JP2002243850A - 連続電磁波型トモグラフィ及びその装置 - Google Patents
連続電磁波型トモグラフィ及びその装置Info
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- JP2002243850A JP2002243850A JP2001045531A JP2001045531A JP2002243850A JP 2002243850 A JP2002243850 A JP 2002243850A JP 2001045531 A JP2001045531 A JP 2001045531A JP 2001045531 A JP2001045531 A JP 2001045531A JP 2002243850 A JP2002243850 A JP 2002243850A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】高精度の周波数別トモグラム作像が可能な連続
電磁波型トモグラフィ及びその装置を提供する。 【解決手段】複数周波数の電磁波が段階状に切替わる連
続電磁波16を、地盤１中の測定孔２内の発信機４から発
信する。連続電磁波16が受信可能な所定距離だけ測定孔
２から隔てた受信用の測定孔３内の受信位置において、
受信機５により地盤１透過後の連続電磁波16を受信す
る。発信機４及び受信機５に接続した計測装置９によ
り、各受信位置における連続電磁波16の各周波数f1〜f4
毎に送・受信電磁波間の時間遅れｔ又は振幅減衰A／A0
を検出する。検出した時間遅れｔ又は振幅減衰A／A0に
基づき、発信位置列と受信位置列との間における透過型
電磁波速度トモグラム22sf1〜22sf4又は透過型電磁波振
幅減衰トモグラム22af1〜22af4を作成する。
電磁波型トモグラフィ及びその装置を提供する。 【解決手段】複数周波数の電磁波が段階状に切替わる連
続電磁波16を、地盤１中の測定孔２内の発信機４から発
信する。連続電磁波16が受信可能な所定距離だけ測定孔
２から隔てた受信用の測定孔３内の受信位置において、
受信機５により地盤１透過後の連続電磁波16を受信す
る。発信機４及び受信機５に接続した計測装置９によ
り、各受信位置における連続電磁波16の各周波数f1〜f4
毎に送・受信電磁波間の時間遅れｔ又は振幅減衰A／A0
を検出する。検出した時間遅れｔ又は振幅減衰A／A0に
基づき、発信位置列と受信位置列との間における透過型
電磁波速度トモグラム22sf1〜22sf4又は透過型電磁波振
幅減衰トモグラム22af1〜22af4を作成する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は連続電磁波型トモグ
ラフィ及びその装置に関し、とくに周波数が段階状に切
替わる多周波数連続電磁波の透過によるトモグラフィ及
びその装置に関する。本発明において「トモグラフィ」
とは、多方向からの電磁波の透過量の計測値から計算に
よって断面像、即ちトモグラムを得る方法をいう。
ラフィ及びその装置に関し、とくに周波数が段階状に切
替わる多周波数連続電磁波の透過によるトモグラフィ及
びその装置に関する。本発明において「トモグラフィ」
とは、多方向からの電磁波の透過量の計測値から計算に
よって断面像、即ちトモグラムを得る方法をいう。
【０００２】
【従来の技術】岩盤構造物の設計・施工に際しては、岩
盤の構造や各種物性値を精度良く把握することが必要で
ある。特に、高レベル放射性廃棄物の地層処分のために
は、事前調査段階において数少ないボーリング孔を利用
して地下深部の岩盤を評価することが望まれるが、この
ような場合には、使用する探査手法の探査範囲・精度を
十分把握した上で調査計画を立案すべきである。
盤の構造や各種物性値を精度良く把握することが必要で
ある。特に、高レベル放射性廃棄物の地層処分のために
は、事前調査段階において数少ないボーリング孔を利用
して地下深部の岩盤を評価することが望まれるが、この
ような場合には、使用する探査手法の探査範囲・精度を
十分把握した上で調査計画を立案すべきである。
【０００３】三次元的な岩盤の水理地質構造評価に関し
ては、電磁波が含水状態に対して鋭敏であって、弾性波
や比抵抗等よりも高い分解能を与えるため、電磁波利用
のトモグラフィが適当であると考えられる。
ては、電磁波が含水状態に対して鋭敏であって、弾性波
や比抵抗等よりも高い分解能を与えるため、電磁波利用
のトモグラフィが適当であると考えられる。
【０００４】図２を参照するに、地盤１の地質分布など
を計測する従来のトモグラフィでは、調査すべき断面を
選定し、その断面の両端に送信側の計測孔２と受信側の
計測孔３とを穿つ。計測孔２内の送信機４からパルス波
を送出し、これを計測孔３内の受信機５により受信する
と共に、移動手段17によって受信機５を移動し複数の受
信位置で受信する。送信機４と各受信位置の受信機５と
の間に図３に示すようなレイパス18を想定し、各レイパ
スについて両計測孔２、３間の地盤を透過する際の電磁
波の時間遅れ、振幅減衰などを計測する。
を計測する従来のトモグラフィでは、調査すべき断面を
選定し、その断面の両端に送信側の計測孔２と受信側の
計測孔３とを穿つ。計測孔２内の送信機４からパルス波
を送出し、これを計測孔３内の受信機５により受信する
と共に、移動手段17によって受信機５を移動し複数の受
信位置で受信する。送信機４と各受信位置の受信機５と
の間に図３に示すようなレイパス18を想定し、各レイパ
スについて両計測孔２、３間の地盤を透過する際の電磁
波の時間遅れ、振幅減衰などを計測する。
【０００５】更に送信機４の計測孔２内における位置を
移動手段17によって順次移動させ、複数の送信位置から
電磁波を送信する。各送信位置毎に、送信電磁波を複数
の受信位置で受信する。こうして調査すべき断面を覆う
図３のレイパス網19を、前記レイパス18の集合として得
る。各レイパス18には、例えば両計測孔２、３間におけ
る電磁波信号の時間遅れ又は振幅減衰の計測値が付随す
る。レイパス網19の送・受信位置情報及び前記計測値の
情報に対しトモグラフィ処理を施すことによって、図２
の速度分布トモグラム22s又は振幅減衰分布トモグラム2
2aを作成し、地盤の分析を行う。
移動手段17によって順次移動させ、複数の送信位置から
電磁波を送信する。各送信位置毎に、送信電磁波を複数
の受信位置で受信する。こうして調査すべき断面を覆う
図３のレイパス網19を、前記レイパス18の集合として得
る。各レイパス18には、例えば両計測孔２、３間におけ
る電磁波信号の時間遅れ又は振幅減衰の計測値が付随す
る。レイパス網19の送・受信位置情報及び前記計測値の
情報に対しトモグラフィ処理を施すことによって、図２
の速度分布トモグラム22s又は振幅減衰分布トモグラム2
2aを作成し、地盤の分析を行う。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかし従来の電磁波ト
モグラフィでは、電磁波としてパルス波を用いていた。
このため、送信した電磁波の伝播距離が短く、両計測孔
２、３間の距離を大きく取れないという問題点があっ
た。
モグラフィでは、電磁波としてパルス波を用いていた。
このため、送信した電磁波の伝播距離が短く、両計測孔
２、３間の距離を大きく取れないという問題点があっ
た。
【０００７】更にパルス波による信号は、信号の伝播速
度や振幅減衰を当該パルス波に含まれる周波数成分（図
２のfm〜fn）の全体に対して１つ与えるに過ぎず、いわ
ば全周波数成分に対する平均値として与えるに過ぎな
い。送信位置から受信位置へ進行する電磁波信号の特性
のうち、例えば伝播速度や振幅減衰等の周波数依存性の
あるものについて、個別の周波数での計測値ではなく、
信号に含まれる全周波数成分に対する平均値として与え
る場合には、周波数毎の特性が明確に把握できない欠点
を生じる。例えば周波数f1の伝播速度が開口亀裂の検出
に対して鋭敏であり、周波数f2の伝播速度が亀裂密集帯
の検出に対して鋭敏である場合に、周波数f1及びf2に対
する伝播速度の平均値のみが与えられ、各周波数f1、f2
の個別伝播速度の計測値が与えられない時は、正確な評
価が困難になる。
度や振幅減衰を当該パルス波に含まれる周波数成分（図
２のfm〜fn）の全体に対して１つ与えるに過ぎず、いわ
ば全周波数成分に対する平均値として与えるに過ぎな
い。送信位置から受信位置へ進行する電磁波信号の特性
のうち、例えば伝播速度や振幅減衰等の周波数依存性の
あるものについて、個別の周波数での計測値ではなく、
信号に含まれる全周波数成分に対する平均値として与え
る場合には、周波数毎の特性が明確に把握できない欠点
を生じる。例えば周波数f1の伝播速度が開口亀裂の検出
に対して鋭敏であり、周波数f2の伝播速度が亀裂密集帯
の検出に対して鋭敏である場合に、周波数f1及びf2に対
する伝播速度の平均値のみが与えられ、各周波数f1、f2
の個別伝播速度の計測値が与えられない時は、正確な評
価が困難になる。
【０００８】平均値のみが与えられた場合の困難を解決
するため、図１１に示すようにスペクトル解析を行い、
図１２の振幅スペクトル及び位相スペクトルを得て、個
別周波数の振幅及び位相を推定することが理論的には可
能である。しかし、実際には計測値における誤差と分析
における誤差とが重畳される問題点があり、実用されて
はいない。
するため、図１１に示すようにスペクトル解析を行い、
図１２の振幅スペクトル及び位相スペクトルを得て、個
別周波数の振幅及び位相を推定することが理論的には可
能である。しかし、実際には計測値における誤差と分析
における誤差とが重畳される問題点があり、実用されて
はいない。
【０００９】そこで本発明の目的は、高精度の周波数別
トモグラム作像が可能な連続電磁波型トモグラフィ及び
その装置を提供することにある。
トモグラム作像が可能な連続電磁波型トモグラフィ及び
その装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明者はトモグラフィにおいて、作像すべき断面
に透過させる信号を複数周波数の電磁波が段階状に切替
わる連続電磁波とし且つ連続電磁波に含まれる周波数毎
に送・受信電磁波間の時間遅れなどの特性を計測すれ
ば、周波数別の断面像を正確に作像できることに注目し
た。
め、本発明者はトモグラフィにおいて、作像すべき断面
に透過させる信号を複数周波数の電磁波が段階状に切替
わる連続電磁波とし且つ連続電磁波に含まれる周波数毎
に送・受信電磁波間の時間遅れなどの特性を計測すれ
ば、周波数別の断面像を正確に作像できることに注目し
た。
【００１１】図１及び２を参照するに、本発明の連続電
磁波型トモグラフィは、地盤１中の発信位置列内の各発
信位置で発信機４から周波数f1〜f4が段階状に切替わる
多周波数連続電磁波16（図６参照）を発信し、連続電磁
波16が受信可能な所定距離だけ発信位置列から隔てた地
盤１中の受信位置列内の受信位置において受信機５によ
り各発信位置から地盤１透過後の連続電磁波16を受信
し、発信機４及び受信機５に接続した計測装置９により
各受信位置における連続電磁波16の各周波数f1〜f4毎に
送・受信電磁波間の時間遅れｔ（図９参照）又は振幅減
衰A／A0（図９参照）を検出し、検出された時間遅れｔ
又は振幅減衰A／A0に基づき発信位置列と受信位置列と
の間における透過型電磁波速度トモグラム22sf1〜22sf4
又は透過型電磁波振幅減衰トモグラム22af1〜22af4を作
成してなるものである。
磁波型トモグラフィは、地盤１中の発信位置列内の各発
信位置で発信機４から周波数f1〜f4が段階状に切替わる
多周波数連続電磁波16（図６参照）を発信し、連続電磁
波16が受信可能な所定距離だけ発信位置列から隔てた地
盤１中の受信位置列内の受信位置において受信機５によ
り各発信位置から地盤１透過後の連続電磁波16を受信
し、発信機４及び受信機５に接続した計測装置９により
各受信位置における連続電磁波16の各周波数f1〜f4毎に
送・受信電磁波間の時間遅れｔ（図９参照）又は振幅減
衰A／A0（図９参照）を検出し、検出された時間遅れｔ
又は振幅減衰A／A0に基づき発信位置列と受信位置列と
の間における透過型電磁波速度トモグラム22sf1〜22sf4
又は透過型電磁波振幅減衰トモグラム22af1〜22af4を作
成してなるものである。
【００１２】好ましくは、連続電磁波型トモグラフィに
おいて透過型電磁波速度トモグラム22sf1〜22sf4中の電
磁波速度の分布に基づいて、地盤１中の亀裂の大小、粗
密、地盤の硬軟その他の性状を検出する。この検出に
は、連続電磁波型トモグラフィで得られる透過型振幅減
衰トモグラム22af1〜22af4中の振幅減衰分布、又は前記
速度トモグラム若しくは振幅減衰トモグラムから得られ
る電気伝導度分布（図示せず）を利用することもでき
る。
おいて透過型電磁波速度トモグラム22sf1〜22sf4中の電
磁波速度の分布に基づいて、地盤１中の亀裂の大小、粗
密、地盤の硬軟その他の性状を検出する。この検出に
は、連続電磁波型トモグラフィで得られる透過型振幅減
衰トモグラム22af1〜22af4中の振幅減衰分布、又は前記
速度トモグラム若しくは振幅減衰トモグラムから得られ
る電気伝導度分布（図示せず）を利用することもでき
る。
【００１３】再び図１及び２を参照するに、本発明の連
続電磁波型トモグラム作像装置は、周波数が段階状に切
替わる多周波数連続信号16a（図６参照）を発生する信
号発生器15；該連続信号16aを連続電磁波16として送信
する送信機４；該送信機４を被計測地盤内の所定発信位
置列内の各発信位置へ順次移動する移動手段17；送信機
４からの連続電磁波16を受信する受信機５；該受信機５
を被計測地盤内の所定受信位置列内の各受信位置へ順次
移動する移動手段17；送信機４の送信電磁波と受信機５
の受信電磁波との間の時間遅れｔ（図９参照）又は振幅
減衰A／A0（図９参照）を連続信号中の周波数別に計測
する計測装置９；並びに各送信位置と各受信位置との間
に地質分布を想定し、各想定地質の周波数別の電磁波伝
播速度又は電磁波減衰率に基づき送・受信電磁波間の時
間遅れ又は振幅減衰の周波数別試算値を算出し、周波数
別の計測値の該周波数別試算値に対する残差を求め、地
質分布の修正の反復により周波数別の残差を所定許容値
以下に収束させることにより周波数別の速度トモグラム
又は振幅減衰トモグラムを作成する演算手段20を備えて
なるものである。
続電磁波型トモグラム作像装置は、周波数が段階状に切
替わる多周波数連続信号16a（図６参照）を発生する信
号発生器15；該連続信号16aを連続電磁波16として送信
する送信機４；該送信機４を被計測地盤内の所定発信位
置列内の各発信位置へ順次移動する移動手段17；送信機
４からの連続電磁波16を受信する受信機５；該受信機５
を被計測地盤内の所定受信位置列内の各受信位置へ順次
移動する移動手段17；送信機４の送信電磁波と受信機５
の受信電磁波との間の時間遅れｔ（図９参照）又は振幅
減衰A／A0（図９参照）を連続信号中の周波数別に計測
する計測装置９；並びに各送信位置と各受信位置との間
に地質分布を想定し、各想定地質の周波数別の電磁波伝
播速度又は電磁波減衰率に基づき送・受信電磁波間の時
間遅れ又は振幅減衰の周波数別試算値を算出し、周波数
別の計測値の該周波数別試算値に対する残差を求め、地
質分布の修正の反復により周波数別の残差を所定許容値
以下に収束させることにより周波数別の速度トモグラム
又は振幅減衰トモグラムを作成する演算手段20を備えて
なるものである。
【００１４】また、本発明の連続電磁波型トモグラム作
像プログラムは、周波数が段階状に切替わる多周波数連
続電磁波（図６参照）をそれぞれ送信する複数の送信位
置の座標と、送信位置からの連続電磁波をそれぞれ受信
する複数の受信位置の座標と、送信位置の送信電磁波と
受信位置の受信電磁波との間の周波数別の時間遅れｔ
（図９参照）又は振幅減衰A／A0（図９参照）の計測値
と、想定される地質の周波数別の電磁波伝播速度及び電
磁波減衰率とを入力し；各送信位置と各受信位置との間
に地質分布を想定し；想定地質分布と前記電磁波伝播速
度及び電磁波減衰率とに基づき前記送・受信電磁波間の
周波数別の時間遅れ又は振幅減衰の試算値を算出し；周
波数別の前記計測値と該試算値との間の残差を求め；前
記地質分布の修正の反復により周波数別の前記残差を所
定許容値以下に収束させることにより周波数別の速度ト
モグラム又は振幅減衰トモグラムを作成してなるもので
ある。
像プログラムは、周波数が段階状に切替わる多周波数連
続電磁波（図６参照）をそれぞれ送信する複数の送信位
置の座標と、送信位置からの連続電磁波をそれぞれ受信
する複数の受信位置の座標と、送信位置の送信電磁波と
受信位置の受信電磁波との間の周波数別の時間遅れｔ
（図９参照）又は振幅減衰A／A0（図９参照）の計測値
と、想定される地質の周波数別の電磁波伝播速度及び電
磁波減衰率とを入力し；各送信位置と各受信位置との間
に地質分布を想定し；想定地質分布と前記電磁波伝播速
度及び電磁波減衰率とに基づき前記送・受信電磁波間の
周波数別の時間遅れ又は振幅減衰の試算値を算出し；周
波数別の前記計測値と該試算値との間の残差を求め；前
記地質分布の修正の反復により周波数別の前記残差を所
定許容値以下に収束させることにより周波数別の速度ト
モグラム又は振幅減衰トモグラムを作成してなるもので
ある。
【００１５】好ましくは、前記周波数別の伝播速度トモ
グラム又は振幅減衰トモグラムに基づき前記送信位置と
受信位置との間の周波数別電気伝導度分布図を作成する
（図１のステップ104参照）。
グラム又は振幅減衰トモグラムに基づき前記送信位置と
受信位置との間の周波数別電気伝導度分布図を作成する
（図１のステップ104参照）。
【００１６】
【発明の実施の形態】図１〜９に示す実施例により本発
明の作用を説明する。先ず図１の流れ図のステップ101
に示すように、送信機４から送出すべき計測電磁波であ
る多周波数連続信号16aの波形を選択する。この実施例
では、信号発生器15によって、図６に例示するような多
周波数連続信号16aを発生させる。この信号16aは、異な
った多数の周波数部分を含む連続信号であって、各周波
数部分においては一定周波数と一定振幅を保つ。連続信
号に多数の周波数部分を含めるのは、送受信位置間の電
磁波信号の時間遅れ、振幅減衰等のデータを異なる周波
数に対して個別に計測して取得するためである。ただ
し、異なる周波数部分の振幅を等しくする必要はない。
明の作用を説明する。先ず図１の流れ図のステップ101
に示すように、送信機４から送出すべき計測電磁波であ
る多周波数連続信号16aの波形を選択する。この実施例
では、信号発生器15によって、図６に例示するような多
周波数連続信号16aを発生させる。この信号16aは、異な
った多数の周波数部分を含む連続信号であって、各周波
数部分においては一定周波数と一定振幅を保つ。連続信
号に多数の周波数部分を含めるのは、送受信位置間の電
磁波信号の時間遅れ、振幅減衰等のデータを異なる周波
数に対して個別に計測して取得するためである。ただ
し、異なる周波数部分の振幅を等しくする必要はない。
【００１７】図６（Ａ）の場合には、振幅が常時一定で
あり、周波数が時間部分T0〜T1の部分では一定角周波数
ω0であり、以下時間部分T1〜T2、T2〜T3、……におい
て、それぞれ角周波数がω1、ω2……で一定である。
あり、周波数が時間部分T0〜T1の部分では一定角周波数
ω0であり、以下時間部分T1〜T2、T2〜T3、……におい
て、それぞれ角周波数がω1、ω2……で一定である。
【００１８】図６（Ｂ）の例では、時間部分T0〜T1の部
分で周波数F1が約0.8MHz（≒（1／1.2）×106）であ
り、次の時間部分T1〜T2では周波数が2F1となってお
り、以下同様に周波数が倍増しているが、振幅は一定で
ある。
分で周波数F1が約0.8MHz（≒（1／1.2）×106）であ
り、次の時間部分T1〜T2では周波数が2F1となってお
り、以下同様に周波数が倍増しているが、振幅は一定で
ある。
【００１９】図４は、地盤１に深さ30ｍの計測孔２、３
を間隔25ｍを隔てて掘削し、計測孔２に発信機４による
発信位置を15点想定し、計測孔３に受信機５による受信
位置を15点想定した例を示す。
を間隔25ｍを隔てて掘削し、計測孔２に発信機４による
発信位置を15点想定し、計測孔３に受信機５による受信
位置を15点想定した例を示す。
【００２０】トモグラフィ計測に先立ち本装置の伝播特
性を調べるために、図５に示すように、トンネル７の底
地盤８に穿った計測孔２内に発信機４を固定し、地表受
信機６を底地盤８の表面沿いに移動して計測を行った。
計測結果を同図に併記する。従来のパルス波では水平距
離20ｍ程度で受信信号がノイズレベル以下になるのに対
し、図６の連続電磁波を用いればパルス波による場合の
２〜３倍程度の距離まで信号が検出可能であることを確
認した。
性を調べるために、図５に示すように、トンネル７の底
地盤８に穿った計測孔２内に発信機４を固定し、地表受
信機６を底地盤８の表面沿いに移動して計測を行った。
計測結果を同図に併記する。従来のパルス波では水平距
離20ｍ程度で受信信号がノイズレベル以下になるのに対
し、図６の連続電磁波を用いればパルス波による場合の
２〜３倍程度の距離まで信号が検出可能であることを確
認した。
【００２１】再び図２を参照するに、計測孔２内に配置
した送信機４へ信号発生器15の連続信号16aを送り、連
続電磁波16として送信する。計測孔３内に配置した受信
機５によって、送信機４からの連続電磁波16を受信し、
計測装置９によって送信電磁波と受信電磁波とを比較す
る。図示例では、この比較のために信号発生器15の連続
信号16aを計測装置９経由で送信機４へ送る。図示例で
は、図１の流れ図のステップ102及び103に示すように送
信電磁波と受信電磁波との間の時間遅れｔ（図９参照）
及び振幅減衰A／A0（図９参照）を計測する。計測項目
は、時間遅れと振幅減衰に限定されず、他の物理量、例
えば電磁波伝播特性などを対象にすることができる。
した送信機４へ信号発生器15の連続信号16aを送り、連
続電磁波16として送信する。計測孔３内に配置した受信
機５によって、送信機４からの連続電磁波16を受信し、
計測装置９によって送信電磁波と受信電磁波とを比較す
る。図示例では、この比較のために信号発生器15の連続
信号16aを計測装置９経由で送信機４へ送る。図示例で
は、図１の流れ図のステップ102及び103に示すように送
信電磁波と受信電磁波との間の時間遅れｔ（図９参照）
及び振幅減衰A／A0（図９参照）を計測する。計測項目
は、時間遅れと振幅減衰に限定されず、他の物理量、例
えば電磁波伝播特性などを対象にすることができる。
【００２２】本発明において重要なことは、送信電磁波
と受信電磁波との間の時間遅れ及び振幅減衰の計測を、
段階状の連続信号16aに含まれる全ての周波数について
個別に行う点にある。即ち、各周波数の時間遅れ及び振
幅減衰を、単一のパルス信号による計測値からの計算に
よる誘導値ではなく、直接の計測値として求める。
と受信電磁波との間の時間遅れ及び振幅減衰の計測を、
段階状の連続信号16aに含まれる全ての周波数について
個別に行う点にある。即ち、各周波数の時間遅れ及び振
幅減衰を、単一のパルス信号による計測値からの計算に
よる誘導値ではなく、直接の計測値として求める。
【００２３】一つの送信位置からの電磁波を、計測孔３
内に想定した受信位置、例えば図４の15位置で計測す
る。このため、受信機５の位置を移動手段17によって順
次調節する。次に、計測孔２内の送信機４を移動手段17
により次回の送信位置へ順次移動させ、移動後の送信位
置から送出される電磁波を想定した受信位置で受信して
前記計測を繰り返す。このような送信機４及び受信機５
の移動の反復により、図３に示すようなレイパス網19を
作成する。
内に想定した受信位置、例えば図４の15位置で計測す
る。このため、受信機５の位置を移動手段17によって順
次調節する。次に、計測孔２内の送信機４を移動手段17
により次回の送信位置へ順次移動させ、移動後の送信位
置から送出される電磁波を想定した受信位置で受信して
前記計測を繰り返す。このような送信機４及び受信機５
の移動の反復により、図３に示すようなレイパス網19を
作成する。
【００２４】本発明によればレイパス網19の各レイパス
18に対して、複数の周波数における計測値が付随してい
るので、それらの計測値をデータとして演算手段20に与
えれば、周波数別の複数枚の透過型電磁波速度トモグラ
ム及び透過型振幅減衰トモグラムを得ることができる。
図６（Ｂ）の例において、時間部分T0〜T1、T１〜T２、
T２〜T３、T３〜T４の周波数が夫々F1、F2、F3、F4であ
って、これらの４つの周波数計測が行われたとすると、
図２に示すように、周波数別に、４枚の透過型電磁波速
度トモグラム22sf1〜22sf4及び４枚の透過型電磁波振幅
減衰トモグラム22af1〜22af4を作成できる。更に、図６
（Ａ）のように（ｎ＋１）個の時間部分T0〜T1、T１〜T
２、……、Tｉ〜Ti＋１、……、Tn〜Tn＋１に（ｎ＋
１）個の角周波数ω０、ω1、……、ωi、……、ωnが
夫々割当てられた段階状多周波数連続電磁波16を用いる
場合は、（ｎ＋１）枚の透過型電磁波速度トモグラム22
sω0〜22sωn及び（ｎ＋１）枚の透過型電磁波振幅減衰
トモグラム22aω0〜22aωnを作成することができる。レ
イパス網19及び各レイパス18に対する個別周波数の計測
値が与えられた時に、周波数別トモグラム22を作成する
には種々の方法を用いることができる。
18に対して、複数の周波数における計測値が付随してい
るので、それらの計測値をデータとして演算手段20に与
えれば、周波数別の複数枚の透過型電磁波速度トモグラ
ム及び透過型振幅減衰トモグラムを得ることができる。
図６（Ｂ）の例において、時間部分T0〜T1、T１〜T２、
T２〜T３、T３〜T４の周波数が夫々F1、F2、F3、F4であ
って、これらの４つの周波数計測が行われたとすると、
図２に示すように、周波数別に、４枚の透過型電磁波速
度トモグラム22sf1〜22sf4及び４枚の透過型電磁波振幅
減衰トモグラム22af1〜22af4を作成できる。更に、図６
（Ａ）のように（ｎ＋１）個の時間部分T0〜T1、T１〜T
２、……、Tｉ〜Ti＋１、……、Tn〜Tn＋１に（ｎ＋
１）個の角周波数ω０、ω1、……、ωi、……、ωnが
夫々割当てられた段階状多周波数連続電磁波16を用いる
場合は、（ｎ＋１）枚の透過型電磁波速度トモグラム22
sω0〜22sωn及び（ｎ＋１）枚の透過型電磁波振幅減衰
トモグラム22aω0〜22aωnを作成することができる。レ
イパス網19及び各レイパス18に対する個別周波数の計測
値が与えられた時に、周波数別トモグラム22を作成する
には種々の方法を用いることができる。
【００２５】一例として、物理探査学会の「物理探査ハ
ンドブック、手法編、物理探査学会1998」の778〜779頁
に記載の繰返し近似演算による方法を、本発明の理解に
必要な限度において図７の流れ図により説明する。ステ
ップ701において、例えば利用できる初期モデルがある
場合のデータを演算手段20に入力する。
ンドブック、手法編、物理探査学会1998」の778〜779頁
に記載の繰返し近似演算による方法を、本発明の理解に
必要な限度において図７の流れ図により説明する。ステ
ップ701において、例えば利用できる初期モデルがある
場合のデータを演算手段20に入力する。
【００２６】レイパス網19中の最初に検討するレイパス
18のデータをステップ702で読み取る。電磁波の伝播速
度Vと電気伝導度Ecとの間には次の式（1）の関係がある
ので、地質分布を想定すれば、レイパス18に沿う各周波
数成分毎の電磁波伝播の遅れを算出することができる
（物理探査学会、第６回物理探査基礎講座、講習会テキ
スト、1990年6月、第254頁参照）。ステップ703で最初
のレイパス18に沿って想定した特定周波数の速度分布
を、前記地質分布から割出す。割出した値を、当該レイ
パス18の速度分布仮定値として演算手段20上に書込む。
ステップ703において、そのレイパス18上の速度分布を
演算手段20によってトレイスしながら送信信号と受信信
号との間の時間遅れを試算する。ステップ704におい
て、その試算値と、ステップ702で読取った伝播時間、
即ち時間遅れｔの実測値との間の差を、残差として計算
する。残差のこの計算は、前記繰返し演算の一環として
行う。次いでステップ705において、他のレイパス18に
ついて前記残差を計算して中間モデルを作成する。
18のデータをステップ702で読み取る。電磁波の伝播速
度Vと電気伝導度Ecとの間には次の式（1）の関係がある
ので、地質分布を想定すれば、レイパス18に沿う各周波
数成分毎の電磁波伝播の遅れを算出することができる
（物理探査学会、第６回物理探査基礎講座、講習会テキ
スト、1990年6月、第254頁参照）。ステップ703で最初
のレイパス18に沿って想定した特定周波数の速度分布
を、前記地質分布から割出す。割出した値を、当該レイ
パス18の速度分布仮定値として演算手段20上に書込む。
ステップ703において、そのレイパス18上の速度分布を
演算手段20によってトレイスしながら送信信号と受信信
号との間の時間遅れを試算する。ステップ704におい
て、その試算値と、ステップ702で読取った伝播時間、
即ち時間遅れｔの実測値との間の差を、残差として計算
する。残差のこの計算は、前記繰返し演算の一環として
行う。次いでステップ705において、他のレイパス18に
ついて前記残差を計算して中間モデルを作成する。
【００２７】
【数１】 Ec＝（C0／60π）・（A／A0）・（1／V） ………………（1） ここに、Ec：電気伝導度 A／A0：振幅減衰 V：電磁波の伝播速度 C0：空気中の電磁波の伝播速度
【００２８】前記中間モデルの速度分布仮定値が収束し
ているか否かを、ステップ706において例えば今回の中
間モデルの前記残差と前回の残差との違いの大きさで判
定する。否と判定された場合は、当該レイパス18に沿う
速度分布の想定値を更新し、前記の収束判定を繰り返
す。収束と判定された時には、ステップ707において最
終速度モデル、即ち速度トモグラム22sが得られる。他
の周波数に対する速度トモグラムも同様な手法により得
られる。更に、振幅減衰トモグラム22aも、伝播時間の
替わりに振幅減衰を用い、同様な手法により作像するこ
とができる。
ているか否かを、ステップ706において例えば今回の中
間モデルの前記残差と前回の残差との違いの大きさで判
定する。否と判定された場合は、当該レイパス18に沿う
速度分布の想定値を更新し、前記の収束判定を繰り返
す。収束と判定された時には、ステップ707において最
終速度モデル、即ち速度トモグラム22sが得られる。他
の周波数に対する速度トモグラムも同様な手法により得
られる。更に、振幅減衰トモグラム22aも、伝播時間の
替わりに振幅減衰を用い、同様な手法により作像するこ
とができる。
【００２９】こうして連続電磁波16に含まれる全ての周
波数別のトモグラム22を作像することができる。従っ
て、本発明の目的である高精度の周波数別トモグラム作
像が可能な連続電磁波型トモグラフィ及びその装置の提
供が達成される。
波数別のトモグラム22を作像することができる。従っ
て、本発明の目的である高精度の周波数別トモグラム作
像が可能な連続電磁波型トモグラフィ及びその装置の提
供が達成される。
【００３０】図１のステップ104は、例えば、前記式
（1）の関係を用い、速度トモグラム22s又は振幅減衰ト
モグラム22aから電気伝導度分布図を作る過程を示す。
式（1）が利用可能である場合には、この過程を比例計
算によって行うことができる。
（1）の関係を用い、速度トモグラム22s又は振幅減衰ト
モグラム22aから電気伝導度分布図を作る過程を示す。
式（1）が利用可能である場合には、この過程を比例計
算によって行うことができる。
【００３１】
【実施例】図８は、三つの周波数帯、即ち2.554〜3.781
MHz、3.781〜5.008MHz及び6.234〜7.4MHzの各々に対す
る周波数帯別速度トモグラムを、図５のトンネル７の底
地盤８に対して実測により作成した結果の例示である。
比較的低い周波数帯を用いることにより、地盤中の亀裂
密集域の明確な検出が、図８の2.554〜3.781MHz帯速度
トモグラムにおける電磁波伝播速度が特に低い領域10と
して可能になる。亀裂密集域は、電磁波伝播速度の低い
ことが知られているからである。図１の流れ図における
ステップ105の地質構造の把握は、このような地質構造
中の特定性質部分の検出把握を示す。図示例の亀裂密集
域の領域10は、本発明のトモグラフィによリ作成したト
モグラムにおいて、電磁波速度が、予め選定された最低
電磁波速度40m/nsec以下である部分の中に他の関連要因
をも考慮して推定されたものである。
MHz、3.781〜5.008MHz及び6.234〜7.4MHzの各々に対す
る周波数帯別速度トモグラムを、図５のトンネル７の底
地盤８に対して実測により作成した結果の例示である。
比較的低い周波数帯を用いることにより、地盤中の亀裂
密集域の明確な検出が、図８の2.554〜3.781MHz帯速度
トモグラムにおける電磁波伝播速度が特に低い領域10と
して可能になる。亀裂密集域は、電磁波伝播速度の低い
ことが知られているからである。図１の流れ図における
ステップ105の地質構造の把握は、このような地質構造
中の特定性質部分の検出把握を示す。図示例の亀裂密集
域の領域10は、本発明のトモグラフィによリ作成したト
モグラムにおいて、電磁波速度が、予め選定された最低
電磁波速度40m/nsec以下である部分の中に他の関連要因
をも考慮して推定されたものである。
【００３２】図１０の「トンネル壁面の亀裂」の欄は、
トンネル底面に亀裂が機械的な手法により観察されるこ
とを示し、図８における亀裂密集帯10、小さな亀裂11、
及び開口亀裂12の位置に関する判定結果の妥当性を裏付
けている。
トンネル底面に亀裂が機械的な手法により観察されるこ
とを示し、図８における亀裂密集帯10、小さな亀裂11、
及び開口亀裂12の位置に関する判定結果の妥当性を裏付
けている。
【００３３】図８の3.781〜5.008MHz帯域の速度トモグ
ラムは開口亀裂12を、電磁波伝播速度が特に低い領域と
して示している。更に6.234〜7.4MHz帯域の速度トモグ
ラムは小さな亀裂11を、電磁波伝播速度がやや低い領域
として示している。図１０の「トンネル壁面の亀裂」の
欄は、トンネルの底地盤８及び計測孔２、３の内面にお
けるこれらの開口亀裂12及び小さな亀裂11の端面が、テ
レビカメラによる撮像と画像観察などの手法により検出
できることを示す。即ち、本発明のトモグラフィ計測に
よる開口亀裂12及び小さな亀裂11の判定結果の妥当性を
図１０の観察結果が裏付けている。図示例の開口亀裂12
の存在は、前記最低電磁波速度40m/nsec以下である部分
の中に関連要因をも勘案して推定されたものである。ま
た、小さな亀裂11の存在は、予め選定された限界電磁波
速度60m/nsec以下であるが前記最低電磁波速度40m/nsec
以上である部分の中に他の関連要因をも考慮して推定さ
れたものである。
ラムは開口亀裂12を、電磁波伝播速度が特に低い領域と
して示している。更に6.234〜7.4MHz帯域の速度トモグ
ラムは小さな亀裂11を、電磁波伝播速度がやや低い領域
として示している。図１０の「トンネル壁面の亀裂」の
欄は、トンネルの底地盤８及び計測孔２、３の内面にお
けるこれらの開口亀裂12及び小さな亀裂11の端面が、テ
レビカメラによる撮像と画像観察などの手法により検出
できることを示す。即ち、本発明のトモグラフィ計測に
よる開口亀裂12及び小さな亀裂11の判定結果の妥当性を
図１０の観察結果が裏付けている。図示例の開口亀裂12
の存在は、前記最低電磁波速度40m/nsec以下である部分
の中に関連要因をも勘案して推定されたものである。ま
た、小さな亀裂11の存在は、予め選定された限界電磁波
速度60m/nsec以下であるが前記最低電磁波速度40m/nsec
以上である部分の中に他の関連要因をも考慮して推定さ
れたものである。
【００３４】以上の説明において、地盤構造の断面像へ
の本発明のトモグラフィの適用に言及したが、本発明の
利用は地盤構造のみに限定されるものではなく、地下埋
蔵物の非接触検出などにも応用できる。また、トモグラ
ムは二次元に限定されるものではなく、電磁波透過面を
複数にし各透過面のトモグラムを立体的に重畳して三次
元トモグラムを作像することも可能である。
の本発明のトモグラフィの適用に言及したが、本発明の
利用は地盤構造のみに限定されるものではなく、地下埋
蔵物の非接触検出などにも応用できる。また、トモグラ
ムは二次元に限定されるものではなく、電磁波透過面を
複数にし各透過面のトモグラムを立体的に重畳して三次
元トモグラムを作像することも可能である。
【００３５】
【発明の効果】以上説明したように本発明の連続電磁波
型トモグラフィは、複数周波数が含まれる連続電磁波を
使用して周波数別のトモグラムを作成するので、次の顕
著な効果を奏する。
型トモグラフィは、複数周波数が含まれる連続電磁波を
使用して周波数別のトモグラムを作成するので、次の顕
著な効果を奏する。
【００３６】（イ）周波別の出力を発生するので、広い
周波数帯域が含まれるが持続時間の短いパルスによる従
来のトモグラフィでは、出力が全周波数帯域に平均的と
なるために検出できなかった現象を、高精度で確実に評
価できるようになる。 （ロ）持続時間の短いパルスではエネルギー不足で評価
できなかった事柄を、多周波数の連続電磁波の大きなエ
ネルギーによって確実に評価できる。 （ハ）亀裂の大小や亀裂密度の高低等の地盤性状を、異
なる周波数のトモグラムによって識別することが期待で
きる。 （ニ）地盤構造の三次元計測が理論的に可能になる。 （ホ）岩盤の詳細な含水状態の検出が可能になる。 （ヘ）送信機から送出する電磁波の到達距離を長くする
ことにより、トモグラフィによって評価できる面積を広
げることができる。
周波数帯域が含まれるが持続時間の短いパルスによる従
来のトモグラフィでは、出力が全周波数帯域に平均的と
なるために検出できなかった現象を、高精度で確実に評
価できるようになる。 （ロ）持続時間の短いパルスではエネルギー不足で評価
できなかった事柄を、多周波数の連続電磁波の大きなエ
ネルギーによって確実に評価できる。 （ハ）亀裂の大小や亀裂密度の高低等の地盤性状を、異
なる周波数のトモグラムによって識別することが期待で
きる。 （ニ）地盤構造の三次元計測が理論的に可能になる。 （ホ）岩盤の詳細な含水状態の検出が可能になる。 （ヘ）送信機から送出する電磁波の到達距離を長くする
ことにより、トモグラフィによって評価できる面積を広
げることができる。
【図１】は、本発明によるトモグラフィの流れ図であ
る。
る。
【図２】は、本発明のトモグラフィによる計測及び演算
過程の図式的説明図である。
過程の図式的説明図である。
【図３】は、電磁波信号が伝播するレイパス網を示す説
明図である。
明図である。
【図４】は、発信機及び受信機が配置される計測孔の一
例の説明図である。
例の説明図である。
【図５】は、送受信機の配置の一例の説明図である。
【図６】は、本発明で使う段階状多周波数連続信号の波
形の図式的説明図である。
形の図式的説明図である。
【図７】は、トモグラム作成演算の一例の流れ図であ
る。
る。
【図８】は、トモグラムの一例の説明図である。
【図９】は、送信電磁波及び受信電磁波の波形を示す図
である。
である。
【図１０】は、本発明のトモグラフィによる計測結果の
一例を示す図である。
一例を示す図である。
【図１１】は、従来のスペクトル分析の一例の流れ図で
ある。
ある。
【図１２】は、従来のスペクトル分析の結果の一例を示
すグラフである。
すグラフである。
１…地盤 ２、３…計測孔 ４…送信機 ５…受信機 ６…地表受信機 ７…トンネル ８…トンネル底地盤 ９…計測装置 10…亀裂密集帯 11…ゆるみ帯（小さな亀裂） 12…開口亀裂（大きな亀裂） 15…信号発生器 16…段階状多周波数連続電磁
波 16a…多周波数連続信号 17…移動手段 18…レイパス 19…レイパス網 20…演算手段 22…トモグラム
波 16a…多周波数連続信号 17…移動手段 18…レイパス 19…レイパス網 20…演算手段 22…トモグラム
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 日比谷 啓介 東京都港区元赤坂一丁目２番７号 鹿島建 設株式会社内 (72)発明者 田中 真弓 東京都港区元赤坂一丁目２番７号 鹿島建 設株式会社内 Ｆターム(参考） 5J070 AB17 AC20 AE11 AK22 AK26 BE10
Claims (8)
- 【請求項１】地盤中の発信位置列内の各発信位置で発信
機から周波数が段階状に切替わる多周波数連続電磁波を
発信し、前記連続電磁波が受信可能な所定距離だけ発信
位置列から隔てた地盤中の受信位置列内の受信位置にお
いて受信機により前記各発信位置からの地盤透過後の連
続電磁波を受信し、前記発信機及び受信機に接続した計
測装置により各受信位置における前記連続電磁波の各周
波数毎の送・受信電磁波間の時間遅れ又は振幅減衰を検
出し、検出した時間遅れ又は振幅減衰に基づいて前記発
信位置列と受信位置列との間における透過型電磁波速度
トモグラム又は透過型電磁波振幅減衰トモグラムを作成
してなる連続電磁波型トモグラフィ。 - 【請求項２】請求項１のトモグラフィにおいて、前記速
度トモグラム中の電磁波速度の分布、前記振幅減衰トモ
グラム中の振幅減衰分布、又は前記速度トモグラム若し
くは振幅減衰トモグラムから得られる電気伝導度分布に
基づき地盤性状を検出してなる連続電磁波型トモグラフ
ィ。 - 【請求項３】請求項１又は２のトモグラフィにおいて、
前記連続電磁波の周波数を最低周波数から最高周波数ま
で所定継続時間毎に段階的に切替え、前記所定継続時間
中は一定周波数としてなる連続電磁波型トモグラフィ。 - 【請求項４】請求項１から３の何れかのトモグラフィに
おいて、前記透過型電磁波速度トモグラム中の所定最低
電磁波速度以下の領域に大きな亀裂又は亀裂密集帯の存
在可能性があるとし、前記所定最低電磁波速度より高く
所定の限界電磁波速度以下の領域に小さな亀裂の存在可
能性があるとしてなる連続電磁波型トモグラフィ。 - 【請求項５】周波数が段階状に切替わる多周波数連続信
号を発生する信号発生器；該連続信号を連続電磁波とし
て送信する送信機；該送信機を被計測地盤内の所定発信
位置列内の各発信位置へ順次移動する移動手段；前記送
信機からの連続電磁波を受信する受信機；該受信機を被
計測地盤内の所定受信位置列内の各受信位置へ順次移動
する移動手段；前記送信機の送信電磁波と受信機の受信
電磁波との間の時間遅れ又は振幅減衰を前記連続信号中
の周波数別に計測する計測装置；及び前記各送信位置と
各受信位置との間に地質分布を想定し、各想定地質の周
波数別の送・受信電磁波間の時間遅れ又は振幅減衰の周
波数別試算値を算出し、周波数別の前記計測値に対する
該周波数別試算値の残差を求め、前記地質分布の修正の
反復により周波数別の前記残差を所定許容値以下に収束
させることにより周波数別の速度トモグラム又は振幅減
衰トモグラムを作成する演算手段を備えてなる連続電磁
波型トモグラム作像装置。 - 【請求項６】請求項５の作像装置において、前記演算手
段により、前記周波数別の速度トモグラム又は振幅減衰
トモグラムに基づき前記送信位置と受信位置との間の周
波数別電気伝導度分布図を作成してなる連続電磁波型ト
モグラム作像装置。 - 【請求項７】周波数が段階状に切替わる多周波数連続電
磁波をそれぞれ送信する複数の送信位置の座標と、前記
送信位置からの連続電磁波をそれぞれ受信する複数の受
信位置の座標と、前記送信位置の送信電磁波と受信位置
の受信電磁波との間の周波数別の時間遅れ又は振幅減衰
の計測値と、想定される地質の周波数別の電気伝導度及
び電磁波減衰率とを入力し；前記各送信位置と各受信位
置との間に地質分布を想定し；想定地質分布と前記電気
伝導度及び電磁波減衰率とに基づき前記送・受信電磁波
間の周波数別の時間遅れ又は振幅減衰の試算値を算出
し；周波数別の前記計測値と該試算値との間の残差を求
め；前記地質分布の修正の反復により周波数別の前記残
差を所定許容値以下に収束させることにより周波数別の
速度トモグラム又は振幅減衰トモグラムを作成してなる
連続電磁波型トモグラム作像プログラム。 - 【請求項８】請求項７のプログラムにおいて、前記周波
数別の速度トモグラム又は振幅減衰トモグラムに基づき
前記送信位置と受信位置との間の周波数別電気伝導度分
布図を作成してなる連続電磁波型トモグラム作像プログ
ラム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001045531A JP3763400B2 (ja) | 2001-02-21 | 2001-02-21 | 連続電磁波型トモグラフィ及びその装置 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002243850A true JP2002243850A (ja) | 2002-08-28 |
| JP3763400B2 JP3763400B2 (ja) | 2006-04-05 |
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ID=18907314
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001045531A Expired - Fee Related JP3763400B2 (ja) | 2001-02-21 | 2001-02-21 | 連続電磁波型トモグラフィ及びその装置 |
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|---|---|
| JP (1) | JP3763400B2 (ja) |
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| JP2008530581A (ja) * | 2005-02-17 | 2008-08-07 | トライアンフ，オペレーティング アズ ア ジョイント ヴェンチャー バイ ザ ガバナーズ オブ ザ ユニバーシティ オブ アルバータ，ザ ユニバーシティ オブ ブリティッシュ コロンビア，カールトン | 宇宙線を用いた地質トモグラフィ |
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2001
- 2001-02-21 JP JP2001045531A patent/JP3763400B2/ja not_active Expired - Fee Related
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