０８０を空中に発生させる。発生した１次磁場１０８０は、地下１０９０に浸透する。発生した１次磁場１０８０は、時間変化する磁場であるため、地下１０９０に渦電流１０８１を誘起する。誘起された渦電流１０８１は、２次磁場１０８２を空中に発生させる。磁気センサー１０６２は、発生した２次磁場１０８２を含む磁場１０８３を検出する。検出される磁場１０８３においては、残存する１次磁場１０８０が２次磁場１０８２に重ね合わされている。ロガー１０６３は、磁場１０８３の検出結果を繰り返し記録する。

解析ＰＣ１０２２は、空中探査が行われている間は、ロガー１０６３から切り離されている。解析ＰＣ１０２２は、空中探査が行われた後に、ロガー１０６３に通信可能に接続され、記録された磁場１０８３の検出結果を取り込み、取り込んだ磁場１０８３の検出結果から地下の比抵抗構造を得る。解析ＰＣ１０２２は、地下の比抵抗構造を得る場合には、取り込んだ磁場１０８３の検出結果から１次磁場１０８０に由来するシステム応答を減ずることにより２次磁場１０８２に由来する大地応答を得、ループアンテナ１０６１への電流の供給が遮断された後における大地応答から地下の比抵抗構造を得る。システム応答は、２次磁場１０８２を無視できるほどの高高度において検出される。

解析ＰＣ１０２２は、空中探査が行われている間は、地上で待機させられる。しかし、空中探査が行われている間に解析ＰＣ１０２２がロガー１０６３に通信可能に接続されてもよく、解析ＰＣ１０２２がバード１０２０に内蔵されてもよく、解析ＰＣ１０２２が吊りロープ１０２１に支持されてもよく、解析ＰＣ１０２２がヘリコプター１０４０に搭載されてもよい。ロガー１０６３が省略され解析ＰＣ１０２２が磁場１０８３の検出結果を直接的に取り込むことも許される。

２ 位置による１次磁場の変化および磁気センサーの配置
図４は、第１実施形態の空中電磁探査装置における位置ごとの１次磁場の値および方向を図示する図である。

図４に図示される値および方向は、ループアンテナ１０６１のコイル軸を含む鉛直面におけるものである。図４に図示される各矢印の長さおよび方向は、各矢印が描かれる位置における１次磁場の値および方向をそれぞれ示す。図４に図示されるｘ軸は、水平軸であって、正方形状の平面形状を有するループアンテナ１０６１の対角線と平行をなす方向に延在する。図４に図示されるｚ軸は、鉛直軸であって、ループアンテナ１０６１のコイル軸と平行をなす方向に延在する。図４に図示される値および方向は、一辺の長さが５ｍである正方形状の平面形状を有するループアンテナ１０６１がｘ軸を含む水平面に配置され、ループアンテナ１０６１に１０００Ａの電流が流れた場合のものである。図４に図示される「＋１２．８」「＋６．４」「＋３．２」「＋１．６」「＋０．８」「＋０．４」「０」「−０．４」「−０．８」「−１．６」「−３．２」「−６．４」および「−１２．８」という数値が付された等Ｈｚ線は、それぞれ１次磁場１０８０の鉛直成分Ｈｚが＋１２．８，＋６．４，＋３．２，＋１．６，＋０．８，＋０．４，０，−０．４，−０．８，−１．６，−３．２，−６．４および−１２．８Ａ／ｍになる位置に描かれている。

１次磁場１０８０は、ｘ軸およびｚ軸について対称になっている。１次磁場１０８０の大きさおよび方向は、位置により変化する。

１次磁場１０８０の鉛直成分Ｈｚは、図４に図示されるように、「０」という数値が付された等Ｈｚ線が描かれる位置１１００において０になる。したがって、位置１１００に沿って磁気センサー１０６２が配置され磁気センサー１０６２により磁場１０８３の鉛直成分が検出される場合は、検出される磁場１０８３の鉛直成分が主に２次磁場１０８２の鉛直成分からなり、１次磁場１０８０の影響が抑制され、地下１０９０の比抵抗構造を正確に探査できるようになる。このため、磁気センサー１０６２は、位置１１００に沿って配置され、磁場１０８３の鉛直成分を検出する。磁気センサー１０６２が位置１１００に沿って配置される場合は、ループアンテナ１０６１の中心から磁気センサー１０６２へ向かう方向の鉛直方向からの傾きは、概ね２０°以上７０°以下となる。

図５から７までの各々は、第１実施形態の空中電磁探査装置における鉛直位置による１次磁場の鉛直成分の変化を図示するグラフである。図５は、（Ｘ，Ｚ）が（５，２）である位置から（Ｘ，Ｚ）が（５，４）である位置までの区間における変化を図示する。図６は、（Ｘ，Ｚ）が（７．５，４）である位置から（Ｘ，Ｚ）が（７．５，６）である位置までにおける変化を図示する。図７は、（Ｘ，Ｚ）が（１０，６）である位置から（Ｘ，Ｚ）が（１０，８）である位置までにおける変化を図示する。

図４に図示されるように、等Ｈｚ線は、ループアンテナ１０６１に近い領域においては密集しているが、ループアンテナ１０６１から遠い領域においては散在している。このことは、位置による１次磁場１０８０の鉛直成分Ｈｚの変化がループアンテナ１０６１に近い領域においては大きくループアンテナ１０６１から遠い領域においては小さいことを意味する。実際に、図５から７までに図示されるように、（Ｘ，Ｚ）が（７．５，４）である位置から（Ｘ，Ｚ）が（７．５，６）である位置までの区間における１次磁場１０８０の鉛直成分Ｈｚの変化は、（Ｘ，Ｚ）が（５，２）である位置から（Ｘ，Ｚ）が（５，４）である位置までの区間における１次磁場１０８０の鉛直成分Ｈｚの変化よりも小さく、（Ｘ，Ｚ）が（１０，６）である位置から（Ｘ，Ｚ）が（１０，８）である位置までの区間における１次磁場１０８０の鉛直成分Ｈｚの変化は、（Ｘ，Ｚ）が（７．５，４）である位置から（Ｘ，Ｚ）が（７．５，６）である位置までの区間における１次磁場１０８０の鉛直成分Ｈｚの変化よりも小さい。したがって、磁気センサー１０６２がループアンテナ１０６１から遠い場合は、揺れ等による磁気センサー１０６２の移動や磁気センサー１０６２の取り付け位置の誤差の影響が抑制される。このため、磁気センサー１０６２からループアンテナ１０６１までの距離は、望ましくはループアンテナ１０６１の径の０．５倍以上であり、さらに望ましくはループアンテナ１０６１の径の１倍以上であり、特に望ましくはループアンテナ１０６１の径の２倍以上である。ただし、磁気センサー１０６２がループアンテナ１０６１から極端に遠い場合は、磁気センサー１０６２を支持することが困難になる等の問題が生じる。このため、磁気センサー１０６２からループアンテナ１０６１までの距離は、望ましくはループアンテナ１０６１の径の１０倍以下であり、さらに望ましくはループアンテナ１０６１の径の５倍以下である。ここでいう磁気センサー１０６２からループアンテナ１０６１までの距離は、磁気センサー１０６２およびループアンテナ１０６１の最近接部分における距離である。

ループアンテナ１０６１が正方形状の平面形状を有する場合は、望ましくはループアンテナ１０６１の対角線を含む鉛直面内に磁気センサー１０６２が配置される。これにより、１次磁場１０８０の鉛直成分Ｈｚの位置による変化がさらに小さくなる。

３ 座標軸回転
磁気センサー１０６２は、望ましくは３軸磁気センサーであり、磁場１０８３の第１の水平成分であるＸ成分、磁場１０８３の第２の水平成分であるＹ成分および磁場１０８３の鉛直成分であるＺ成分を検出する。

解析ＰＣ１０２２は、望ましくはＸ成分、Ｙ成分およびＺ成分の検出結果に対して座標軸を回転する処理を行う処理部としても機能する。当該処理は、当該処理が行われた後に１次磁場１０８０のＺ成分の検出結果が０になるように行われる。これにより、磁気センサー１０６２の揺れまたは磁気センサー１０６２の取り付け姿勢の誤差により１次磁場１０８０の鉛直成分が０でなくなった場合でも１次磁場１０８０の影響が抑制される。

４ 吊りロープおよび支持体
吊りロープ１０２１の一方の端部１１２０は、図１に図示されるように、ヘリコプター１０４０に結合される。ロガー１０６３は、吊りロープ１０２１の中間部１１２１に結合される。送信機１０６０は、吊りロープ１０２１の他方の端部１１２２に結合される。送信機１０６０は、ループアンテナ１０６１の給電点の付近に結合される。吊りロープ１０２１の一方の端部１１２０がヘリコプター１０４０に結合された状態においてヘリコプター１０４０が離陸した場合は、吊りロープ１０２１がヘリコプター１０４０から鉛直方向下方に吊り下がり、送信機１０６０およびロガー１０６３が吊りロープ１０２１に吊られる。

支持体１０６４は、図３に図示されるように、支持棒１１４０を備える。

支持棒１１４０の中間部１１６１は、送信機１０６０より鉛直方向上方において吊りロープ１０２１の中間部１１２１に結合される結合部となる。支持棒１１４０の一方の端部１１６０は、吊りロープ１０２１から離れた位置において磁気センサー１０６２に結合される結合部となる。

支持棒１１４０が磁気センサー１０６２を支持することにより、１次磁場１０８０の鉛直成分Ｈｚが０になる位置１１００に磁気センサー１０６２が配置される。ただし、支持棒１１４０のみにより磁気センサー１０６２が支持された場合は、支持棒１１４０および磁気センサー１０６２が揺れやすく、支持棒１１４０および磁気センサー１０６２が垂れ下がりやすい。このため、望ましくは、揺れ止め機構１１８０および垂れ下がり止め機構１１８１が支持体１０６４に設けられる。

揺れ止め機構１１８０は、揺れ止めロープ１２００，１２０１，１２０２および１２０３を備える。揺れ止め機構１１８０が揺れ止めロープ１２００，１２０１，１２０２および１２０３以外の構成物を備えてもよい。４本の揺れ止めロープ１２００，１２０１，１２０２および１２０３が３本以下の揺れ止めロープまたは５本以上の揺れ止めロープに置き換えられてもよい。

揺れ止めロープ１２００，１２０１，１２０２および１２０３がそれぞれ有する一方の端部１２２０，１２２１，１２２２および１２２３は、ループアンテナ１０６１に結合される結合部となる。揺れ止めロープ１２００，１２０１および１２０２がそれぞれ有する他方の端部１２４０，１２４１および１２４２は、支持棒１１４０の他方の端部１１６２に結合される結合部となる。揺れ止めロープ１２０３の他方の端部１２４３は、支持棒１１４０の一方の端部１１６０に結合される結合部となる。揺れ止めロープ１２００，１２０１，１２０２および１２０３は、揺れ止めロープ１２００，１２０１，１２０２および１２０３に含まれる少なくとも１本の揺れ止めロープが揺れ止めロープ１２００，１２０１，１２０２および１２０３に含まれる残余の揺れ止めロープと同一平面上に配置されないように張られる。例えば、揺れ止めロープ１２００および１２０２は、揺れ止めロープ１２０１および１２０３と同一平面上に配置されていない。これにより、支持棒１１４０および磁気センサー１０６２の揺れが抑制される。磁気センサー１０６２の支持強度が十分である場合は、他方の端部１２４３が磁気センサー１０６２に結合されてもよい。

垂れ下がり止め機構１１８１は、垂れ下がり止めロープ１２６０を備える。垂れ下がり止め機構１１８１が垂れ下がり止めロープ１２６０以外の構成物を備えてもよい。

垂れ下がり止めロープ１２６０の一方の端部１２８０は、支持棒１１４０より鉛直方向上方において吊りロープ１０２１に結合される結合部となる。垂れ下がり止めロープ１２６０の他方の端部１２８１は、支持棒１１４０の一方の端部１１６０に結合される結合部となる。これにより、支持棒１１４０および磁気センサー１０６２の垂れ下がりが抑制される。磁気センサー１０６２の支持強度が十分である場合は、他方の端部１２８１が磁気センサー１０６２に結合されてもよい。

上記の第１実施形態においてはループアンテナ１０６１が正方形状の平面形状を有するが、正方形状の平面形状を有するループアンテナ１０６１が正方形状でない平面形状を有するループアンテナに置き換えられてもよい。例えば、正方形状の平面形状を有するループアンテナ１０６１が八角形状、円形状、楕円形状等の平面形状を有するループアンテナに置き換えられてもよい。正方形状でない平面形状を有するループアンテナも、正方形状の平面形状を有するループアンテナ１０６１と同様に、ｘ軸について対称な形状を有する。

１０００ 空中電磁探査装置
１０２０ バード
１０２１ 吊りロープ
１０２２ 解析パーソナルコンピューター（ＰＣ）
１０４０ ヘリコプター
１０６０ 送信機
１０６１ ループアンテナ
１０６２ 磁気センサー
１０６３ ロガー
１０６４ 支持体
１０８０ １次磁場
１０８１ 渦電流
１０８２ ２次磁場
１０８３ 磁場
１１００ 位置
１１４０ 支持棒
１２００ 揺れ止めロープ
１２０１ 揺れ止めロープ
１２０２ 揺れ止めロープ
１２０３ 揺れ止めロープ
１２６０ 垂れ下がり止めロープ

Claims (6)

1. ループアンテナと、
   １次磁場を発生させる電流を前記ループアンテナに供給する送信機と、
   前記１次磁場により地下に誘起される渦電流が発生させる２次磁場を含む磁場を検出する磁気センサーと、
   前記ループアンテナに結合されるとともに前記磁気センサーを支持する支持体と、
   を備え、
   前記支持体は、前記支持体に結合した前記ループアンテナが発生した前記１次磁場の鉛直成分を前記支持体に支持された前記磁気センサーで検出した検出結果が０になる位置に沿って前記磁気センサーが配置され前記磁気センサーから前記ループアンテナまでの距離が前記ループアンテナの径の０．５倍以上となるように前記磁気センサーを支持する
   空中電磁探査装置。
2. 前記磁気センサーは、前記磁場の第１の水平成分、第２の水平成分および鉛直成分を検出する３軸磁気センサーであり、
   前記支持体に結合した前記ループアンテナが発生した前記１次磁場の鉛直成分を前記支持体に支持された前記磁気センサーで検出した検出結果が０でなくなった場合に、前記磁場の第１の水平成分、第２の水平成分および鉛直成分の検出結果に対して座標軸を回転する処理を、前記処理が行われた後に、前記支持体に結合した前記ループアンテナが発生した前記１次磁場の鉛直成分を前記支持体に支持された前記磁気センサーで検出した検出結果が０になるように行う処理部
   をさらに備える請求項１の空中電磁探査装置。
3. 前記送信機を吊る吊りロープ
   をさらに備え、
   前記支持体は、
   前記吊りロープに結合される第１の結合部および前記吊りロープから離れた位置において前記磁気センサーに結合される第２の結合部を有する支持棒
   を備える
   請求項１または２の空中電磁探査装置。
4. 前記支持体は、
   少なくともひとつの揺れ止めロープが残余の揺れ止めロープと同一平面上に配置されないように張られる複数の揺れ止めロープ
   を備え、
   前記複数の揺れ止めロープの各々は、
   前記ループアンテナに結合される第３の結合部と、
   前記支持棒または前記磁気センサーに結合される第４の結合部と、
   を備える
   請求項３の空中電磁探査装置。
5. 前記支持体は、
   前記支持棒より鉛直方向上方において前記吊りロープに結合される第５の結合部と、前記支持棒または前記磁気センサーに結合される第６の結合部と、を備える垂れ下がり止めロープ
   をさらに備える
   請求項４の空中電磁探査装置。
6. 前記支持体は、
   前記支持棒より鉛直方向上方において前記吊りロープに結合される第３の結合部と、前記支持棒または前記磁気センサーに結合される第４の結合部と、を備える垂れ下がり止めロープ
   をさらに備える
   請求項３の空中電磁探査装置。

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