JPH0194192A

JPH0194192A - ボアホールスキャナー

Info

Publication number: JPH0194192A
Application number: JP62251841A
Authority: JP
Inventors: Yunosuke Iizuka; 飯塚　友之助; Taku Ishii; 卓石井; Yoshihiro Takegawa; 武川　芳広; Yoshitaka Matsumoto; 松本　好高; Osamu Murakami; 治村上
Original assignee: Koa Corp; Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Current assignee: Koa Corp; Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Priority date: 1987-10-06
Filing date: 1987-10-06
Publication date: 1989-04-12
Anticipated expiration: 2012-12-24
Also published as: JP2694151B2

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】〔産業上の利用分野〕本発明は、ボアホール（本発明では、ポーリング孔、パ
イプ孔その他の孔をいう））内を昇降、移動するゾンデ
に内蔵されたスキャナーによって孔壁の観測を行うボア
ホールスキャナー（ボアホール孔壁観測装置）に関する
ものである。

〔従来の技術〕

ダムやトンネルなどの地下空洞を掘削する際には、建設
地点の地質調査を行い、設計に反映させるとともに採用
する施工法の選定や工事の進め方、安全対策などに万全
を期すことが必要である。このような場合の地質調査で
は、一般に岩盤の割れ目の方向、傾斜及び性状、さらに
は地層の方向及び傾斜を知ることが必要である。このた
め建設地点をポーリングしてコアを採取して観察する方
法や直接ボアホールの孔壁を観測する方法で調査が行わ
れている。直接ボアホールの孔壁を観測する方法では、
ボアホール・テレビ、ボアホール・ペリスコープ、ボア
ホール・カメラ、ボアホール・スキャナーなどの装置が
使用される。

第１０図は従来使用されていたボアホール・スキャナー
の具体的な構成例を示す図、第１１図は光ビームが走査
する孔壁展開面の軌跡を示す図である。図において、３
０は本体装置、３１はゾンデ３２を巻き上げるためのウ
ィンチ、３３は旋回用モーター、３４は方向計、３５と
４２はレンズ、３６はミラー、３７は光学ヘッド、３８
と４１はスリット、３９は光電変換器、４０はハーフ・
ミラー、４３は光源をそれぞれ示している。

第１０図において、本体装置３０は、ゾンデ３２内に設
けられた撮像手段により得られた信号を取り込み、デー
タ処理してボアホールの観測情報を生成するものであり
、ボアホール孔壁観測像のモニタ等を行うＣＲＴ、デー
タ処理装置（コンピュータ）、磁気テープ、フロッピィ
ディスクや、磁気ディスク等の記憶装置、プリンタ等の
出力装置を備えたものである。ゾンデ３２内には、同図
（ｂ）に示すように孔壁観察像を得るための撮像手段が
収納されていて、このゾンデ３２を昇降させるのがウィ
ンチ３１である。

ボアボールの中を上下動するゾンデ３２には、第１０図
（ｂｌに示すように方向計３４及びレンズ３５とミラー
３６とを備えた光学ヘッド３７が旋回用モーター３３に
連結されている。また、ハーフ・ミラー４０を通して、
この光学ヘッド３７に光ビームを送り出すための光源４
３と光ビーム作成のためのレンズ４２、スリット４１、
さらには光学ヘッド３７からの反射ビームを検出するた
めのスリット３８、光電変換器３９が設げられる。ごの
ような構成によって、光源４３からの光は、レンズ４２
、スリット４１でビーム状にし、ハーフ・ミラー４０、
ミラー３６、レンズ３５を通してボアホールの内壁に照
射される。そしてその反射ビームの強度は、レンズ３５
、ミラー３６、ハーフ・ミラー４０、スリット３８を通
して光電変換器３９で測定される。従って、旋回用モー
ター３３により光学ヘッド３７を旋回させなからゾンデ
３２を下降させると、第１１図に示すようなボアホール
の内壁スキャンＵが行われ、その反射ビームの強度に対
応する電気信号が光電変換器３９から得られることにな
る。

また、上記の如きハーフミラ−４０に代えて３角のミラ
ーを回転させ、この３角のミラーの一辺で光源からの光
を反射させて壁面を照射するようにし、その反射光を３
角の他の一辺で反射させて光電変換器に導くものも本願
の発明者等によって実用化されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上述のように従来のボアホール・スキャ
ナーによる孔壁観測は、メカニカルスキャン方式が採用
されているため、回転運動するメカニカルスキャン部に
問題がある。すなわち、メカニカルスキャン部は、旋回
用モーター３３、方向計３４及びレンズ３５とミラー３
６とを備えた光学ヘッド３７からなるが、これらは回転
運動するため消耗がはげしく交換、調整等のメンテナン
スに手間と費用がかかるという問題がある。

本発明は、上記の問題点を解決するのものであって、可
動部分がなく且つ高速で孔壁を観測することができるボ
アホールスキャナーの提供を目的とするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

そのために本発明のボアホールスキャナーは、孔内を昇
降、移動するゾンデに内蔵された撮像手段により孔壁を
連続撮影して孔壁の観察を行う孔壁観測装置であって、
壁面に光を照射する光照射手段、ゾンデと同軸上に配置
され壁面から反射される光を集光する円錐ミラー、該円
錐ミラーの前方に配置される結像手段、該結像手段によ
り同心円上に形成される像を電気信号に変換する光電変
換手段、該光電変換手段の信号をスキャンして取り出し
壁面の画像データを生成処理するデータ処理手段、ゾン
デの向き及び位置を検出するゾンデ位置検出手段を備え
たことを特徴とする。

〔作用〕

本発明のボアホールスキャナーでは、壁面に光照射手段
から光を照射し、その反射光が円錐ミラーに入射すると
、円錐ミラーがゾンデと同軸上に配置されているため、
円錐ミラーで反射してその周囲壁面の像が結像手段によ
り光電変換手段上に結ばれる。従って、ゾンデを昇降さ
せながらデータ処理手段により光電変換手段の信号をス
キャンして壁面の画像データを生成処理すると、連続し
た壁面の画像が得られる。しかも、ゾンデ位置検出手段
により画像データとゾンデの位置とを対応させることに
よって、正確な位置情報に基づく孔壁の観察が可能とな
る。

〔実施例〕

以下、実施例を図面を参照しつつ説明する。

第１図は本発明のボアホールスキャナーの１実施例を示
す図、第２図は光電変換部の構成例を示す図、第３図は
画像処理システムの構成例を示す図、第４図は方位計と
傾斜計の検出角度を説明するための図である。図中、１
はスキャン部、２は光電変換部、３はレンズ、４と５は
円錐ミラー、６はスリット、７は遮蔽板、８は方位計、
９は回転計、１０は傾斜計、１１はスリット、１２はレ
ンズ、１３は光源、１４はゾンデ、１５は入力画像制御
部、１６はＣＲＴ、１７はデータ処理装置、１８−１は
磁気テープ、１８−２はフロンビイディスク、１日−３
はプリンタ、１８−４は磁気ディスクを示す。

第１図において、ゾンデ１４は、上方に撮像装置を収納
し、下方に孔部がり測定装置を収納したものである。撮
像装置は、光源１３の光を孔壁に照射しその反射光によ
る撮像データをスキャン部１に取り込むように構成され
ている。遮蔽板７は、その上下に円錐ミラー４と５を取
り付け、スリット６を上下に２分するようになっている
。このようにして遮蔽板７により２分されたスリ・７ト
６の下側から孔壁に光を照射し、上側から孔壁に照射し
た光の反射光を取り込む。従って、遮蔽板７の下側に設
けられた円錐ミラー５は照射用であり、円錐ミラー４は
孔壁からの反射光を集光するためのものである。光電変
換部２は、ドーナツ状に配列された多数の光電変換素子
からなり、レンズ３は、円錐ミラー４からの光をこの光
電変換部２に結像させるものである。スキャン部１は、
光電変換部２をスキャンして孔壁の撮像データを取り込
むものである。

次に、撮像装置の動作を説明する。光源１３からレンズ
１２、スリット１１を通して光ビームが放射されると、
光ビームは、円錐ミラー５で反射してスリット６の下側
から孔壁を照射する。そして、孔壁で反射した光は、ス
リット６の上側から導入されて円錐ミラー４で反射しレ
ンズ３に集光され、このレンズを通して光電変換部２に
結像する。そこで、スキャン部１より光電変換部２の光
電変換素子を順次スキャンして孔壁の観測データを取り
込む。この動作を繰り返しながら、ゾンデ】４を昇降さ
せると孔壁の連続した観察像が得られる。

光電変換部は、第２図（ａｌに示すようにドーナツ状に
多数の光電変換素子を配列したものであり、例えば電荷
結合デバイス（Ｃｈａｒｇｅ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｄｅｖ
ｉｃｅ；ＣＣＤ）を用いることができる。この光電変換
素子は、同図（ｂｌａ、　　ｂ、　　ｃ、　　ｄ、　　
ｅ、・・・・・・のように並べられ、順にスキャン部１
により読み出される。また、撮像データをカラーデータ
として取り込む場合には、同図（Ｃ１に示すように光の
３原色であるＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の分光器を
備え、これらの繰り返し配列にするか、同図（ｄｉに示
すようにＲ，Ｇ、Ｂのそれぞれのラインを同心円上に配
置すればよい。このような光電変換部からデータを読み
出す回路としては、例えばシフトレジスタを用いること
ができるが、本発明は、特に読み出し回路を要旨とする
ものではないので、画像読み取り装置に使用されている
所謂ＣＣＤセンサアレイの読み出し回路を使用してもよ
い。

第３図において、入力画像制御部１５は、スキャン部１
により得られた画像のデータ処理装置１７への取り込み
やＣＲＴ１６への表示等のためスキャン部１やモニタ用
のＣＲＴ１６を制御するものである。データ処理装置１
７は、パソコンあるいは専用のプロセッサーなどにより
構成するものであって、入力画像制御部１５を通してス
キャン部１から画像データを入力すると、その画像デー
タを処理するものである。外部記憶装置１８−１は、そ
の画像データを格納するものであり、磁気テープやフロ
ッピィディスク、磁気ディスク１８−４等が使用され、
出力装置１８−２は、画像データを印刷出力するもので
あり、プリンタやプロッター、ハードコピー装置等が使
用される。なお、これら亀裂情報や画像位置データ情報
は、図示しないが専用回線や電話回線を用いて大型電算
機にデータ送信するようにしてもよい。

また、第１図に示す本発明のゾンデ１４内には、上記の
ような撮像部の構成に加えて、さらに孔曲がり測定装置
が収納されているが、これは、方位計８と傾斜計１０と
を備え、スキャナー・ヘッドの向きを測定する手段とし
て回転計９を設ける。

方位計８は、例えば図示点線の如くゾンデ１４の軸方向
と一致する線ｌを軸に回転自在になった第１の支点Ａ、
Ａ’と、線ｌに直交する線ｍを軸に回転自在になった第
２の支点Ｑ、Ｑ’とを介して支点Ａ、Ａ’でゾンデ１４
に取り付けられ、計測部が地上からの鉛直方向に対して
常に変わらない状態に支持されるものであり、磁石を内
蔵し、ゾンデ１４の傾斜方向角を計測する。同様に傾斜
計１０は、線ｌを軸に回転自在になった支点Ｒ，Ｒ′を
有し、点Ｂ、、Ｂ’でゾンデ１４に取り付けられ、計測
部がゾンデ１４の傾きに対応して線βの周りを回転する
ようにしたものであり、重りを内蔵し、ゾンデ１４の傾
斜角を計測する。また、回転計９は、方位計８の取り付
は支点Ａの位置に設けられ、ゾンデ１４の基準となる方
向Ｅを計測する。

また、第４図に示すｘ、ｙ、ｚよりなる３次元の座標空
間において、Ｘ軸の方向を南北の方向、ｙ軸の方向を東
西の方向、Ｘ軸の方向を地球の重力の方向とすると、方
位角θは北からの方位、傾斜角φは水平面からの傾斜を
表し、第１図図示のゾンデでは、方位計８の示す傾斜方
向角により第４図に示す方位角θが求められ、傾斜計１
０の示す傾斜角により第４図に示す傾斜角φが求められ
る。

従って、令弟１図図示の基準点りを北の方位に合わせて
これを基準方位とし、第１図図示の方位計８及び傾斜計
１０の状態で方位角θ及び傾斜角φが０であると定義し
たとする。そうすると、例えば第１図図示の状態からボ
アホールが北の方位に向いて角度αだげ傾いている場合
には、方位角θがＯ，傾斜角φがα、回転角δが０とな
る。しかし、ボアホールが西の方位に向いて角度αだけ
傾いている場合には、方位計８及び傾斜計１０が線ｌを
軸として反時計方向に９０°回転する。そのため、方位
角θが一９０°、傾斜角φがαとなるとともに回転計９
により測定される回転角δも９０６となる。また、ここ
でゾンデが西の方向に９０°回転した（捻れた）場合に
は、方位角θと傾斜角φは変わらないが、回転計９によ
り測定される回転角δのみが０６に変わる。

つまり、方位計８と傾斜計１０とによってボアホールの
孔曲がりが測定され、回転計９によってゾンデの向きが
測定される。撮像装置によるｖｉ、測の場合において、
光電変換素子は、ゾンデ内に設定された基準となる位置
Ｅとの相対位置でその観測している方向を知ることがで
きる。回転計９は、その捩じれによる光電変換部の向き
を求めるため、ゾンデの基準となる位置Ｅの向きを測定
するものである。すなわち、先に述べたようにゾンデの
基準となる位置Ｅの方位は、方位計８により測定される
方位角θに回転計９により測定される回転角δを加える
ことによって求めることができる。

第５図は孔曲がり測定装置のシステム構成例を示す図、
第６図は孔曲がり測定装置による処理の流れを説明する
ための図である。

第５図において、深度計２１は、ケーブルＣＬのくり出
し長さを制御する地上の制御機に設けられ、くり出され
たケーブルＣＬの長さを検出するものである。演算部２
３は、深度計２１によりケーブルＣＬのくり出し長さが
単位の長さになったことを検出すると、方位計８及び傾
斜計１０から方位角θ、傾斜角φを読み込み、ケーブル
ＣＬのくりだし長さΔＩ１、方位角θ、傾斜角φから第
４図に示す座標空間に対応する各成分によるケープルＣ
ｔ、のくり出し長さΔＸ、Δｙ、Δ２を算出するもので
あり、それぞれは ΔＸ−ΔＬ　ｃｏｓφｃｏｓθ Δｙ−ΔＬ　ｃｏｓφｓｉｎθ Δ２−ΔＬ　ｓｉｎφ で表される。

演算部２４は、記憶部２５から前回までΔＸ、Δｙ、Δ
２の積算によって求められたゾンデの位置座標ｘ、　、
ｙ、　、ｚ、を読み出し、これに演算部２３で算出され
たくり出し長さΔＸ、Δｙ、Δ２を加算し、現在のゾン
デの位置座標Ｘ　ｉ　＋　１．　Ｙ　ｉ　＋１、Ｉｔを
算出するものであり、それぞれはＸｉ、、　＝Ｘｉ　＋
ΔＸＹ　ｔ　、　Ｉ＝　Ｙ　ｔ　＋ΔｙＺｉ、、＝Ｚｉ　＋Δ２で表される。

従って、例えば孔口を（０，０，０）として、北へ１０
ｍ、西へ３０ｍ、地下５０ｍの地点Ａを（１０，３０，
５０）で表すと、ゾンデがこの位置からθ−〇、φ＝３
０°の方向にケーブルをｌＯｍ　＜り出して移動した場
合、その変化量は、 Δｘ　＝１０ｘ　ｃｏｓ３０°ｃｏｓ　Ｏ＝８．７Δｙ
　＝１ｏｘ　ｃｏｓ３０　’　ｓｉｎ　Ｏ＝　０Δｚ　
−１ｏｘ　５ｉｎ３０　”　＝　５となり、よってその
位置（現在位Ｗ）は、Ｘｉ＋＋　＝１０＋８．７　＝１
８．７ｙｔ、、　＝３０＋　Ｏ＝３０Ｚ□＋、　＝５０＋　５　＝５５となる。つまり北方向に１８．７ｍ、西方向に３０ｍ、
地下方向に５５ｍにゾンデが位置していることになる。

さらに演算部２４は、撮像部からのスキャン・データに
対応して回転計９からのゾンデの回転角と上記の演算に
よって求められたゾンデの位置とをもとに観測位置を算
出する。

記憶部２５は、演算部２４で算出されたゾンデの位置座
標ｘ、ｙ、ｚを時系列的に記憶しておくともに、対応す
るゾンデの向き、スキャン・データ及びその観測位置を
記憶しておくものである。

この記憶部２５にゾンデの位置座標ｘ、ｙ、ｚを時系列
的に記憶するまでの処理の流れを示したのが第６図であ
る。そして出力制御部２７は、記憶部２５に記憶された
位置座標Ｘ、Ｙ、Ｚから例えばＣＲＴデイスプレィやＸ
Ｙプロッタなどにゾンデの軌跡を描画し出力したり、ス
キャン・データをハード・コピーして出力したりするも
のである。

なお、スキャン・データをハード・コピーする装置は、
本願の発明者らにより別途提案（特願昭５９−２４５６
６４号）しているものがあるが、その概要は、スキャン
・データを輝度変調して例えばフィルム上に焼付するも
のである。この場合、曲がっているポアポールのスキャ
ン・データは、そのまま画像にすると水平画像にはなら
ない。そこで、個々のスキャン・データを格納する際に
は、上述のようにゾンデの位置とその傾斜角とをもとに
各光電変換素子毎の座標値（観測位置）を算出し、この
座標値をスキャン・データに付加し格納しておき、同一
の深さ座標のスキャン・データを順に読み出してフィル
ム上に焼付することによって、水平画像に修正したハー
ド・コピーを得ることができる。

さらに、画像の一部にその観察位置（座標値など）を表
示するようにしてもよい。また、上記の座標値を適宜選
定することによって、ハード・コピーの起点を任意に決
めることも可能である。

南北の断面によりゾンデの軌跡を描画した例を示したの
が第７図（ａ）であり、東西の断面によりゾンデの軌跡
を描画した例を示したのが第７図（ｂ）であり、上から
平面的に見たゾンデの軌跡を描画した例を示したのが第
７図（Ｃ１であり、３次元によりゾンデの軌跡を描画し
た例を示したのが第７図（ｄ）である。なお制御部２６
は、上記の各演算部２３．２４、記憶部２５、出力制御
部２７を含め全体を制御するものである。

ポーリング長が長くなると掘削ビット付近に砕かれた石
片がかみ込むことにより、また硬さの異なる地層境界面
を斜めに掘削する時の掘削抵抗の差により、あるいはポ
ーリンブロンドの材料変形特性の偏りなどにより、ポー
リング孔は不規則に曲がって掘れてしまう場合がある。

このような場合には、ポーリングで得られた地質情報は
正しい座標と方向を示さない問題が生じるが、これは上
記の孔曲がり測定装置をゾンデ内に収納することにより
解決できる。

第８図は壁面に光の照射する構成例を示す図、第９図は
本発明に係るボアホールスキャナーの他の実施例を示す
図である。

第８図ｆａ）に示す例は、第１図において遮蔽板７の下
側に配置した円錐ミラーを省略し、遮蔽板７の下側に光
源１３′を配置し、この光源１３′の光を直接スリット
６の下側から孔壁に照射するように構成したものである
。また、同図（ｂ）に示す例は、ゾンデ１４内に内筒１
４′を設けると共に、内筒１４′内にレンズ、光電変換
部、さらにその下方に円錐ミラー４を配置し、その下端
に図示のように遮蔽部Ａを設けたものである。そして、
内筒１４′の外側にサークラインのようなドーナツ状の
光源１３″を配置している。従って、光源１３“からス
リットの上側を通して孔壁に光を照射し、スリットの下
側から孔壁の反射光を取り込む。

この光が円錐ミラー４で反射してレンズに導かれる。

第９図に示す本発明の他の実施例は、第１図に示した円
錐ミラーを省き、結像レンズを通して直接孔壁を撮像す
るものである。

なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではな
く、種々の変形が可能である。例えば上記の実施例では
、円錐ミラーを使用したが、第１図に示す構成において
は、円錐ミラー４．５が一体のものであってもよいこと
は勿論である。

また、本発明のボアホール孔壁観測装置は、ポーリング
孔の壁面観察だけでなく、例えば地下に埋設されたパイ
プラインの腐食その他種々の孔壁の調査に適用できるこ
とは勿論である。

〔発明の効果〕

従来の撮像部は、モータによりミラーを回転させるメカ
ニカルスキャン方式であったため、ギヤーの消耗やモー
タの性能低下等による交換、調節等のメンテナンスに多
くの手間を要したが、本発明によれば、撮像装置を可動
部分の全くない静止型の構成としたので、従来のような
消耗度の高い部分がなくなり、メンテナンスの手間、費
用の大幅な低減を図ることができる。また、モーターを
使用しないので、ノイズも少なくなり画像の安定性、画
質の向上を図ることができる。さらには、静止型であり
１周の壁面画像をデータスキャン速度で取り込むことが
できるので、高速に壁面画像を取り込むことができ、観
測時間の短縮を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のボアホールスキャナーの１実施例を示
す図、第２図は光電変換部の構成例を示す図、第３図は
画像処理システムの構成例を示す図、第４図は方位計と
傾斜計の検出角度を説明するための図、第５図は孔曲が
り測定装置のシステム構成例を示す図、第６図は孔曲が
り測定装置による処理の流れを説明するための図、第７
図は孔曲がり測定装置により得られる軌跡画像の例を示
す図、第８図は壁面に光の照射する構成例を示す図、第
９図は本発明に係るボアホールスキャナーの他の実施例
を示す図、第１０図は従来使用されていたボアホール・
スキャナーの具体的な構成例を示す図、第１１図は光ビ
ームが走査する孔壁展開面の軌跡を示す図である。１・・・スキャン部、２・・・光電変換部、３・・・レ
ンズ、４と５・・・円錐ミラー、６・・・スリット、７
・・・遮蔽板、８・・・方位計、９・・・回転計、１０
・・・傾斜計、１１・・・スリット、１２・・・レンズ
、１３・・・光源、１４・・・ゾンデ、１５・・・入力
画像制御部、１６・・・ＣＲＴ、１７・・・データ処理
装置、１８−１・・・磁気テープ、１８−２・・・フロ
ッピィディスク、１８−３・・・プリンタ、１８−４・
・・磁気ディスク。出　願　人　　清水建設株式会社（外１名）代理人　弁
理士　阿　部　龍　吉（外２名）囚 ≧ 鍾Ｃ佇破双　−−一＼

Claims

【特許請求の範囲】

（１）孔内を昇降、移動するゾンデに内蔵された撮像手
段により孔壁を連続撮影して孔壁の観察を行うスキャナ
ーであって、壁面に光を照射する光照射手段、ゾンデと
同軸上に配置され壁面から反射される光を集光する円錐
ミラー、該円錐ミラーの前方に配置される結像手段、該
結像手段により同心円上に形成される像を電気信号に変
換する光電変換手段、該光電変換手段の信号をスキャン
して取り出し壁面の画像データを生成処理するデータ処
理手段、ゾンデの向き及び位置を検出するゾンデ位置検
出手段を備えたことを特徴とするボアホールスキャナー
。
（２）光電変換手段は、同心円上に光電変換素子を並べ
て構成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
のボアホールスキャナー。
（３）光電変換素子は、光の３原色に対応するそれぞれ
の分光機能を備えた組からなることを特徴とする特許請
求の範囲第１項記載のボアホールスキャナー。