JP4206421B2 - 擬似ノイズ信号を通電波形とした多点同時通電方式による効率的比抵抗計測法 - Google Patents

Description

本発明は、地下の電気的特性を計測する電気探査比抵抗法と電気検層比抵抗法に関するものである。

従来の方法では、複数の通電地点と電位計測地点を地表もしくは地中に設け、さまざまな組み合わせで通電して応答電位を測定することにより複雑な地下の電気的特性分布を計測しているが、多点同時に通電することはなく一度の測定での通電点は１点に限られていた（特許文献１、特許文献２、非特許文献１参照）。

従って、測定に要する時間は、一回の測定時間に通電地点数を乗じた時間を下回ることはできないため、コスト削減に限界があるばかりでなく、地下の電気的特性の変化から地下水の流動状況を可視化するといった適用分野においては、変化の速い現象を捉えることができず、適用範囲を制限する要因ともなっていた。

最近では、同時に多点で通電することにより測定時間の短縮を計る研究が報告されている（非特許文献２、３）が、それらは通電地点ごとに異なった通電周波数を用いる、周波数分割多元接続（ＦＤＭＡ）タイプの技術である。

地下の電気的特性は周波数特性を持っているため、なるべく同一の周波数で通電することが望ましいが、ＦＤＭＡタイプでは原理的に通電点ごとに周波数が異なるため、同一の周波数での応答電位を計測することができない。また、同時通電地点数を多くするためにはより広い周波数範囲にわたって通電周波数を割り振らなければならず、同時通電点数に制限がある。さらに、応答電位の測定には同期検波回路が必要になり装置が複雑になる。

このような状況の中、同一の周波数で多点で同時に通電する効率的な電気探査測定方法が必要とされている。
特開２００１−０２１６６２号公報 特開２００５−３３７７４６号公報 物理探査学会編「物理探査ハンドブック」第５章２５９頁〜２９１頁 「マルチ送信比抵抗トモグラフィ計測システムの開発とその応用について」、物理探査学会第１１４回学術講演会論文集、２００６年、２１５頁〜２１８頁 「マルチ送信比抵抗探査装置による三次元比抵抗探査」、物理探査学会第１１５回学術講演会論文集、２００６年、２７３頁〜２７４頁

本発明が解決しようとする従来技術の課題は、電気探査比抵抗法および電気検層比抵抗法において品質を低下することなく測定時間を大幅に短縮することである。特に、同一の周波数帯の信号を用いて同時に多地点から通電し、観測された応答電位波形とそれぞれの通電波形を用い、数学的処理によって任意の通電地点から単独で通電した場合の応答電位を計算することで、従来の測定時間を通電地点分の一に短縮するという課題を解決する。

同時に多地点で通電した場合に観測される応答電位には、すべての通電波形に対する応答が重畳されているため、これをそれぞれの通電に対する応答電位に分離しなければならず、精度よく分離するためには通電波形間の相互相関がゼロに近いことが要求される。

通電波形をＳ（ｉ，ｊ）、単位通電電流あたりの応答電位をＲ（ｉ）、観測電位波形をＰ（ｊ）通電点数をｍ、通電波形長（データ数）をｎとすれば、それらの関係は行列表示によりＳ×Ｒ＝Ｐと表現される。

これをＲ（ｉ）について解けばそれぞれの通電に対する応答を求めることができるが、容易に解くことができるかどうかは行列Ｓの性質次第である。しかし、通電波形間の共分散がゼロの場合は簡単に精度よく応答を求めることができる。

Ｐ（ｊ）とＳ（ｉ，ｊ）との共分散Ｃ（ｉ）は、Ｐ（ｊ）、Ｓ（ｉ，ｊ）それぞれの平均値を引いた後乗算して総和をとることによって求められる。

Ｐ（ｊ）＝Ｓ（ｉ，ｊ）×Ｒ（ｉ）を代入すると、Ｃ（ｉ）はＳ（ｉ，ｊ）の分散および共分散とＲ（ｉ）を掛けて足しあわせたものになる。

ここで共分散がゼロの場合は、Ｒ（ｉ）はＣ（ｉ）をＳ（ｉ，ｊ）で除したものとなり簡単に求めることが可能である。

従って、同時に多地点で通電する場合でも通電波形間の共分散がゼロになるような波形を選んで通電すれば、観測電位波形から容易に単位電流あたりの応答を求めることができる。共分散がゼロとなる波形としてはＭ系列符号などの擬似ノイズ信号（ＰＮ信号）を基に作成することができる。

Ｍ系列符号は排他的論理和による帰還タップを持つｋ段の線形帰還シフトレジスタから２のｋ乗−１の長さの系列を作成することができ、作成されたＭ系列をシフトすることにより２のｋ乗−１個の系列を作成できる。そのままではＭ系列の性質から共分散はゼロにならないが、末尾にゼロを付け加えることによりすべての組み合わせで共分散をゼロにした波形を作成できる。シフトレジスタの段数を増やすことにより系列の長さが長くなるもののその長さに比例した個数の系列を作成できるので、同時通電点数に対する制限は少ない。

このように、多点から同時に通電するときの通電波形にそれらの間の共分散がゼロになるような波形を選ぶことにより、観測された電位波形から任意の通電点に単独で通電した場合の応答を求めることができる。共分散がゼロになるような波形にはＭ系列符号の末尾にゼロを加えたものが適用可能である。

本発明により、電気探査あるいは電気検層の測定時間が大幅に短縮される。例えば地表に通電点と電位観測点を配置する一般的な二次元探査において、通電点数が１００点で通電点あたりの電位測定点が１５点の場合を考えると、従来の方法では同時測定チャンネル数が１５の場合でも１回の通電測定に要する時間を１分として合計１００分を要していたものが、１分で測定を完了することができるようになる。

計測時間刻みを小さくすることができるため、電気探査によるリアルタイムモニタリングシステムが可能となる。これにより、地下水流動等の地下の動的な現象を比抵抗変化を通して観測できるようになり、例えば土壌汚染の進行状況や洪水時の河川堤防への河川水浸透状況あるいはＣＯ２の地層貯留状況やメタンハイドレート採取時の海底下のモニタリングに対して電気探査や電気検層が適用可能となる。

本発明の方法を具体化する形態は、任意の波形で複数の地点に通電することのできる通電制御装置と、電位波形を観測するデータロガーと、観測されたデータをリアルタイムに処理すると同時に通電装置を制御するパーソナルコンピュータと、パーソナルコンピュータに組み込む計測処理ソフトウェアから構成されるものである。

通電制御装置は、パーソナルコンピュータからリアルタイムに制御可能で、同時に多チャンネルに対してそれぞれ別々の任意の通電波形にて通電することができるもので、例えば多チャンネルのＤ／Ａ変換器と増幅器から構成される。データロガーは、チャンネル間およびチャンネルとシステムバス間が絶縁されており、通電電流の周期と大きさと想定される観測電位の大きさに依存する観測仕様を満足するもので、パーソナルコンピュータからリアルタイムに制御可能なものを用いる。計測処理ソフトウェアは、観測電位波形と通電波形の共分散を通電波形の分散で除することにより各通電地点に対する応答に分離する機能を持つものとする。

図１は本発明による測定システムの構成例であって、パーソナルコンピュータと通電制御装置、データロガーから構成される。なお、本発明では多点で同時に通電するので電位測定電極と通電電極は兼用することができないため、この例では通電電極と電位測定電極を交互に配置している。また、通電波形もデータロガーに記録されなければならない。

図２から図４は本発明のシミュレーション結果であって、図２は想定した電極配置、図３は想定した通電波形、図４は上から順に想定した電位応答、観測電位波形、本発明による再現応答電位を示している。

本発明による測定システムの構成例を示している。 シミュレーションで想定した電極配置を示している。 シミュレーションで想定した通電電位波形を示している。 上から順に想定した電位応答、観測電位波形、本発明による再現応答電位を示している。

Claims (3)

1. 電気探査比抵抗法および電気検層比抵抗法において、複数の通電地点から異なった通電波形で同時に通電し、別途設けられた電位測定地点で観測された電位波形から数学的処理によって任意の通電地点で単独に通電した場合の応答を分離する測定方法であって、すべての通電波形間の共分散をゼロとする擬似ノイズ信号を通電波形として用いる同時多点通電方式の測定方法。
2. 請求項１において、任意の通電地点に対して、観測された電位波形と通電波形との共分散を通電波形の分散で除することにより、任意の通電地点から単独で通電された場合の単位電流あたりの応答電位を求める処理方法。
3. 請求項１において、同一のシフトレジスタから発生される複数のＭ系列符号の末尾にゼロを加えることにより作成した通電波形を用い、すべての通電波形間の共分散をゼロとした通電方法

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