JP2001201463A

JP2001201463A - 構造物の高周波数領域電磁レーダー診断方法

Info

Publication number: JP2001201463A
Application number: JP2000008407A
Authority: JP
Inventors: Takeo Son; 建生孫; Takahisa Shiotsuki; 隆久塩月; Yoshihito Imaeda; 良仁今枝
Original assignee: Aoki Corp
Current assignee: Aoki Corp
Priority date: 2000-01-17
Filing date: 2000-01-17
Publication date: 2001-07-27

Abstract

(57)【要約】【課題】高分解度で、しかも高い指向性でのコンクリ
ート構造物の内部剥離や亀裂、特にトンネル覆工コンク
リートにおける浅部亀裂を的確に検知する。【解決手段】構造物表面においてアンテナによりパル
ス波を発信し、戻ってきた反射波をアンテナにより受信
し、受信した反射波信号から高周波数成分を抽出し、構
造物の内部剥離や浅部亀裂を検知する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この出願の発明は、構造物の
高周波数領域電磁レーダー診断方法に関するものであ
る。さらに詳しくは、この出願の発明は、トンネルの覆
工コンクリートや橋梁、ダム、建物、護岸、斜面等とし
ての構造物をはじめとする地表面に露出している、ある
いは地中に一部埋設されているコンクリート構造物、岩
壁、転石などの人工、もしくは自然の構造物について、
その内部剥離や浅部亀裂の検知、さらには構造物の形状
の検知を精度よく可能とする新しい高周波数領域電磁レ
ーダー診断方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術とその課題】従来より、コールジョイント
・劣化による内部亀裂、部分剥離が発生すると、構造の
一部が落ちる危険性があり、構造の正常運用を害する場
合があることがよく知られている。特に、最近になって
頻発するトンネル覆工コンクリート塊の落下事故、高架
上のコンクリート・ブロックの落下がその例である。

【０００３】このような落下の防止には、コンクリート
構造の内部亀裂、部分剥離をあらかじめ把握しておくこ
とが欠かせない。そしてこの把握には、亀裂や剥離の存
在とその危険度判断のための大きさ等についての数値的
な指標が必要である。

【０００４】しかしながら、現状においては目視調査お
よび打音法による調査が実施されているにすぎない。こ
れらの方法では、測定効率が悪く、人の感覚・経験にた
より、数値化できなく、客観性が欠けるなどの問題点が
指摘されてきた。

【０００５】そこで、このような状況において、従来よ
り知られている電磁波レーダー法を採用することが考え
られる。この電磁波レーダー法については機種が開発さ
れ、地中埋蔵物の探査、地下文化財の探査に多くの実績
があるが、コンクリートの内部剥離や亀裂等の検出に応
用するには次のような問題がある。

【０００６】ａ）分解度が低い従来の方法は、連続体の波動理論に基づくので、コンク
リート内部の剥離などの不連続状態と関係なく、反射率
は（周波数と関係なく）媒体のインピーダンスのみによ
って決定されることと考えられていた。この結果、土な
どの電磁波伝播速度の低い（波長の短い）媒体で、大き
な埋蔵物（十数ｃｍ以上）がある場合には有効である
が、コンクリートでは土に比べ内部の電磁波伝播速度が
とても高く（同じ周波数では波長が大変長い）、内部剥
離などの幅も大変小さい（１〜数ｍｍ以下）ため、分解
度が足りなく、実質的に検出不能となる。

【０００７】また、従来でも、分解度を向上するため、
発・受信するアンテナの周波数特性を高くする工夫も見
られるが、かえって分解度が低下してしまっている。ｂ）指向性が低い内部剥離等から反射波を得た場合には、その反射波の位
置を特定することが必要である。しかしながら、連続体
に伝わる遠距離応力波の指向性についての室内実験、理
論解析研究から、波動伝播の指向性は周波数（波長）に
依存することが明らかになっているが、コンクリートの
場合、骨材があるので、骨材のサイズと波長の絡みで、
連続体として扱える場合と扱えない場合がある。

【０００８】従来の電磁波レーダーで扱う周波数範囲で
は、波長が骨材の数十倍で、おおよそ連続体として扱う
ことになるため、従来では指向性がとても低いという問
題があった。

【０００９】そこで、この出願の発明は、以上のとおり
の電磁レーダー方法の欠点を克服し、高分解度で、しか
も高い指向性でのコンクリート構造物の内部剥離や亀
裂、特にトンネル覆工コンクリートにおける浅部亀裂を
的確に検知することのできる新しい診断方法を提供する
ことを課題としている。

【００１０】そしてまた、この出願の発明は、電磁レー
ダー方法についてその適用範囲を拡大し、トンネルの覆
工コンクリートや橋梁、ダム、建物、護岸、斜面等とし
ての構造物をはじめとする地表面に露出している、ある
いは地中に一部埋設されているコンクリート構造物、岩
壁、転石などの人工、もしくは自然の構造物について、
その内部剥離や浅部亀裂の検知、さらには構造物の形状
の検知を精度よく可能とする新しい高周波数領域電磁レ
ーダー診断方法を提供することを課題としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この出願の発明は、上記
の課題を解決するものとして、第１には、構造物表面に
おいてアンテナによりパルス波を発信し、戻ってきた反
射波をアンテナにより受信し、受信した反射波信号から
高周波数成分を抽出し、構造物の内部剥離や浅部亀裂を
検知することを特徴とする構造物の高周波数領域電磁レ
ーダー診断方法を提供する。

【００１２】また、この出願の発明は、第２には、構造
物表面においてアンテナによりパルス波を発信し、戻っ
てきた反射波をアンテナにより受信し、受信した反射波
信号から高周波数成分を抽出し、人工または自然構造物
の端部または亀裂や剥離部の境界点を検出して形状検知
することを特徴とする構造物の高周波数領域電磁レーダ
ー診断方法を提供する。

【００１３】そして、この出願の発明は、第３には、反
射波信号からフィルターにより所要の高周波数成分のみ
を抽出して画像表示させる診断方法を提供し、第４に
は、受信した反射波信号のうちから、次式（１）

【００１４】

【数３】

【００１５】に従っている検知したい亀裂や剥離の大き
さに対応した周波数での信号成分を抽出して検知する診
断方法を、第５には、次式（２）

【００１６】

【数４】

【００１７】に従って、亀裂や剥離部までの距離を求め
る診断方法を、第６には、２ＧＨｚ以上の高周波数の成
分を抽出する診断方法を提供する。さらにこの出願の発
明は、第７には、アンテナを移動させて検知する前記い
ずれかの診断方法を提供し、第８には、アンテナの移動
速度に対応させてパルス波の発振間隔を設定する診断方
法も提供する。

【００１８】

【発明の実施の形態】この出願の発明は上記のとおりの
特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態につい
て説明する。

【００１９】まず、図１は、この発明の方法のための装
置手段の構成を例示したブロック図である。たとえばこ
の図１に例示したように、発・受信一体のアンテナ
（１）を構造表面（２）に接触させ、高周波数パルスを
発振すると同時に、反射波（３）を受信する。アンテナ
（１）は構造表面（２）において、人力か動力によって
適当な速度で移動するようにしてもよい。

【００２０】受信した各断面の信号をアンプ（４）で放
大し、デジタル変換装置（５）を経て、コンピュータ
（６）に送り、特定の周波数領域を抽出し、画像処理し
連続表示する。

【００２１】特定の周波数領域の抽出は、（４）のアン
プと同時に行うか、コンピュータ内で行うかも可能であ
る。抽出はフィルターを介して行うことができる。ここ
で、前記（１）〜（６）の各部は一体のものにして、車
載して作業することも可能である。

【００２２】図２は、人力によって、アンテナや抽出・
検知システム搭載機を移動させるようにした例を示して
いる。また、図３は、移動式システム搭載車に可動式ア
ームを設け、その先端にアンテナを取り付けてトンネル
覆工コンクリートの診断を行う例を示しており、また図
４は、壁やマスコンクリート等を対象とした場合の例を
示している。

【００２３】そして、図５は、この発明の方法における
システム操作のフローを例示したものである。もちろ
ん、これら例に限られることなく、様々な態様が可能で
ある。

【００２４】この出願の発明の高周波数領域電磁レーダ
ー診断方法においては、電磁パルス波の伝播と反射に係
わる前記式（１）が、構造物の内部の亀裂や剥離の大き
さの検知にとって重要なものとなる。この式（１）は、
この出願の発明者によって、弾性波（応力波）について
定式化されたものであるが、今般、電磁レーダー診断に
おいても、有効であることがはじめて確認され、電磁レ
ーダー診断方法のための手段として新たに提案されてい
る。

【００２５】すなわち、この出願の発明においては、例
えば、トンネル覆工コンクリート構造物に内部の浅部亀
裂が発生した場合に、周波数Ｆ、振幅ｌの正弦波動を入
射したとすると、亀裂を通過して伝播する成分の振幅
Ｔ、そして反射された成分の振幅Ｒは、この発明の発明
者により導かれた、不連続面での波動伝播を規定する前
記の式（１）に従うものとして考えられる。水平に亀裂
が発生した場合だけでなく、斜めに生じたものに対して
も類似なものとして扱うことができる。

【００２６】従来の理論的考察では、ほとんどが連続体
を対象とするものであったのに対し、この発明では、亀
裂などを不連続面として扱うのである。さらに説明する
と、例えば図６では、損傷によって断面剛性が１／１０
に低下した場合（実際にはその低下度は断面上の応力に
も依存し、室内実験によってあらかじめ求められる）
の、振幅ｌの正弦波動を入射した時の、上記の式から得
られた通過成分の振幅Ｔ・反射成分の振幅Ｒと亀裂幅
Ｈ、振動周波数Ｆとの関係を例示している。この図６よ
り、亀裂幅０．３ｍｍの場合には１２ＧＨｚぐらいで、
反射成分と通過成分がともにその振幅の大きさにおいて
等しくなり、亀裂幅１．０ｍｍの場合には３ＧＨｚぐら
いで反射成分と通過成分がともにその振幅の大きさにお
いて等しくなることがわかる。一方、従来の方法では１
ＧＨｚ以下の成分のみに多くの場合注目している。この
ため、亀裂幅１．０ｍｍ以下の亀裂では、通過成分の振
幅が小さくなるとともに、その反射成分が極めて小さ
く、診断対象としての構造物の波動入射方向の全長にわ
たって入射波動を通過させ、かつ反射をとらえて１．０
ｍｍ以下の亀裂を検知することには反射成分が極めて小
さく、限界がある。つまり、従来では損傷度の特性とは
関係なく同じ周波数帯域のみを取り扱うため、動的診断
法としては限界があり、実用的でないのである。

【００２７】この発明では、上記のとおりの不連続面で
の波動伝播の関係に着目することにより、アンテナによ
りパルス波を発信し、その反射波を受信し、図６のよう
な関係を考慮して、検知したい亀裂幅に対応した周波
数、たとえば１００ＧＨｚ程度までの高周波帯域で、必
要に応じて、いくつかの帯状周波数域の反射成分を取り
出すことで構造物の内部剥離や浅部亀裂等欠損を検知す
ることを可能としている。

【００２８】たとえば図６の例では、剛性が１／１０低
下する場合に反射波の検知周波数が約３ＧＨｚ付近であ
れば約１．０ｍｍ程度の亀裂が存在することを意味し、
またたとえば、反射波の検知周波数が約１２ＧＨｚ付近
であれば約０．３ｍｍの亀裂が存在することを意味して
いる。

【００２９】つまり、式（１）に従う図６において、通
過成分（Ｔ）と反射成分（Ｒ）の周波数依存曲線の交点
付近の周波数が検知されれば、これら曲線を描いた亀裂
等の大きさ（幅）のものが検出されることになる。

【００３０】そして、この発明では、さらには、１）損
傷部位置までの距離、２）個々の剥離や亀裂幅を求める
ことも可能としている。実際、１）に関しては、次の式
（３）に従って求めることができる。

【００３１】

【数５】

【００３２】なお、ここで、計算した距離はみかけの距
離で、個々の損傷の程度（剛性低減率）およびその平均
幅がわかれば、伝播波動速度の低減度から亀裂の波動伝
播速度Ｖｊを評価し、みかけ距離を補正し、真の位置が
わかることになる。ただ、この補正はごく小さいので、
実際上は無視できる。また、２）に関しては、異なる周
波数帯域の波動成分を接収し、各々の損傷部での反射波
成分の振幅Ｒが前記の式に従っているものとして、特定
の周波数帯域で検知された反射成分の存在とその振幅Ｒ
とから、各々の損傷部位のみかけの幅を同定することも
できる。

【００３３】そして、この発明においては、診断したい
亀裂等の大きさに対応する反射波の周波数帯域のみ注目
し、他の周波数成分をフィルタをかけることで除いて、
その反射位置を判断することができる。なお、亀裂等の
存在によって、波の伝播速度が遅くなるが、その度合い
は小さく、無視することができる。

【００３４】この発明は、高周波の強い指向性と、表面
波の高周波成分の著しい減衰特性という、伝播特性を踏
まえて自然もしくは人工の構造物の形状診断を行うこと
も可能としている。高周波数の指向性とは、高周波数を
有するものは、一般に非常に強い指向性を示すことであ
り、また、表面波の高周波成分の減衰特性とは、高周波
数を有する波の波長は非常に短いことから、たとえば構
造物としての転石や岩塊の表面部における減衰が著しい
ということである。

【００３５】この高周波数成分の有効性についてさらに
説明する。先ず、その強い指向性である。構造物表面に
アンテナによりパルス波を発信すると、構造物内で伝播
する。この時の波は懐中電灯の光柱のように前に進む。
その時の横方向への広がりを示す傾斜角がいろいろな要
素に影響されるが、主に波の周波数と反比例する。すな
わち、周波数が高いほど、傾斜角が小さくなる。

【００３６】表面波の減衰も周知の現象である。高周波
数の場合、波長がごく短くなり、減衰がかなり大きい。
この発明の方法では、以上のような高周波数の弾性波に
関する特性を利用して、自然もしくは人工の構造物の境
界点を特定し、その距離から外形や亀裂部位を非破壊的
に診断する。距離の測定については、表面波の高周波数
成分は表面部における減衰が大きいことから、高周波数
成分を有する反射波の伝播時間を利用して構造物表面と
反射波の発生した構造物の境界点の距離を求めることに
なる。これは、高周波数のパルス波の指向性によるもの
で、この２点を結ぶ方向とパルス発信方向は一致するこ
とによる。このような診断を、対象とする構造物の規模
や形状を考慮して、数カ所でいくつかの方向に対して実
施することにより、最終的にその形状を特定するように
してもよい。

【００３７】前記の距離は、式（２）に従って求められ
ることは言うまでもない。距離の計算については、波が
伝わり、断面の変化部（亀裂）等で一部反射され、戻っ
て来て、接収されるため、断面変化部の距離（Ｌ）は波
の速度（Ｖ）と伝播時間（Δｔ）の積の１／２で求める
ことができる。この伝播時間は計測器から読め、波動伝
播速度は同一材料の場合は変化が小さく、室内実験や経
験から決められる。

【００３８】この発明の方法についてさらにその作用効
果の特徴を説明すると以下のとおりである。ａ）亀裂・剥離の幅を考えた周波数の選択による分解度
の向上応力波と同じように、電磁波も剥離・亀裂の、剛性によ
り、反射・通過する波を選択する特性を持っている。検
出対象の亀裂（剥離）幅に応じ、電磁波信号の周波数帯
域を選択することにより、卓越に反射する周波数成分を
捉え、分解度を著しく向上することができる。

【００３９】ｂ）指向性の向上幅１ｍｍ以下の剥離・亀裂を検出するのに必要な周波数
（波長）では、コンクリート骨材のサイズ（約１０〜３
０ｍｍ）が無視できなく、従来のように、連続体として
の実験・解析結果が応用できなくなる。

【００４０】この発明が考慮している非連続体内では、
高周波数波の指向性が高くなり、このことで、違う位置
からの反射波が互いに干渉しなくて、剥離の位置が簡単
に特定でき、分解度の向上にも貢献する。

【００４１】ｃ）指向角を考慮した、パルス発振間隔の
決定方法違う時間に発振したパルスの反射波が重ねると、画像が
不明確になり、判断しにくくなることがある。そこで、
この発明の方法では、事前に指向角を確認し、受・発信
アンテナの移動速度に応じて、反射波の重ねないよう、
パルスの発信間隔を変化し、画像の鮮明さを確保するこ
とができる。

【００４２】ｄ）初動波の除去打撃による弾性波を用いた方法ではハンマーとコンクリ
ートの接触時間が０．５ｍｓであっても１．０ｍ以下の
浅部の反射波が打撃の初動波と混じり識別できなくな
る。また、センサーは共振型で、その初動波の除去も大
変難しい。一方、この発明では、発・受信は電磁波アン
テナを使用し、機械的な接触時間をなくすことができ
る。また、アンテナの利得をフラットにし、初動波の除
去も容易となる。

【００４３】

【発明の効果】以上詳しく説明したとおり、この出願の
発明によって、高分解度で、しかも高い指向性でのコン
クリート構造物の内部剥離や亀裂、特にトンネル覆工コ
ンクリートにおける浅部亀裂を的確に検知することが可
能となる。また、トンネルの覆工コンクリート等の構造
物をはじめとする地表面に露出している、あるいは地中
に一部埋設されているコンクリート構造物、岩壁、軽石
などの人工、もしくは自然の構造物について、その内部
剥離や浅部亀裂の検知、さらには構造物の形状の検知を
精度よく可能とする新しい高周波数領域電磁レーダー診
断方法が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の方法のための装置構成を例示したブ
ロック図である。

【図２】人力による移動方式を説明した図である。

【図３】車載方式について説明した図である。

【図４】図３と別の例を示した図である。

【図５】システムフローを例示した図である。

【図６】式（１）における伝播と反射の関係を例示した
図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者今枝良仁茨城県つくば市要36−１株式会社青木建設研究所内Ｆターム(参考） 2G047 AA10 BC02 BC03 BC08 BC09 BC11 CB03 EA10 GF06 GF08 GF26 GG17 GH06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】構造物表面においてアンテナによりパル
ス波を発信し、戻ってきた反射波をアンテナにより受信
し、受信した反射波信号から高周波数成分を抽出し、構
造物の内部剥離や浅部亀裂を検知することを特徴とする
構造物の高周波数領域電磁レーダー診断方法。
【請求項２】構造物表面においてアンテナによりパル
ス波を発信し、戻ってきた反射波をアンテナにより受信
し、受信した反射波信号から高周波数成分を抽出し、人
工または自然構造物の端部または亀裂や剥離部の境界点
を検出して形状検知することを特徴とする構造物の高周
波数領域電磁レーダー診断方法。
【請求項３】反射波信号からフィルターにより所要の
高周波数成分のみを抽出して画像表示させる請求項１ま
たは２の診断方法。
【請求項４】受信した反射波信号のうちから、次式【数１】に従っている検知したい亀裂や剥離の大きさに対応した
周波数での信号成分を抽出して検知する請求項１または
３の診断方法。
【請求項５】次式【数２】に従って、亀裂や剥離部までの距離を求める請求項２な
いし４のいずれかの診断方法。
【請求項６】２ＧＨｚ以上の高周波数の成分を抽出す
る請求項１ないし５のいずれかの診断方法。
【請求項７】アンテナを移動させて検知する請求項１
ないし６のいずれかの診断方法。
【請求項８】アンテナの移動速度に対応させてパルス
波の発振間隔を設定する請求項７の診断方法。