JP2004163322A

JP2004163322A - 擬似ランダム波を用いた多重発震による非破壊計測方法及び装置

Info

Publication number: JP2004163322A
Application number: JP2002331057A
Authority: JP
Inventors: Junichi Sakakibara; 淳一榊原; Hisakazu Tachika; 久和田近; Yamamoto Tokuo; ヤマモトトクオ; Shigeyuki Mouri; 栄征毛利
Original assignee: National Institute for Rural Engineering; JFE Civil Engineering and Construction Corp
Current assignee: National Institute for Rural Engineering; JFE Civil Engineering and Construction Corp
Priority date: 2002-11-14
Filing date: 2002-11-14
Publication date: 2004-06-10
Anticipated expiration: 2022-11-14
Also published as: JP3717163B2

Abstract

【課題】複数の発震器から同時に発震した信号を分離可能として、多重発震による迅速な測定を可能とする。
【解決手段】コード配列が互いに異なる擬似ランダムコード信号が互いに排他的な性質を持つことを利用し、複数の発震器２０からコード配列が互いに異なる擬似ランダム波を同時に発震・受振し、解析を行なうことで、個々の発震器の信号だけを分離して、複数の発震器位置から別々に発震したと全く同じ効果を得る。
【選択図】図９

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、擬似ランダム波を用いた多重発震による非破壊計測方法及び装置に係り、特に、建設工事、資源採掘等に関わる地盤調査、ダム、堤防、橋梁、トンネル等の既存構造物内部の損傷調査に用いるのに好適な、擬似ランダム波を用いた多重発震による非破壊計測方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
地震防災における地盤の液状化を解明するためには、模型土層を用いた液状化実験を実施する必要があるが、空間的な変化を把握する場合、既存の手法では地盤の静的な変化のみを計測するだけで、動的な変化を計測することはできなかった。即ち、空間的、時間的な変化を同時に把握することができなかった。液状化は地盤の動的な変化であるため、既存の手法で静的な計測を行なうだけでは液状化モデルの解明を行なうに不十分であり、動的な計測が可能な手法が求められていた。
【０００３】
又、空間的・時間的に連続した計測が必要なのは、地盤液状化だけの問題ではなく、人体内部の検査や構造物等についても同様である。即ち、人体を計測するためには、既存のＣＴスキャンやＭＲＩ、超音波等の手法があるが、いずれも計測手法そのものに起因する人体に与える影響（例えばＸ線照射等）が大きく、簡便に計測を行なうことができなかった。又、これらの手法を地盤に適用することは、計測対象物の寸法の問題があり、物理的に不可能であった。
【０００４】
一方、ダムや堤防、橋梁、トンネル等の構造物を調査する場合、計測作業に伴い構造物本来の機能の稼働を停止することが難しいため、調査時間及び計測場所に関する制約や手間に対する制約が大変大きく、十分な計測を行なうことが困難であった。例えば、ダムや堤防の計測を行なう際には、内部の水位を下げたり、放流を停止する必要があったり、道路や橋梁、トンネルの調査では、交通を遮断する必要があるが、一般社会に与える影響を考慮すると、精度の高い調査を短時間で行なうことができず、結果として中途半端な調査に終始することが多かった。
【０００５】
地盤内部を正確に計測する手法には、ボーリング調査等があるが、地盤の連続的な変化を把握するためには、特許文献１や特許文献２で提案したような、２つ以上の計測孔を用いたトモグラフィ計測を行なう必要がある。
【０００６】
【特許文献１】
特開平６−２９４７９３号公報
【特許文献２】
特開平１０−３１９１３２号公報
【０００７】
この際、人体を計測するＣＴスキャンと異なり、地盤におけるトモグラフィ計測は、図１に示す如く、通常、１個の発震器２０を発震孔１０内で矢印Ａに示す如く上下に移動させ、受振孔１２内に設置した複数の受振器３０で受振することにより、音の波線Ｂが地盤６の断面内を万遍無く伝搬するように計測を行なう必要がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１の手法では、発震器２０を移動させる手間が必要となるため、静的な状態変化は計測可能であるが、地盤が短時間で時間的に変化していく様子を連続的に捉えることは不可能であった。又、動的な計測だけでなく、通常の計測においても、例えば深度５０ｍの計測を行なうのに８時間程度の計測時間が必要であるため、現場での制約により計測時間が十分ではない場合、十分な精度の計測を行なうことができない場合もあった。
【０００９】
従来の一例の構成を図２に示す。図において、４０は制御装置、４２はコード作成器、４４は発振波形作成器、４６は音響増幅器、５０はフィルタを含む信号増幅器、５２はノイズの影響を排除するための、例えば発震波と受振波の時間シフト相乗総和で相互相関を算出する相関計算器、５４は出力装置である。
【００１０】
又、図３に示す如く、構造物８の内部の計測を行なう際や、図４に示す如く、反射法により地盤６の資源を探査する際には、発震点２２が１つであるため、正確な計測ができず、一方、複数の発震点を設けた場合には、同時に複数の場所で発震すると、どの発震点から出た波かを識別することができないため、順次発震する必要があり、計測に時間がかかる。
【００１１】
又、特許文献３に記載されたような、多孔質媒体内の流体挙動に関するＢｉｏｔの理論により、弾性波振動＝水が通り抜ける早さ＝透水性の関係を利用して、地盤の透水係数を直接計測することができる音響透水トモグラフィにおいては、計測周波数を変え、地盤の周波数特性を計測、計算することで、図５に示すような透水係数分布を把握することができる。
【００１２】
【特許文献３】
特開２０００−３５４８３号公報
【００１３】
しかしながら、周波数を変えて計測を行なうためには、図６に示す如く、周波数の数だけ発震して、周波数毎に計測を繰り返する必要がある。従って、計測時間が単一の周波数で計測する場合の数倍になってしまい、現場で実用化するには、大きな制約となっていた。例えば、２０点の発震点数について、５周波数のデータを得るためには、２０点×５周波数＝１００発震必要であり、１発震当り１分としても１００分かかってしまう。
【００１４】
発震器２０を移動させる手間を省くためには、図７に示す如く、発震器を複数準備して同時に発震する必要があるが、従来の手法では、個々の発震器からの出力信号を区別することができなかったため、混在した音を分離することが不可能であり、従って、同時に発震を行なう試みは行なわれなかった。
【００１５】
一方、通信分野で使用されている擬似ランダムコード信号において、発振信号を識別するためにコード配列を変えることは、例えば携帯電話機の個体の識別等で既に実用化されている。又、擬似ランダムコードを地盤の内部で使用することも、特許文献１や特許文献２で既に提案されているが、（１）地盤内部では信号の減衰が激しいため、擬似ランダムコードの復元が難しく、コード配列を変えて発震しても分離が難しい、（２）複数の擬似ランダムコードを多重相関計算により分離する計算量が膨大であり、計算時間を考えると、分離作業そのものが実用的ではない、（３）発震器自体が受振器など他の計測機器に比べて非常に高価であるため、複数の発震器を同時に使用するという発想がない等の理由から、１つ１つの技術を単独で用いるだけでは、既存技術の限界を超えることはできなかった。従って、多重擬似ランダムコード信号を地盤調査等に応用することは考えられていなかった。
【００１６】
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、複数の発震器から同時に発震した信号を分離可能として、多重発震による迅速な測定を可能とすることを課題とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、コード配列が互いに異なる擬似ランダムコード信号を用いて、複数の発震器から複数の擬似ランダム波を同時に発震・受振し、解析を行なうことで、個々の発震器の信号だけを分離するようにして、前記課題を解決したものである。
【００１８】
本発明は、又、擬似ランダム波を用いた多重発震による非破壊計測装置を、コード配列が互いに異なる擬似ランダムコード信号を発生する手段と、該擬似ランダムコード信号が与えられ、複数の擬似ランダム波を略同時に発震する複数の発震器と、該発震器から発震された、複数の擬似ランダム波を略同時に受振する受振器と、該受振器で受振された信号を多重相関計算して、各発震器からの信号に分離する解析手段とで構成することにより、前記課題を解決したものである。
【００１９】
従来技術で説明した問題を解決するために、出願人は次の点について新しい試みを実施した。
【００２０】
（１）地盤や構造物による減衰の影響を受け難い、よりノイズに強い擬似ランダムコードの選択的抽出。
【００２１】
通信分野で使われる擬似ランダムコードはノイズの影響を気にする必要がないため、どのコードを用いても特に問題はなかったが、地盤や構造物のように減衰の大きな場所ではノイズの影響を受けるため、ノイズに強い擬似ランダムコードを選択的に作成する必要がある。このため、コードの配列数に制約があるため通常では用いられることの少ない特殊な擬似ランダムコードを作成する。但し、地盤調査等に使用する程度の発震器数と比較するとコードの配列は十分な数がある。
【００２２】
（２）作成した複数の擬似ランダムコードを実地盤内部で使用できる音に変換する際の工夫。
【００２３】
擬似ランダムコードを例えば正弦波等に組み込んで地盤を伝搬させることは既に実用化されているが、複数の信号の合成を正確に表現するためには、高速で発振波形を作成、出力する工夫が必要である。本発明では、ビット数は劣るものの、高速にＡＤ／ＤＡ変換を行なうことが可能な計測装置を用いて発震波形を作成する。
【００２４】
（３）膨大な相関計算を高速で行なうため、ＦＦＴ−逆ＦＦＴ変換を利用した高速相関計算手法の採用。
【００２５】
ＦＦＴ−逆ＦＦＴ変換を用いて相関計算を高速で行なうことは一般的な手法であるが、多重の擬似ランダムコードの相関計算に用いられることはなかった。そこで、相互相関はクロススペクトルの逆フーリエ変換と等しいという関係（ＷｅｉｎｅｒＫｈｉｎｃｈｉｎ）を利用し、離散高速フーリエ変換（ＤＦＦＴ）を用いた手法を検討し、実現した。
【００２６】
（４）複数の発震器をシステムとして組み上げるため、既存のピエゾ型発震器の簡素化、廉価版の製作。
【００２７】
本発明においては、コード配列が互いに異なる擬似ランダムコード信号が互いに排他的な性質を持つ（互いにノイズとなる）ことを利用して、図８に示す如く、複数の発震器２０からコード配列が互いに異なる擬似ランダムコード信号を発震して、受振器３０で受振し、解析を行なうことで、個々の発震器の信号だけを分離する。結果として、複数の発震位置から別々に発震したと同じ効果を得ることができるため、一瞬で地盤や構造物の内部を非破壊で計測することが可能となる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２９】
本実施形態の構成を図９に示す。図２に示した従来の構成では、発震器２０が単独であるため、発震側、受振側共に単純な構成になっているが、本発明によれば、異なるコード配列の信号を作成するための多重コード作成器６０及び多重発振波形作成器６２と、異なるコードを分離するための多重相関計算器６４が必要となる。
【００３０】
図１０に、計算によるシミュレーション結果を示す。５つの波の合成波は、到達迄に影響を受けながら混じり合い、原形（ほぼ正弦波）を失って、一見ノイズのように見えるが、多重相関計算を実施することで、５つの信号（番号１−５）を抽出できた。
【００３１】
これは、図１１に示す如く、３つの周波数を混ぜた場合でも同じであった。
【００３２】
本発明の適用対象は、地盤や構造物に限定されず、人体にも適用できる。人体に適用した場合は、Ｘ線やバリウムを用いることなく、人体に無害な音波を用いて、筋肉や内臓（例えば胃）の動きを検査できる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、複数の発震点から同時に発震した信号を分離することが可能となる。
【００３４】
従って、図１２に示す如く、発震器を上下に移動させることなく、一瞬で計測でき、地盤や構造物等の内部の状態を、空間的・時間的に連続してリアルタイムで計測することができる。従って、例えば地盤の液状化等により地盤が比較的短時間で側方移動したり、地表に噴出したりする様子が、地盤を破壊することなく、図１３に示す如く、アニメーションを見るように外部から正確に計測できるようになる。
【００３５】
又、図１４に示す如く、複数周波数の計測を、発震数を増やすことなく、１回だけの計測で完了することができる。
【００３６】
更に、図１５や図１６に示す如く、構造物や地層に発震器と受振器を複数展開することで、橋脚やトンネル等の構造物の破壊状況（割れ目等）や反射法による地層の断面を瞬時又は短時間で計測することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の問題点を説明するための、地盤の断面図
【図２】従来の構成例を示すブロック図
【図３】従来の問題点を説明するための、構造物の斜視図及び平面図
【図４】同じく地層の断面図
【図５】従来技術で得られる透水係数分布の例を示す線図
【図６】複数の周波数で計測する場合の問題点を説明するための図
【図７】同じく従来の問題点を説明するための説明図
【図８】本発明の概要を示す説明図
【図９】本発明の実施形態の構成を示すブロック図
【図１０】同じく作用を説明するための、同一周波数での相互相関計算結果を示す線図
【図１１】同じく異なる周波数での相互相関計算結果を示す線図
【図１２】本発明の効果を示すための地盤の断面図
【図１３】同じく地盤の時間的な連続変化を示す線図
【図１４】同じく周波数特性を瞬時に測定している様子を示す地盤の断面図
【図１５】同じく構造物内部の状態を計測している様子を示す斜視図
【図１６】同じく地層中資源を探査している様子を示す断面図
【符号の説明】
６…地盤
８…構造物
１０…発震孔
１２…受振孔
２０…発震器
３０…受振器
５０…信号増幅器
６０…多重コード作成器
６２…多重発振波形作成器
６４…多重相関計算器

Claims

コード配列が互いに異なる擬似ランダムコード信号を用いて、複数の発震器から複数の擬似ランダム波を同時に発震・受振し、解析を行なうことで、個々の発震器の信号だけを分離することを特徴とする擬似ランダム波を用いた多重発震による非破壊計測方法。
コード配列が互いに異なる擬似ランダムコード信号を発生する手段と、
該擬似ランダムコード信号が与えられ、複数の擬似ランダム波を略同時に発震する複数の発震器と、
該発震器から発震された、複数の擬似ランダム波を略同時に受振する受振器と、
該受振器で受振された信号を多重相関計算して、各発震器からの信号に分離する解析手段と、
を備えたことを特徴とする擬似ランダム波を用いた多重発震による非破壊計測装置。