JPS58151575A - 電磁地質探査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は地質電磁探査システムに関する。

このような電磁探査システムでは、探査しようとする地
質を１次電磁界中におき、この１次電磁場によってこの
地質中Ｋｌｌ起され走電ＩＬＫよって発生し九２次磁界
により受信器に鰐起せしめられた信号電流を測定するの
である。実際上はこの２次磁界は１次電磁界（交番電磁
界であるとする）と同相の成分および９０度ずれた位相
の成分を包含する。このようなシステムに共通する問題
は、１次電磁界が２次磁界に比較して着しく強く、所望
０２２次信を分離することに困難があることである。こ
の問題のひとつの解決策は周波数ドメイン型の技術の採
用である。この技術では１次電磁界を発生する伍信器お
よび前記受信器がひとつまたはそれ以上の定まった周波
数で動作せしめられ、受信１次信号を消去して所望の２
次信号のみを残すようにするのである。このような消去
方式は有効であるにしても通常装置が複雑となるか、お
よびまたは１次信号の送信器と受信器との間に所定の位
置関係を厳密に維持させねばならないという欠点を有す
る。多少ともさけられないところであるが、この位置関
係にわずかな変化があると、上記消去が不確実となり、
この丸め受信した信号にノイズが生ずることとなる。こ
の間ｉｌ！はもちろん２次信号の同相成分について華噌
影響するところが太きい。これらの間１！ｌ！Ｉｔ？ブ
オしては、多くの場合使用周波数ができるだけ低い方が
のぞましいが、このように低い周波数で＃ｉ２次信号の
相対強度がさらに減じてしまうという事実によって一層
悪化されるのである３、 別の解決策としてはいわゆる過渡現象技術を用いること
であつ九。この技術によれば１次電磁界を時間間隔を置
いて中断し、この中断中に２次磁界をサンプリングする
方法である。１次電磁界はこの測定中には存在しないの
で、上述の消去に関係する問題はさけることができ、低
周波数によるのと同様な観測を、単に過渡備考のサンプ
リングを充分遅らすことだけで行なうことができる。し
かし得られる２次信号成分は比較的小振幅のもので、し
かもサンプリングを遅らせば遅らすほどますます小さく
なる。この九めに信号対ノイズの比を悪くすることとな
る。また、このような過渡技術は、２次信号の９０度ず
れた位相の成分についてのデータを与えるのみであると
今迄広く信じられて来九。これは１次成分は１次信号と
同相であり、この丸め１次信号の存在の下では測定は行
われず、２次信号の同相成分の測定は行なわれないとい
う理由からである。この理由づけＦｉｗ４まったもので
あるが、従来の過杖技術では、２次信号の同相成分と９
０度位相のずれた成分とを弁別することはできなかった
ことＦｉ事実である。

過渡システムの特色は、この技術は本来広帯域のもので
あることである。すなわち応答ａＦｉ広い周波数スペク
トルにわたる成分を包含している。時しτ＜＜ニー’７
、広帯域受信器を用いて、過渡２次信号のｆｃ＊が、そ
の情報内容をあますと′−６なくあられす１光分７だ。

け兼＜＊測できるようにすることがＱ　？’ｔ　”＋”
。

この特性はノイズの問題ともかかわりがある。

ノエオフイジクス（Ｇ＠ｏｐｈｙｓｉｃｍ　）　　第４
３巻第７号（［１７８年１２月）第１：（９２−１３９
８真に、本発明の発明者のひとりＦｉ局周波数ドメイン
法よび過渡現象法の理論的分解能について地質ノイズか
ら目的信号を弁別する能力を中心論題として研究した論
文を発表している。この論文では、多スペクトル周波数
トメ４ンシステムでは地質ノイズの影響を有効に排除す
ることが、受信信号の低周波同相成分の測定により達成
で籾るが、この＃１定は低振幅であるので上述の理由に
より実行が困龜であることを述べている。

本発明の第１の目的は周波数ドメインシステムの同相２
次信号の検出を改善せんとするにある。

本発明の他の目的は、９０度位相ずれ成分および同相成
分′のいずれにおいても＾い分解能を得られる周波数ド
メイン法を提供するにある。この方法は地質の導電性の
それぞれ奇数乗および偶数乗に比例する連ｖＬｒ４ａ−
信号成分を分解することを可能にし、このようにして異
なった導電性を有する地階からの信号を分解する能力を
実質的に向上せしめるのである。

すなわち本発明は、規則正しい時間間隔で急激に中断を
開始する周期的電ｔＩＬ＃ＩＬ形を生ぜしめる誰偵器に
よる１次磁界に被探査地質をさらし、受信器により前記
中断の急激な開始によって地質内に誘起せしめられ九過
渡２次磁界によりこの中断中受信器に誘起された電流に
対応する２次信号を生ぜしめる温式の地質電磁探査の信
号処理装置にあり、この装置は、中断中に所定の規則正
しい間隔で生ずる２次信号のみを、前記周期的電流波形
と同期する基準信号と共に処理し、この２次信号を、前
記周期的電流波形の基本周波数に同調した狭帯域フィル
タに印加し、この狭帯域フィルタの出力を前記基準信号
と共に第１の同期検出器に印加し、この同期検出器によ
妙、２次信号が処理されない時間の関必要な位相補償を
提供するようＫＡ！Ｉされた検出軸線上に１次電流波形
の位相に関するフィルタ出力を検出して、これＫより前
記基本周波＃における２次信号の少なくとも同相成分を
検出することを％像とする。好適には、この装置はさら
に他のフィルタと同期検出器とを表情し、これらによ妙
１次信号周波数の少なくと本ふ九つの高祠波成分におけ
る２次信号の同相成分および９０度位相のずれ九成分の
両方を分離する゛。上記高調波の一方は基本周波数であ
ってもよい。９０度位相のずれた信号成分は１次磁界の
存在の下に引き出すことができるが、たとえば僅かな同
相位相誤差は９０度ずれ九位相成分における大きな位相
誤差につながるものではないので、９０度ずれた位相成
分は１次磁界の不存在においてはるかに容易に処理され
るのである。

以下本発明を添付図面に例示したその好適な実施例につ
いて鮮述する。

第１図において、探査しようとする地質を、斜線を施し
た導電性を有する鉱石部分！、大抵は導電性である母岩
４、および大抵は導電性である積上６として示しである
。直信器ｌはその１信コイル１０を付勢して１次磁界を
ｚ 発生する一方、受信コイ１にはこの１次磁界および２次
磁界により誘起された信号を拾い上げこれらを受信器１
４に印加する。ケープル１６は受信器から受信器へ基準
信号を伝達する。このケーブル１６に代り、他の等価手
段九とえば無線リンク、共通基準に同期せしめ九水晶発
振器などももちろん用いることができる。鉱石部分から
の信号だけじ通常関心があり残りの信号は単なる地球物
理ノイズにすぎないのであるが、この装置では受信され
たすべての２に信号を強め、これを分けることはむしろ
困難となる。さらに、鉱石部分は探査装置から最も遠い
部分であるので、その信号は歳も弱いものである。こと
にこの部分が地中深く埋まっている場合にはそうである
。

他方各部分からの応答は周波数に依存するが、この周波
数への依存性および応答の位相は各部分の／？ラメータ
、特にその導電性および形状に影畳される、。

第１図に示すシステムに本発明の目的とする能力を与え
るために、送信器　８およびコイル１０は、送信器コイ
ルの電流波形が第３図の（Ａ）に示すような不連続磁界
を発生するように配設しである。この電流Ｆｉまた１次
磁界強度を決定する。この波形は過渡システムで用いら
れ友ものと同様であって、既知周波数のくり返しサイク
ルにおいて交番極性の規則正しい矩形波電流・臂ルスが
休止期間で分離されている形のものである。典型的には
この周波数は２５−１００Ｈｚ程度とし、電力供給−の
高１４波の基本周波数に対応する周波数を避けるものと
する。従って６０　Ｈｚ供給周波数の地域では、９０Ｈ
ｚまたは３０　Ｈｚを選択する。

受信器コイルにおける応答もまた過度システムの特徴に
類似するものであって、第３図の（靭に示すような一連
の滅真・量ルスである。

１次電流サイクルの持続時間および形状は各・９ルスが
次の・母ルスの開始前に実質的にゼロに滅糞してしまう
ようにするものとする。

１次波形が正確な形状であることは、電流の急激な＝？
ｔｌｌｌが規則正しく行なわれる限り本発明にとってそ
んなに重要なことではないことを理解された−い。この
電流の急激な中杭の前には、２次磁界が実質的にゼロに
減少するに光分な電流の遅滞変化の時間が先立ち、かつ
このあとには２次磁界が実質的にゼロに減少するに光分
な期間が続くようにする。ＣＰ＠に先立つ電流は常に同
一方向の極性のものかまたは交替する方向のものかのい
ずれかである。後者の場合、基＾反復絢波数の各サイク
ルにふたつのｃｆ’ｔｍがあることになる。主電流の中
略は全く急激な本のとし、これによって目的とする２次
信号を生じさせる様な高調波の減衰をさけるようにすべ
きである。過渡システム用の送信器および送信器コイル
は、これらが所定の周波数のサイクルで適宜な波形を発
生することができる限り本発明において用いることがで
きる。９！信器１４（第２図参照）はコイル１２により
拾い上げられたノ９ルスを受け、予備増幅器２０におけ
る広帯域増幅に付される。次いでこれらの・やルヌは１
次信号に同一し九スイッチまたは伝達ｆ−）２２による
ｒ−ティングに付されて、送信器コイルに電流が流れて
いない期間内の＃７ａｎＰ４外ｌｌ／ｌ、Ｆ−を信号を
通す。このｒ−ティングの効果は、電流が送信器コイル
を流れている間でも受信した信号を消去することにある
。このようにして１次コイル中の電流のｑ呵に続く・ぐ
ルスのみを残す。これらの・ぐルスはｙ−トの開いてい
る期間中の２次磁界に対する応答のみを示す。このよう
にこの受信器は、多くの過渡システムに用いられた受信
器と同様といで、最初のふたつのフィルタ２４．２５で
示される一連の狭帯域フィルタへ印加される４、これら
のフィルタＶｉ１次信号崗波数の基本および奇数次高調
波ＫＩＷｌ―せしめであるので、これら高調波成分のそ
れぞれに起因する２次応答の成分を分解する。これらフ
ィルタの出力は次いで装置３４によって紀鍮され九基準
４５号またはケーブル１６上の信号から誘導された基準
１６号を使って同相および９０度ずれ丸軸線における同
期検出に付される。＠３図（にに示した送信器電流波形
に対する受信信号の部分的消去を考慮に入れて、基準信
号の位相は、受信信号の同相成分（フーリエ級数のサイ
ン成分）を第３図の（Ｏおよび（ｎに示すような時間的
位置を占める受信信号によって＃ｊ定するように修正さ
れる。このような修正は、１次波形が単極性であれば必
要ない。次いで基準の位相を位相７フタ２３によってさ
らに９０度ずらして、９０度位相のすれ九基準を誘起せ
しめてコサイン項を測定する。これら一相基準信号およ
び９０度ずれた位相はフィルタ２４からの人力を受けて
同相および９０度ずれた位相の復調器２６Ｉおよび２６
Ｑに直接印加して、＠３図（Ｏに示した信号の基本同相
および９０度ずれた位置の成分に比例する整流され走置
流出力信号を生ずる。３矢高ｖ１４波における信号の同
相成分および９０度すれた位相の成分が所望であるなら
ばフィルタ２５（これも３矢高ｖ１４波に同調しである
）からの入力を受けて上述の同じ基準信号はマルチプラ
イヤ２Ｔにより３を乗算された後、同相および９０度ず
レタ位ａのｏｉ＃ｌ４ａ２ａ　ｘおよび２８　Ｑ　Ｋ［
’ｊｊｎＣ印加される。同じようにして他の高ｍ波周波
数における同相および９０度ずれた位相の成分が得られ
る。利用する高調波成分は、１送電ｔＩＬ畝形に依存す
るので必すしも基本および奇数次＾１ｌｌｌ波でなくて
もよい。もしこの波形が奇数次高調波よりも偶数次高ｖ
Ｉ４阪に富むものであれは、基本周波数に加えて前者を
慣出し傷病することが好適である。

＊ｒｍ養出力出積分器３０に印加され、次いで指示器ま
たは記録＃＃３２へまたは他の処坤回路へと送られる。

出力結末は様々なやり方で利用出来。

本発明の目的である２次信号の同相成分の解析を可能に
すると共にいくつかの周波数の四時読取りが出来ること
が、地質構造ＩＣ関する他のデータの解釈をも可能とす
る。

最も簡単なデータ解析の手法は、１次砿界の基本周波の
同相出力について検討することである。

同じ周波数で作動する従来の周波数ドメインシステムと
比較すれば後述するように、１送信号の不完全消去また
はシステム配置の変化に由来するノイズがなくなる。こ
れらの要因は通常このようなシステムで使用できる最低
周波数を制限するものである。これは所望２送信号の振
幅が周波数の２乗に比例するからである。本発明はさら
に送信器コイルと受信器コイルの分離を非本質的なもの
とする。事実これらのコイルは一諸に配置してもよいし
、さらには同じコイルな速値受信に用いてもよい。これ
は２次信号が１次（ｆｉのある時には決して要求されな
いからである。送信器と受信器とを接近せしめることは
、創建しようとする地質の性質についての正確さを教書
せしめることとなる。

も５１つのデータ解析手法は、蚕暢修正豊因を出力に開
極する異なった周波数の補償のために通用して恢Ｋ、単
純に出力給米を比較するやり方である。たとえば出力信
号が高導電性の埋蔵鉱石と低尋電性の表層に王として由
来するものであるとすると、鉱石白米する信号５の寄与
は各出力信号において異なって来る。このようにして任
意のひとつの為制波におけるＪＡＩ阪数成分から誘起し
た出力の範囲にあるような低い周波数においては、９０
度ずれた位相の応答に対する寄与は鉱石および表層の導
電性にそれぞれ厘−比例するが、いずれの−合でも送９
１材および受ｇｉ１番の位置に一遅して鉱石本俸および
表層の位置、寸法および形状に基く要因に影響される。

同相応答の一合には、各応答に対する寄与はそれぞれの
４電性の２乗に比例することとなる。簡い尋電性智体の
相対的な寄与置台は烏次の＾−改から鋳蔵する信号とな
って減少する。しかしこれらの信号は以下の貌明かられ
かるようにやはりｈａなものである。

基本Ｍ１波数と比較すべき３次高１１ｉ１誠から誘導し
た出力について考えてみると、谷対の出力は−ちろん同
じように比較されるが、同相成分の一合が好適であり、
その−合３次萬−波出力は、その相対４ｊｉｉＲ′ｌＩ
ｍを適宜−整して周波数依存振幅差を消去した故基不周
波数出力から差し引かれる。この一合、３次高調波信号
は９で除せられる。この修正は所望により積分器３０に
連らなる減衰器回路網により印加される。この結果得ら
れた差信号では、異なった導電性の地層に由来する応答
間の差かさらに強−される。この過根は５矢高−波から
誘起せられた出力についてもくり返され、理論的には無
限に行なわれるが、実際的な限界は信号ノイズおよび処
理の不正確さによって定まるであろう。同様なことは９
０直すれた位相成分についても通用される。

従って本発明のシステムは、高導電性の地中一体の２次
信号への寄与を、より低い導電性のものの応答から差別
することを達成するａｍとなるのであって、本発明は、
観測点迄の接近性Ｓよびま１÷ たは１墳的限界の水入性のゆえＫ、低電導性物体からの
信号が地層中の深い処からの場合高導電性一体からの所
望の信号をか＜シＭｔちになるので有効である。この差
別が信号処理中に強められる程度は従来は所１ｌＩＩ信
号がノイズに影譬される度合に大ぎ＜４１Ｂ存していた
。この点本発明は従来の周波数ドメイ／システムに対し
て重大な利点を有するものである。

処理される２次信号の部分は１次信号の不存仕の下に発
生される。このことは、２次個号を１次に対して消六奴
術を用いることができようが、この扱俯ではノイズが出
がちであり、このよ５Ｋして導入されるノイズは掬足値
、特に２次信号の同相成分の測足蝋を制限してしｆ５゜
既述のよ５に同相成分は尚４一往物体からの比軟的大き
な応答を含むので、このように同相成分の測足鈑が一制
限されてしま）ことは小量なことである。

その他の利点として、＃Ｊ短足中１次信号の不存仕は送
信器コイルと受＠会コイルとの公庫が非本質的なもので
、小距離でよい忌があり、このことは特に航空機に本シ
ステムをｉ戟する場合に一＃′利である。

過渡システムと比軟すると、本発明は＃帯域であるとい
う利点があり、これによりノイズ減少に役立っている。

本発明のスイッチング技術によれば、得られる２次信号
情報の半分の不使用が致命的であるよう九見えようが、
事実は出力信号の振−がわずが１／２だけ減するのみで
、球面幾何学および他の外的原因によるノイズは同様な
量だけ減少するので、損失分は補償され得るし、１次信
号から生ずるすべてのノイズは全くなくなる。

過渡システムにおげろ外的なノイズ問題を克服する従来
のやり方は一方においては送信器の出力を増大し、他方
においては多過渡信号からの読取値な組合せることであ
った。これらの解決策はいずれも問題を生じるものであ
る。すなわちシステムが嵩高になること、電力ｆＰ４＊
が大きくなること、応答がおそくなることである。こと
に探査装備な航空機内で用いようとする時に問題である
。本発明の興味のある特徴は従来より迅速に、小送信器
出力で探知できる点にあり、航空機搭載システムおよび
ｆ！！＃帯シスナシステム特に有利性を与えることにあ
る。

現存の、過渡システムは、多くの場合上述の信号処理回
路を採用すれば、本発明による周波数ドメインシス゛テ
ムに用いる信号を発生させるととに利用できる。このよ
うにして既知の設備を信号発生に利用して、この信号を
レコーダ３４に記憶させ、これをあとで分析する。この
記録はひとつのチャンネルに記録された所望の２次信号
と共に、１次信号の時間な決足する基準信号を伝達する
謝２のチャ／ネルがら成るものである。若干の場合には
２次信号チャ／ネルに得られるデータは所景の基準信号
を侍るのに釣用される。

信号処坤ｔｇｌ路およびことにフィルタ２４．２ｂおよ
び＠ｌ！詞器２６１．２４ｉＱ、２１７４１，２ｆｊＱ
はアナログ回路により従来設計されていたが、２次信号
データをディジタル化してディジメルフィルタリング技
術及びディレタル復−技術を用いることが好よしい。こ
れらの技術は適宜なプログッムドマイクロプロセッサを
用いて実行することができる。さらに、もし２次信号デ
ータを記録するなら、このデータはリアルタイムに処理
する必豊はなくなり、使用周＃Ｌ数を７３１Ｔ値により
典型的には上方にシフドシてさらに早い処理を行なうよ
うにすることができる。しかし信号処理でなされる機能
は上述した通りである。

以上では、本発明を地表および航空探査について％に述
ぺたが１本発明は地中穿孔探査からのデータにも同様に
応用し得る。このような探査では本発明により得られる
同相信号は、従来の技術で得られる９０度ずれた信号に
比較して穿孔から遠くはなれた所までも地層条件を診断
することができ、このようＫして各穿孔からの有効探査
半径を拡大せしめることができる。

糾解をさけるために、本明細書中で使用した「同相信号
」および「同相成分」という用飴は、１次磁界への特別
な位相関係が処理中に維持されることを必ずしも意味す
ることなく、２次磁界の同相成分により誘起される信号
および信号成分を云うものとする。

【図面の簡単な説明】

第１図は探査しようとする地質上に配置した地球物理探
査ａｍを示す配ｆＩ／１図、第２図は第１図に示す受信
器の主要回路を示すブロック図、第３図は本発明装置の
各部の電流波形を示す波形図である。 ２・・・磁石本体　　　　４・・・導電性の母岩６・・
・表層　　　　　　８・・・送信器１０・・・送信器コ
イル １２・・・受信器コイル １４・・・受信器　　　　１６・・・ケーブル２０・・
・予備増幅４ ２２・・・ゲート　　　　２５・・・位相ｙフタ２４．
２５・・・フィルタ ３４・・・配録装置 ２６Ｉ、２６Ｑ・・・復ｆＡ器 ２８　Ｉ　Ｉ　２８　Ｑ・・・１凋４ ５０・・・積分４ 代理人　三　宅　正　夫（他１名） ＦＩＧ、　Ｉ ＦＩＧ、　２

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）急激に始まる中断を規則正しい時間間隔をもって
   繰返す周期的電流波形を生ぜしめる送信器と、前記中断
   の急激な開始によって地層中に誘起される過渡的２次磁
   界によって前記中断中に誘起される電流に対応する２次
   信号を与える受信器とにより、被探査地層を１次磁界領
   域に付する型式の地質電磁探査における信号を処理する
   装置において、前記中断時間内に規則正しく所定の時間
   間隔の間に発生する２次信号のみを前記周期的電流波形
   と同相する基準信号と共に処理し、かつこの２次信号を
   前記周期的電流波形の基本周波数を受は入れるように同
   一せしめた狭帯域フィルタ（２番）に印加し、このフィ
   ルタの出力を前記基準信号と共に、前記２次信号が処理
   されない時間の関必蒙とする位相補償を与えるようＫ１
   １４整し九検出軸線上で前記１次電流波形の位相に関連
   する前記フィルタ出力を検出する少なくともひとつの第
   １同期検出器（！＠Ｉ）に印加し、これにより前記基本
   周波数における前記２次信号の同相成分を取り出すよう
   にしたことを特徴とする地質電磁探査信号旭理装置。
2. （２）特ｆｌｆＭ求の範囲第１項記載の装置において、
   前記フィルタの出力と前記基準信号と更に第１の同Ｉ検
   出器から９０度ずれた検出軸をもつ信号を受ける第２の
   同期検出器（２・Ｑ）をｌ　ｔｌすることにより９０度
   ずれた位相成分を受信するようにしたことを特徴とする
   地質電磁探査信号処ｆｆｌ装置。
3. （３）％許請求の範囲第１項記載の装置において、前記
   基本ｌｌｌ１ｌ波数の異なった＾次１４−波にそれぞれ
   同調され、検出しようとする高−波に適切な前記基本周
   波数の倍数である周波数の基準信号を受ける、同相を九
   は同相および９０度ずれ九位相の同期検出器（！ＩＩ、
   　！ＩＱ）にそれぞれＭ直せしめたひとつま九はそれ以
   上の付加的な狭帯域フィルタ（２５）を嗅楊し、前記２
   次信号の少なくともふたつの異なった高調波成分の少な
   くとも同相成分を取り出すようにしたことを特徴とする
   地質電磁探査信号処理装置。
4. （４）％軒請求の範囲第３項記載の装置において、異な
   った高５ＩｉＩ波成分に同調したフィルタに関連した検
   出器の同様な位相の出力の振幅差を決定する装置（３２
   ）を埴善し、前記出力の補償後胤波数依存振幅差を消去
   することを特徴とする地質電磁探査信号処理装置。
5. （５）特許請求の範囲第１項ないし第４１Ｊのいずれか
   く記載の装置において、処理しようとする信号を予じめ
   紀碌し、この記録した信号から２次信号および基準信号
   を取り出す装置（８２）を原優することを％像とする地
   質電磁探査信号処理装置。
6. （６）各終止の後には中断時間を伴った基本周波数の周
   期的電磁波形を印加することによって、探査すべき地層
   を継続して急激に終止する磁界の下に置くように調整さ
   れた発振器と、前記中断時間内での所定の間隔の間のみ
   、地層によって発生する２次的磁界圧応答するｒ−トを
   設は九受信器を包含し、該受信器が特許請求の範囲第１
   項乃至第５項に述べられている装置を具備していること
   を％黴とする地層電磁探査システム。