JPH0664154B2 - 海底地震センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、地震による圧力波の水中での伝播方向を決め
るために光ファイバ圧力センサを用いることに関する。

海底地震探査時に、１乃至２マイルにわたって延びる長
い円筒状のプラスティック製のストリーマ（吹き流し）
内に複数の圧力センサを入れておく。ストリーマは所望
の深さで水中を船によって曳航される。海面下の地表層
は適当な手段によって音波探査される。音波は下の地表
層から反射され、圧力波の形で水面に戻ってくる。圧力
波は圧力センサによって検出され電気信号に変換され
る。電気信号はストリーマ内の伝送ラインを介して曳航
船に伝送される。

反射された音波は圧力センサに直接戻ってきて、そこで
初めて検出されるが、検出される音波はそれだけではな
く、水面で反射されて圧力センサに戻ってくるものもあ
る。この水面で反射された音波は勿論圧力センサの深さ
の２倍に比例する時間だけ遅れており、２次信号または
ゴースト信号として現れる。直接戻ってくる音波と水面
で反射された音波とは時間的には接近して−数ms−到達
するので互いに干渉し合う傾向がある。従って音波の伝
播方向を決めるに当っては、上方向および下方向に伝播
する波をデータ処理時に容易に弁別できることが望まし
い。

２つの別々のセンサを鉛直配列に固定して配置すること
ができる。したがって勿論、鉛直配列をなす各センサに
特定の波が達する時間差を測定することで音波の伝播方
向を容易に同定することができる。たとえば米国特許第
3,952,281号を参照するとよい。しかし、この方法は２
本の別々のハイドロホン・ケーブルを必要とする。各ケ
ーブルには約50万ドルの費用がかかるので、この処方は
明らかに不経済である。

十分にコンパクトなセンサが得られれば、数インチずつ
離したセンサのほぼ鉛直な配列を同じストリーマ内に装
荷することができるであろう。しかし地震用のストリー
マ・ケーブルは、水中を曳航されている間にねじれたり
曲がったりしてしまう。従来の検出器を用いる場合、も
しセンサのほぼ鉛直な配列がストリーマ内に装荷される
と、配列中のどのセンサが上にあるのかを決定する方法
がない。

また、水の層の底の中かその近傍にある散乱体による水
平に伝播する不必要な波を同定することができなければ
ならないことも重要である。

よく知られているように、水中で鉛直方向に離れた２つ
の点の間には静水圧勾配がある。したがって、もし鉛直
方向に配列された２つの検出器間の静水圧勾配を測定で
きれば、配列中の上の方の検出器を同定することができ
る。

従来の海中検出器またはハイドロホンは、検出部分に圧
電性のセラミックウエハを用いている。一般に、ウエハ
は曲げモードで作動するように装荷される。音波による
過渡的な圧力変化はウエハを曲げてAC電流を発生する。
ウエハはまた、静水圧にも敏感である。しかし静水圧に
よるDC電荷は、取り付けられた回路を通して急速にリー
クしてしまう。したがって、検出器信号の静水圧差によ
る微分DC成分は検出できない。

本発明の目的は、地震波による過渡的なAC圧力信号を検
出できる廉価なストリーマにおいてセンサの複数の配列
を提供すること、および３次元空間における地震波の到
達方向を鉛直方向の静水圧勾配によるDCバイアスを測定
することで検出される鉛直方向に関して同定することで
ある。

本発明によると、地震用のストリーマの内部のストリー
マに沿って間隔をおいて配置された複数のセンサ・ステ
ーション（センサの装荷位置）に、複数の光ファイバと
センサ配列とが取り付けられる。各センサ配列は、圧力
センサとして働く少なくとも３個、できれば４個の単一
モード光ファイバのコイルのセットからなる。４個のコ
イルが用いられる場合は、ストリーマ外皮の内面に90°
ずつ離れて４個のコイルが設置される。センサコイルの
各セットに対してレーザまたはLEDが入力伝送ラインを
介して単色のコヒーレント光を放出する。センサコイル
における過渡的および定常的な圧力は光を変調する。１
セットの各センサコイルからの変調出力光は多入力光検
出器へ送られ、各センサコイルからの光はそこで各々標
準光と結合される。その結果生ずる光学ビート（うな
り）の信号は、センサコイルに入ってくる過渡的な地震
信号の極性と強度を表わすAC電気信号へと光検出器によ
って変換される。

別々の変調出力光が互いに結合されるのは、できれば、
出力光間の位相差をセンサコイル間の静水圧勾配による
DCバイアスを表わす強度を有するDC電気信号へと変換す
る光検出器においてなされるのが望ましい。地震による
AC信号とDCバイアス信号とはデータ・プロセッサに伝送
され、そこで、入射してくる地震波の伝播方向が解析さ
れる。

レーザ、光検出器、データ・プロセッサおよび他の光学
的、電子的回路は曳航船上に設置されるのがよい。入力
光および変調出力光は光ファイバの束を通じてセンサコ
イルに伝送される。

レーザまたはLED、光検出器および標準光を与えるビー
ム・スプリッタは、センサコイルの各セット毎にまとめ
て１つのモジュールとしてセンサ・ステーションに設け
てもよい。変調出力光は電気信号に変換されたACおよび
DC各成分について解析される。電気信号は電線によって
データ・プロセッサに伝送される。

さて、第１図には、水14の中を地震用のストリーマ12を
曳航する船10が示されている。ストリーマ12は、防護の
ための耐圧部材を含む外装された引き込みリード16によ
って曳航されており、引き込みリード16は１つまたは２
つ以上の光ファイバの束を内包している。引き込みリー
ド16とストリーマ12とは、不使用時には船10の船尾にあ
るリール18に保管される。ストリーマ12は、幾つかの光
ファイバ製のセンサコイル・セット20を有しており、各
センサ・ステーション毎に１つのセンサコイル・セット
が装荷される。後でみるように、各センサコイル・セッ
ト20は３個、できれば４個のセンサコイルを有してい
る。レーザ、光検出器、光学カップラおよびデータ処理
装置等の測定装置パッケージ22は船10上に設置される。
測定装置パッケージ22については後で詳しく説明する。
ブイ24がストリーマ12の後端を示している。センサ・ス
テーション毎に１個のセンサを用いる公知のシステムは
米国特許第4,115,753号に示されている。

ストリーマ12はポリビニル・クロライド、ポリウレタン
または同様のプラスティックからなる長い円筒状の外皮
からなり、直径は約３インチで両端は閉じている。完全
なストリーマの長さは数千フィートもあるが、取り扱い
易いように着脱可能な多くの部分に分割することもでき
る。ストリーマはほぼ非圧縮性の流体で満たされてお
り、この流体は、内部に装荷されたセンサと外部圧力と
を結合できるように地震波に対してはこれをよく通すも
のである。耐圧部材28は通常ステンレス鋼のケーブルか
らなり、曳航力による破断を防止するためストリーマ全
体にわたって通してある。

第２図はセンサ・ステーションにおけるケーブル部分の
長手方向断面図であり、第３図は第２図の３−３におけ
る断面図である。センサコイル・サット20は少なくとも
３個、できれば４個の一組の光ファイバのセンサコイル
30,32,34,36からなり、各センサコイルは細長い形状で
ストリーマ12の外皮26の内面にその長手方向軸と平行に
取り付けられている。例示のため４個のセンサコイルが
用いられることを仮定する。かくして、30と32および34
と36のように２組のセンサコイルがあることになる。各
組のセンサコイルは、互いに径方向に対向して90°の間
隔で設置され、また、ストリーマの長手方向軸からでき
るだけ離れてかつそれと平行に設置される。センサコイ
ルは38のようなプラスティック製のスパイダによって所
定の位置に保持されるのが望ましい。曳航中のストリー
マの長手方向軸はほぼ水平なので、センサコイル・セッ
トは、外皮26の内径に匹敵する鉛直面内の拡がりを持っ
た２次元の配列を形成することになる。

センサコイルは単位長当りの光損失が少ない単一モード
グラスファイバを何回も巻いてつくられる。センサコイ
ルの寸法および巻数は必要な光ファイバの全長に依存す
る。

よく知られているように、光ファイバが圧縮力を受ける
とその屈折率および／またはその伸びが変化する。標準
ファイバを通って伝送された光と、圧縮力を受けている
検出ファイバを通って伝送された光との間の位相ずれ
は、ファイバの長さと、屈折率および／または伸びの増
分、もしくはその両方との関数である。たとえば米国特
許第4,320,475号を参照するとよい。実際の圧力センサ
には、検出ファイバとして約100mのファイバが必要とさ
れる。長さが約2m、幅が２乃至3cmの細長いファイバコ
イル・ループには、約25回の巻数が必要である。センサ
コイルは、ストリーマの外皮の曲がりや運動がコイル形
状をゆがめないように取り付けられる必要がある。この
ようなゆがみは勿論みせかけの信号をシステムに与える
であろう。

２つの光ファイバ束40,42が、各センサ・ステーション
でセンサコイルを支持している各スパイダとストリーマ
との中を通っている。光ファイバ束40は外に向かう伝送
リンクであり、これを通してレーザ（第２図には図示し
ていない）からの入力光がセンサコイルへと放出され
る。光ファイバ束40は、その伝送光を各センサコイルに
結合させるための１本のファイバからなっていてもよい
し、また、単一のファイバの束からなっていてもよく、
この場合は個々のファイバが各センサコイルに割り当て
られる。実際にはセンサコイルは共通の光の入力を受け
る。たとえば、センサコイル36は入力ファイバ・リード
35と出力ファイバ・リード37を有し、他のセンサコイル
も同様の入出力ファイバ・リードを持っている。ファイ
バは小型かつ軽量なので、数百本のファイバを不必要に
かさばることなく１つの束にまとめることができる。

光ファイバー束42はセンサコイル出力光のための戻りの
伝送リンクである。各センサコイルに対して１本の出力
ファイバがある。したがって各センサ・ステーションに
供するためには４本の出力ファイバが必要である。スト
リーマと船上の引き込みリードから出てきた光ファイバ
束42の自由端は、以下で説明する光学処理回路に結合さ
れている。

本発明を動作させる望ましい方法が第４図に示されてお
り、そこには光学処理回路の概略が図示されている。第
４図において、破線44の左側はすべて船10上にあり、測
定装置パッケージ22の一部をなしている。破線44の右側
はストリーマ12の一部である。

できればスペクトルの赤外部近傍で作動するレーザまた
はLED46が光学カップラ48に向かってコヒーレント光47
を放出し、光学カップラ48は光を光ファイバ束40をつく
る単数または複数のファイバへと結合させる。光学カッ
プラ48は本質的には光ファイバ束への共通入力として働
く。光は光ファイバのセンサコイルへと伝送され、そこ
で地震による過渡的な圧力波と周囲の静水圧とによって
変調される。変調された光はセンサコイルから光ファイ
バ束42を介して測定装置パッケージ22へと戻る。第４図
では簡単のため典型的なセンサ・ステーションが１つだ
け示されているが、光ファイバ40,42は他のセンサ・ス
テーションに供するために延長できることを理解してお
くべきである。

測定装置パッケージ22において、コヒーレント光47の一
部53はビーム・スプリッタ50によって適当な光学遅延モ
ジュール52へと向けられ、そこからの出力が標準光54と
なる。光学遅延モジュール52は、ビーム・スプリッタ50
と任意のセンサ・ステーションにあるセンサコイル30,3
2,34,36との間の光路長に見合う分だけ光53を遅らせ
る。複数のセンサ・ステーションにはそれぞれ微分遅延
モジュールが組み合わされて、光路長の差を補償してい
る。

変調出力光は、センサコイル30,32,34,36から対応する
光ファイバ30′,32′,34′,36′を通って戻る。出力光
は、それぞれ多入力結合モジュール56内の適当な光検出
器によって標準光54と結合される。その結果生ずるビー
ト周波数は、地震波による過渡的な圧力変化を表わす電
気的AC波連に変換される。４つのセンサからの電気信号
はライン60を介してデータ・プロセッサ58へ多重伝送す
ることができる。

30と32のような径方向に対向したセンサコイルの最初の
組を通る光の間の、静水圧勾配によるDCバイアスは、２
つの出力光を光検出器62において結合することによって
測定される。２つの出力光間の位相ずれは符号と強度を
有する電気的なDCバイアス信号に変換され、ライン64を
介してデータ・プロセッサ58へと送られる。同様にセン
サコイルの第２の組34と36の出力光間のDCバイアスは光
検出器66によって測定される。生ずる電気的出力はライ
ン68を介してデータ・プロセッサ58へ送られる。鉛直面
に対するセンサコイルの方向は、よく知られた数学的ア
ルゴリズムを用いて２つのバイアス信号の強度から解析
できる。鉛直面内のセンサコイルの方向が既にわかつて
いるので、次にデータ・プロセッサ58において地震によ
る圧力波の伝播方向が解析されるが、これは配列内の各
センサコイルに地震波が到達する時間の差を測定するこ
とにより行なわれる。

以上の議論によって、水のような流体媒質を伝播する地
震波のケーブルに垂直な鉛直面内における強度と方向と
を解析する手段が開示された。３次元空間における伝播
方向は勿論決定することができ、これは、ケーブルに沿
って続いている２つまたはそれ以上のセンサ・ステーシ
ョンにおける同じ地震波の到達時間の差を本分野の公知
の方法で測定することにより行なわれる。長手方向の時
間差は簡単なベクトル加算によって鉛直方向の時間差と
結びつけることができ、３次元の伝播方向が解析され
る。

ある特別の態様によって本発明が説明されてきたが、特
許請求の範囲を逸脱することなく同様の効果を有する他
の装置を当業者が考えることは可能である。例えば、各
センサ配列毎に専用のレーザ、ビーム・スプリッタ、光
検出器等を備え、それらをすべてストリーマの各センサ
・ステーションに取り付けられた別々のモジュールに含
ませることができる。変調光および標準光の測定された
位相ずれの電気的アナログ信号は電線によって船10上の
データ・プロセッサ58へと伝送される。

従来、海底地震波検出用のストリーマ・ケーブルの使用
中のねじれや曲げによってセンサの鉛直方向の配列にお
いてどのセンサが上にあるのか同定できない欠点があっ
たが、本願発明のように静水圧の圧力変化を検出するよ
うに構成することで、コンパクトな形態で配列中の上の
ほうのセンサを検出することができるようになるという
効果が生じる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、複数のセンサ・ステーションにおける複数の
光ファイバ・センサコイルを含むストリーマを水中に曳
航している船を示し、 第２図は、典型的なセンサ・ステーションにおけるスト
リーマの長手方向断面図であり、 第３図は、線３−３に沿ったストリーマの断面図であ
り、 第４図は、光学回路の概略を示している。 ［主要部分の符号の説明］ 圧力センサ……30,32,34,36 配列……20 部材……12 単色コヒーレント光……47 標準光……54 伝送手段……40,42 信号記録装置……22 レーザ……46 検出手段……56 光検出器……62,66

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】流体媒質中を伝播する海底地震波の大きさ
   及び方向を、鉛直面において解析する装置であって、 単色光（47）のコヒーレントビームを放出する手段（4
   6）と、 ほぼ鉛直面内に設けられると共に、変調されたビームを
   供するため前記流体媒質内の圧力の伝播に応じて前記コ
   ヒーレントビームを受けかつ変調するための少なくとも
   ３つの能動的光ファイバ圧力センサ（30−34）から成
   り、ほぼ共通の光ビーム入力（12）と別個の光ビーム出
   力（42）とを有するセンサアレー（20）と、 前記別個の光ビーム出力から変調されたビームを受ける
   と共に各前記変調された光ビームを標準ビームとを個別
   に干渉的に組み合わせることにより前記流体媒質中の海
   底地震波による過渡的な圧力変化を示すAC信号成分を導
   き出す手段（60）と、 前記別個に変調された光ビームを干渉的に互いに組み合
   わせることにより、前記アレーの各センサ間の静水圧の
   差を示すDC信号成分を導き出す手段（62、66）と、 前記ACおよびDC信号成分をベクトルで組み合わせること
   により信号伝播の方向および大きさを解析する手段（5
   8）と、 から成ることを特徴とする装置。
2. 【請求項２】前記装置は、両端で閉じておりその内部に
   センサコイルの鉛直方向アレー（20）を収容する管状の
   外皮を有する長尺のストリーマ（12）と、該ストリーマ
   の外部の流体圧に対して前記センサを結合するために該
   ストリーマ内に収容された所定体積の流体とを有するこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の装置。
3. 【請求項３】前記装置は、前記長尺のストリーマの長手
   方向に沿って配置された複数組のセンサアレー（20）を
   所望のセンサステーションに有することを特徴とする特
   許請求の範囲第２項に記載の装置。
4. 【請求項４】前記装置は、前記管状の外皮（26）の内面
   に隣接した前記光ファイバーセンサ（30、32、34、36）
   を支持する手段（38）を備えており、前記各センサは該
   ストリーマの長手方向軸心に平行な長尺の構成を有して
   いることを特徴とする特許請求の範囲第２項に記載の装
   置。
5. 【請求項５】水媒質中を伝播する海底地震波の方向を解
   析する方法であって、 変調された光ビームを供するためコヒーレントおよび単
   色光ビームを受け且つ変調するためのほぼ水平方向に配
   置されたストリーマ内に且つそれに沿って所望の間隔で
   設けられ、少なくとも３つの光ファイバセンサがほぼ鉛
   直面に設けられている能動的光ファイバセンサを複数組
   配置することと、 前記複数の変調されたビームと標準ビームとを個別に干
   渉的に組み合わせることにより、各センサに突き当たる
   海底地震波による前記水媒質中の過渡的な圧力変化を示
   すAC信号成分を導き出すことと、 各組のセンサに対して 前記変調された光ビームを干渉的に互いに組み合わせる
   ことにより、相対的な静水圧の差の大きさを示すDC信号
   成分を導き出すことと、 水平方向および鉛直方向に配置された選択されたセンサ
   に関して前記過渡的な圧力変化の水平方向および鉛直方
   向における到着時間差を測定することと、 前記測定された時間的遅れから海底地震波の伝播方向を
   解析することと、 から成ることを特徴とする方法。
6. 【請求項６】海底地震による信号を処理する方法であっ
   て、 長手方向軸心を有する流体で充填され、海底地震波が透
   過自在の管を水中で曳航することと、 各々少なくとも３つの能動的光ファイバ圧力センサコイ
   ルを備えた能動的光ファイバ圧力センサアレーを前記管
   内に且つその長手方向軸心に沿って複数組配置すること
   と、前記各アレーの前記コイルは前記管内にその長手方
   向軸心に対して垂直な面内に設けられると共に、前記管
   を囲んでほぼ均等に配置されている、前記光ファイバ圧
   力センサコイルで海底地震波を検出し、出力信号を発生
   することと、 前記出力信号のACおよびDC信号成分を分離することと、 前記ACおよびDC信号成分をベクトルで解析して前記海底
   地震波の到達方向を決定することと、 から成ることを特徴とする方法。