JPH0675055A - 地盤探査におけるスイープ振源の制御方法 - Google Patents

地盤探査におけるスイープ振源の制御方法

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JPH0675055A
JPH0675055A JP25038992A JP25038992A JPH0675055A JP H0675055 A JPH0675055 A JP H0675055A JP 25038992 A JP25038992 A JP 25038992A JP 25038992 A JP25038992 A JP 25038992A JP H0675055 A JPH0675055 A JP H0675055A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】測定誤差を小さくし安定した地盤探査測定を高
分解能で必要な探査深度まで行うことが可能な地盤探査
におけるスイープ振源の制御方法を提供する。 【構成】所望のスイープ基準信号により電磁バイブレー
タの予備起振を行い該電磁バイブレータの伝達関数を求
める過程と、該伝達関数の逆フィルタを求める過程と、
前記基準信号と該逆フィルタとの合積により駆動信号を
求める過程と、該駆動信号により前記電磁バイブレータ
を駆動することにより前記電磁バイブレータから前記ス
イープ基準信号と等価の振動波を被測定地盤に印加する
過程とを含むように構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、地盤に与えられた振動
の反射波を検知してその地盤の構造を探査する方法に関
するものであり、特に連続加振法に用いられるスイープ
振源の制御方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、浅い部分の地質構造を知る手段と
しての反射探査に用いる振動の効率的発生方法に多く工
夫が試みられて来た。その代表的な方法として掛け矢に
よる打撃や重錘を落下さる方法などで地面に打撃を与え
てその際に発生する振動を用いる方法が簡便法として利
用されてきた。この打撃法では発生する振動がパルス状
で、地面に与えるエネルギーは落下物の質量と落下時の
加速度で求められる衝撃力である。ダイナマイトによっ
て発生する振動波形も同様なパルス波である。このよう
なパルス状振源は、加振毎のパルス波の形状を均一化す
ることが困難であること、地盤には通常普遍的に雑振動
が伝播していることから、この雑音と混信し記録を不明
瞭なものとしていること、探査分解能を決定する発生す
る振動波の周波数も任意選択が出来ないことからより高
い分解能を得ることには限りがあること、また発生させ
る振動エネルギーにも限界があった。このような障害を
解決するために油田開発を代表とする大規模探査では、
ある種の加振器を用いて連続波を発振して発振元波形と
反射波形の相互相関処理によってパルス状波形を得、雑
音対策,発振エネルギーの増大を図る方法がバイブロサ
イス方式として実用化されている。この連続波を用いる
原理は、ある時間内に連続的に周波数が変化する連続波
の自己相関は変化させた周波数の平均の周波数を持つパ
ルス状波となること、エネルギー的には振動が継続され
ている時間内の総和であることが知られている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】この原理を応用し、バ
イブロサイス方式では油圧駆動によって周波数を連続的
に変化させながらピストンに上下振動を発生させ、この
振動を地盤に入力し、反射波として観測される連続信号
と入力波形との相互相関を取ることによってパルス状波
に変換するものである。しかしこのバイブロサイス方式
は大きな振動エネルギーを発生させる目的で駆動装置と
して油圧機構を用いているために、高い周波数を発生さ
せるには限界があり、高分解能を得ることができない。
また、衝撃波の代わりに連続波を発生する装置としてバ
イブレータを振源とし、受振信号を主として震源の波動
との相互相関により圧縮して、衝撃波による地震記録と
同様な記録を得て地下を探査する方法は、バイブレータ
の振動機構などによって、発振に用いられる信号と地層
を通過した受振信号との間に位相や振幅変化の差を生
じ、圧縮された波形が変形して、特に重要な走時(震源
の発振時刻と受振信号の到達時刻との時間差)の測定に
誤差を生ずる。さらに、バイブレータと地盤の共振が発
生し、十分に制御が行われないと、圧縮波形がリンギン
グを起こして著しく変形することもある。よって、ある
程度以上の周波数の信号を用いれば、共振の影響は避け
られるが、地震波動の地層中の透過力は小さくなり、必
要な探査深度が得られない。
【0004】本発明は、従来技術のこのような欠点を解
消して、測定誤差を小さくし安定した地盤探査測定を高
分解能で必要な探査深度まで行うことが可能な地盤探査
におけるスイープ振源の制御方法を提供するものであ
る。
【0005】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明による地盤探査におけるスイープ振源の制御
方法は、所望のスイープ基準信号により電磁バイブレー
タの予備起振を行い該電磁バイブレータの伝達関数を求
める過程と、該伝達関数の逆フィルタを求める過程と、
前記基準信号と該逆フィルタとの合積により駆動信号を
求める過程と、該駆動信号により前記電磁バイブレータ
を駆動することにより前記電磁バイブレータから前記ス
イープ基準信号と等価の振動波を被測定地盤に印加する
過程とを含むように構成されている。
【0006】
【発明の原理】本発明に用いる電磁バイプレータは、図
2(a)に示されているように、発振に用いる信号(基
準信号)によって振動するリアクション・マス(質量M
r ,変位Xr )とそれと相対的に振動して地盤に振動を
伝えるベースプレート(質量Mb ,変位Xb )とからな
る。バイブレータが地盤を押す力は、リアクション・マ
スとベースプレートの加速度を各質量で重みを付けた和
【数1】 (Mr z r /dtz )+(Mb z b /dtz ) であるという考えが広く認められている。この量(起振
力)を制御信号として、発振のための信号(基準信号)
と位相が一致するようにバイブレータの振動を制御す
る。Ft はベースプレートを地盤に圧着する静的な力で
ある。この制御を全波形に対して完全に実行するため
に、スイープ振源では伝達関数の概念を利用する。バイ
ブレータをスペクトルを持つ基準信号で起振して、スペ
クトルF(ω)を持つ制御信号を観測したとすれば、伝
達関数H(ω)は
【数2】 H(ω)=F(ω)/S(ω) ……………(1) である。従って、基準信号と等しいスペクトルP(ω)
を持つ制御信号を得るためには
【数3】 A(ω)=P(ω)H(ω)-1 ……………(2) で得られるスペクトルA(ω)を持つ信号(駆動信号)
でバイブレータを駆動する。ここでH(ω)-1は逆フィ
ルタで、時間領域の係数列で与えられる。
【0007】即ち、基準信号でバイブレータを起振して
伝達関数を求め、逆フィルタを計算する。これと基準信
号を合積して、駆動信号を計算し、これによりバイブレ
ータを起振すれば、地盤に印加したい所望のスイープ基
準信号に対して変形振動を起こさせる地盤の反力,振源
内部のエアバック等の系内の全ての障害を排除して、基
準信号に等しい制御信号が得られる。
【0008】
【実施例】以下本発明を詳細に説明する。図1は本発明
方法を実施するための装置の接続系統図である。ここ
で、1は電磁バイブレータであり、パワーアンプ2によ
り増幅された駆動信号により励振されるバイブレータ1
aと、地盤に圧着されるバイブレータ1aの振動により
そのリアクション・マスと相対的に振動して地盤に振動
を伝えるベースプレート1bよりなる。3はベースプレ
ート1bの加速度信号とリアクション・マスMrの加速
度信号をとり出して増幅するプリアンプ、4は基準信号
に基づきパワーアンプ2への駆動信号を作成するととも
にプリアンプからの加速度信号により駆動信号を修正す
るための拡張IOボックスである。5はパソコンとトラ
ンスピュータを含み本発明に必要な高速計算処理と制御
を行う制御装置である。
【0009】本発明では、高い周波数を発生せることが
可能である電磁バイブレータを反射探査に用いることに
よって高い分解能を得ようとするもので、DCから数k
Hzまでの振動発生が可能である。通常市販型の電磁バ
イブレータは、中心部の電磁石と外郭を構成する電磁石
とからなりこれに信号電流を与えることによって電磁ス
ピーカと同じ原理で所望の振動が発生する。この際、外
郭部に対して内核部の質量が数倍小さいため主として内
核が振動し外郭はほとんど振動しないようになってい
る。よってこのままでは振動は地面にほとんど伝達しな
いので、主として振動する内核部が地面に振動を伝達す
る方法を構じる必要がある。本発明では主として振動す
る内核振動子が直接地盤に振動を伝達させるように、図
2(b)のように構成された電磁バイブレータを用いる
ことができる。このとき内核に対して外郭が所定範囲位
置に可動的保持されるための機構が必要となり、エアバ
ッグ1cを内核振動子と外郭との間に配置している。ま
た、上向きの加速度が1Gを越える場合には装置は地盤
との接触が離れ浮き上がり、地盤に伝わる信号波形は負
(引き)の山部の一部が欠如した変形波形となる。これ
を防止するためには振動加速度を1Gより小さく駆動さ
せてもよいが、より大きな振動エネルギーで振動させる
ためにベースプレート1bに別途予備荷重としてホール
ドダウンマスFt を取り付けてもよい。
【0010】図3(a)は、本発明で用いるスイープ基
準信号の1例であり、同(b)は地盤モデル例である。
このようにした場合、これらの系が持つ振動に対する特
性及び弾性体としての地盤そのものが持つ振動応答特性
の全てが合成されるためにベースプレート振動波形は基
準波形とは大きく異なった振動波形となる。このような
様々な系の複雑な特性が合成された振動波形は、基準波
形の相互相関をとっても複雑な相関後波形となり、期待
するパルス状波形は得られない。
【0011】電磁振動によるバイブレータでは起振に用
いる基準信号とバイブレータの各部の振動とは位相差が
大きく、単純なフィードバックでは基準信号と位相を揃
えることが困難である。図5は何等の制御をも行わない
小型の電動加振器にベースプレートを取り付けた電磁バ
イブレータで地盤を垂直に加振して、近くの坑井で受振
した信号と基準信号との相関記録である。直接波のP波
とS波が進行することが認められるが、波形は著しいリ
ンギングを示し、バイブレータと地盤との共振により、
著しい位相差が生じたことを示している。
【0012】この問題点を解決するために、本発明は次
ように行われる。 基準信号でバイブレータを駆動して、この場合の制
御信号波形を取出しフィルタによりノイズを除いて、フ
ーリエ変換を使って伝達関数を求め、逆フィルタを計算
する。 基準信号に逆フィルタを合積してバイブレータを駆
動する信号を計算する。 この駆動信号を用いてバイブレータを再駆動する
と、この時得られる制御信号は基準信号と一致する。
【0013】この操作によると全波形が制御されるの
で、基準信号の振幅も一定になるように制御される。即
ち、この方法は高調波の抑制、振幅制御及び位相制御が
同時に行われる波形制御である。これにより、反射波は
図5の場合とは異なり、図3(c)のようになり、図4
(a)のように自己相関により図4(b)の波形が得ら
れるという原理から、図3(d)のように極めて正確で
安定した反射波形を得ることができる。しかし、伝達関
数を求めるための起振と地震記録を得るための起振と2
回の起振を行う必要がある。また、この伝達関数を用い
る制御操作では3回のFFT計算を必要とするが、スイ
ープ時間を10秒程度に長くする必要があるので、現在
のパソコンではこの操作を実用的な時間内で行うことが
不可能である。
【0014】そこで、図1のように最近市販されるよう
になったトランスピュータ(並列演算処理ボード)をパ
ソコンに取り付け、ワークステーションと同等に近い計
算速度を達成して制御装置を試作した。試作した装置で
は、基準のスイープ信号の上限周波数を約200Hz、
スイープ時間を15秒、観測時間を約1秒、従ってサン
プリングレートを1msとして、16,384点の高速
フーリエ変換(FFT)を利用した。この装置により1
0数秒の処理時間が達成された。この程度の処理速度で
あれば、2回の起振に要する時間を加え1分程度で1回
のショットが完了するので、資源探査で行われている3
次元探査のように多震源、多チャンネルの作業で無けれ
ば、十分な能率で作業が可能である。
【0015】図1の試作した制御装置では、大型の油圧
バイブレータと同じく、制御信号として、ベースプレー
トの加速度、リアクション・マスの加速度及び起振力が
用いられる。図6,図7,図8は基準信号で直接バイブ
レータを駆動したときの制御信号の基準信号に対する振
幅比と位相差を、それぞれの制御信号から伝達関数を求
め、それから導かれる駆動信号によりバイブレータを起
振した場合の制御信号の基準信号に対する振幅比と位相
差を比較した図である。制御装置を使わない(a)の場
合には、共振による著しい振幅や位相の変化が見られる
が、それぞれの伝達関数により制御を行うと何れの場合
も各図(b)のように振幅スペクトルは平坦になり、位
相差は全周波数範囲でゼロとなり、この伝達関数による
制御が極めて有効であることを示している。なお、振幅
比が周波数範囲の両端でやや低下しているが、これは高
調波を除くためのバンドパスフィルタの影響である。
【0016】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば電磁バイブレータから基準信号との位相差が一様な
所期の振動を被測定地盤に送出することができるので、
地盤測定を測定誤差を小さくし高分解能で安定して必要
な探査深度まで実行することが可能であり、地盤探査の
技術向上に寄与する所極めて大である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明方法を実施するための装置配置を示す系
統図である。
【図2】本発明に用いる電磁バイブレータを示す等価回
路図(a)と、断面構造図(b)である。
【図3】本発明の動作を説明するための波形図である。
【図4】本発明に用いる自己相関を説明する波形図であ
る。
【図5】従来法の測定波形を示す図である。
【図6】従来法による場合と本発明方法による場合の特
性比較図である。
【図7】従来法による場合と本発明方法による場合の特
性比較図である。
【図8】従来法による場合と本発明方法による場合の特
性比較図である。
【符号の説明】
1 電磁バイブレータ 1a バイブレータ(リアクションマス) 1b ベースプレート 2 パワーアンプ 3 プリアンプ 4 拡張IOボックス 5 制御装置

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 所望のスイープ基準信号により電磁バイ
    ブレータの予備起振を行い該電磁バイブレータの伝達関
    数を求める過程と、 該伝達関数の逆フィルタを求める過程と、 前記基準信号と該逆フィルタとの合積により駆動信号を
    求める過程と、 該駆動信号により前記電磁バイブレータを駆動すること
    により前記電磁バイブレータから前記スイープ基準信号
    と等価の振動波を被測定地盤に印加する過程とを含む地
    盤探査におけるスイープ振源の制御方法。
  2. 【請求項2】 前記電磁バイブレータは、外郭部と、 該外郭部内にエアバッグを介して配置され主として振動
    する内核部と、前記外郭部の外側の位置で該内核部の一
    端に該内核部の振動を前記被測定地盤に印加するための
    ベースプレートを備えたことを特徴とする請求項1に記
    載の地盤探査におけるスイープ振源の制御方法。
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JP2016085084A (ja) * 2014-10-24 2016-05-19 株式会社日立製作所 データ記録装置及びデータ収集装置
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