特許 7530637 波形抽出システム、波形抽出方法および海上地震探査方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-31

(45)【発行日】2024-08-08

(54)【発明の名称】波形抽出システム、波形抽出方法および海上地震探査方法

(51)【国際特許分類】

   G01V 1/36 20060101AFI20240801BHJP

   G01S 7/526 20060101ALI20240801BHJP

   G01S 15/88 20060101ALI20240801BHJP

   G01S 7/52 20060101ALI20240801BHJP

   G01V 1/00 20240101ALI20240801BHJP

【ＦＩ】

G01V1/36

G01S7/526 Z

G01S15/88

G01S7/52 V

G01V1/00 C

【請求項の数】 16

(21)【出願番号】P 2020217557

(22)【出願日】2020-12-25

(65)【公開番号】P2022102685

(43)【公開日】2022-07-07

【審査請求日】2023-12-20

(73)【特許権者】

【識別番号】504196300

【氏名又は名称】国立大学法人東京海洋大学

(74)【代理人】

【識別番号】100091487

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 行孝

(74)【代理人】

【識別番号】100105153

【弁理士】

【氏名又は名称】朝倉 悟

(74)【代理人】

【識別番号】100152205

【弁理士】

【氏名又は名称】吉田 昌司

(72)【発明者】

【氏名】鶴 哲郎

【審査官】野田 華代

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－１８５２０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５７－１１１４８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／１１２０３５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許第６２５６５８９（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】中国特許出願公開第１０８８４５３０７（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｖ １／００－１５／００；９９／００

Ｇ０１Ｓ ７／５２６

Ｇ０１Ｓ １５／８８

Ｇ０１Ｓ ７／５２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

振源から発振された音波の波形を抽出するための波形抽出システムであって、
受振ケーブルに互いに間隔をあけて設けられ、前記振源から発振された音波を受振する複数の受振器と、
前記複数の受振器により受振された音波に係る複数の波形を、直達波の受振時刻が所定の時刻になるようにタイムシフトし、前記タイムシフトされた複数の波形を重合する波形抽出部と、
を備えることを特徴とする波形抽出システム。

【請求項2】

釣支部材をさらに備え、
前記釣支部材の一端に、前記振源が設けられた発振ケーブルの上端が接続され、前記釣支部材の他端に、前記受振ケーブルの上端が接続されていることを特徴とする請求項１に記載の波形抽出システム。

【請求項3】

前記釣支部材の前記一端および前記他端には浮力体が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の波形抽出システム。

【請求項4】

前記振源は、発振ケーブルに設けられ、前記発振ケーブルの移動に応じて移動可能に構成されており、
前記波形抽出部は、第１の位置にある前記振源から発振され前記複数の受振器により受振された音波に係る複数の波形と、前記第１の位置と異なる第２の位置にある前記振源から発振され前記複数の受振器により受振された音波に係る複数の波形とを、直達波の受振時刻が所定の時刻になるようにタイムシフトし、前記タイムシフトされた複数の波形を重合することを特徴とする請求項１に記載の波形抽出システム。

【請求項5】

前記複数の受振器は、前記受振ケーブルの移動に応じて移動可能に構成されており、
前記波形抽出部は、前記振源から発振され、一番上の受振器が第１の位置にある前記複数の受振器により受振された音波に係る複数の波形と、前記振源から発振され、前記一番上の受振器が前記第１の位置と異なる第２の位置にある前記複数の受振器により受振された音波に係る複数の波形とを、直達波の受振時刻が所定の時刻になるようにタイムシフトし、前記タイムシフトされた複数の波形を重合することを特徴とする請求項１に記載の波形抽出システム。

【請求項6】

前記複数の受振器は前記受振ケーブルに等間隔に配置されていることを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載の波形抽出システム。

【請求項7】

前記振源と、前記受振ケーブルに設けられた前記複数の受振器のうち一番上の受振器との間の水平距離は、前記間隔よりも小さいことを特徴とする請求項６に記載の波形抽出システム。

【請求項8】

前記複数の受振器は前記受振ケーブルに不等間隔で配置されていることを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載の波形抽出システム。

【請求項9】

前記複数の受振器は、互いに素な間隔をあけて配置されていることを特徴とする請求項８に記載の波形抽出システム。

【請求項10】

前記振源から発振される音波は非パルス波であることを特徴とする請求項１～９のいずれかに記載の波形抽出システム。

【請求項11】

前記振源は、非爆破型であることを特徴とする請求項１～１０のいずれかに記載の波形抽出システム。

【請求項12】

振源から発振された音波の波形を抽出するための波形抽出方法であって、
水中の互いに異なる位置に配置された複数の受振器が、前記振源から発振された音波を受振し、
波形抽出部が、前記複数の受振器により受振された音波に係る複数の波形を、直達波の受振時刻が所定の時刻になるようにタイムシフトし、前記タイムシフトされた複数の波形を重合することを特徴とする波形抽出方法。

【請求項13】

振源から発振された音波の波形を抽出するための波形抽出方法であって、
水中の互いに異なる位置に配置された複数の受振器が、前記振源から発振された第１の音波を受振し、その後、前記振源および／または前記複数の受振器が水中を移動し、
前記振源および／または前記複数の受振器が移動した後、前記複数の受振器が、前記振源から発振された第２の音波を受振し、
波形抽出部が、前記複数の受振器により受振された前記第１の音波に係る複数の波形と、前記複数の受振器により受振された前記第２の音波に係る複数の波形とを、直達波の受振時刻が所定の時刻になるようにタイムシフトし、前記タイムシフトされた複数の波形を重合することを特徴とする波形抽出方法。

【請求項14】

振源から発振された音波の波形を抽出するための波形抽出方法であって、
水中に配置された受振器が、前記振源から発振された第１の音波を受振し、その後、前記振源および／または前記受振器が水中を移動し、
前記振源および／または前記受振器が移動した後、前記受振器が、前記振源から発振された第２の音波を受振し、
波形抽出部が、前記受振器により受振された前記第１の音波に係る波形と、前記受振器により受振された前記第２の音波に係る波形とを、直達波の受振時刻が所定の時刻になるようにタイムシフトし、前記タイムシフトされた複数の波形を重合することを特徴とする波形抽出方法。

【請求項15】

請求項１２～１４のいずれかに記載の波形抽出方法により抽出された前記振源の波形と、前記振源から発振され、前記受振器で受振された音波の波形との相互相関または畳み込み積分を計算することを特徴とする海上地震探査方法。

【請求項16】

振源から発振された音波の波形を抽出するための波形抽出システムであって、
前記振源から発振された音波を受振する受振器と、
前記受振器が第１の位置にあるときに受振された第１の音波に係る波形と、前記受振器が前記第１の位置と異なる第２の位置にあるときに受振された第２の音波に係る波形とを、直達波の受振時刻が所定の時刻になるようにタイムシフトし、前記タイムシフトされた複数の波形を重合する波形抽出部と、
を備えることを特徴とする波形抽出システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、波形抽出システム、波形抽出方法および海上地震探査方法に関し、より詳しくは、振源から発振された音波の波形を抽出するための波形抽出システムおよび波形抽出方法、ならびに、抽出された波形を用いる海上地震探査方法に関する。

【背景技術】

【0002】

海上地震探査では、コンピュータで作成した波形（基本波形）の音波を振源から発振し、海底面等で反射された音波を受振器で受振する。受振した反射波に基づいて、海底下の地殻構造等の解析が行われる。精度の高い解析を行うには、振源から発振される音波の波形を正確に把握しておくことが重要である。

【0003】

なお、特許文献１には、海底地質の三次元データを効率良く取得するための調査システムが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１８－１８５２０６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、実際に振源から発振される波形には、振源の機械特性等による歪みが含まれている。高精度の解析を行うためには、振源から発振される音波を観測し、波形データを取得することが望ましい。しかし、観測には、振源から発振された波に反射波が干渉しないような環境が必要である。これについて、図１２（ａ），（ｂ）を参照して説明する。

【0006】

図１２（ａ）に示すように、船４００のクレーンからケーブル３００が垂下され、このケーブル３００に振源１００と受振器２００が設けられている。振源１００から、長さＴの非パルス波が発振される。振源１００から発振された音波のうち受振器２００に直接到達する波（直達波）は時刻ｔ１で受振器２００に受振される。他方、振源１００から発振された音波のうち海底面で反射した音波は時刻ｔ２で受振器２００に受振される。

【0007】

図１２（ｂ）に示すように、海底面が十分に深い場合には、受振器２００が直達波を受振している間、反射波が受振器２００に到達しないため、直達波と反射波は干渉しない。しかし、このような条件を満たすには、受振器を水深１００メートルに設置すると仮定した場合、発振波の時間長が５秒のとき、水深約３８５０メートル以上、発振波の時間長が１０秒のときは、水深約７６００メートル以上の海で観測を行う必要がある。また、波浪等のノイズの影響を受けにくい場所での観測も望まれる。

【0008】

しかしながら、このような環境での観測には多大な時間とコストを要し、現実的でない場合も少なくない。このため、従来は発振波の観測を実施せず、発振波に歪みが含まれることを承知の上で、コンピュータで作成された、歪みを含まない発振波形を解析に用いざるを得なかった。

【0009】

本発明は、かかる技術認識に基づいてなされたものであり、その目的は、振源の波形を容易に精度良く抽出することが可能な波形抽出システムおよび波形抽出方法を提供することである。

【0010】

また、本発明は、上記の波形抽出システムおよび波形抽出方法により抽出された波形を用いる海上地震探査方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明に係る波形抽出システムは、
振源から発振された音波の波形を抽出するための波形抽出システムであって、
受振ケーブルに互いに間隔をあけて設けられ、前記振源から発振された音波を受振する複数の受振器と、
前記複数の受振器により受振された音波に係る複数の波形を、直達波の受振時刻が所定の時刻になるようにタイムシフトし、前記タイムシフトされた複数の波形を重合する波形抽出部と、
を備えることを特徴とする。

【0012】

また、前記波形抽出システムにおいて、
釣支部材をさらに備え、
前記釣支部材の一端に、前記振源が設けられた発振ケーブルの上端が接続され、前記釣支部材の他端に、前記受振ケーブルの上端が接続されているようにしてもよい。

【0013】

また、前記波形抽出システムにおいて、
前記釣支部材の前記一端および前記他端には浮力体が設けられているようにしてもよい。

【0014】

また、前記波形抽出システムにおいて、
前記振源は、発振ケーブルに設けられ、前記発振ケーブルの移動に応じて移動可能に構成されており、
前記波形抽出部は、第１の位置にある前記振源から発振され前記複数の受振器により受振された音波に係る複数の波形と、前記第１の位置と異なる第２の位置にある前記振源から発振され前記複数の受振器により受振された音波に係る複数の波形とを、直達波の受振時刻が所定の時刻になるようにタイムシフトし、前記タイムシフトされた複数の波形を重合するようにしてもよい。

【0015】

また、前記波形抽出システムにおいて、
前記複数の受振器は、前記受振ケーブルの移動に応じて移動可能に構成されており、
前記波形抽出部は、前記振源から発振され、一番上の受振器が第１の位置にある前記複数の受振器により受振された音波に係る複数の波形と、前記振源から発振され、前記一番上の受振器が前記第１の位置と異なる第２の位置にある前記複数の受振器により受振された音波に係る複数の波形とを、直達波の受振時刻が所定の時刻になるようにタイムシフトし、前記タイムシフトされた複数の波形を重合するようにしてもよい。

【0016】

また、前記波形抽出システムにおいて、
前記複数の受振器は前記受振ケーブルに等間隔に配置されているようにしてもよい。

【0017】

また、前記波形抽出システムにおいて、
前記振源と、前記受振ケーブルに設けられた前記複数の受振器のうち一番上の受振器との間の水平距離は、前記間隔よりも小さいようにしてもよい。

【0018】

また、前記波形抽出システムにおいて、
前記複数の受振器は前記受振ケーブルに不等間隔で配置されているようにしてもよい。

【0019】

また、前記波形抽出システムにおいて、
前記複数の受振器は、互いに素な間隔をあけて配置されているようにしてもよい。

【0020】

また、前記波形抽出システムにおいて、
前記振源から発振される音波は非パルス波であるようにしてもよい。

【0021】

また、前記波形抽出システムにおいて、
前記振源は、非爆破型であるようにしてもよい。

【0022】

本発明の第１の態様に係る波形抽出方法は、
振源から発振された音波の波形を抽出するための波形抽出方法であって、
水中の互いに異なる位置に配置された複数の受振器が、前記振源から発振された音波を受振し、
波形抽出部が、前記複数の受振器により受振された音波に係る複数の波形を、直達波の受振時刻が所定の時刻になるようにタイムシフトし、前記タイムシフトされた複数の波形を重合することを特徴とする。

【0023】

本発明の第２の態様に係る波形抽出方法は、
振源から発振された音波の波形を抽出するための波形抽出方法であって、
水中の互いに異なる位置に配置された複数の受振器が、前記振源から発振された第１の音波を受振し、その後、前記振源および／または前記複数の受振器が水中を移動し、
前記振源および／または前記複数の受振器が移動した後、前記複数の受振器が、前記振源から発振された第２の音波を受振し、
波形抽出部が、前記複数の受振器により受振された前記第１の音波に係る複数の波形と、前記複数の受振器により受振された前記第２の音波に係る複数の波形とを、直達波の受振時刻が所定の時刻になるようにタイムシフトし、前記タイムシフトされた複数の波形を重合することを特徴とする。

【0024】

本発明の第３の態様に係る波形抽出方法は、
振源から発振された音波の波形を抽出するための波形抽出方法であって、
水中に配置された受振器が、前記振源から発振された第１の音波を受振し、その後、前記振源および／または前記受振器が水中を移動し、
前記振源および／または前記受振器が移動した後、前記受振器が、前記振源から発振された第２の音波を受振し、
波形抽出部が、前記受振器により受振された前記第１の音波に係る波形と、前記受振器により受振された前記第２の音波に係る波形とを、直達波の受振時刻が所定の時刻になるようにタイムシフトし、前記タイムシフトされた複数の波形を重合することを特徴とする。

【0025】

本発明に係る海上地震探査方法は、
前記波形抽出方法により抽出された前記振源の波形と、前記振源から発振され、前記受振器で受振された音波の波形との相互相関または畳み込み積分を計算することを特徴とする。

【0026】

本発明の別の態様に係る波形抽出システムは、
振源から発振された音波の波形を抽出するための波形抽出システムであって、
前記振源から発振された音波を受振する受振器と、
前記受振器が第１の位置にあるときに受振された第１の音波に係る波形と、前記受振器が前記第１の位置と異なる第２の位置にあるときに受振された第２の音波に係る波形とを、直達波の受振時刻が所定の時刻になるようにタイムシフトし、前記タイムシフトされた複数の波形を重合する波形抽出部と、
を備えることを特徴とする。

【発明の効果】

【0027】

本発明によれば、振源の波形を容易に精度良く抽出することができる波形抽出システムおよび波形抽出方法を提供することができる。また、本発明によれば、上記の波形抽出システムおよび波形抽出方法により抽出された波形を用いる海上地震探査方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0028】

【図1】第１の実施形態に係る波形抽出システムの概略的な構成を示す図である。

【図2】第１の実施形態に係る情報処理装置の機能ブロック図である。

【図3】（ａ）は振源から発振される非パルス波の波形を示し、（ｂ）は各受振器で受振された波形を示し、（ｃ）はタイムシフトされた受振波形を示し、（ｄ）は重合波形を示す図である。

【図4】（ａ）は振源から発振されるパルス波の波形を示し、（ｂ）は各受振器で受振された波形を示し、（ｃ）はタイムシフトされた受振波形を示し、（ｄ）は重合波形を示す図である。

【図5】第１の実施形態に係る波形抽出方法を説明するためのフローチャートである。

【図6】第２の実施形態に係る波形抽出システムの概略的な構成を示す図である。

【図7】第２の実施形態に係る情報処理装置の機能ブロック図である。

【図8】第２の実施形態に係る波形抽出方法を説明するためのフローチャートである。

【図9】第２の実施形態の変型例に係る波形抽出システムの概略的な構成を示す図である。

【図10】実施形態に係る海上地震探査方法を説明するためのフローチャートである。

【図11】波形抽出の意義を説明するための図である。

【図12】比較例に係る波形抽出方法を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0029】

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明する。

【0030】

（第１の実施形態）
図１を参照して、第１の実施形態に係る波形抽出システム１について説明する。この波形抽出システム１は、以下に説明するように、振源から発振された音波の波形（機械特性等を含んだ波形）を抽出するように構成されている。

【0031】

波形抽出システム１は、水中において音波を発振する振源２と、複数の受振器３と、発振ケーブル４と、受振ケーブル５と、釣支部材６と、浮力体７と、情報処理装置１０と、船３０と、クレーン３１と、を備えている。

【0032】

振源２は、海上地震探査用の音波を発振する。本実施形態では、振源２は非パルス波を出力する。ここで、「非パルス波」とは、パルス状の波でない波のことであり、より正確には、周波数、位相および振幅のうち少なくともいずれか一つが連続的あるいはランダムに変化する波のことである。たとえば、位相が連続的に変化する擬似ランダム波、あるいは周波数が連続的に変化するスイープ波は非パルス波である。なお、以下の説明では、振源２から発振される音波の波形ことを「基本波形」と呼ぶことがある。

【0033】

振源２は、本実施形態では、非爆破型の振源であり、圧電素子、超磁歪素子、水中スピーカ、電磁バイブレータまたは油圧式バイブレータ等から構成される。非爆破型の振源を用いることで、海洋性ほ乳類や魚類への影響を軽減することができ、海洋生物の生活環境に配慮した海底地質探査を行うことができる。なお、振源２は、パルス波を発生するエアガン等の爆破型の振源であってもよい。

【0034】

振源２は、図１に示すように、発振ケーブル４に設けられており、使用状態において水中の所定の深さＤｓに配置される。

【0035】

複数の受振器３は、図１に示すように、受振ケーブル５に互いに間隔をあけて設けられている。本実施形態では、複数の受振器３（ここでは１０個）は、受振ケーブル５に互いに等間隔（所定の間隔Ｒｉｎｔ）に配置されている。

【0036】

受振器３の数はこれに限られるものではなく、任意の複数個の受振器３が受振ケーブル５に設けられてよい。ただし、一般的には、受振器３の数が多いほど、大きな重合効果（後述）が得られ、波形抽出精度を向上させることができる。

【0037】

複数の受振器３は、それぞれ、振源２から発振された音波を受振する。各受振器３が受振する音波には、振源２から受振器３に直接到達する直達波（直接波）だけでなく、海水面、海底面、および海底下の地層境界面等で反射した反射波も含まれる。すなわち、受振器３は、これらの波が合成された合成波を受振する。

【0038】

発振ケーブル４の上端は、棒状の釣支部材６の一端（図１では左端）に接続されている。これにより、発振ケーブル４は使用状態において水中に垂下され、振源２は発振ケーブル４の長さに応じた所定の深さ（Ｄｓ）に配置される。

【0039】

受振ケーブル５の上端は、釣支部材６の他端（図１では右端）に接続されている。これにより、受振ケーブル５は使用状態において水中に垂下されて、複数の受振器３のうち一番上の受振器は受振ケーブル５の長さに応じた所定の深さ（Ｄｒ）に配置される。深さＤｒは、図１では振源２の深さＤｓとほぼ同じであるが、これに限られず、深さＤｓと異なる深さであってもよい。

【0040】

なお、発振ケーブル４および受振ケーブル５は通常、ロープのように柔軟性を有するものであるが、金属棒のように剛性を有するものであってもよい。

【0041】

釣支部材６は、発振ケーブル４（振源２）および受振ケーブル５（受振器３）を釣支するための部材である。この釣支部材６の長さは、振源２と受振器３間の所望の水平距離とほぼ等しい。釣支部材６はステンレス等、剛性を有する材料からなる。釣支部材６の所定の位置（重心など）に、クレーン３１の先端から垂下されたケーブル３２が接続されている。なお、釣支部材６の形状は、棒状に限られず、板状、円盤状、リング状などであってもよい。

【0042】

図１に示すように、釣支部材６の両端（一端および他端）に、ブイ等の浮力体７が設けられてもよい。これにより、釣支部材６の位置が安定し、振源２および受振器３の水深を一定に保ちやすくすることができる。

【0043】

本実施形態では、釣支部材６の長さにより、振源２と受振器３との間の水平距離が定められる。この水平距離は、受振波のＳ／Ｎ比を上げて波形抽出精度を向上させるために、受振器３間の間隔（Ｒｉｎｔ）よりも小さいことが望ましい。たとえば、水平距離を２メートル、受振器３間の間隔を５メートルとする。振源２と受振器３間の水平距離を短くすることで、受振器３に到達する直達波の到達走時（ｔ１）と反射波の到達走時（ｔ２）との差が大きくなり、直達波がより認識されやすくなるため、波形抽出のためのデータ処理が容易になる。一方、受振器３間の間隔を大きくすることで、複数の受振器３が受振する反射波の位相差が大きくなるため、重合効果が高まり、波形抽出精度を向上させることができる。

【0044】

次に、図２を参照して、情報処理装置１０について説明する。この情報処理装置１０は、複数の受振器３で受振された音波の波形データを取得し、基本波形の抽出処理を行うための装置である。本実施形態では、情報処理装置１０は、船３０に配置されており、複数の受振器３と通信可能に接続されている。

【0045】

情報処理装置１０、図２に示すように、制御部１１と、通信部１２と、記憶部１３と、入力部１４と、出力部１５と、を備えている。この情報処理装置１０は、たとえば、パソコン、タブレット端末、スマートフォン等である。

【0046】

制御部１１は、複数の受振器３で受信された音波の波形データを取得する波形データ取得部１１１と、取得された複数の波形データに基づいて振源２の発振波の波形を抽出する波形抽出部１１２とを有している。波形抽出部１１２の詳細は別途後述する。本実施形態では、制御部１１の各部は、情報処理装置１０内のプロセッサが所定のプログラムを実行することにより実現される。制御部１１の各部のうち少なくとも一つがハードウェアにより構成されてもよい。

【0047】

通信部１２は、受振器３等の外部装置との間で情報（波形データ等）を送受信するためのインターフェースである。なお、無線方式や通信規格は特に限定されない。

【0048】

記憶部１３は、半導体メモリ、ハードディスクドライブ等から構成される。この記憶部１３には、制御部１１で実行されるプログラム、受振器３から受信した波形データ、および波形抽出処理により得られた基本波形データなどが記憶される。

【0049】

入力部１４は、情報処理装置１０の使用者が情報や命令を入力するための手段であり、キーボード、マウス、タッチパネル等である。

【0050】

出力部１５は、情報処理装置１０による処理結果（抽出された波形など）を出力するための手段であり、具体的には、液晶パネル等のディスプレイである。

【0051】

ここで、波形抽出部１１２の詳細について詳しく説明する。

【0052】

波形抽出部１１２は、複数の受振器３により受振された音波（直達波だけでなく各種反射波を含む合成波）に係る複数の波形を、最も早く受振される直達波の受振時刻が所定の時刻になるようにタイムシフトする。そして、波形抽出部１１２は、タイムシフトされた複数の波形を重合する。この重合処理により、位相が揃った波（直達波）は強調され、位相がずれた波（反射波）は打ち消し合う。その結果、機械特性等を含んだ振源２の発振波の波形を精度良く抽出することができる。

【0053】

上記の波形抽出処理について、図３（ａ）～図３（ｄ）に示すシミュレーション波形を参照して、具体的に説明する。

【0054】

図３（ａ）は、振源２から発振される非パルス波の波形を示している。この図において、Ｔは非パルス波の長さ（発振時間長）を示している。

【0055】

図３（ｂ）は、複数の（ここでは１０個の）受振器３で受振された音波の波形をそれぞれ示している。縦軸の到達走時は、受振器３が音波を受振した時刻（受振時刻）を示し、横軸の数字１，２，３，・・・，１０は、受振器３の識別番号を示している。すなわち、“１”が一番上の受振器３（振源２から最も近く、海底面から最も遠い受振器）であり、“１０”が一番下の受振器３（振源２から最も遠く、海底面から最も近い受振器）である。また、時刻ｔ１は直達波の受振時刻であり、時刻ｔ２は反射波（海底面で反射した波）の受振時刻である。

【0056】

図３（ｃ）はタイムシフトした受振波形を示しており、より詳しくは、直達波の受振時刻を所定の時刻に揃えた受振波の波形を示している。ここでは、直達波の受振時刻が時刻０になるように各波形についてタイムシフトを行っている。なお、ある波形の受振時刻を基準として、他の波形をタイムシフトしてもよい。

【0057】

図３（ｄ）は、タイムシフトされた複数の波形を重合して得られた波形を示している。すなわち、図３（ｃ）に示す１０個の波形を重ね合わせた波形を示している。

【0058】

図３（ａ）～図３（ｄ）から分かるように、波形抽出部１１２は、直達波の受振時刻が揃うように各受振器３が受振した音波の波形をタイムシフトし、タイムシフトされた複数の波形を重合することにより、振源２の発振波の波形を抽出する。

【0059】

直達波についてはタイムシフトにより位相が揃うため、タイムシフトされた複数の波形を重合することで直達波が強調されることになる。他方、海底面からの反射波についてはタイムシフトにより位相がずれるため、重合により互いに打ち消し合うことになる。このように、タイムシフトおよび重合によって、直達波のみが強調される。したがって、本実施形態によれば、振源２の波形（機械的特性等を含んだ波形）を高精度に、高いＳ／Ｎ比で抽出することができる。なお、受振器３の数（重合される波形の数）が多いほど、重合効果が大きくなり、波形抽出精度を向上させることができる。

【0060】

実際の受振波は、海底面からの反射波以外に、海水面、船３０およびその他の障害物（防波堤など）からの反射波を含むが、これらの波も海底面からの反射波と同様に、タイムシフトにより位相がずれるため、重合により互いに打ち消し合うこととなる。波浪等の環境ノイズについても同様である。

【0061】

このようにして、直達波以外の受振波成分はノイズとしてタイムシフトおよび重合処理により取り除かれる。よって、本実施形態によれば、直達波の波形（すなわち、振源２の発振波）を高精度に抽出することができる。

【0062】

さらに、本実施形態によれば、大水深域でなくても、たとえば、係留場などの沿岸域でも、振源２の波形（機械特性等の影響を含む実際の波形）を容易に抽出することができる。また、波浪等の環境ノイズが存在する環境であっても、振源２の波形を精度良く抽出することができる。

【0063】

本実施形態に係る波形抽出方法は発振時間長が比較的長い非パルス波の場合において効果的であるが、振源２の発振波がパルス波であっても、同様の手法により波形抽出を行うことができる。これについて図４（ａ）～図４（ｄ）を参照して説明する。図４（ａ）は、振源２から発振されるパルス波（長さＴ）の波形を示している。図４（ｂ）は、１０個の受振器３の各々で受振された音波の波形を示している。図４（ｃ）はタイムシフトされた波形を示しており、図４（ｄ）は重合により得られた波形を示している。

【0064】

図４（ａ）～図４（ｄ）から分かるように、パルス波の場合についても、反射波成分が互いに打ち消し合い、振源２のパルス波形を精度良く抽出することができる。

【0065】

上記の波形抽出システム１では、波形抽出処理を行う波形抽出部１１２は船内の情報処理装置１０に設けられていたが、これに限られず、たとえば、受振ケーブル５内に設けられてもよいし、あるいは陸上の解析局に設けられてもよい。受振ケーブル５内に設けられる場合、波形抽出部１１２は、たとえば、デジタルストリーマーのＡ／Ｄ変換器を構成するＩＣチップ上で動作するプログラムにより実現される。陸上の解析局に設けられる場合は、波形抽出部１１２は、たとえば、解析局に設けられたコンピュータ上で動作するプログラムにより実現される。なお、陸上のコンピュータと船３０を無線で通信接続し、当該コンピュータで波形抽出処理を行ってもよい。

【0066】

また、波形抽出部１１２は、受振波のタイムシフトを行うタイムシフト処理部と、タイムシフトされた波形の重合を行う重合処理部とから構成されてもよい。この場合、タイムシフト処理部と重合処理部は異なる情報処理装置により実行されてもよい。

【0067】

なお、本実施形態の波形抽出システム１では、複数の受振器３が１本の受振ケーブル５に設けられているがこれに限られない。すなわち、複数本の受振ケーブルの各々に受振器３が設けられてもよい。たとえば、２本の受振ケーブル（第１の受振ケーブルおよび第２の受振ケーブル）を用意し、１０個の受振器３について、第１の受振ケーブルに１番目～５番目の受振器３を設け、第２の受振ケーブルに６番目～１０番目の受振器３を設けるようにしてもよい。この場合、受振波の位相を異ならせるために、第１の受振ケーブルの受振器の深さ位置と、第２の受振ケーブルの受振器の深さ位置が互いに異なることが好ましい。

【0068】

また、発振ケーブル４および受振ケーブル５は、水中に垂直に垂れ下がる場合に限られず、船３０により曳航されるなどして、斜めに垂れ下がってもよいし、あるいは水平に配置されてもよい。このように複数の受振器３は、垂直方向に並ぶ場合に限られず、斜め方向、水平方向など任意の方向に沿って並んでもよい。さらに一般的に言えば、複数の受振器３が所定の方向に並ぶことは振源２の波形抽出を行う上で必須ではなく、複数の受振器３は水中の互いに異なる位置に配置されればよい。

【0069】

また、複数の受振器３は、受振ケーブル５に不等間隔で配置されてもよい。たとえば、２メートル、２．５メートル、３メートル・・・のように間隔が互いに異なるように複数の受振器３を配置する。あるいは、互いに素な間隔（２メートル、３メートル、５メートルなど）をあけて複数の受振器３を配置してもよい。あるいは、ランダムな間隔で複数の受振器３を配置してもよい。このように複数の受振器３を不等間隔で配置することで、各受振器３が受振する音波の位相がより分散されて重合効果が向上し、よりＳ／Ｎ比の高い波形抽出処理を行うことができる。

【0070】

＜第１の実施形態に係る波形抽出方法＞
次に、図５のフローチャートを参照して、第１の実施形態に係る波形抽出方法の一例について説明する。

【0071】

まず、振源２を水中の所定の深さに配置する（ステップＳ１１）。具体的には、振源２が所定の深さに位置するように、振源２が設けられた発振ケーブル４を水中に垂下させる。

【0072】

次に、複数の受振器３を振源２から所定の水平距離だけ離れた水中に配置する（ステップＳ１２）。本ステップでは、複数の受振器３のうち一番上の受振器３が所定の深さに配置されるように、受振ケーブル５を水中に垂下させる。なお、釣支部材６の長さが所定の水平距離と等しいため、振源２と受振器３との間の水平距離は自動的に所定の水平距離にほぼ等しくなる。

【0073】

ステップＳ１２について、より一般的に言えば、複数の受振器３が水中の互いに異なる位置に配置されればよい。すなわち、振源２と、複数の受振器３の各々との間の位置関係が互いに異なるように、複数の受振器３が配置されればよい。このため、前述のように、１本の受振ケーブルにすべての受振器３を設ける場合に限られず、複数本の受振ケーブルに分散して受振器３を設けてもよい。

【0074】

上記のようにして複数の受振器３が配置された後、振源２が音波を発振する（ステップＳ１３）。そして、複数の受振器３が振源２から発振された音波（合成波）を受振する（ステップＳ１４）。

【0075】

その後、波形抽出部１１２が、複数の受振器３によりステップＳ１４で受振された音波に係る複数の波形を、直達波の受振時刻が所定の時刻になるようにタイムシフトし、タイムシフトされた複数の波形を重合する（ステップＳ１５）。本ステップの処理により、図３および図４を参照して説明したように、振源２の発振波の波形を得ることができる。

【0076】

なお、上記の波形抽出方法は、一例に過ぎない。たとえば、ステップＳ１１とステップＳ１２を入れ替えてもよいし、あるいは同時に行ってもよい。また、ステップＳ１５は、タイムシフト処理ステップと、重合処理ステップとに分割して行ってもよい。

【0077】

（第２の実施形態）
次に、図６を参照して、第２の実施形態に係る波形抽出システム１Ａについて説明する。図６においては、第１の実施形態と同じ構成要素については図１と同じ符号を付している。

【0078】

本実施形態と第１の実施形態との相違点の一つは、振源２を移動させて、各振源位置において受振器３が音波を受振することである。これにより、波形抽出処理において使用可能な波形の数を増やすことができる。以下、第１の実施形態との相違点を中心に第２の実施形態について説明する。

【0079】

波形抽出システム１Ａは、図６に示すように、水中において音波を発振する振源２と、複数の受振器３と、発振ケーブル４と、受振ケーブル５と、ウインチ８と、情報処理装置１０Ａと、船３０と、クレーン３１Ａ，３１Ｂと、を備えている。なお、ウインチ８には、発振ケーブル４用のものと、受振ケーブル５用のものとが船３０に設けられている。

【0080】

発振ケーブル４はウインチ８から巻き出され、クレーン３１Ａの先端から垂下されている。受振ケーブル５は別のウインチ８から巻き出され、クレーン３１Ｂの先端から垂下されている。ウインチ８から巻き出される発振ケーブル４の長さを制御することで、振源２の深さ位置を調整可能としている。同様に、ウインチ８から巻き出される受振ケーブル５の長さを制御することで受振器３の深さ位置を調整可能である。

【0081】

本実施形態では、振源２は、発振ケーブル４の上下動に応じて深さ方向に移動可能に構成されている。同様に、複数の受振器３は、受振ケーブル５の上下動に応じて深さ方向に移動可能に構成されている。なお、移動方向は深さ方向に限定されるものではない。発振ケーブル４や受振ケーブル５が上下動以外の方向に移動することで、振源２や受振器３が当該方向に沿って移動するようにしてもよい。たとえば、発振ケーブル４および受振ケーブル５が船３０により曳航されて斜めに垂れ下がった状態においてウインチ８から巻き出されるケーブル長を変化させることで、振源２や受振器３を斜め方向に移動させてもよい。なお、発振ケーブル４および受振ケーブル５の曳航により振源２と受振器３が水中を移動する場合、船速が一定の条件下では両者の相対的な位置関係は変化しないため、直達波の観測に影響はない。したがって、このような場合においても、本実施形態により波形抽出を行うことが可能である。

【0082】

情報処理装置１０Ａは、図７に示すように、制御部１１が移動制御部１１３をさらに有する点で第１の実施形態で説明した情報処理装置１０と異なる。この移動制御部１１３は、振源２および／または受振器３の位置を制御するように構成されている。本実施形態では、移動制御部１１３は、ウインチ８を制御することで、発振ケーブル４を上下方向に移動させ、振源２の深さ位置を変更する。

【0083】

波形抽出部１１２は、第１の深さに位置する振源２から発振され複数の受振器３により受振された音波（合成波）に係る複数の波形と、第１の深さと異なる第２の深さに位置する振源２から発振され複数の受振器３により受振された音波（合成波）に係る複数の波形とを、直達波の受振時刻が所定の時刻になるようにタイムシフトする。そして、波形抽出部１１２は、タイムシフトされた複数の波形を重合する。

【0084】

たとえば、波形抽出部１１２は、振源２が第１の深さにあるときに受振器３により受振された１０個の波形と、振源２が第２の深さにあるときに受振器３により受振された１０個の波形との計２０個の波形をタイムシフトして重合する。

【0085】

第２の実施形態によれば、第１の実施形態に比べて、重合する波形の数が増えることから、重合効果をより大きくすることができる。これにより、受振器３の数を増やすことなく、振源２の波形の抽出精度を向上させることができる。

【0086】

＜第２の実施形態に係る波形抽出方法＞
図８のフローチャートを参照して、第２の実施形態に係る波形抽出方法の一例について説明する。

【0087】

まず、振源２を水中の第１の深さに配置する（ステップＳ２１）。具体的には、振源２が第１の深さに配置されるように、移動制御部１１３がウインチ８を制御して発振ケーブル４を所定の長さだけ巻き出す。

【0088】

次に、複数の受振器３を振源２から所定の水平距離だけ離れた水中に配置する（ステップＳ２２）。本ステップでは、複数の受振器３のうち一番上の受振器３が所定の深さに配置されるように、移動制御部１１３がウインチ８を制御して受振ケーブル５を所定の長さだけ巻き出す。本実施形態では、クレーン３１Ａとクレーン３１Ｂの先端位置を調整しておくことで、振源２と一番上の受振器３との間の水平距離を所定の水平距離にほぼ等しくなるようにする。

【0089】

その後、振源２が音波を発振する（ステップＳ２３）。そして、複数の受振器３が振源２から発振された音波を受振する（ステップＳ２４）。

【0090】

次に、振源２を水中の第２の深さに配置する（ステップＳ２５）。詳しくは、振源２が第１の深さとは異なる第２の深さに配置されるように、移動制御部１１３がウインチ８を制御して発振ケーブル４を所定の長さだけ巻き出す。その後、振源２が音波を発振する（ステップＳ２６）。振源２はステップＳ１３と同じ波形の音波を出力する。その後、複数の受振器３が振源２から発振された音波を受振する（ステップＳ２７）。

【0091】

次に、波形抽出部１１２が、第１の深さに位置する振源２から発振され複数の受振器３により受振された第１の音波（合成波）に係る複数の波形と、第２の深さに位置する振源２から発振され複数の受振器３により受振された第２の音波（合成波）に係る複数の波形とを、直達波の受振時刻が所定の時刻になるようにタイムシフトし、タイムシフトされた複数の波形を重合する（ステップＳ２８）。

【0092】

上記第２の実施形態に係る波形抽出方法によれば、振源２の発振波の波形を精度良く抽出することができる。

【0093】

なお、上記の方法では振源２を上下方向に移動させたが、振源２の移動方向はこれに限られず、水平方向または斜め方向等、任意の方向であってよい。

【0094】

また、受振器３を移動させて、振源２と受振器３との位置関係を変化させてもよい。この場合について、第２の実施形態の変型例として、図９を参照して説明する。

【0095】

本変型例では、受振ケーブル５が水平方向に移動可能に構成されている。たとえば、クレーン３１Ｂの先端位置を動かすことにより、受振ケーブル５を水平方向に移動させる。第１の実施形態のように釣支部材６を使用する場合は、伸縮可能な釣支部材６を用いて受振ケーブル５を水平方向に移動させてもよい。

【0096】

本変型例に係る波形抽出方法は、図８のフローチャートとほぼ同様であるが、ステップＳ２５では、受振ケーブル５を移動させて、複数の受振器３の配置位置を変更する。また、ステップＳ２８では、波形抽出部１１２が、振源２から発振され、水平移動前の複数の受振器３により受振された第１の音波（合成波）に係る複数の波形と、振源２から発振され、水平移動後の複数の受振器３により受振された第２の音波（合成波）に係る複数の波形とを、直達波の受振時刻が所定の時刻になるようにタイムシフトする。そして、タイムシフトされた複数の波形を重合する。

【0097】

なお、複数の受振器３の移動方向は水平方向に限られず、垂直方向（深さ方向）であってもよい。この場合、移動制御部１１３がウインチ８から巻き出される受振ケーブル５の長さを制御することで、複数の受振器３の深さを変更する。

【0098】

また、ステップＳ２５において、振源２および複数の受振器３の両方を移動させて両者の位置関係を変更してもよい。

【0099】

また、振源２と複数の受振器３を交互に動かしながら波形を取得してもよい。たとえば、図６のように振源２を垂直方向に一単位移動させて受振波を取得し、その後、図９のように複数の受振器３を水平方向に一単位移動させて受振波を取得することを所定の回数だけ繰り返してもよい。

【0100】

また、第２の実施形態の場合、受振器３の数が１個の場合であっても、基本波形の抽出処理に用いるための波形を複数取得することが可能である。よって、受振器３の数は１つであってもよい。

【0101】

＜海上地震探査方法＞
以上説明した波形抽出方法により、機械特性等を含む振源２の発振波形を抽出することができる。抽出された波形を用いることで精度の高い海上地震探査を行うことが可能となる。海上地震探査方法について、図１０を参照して説明する。図１０は、実施形態に係る海上地震探査方法を説明するためのフローチャートである。

【0102】

まず、水中に配置された振源２が音波を発振する（ステップＳ１０１）。そして、受振器３が、振源２から発振された音波（合成波）を受振する（ステップＳ１０２）。次に、前述の波形抽出方法により事前に抽出された振源２の波形と、ステップＳ１０２で受振された音波の波形との相互相関を計算する（ステップＳ１０３）。機械特性等を含む波形を使用することにより、地層の境界面を明りょうに識別できる等、海底地質探査を高精度に実施できるようになる。本ステップでは、相互相関を計算する場合に限られず、抽出された波形と受振波との畳み込み積分を計算してもよい。

【0103】

なお、ステップＳ１０３は、情報処理装置１０，１０Ａの制御部１１に相互相関計算部（図示せず）を設け、情報処理装置１０，１０Ａにより行ってもよい。この場合、波形抽出処理は海上地震探査の前処理として実施することができる。詳しくは、ステップＳ１０２とステップＳ１０３の間に、本発明に係る波形抽出方法を海上地震探査の前処理として行ってもよい。第１の実施形態において図５を参照して説明した波形抽出方法を行う場合は、ステップＳ１５の後にステップＳ１０３を行ってもよい。この際、ステップＳ１０３では、ステップＳ１５で抽出された波形を用いる。

【0104】

ここで、図１１（ａ）～（ｄ）を参照して、コンピュータで作成された波形ではなく、振源２から実際に発振された波形を海上地震探査の解析に用いる意義について具体的に説明する。

【0105】

図１１（ａ）は、コンピュータで作成された振源２の波形（機械特性の影響を含まない波形）を示す。図１１（ｂ）は、振源２の機械特性を加味した波形を示す。図中の矢印が機械特性を加味して歪んだ部分を示している。図１１（ｃ）は、図１１（ａ）の波形と、受振器３が受振した音波の波形との相互相関を計算した結果を示している。図１１（ｄ）は、図１１（ｂ）の波形と、受振器３が受振した音波の波形との相互相関を計算した結果を示している。

【0106】

図１１（ｃ）および図１１（ｄ）の比較から分かるように、機械特性が加味された波形を用いる方が、Ｓ／Ｎ比の高いパルスを得ることができる。したがって、海底の地質の境界面を明りょうに識別することが可能になる。

【0107】

上記の記載に基づいて、当業者であれば、本発明の追加の効果や種々の変形を想到できるかもしれないが、本発明の態様は、上述した実施形態に限定されるものではない。特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。

【符号の説明】

【0108】

１，１Ａ，１Ｂ 波形抽出システム
２ 振源
３ 受振器
４ 発振ケーブル
５ 受振ケーブル
６ 釣支部材
７ 浮力体
８ ウインチ
１０ 情報処理装置
１１ 制御部
１１１ 波形データ取得部
１１２ 波形抽出部
１１３ 移動制御部
１２ 通信部
１３ 記憶部
１４ 入力部
１５ 出力部
３０ 船
３１，３１Ａ，３１Ｂ クレーン
３２ ケーブル
１００ 振源
２００ 受振器
３００ ケーブル
４００ 船
Ｄｓ （振源の）深さ
Ｄｒ （一番上の受振器の）深さ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】