特許 7617257 反射法地震探査による受振データの処理方法

(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】2025-01-08

(45)【発行日】2025-01-17

(54)【発明の名称】反射法地震探査による受振データの処理方法

(51)【国際特許分類】

   G01V 1/00 20240101AFI20250109BHJP

   G01V 1/28 20060101ALI20250109BHJP

【ＦＩ】

G01V1/00 C

G01V1/28

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2023520768

(86)(22)【出願日】2022-01-21

(86)【国際出願番号】 JP2022002213

(87)【国際公開番号】W WO2022239305

(87)【国際公開日】2022-11-17

【審査請求日】2024-04-26

(31)【優先権主張番号】P 2021081267

(32)【優先日】2021-05-12

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000000099

【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ

(73)【特許権者】

【識別番号】712014058

【氏名又は名称】三ケ田 均

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100111235

【弁理士】

【氏名又は名称】原 裕子

(74)【代理人】

【識別番号】100170575

【弁理士】

【氏名又は名称】森 太士

(72)【発明者】

【氏名】小笹 弘晃

(72)【発明者】

【氏名】三ケ田 均

【審査官】佐野 浩樹

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０１９８７３０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／００５４４６５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１０６２９１７０９（ＣＮ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１３／０２０１７９１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１１／０１６６７９０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１１／００５８４５０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許第７６１６５２３（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】中国特許出願公開第１０１８７６７１５（ＣＮ，Ａ）

【文献】特表平０８－５０１３９５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｖ１／００－１／５２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

水中に音波を出力する震源と前記音波を受振する受振器を用いた反射法地震探査による受振データの処理方法であって、
前記受振データに示された前記音波の直達波を、前記音波が水中において震源の水深の２倍の距離を進行する時間だけ、時間軸の進行方向に仮想的に伝播させ、更に、その振幅を前記受振データに示された前記音波の第１水面反射波の振幅に近付けるように補正することによって第１疑似水面反射波を算出し、
前記受振データから前記第１疑似水面反射波に相当する成分を減じ、
前記第１水面反射波を、前記音波が水中において前記震源の水深の２倍の距離を進行する時間だけ、時間軸の進行方向と逆方向に仮想的に伝播させ、更に、その位相を反転させることによって第１疑似直達波を算出し、
前記第１疑似直達波を示すデータを、前記第１疑似水面反射波に相当する成分が減じられた前記受振データに加算する
ことを含み、
前記直達波は、前記震源から出力され、水面での反射を経ることなく反射面で反射した音波であり、
前記第１水面反射波は、前記震源から出力され、水面で反射し更に前記反射面で反射することによって、前記震源の水深の２倍の距離を進行する時間だけ遅延した音波である、
受振データの処理方法。

【請求項2】

前記受振データに示された前記音波の前記直達波を、前記音波の受振器の水深の２倍の距離を進行する時間だけ、時間軸の進行方向に仮想的に伝播させ、更に、その振幅を前記受振データに示された前記音波の第２水面反射波の振幅に近付けるように補正することによって第２疑似水面反射波を算出し、
前記受振データに示された前記音波の前記直達波を、前記音波が水中において震源の水深の２倍の距離と前記音波の受振器の水深の２倍の距離を進行する時間だけ、時間軸の進行方向に仮想的に伝播させ、更に、その振幅を前記受振データに示された前記音波の第３水面反射波の振幅に近付けるように補正することによって第３疑似水面反射波を算出し、
前記受振データから前記第２疑似水面反射波に相当する成分と前記第３疑似水面反射波に相当する成分とを減じる
ことを更に含み、
前記第２水面反射波は、前記震源から出力され、前記反射面で反射し、更に水面で反射することによって、前記受振器の水深の２倍の距離を進行する時間だけ遅延した音波であり、
前記第３水面反射波は、前記震源から出力され、水面で反射し、前記反射面で反射し、更に水面で反射することによって、前記震源の水深の２倍の距離を進行する時間と前記受振器の水深の２倍の距離を進行する時間だけ遅延した音波である、
請求項１に記載の受振データの処理方法。

【請求項3】

前記第１水面反射波を、前記音波が水中において前記震源の水深の２倍の距離を進行する時間だけ、時間軸の進行方向と逆方向に仮想的に伝播させ、更に、その位相を反転させることによって第１疑似直達波を算出し、
前記第２水面反射波を、前記音波が水中において前記受振器の水深の２倍の距離を進行するだけ、時間軸の進行方向と逆方向に仮想的に伝播させ、更に、その位相を反転させることによって第２疑似直達波を算出し、
前記第３水面反射波を、前記音波が水中において前記震源の水深の２倍の距離を進行する時間と前記受振器の水深の２倍の距離を進行する時間だけ、時間軸の進行方向と逆方向に仮想的に伝播させることによって第３疑似直達波を算出し、
前記第１疑似直達波、前記第２疑似直達波及び前記第３疑似直達波を示すデータを、前記第１疑似水面反射波、第２疑似水面反射波及び第３疑似水面反射波に相当する成分が減じられた前記受振データに加算する
ことを更に含む請求項２に記載の受振データの処理方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、水中に配置された震源を用いた反射法地震探査による受振データの処理方法に関する。

【背景技術】

【0002】

水底探査方法の１つとして反射法地震探査が知られている。この方法では、地震探査船によって曳航される震源とストリーマケーブルとが水中に投入される。震源は所定の帯域の音波を発生し、ストリーマケーブルに設けられた個々の受振器（ハイドロフォン）が震源から出力した音波を受振する。受振された音波には、水底下の地層による音波の反射波が含まれる。反射法地震探査では、震源とストリーマケーブルの位置を断続的に変えつつ反射波の到達時間を計測することによって、地層の形状や密度等の物性を特定することができる（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１４－１３７３２０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

水底探査の探査対象は水底下の地層である。従って、震源が水底に近いほど、地層からの反射波の強度を高めることが可能である。しかしながら、音波は震源からあらゆる方向に伝播するため、受振器は、震源から地層に直接到達した音波の反射波（便宜上、直達波と称する）に加え、震源から水面での反射を経て、地層に到達した音波の反射波（便宜上、水面反射波と称する）も受振する。この場合、受振データである断面図には同一の地層が異なる深度に現れてしまい、地層の適切な評価が困難になる。

【0005】

本開示はこのような事情を鑑みて成されたものであり、反射法地震探査による受振データに対して、水面反射波による影響を低減することが可能な処理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】

【0006】

本開示の一態様に係る方法は、反射法地震探査による受振データの処理方法であって、前記受振データに示された音波の直達波を、前記音波が水中において震源の水深の２倍の距離を進行する時間だけ、時間軸の進行方向に仮想的に伝播させ、更に、その振幅を前記受振データに示された前記音波の第１水面反射波の振幅に近付けるように補正することによって第１疑似水面反射波を算出し、前記受振データから前記第１疑似水面反射波に相当する成分を減じ、前記第１水面反射波を、前記音波が水中において前記震源の水深の２倍の距離に相当する時間だけ、時間軸の進行方向と逆方向に仮想的に伝播させ、更に、その位相を反転させることによって第１疑似直達波を算出し、前記第１疑似直達波を示すデータを、前記第１疑似水面反射波に相当する成分が減じられた前記受振データに加算することを含む。ここで、前記直達波は、前記震源から出力され、水面での反射を経ることなく反射面で反射した音波であり、前記第１水面反射波は、前記震源から出力され、水面で反射し更に前記反射面で反射することによって、前記震源の水深の２倍の距離を進行する時間だけ遅延した音波である。

【0008】

前記方法は、前記受振データに示された前記音波の前記直達波を、前記音波の受振器の水深の２倍の距離を進行する時間だけ、時間軸の進行方向に仮想的に伝播させ、更に、その振幅を前記受振データに示された前記音波の第２水面反射波の振幅に近付けるように補正することによって第２疑似水面反射波を算出し、前記受振データに示された前記音波の前記直達波を、前記音波が水中において震源の水深の２倍の距離と前記音波の受振器の水深の２倍の距離を進行する時間だけ、時間軸の進行方向に仮想的に伝播させ、更に、その振幅を前記受振データに示された前記音波の第３水面反射波の振幅に近付けるように補正することによって第３疑似水面反射波を算出し、前記受振データから前記第２疑似水面反射波に相当する成分と前記第３疑似水面反射波に相当する成分とを減じることを更に含んでもよい。ここで、前記第２水面反射波は、前記震源から出力され、前記反射面で反射し、更に水面で反射することによって、前記受振器の水深の２倍の距離を進行する時間だけ遅延した音波であり、前記第３水面反射波は、前記震源から出力され、水面で反射し、前記反射面で反射し、更に水面で反射することによって、前記震源の水深の２倍の距離を進行する時間と前記受振器の水深の２倍の距離を進行する時間だけ遅延した音波である。

【0009】

前記方法は、前記第１水面反射波を、前記音波が水中において前記震源の水深の２倍の距離を進行する時間だけ、時間軸の進行方向と逆方向に仮想的に伝播させ、更に、その位相を反転させることによって第１疑似直達波を算出し、前記第２水面反射波を、前記音波が水中において前記受振器の水深の２倍の距離を進行する時間だけ、時間軸の進行方向と逆方向に仮想的に伝播させ、更に、その位相を反転させることによって第２疑似直達波を算出し、前記第３水面反射波を、前記音波が水中において前記震源の水深の２倍の距離を進行する時間と前記受振器の水深の２倍の距離を進行する時間だけ、時間軸の進行方向と逆方向に仮想的に伝播させることによって第３疑似直達波を算出し、前記第１疑似直達波、前記第２疑似直達波及び前記第３疑似直達波を示すデータを、前記第１疑似水面反射波、第２疑似水面反射波及び第３疑似水面反射波に相当する成分が減じられた前記受振データに加算してもよい。

【発明の効果】

【0010】

本開示によれば、反射法地震探査による受振データに対して、水面反射波による影響を低減することが可能な処理方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】水底探査システムを示す概略構成図である。

【図2】水底探査システムのブロック図である。

【図3】受振データの処理方法を示すフローチャートである。

【図4】受振データの処理方法を示すフローチャートである。

【図5】受振データによって得られる断面図の一例とその処理を説明するための図である。

【図6】同一位置の反射面で反射される音波の進行を説明するための図である。

【図7】震源の運用深度（水深）と信号強度の関係を示すグラフである。

【図8】元の受振データの周波数スペクトルと、元の受振データに対して本実施形態に係る処理を行った受振データの周波数スペクトルを示す図である。

【図9】水底探査システムを示す概略構成図である。

【図10】経路長の違いによる音波の受振時間の変化（換算深度）を説明するための図である。

【図11】受振データの処理方法を示すフローチャートである。

【図12】受振データの処理方法を示すフローチャートである。

【図13】受振データによって得られる断面図の一例とその処理を説明するための図である。

【図14】受振データの処理方法を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

（第１実施形態）
以下、本開示の第１実施形態について説明する。図１は、本実施形態に係る水底探査システム１０を示す概略構成図である。図２は、本実施形態に係る水底探査システム１０のブロック図である。

【0013】

図１及び図２に示すように、水底探査システム１０は、震源１１と、制御装置１２と、複数の受振器１３とを備え、反射法地震探査法を用いて水底３下の構造を探査する。なお、本実施形態の水底探査システム１０は、洋上で稼働することを想定している。しかしながら、水底探査システム１０の稼働環境は洋上に限られず、河川や湖沼などの水底探査を行うことが可能な環境で稼働可能である。

【0014】

震源１１は水深Ｄ１の水中に設置され、音波５を出力する。震源１１は、例えば、周知の構成を備える低周波発生装置であり、油圧によって駆動される振動板（図示せず）を備える。振動板の振動は制御装置１２によって制御され、これにより、所望の周波数の音波５が発生する。振動板は圧電素子によって駆動されてもよく、他の周知の駆動機構によって駆動されてもよい。なお、震源１１は上述の低周波発生装置に限られず、エアガン等の音波発生装置でもよい。

【0015】

複数の受振器１３は水中に設置され、一方向に配列する。各受振器１３は所謂ハイドロフォンであり、水中の音波５を受振する。複数の受振器１３は、ケーブル等の部材１５によって互いに連結又は間隔を置いて保持され、ストリーマケーブル１４を構成する。

【0016】

制御装置１２は、中央演算装置（ＣＰＵ）、記憶部及び補助記憶装置等を備える所謂コンピュータとして構成され、例えば地震探査船２０に搭載される。制御装置１２は、震源１１による音波５の生成及び周波数等を制御する。生成される音波は、インパルス波、スウィープ波及び擬似ランダム波のうちの何れでもよく、その他の周知の波形の音波でもよい。何れの場合も、制御装置１２は、各受振器１３が受振した音波５を信号データとして記録する。

【0017】

地震探査船２０は揚重装置２１を備える。揚重装置２１は曳航索２３及び曳航索２４を送り出し及び巻き上げる。曳航索２３の端部には震源１１が接続され、曳航索２４の端部にはストリーマケーブル１４が接続されている。従って、揚重装置２１の動作に応じて、震源１１とストリーマケーブル１４は水中に投入又は水中から回収される。

【0018】

震源１１及びストリーマケーブル１４の受振器１３が動作している間、地震探査船２０はこれらを曳航する。地震探査船２０は、例えば、震源１１及び受振器１３にそれぞれ接続された曳航索２３及び曳航索２４を巻き取り・巻き戻し可能に支持する揚重装置２１と、を有している。なお、水底探査システム１０が搭載される設備は地震探査船２０に限られず、震源１１及びストリーマケーブル１４を水中に配置可能な設備であればよい。

【0019】

次に、水底探査システム１０によって取得された受振データの処理方法について説明する。図３及び図４は、受振データの処理方法を示すフローチャートである。図５は、受振データによって得られる断面図の一例とその処理を説明するための図である。図６は、同一位置の反射面で反射される音波の進行を説明するための図である。

【0020】

まず、制御装置１２等に記録された信号データに対して、相互相関処理、ＮＭＯ補正及び共通中点重合等の反射法地震探査における基本的な処理を行い、地層等の水底下構造の断面図を示す受振データを作成する（ステップＳ１０）。なお、説明の便宜上、ステップＳ１０の処理によって得られた受振データから、反射面Ａ１としての水底下に地層Ａ、地層Ｂ及び地層Ｃ（図５（ｃ）参照）が確認されたものと仮定する。反射面Ａ１は、水と水底の境界面である。また、地層Ａと地層Ｂの境界面に相当する音波５の反射面をＢ１、地層Ｂと地層Ｃの境界面に相当する音波５の反射面をＣ１で表す。つまり、反射面とは、水と地層（水底）の境界面、或いは、地質の異なる２つの地層間の境界面である。

【0021】

図５（ａ）は、ステップＳ１０の処理によって得られた反射面Ａ１（水底）下の構造を示す断面図４０Ａである。断面図４０Ａは、水底である反射面Ａ１及び水底下の２本の反射面Ｂ１、Ｃ１に加え、疑似水底である疑似反射面Ａ２及び疑似水底下の２本の疑似反射面Ｂ２、Ｃ２を示している。

【0022】

断面図４０Ａを示す受振データを取得するために用いられた震源１１は、水深Ｄ１（図１参照）に配置されている。この水深Ｄ１は、後述の水面反射波による影響が無視できない程度に、水面２に対して十分深い。この場合、図６（ａ）に示すように、受振器１３は、震源１１から地層Ａ（Ｂ、Ｃ）に直接到達した音波の反射波（便宜上、直達波６と称する）を受振する。更に、図６（ｂ）に示すように、受振器１３は、震源１１から水面２での反射を経て、地層Ａ（Ｂ、Ｃ）に到達した（即ち、震源１１の水深Ｄ１の２倍の距離に相当する時間だけ遅延した）音波５の反射波（便宜上、水面反射波７と称する）も受振する。その結果、断面図４０Ａには、直達波の反射面Ａ１、Ｂ１、Ｃ１が現れるだけでなく、水面反射波の反射面である疑似反射面Ａ２、Ｂ２、Ｃ２が現れる。つまり、受振データは異なる深度に現れ且つ同一の地層を示す成分を含んでおり、この水面反射波の影響を除去することが必要となる。

【0023】

そこで、ステップＳ２０では、直達波６を、音波５が水中において震源１１の水深Ｄ１の２倍の距離を進行する時間ｑ_１（図５（ｂ）参照）だけ、時間軸の進行方向に仮想的に伝播させ、更に、その振幅を受振データに示された音波５の水面反射波７の振幅に近付けるように補正することによって疑似水面反射波を算出する。

【0024】

疑似水面反射波は、例えば次の演算によって得られる。まず、受振データの波動場Ｑに対して下方（即ち時間軸の進行方向）への伝播処理を行う。例えば、次の式（１）

【数1】

を受振データの波動場Ｑに適用し、Δｚ = ｑ_１＊ｖ分、下方へと伝播させることで、直達波成分から疑似水面反射波を形成する。式（１）はClaerbout (Claerbout J. F., Imaging the Earth's Interior, Blackwell Scientific Publications, 1985, p.88)によるWave-Extrapolation の１５°の公式であり、ｖは水中の音速、ωは角周波数である。

【0025】

次に、受振データから水面反射波成分を除去する（ステップＳ３０）。具体的には、受振データから、ステップＳ２０で得られた疑似水面反射波に相当する成分を減じる。例えば、例示した上述の演算に引き続き、疑似水面反射波を用いた畳み込み行列Ｄ´を用いて、以下の式（２）により、受振データから水面反射波７の成分を分離し、直達波６の成分のみの受振データＰ´を求める。

【数2】

ここでｆ´は 疑似水面反射波の振幅を補正するための予測フィルターを示す。本実施形態では、予測フィルターｆ´を最適化するためにFISTA (Fast Iterative Shrinkage Thresholding Algorithm)を採用し、式（３）で示されるLASSO (Least Absolute Shrinkage and Selection Operator)を満たすものを求める。

【数3】

ここで、||・||nはｌｎノルムを、λは正則化パラメータを示す。式（３）に近接勾配法を適用することで、ｆ´を導出する。導出されたｆ´を式（２） に代入し計算を行い、直達波６の成分のみの受振データＰ´の断面図（図５（ｃ）参照）を得ることができる。

【0026】

図５（ｂ）は、疑似水面反射波の成分に基づく断面図４０Ｂである。この図に示すように、受振データからステップＳ２０の処理を行うことによって、予測フィルターによって補正された疑似水面反射波の成分のみを示す断面図が得られる。更に、ステップＳ３０の処理を行うことにより、図５（ｂ）に示す断面図の成分が、図５（ａ）に示す断面図４０Ａの成分から減じられ、最終的に、図５（ｃ）に示す、水面反射波７の成分の無い断面図４０Ｃが得られる。即ち、水面反射波７による影響を低減しＳ／Ｎ比を向上させた受振データを得ることができる。なお、演算手法は上述の波動場外挿法に限られず、ｔ秒後の波動場の状態を算術的にシミュレートできる周知の演算手法を適用できる。周知の演算手法としては、例えば、上述したClaerbout による45°の公式やGazdagによる波動場外挿法（J. Gazdag, Modeling of the acoustic wave equation with transform methods, Geophysics, Vol. 46(6), pp. 854-859）、時間領域有限差分法（FDTD法）又は有限要素法等が挙げられる。

【0027】

なお、元の受振データに示された水面反射波７を、音波５が水中において震源１１の水深Ｄ１の２倍の距離に相当する（当該距離を進行する）時間ｑ_１だけ、時間軸の進行方向と逆方向に仮想的に伝播させ、更に、その位相を反転させることによって疑似直達波を算出し（ステップＳ４０）、当該疑似直達波を示すデータを、疑似水面反射波に相当する成分が減じられた受振データ（即ちステップＳ３０の処理を経た受振データ）に加算（ステップＳ５０）してもよい。

【0028】

即ち、ステップＳ４０及びＳ５０の処理によって、水面反射波７を、断面図を示す受振データから除去されるノイズとして扱う代わりに、直達波と同様に断面図を示す成分として活用する。

【0029】

水面反射波７による受振データは、水面２に対して震源１１と鏡像の位置にある仮想的な震源１１(以下、鏡像震源１１Ｖと称する)による受振データとみなすことができる（図６（ｂ）参照）。そこで、鏡像震源１１Ｖによる受振データを直達波６による受振データに加算する。換言すれば、実際の震源１１と鏡像震源１１Ｖを用いて地震探査を行う場合と同等の受振データを一台の震源で取得できる。

【0030】

ステップＳ４０及びＳ５０の処理については、具体的には次の演算を行う。
水面反射波７による受振データ、つまり鏡像震源１１Ｖによる受振データは、元の受振データｄとステップＳ３０で求めた直達波６の成分のみの受振データＰ´を用いることで、（４）式から求めることができる。

【数4】

【0031】

水面反射波７は直達波６よりも時間ｑ_１だけ遅れている（図５（ｂ）参照）。そこで、水面反射波７による受振データの波動場Ｒに対して時間ｑ_１だけ上方（即ち、時間軸の進行方向と逆方向）への伝播処理を行う。つまり、両音波の伝播経路の違いから生じる実際の探査結果と鏡像震源１１Ｖによって得られる受振データとの間の差異に起因する補正を、水面反射波７に対して行う。ステップＳ２０では波動場Ｑを下方に伝播させるために式（１）を用いた。これに対して、上方伝播処理では、上述の式（１）を用いた下方伝播処理と同様に、例えば式（５）を用いることによって、波動場Ｒを上方へ伝播させ、疑似直達波を得る。

【数5】

疑似直達波（即ち、補正された水面反射波７）が示す受振データは、精度よく直達波を示す受振データと足し合わせることができる。ただし、上方伝播処理も式（１）を用いた演算に限られず、下方伝播処理に適用できる種々の演算を適用できる。

【0032】

なお、震源１１の運用深度が深くなるにつれて鏡像震源１１Ｖは水面２から上方に遠ざかり、鏡像震源１１Ｖからの信号強度が低下する。一方、実際の震源１１からの信号強度は上昇する。

【0033】

図７は、震源１１の運用深度（水深）と信号強度の関係を示すグラフである。横軸は震源１１の運用深度を、縦軸は震源から発震された音波の水深７５０ｍでの信号強度の計算値を示す。白丸を結ぶ実線は直達波６によって得られる反射波の信号強度を示す。黒丸を結ぶ点線は、水面反射波７によって得られる反射波の信号強度を示す。黒丸を結ぶ実線は、これらの信号強度の合計を示す。

【0034】

図７から理解される通り、震源１１の運用深度が深くなるにつれ、水面反射波７、即ち鏡像震源１１Ｖからの信号強度(図中橙点線)は水底から遠ざかるために弱くなる。これとは逆に、実際の震源１１からの信号強度は震源１１が水底３に近づくために強くなる。その証左として、図７は、震源１１の運用深度が深くなるにつれて、信号強度が上昇し、水面反射波７の利用による効果は、震源１１の運用深度が５０ｍのときは約５ｄＢの信号強度の上昇、２２５ｍのときは約２ｄＢの信号強度の上昇を示している。

【0035】

震源１１として振動板等を備えた低周波発生装置を用いる場合、当該震源１１は、スウィープ波のように比較的出力時間の長い音波を出力する。このような音波は、エアガンから得られるインパルス波と比較して、単位時間当たりの音圧エネルギーが小さい。しかしながら、本実施形態によれば震源１１の運用深度を深くすることにより、低周波発生装置のような音圧エネルギーが小さい震源でも十分な信号強度を得ることができ、受振データのＳ／Ｎ比を向上させることができる。この場合、音圧エネルギーが低減されるため、水底探査システムのエネルギー消費を減らしつつ、海洋哺乳類の生態環境などの海洋環境への悪影響を低減することもできる。

【0036】

また、水面反射波７の位相は直達波６に対して反転している。従って、水底３に進行する直達波６に対して水面反射波７が干渉し、特定の周波数成分とその整数倍の周波数成分が弱まる現象（所謂ノッチ）が発生する。この傾向は、震源１１の運用深度が深くなるほど、顕著となる。しかしながら、本実施形態によれば、受振データを水面反射波７による成分と直達波６による成分に分離した上で、両者の位相を一致させて加算するため、上述の干渉によって弱まった周波数成分を回復させることができる。

【0037】

図８は、元の受振データの周波数スペクトル（点線）と、元の受振データに対して本実施形態に係る処理を行った受振データの周波数スペクトル（実線）を示す図である。このときの震源１１の運用深度は５０ｍである。図中の矢印は、上述のノッチの影響が表れる周波数を示す。この図に示すように、本実施形態によれば、上述のノッチの影響を除去でき、受振データのＳ／Ｎ比を向上させることができる。

【0038】

（第２実施形態）
次に本開示の第２実施形態について説明する。なお、本実施形態の説明において、第１実施形態と重複する事項については同一の符号を付し、その説明を省略する。図９は、本実施形態に係る水底探査システム１０を示す概略構成図である。図１０は、経路長の違いによる音波の受振時間の変化を説明するための図である。図１１及び図１２は、受振データの処理方法を示すフローチャートである。

【0039】

図９に示すように、第２実施形態に係る水底探査システム１０の構成は、第１実施形態に係る水底探査システム１０の構成と同一である。

【0040】

説明の便宜上、図９に示すように、第１実施形態の説明で述べた直達波６を直達波ＤＷ、第１実施形態の説明で述べた水面反射波７を第１水面反射波ＲＷ１と称する。第１実施形態と同様に、受振器１３は、直達波ＤＷ（直達波６）及び第１水面反射波ＲＷ１（水面反射波７）を受振する。上述の通り、第１水面反射波ＲＷ１は、震源１１の水深Ｄ１の２倍の距離に相当する時間ｑ_１だけ遅れて受振される。

【0041】

第２実施形態では、直達波ＤＷと第１水面反射波ＲＷ１に加え、受振器１３に到達する第２水面反射波ＲＷ２と第３水面反射波ＲＷ３も、後述の演算処理に使用する。図９に示すように、第２水面反射波ＲＷ２は、直達波ＤＷとして進行し更に水面２で反射した音波であり、第３水面反射波ＲＷ３は、水面反射波ＲＷ１として進行し更に水面２で反射した音波である。

【0042】

第２水面反射波ＲＷ２の経路長は、直達波ＤＷの経路長よりも長い。また、第３水面反射波ＲＷ３の経路長は、第２水面反射波ＲＷ２の経路長よりも長い。つまり、垂直往復の時間軸において、各音波は互いにずれている。

【0043】

従って、受振器１３で取得された音波の信号データには、直達波ＤＷ（直達波６）及び第１水面反射波ＲＷ１（水面反射波７）の各成分に加え、第２水面反射波ＲＷ２と第３水面反射波ＲＷ３の各成分が独立に示される。

【0044】

例えば図１０に示すように、直達波ＤＷが時間ｑ_０に出現したとする。第１水面反射波ＲＷ１は第１実施形態の水面反射波７であり、震源１１から出力され、水面２で反射し、反射面で反射することによって、直達波ＤＷに対して時間ｑ_１だけ遅延した音波である。

【0045】

第２水面反射波ＲＷ２は、震源１１から出力され、反射面で反射し、更に水面２で反射することによって、受振器１３の水深Ｄ２の２倍の距離に相当する（当該距離を進行する）時間ｑ_２だけ遅延した音波である。換言すれば、第２水面反射波ＲＷ２は、直達波ＤＷとして進行し、その後、水面２で反射した音波である。従って、第２水面反射波ＲＷ２は、直達波ＤＷに対して時間ｑ_２だけ遅れて出現する。

【0046】

第３水面反射波ＲＷ３は、震源１１から出力され、水面２で反射し、反射面で反射し、更に水面２で反射することによって、震源１１の水深Ｄ１の２倍の距離に相当する（当該距離を進行する）時間ｑ_１と受振器１３の水深Ｄ２の２倍の距離に相当する（当該距離を進行する）時間ｑ_２だけ遅延した音波である。換言すれば、第３水面反射波ＲＷ３は、第１水面反射波ＲＷ１として進行し、その後、水面２で反射した音波である。従って、第３水面反射波ＲＷ３は、直達波ＤＷに対して時間ｑ_１と時間ｑ_２の和だけ遅れて出現する。なお、時間ｑ_１と時間ｑ_２の大小関係は、震源１１の水深Ｄ１と受振器１３の水深Ｄ２の大小関係に従う。

【0047】

このように、受振器１３の水深Ｄ２が、直達波ＤＷ、第１水面反射波ＲＷ１、第２水面反射波ＲＷ２及び第３水面反射波ＲＷ３の計４種類の音波を検出可能な水深である場合、これらの音波は同一の反射面を示す一方、異なる時間に受振される。従って、受振データは、４つの異なる深度に現れ且つ同一の地層を示す成分を含んでおり、各水面反射波の影響を除去することが必要となる。

【0048】

そこで本実施形態では、各水面反射波を用いて第１実施形態と同様のステップＳ１０からステップＳ３０までの処理を行う（図３参照）。具体的には、受振データを作成し（ステップＳ１０）、その後、ステップＳ２０の演算処理を行う。ステップＳ２０では、直達波ＤＷ（直達波６）と第１水面反射波ＲＷ１（水面反射波７）から疑似水面反射波（以下、第１疑似水面反射波と称する）を算出する（ステップＳ２１）。更に、直達波ＤＷと第２水面反射波ＲＷ２を用いて第２疑似水面反射波を算出し（ステップＳ２２）、直達波ＤＷと第３水面反射波ＲＷ３を用いて第３疑似水面反射波を算出する（ステップＳ２３）。

【0049】

例えば、第１疑似水面反射波を得る場合は、直達波ＤＷを、音波５が水中において震源１１の水深Ｄ１の２倍の距離を進行する時間ｑ_１だけ、時間軸の進行方向に仮想的に伝播させ、更に、その振幅を受振データに示された音波５の第１水面反射波ＲＷ１の振幅に近付けるように補正することによって第１疑似水面反射波を算出する。第１疑似水面反射波は、第１実施形態の説明で述べた疑似水面反射波である。従って、上述の式（１）を受振データの波動場Ｑに適用し、Δｚ = ｑ_１＊ｖ分、下方へと伝播させることで、直達波ＤＷの成分から第１疑似水面反射波を形成できる。

【0050】

同様に、第２疑似水面反射波を得る場合は、直達波ＤＷを、音波５が水中において受振器１３の水深Ｄ２の２倍の距離を進行する時間ｑ_２だけ、時間軸の進行方向に仮想的に伝播させ、更に、その振幅を受振データに示された音波５の第２水面反射波ＲＷ２の振幅に近付けるように補正することによって第２疑似水面反射波を算出する。従って、上述の式（１）を受振データの波動場Ｑに適用し、Δｚ = ｑ_２＊ｖ分、下方へと伝播させることで、直達波ＤＷの成分から第２疑似水面反射波を形成できる。

【0051】

同様に、第３疑似水面反射波を得る場合は、直達波ＤＷを、音波５が水中において震源１１の水深Ｄ１の２倍の距離と受振器１３の水深Ｄ２の２倍の距離を進行する時間ｑ_２だけ、時間軸の進行方向に仮想的に伝播させ、更に、その振幅を受振データに示された音波５の第３水面反射波ＲＷ３の振幅に近付けるように補正することによって第３疑似水面反射波を算出する。従って、上述の式（１）を受振データの波動場Ｑに適用し、Δｚ =（ｑ_１＋ｑ_２）＊ｖ分、下方へと伝播させることで、直達波ＤＷの成分から第３疑似水面反射波を形成できる。

【0052】

更に、ステップＳ３０の演算処理として、受振データから第１疑似水面反射波、第２疑似水面反射波および第３疑似水面反射波のそれぞれに相当する成分を除去する（ステップＳ３１～Ｓ３３）。例えば、例示した上述の演算に引き続き、第１疑似水面反射波を用いた畳み込み行列Ｄ´を用いて、上述の式（２）により、受振データから第１～第３水面反射波ＲＷ１、ＲＷ２、ＲＷ３の各成分を分離し、直達波ＤＷの成分のみの受振データＰ´を求める。

【0053】

図１３は、受振データによって得られる断面図の一例とその処理を説明するための図である。図１３（ａ）は、ステップＳ１０の処理によって得られた反射面Ａ１（水底）下の構造を示す断面図５０Ａである。断面図５０Ａは、水底である反射面Ａ１に加え、疑似水底である第１疑似反射面Ａ２、第２疑似反射面Ａ３及び第３疑似反射面Ａ４を示している。また、断面図５０Ａは、水底下の２本の反射面Ｂ１に加え、疑似水底下の第１疑似反射面Ｂ２、第２疑似反射面Ｂ３及び第３疑似反射面Ｂ４を示している。更に、断面図５０Ａは、水底下の２本の反射面Ｃ１に加え、第１疑似反射面Ｃ２、第２疑似反射面Ｃ３及び第３疑似反射面Ｃ４を示している。反射面Ａ１、Ｂ１、Ｃ１は直達波ＤＷによって示される。第１疑似反射面Ａ２、Ｂ２、Ｃ２は、第１水面反射波ＲＷ１によって示される。第２疑似反射面Ａ３、Ｂ３、Ｃ３は、第２水面反射波ＲＷ２によって示される。第３疑似反射面Ａ４、Ｂ４、Ｃ４は、第３水面反射波ＲＷ３によって示される。

【0054】

受振データに対してステップＳ２０とステップＳ３０の処理を行うことによって、予測フィルターによって補正された第１～第３疑似水面反射波の各成分が図１３（ａ）に示す断面図５０Ａの成分から減じられ、最終的に、図１３（ｂ）に示す、第１～第３水面反射波ＲＷ１、ＲＷ２、ＲＷ３の各成分の無い断面図５０Ｂが得られる。即ち、第２及び第３水面反射波ＲＷ２、ＲＷ３の影響が現れる水深Ｄ２に受振器１３を配置しても、第１～第３水面反射波ＲＷ１、ＲＷ２、ＲＷ３による影響が低減され、Ｓ／Ｎ比が向上した受振データを得ることができる。

【0055】

また、本実施形態では、受振器１３（ストリーマケーブル１４）を水面２から十分に離れた水深の位置に配置できる。一般的なストリーマケーブルは全長が数百ｍから数ｋｍにも及ぶ。このような全長の長いストリーマケーブルが水面近傍で牽引されている場合、ストリーマケーブル周囲の水域における船舶の航行が制限され、ストリーマケーブル自体も損傷が懸念される。しかしながら、本実施形態によれば、十分深い水深にストリーマケーブル１４を配置することができる。従って、船舶との干渉を回避しつつ、推定探査を遂行することができる。

【0056】

図１４は、受振データの処理方法を示すフローチャートである。図４に示す第１実施形態の演算処理と同じく、本実施形態においても、第１～第３水面反射波ＲＷ１、ＲＷ２、ＲＷ３を、受振データから除去されるノイズとして扱う代わりに、直達波と同様に断面図を示す成分として活用してもよい。即ち、ステップＳ４０の演算処理としてステップＳ４１～Ｓ４３の処理を行い、ステップＳ５０の演算処理としてステップＳ５１の処理を行う。

【0057】

まず、第１水面反射波ＲＷ１を、音波５が水中において震源１１の水深Ｄ１の２倍の距離に相当する（当該距離を進行する）時間ｑ_１だけ、時間軸の進行方向と逆方向に仮想的に伝播させ、更に、その位相を反転させることによって第１疑似直達波を算出する（ステップＳ４１）。これは、第１実施形態の水面反射波７に対する演算処理と同一である。

【0058】

次に、第２水面反射波ＲＷ２を、音波５が水中において受振器１３の水深Ｄ２の２倍の距離に相当する（当該距離を進行する）時間ｑ_２だけ、時間軸の進行方向と逆方向に仮想的に伝播させ、更に、その位相を反転させることによって第２疑似直達波を算出する（ステップＳ４２）。即ち、第１実施形態のステップＳ４０において、水面反射波７を第２水面反射波ＲＷ２に置き換え、時間ｑ_１を時間ｑ_２に置き換える。

【0059】

更に、第３水面反射波ＲＷ３を、音波５が水中において震源１１の水深Ｄ１の２倍の距離に相当する（当該距離を進行する）時間ｑ_１と受振器１３の水深Ｄ２の２倍の距離に相当する（当該距離を進行する）時間ｑ_２だけ、時間軸の進行方向と逆方向に仮想的に伝播させることによって第３疑似直達波を算出する（ステップＳ４３）。即ち、第１実施形態のステップＳ４０において、水面反射波７を第３水面反射波ＲＷ３に置き換え、時間ｑ_１を時間ｑ_１と時間ｑ_２の和に置き換える。但し、第３水面反射波ＲＷ３は、第１及び第２水面反射波ＲＷ１、ＲＷ２と異なり、直達波ＤＷと同位相であるため、反転処理は行わない。

【0060】

その後、第１～第３疑似直達波のそれぞれを示すデータを、第１～第３疑似水面反射波のそれぞれに相当する成分が減じられた受振データ（即ちステップＳ３０（Ｓ３１～Ｓ３３）の処理を経た受振データ）に加算する（ステップＳ５１）。

【0061】

第１～第３疑似直達波の加算により、第１実施形態と同様の効果が得られる。即ち、震源１１の運用深度を深くすることにより、そのような音圧エネルギーが小さくとも、地震探査において十分な信号強度を得ることができる。また、上述したノッチの影響を低減できる。これにより、受振データのＳ／Ｎ比を向上させることができる。

【0062】

本開示によれば、水底探査における音圧エネルギーの抑制によって、海洋の生態系への悪影響を低減することができるため、例えば、国際連合が主導する持続可能な開発目標（ＳＤＧｓ）の目標１４「持続可能な開発のために海洋・海洋資源を保全し、持続可能な形で利用する。」に貢献することができる。

【0063】

なお、本開示は上述の実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含む。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】