JP6420218B2 - Underground analysis method - Google Patents
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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。 One aspect of the present invention relates to an underground analysis method for analyzing distribution of objects in the ground using electromagnetic waves.
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。 Among general nondestructive inspection methods using elastic waves, electricity, electromagnetic waves, etc., the electromagnetic wave radar method using electromagnetic waves has the highest resolution. This electromagnetic wave radar method investigates the position of various objects such as geological surveys on the ground and rocks, subsurface cavities, buried pipes, tunnel lining cavities, reinforcing bars in concrete structures, member thickness, cavities, etc. Used for nondestructive inspection.
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。 For example, a method described in the following Patent Document 1 or Patent Document 2 is known as a method of obtaining underground cross-section information using the electromagnetic wave radar method. In these methods, a pair of transmission antennas and reception antennas are inserted into two boring holes, and cross-sectional information is acquired based on the analysis results of electromagnetic waves transmitted and received between the transmission antennas and the reception antennas.
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。 However, according to the methods described in Patent Documents 1 and 2, since the analysis process must be repeatedly performed while changing the position of the transmission antenna or the reception antenna, the operation is complicated.
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。 Therefore, the present invention has been made in view of such problems, and provides an underground analysis method capable of efficiently acquiring an analysis result of a three-dimensional distribution of an object in the ground with a simple operation. The purpose is to do.
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。 In order to solve the above problems, an underground analysis method according to an embodiment of the present invention is an underground analysis method for analyzing a distribution of objects in the ground using electromagnetic waves, and is fixed to the ground or the ground surface. A transmission step for transmitting an electromagnetic wave, which is a continuous wave that continuously oscillates at a plurality of frequencies within a predetermined frequency range, using a transmission antenna and a control device connected to the transmission antenna, and fixed at different positions in the ground. A reception step of receiving electromagnetic waves and detecting a reception signal for each reception antenna using three or more reception antennas and a control device connected to the reception antenna; and oscillating at a plurality of frequencies using the control device By performing inverse Fourier transform on the received signal for each receiving antenna corresponding to the electromagnetic wave, the impulse response waveform of the received signal for each receiving antenna is calculated, and the received signal for each receiving antenna is calculated. Provided on the basis of the pulse response waveform and analysis step of analyzing the three-dimensional distribution of the object in the ground, the.
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。 According to the underground analysis method of the above aspect, the electromagnetic waves continuously oscillated at a plurality of frequencies transmitted from the transmission antenna are received by three or more reception antennas fixed in the ground, and the control device is used. The impulse response waveform for each reception antenna is calculated by performing inverse Fourier transform on the reception signal for each reception antenna, and the three-dimensional distribution of the object in the ground is analyzed based on these impulse waveforms. As a result, the three-dimensional distribution in the ground can be analyzed using continuous waves while the positions of the transmitting antenna and the receiving antenna are fixed, and the analysis result can be efficiently obtained with a simple operation.
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。 The frequency range of the electromagnetic wave may be 50 to 500 MHz, and the frequency range of the electromagnetic wave may be 100 MHz to 1 GHz. By using such a frequency band, the size of the transmitting antenna and the receiving antenna can be made relatively small, and a decrease in sensitivity of the receiving antenna can be prevented by using a continuous wave in this frequency range. .
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。 In the transmitting step, it is preferable to change the frequency range in which the electromagnetic wave oscillates according to the ground conditions around the object in the ground. In this way, the attenuation of electromagnetic waves in the ground can be reduced and the sensitivity of the analysis results can be increased.
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。 In the transmitting step, it is also preferable to change the frequency range in which the electromagnetic wave oscillates in accordance with the distance from the transmitting or receiving antenna to be analyzed in the ground or the attenuation characteristics in the ground. The resolution of the analysis result can be increased when the distance of the analysis target is close, and the sensitivity of the analysis result can be increased by reducing the attenuation of the electromagnetic wave when the distance of the analysis target is far, depending on the attenuation characteristics in the ground Resolution can be increased.
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。 According to one aspect of the present invention, an analysis result of a three-dimensional distribution of an object in the ground can be efficiently acquired with a simple operation.
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。 Hereinafter, preferred embodiments of the underground analysis method according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
［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。
[Description of system configuration and underground analysis method]
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of an analysis system 1 for realizing an underground analysis method according to a preferred embodiment of the present invention. The analysis system 1 shown in FIG. 1 is a device for analyzing the distribution of objects in the ground using electromagnetic waves. This analysis system 1 is, for example, evaluation of underground geology, evaluation of underground hydraulic structure, evaluation of underground water behavior in construction of mountain tunnels, dams, etc., water injection, grouting effect, etc. Used for evaluation of
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。 The analysis system 1 includes a control device 3, one transmission antenna 5, and three or more reception antennas 7. Hereinafter, the configuration of each component of the analysis system 1 will be described.
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。 The transmission antenna 5 is connected to the control device 3 and transmits electromagnetic waves that are continuous waves within a predetermined frequency range by feeding from the control device 3. The transmitting antenna 5 is fixed to the ground surface or the ground near the object to be analyzed at the time of analysis. FIG. 2 shows an example of the structure of the transmission antenna 5, FIG. 2A shows the external configuration of the transmission antenna 5, and FIG. 2B shows the internal configuration of the transmission antenna 5. Yes. Thus, the transmitting antenna 5 is provided with the hollow brass conductors 9a and 9b arranged in a straight line, and the conductors 9a and 9b and the control device 3 are electrically connected to one conductor 9b. A coaxial cable 11 is inserted as a conducting wire for connecting them. One end of the coaxial cable 11 is connected to the conductors 9a and 9b via a balun (balance-unbalance converter) 13. Furthermore, the transmission antenna 5 is provided with a cylindrical insulating tube 15 made of vinyl chloride so as to cover the conductors 9a and 9b from the outside, and the other end of the coaxial cable 11 is drawn from the end of the insulating tube 15, The other end of the coaxial cable 11 is electrically connected to the control device 3. The size of the transmitting antenna 5 is, for example, when the frequency range of the electromagnetic wave that is a continuous wave to be transmitted is 50 to 500 MHz, the diameters of the conductors 9a and 9b are 10 mm and the length is 100 mm, and The diameter of the insulating tube 15 is 18 mm, and its length is 120 mm. When the frequency range of the transmitted electromagnetic wave of the continuous wave is 100 MHz to 1 GHz, the conductors 9a and 9b have a diameter of 10 mm and a total length of 60 mm, and the insulating tube 15 has a diameter of 18 mm and a length of 80 mm. It is. By setting to such a size, the gain of the antenna can be increased even at the lower frequency limit of the frequency range. Further, since the electromagnetic wave to be used is a continuous wave instead of a pulse wave, a stable waveform in a wide frequency band can be transmitted with a small amount of power even by the small transmitting antenna 5. The size of the transmission antenna 5 is an example, and can be changed variously according to the frequency range of the electromagnetic wave used.
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。 The receiving antenna 7 is connected to the control device 3 and is used to detect and output a received signal by receiving an electromagnetic wave that is a continuous wave in a predetermined frequency range from the transmitting antenna 5. At least three receiving antennas 7 are fixed at different positions in the ground near the object to be analyzed during the analysis. The structure of the receiving antenna 7 is the same as that of the transmitting antenna 5 shown in FIG. The size of the receiving antenna 7 is the same as the size of the transmitting antenna 5 that is used at the same time. For example, when the frequency range of the received continuous wave electromagnetic wave is 50 to 500 MHz, the diameters of the conductors 9a and 9b are 10 mm and the total length is 100 mm, the diameter of the insulating tube 15 is 18 mm, and the length is 120 mm. Further, when the frequency range of the received continuous wave electromagnetic wave is 100 MHz to 1 GHz, the conductors 9a and 9b have a diameter of 10 mm and a total length of 60 mm, and the insulating tube 15 has a diameter of 18 mm and a length thereof. Is 80 mm. By setting to such a size, the sensitivity of the antenna can be increased even at the lower limit frequency of the frequency range. In addition, since the electromagnetic wave to be used is not a pulse wave but a continuous wave, a small reception antenna 7 can detect a stable reception waveform in a wide frequency band. The size of the receiving antenna 7 is an example, and can be variously changed according to the frequency range of the electromagnetic wave used. However, it is advantageous in terms of the detection sensitivity of the reception signal that the reception antenna 7 is set to the same size as the transmission antenna 5.
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。 The control device 3 includes a signal processing unit 17, a TRT analysis unit 19, and an analysis result display unit 21 as functional components. Here, the control device 3 may be an integrated device, or a part of the components may be constituted by another device. For example, the control device 3 may be configured by incorporating a calculation circuit such as a processor in a high-frequency circuit such as a network analyzer, or may be configured by a combination of a high-frequency circuit and a calculation device such as a computer.
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。 The signal processing unit 17 of the control device 3 supplies a high-frequency signal to the transmission antenna 5 so that an electromagnetic wave is transmitted from the transmission antenna 5 fixed to the ground or the ground surface during the analysis process. Specifically, the signal processing unit 17 generates a high-frequency signal in which the oscillation frequency is continuously changed stepwise within a preset frequency range, and supplies the high-frequency signal to the transmission antenna 5. For example, when the set frequency range is 50 to 500 MHz, the signal processing unit 17 continuously changes the oscillation frequency to 50 MHz, 50.5 MHz, 51 MHz, 51.5 MHz,... Supply high frequency signals. Thereby, at the time of an analysis process, the electromagnetic wave which is a continuous wave which oscillates continuously from the transmission antenna 5 at a plurality of frequencies (50 MHz, 50.5 MHz, 51 MHz, 51.5 MHz,...) Within the set frequency range. Sent.
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。 Further, the signal processing unit 17 of the control device 3 simultaneously amplifies the reception signal detected by the reception antenna 7 when supplying the high-frequency signal to the transmission antenna 5. At that time, the signal processing unit 17 converts the reception signal for each reception antenna 7 for each of a plurality of frequencies (for example, 50 MHz, 50.5 MHz, 51 MHz, 51.5 MHz,...) Of electromagnetic waves transmitted within a predetermined frequency range. By detecting, a received signal is extracted for each of the plurality of frequency components. Further, the signal processing unit 17 calculates an impulse response waveform of the reception signal for each reception antenna 7 by performing inverse Fourier transform on the reception signals of a plurality of frequency components generated for each reception antenna 7. Then, an impulse response waveform for each reception antenna 7 is output to the TRT analysis unit 19. Here, the processing from the detection of the received signal to the calculation of the impulse response waveform is realized, for example, by using the configuration of “Ground radar tomography method and apparatus” disclosed in JP-A-6-324162. However, it is not limited to this configuration.
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。 The TRT analysis unit 19 of the control device 3 analyzes the three-dimensional distribution of the object in the ground based on the impulse response waveform for each reception antenna 7 output from the signal processing unit 17. As a method for this analysis, a known TRT (Three-dimensional Reflector Tracing) analysis is applied. This TRT analysis is an analysis technology that predicts the geological boundary position in front of the tunnel three-dimensionally from the reflection waveform of elastic waves observed using multiple sensors (Yasuhiro Yokota, Takuji Yamamoto, Kaoru Nago, Shirasagi) Takashi “Development of wireless tunnel 3D reflection elastic wave exploration technology”, Symposium on rock mechanics, 38th, pp. ROMBUNNO56, 2009). The TRT analysis unit 19 calculates a three-dimensional distribution of the reflection intensity (amplitude) of the electromagnetic wave in the ground by executing the TRT analysis based on the impulse response waveform for each reception antenna 7 and outputs it to the analysis result display unit 21. . The analysis result display unit 21 of the control device 3 is an output device such as a display or a printer, and outputs the three-dimensional distribution of the reflection intensity of the electromagnetic wave calculated by the TRT analysis unit 19 on the display or the medium.
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。 Next, the procedure of the underground analysis method using the analysis system 1 described above will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a flowchart showing the procedure of the underground analysis method according to the present embodiment.
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）。 First, when the control device 3 is operated by the user and the underground analysis process is started, the operation of the signal processing unit 17 is started, and the electromagnetic wave transmission antenna 5 having a plurality of frequencies within the set frequency range is started. Is started (step S01). Next, the signal processing unit 17 detects a reception signal for each of the plurality of reception antennas 7 embedded in the ground (step 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）。 Further, the signal processing unit 17 detects the reception signal for each of the reception antennas 7 for each of a plurality of frequencies, thereby extracting the reception signal for each of a plurality of frequency components, and based on the reception signals of the plurality of frequency components. By executing the inverse Fourier transform, an impulse response waveform for each of the plurality of receiving antennas 7 is calculated (step S03). Next, the TRT analysis unit 19 performs a TRT analysis process on the impulse response waveform for each reception antenna 7 to calculate a three-dimensional distribution of the reflection intensity of the electromagnetic wave in the ground (step S04). Finally, the calculated three-dimensional distribution of electromagnetic wave reflection intensity is output on the display or medium by the analysis result display unit 21 (step S05).
［地中解析処理の実施例］ [Example of underground analysis processing]
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。 Next, an example of underground analysis processing using the analysis system 1 will be described.
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。 In this example, a cylindrical simulated earth basin containing homogeneous silica sand was prepared, and the transmitting antenna 5 and the receiving antenna 7 were arranged in the earth basin, and the normality of the result of the underground analysis process was confirmed. Silica sand in the earthen tank was compacted with water, and after compaction, drainage from the bottom plate of the earthen tank was performed to set the initial state of measurement. In such a soil tank, the receiving antenna 7 was fixed by inserting the receiving antenna 7 fixed to the side surface of the vinyl chloride pipe in a vertical direction or an oblique direction.
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。 FIG. 4 shows a fixed state of the transmitting antenna 5 and the receiving antenna 7 in the earth tub in the present embodiment. A side view is shown. The size of the earth tub 23 is set such that the diameter of the bottom surface is 240 cm and the height of the side surface is 80 cm, and the transmitting antenna 5 is located near the center of the surface of the earth tub 23, that is, the distance GL = 0 cm from the surface. The six receiving antennas 7 were fixed at different positions in the earth tub 23 at a distance GL = 30 cm from the surface. Specifically, the four receiving antennas 7 are inserted and fixed in a direction perpendicular to the surface of the earth tub 23 together with the vinyl chloride pipe so as to surround the transmitting antenna 5, and the two receiving antennas 7 transmit. On both sides of the antenna 5, it was fixed in a direction parallel to each other with the vinyl chloride tube and in an oblique direction with respect to the surface of the earth tub 23.
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。 Using the transmitting antenna 5 and the receiving antenna 7 fixed as described above, and the control device 3 electrically connected thereto, an analysis process of the three-dimensional distribution of the water surface boundary as an object in the soil tank 23 Was executed. The analysis process was performed each time while water was poured in the soil tank 23 such that the water level was set at intervals of 5 cm between GL = 80 cm and 45 cm. FIG. 5 (a) shows an impulse response waveform calculated corresponding to the receiving antenna 7 inserted into the earth tub 23 by the vinyl chloride pipe PA, and FIG. 5 (b) shows the earth tub by the vinyl chloride pipe PB. The impulse response waveforms calculated corresponding to the receiving antenna 7 inserted into the antenna 23 are shown. In these graphs, the horizontal axis represents the response time (ns), and the vertical axis represents the distance GL (cm) of the water level from the surface of the soil tank 23. From these results, when the water surface exists at GL = 50 to 55 cm, the response waveform of the reflected wave from the water surface (the portion surrounded by the dotted line in the graph) could be clearly confirmed. Further, as indicated by the dotted arrows in FIG. 5A, a direct wave (response corresponding to an electromagnetic wave directly propagating from the transmitting antenna 5 to the receiving antenna 7) due to an increase in moisture content above the water surface as water injection proceeds. There is also a time delay in the waveform.
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Ｐ０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Ａ１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Ａ１の周りの範囲Ａ２、Ａ３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。 FIG. 6 shows an output example of the three-dimensional distribution of the reflection intensity of the electromagnetic wave obtained by the analysis system 1 when the water surface exists at GL = 50 cm. In the output example shown in the figure, the distribution of the reflection intensity on the two vertical planes passing through the point P 0 corresponding to the position of the transmitting antenna 5 in the three-dimensional coordinates corresponding to the earth tub 23 is shown. . Water The output, directly under the point P0, a GL = 50 cm and reflecting surface corresponding to the water surface boundary trapped in the range A 1 in the vicinity of the object in the examples earth tank 23 It has been found that the three-dimensional imaging can be accurately realized. Reflective surfaces other than the water surface also appear in the ranges A 2 and A 3 around the range A 1 , but this is due to the measurement limit depending on the number of transmitting antennas and receiving antennas, multiple reflections from the side surface and bottom plate of the earth tub 23. This is considered to be due to the influence, etc., and the measurement under the actual natural environment does not have a great influence on the measurement accuracy.
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。 According to the underground analysis method of the present embodiment described above, electromagnetic waves continuously oscillated at a plurality of frequencies transmitted from the transmission antenna 5 are received by three or more reception antennas 7 fixed in the ground. Using the control device 3, the impulse response waveform for each reception antenna 7 is calculated by performing inverse Fourier transform on the reception signal for each reception antenna 7, and the object such as the water surface in the ground is calculated based on these impulse waveforms. Analyze the three-dimensional distribution of objects. As a result, the three-dimensional distribution in the ground can be analyzed using continuous waves while the positions of the transmitting antenna 5 and the receiving antenna 7 are fixed, and the analysis result can be obtained efficiently with a simple operation. .
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。 In addition, by setting the frequency range of electromagnetic waves to be transmitted / received to a range of 50 to 500 MHz, 100 MHz to 1 GHz, etc., the size of the transmission antenna 5 and the reception antenna 7 can be made relatively small. By using a continuous wave, it is possible to prevent a decrease in detection sensitivity of the receiving antenna 7 having a small size. As a result, the accuracy of the analysis of the three-dimensional distribution of the object in the ground can be maintained.
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。 In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above.
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。 The sizes of the transmission antenna 5 and the reception antenna 7 described above are not limited to the above-described example, and may be appropriately changed according to the frequency range of electromagnetic waves to be transmitted and received. For example, the lengths of the conductors 9a and 9b of the transmitting antenna 5 and the receiving antenna 7 may be set according to the lowest frequency in the electromagnetic wave frequency range.
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。 Further, the number of transmission antennas 5 and reception antennas 7 may be changed as appropriate according to the expected range of objects in the ground to be analyzed. For example, when the range of the object is expected to be wide, the number of reception antennas 7 may be increased in accordance with the range to widen the installation range of the reception antennas 7.
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。 The frequency range of the electromagnetic wave set by the control device 3 may be changed according to the ground conditions around the object to be analyzed. For example, in the case where the formation is expected to have a hard rock around the object, the frequency range of the electromagnetic wave is set to, for example, a range of 100 MHz to 1 GHz so as to shift to the high frequency side. Moreover, when it is anticipated that it is a formation with many soft rocks around a target object, it sets to the range of 50-500 MHz, for example so that the frequency range of electromagnetic waves may be shifted to the low frequency side. In other words, the frequency range of the electromagnetic wave propagating around the object to be analyzed is set to a higher frequency range when the surrounding strata is harder, and lower when the surrounding strata is a softer stratum The frequency range can be set. Thereby, as a result of changing the range of the transmission frequency of the electromagnetic waves to be transmitted and received, the attenuation of the electromagnetic waves in the ground can be reduced and the sensitivity of the analysis result can be increased.
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。 Furthermore, the frequency range of the electromagnetic wave set by the control device 3 may be changed according to the distance from the transmitting antenna 5 or the receiving antenna 7 of the object to be analyzed, or the attenuation characteristics in the ground. For example, when the antenna is expected to be close to the object, the frequency range of electromagnetic waves is set to a range of 100 MHz to 1 GHz, for example, so as to shift to the high frequency side. Further, when the antenna is expected to be far from the object, for example, the frequency range of electromagnetic waves is set to a range of 50 to 500 MHz so as to shift to the low frequency side. As a result, the range of the transmission frequency of the electromagnetic wave to be transmitted and received is changed according to the distance from the antenna of the object, so that the resolution in the analysis result can be increased when the distance of the analysis object is close, and the distance of the analysis object When the distance is long, the attenuation of the electromagnetic wave can be reduced to increase the sensitivity of the analysis result. In addition, the frequency range of the electromagnetic wave may be set according to the electromagnetic wave attenuation characteristics predicted by the geology of the formation around the object. Thereby, the resolution of the analysis result can be increased according to the underground attenuation characteristics.
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。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Analysis system, 3 ... Control apparatus, 5 ... Transmission antenna, 7 ... Reception antenna, 17 ... Signal processing part, 19 ... TRT analysis part, 21 ... Analysis result display part
Claims (5)
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。 An underground analysis method for analyzing the distribution of objects in the ground using electromagnetic waves,
A transmitting step of transmitting an electromagnetic wave, which is a continuous wave that continuously oscillates at a plurality of frequencies within a predetermined frequency range, using a transmission antenna fixed to the ground or the ground surface and a control device connected to the transmission antenna; ,
A reception step of receiving the electromagnetic wave and detecting a reception signal for each of the reception antennas using three or more reception antennas fixed at different positions in the ground and the control device connected to the reception antenna;
An impulse response waveform of the received signal for each receiving antenna by performing inverse Fourier transform on the received signal for each of the receiving antennas corresponding to the electromagnetic waves oscillating at the plurality of frequencies using the control device. An analysis step for calculating a three-dimensional distribution of an object in the ground based on the impulse response waveform for each of the receiving antennas;
An underground analysis method comprising:
請求項１記載の地中解析方法。 The frequency range of the electromagnetic wave is 50 to 500 MHz.
The underground analysis method according to claim 1.
請求項１記載の地中解析方法。 The frequency range of the electromagnetic wave is 100 MHz to 1 GHz.
The underground analysis method according to claim 1.
請求項１〜３のいずれか１項に記載の地中解析方法。 In the transmitting step, the frequency range in which the electromagnetic wave oscillates is changed according to the ground conditions around the object in the ground.
The underground analysis method of any one of Claims 1-3.
請求項１〜４のいずれか１項に記載の地中解析方法。 In the transmitting step, the frequency range in which the electromagnetic wave oscillates is changed according to the distance from the transmitting antenna or the receiving antenna to be analyzed in the ground, or the attenuation characteristics in the ground.
The underground analysis method of any one of Claims 1-4.
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