JPS6191587A - 海底地震センサ - 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カ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一数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
向を容易に固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
曲がったりしでしまう。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ェハを用いている。一般に、ウェハ
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ェハを曲げてＡＣ電流を発生する
。ウェハはまた、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セツ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１
２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、不使要時に
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４，１
１５，７５３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である。

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・セット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Ｌｏｏｍのファイバ
が必要とされる。長さが約２ｍ、幅が２乃至３Ｇの細長
いファイバコイル・ループには、約２５の是数が必要で
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３Ｃ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４
４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２
２へと戻る。第４図では簡単のため典型的なセン弁・ス
テーションが１つだけ示されているが、光ファイバ東４
０．４２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３０，３２，３４，３６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りＣ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っているので、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　　・論決室することができ、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・スプリンタ、光
検出器等を備え、それらをすにてス１へり−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。

【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コ 圧力センサ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・３
０，３２，３４．３６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図面の浄書（内容に変更なし） 手続補正書（方式） ％式％ １、事件の表示昭和５９年　特許願第２１３２５３　　
号３　補正をする者 事件との関係　　特許出願人 ４、代理人

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、海底地震探査の方法において、 少なくとも３個の圧力センサからなる複数の配列を細長
   い部材に沿ってその内部に配置し、上記圧力センサを上
   記部材内において上記部材に垂直な面内の相異なる３方
   向に径方向に配置する工程と、 上記部材をほぼ水平に保って所定の深さで水中に曳航す
   る工程と、 上記圧力センサによって地震波を検出する工程と、 検出された上記地震波の信号を対応する電気信号に変換
   する工程と、 上記電気信号をＡＣ成分とＤＣ成分とに弁別する工程と
   、 上記ＡＣ成分とＤＣ成分とを解析して上記地震波の伝播
   方向を３次元空間において決定する工程 とからなることを特徴とする海底地震探査の方法。 ２、上記各配列における上記圧力センサは上記部材の長
   手方向軸の周囲にほぼ一様に配置されていること、およ
   び上記各配列を形成する圧力センサは上記部材に沿って
   ほぼ同じ長手方向位置に配置されていることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項に記載の方法。 ３、上記各配列の上記圧力センサは単色コヒーレント光
   を受けかつ変調する光ファイバ圧力センサであり、これ
   によって、地震波による過渡的な圧力変化と静水圧とに
   応答して変調された複数の出力光を与え、変調されへ上
   記出力光を標準光と別々に結合させることによって上記
   過渡的な圧力変化を表わすＡＣ信号成分を取り出し、 更に上記各配列に対して、別々の変調された出力光を互
   いに結合することによって、上記圧力センサ間の静水圧
   の差の大きさを表わすＤＣ信号成分を取り出すことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項または第２項に記載の方
   法。 ４、上記各配列をなす水平方向におよび径方向に配置さ
   れた選ばれた圧力センサにおいて、上記過渡的な圧力変
   化の水平方向および鉛直方向の到達時間差を測定し、 上記ＡＣ成分と上記ＤＣ成分と上記到達時間差とを結合
   して、検出された地震波の３次元空間における伝播方向
   を解析することを特徴とする特許請求の範囲第１項から
   第３項までのいずれかに記載の方法。 ５、少なくとも３個の径方向に配置されたセンサ（３０
   、３２、３４）からなる少なくとも１個の圧力センサ配
   列（２０）を含む細長い部材（１２）と、 地震波による検出された圧力の過渡的状態に関するデー
   タ信号を生ぜしめるために、上記配列（２０）の上記セ
   ンサ（３０、３２、３４）に始動信号を伝送する手段（
   ４０）と、信号記録装置（２２）と、 生じたデータ信号を上記記録装置（２２）へ伝送するた
   めの手段（４２） とからなることを特徴とする特許請求の範囲第１項から
   第４項までのいずれかに記載された方法を実施する装置
   。 ６、上記細長い部材（１２）に沿って複数のセンサ配列
   が所定の間隔で配置され、上記配列（２０）は、４個の
   光ファイバ・センサ（３０、３２、３４、３６）を含み
   、上記センサは上記部材（１２）の長手方向軸にほぼ垂
   直な平面内において上記細長い部材（１２）の上記長手
   方向軸の周囲に径方向に一様に配置され、上記始動信号
   の伝送手段（４０）は１本の光ファイバであり、上記デ
   ータ信号の伝送手段（４２）は少なくとも１本の光ファ
   イバを含むことを特徴とする特許請求の範囲第５項に記
   載の装置。 ７、各配列（２０）のセンサによって地震波による圧力
   変化と静水圧差とに応答して変調させるための単色コヒ
   ーレント光を上記伝送手段（４０）に放出するレーザ（
   ４６）と、各配列（２０）の各センサ（３０、３２、３
   ４、３６）からの変調光をデータ伝送手段（４２）を介
   して別々に受け取るための、そして上記変調光を標準光
   （５４）と結合させて、地震波で生ずる圧力の過渡的状
   態による上記変調光のＡＣ信号成分を決定するための、
   記録装置（２２）内の検出手段（５６）とを特徴とする
   特許請求の範囲第６項に記載の装置。 ８、センサ（３０、３２）及びセンサ（３４、３６）か
   らの変調光をそれぞれ結合し、各センサにおける静水圧
   差を表わす上記変調光のＤＣ成分を決定するための光検
   出器（６２、６６）を特徴とする特許請求の範囲第７項
   に記載の装置。 ９、すべての配列のすべてのセンサは共通のコヒーレン
   ト光源を有すること、各センサは別々の変調出力光を与
   えること、および上記データ伝送手段（４２）は別々の
   光ファイバの束よりなることを特徴とする特許請求の範
   囲第６項から第８項までのいずれかに記載の装置。 １０、１つの配列のセンサはすべて共通の光源を持つが
   別の配列は別の光源を持つこと、およびすべての配列の
   すべてのセンサは別々の変調出力光を与えることを特徴
   とする特許請求の範囲第６項から第８項までのいずれか
   に記載の装置。 １１、上記細長い部材（１２）は閉じた容器で、内部に
   取り付けられたセンサを外部の圧力変化と結合させるた
   め内部に大量の流体を有していることを特徴とする特許
   請求の範囲第５項から第１０項までのいずれかに記載の
   装置。