JP2017502268A - 監視される場所の断層の幅を測定するシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、地震学及び火山学の分野、特に、「不安定な場所」と呼ばれる問題になっている場所の監視に関し、より具体的には、こうした場所における断層の監視に関する。この点において、本発明は特に、監視される場所に配置される反射アセンブリに関し、この場所は観察点から監視され、該観察点から電磁波が反射アセンブリに向けて向けられる。本発明はさらに、上記反射アセンブリによって場所を監視する方法に関する。

Description

本発明は、地震学及び火山学の分野、特に、「不安定な場所」として知られる場所の監視に関し、より具体的に、こうした場所の断層の監視に関する。

「不安定」であると言われる場所は、土地区域が自然のままであるか否かに関して、変更の対象（object）をある時間にわたり形成する土地区域であり、これら変更は、大規模な運動（例えば、地面のひび割れ）、又は、これらがある時間にわたり又は上記区域のうちいくらかの部分において局所化されているかどうか（例えば、落石）に対応する。

従来、光ファイバ破断検出器、又は有線の距離計タイプのユニット（伸縮計、ひび割れ計、傾斜計等）が、不安定な場所を監視するために使用されている。

しかしながら、こうした監視手法は、監視されるすべてのポイントがアクティブな装置を装備される必要があるので、あまり満足のいくものではない。

種々の構成におけるＧＰＳ無線ローカライゼーションシステムがさらに使用されてもよい。

ここで、上記もまた、ローカルの電源を必要とするアクティブ装置である。

上記の欠点を直すために、文献ＥＰ０８１１８５４は、監視されるべき不安定な場所に配置される反射アセンブリに関連付けられたレーダ波を用い、特に断層の広がり（あるいはさもなければ、地勢又は芸術品（work of art）の移動）を監視するための方法及び装置を提案している。上記アセンブリは、平面鏡を含む、監視されるべき断層のいずれかの側に置かれる３つの反射要素を含み、該反射要素は、他の反射要素から起こる波を正しく反射するように、正確に方向づけられなければならない。

しかし、この手法は欠点を有する。上記手法は、断層の運動の横断の（transverse）測定のみ可能にし、方向づけ誤差を回避するために断層のいずれかの側に正確に置かれる反射要素を必要とする。

本発明は上記欠点を克服することを提案し、この目的のために、第１の態様に従い、監視される場所に配置されるように設計された反射アセンブリを提案する。上記場所は観察点から監視され、上記観察点から電磁波が当該反射アセンブリに向けて向けられ、当該反射アセンブリは、
三面反射器と二面偏向器とを含む第１のユニットであって、上記三面反射器は頂点を含む、第１のユニットと、
頂点を含む第１の三面反射器を含む第２のユニットと、
を含み、
上記第１及び第２のユニットは、上記第１のユニットの上記三面反射器が、上記観察点から受信された電磁波を上記観察点に向けて反射し、上記二面偏向器が、上記観察点から起こり、上記二面偏向器によって上記第２のユニットの上記第１の三面反射器に向けて偏向させられた後、上記第２のユニットの上記第１の三面反射器から受信される電磁波を、上記観察点に向けて偏向させるように、互いに対して配置される。

上記反射アセンブリは、頂点を含む第２の三面反射器を含むことができ、上記第２のユニットは、上記第２の三面反射器が、観察点から受信される入射電磁波をその入射の方向に直接反射するように、適合される。

第２の態様に従い、本発明は、本発明の第１の態様に従う反射アセンブリによって場所を監視する方法を提案し、上記方法は、
‐ 上記場所が監視される観察点に配置された電磁波の送信／受信ユニットによって、上記反射アセンブリに向けて電磁波を送信するステップと、
‐ 上記送信／受信ユニットによって、上記第１及び第２のユニットにより反射される電磁波を捕捉するステップと、
‐ 捕捉された上記の波を処理して、該波から第１の光学経路及び第２の光学経路の長さを推論するステップと、
‐ 結果として生じる光学経路の長さから、上記第１のユニットの上記三面反射器の頂点と上記第２のユニットの上記第１の三面反射器の頂点との間の距離を決定するステップであって、上記距離は、監視される上記場所の特性である、ステップと、
を含む。

本発明の第２の態様による方法は、有利には、単独で又は技術的にあり得る組み合わせのうち任意のものにおいてとられる、下記の特性によって完成される：
‐ 観察点と上記第１のユニットの上記反射器の頂点との間の距離が、上記光学経路の長さから決定される；
‐ 上記第２のユニットは、頂点を含む第２の三面反射器を含み、上記の捕捉された波は、該波から第３の光学経路の長さを推論して観察点と上記第２のユニットの上記第２の反射器の頂点との間の距離を決定するように処理される；
‐ 上記第１及び第２のユニットにより反射される電磁波は、推定された距離のうち少なくとも１つの変動を推定し、及び、該電磁波から上記監視される場所の任意の運動を推論するように、上記送信／受信ユニットによっていくつかの瞬間において捕捉される；
‐ 電磁波の上記送信／受信ユニットはモノスタティックレーダであり、該電磁波から少なくとも第１の光学経路の長さ及び第２の光学経路の長さを推論するために、上記監視される場所の大きさ（dimensions）に対応する受信されたレーダエコーが、その到着の順に、上記監視される場所の観察の方向において、上記監視される場所の観察周波数帯域においてソートされる。

第３の態様によれば、本発明は、本発明の第１の態様に従う反射アセンブリと、電磁波の送信／受信ユニットと、本発明の第２の態様に従う方法を実行するように構成された処理ユニットと、を含む、場所の監視システムに関する。

第４の態様によれば、本発明は、プロセッサにより実行されるときに本発明の第２の態様に従う方法を実行するコード命令を含むコンピュータプログラム製品に関する。

本発明の多くの利点が存在する。

観察点から、断層の半径方向及び通常方向の双方において、同時的な測定値を取得することが可能である。

さらに、監視される場所における異なる要素の設置が、該要素がコンパクトであり、数が少なく、方向づけ誤差に対して耐性があるため、容易である。

本発明の他の特性、目的、及び利点が、下記の説明から明らかになる。該説明は限定ではなく単に例示であり、添付の図面と関連して考慮されなければならない。すべての図面において、同様の要素は同一の参照番号を有する。
本発明による場所の監視を例示する。 第１の又は第２の実施形態による場所を監視する方法のステップを例示する。

本明細書において、「三面反射器（trihedral reflector）」は、３つの平面を含み、三角形以外であり得る形態を有し、電磁波を反射し、直交する２×２の（orthogonal two by two）、及び頂点と呼ばれる点において組み合わせられた、反射器を意味することが明記される。

このタイプの三面反射器のよく知られる技術的効果は、入射光ビームを、該光ビームの入射の角度にかかわらず、その到着の方向に向けて反射することであり、このことは、入射光を、方向づけの不確実性に対してロバストにする。可視領域において、上記反射器は、逆反射器（retroreflector）と呼ばれる。延長線上で考えると、用語の三面反射器は、逆反射器と、技術的効果が同じであるところのルネベルグ（Luneberg）レンズとをさらにカバーする。

図１は、本発明による場所の監視を例示する。具体的に、この場所は、監視システムによって監視される断層（fault）Ｆを含み、上記監視システムは、反射アセンブリ１０と、電磁波の送信／受信ユニットＵ_Ｅ／Ｒとを含む。反射アセンブリ１０は、不安定な場所に対して位置づけられて、断層Ｆ（及び、特に、断層Ｆの幅）を監視する。

反射アセンブリは、断層Ｆの一方の側に配置された第１のユニット１と、断層Ｆの他方の側に配置された第２のユニット２とを含む。

上記場所は観察点Ｏから観察され、観察点Ｏには電磁波の送信／受信ユニットＵ_Ｅ／Ｒが配置され、送信／受信ユニットＵ_Ｅ／Ｒは、この場所の観察点Ｏから、反射アセンブリに向けて向けられた電磁波を送信するように構成される。観察点Ｏは、電磁波が送信される元の点に対して異なってもよいことが明記される。

送信／受信ユニットＵ_Ｅ／Ｒは、好ましくは、モノスタティックレーダである。具体的に、これは、２２ＧＨｚのオーダの送信周波数と８ＧＨｚのオーダの帯域幅とを有するブロードバンド送信である。これは、パラボラ反射器を有する１つ以上の送信及び受信アンテナを含む。各アンテナは、１．７°のオーダの３ｄＢにおける開き角度と、約３８ｄＢの利得とを有する。１ｋｍにおけるレーダにより照射される領域は、約３０ｍの直径を有する。ビューファインダーが、レーダを監視されるべき場所の方に向けるために使用される。

第１のユニット１は、頂点Ｓ１を含む三面反射器Ｒ１と、二面偏向器（dihedral deflector）Ｄ１とを含む。

第２のユニット２は、頂点Ｓ２を含む第１の三面反射器Ｒ２を含む。

第１のユニット１の三面反射器Ｒ１の頂点と第２のユニットの第１の三面反射器Ｒ２の頂点とは、参照点であり、第１のユニット１及び第２のユニット２が監視されるべき場所に配置されるときに、完全にローカライズされる（localised）。こうして、第１のユニット１の三面反射器Ｒ１の頂点と第２のユニット２の第１の三面反射器Ｒ２の頂点とは、断層Ｆのいずれかの側に位置付けられる。

断層Ｆの両側に、第１のユニット１と第２のユニット２とが構成され、三面反射器Ｒ１は、観察点Ｏに向けて直接、三面反射器Ｒ１が受信する電磁波を反射し、第１のユニット１の二面偏向器Ｄ１は、これを第２のユニット２の第１の反射器Ｒ２に向けて偏向させた後、第１の反射器Ｒ２から二面偏向器Ｄ１が受信する波を観察点Ｏに向けて偏向させる。

ゆえに、送信／受信ユニットＵ_Ｅ／Ｒから起こる電磁波は、反射アセンブリ１０に向けて向けられ、戻りにおいて、下記の光学経路を進んだ電磁波を生じさせる。

第１の光学経路Ｅ１は、送信／受信ユニットＵ_Ｅ／Ｒから起こる電磁波が、二面偏向器Ｄ１によって、第２のユニット２の第１の反射器Ｒ２に向けて偏向させられるものであり、第１の反射器Ｒ２は、二面偏向器Ｄ１に向けてビームを反射し、したがって、二面偏向器Ｄ１は同様にして、送信／受信ユニットＵ_Ｅ／Ｒに向けて上記ビームを偏向させる。

第２の光学経路Ｅ２は、送信／受信ユニットＵ_Ｅ／Ｒから起こる電磁波が、三面反射器Ｒ１によって、送信／受信ユニットＵ_Ｅ／Ｒに向けて反射されるものである。

二面偏向器Ｄ１の位置と三面反射器Ｒ１の位置とが知られていると仮定して、第１の光学経路Ｅ１及び第２の光学経路Ｅ２は、第１のユニット１の反射器Ｒ１の頂点Ｓ１と第２のユニット２の第１の反射器Ｒ２の頂点Ｓ２との間の距離ｄ_{Ｓ１−Ｓ２}を生じさせる。

第１のユニット１の反射器Ｒ１の頂点Ｓ１と第２のユニット２の第１の反射器Ｒ２の頂点Ｓ２との間の距離ｄ_{Ｓ１−Ｓ２}が断層Ｆに対して局所的に垂直であるように第１のユニット１と第２のユニット２とが置かれ、及び、場所の変形が断層の壁と壁とを離して広げる運動（movement）である事象において、第１のユニット１の反射器Ｒ１の頂点Ｓ１と第２のユニット２の第１の反射器Ｒ２の頂点Ｓ２との間の距離ｄ_{Ｓ１−Ｓ２}の変動の測定は、断層Ｆの幅における変動の直接の測定を提供する。

別の場合において、断層Ｆの幅における変動を推定することは、一方で、この変動の半径方向の（radial）成分、すなわち、第１のユニットの三面反射器の頂点Ｓ１の観察の方向（観察点Ｏと第１のユニット１の三面反射器の頂点Ｓ１との間でとられる方向）に従う成分を、及び、他方で、その横断の（transverse）成分を、すなわち、上記観察の方向に対して垂直である方向に従い、推定することを必要とする。

さらに、反射アセンブリ１０は、第２のユニット２が、第１の三面反射器Ｒ２とは別に、頂点Ｓ２’を含む第２の三面反射器Ｒ２’を含むものである。

したがって、反射アセンブリ１０に向けて向けられた、送信／受信ユニットＵ_Ｅ／Ｒから起こる電磁波は、戻りにおいて、第１の光学経路Ｅ１及び第２の光学経路Ｅ２とは別に、第３の光学経路Ｅ３を進んだ電磁波を生じさせることが可能であり、送信／受信ユニットＵ_Ｅ／Ｒから起こる電磁波は、第２のユニット２の第２の反射器Ｒ２’によって、送信／受信ユニットＵ_Ｅ／Ｒに向けて反射される。上記第３の光学経路Ｅ３の長さは、観察点Ｏと第２のユニット２の第２の反射器Ｒ２’の頂点Ｓ２’との間の距離を取得することを可能にする。

第２のユニット２の第２の三面反射器Ｒ２’によって、第１のユニット１の反射器Ｒ１の頂点Ｓ１と第２のユニット２の第１の反射器Ｒ２の頂点Ｓ２との間の距離ｄ_{Ｓ１−Ｓ２}の変動を、一方で上記距離ｄ_{Ｓ１−Ｓ２}の半径方向の変動に、及び、他方で第１のユニット１の反射器Ｒ１の頂点Ｓ１と第２のユニット２の第１の反射器Ｒ２の頂点Ｓ２との間の距離ｄ_{Ｓ１−Ｓ２}の横断の変動に、分解することが可能である。上記半径方向の変動は、観察点Ｏと第１のユニット１の三面反射器Ｒ１の頂点Ｓ１との間で測定される距離ｄ_Ｏ−Ｓ１と、観察点Ｏと第２のユニット２の第２の反射器Ｒ２’の頂点Ｓ２との間で測定される距離ｄ_{Ｏ−Ｓ２’}とにおける、差から算出される。上記横断の変動は、第１のユニット１の反射器Ｒ１の頂点Ｓ１と第２のユニット２の第２の反射器Ｒ２’の頂点Ｓ２’との間の距離ｄ_{Ｓ１−Ｓ２}の変動、及び、この距離の半径方向変動の変動から算出される。断層の方向づけに対する、第１のユニット１の反射器Ｒ１の頂点Ｓ１と第２のユニット２の第１の反射器Ｒ２の頂点Ｓ２との間の距離の方向づけを仮定して、上記第２の三面反射器の追加は、したがって、断層の壁距離の広がりを、これら壁の相対的な滑動から区別する。

反射アセンブリ１０とは別に、監視システムは、本明細書において図２に関連して以下に説明される不安定な場所を監視する方法を実行するように構成された処理ユニット２０を含む。

第１のステップ１００において、送信／受信ユニットＵ_Ｅ／Ｒから反射アセンブリ１に向けての電磁波が、観察点Ｏから送信される。

第２のステップ２００において、第１及び第２のユニットにより反射される電磁波が、送信／受信ユニットＵ_Ｅ／Ｒによって捕捉される。

第３のステップ３００において、捕捉された波が処理され、このことから、第１の光学経路Ｅ１及び第２の光学経路Ｅ２の長さが推論される（deduce）。

次いで、第４のステップ４００において、第１のユニット１の反射器Ｒ１の頂点Ｓ１と第２のユニット２の第１の反射器Ｒ２の頂点Ｓ２との間の距離ｄ_{Ｓ１−Ｓ２}が、一方で、第１の光学経路Ｅ１の長さからの第２の光学経路Ｅ２の長さによる減算から、及び、他方で、第１のユニット１の反射器Ｒ１の頂点Ｓ１の観察の方向に対する向きの知識と、第１のユニット１の反射器Ｒ１の頂点Ｓ１と第１のユニット１の偏向器Ｄ１との間の直線セグメントの長さの知識とから、決定される。上記距離ｄ_{Ｓ１−Ｓ２}は、監視される場所の特性である。

さらに、第２のユニットが、頂点Ｓ２’を含む第２の三面反射器Ｒ２’を含む場合、上記第２のステップ４の間に、観察点Ｏと第２のユニット２の第２の反射器Ｒ２’の頂点Ｓ２’との間の距離ｄ_{Ｏ−Ｓ２’}が、推定されることができる。

有利には、上記で取得される距離はいくつかの瞬間において決定され、電磁波の捕捉がいくつかの瞬間において発生して、ある時間にわたる距離ｄ_Ｏ−Ｓ１、ｄ_{Ｓ１−Ｓ２}、ｄ_{Ｏ−Ｓ２’}、ｄ_Ｏ−Ｓ２の変動が推定されて、このことから、監視される場所の任意の運動が推論される。

電磁波の送信／受信ユニットＵ_Ｅ／Ｒがモノスタティックレーダである事象において、このことから異なる光学経路を推論するために、受信されたレーダエコーが、その到着の順序にソートされ、反射アセンブリの異なる要素の位置を仮定して、これらの間の異なる光学経路を区別することが可能である。

具体的に、第２の光学経路Ｅ２及び第３の光学経路Ｅ３より長い、第１の光学経路Ｅ１は、レーダエコーに対応し、該レーダエコーは、その他のものの後に到着することになる。

以下にあるのは、電磁波の送信／受信ユニットＵ_Ｅ／Ｒがモノスタティックレーダである事象における、観察点Ｏと第１のユニット１の反射器の頂点Ｓ１との間の距離、又はさもなければ観察点Ｏと第２のユニット２の第２の反射器Ｒ２’の頂点Ｓ２’との間の距離の、決定の説明である。

１）反射器の距離が、送信に対する遅延に応じて受信される信号を解析することによって、概略的に示される。その精度は、送信されるパルスの継続時間に対して相当する（数十ナノ秒のオーダの継続時間のパルスについて、数メートルのオーダの）長さである。

２）合成されたパルス応答処理が、送信帯域のすべての周波数を通じて実行され、このことは、例えば、８ＧＨｚの帯域幅について、１８ｍｍのオーダの距離分解能（半径方向の、又は横断の）を生じさせることを可能にする。

３）超分解処理が、反射器によって、局所的な雑音を用いて実行され、このことは、逆拡散される（retrodiffused）信号のエネルギー比に依存する増加させた精度を有するエコーを位置づけることを可能にする。反射器は、上記比が十分に大きくなるように、特定の大きさに合わせられる（dimensioned）。この超分解処理は、例えば、当業者に伝統的に知られるＰＲＯＮＹ又はＢＵＲＧタイプのアルゴリズムを実施し、このことは、パルス応答の合成に使用される全体スペクトルの下位部分と上位部分との間の位相をずらすこと（dephasing）を利用する。モノスタティックレーダの場合、上記処理は、１乃至２ｍｍの距離推定精度を可能にする。

４）それから、逆拡散された信号の位相が解析され、これは、半波長（semi‐wavelength）（６ｍｍ）による距離における変動に関して、３６０°によって（by 360°）変動する。後半の処理は、測定をさらに精緻化して（ただし、信号／雑音比にリンクされた制限を有し）、最終的に０．０５ｍｍの距離推定精度を達成する。

Claims (9)

1. 監視される場所に配置されるように設計された反射アセンブリであって、前記場所は観察点から監視され、前記観察点から電磁波が当該反射アセンブリに向けて向けられ、当該反射アセンブリは、
   三面反射器と二面偏向器とを含む第１のユニットであって、前記三面反射器は頂点を含む、第１のユニットと、
   頂点を含む第１の三面反射器を含む第２のユニットと、
   を含み、
   前記第１及び第２のユニットは、前記第１のユニットの前記三面反射器が、前記観察点から受信された電磁波を前記観察点に向けて反射し、前記二面偏向器が、前記観察点から起こり、前記二面偏向器によって前記第２のユニットの前記第１の三面反射器に向けて偏向させられた後、前記第２のユニットの前記第１の三面反射器から受信される電磁波を、前記観察点に向けて偏向させるように、互いに対して配置される、
   反射アセンブリ。
2. 前記第２のユニットは、頂点を含む第２の三面反射器を含み、前記第２のユニットは、前記第２の三面反射器が、観察点から受信される入射電磁波をその入射の方向に直接反射するように、適合される、請求項１に記載の反射アセンブリ。
3. 請求項１又は２に記載の反射アセンブリによって場所を監視する方法であって、
   ‐ 前記場所が監視される観察点に配置された電磁波の送信／受信ユニットによって、前記反射アセンブリに向けて電磁波を送信するステップと、
   ‐ 前記送信／受信ユニットによって、前記第１及び第２のユニットにより反射される電磁波を捕捉するステップと、
   ‐ 捕捉された前記の波を処理して、該波から第１の光学経路及び第２の光学経路の長さを推論するステップと、
   ‐ 結果として生じる光学経路の長さから、前記第１のユニットの前記三面反射器の頂点と前記第２のユニットの前記第１の三面反射器の頂点との間の距離を決定するステップであって、前記距離は、監視される前記場所の特性である、ステップと、
   を含む方法。
4. 観察点と前記第１のユニットの前記三面反射器の頂点との間の距離が、前記光学経路の長さから決定される、請求項３に記載の方法。
5. 前記第２のユニットは、頂点を含む第２の三面反射器を含み、前記の捕捉された波は、該波から第３の光学経路の長さを推論して観察点と前記第２のユニットの前記第２の三面反射器の頂点との間の距離を決定するように処理される、請求項３又は４に記載の方法。
6. 前記第１及び第２のユニットにより反射される電磁波は、推定された距離のうち少なくとも１つの変動を推定し、及び、該電磁波から前記監視される場所の任意の運動を推論するように、前記送信／受信ユニットによっていくつかの瞬間において捕捉される、請求項３乃至５のうちいずれか１項に記載の方法。
7. 電磁波の前記送信／受信ユニットはモノスタティックレーダであり、該電磁波から少なくとも第１の光学経路の長さ及び第２の光学経路の長さを推論するために、前記監視される場所の大きさに対応する受信されたレーダエコーが、その到着の順に、前記監視される場所の観察の方向において、前記監視される場所の観察周波数帯域においてソートされる、請求項３乃至６のうちいずれか１項に記載の方法。
8. 請求項１又は２に記載の反射アセンブリと、電磁波の送信／受信ユニットと、請求項３乃至７のうちいずれか１項に記載の方法を実行するように構成された処理ユニットと、を含む、場所を監視するシステム。
9. プロセッサにより実行されるときに請求項３乃至７のうちいずれか１項に記載の方法を実行するコード命令を含むコンピュータプログラム。

Images