JP2007121220A - 電磁波イメージングシステム、構造物透視装置および構造物透視方法 - Google Patents

Abstract

【課題】構造物表面のごみや埃、水分を取り除き、構造物に生じた劣化箇所をより良好なS／N比で透視する。
【解決手段】ミリ波帯の電磁波イメージングシステムであって、構造物の表面に温風を送出する送風装置と、ミリ波帯の電磁波を構造物に照射する電磁波発生装置と、ミリ波帯の電磁波の反射波を検知する１次元検波器アレイと、移動距離を計測する距離センサと、１次元検波器アレイが検出した反射波の強度を数値化する計測装置２と、距離センサが計測した移動距離と、計測装置が数値化した反射波強度とを対応付けた構造物の透視イメージを表示する表示装置３と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁波を用いた構造物診断技術に関し、特に、コンクリートなどの構造物に生じたクラックや剥離等の劣化を電磁波によって非破壊検査する技術に関する。

世の中の建造物に広く用いられているコンクリートには、製造過程や歳月の経過において腐朽や欠陥が生じていることが少なくない。このような腐朽や欠陥は、コンクリートの強度を著しく劣化させ、建造物を危険な状態に陥れる場合がある。具体的には、コンクリート構造物内部でクラックや剥離が発生すると、構造の強度が低下して、場合によっては倒壊する危険性が生じる。地震による建造物倒壊やトンネル覆工コンクリート塊の落下等がその例である。このような事故の防止には、コンクリートの内部クラックや剥離を早期に検知することが必要である。

コンクリートの内部クラックや剥離を検知する方法としては、コンクリートの劣化を外部から目視によって検査する方法が考えられる。また、Ｘ線ＣＴ、超音波イメージング、マイクロ波イメージング、熱分布イメージングなどを用いることにより、建造物内部を破壊することなく、建造物内部を透視する非破壊検査方式を用いることが考えられる。なお、特許文献１および非特許文献２には、コンクリートを検査する方法が記載されている
国際公開第ＷＯ00／52418号パンフレット 小原治之，「コンクリート床版検査用３次元映像化レーダの開発」，第７回地下電磁計測ワークショップ論文集，２００３

さて、建造物に用いられるコンクリートは、実際には、コンクリート表面が壁紙クロスや塗装などによって覆われている場合が多い。このような場合、目視によってコンクリートの劣化を外部から検査することは困難である。

また、非破壊検査方式にＸ線ＣＴを用いた場合、Ｘ線の透過能が大きいためにコンクリートからの反射信号を検知することが難しく、Ｘ線発生器とＸ線検知器とを対向して配置する必要が生じる。そのため、Ｘ線ＣＴを用いた装置は、システム規模が大きくなってしまう、という問題点がある。また、Ｘ線ＣＴを用いた場合は透過型の撮像方式であるため、検査対象となるコンクリート面の後ろ側に、Ｘ線検知装置を配置する必要がある。しかしながら、検査対象となるコンクリートがトンネルや高層ビルの外壁などの場合、コンクリート面の後ろ側にＸ線検知装置を配置することは困難である。

また、超音波イメージングは、パルス状に超音波をコンクリート表面から入射させ、コンクリート中を伝搬する弾性波を検知し、腐朽や欠陥を見通す技術である。そのため、非破壊検査方式に超音波イメージングを用いる場合も、基本的には信号発生器と検知器と対向させることが望ましい。これにより、システム規模が大きくなってしまう、という問題点がある。

また、マイクロ波を用いたイメージング装置は、レーダーシステムを採用してコンクリート内部に埋設された金属管などを探査する用途に用いられているが、空間解像度に難がある。また、熱分布イメージングは、建造物の表面から見た温度分布を可視化するものであって、健全部位と腐朽・欠陥部位において熱伝導特性が異なることを利用するものである。しかしながら、その熱拡散は速やかに広がるため、像に十分な空間解像度が得られないという問題が発生する。

さらに、コンクリートクラックの早期診断には、土木・建築の基準としてミリメートル単位での精度が必要とされている。このミリメートル単位の大きさは、一般に構造物の非破壊検査に用いられている電磁波の波長よりも極めて小さく、電磁波の反射として得られる特徴も極めて小さい信号レベルである。したがって、劣悪なS／N比によって微細なクラックの検知が困難となる場合が多い。例えば、コンクリート表面のごみや埃、水分などが、S／N比を劣化させる要因として挙げられる。すなわち、クラック幅が微細であれば、それに準ずる大きさのごみや埃も当然ながら反射波に影響する。また、電磁波は、水分によって強く減衰する。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、コンクリートなどの構造物表面のごみや埃、水分を取り除きつつ、構造物に生じた劣化箇所をより良好なS／N比で透視することにある。

上記目的を達成するため、第１の発明は、ミリ波帯の電磁波イメージングシステムであって、構造物の表面に温風を送出する送風装置と、ミリ波帯の電磁波を構造物に照射する電磁波発生装置と、前記ミリ波帯の電磁波の反射波を検知する１次元検波器アレイと、移動距離を計測する距離センサと、前記１次元検波器アレイが検出した反射波の強度を数値化する計測装置と、前記距離センサが計測した移動距離と、前記計測装置が数値化した反射波強度とを対応付けた、構造物の透視イメージを表示する表示装置と、を備える。

第２の発明は、第１の発明の電磁波イメージングシステムであって、前記送風装置、前記電磁波発生装置、前記１次元検波器アレイおよび前記距離センサは、ハンディ型の筐体に搭載され、前記筐体の進行方向前方に前記送風装置が設置されている。

第３の発明は、第１の発明の電磁波イメージングシステムであって、構造物の湿度を計測する湿度センサと、前記湿度センサが計測した湿度に応じて、前記送風装置の出力を制御する制御装置と、をさらに備える。

また、第４の発明は、ミリ波帯の電磁波イメージングシステムにおける構造物透視装置であって、構造物の表面に温風を送出する送風装置と、ミリ波帯の電磁波を構造物に照射する電磁波発生装置と、前記ミリ波帯の電磁波の反射波を検知する１次元検波器アレイと、当該構造物透視装置の移動距離を計測する距離センサと、を備え、前記１次元検波器アレイは、前記検知した反射波を、計測装置に送信し、前記距離センサは、前記計測した移動距離を表示装置に送信する。

第５の発明は、第４の発明の構造物透視装置であって、構造物の湿度を計測する湿度センサと、前記湿度センサが計測した湿度に応じて、前記送風装置の出力を制御する制御装置と、をさらに備える。

また、第６の発明は、ミリ波帯の電磁波イメージングシステムにおける構造物透視方法であって、構造物の表面に温風を送出する送風ステップと、ミリ波帯の電磁波を構造物に照射する電磁波照射ステップと、１次元検波器アレイを用いて、前記ミリ波帯の電磁波の反射波を検知する反射波検知ステップと、前記１次元検波器アレイが検出した反射波の強度を数値化する計測ステップと、前記計測ステップで数値化した反射波強度を表示する表示ステップと、を行う。

本発明によれば、コンクリートなどの構造物表面のごみ、埃、水分などを除去することで、構造物に生じた劣化箇所をより良好なS／N比で透視することができる。また、本発明では、建造物の微細な劣化箇所を検知することがきる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る電磁波イメージングシステムの全体構成図である。

電磁波イメージングシステムは、ミリ波帯の電磁波を用いて構造物を透視する構造物表層部透視装置１と、ロックインアンプ（計測器）２と、制御ＰＣ（Personal Computer）３と、を備える。

構造物表層部透視装置１は、筐体１１内部に、電磁波発生器１２と、電磁波検波器アレイ１３と、車輪型距離センサ１４と、湿度センサユニット１５と、クリーニングユニット１６と、を備える。構造物表層部透視装置１の筐体１１は、片手で操作可能な数十センチ四方程度（例えば、全長３００ｍｍ程度）の大きさのハンディ型の筐体であるものとする。

電磁波発生器（ＧＵＮＮ発振器）１２は、94-120 GHz帯の電磁波（以下、「ミリ波」）を発生させる。そして、電磁波発生器１２は、筐体１１に取り付けられたホーンアンテナ等（不図示）を用いて、コンクリート等の透視対象物（以下、「ターゲット」）にミリ波を拡散照射する。なお、本実施形態の電磁波発生器１２の中心周波数は100GHz、電磁波強度は40mWであるものとする。

電磁波発生器１２より照射されたミリ波は、筐体１１の底面の開口部１９からターゲット面へ照射される。そして、照射されたミリ波の反射波が、ターゲット面へ受信アンテナを向けて設置された電磁波検波器アレイ１３によって検知される。電磁波検波器アレイ１３には、例えば電磁波を受信するための平面スロットアンテナ等に、電磁波の反射強度を検知するためのショットキーダイオード等を接続したものを複数個用意し、一列に並べた１次元検波器アレイを用いるものとする。なお、本実施形態の電磁波検波器アレイ１３の素子数は１６個、平面スロットアンテナの間隔は5mm毎、ショットキーダイオードの感度は100mV/mWであるものとする。電磁波検波器アレイ１３は、検知した反射波強度をダイオードの整流作用によって電圧値に変換し、変換した電圧値を検知信号としてロックインアンプ２に送信する。

車輪型距離センサ１４は、筐体１１の移動距離を検知し、マイコンボード（不図示）を経由して、制御ＰＣ３に距離信号（移動距離情報）を伝送する。すなわち、筐体１１を手で走査すると、車輪型距離センサ１４は、走査により移動した距離の情報を制御ＰＣ３に送信する。

ロックインアンプ２は、電磁波検波器アレイ１３から送信された反射波強度（検知信号）を受信し、反射波強度を数値化して制御ＰＣ３に出力する。

制御ＰＣ３は、ロックインアンプ２から出力された反射波強度を入力するとともに、車輪型距離センサ１４から送信された移動距離情報を受信する。そして、制御ＰＣ３は、移動距離に合わせて電磁波検波器アレイ１３が検知した反射波強度値を、当該制御ＰＣ３の出力装置上に次々と描画する。これにより、ターゲット面表層内部の２次元透視画像をリアルタイムに表示（取得）することができる。なお、制御ＰＣ３の出力装置に表示される２次元透視画像については後述する。

次に、構造物表層部透視装置１について、さらに詳しく説明する。

図２は、構造物表層部透視装置１の概略構成図である。図示する構造物表層部透視装置１は、湿度センサユニット１５と、クリーニングユニット１６と、電磁波診断ユニット１７と、距離センサユニット１８と、を備える。なお、湿度センサユニット１５およびクリーニングユニット１６は、当該構造物表層部透視装置１の進行方向に対して、電磁波診断ユニット１７の前方に設置されるものとする。これにより、電磁波診断ユニット１７が透視するコンクリートなどのターゲットの表面を事前に清掃しかつ乾燥させることができる。そして、電磁波診断ユニット１７は、水分による電磁波の減衰などを抑制して、構造物に生じた劣化箇所をより良好なS／N比で透視することができる。

湿度センサユニット１５は、ターゲットの走査面６０の湿度を計測する。すなわち、湿度センサユニット１５の湿度センサ２１は、抵抗計（不図示）などを用いてターゲットの電気抵抗を計測し、当該電気抵抗に基づいてターゲットの湿度（含有水分量）を検出する。そして、湿度センサ２１は、検出した湿度をクリーニングユニット１６に通知する。

クリーニングユニット１６は、ターゲットの表面に付着したごみや埃を取り除くとともに、ターゲットに含まれる水分を除去する。図示するクリーニングユニット１６は、制御装置３１と、マッピングテーブル３２と、駆動装置３３と、送風装置３４とを備える。

マッピングテーブル３２は、湿度毎に、当該湿度に対応する制御パラメータが設定されたテーブルである。制御パラメータは、送風装置３４に対する出力を制御するパラメータであって、例えば、送風温度、単位時間当たりの送風量、風速、送風時間などが挙げられる。より具体的には、例えば、高い湿度の場合は高い送風温度、大風量等の制御パラメータが設定され、一方、低い湿度の場合は低い送風温度、所定の風量等の制御パラメータが設定されているものとする。なお、マッピングテーブル３２は、クリーニングユニット１６のメモリまたは外部記憶装置（不図示）にあらかじめ記憶されているものとする。

制御装置３１は、湿度センサ２１が通知した湿度を受け付けると、マッピングテーブル３２を参照して受け付けた湿度に対応する制御パラメータを特定する。そして、制御装置３１は、特定した制御パラメータを含む制御信号を、駆動装置３３に送出する。駆動装置３３は、制御信号で指定された制御パラメータに基づいて、送風装置３４の出力を制御し駆動する。送風装置３４は、例えば、ドライヤーのようなプロペラ式の温風供給装置であって、駆動装置３３の指示に応じた温度、送風量等の温風（または冷風）をターゲット面に対して送風する。これにより、ターゲット面の湿度に応じて、効率的にターゲット面を乾燥させることができる。

なお、制御装置３１は、送風装置３４が送風を完了した後に、図示しないスピーカから電子音等を鳴らし、クリーニングが完了したことを当該構造物表層部透視装置１の操作者に知らせることとしてもよい。操作者は、電子音を聞いた後、構造物表層部透視装置１をクリーニングユニット１６が清掃したターゲット面まで走査し、電磁波診断ユニット１７を起動してターゲットを診断する。また、制御装置３１は、送風装置３４が送風を完了した後に、クリーニング完了信号を電磁波診断ユニット１７に送出することとしてもよい。この場合、電磁波診断ユニット１７は、自動的に電磁波診断ユニット１７を起動してターゲットの診断を行う。

クリーニングユニット１６がターゲット表面のごみや埃、水分などを除去することで、電磁波診断ユニット１７は、ターゲットの表面クラックを良好なS／N比で検出することができる。すなわち、土木・建設において一般的に要求されるクラック診断のクラック幅の基準値は0.2ｍｍであるが、ごみや埃、水分を取り除くことで、このような微細なクラックを良好なS／N比で検出することができる。なお、ターゲット表面付近の水分を除去することにより、ミリ波の減衰を抑制することができる。

電磁波診断ユニット１７は、電磁波発生器１２と電磁波検波器アレイ１３とを有する。そして、電磁波診断ユニット１７は、図１で説明したように、ターゲットの表層内部を透視し、ターゲットに発生したクラック等の劣化箇所を検知する。距離センサユニット１８の車輪型距離センサ１４は、構造物表層部透視装置１の移動距離を計測し、制御ＰＣ３に送信する。なお、距離センサユニット１８は、車輪型距離センサ１４以外の距離センサを用いて、移動距離を計測することとしてもよい。

次に、本実施形態の電磁波イメージングシステムを用いてコンクリートクラックを撮像した場合について具体的に説明する。

図３に示すコンクリートの表面８１には、幅１ｍｍのクラック８２が発生している。そして、このコンクリートの表面８１に、厚さ５ｍｍ程度の不透明なＡＢＳ樹脂カバー８４を被せた状態で、構造物表層部透視装置１の電磁波診断ユニット１７がコンクリートを透視するものとする。すなわち、ＡＢＳ樹脂カバー８４上で、構造物表層部透視装置１を走査する。これにより、距離センサユニット１８は、移動距離情報を制御ＰＣ３に送信する。また、電磁波診断ユニット１７は、ミリ波を照射するとともに、当該ミリ波の反射波を検知する。そして電磁波診断ユニット１７が検知した反射波強度は、ロックインアンプ２によって数値化され、移動距離と同期をとって制御ＰＣ３の出力装置に２次元透視画像として表示される。

なお、電磁波診断ユニット１７がコンクリートの透視を行う前に、湿度センサユニット１５およびクリーニングユニット１６が動作し、撮像領域８３のごみや埃または水分を除去しておくものとする。また、可視光（目視、ＣＣＤ（Charge Coupled Devices）カメラなど）では、不透明なＡＢＳ樹脂カバー８４の下のクラック８２を観察または検出することができない。

図４は、図３に示すコンクリート表面８１のＡＢＳ樹脂カバー８４で覆われた部分（撮像領域８３）における２次元透視画像の一例である。図示する２次元透視画像では、縦軸が電磁波検波器アレイ１３の１６個の各素子各々検知した反射強度を、横軸が移動距離を示している。図示する２次元透視画像では、コンクリート表面内部に発生しているクラックの箇所が、黒く明瞭に表示されている。すなわち、電磁波診断ユニット１７は、ミリ波を用いることで、ＡＢＳ樹脂カバー８４を透過して、コンクリートに発生したミリメートル単位の微細なクラック８２を検出することができる。

本実施形態によれば、コンクリートなどの構造物の表層クラックを電磁波で検知する場合の諸害である表面のごみ、埃、水分などを効率良く除去することができる。すなわち、本実施形態の構造物表層部透視装置１のクリーニングユニット１６は、ターゲットを電磁波で検知する前に、ターゲット面に対して温風などを送風する。これにより、ターゲット表面のごみ、埃、水分などを除去し、S／N比を向上させることができる。

また、本実施形態では、ミリ波帯の電磁波を用いることにより、マイクロ波レーダや赤外線等では検知できないミリメートル幅の微細な構造物表層のクラックを検知することができる。また、本実施形態では、ミリ波帯の電磁波を用いて構造物を透視することにより、構造物を破壊することなく構造物に発生したクラックなどの劣化箇所を検出することができる。

また、本実施形態の構造物表層部透視装置１の電磁波診断ユニット１７は、ミリ波帯の電磁波を用いた反射型検知であるため、Ｘ線ＣＴのようにターゲットの後ろ側に検波器を設置する必要がない。これにより、簡素なシステム構成（装置の小型化）が可能であって、また、透視する構造物の適用領域（分野）を拡大することができる。

また、本実施形態の構造物表層部透視装置１は、片手で操作可能な大きさのハンディ型装置であるため、現場での可搬性に優れ、また、操作性も良い。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で数々の変形が可能である。例えば、本実施形態のクリーニングユニット１６は、送風装置３４を用いてごみや埃、水分などを取り除く。しかしながら、本発明はこれに限定されず、クリーニングユニット１６は、例えば掃除機のような吸い込み機能を有するものであって、ごみや埃を吸い込むこととしてもよい。また、クリーニングユニット１６は、例えばアイロンのようにコンクリートの表面を高温プレスすることにより、水分を除去することとしてもよい。また、クリーニングユニット１６は、スポンジやパイル地などの吸水性にすぐれた材質のモップ（雑巾）を備え、コンクリートの表面を拭くことにより、水分を除去するし、ごみや埃をモップに吸着させて除去することとしてもよい。

本発明の実施の形態に係る電磁波イメージングシステムの全体構成図である。 構造物表装部透視装置の概略構成図である。 コンクリートクラックの一例を示す図である。 コンクリートクラックの２次元透視画像の一例を示す図である。

符号の説明

１ 構造物表層部透視装置
２ ロックインアンプ
３ 制御ＰＣ
１１ 筐体
１２ 電磁波発生器
１３ 電磁波検波器アレイ
１４ 車輪型距離センサ
１５ 湿度センサユニット
１６ クリーニングユニット
１７ 電磁波診断ユニット
１８ 距離センサユニット
２１ 湿度センサ
３１ 制御装置
３２ マッピングテーブル
３３ 駆動装置
３４ 送風装置

Claims (6)

1. ミリ波帯の電磁波イメージングシステムであって、
   構造物の表面に温風を送出する送風装置と、
   ミリ波帯の電磁波を構造物に照射する電磁波発生装置と、
   前記ミリ波帯の電磁波の反射波を検知する１次元検波器アレイと、
   移動距離を計測する距離センサと、
   前記１次元検波器アレイが検出した反射波の強度を数値化する計測装置と、
   前記距離センサが計測した移動距離と、前記計測装置が数値化した反射波強度とを対応付けた、構造物の透視イメージを表示する表示装置と、を備えること
   を特徴とする電磁波イメージングシステム。
2. 請求項１記載の電磁波イメージングシステムであって、
   前記送風装置、前記電磁波発生装置、前記１次元検波器アレイおよび前記距離センサは、ハンディ型の筐体に搭載され、
   前記筐体の進行方向前方に前記送風装置が設置されていること
   を特徴とする電磁波イメージングシステム。
3. 請求項１記載の電磁波イメージングシステムであって、
   構造物の湿度を計測する湿度センサと、
   前記湿度センサが計測した湿度に応じて、前記送風装置の出力を制御する制御装置と、をさらに備えること
   を特徴とする電磁波イメージングシステム。
4. ミリ波帯の電磁波イメージングシステムにおける構造物透視装置であって、
   構造物の表面に温風を送出する送風装置と、
   ミリ波帯の電磁波を構造物に照射する電磁波発生装置と、
   前記ミリ波帯の電磁波の反射波を検知する１次元検波器アレイと、
   当該構造物透視装置の移動距離を計測する距離センサと、を備え、
   前記１次元検波器アレイは、前記検知した反射波を、計測装置に送信し、
   前記距離センサは、前記計測した移動距離を表示装置に送信すること
   を特徴とする構造物透視装置。
5. 請求項４記載の構造物透視装置であって、
   構造物の湿度を計測する湿度センサと、
   前記湿度センサが計測した湿度に応じて、前記送風装置の出力を制御する制御装置と、をさらに備えること
   を特徴とする構造物透視装置。
6. ミリ波帯の電磁波イメージングシステムにおける構造物透視方法であって、
   構造物の表面に温風を送出する送風ステップと、
   ミリ波帯の電磁波を構造物に照射する電磁波照射ステップと、
   １次元検波器アレイを用いて、前記ミリ波帯の電磁波の反射波を検知する反射波検知ステップと、
   前記１次元検波器アレイが検出した反射波の強度を数値化する計測ステップと、
   前記計測ステップで数値化した反射波強度を表示する表示ステップと、を行うこと
   を特徴とする構造物透視方法。