JP6420218B2 - 地中解析方法 - Google Patents

Description

本発明の一側面は、電磁波を用いて地中の対象物の分布を解析する地中解析方法に関する。

弾性波、電気、電磁波等を用いた一般的な非破壊検査の手法のうち、電磁波を用いる電磁波レーダ法は、最も高い分解能を有する。この電磁波レーダ法は、地盤、岩盤を対象とした地質調査、路面下空洞、埋設管、トンネル覆工背面空洞、コンクリート構造物内の鉄筋、部材厚、空洞等の様々な対象物の位置を調べる非破壊検査に利用される。

例えば、電磁波レーダ法を応用した地中の断面情報を得る方法として、下記特許文献１あるいは下記特許文献２に記載の方法が知られている。これらの方法においては、一対の送信アンテナ及び受信アンテナを２本のボーリング孔に挿入し、送信アンテナと受信アンテナとの間で送受信される電磁波の解析結果を基に断面情報を取得する。

特開平６−３２４１６２号公報 特開平７−２９４６６１号公報

しかしながら、上記特許文献１，２に記載の方法によれば、送信アンテナあるいは受信アンテナの位置を変えながら繰り返し解析処理を行わなければならないため、操作が煩雑である。

そこで、本発明は、かかる課題に鑑みて為されたものであり、地中の対象物の三次元分布の解析結果を簡易な操作で効率的に取得することが可能な地中解析方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一形態に係る地中解析方法は、電磁波を用いて地中の対象物の分布を解析する地中解析方法であって、地中あるいは地表に固定された送信アンテナ及び送信アンテナに接続された制御装置を用いて、所定の周波数範囲内の複数の周波数で連続的に発振する連続波である電磁波を発信する発信ステップと、地中の異なる位置に固定された３つ以上の受信アンテナ及び受信アンテナに接続された制御装置を用いて、電磁波を受信して受信アンテナごとの受信信号を検出する受信ステップと、制御装置を用いて、複数の周波数で発振する電磁波に対応した受信アンテナごとの受信信号を対象に逆フーリエ変換を実行することで、受信アンテナごとの受信信号のインパルス応答波形を算出し、受信アンテナごとのインパルス応答波形を基に地中の対象物の三次元分布を解析する解析ステップと、を備える。

上記形態の地中解析方法によれば、送信アンテナから送信された複数の周波数で連続的に発振する電磁波が、地中に固定された３つ以上の受信アンテナで受信され、制御装置を用いて、受信アンテナごとの受信信号を対象に逆フーリエ変換することで受信アンテナごとのインパルス応答波形を算出し、これらのインパルス波形を基に地中の対象物の三次元分布を解析する。これにより、送信アンテナ及び受信アンテナの位置を固定させたままで連続波を用いて地中の三次元分布を解析することができ、簡易な操作で効率的に解析結果を取得することができる。

電磁波の周波数範囲は、５０〜５００ＭＨｚであってもよいし、電磁波の周波数範囲は、１００ＭＨｚ〜１ＧＨｚであってもよい。このような周波数帯を利用することで、送信アンテナ及び受信アンテナの大きさを比較的小さくすることができるとともに、この周波数範囲の連続波を用いることで受信アンテナの感度の低下も防ぐことができる。

発信ステップでは、地中の対象物の周りの地盤条件に応じて、電磁波の発振する周波数範囲を変更する、ことが好適である。こうすれば、電磁波の地盤における減衰を小さくして解析結果の感度を高めることができる。

発信ステップでは、地中の解析対象の送信アンテナあるいは受信アンテナからの距離、あるいは地中の減衰特性に応じて、電磁波の発振する周波数範囲を変更する、ことも好適である。解析対象の距離が近い場合に解析結果における分解能を高めることができ、解析対象の距離が遠い場合に電磁波の減衰を小さくして解析結果の感度を高めることができ、地中の減衰特性に応じて分解能を高めることができる。

本発明の一側面によれば、地中の対象物の三次元分布の解析結果を簡易な操作で効率的に取得することができる。

本発明の好適な一実施形態に係る地中解析方法を実現するための解析システム１の概略構成を示すブロック図である。 （ａ）は、送信アンテナ５の外観構成を示す斜視図、（ｂ）は、送信アンテナ５の内部構成を示す斜視図である。 本発明の実施形態にかかる地中解析方法の手順を示すフローチャートである。 本発明の実施例において土槽中における送信アンテナ５及び受信アンテナ７の固定状態を示す平面図及び側面図である。 （ａ）は、図４の塩化ビニル管ＰＡによって土槽２３中に挿入された受信アンテナ７に対応して算出されたインパルス応答波形を示すグラフ、（ｂ）は、図４の塩化ビニル管ＰＢによって土槽２３中に挿入された受信アンテナ７に対応して算出されたインパルス応答波形を示すグラフである。 本発明の実施例において解析システム１によって得られた電磁波の反射強度の三次元分布の出力例を示す図である。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る地中解析方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

［システム構成及び地中解析方法の説明］
図１は、本発明の好適な一実施形態に係る地中解析方法を実現するための解析システム１の概略構成を示すブロック図である。図１に示す解析システム１は、電磁波を用いて地中の対象物の分布を解析するための装置である。この解析システム１は、例えば、地中の地質の評価、地中の水理構造の評価の他、山岳トンネルやダム等の工事における地中の地下水挙動の評価、止水注入工、グラウチング効果等の評価等に用いられる。

解析システム１は、制御装置３と１つの送信アンテナ５と３つ以上の受信アンテナ７を備えて構成される。以下、解析システム１の各構成要素の構成について説明する。

送信アンテナ５は、制御装置３に接続され、制御装置３からの給電により所定の周波数範囲内における連続波である電磁波を発信するためのものである。この送信アンテナ５は、解析時には解析対象物近くの地表あるいは地中に固定される。図２には、送信アンテナ５の構造の一例を示しており、図２（ａ）には、送信アンテナ５の外観構成を示し、図２（ｂ）には送信アンテナ５の内部構成を示している。このように、送信アンテナ５には、その内部に中空形状の真鍮製の導体９ａ，９ｂが一直線上に並んで設けられ、一方の導体９ｂの内側に導体９ａ，９ｂと制御装置３とを電気的に接続するための導線である同軸ケーブル１１が挿入されている。そして、この同軸ケーブル１１の一端は、バラン（平衡−不平衡変換器）１３を介して導体９ａ，９ｂに接続されている。さらに、送信アンテナ５には、導体９ａ，９ｂを外部から覆うように円筒状の塩化ビニル製の絶縁チューブ１５が設けられ、この絶縁チューブ１５の端部から同軸ケーブル１１の他端が引き出され、この同軸ケーブル１１の他端が制御装置３に電気的に接続される。このような送信アンテナ５のサイズは、例えば、送信される連続波である電磁波の周波数範囲が５０〜５００ＭＨｚの場合には、導体９ａ，９ｂの径が１０ｍｍでその長さが合わせて１００ｍｍ、及び絶縁チューブ１５の径が１８ｍｍ、その長さが１２０ｍｍである。また、送信される連続波の電磁波の周波数範囲が１００ＭＨｚ〜１ＧＨｚの場合には、導体９ａ，９ｂの径が１０ｍｍで長さが合わせて６０ｍｍ、及び絶縁チューブ１５の径が１８ｍｍ、長さが８０ｍｍである。このようなサイズに設定することにより、周波数範囲の下限の周波数においてもアンテナの利得を高めることができる。また、使用する電磁波をパルス波ではなく連続波としているので、小型の送信アンテナ５によっても、広い周波数帯で安定した波形を微小な電力で送信することができる。なお、この送信アンテナ５のサイズは、一例であり、使用される電磁波の周波数範囲に応じて様々に変更され得る。

受信アンテナ７は、制御装置３に接続され、送信アンテナ５から所定の周波数範囲の連続波である電磁波を受信することにより受信信号を検出および出力するためのものである。この受信アンテナ７は、解析中に少なくとも３つが解析対象物の近くの地中の異なる位置に固定される。受信アンテナ７の構造は、図２に示した送信アンテナ５の構造と同一である。このような受信アンテナ７のサイズは、同時に使用される送信アンテナ５のサイズと同一である。例えば、受信する連続波の電磁波の周波数範囲が５０〜５００ＭＨｚの場合には、導体９ａ，９ｂの径が１０ｍｍでその長さが合わせて１００ｍｍ、及び絶縁チューブ１５の径が１８ｍｍ、その長さが１２０ｍｍである。また、受信される連続波の電磁波の周波数範囲が１００ＭＨｚ〜１ＧＨｚの場合には、導体９ａ，９ｂの径が１０ｍｍでその長さが合わせて６０ｍｍ、及び絶縁チューブ１５の径が１８ｍｍ、その長さが８０ｍｍである。このようなサイズに設定することにより、周波数範囲の下限の周波数においてもアンテナの感度を高めることができる。また、使用する電磁波をパルス波ではなく連続波としているので、小型の受信アンテナ７によっても、広い周波数帯で安定した受信波形を検出することができる。なお、この受信アンテナ７のサイズは、一例であり、使用される電磁波の周波数範囲に応じて様々に変更され得る。ただし、受信アンテナ７は、送信アンテナ５のサイズと同一に設定することが受信信号の検出感度の点で有利である。

制御装置３は、機能的な構成要素として、信号処理部１７、ＴＲＴ解析部１９、及び解析結果表示部２１を備えている。ここで、制御装置３は、一体化された装置であってもよいし、一部の構成要素が別の装置で構成されていてもよい。例えば、制御装置３は、ネットワークアナライザ等の高周波回路にプロセッサ等の演算回路が内蔵されて構成されてもよいし、高周波回路とコンピュータ等の演算装置との組み合わせによって構成されてもよい。

制御装置３の信号処理部１７は、解析処理時に、地中あるいは地表に固定された送信アンテナ５から電磁波を送信するように、送信アンテナ５に高周波信号を供給する。具体的には、信号処理部１７は、予め設定された周波数範囲内においてステップ状で連続的に発振周波数が変更された高周波信号を生成し、その高周波信号を送信アンテナ５に供給する。例えば、設定された周波数範囲が５０〜５００ＭＨｚであった場合は、信号処理部１７は、所定の周期で５０ＭＨｚ、５０．５ＭＨｚ、５１ＭＨｚ、５１．５ＭＨｚ、…と発振周波数が連続的に変更された高周波信号を供給する。これにより、解析処理時に、送信アンテナ５からは、設定された周波数範囲内の複数の周波数（５０ＭＨｚ、５０．５ＭＨｚ、５１ＭＨｚ、５１．５ＭＨｚ、…）で連続的に発振する連続波である電磁波が送信される。

また、制御装置３の信号処理部１７は、送信アンテナ５への高周波信号の供給時に、同時に受信アンテナ７で検出される受信信号を増幅する。その際、信号処理部１７は、受信アンテナ７ごとの受信信号を、所定周波数範囲内で送信された電磁波の複数の周波数（例えば、５０ＭＨｚ、５０．５ＭＨｚ、５１ＭＨｚ、５１．５ＭＨｚ、…）ごとに検波することにより、その複数の周波数成分ごとに受信信号を抽出する。さらに、信号処理部１７は、受信アンテナ７ごとに生成された複数の周波数成分の受信信号を対象に逆フーリエ変換を実行することにより、受信アンテナ７ごとの受信信号のインパルス応答波形を算出する。そして、この受信アンテナ７ごとのインパルス応答波形をＴＲＴ解析部１９に出力する。ここで、受信信号の検波からインパルス応答波形の算出までの処理は、例えば、特開６−３２４１６２号公報に開示された「地中レーダトモグラフィ方法及び装置」の構成を利用することで実現されるが、この構成に限定されるものではない。

制御装置３のＴＲＴ解析部１９は、信号処理部１７から出力された受信アンテナ７ごとのインパルス応答波形を基にして、地中の対象物の三次元分布を解析する。この解析の方法としては、公知のＴＲＴ（Ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ Ｔｒａｃｉｎｇ）解析が適用される。このＴＲＴ解析は、従来から、複数のセンサを用いて観測した弾性波の反射波形からトンネル前方の地質境界位置を三次元的に予測する解析技術である（横田泰宏，山本拓治，名児耶薫，白鷺卓「無線式トンネル三次元反射法弾性波探査技術の開発」，岩盤力学に関するシンポジウム講演集，38th，pp.ROMBUNNO56，2009）。ＴＲＴ解析部１９は、受信アンテナ７ごとのインパルス応答波形を基にＴＲＴ解析を実行することにより地中の電磁波の反射強度（振幅）の三次元分布を算出し、解析結果表示部２１に出力する。制御装置３の解析結果表示部２１は、ディスプレイ、プリンタ等の出力装置であり、ＴＲＴ解析部１９により算出された電磁波の反射強度の三次元分布を、ディスプレイ上あるいは媒体上に出力する。

次に、上述した解析システム１を利用した地中解析方法の手順について、図３を参照しながら説明する。図３は、本実施形態にかかる地中解析方法の手順を示すフローチャートである。

最初に、ユーザによって制御装置３が操作されて地中の解析処理が開始されると、信号処理部１７の動作が開始され、設定された周波数範囲内での複数周波数の電磁波の送信アンテナ５からの発信が開始される（ステップＳ０１）。次に、信号処理部１７により、地中に埋設された複数の受信アンテナ７ごとに受信信号が検出される（ステップＳ０２）。

さらに、信号処理部１７により、受信アンテナ７ごとの受信信号が複数の周波数毎に検波されることにより複数の周波数成分ごとに受信信号が抽出され、それらの複数の周波数成分の受信信号を基に逆フーリエ変換が実行されることにより、複数の受信アンテナ７ごとのインパルス応答波形が算出される（ステップＳ０３）。次に、ＴＲＴ解析部１９により、受信アンテナ７ごとのインパルス応答波形を対象にＴＲＴ解析処理が実行されることにより、地中の電磁波の反射強度の三次元分布が算出される（ステップＳ０４）。最後に、算出された電磁波の反射強度の三次元分布は、解析結果表示部２１によってディスプレイ上あるいは媒体上に出力される（ステップＳ０５）。

［地中解析処理の実施例］

次に、解析システム１を用いた地中解析処理の実施例について説明する。

本実施例では、均質な珪砂を入れた円柱状の模擬土槽を用意し、この土槽に送信アンテナ５及び受信アンテナ７を配置して地中解析の処理の結果の正常性を確認した。土槽中の珪砂は水で締固め、締固め後は土槽の底板から排水を行い計測の初期状態とした。このような土槽中には、塩化ビニル管の側面に固定された受信アンテナ７を鉛直方向あるいは斜め方向に差し込むことによって受信アンテナ７を固定した。

図４には、本実施例において土槽中における送信アンテナ５及び受信アンテナ７の固定状態を示しており、同図中央には土槽の平面図、同図右側および下側には土槽の側面図を示している。土槽２３の大きさは、底面の径が２４０ｃｍ、側面の高さが８０ｃｍに設定され、送信アンテナ５が、土槽２３の表面、すなわち、表面からの距離ＧＬ＝０ｃｍの面の中心近傍に固定され、６個の受信アンテナ７が表面からの距離ＧＬ＝３０ｃｍの土槽２３中の異なる位置に固定された。具体的には、４個の受信アンテナ７が送信アンテナ５の周りを取り囲むように塩化ビニル管とともに土槽２３の表面に対して垂直方向に差し込まれて固定され、２個の受信アンテナ７が送信アンテナ５の両側において塩化ビニル管とともに互いに平行な方向、かつ、土槽２３の表面に対して斜め方向に差し込まれて固定された。

上記のように固定された送信アンテナ５及び受信アンテナ７と、それらに電気的に接続された制御装置３とを用いて、土槽２３中の対象物としての水面境界の三次元分布の解析処理を実行した。解析処理は、土槽２３中にＧＬ＝８０ｃｍ〜４５ｃｍの間の５ｃｍ間隔で水位が設定されるように注水を行いながらその都度行われた。図５（ａ）には、塩化ビニル管ＰＡによって土槽２３中に挿入された受信アンテナ７に対応して算出されたインパルス応答波形、図５（ｂ）には、塩化ビニル管ＰＢによって土槽２３中に挿入された受信アンテナ７に対応して算出されたインパルス応答波形をそれぞれ示している。これらのグラフにおいては、横軸に応答時間（ｎｓ）、縦軸に土槽２３表面からの水位の距離ＧＬ（ｃｍ）が示されている。これらの結果から、ＧＬ＝５０〜５５ｃｍに水面が存在する場合に水面からの反射波の応答波形（グラフ中の点線で囲んだ箇所）がはっきりと確認できた。また、図５（ａ）の点線の矢印に示すように、注水が進むにつれて水面より上の含水率の増加に起因した直達波（送信アンテナ５から受信アンテナ７に直接伝搬する電磁波に対応した応答波形）の時間遅れも見られる。

また、図６には、ＧＬ＝５０ｃｍに水面が存在していた場合に解析システム１によって得られた電磁波の反射強度の三次元分布の出力例を示している。同図に示す出力例では、土槽２３に対応した三次元座標において、送信アンテナ５の位置に対応する点Ｐ_０を通る互いに垂直な２つの鉛直面上での反射強度の分布を示している。この出力結果には、点Ｐ０の直下には、ＧＬ＝５０ｃｍの近傍の範囲Ａ_１に水面境界に対応した反射面が捉えられており、本実施例によって土槽２３中の対象物である水面の３次元イメージングを的確に実現できていることが分かった。範囲Ａ_１の周りの範囲Ａ_２、Ａ_３にも水面以外の反射面が現れているが、これは送信アンテナ及び受信アンテナの数による測定限界、土槽２３の側面や底板からの多重反射の影響等によるものと考えられ、実際の自然環境下での測定では測定精度に大きな影響を及ぼすものではないと考えられる。

以上説明した本実施形態の地中解析方法によれば、送信アンテナ５から送信された複数の周波数で連続的に発振する電磁波が、地中に固定された３つ以上の受信アンテナ７で受信され、制御装置３を用いて、受信アンテナ７ごとの受信信号を対象に逆フーリエ変換することで受信アンテナ７ごとのインパルス応答波形を算出し、これらのインパルス波形を基に地中の水面等の対象物の三次元分布を解析する。これにより、送信アンテナ５及び受信アンテナ７の位置を固定させたままで連続波を用いて地中の三次元分布を解析することができ、簡易な操作で効率的に解析結果を取得することができる。

また、送受信する電磁波の周波数範囲を、５０〜５００ＭＨｚ、１００ＭＨｚ〜１ＧＨｚ等の範囲に設定することにより、送信アンテナ５及び受信アンテナ７の大きさを比較的小さくすることができるとともに、この周波数範囲の連続波を用いることでサイズの小さい受信アンテナ７の検出感度の低下も防ぐことができる。その結果、地中の対象物の三次元分布の解析の精度を保つことができる。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。

上述した送信アンテナ５及び受信アンテナ７の大きさは上述した例には限定されず、送受信する電磁波の周波数範囲に応じて適宜変更してもよい。例えば、電磁波の周波数範囲の最低周波数に応じて送信アンテナ５及び受信アンテナ７の導体９ａ，９ｂの長さを設定してもよい。

また、送信アンテナ５及び受信アンテナ７の数も解析対象の地中の対象物の予想される範囲に応じて、適宜変更してもよい。例えば、対象物の範囲が広範囲に亘っていると予想される場合は、その範囲に応じて受信アンテナ７の数を多くして、受信アンテナ７の設置範囲を広げるようにしてもよい。

また、制御装置３によって設定される電磁波の周波数範囲は、解析対象の対象物の周りの地盤条件に応じて変更されてもよい。例えば、対象物の周りに硬岩が多い地層であると予想される場合には電磁波の周波数範囲を高周波側にシフトするように、例えば、１００ＭＨｚ〜１ＧＨｚの範囲に設定する。また、対象物の周りに軟岩が多い地層であると予想される場合には電磁波の周波数範囲を低周波側にシフトするように、例えば、５０〜５００ＭＨｚの範囲に設定する。つまり、解析対象の対象物の周りを伝搬する電磁波の周波数範囲を、その周りの地層がより硬い場合にはより高い周波数範囲に設定し、その周りの地層がより軟らかい地層の場合にはより低い周波数範囲に設定することができる。これにより、送受信される電磁波の発信周波数の範囲が地盤に応じて変更される結果、電磁波の地盤における減衰を小さくして解析結果の感度を高めることができる。

さらに、制御装置３によって設定される電磁波の周波数範囲は、解析対象の対象物の送信アンテナ５あるいは受信アンテナ７からの距離、あるいは地中の減衰特性に応じて変更されてもよい。例えば、アンテナが対象物から近いと予想される場合には電磁波の周波数範囲を高周波側にシフトするように、例えば、１００ＭＨｚ〜１ＧＨｚの範囲に設定する。また、アンテナが対象物から遠いと予想される場合には電磁波の周波数範囲を低周波側にシフトするように、例えば、５０〜５００ＭＨｚの範囲に設定する。これにより、送受信される電磁波の発信周波数の範囲が対象物のアンテナからの距離に応じて変更される結果、解析対象の距離が近い場合に解析結果における分解能を高めることができ、解析対象の距離が遠い場合に電磁波の減衰を小さくして解析結果の感度を高めることができる。また、対象物の周りの地層の地質等によって予想される電磁波の減衰特性に応じて電磁波の周波数範囲を設定してもよい。これにより、地中の減衰特性に応じて解析結果の分解能を高めることができる。

１…解析システム、３…制御装置、５…送信アンテナ、７…受信アンテナ、１７…信号処理部、１９…ＴＲＴ解析部、２１…解析結果表示部。

Claims (5)

1. 電磁波を用いて地中の対象物の分布を解析する地中解析方法であって、
   地中あるいは地表に固定された送信アンテナ及び前記送信アンテナに接続された制御装置を用いて、所定の周波数範囲内の複数の周波数で連続的に発振する連続波である電磁波を発信する発信ステップと、
   地中の異なる位置に固定された３つ以上の受信アンテナ及び前記受信アンテナに接続された前記制御装置を用いて、前記電磁波を受信して前記受信アンテナごとの受信信号を検出する受信ステップと、
   前記制御装置を用いて、前記複数の周波数で発振する前記電磁波に対応した前記受信アンテナごとの受信信号を対象に逆フーリエ変換を実行することで、前記受信アンテナごとの前記受信信号のインパルス応答波形を算出し、前記受信アンテナごとの前記インパルス応答波形を基に地中の対象物の三次元分布を解析する解析ステップと、
   を備える地中解析方法。
2. 前記電磁波の前記周波数範囲は、５０〜５００ＭＨｚである、
   請求項１記載の地中解析方法。
3. 前記電磁波の前記周波数範囲は、１００ＭＨｚ〜１ＧＨｚである、
   請求項１記載の地中解析方法。
4. 前記発信ステップでは、地中の前記対象物の周りの地盤条件に応じて、前記電磁波の発振する周波数範囲を変更する、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の地中解析方法。
5. 前記発信ステップでは、地中の解析対象の前記送信アンテナあるいは前記受信アンテナからの距離、あるいは地中の減衰特性に応じて、前記電磁波の発振する周波数範囲を変更する、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の地中解析方法。