JP2009244076A

JP2009244076A - 電磁波レーダを用いた媒質中の異性物の変質状態の検知方法及び検知システム

Info

Publication number: JP2009244076A
Application number: JP2008090584A
Authority: JP
Inventors: Shogo Tanaka; 正吾田中
Original assignee: Yamaguchi University NUC
Current assignee: Yamaguchi University NUC
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2009-10-22

Abstract

【課題】
コンクリートを始めとする媒質中の異性物の変質部、特に異性物である金属又は鉄筋の変質部である腐蝕部の厚さの計測を可能とする。
【解決手段】
媒質の表面に対向して設けられた送信アンテナから電磁波を前記媒質に向けて発信し、信号伝播モデルに基づく予測波形と実際に得られた波形とのパターンマッチングにより、前記変質部の上面からの反射波と前記変質部の下面からの反射波の大きさ及び伝播時間の差を求めることにより前記変質部の厚さを測定する。
【選択図】図３

Description

本発明は、コンクリートを始めとする媒質中の異性物の変質部、特に異性物である金属又は鉄筋の変質部である腐蝕部を電磁波レーダを用いて検知する方法、及び検知システムに関し、電磁波を照射したときに、腐蝕部の上面及び下面からの電磁波反射信号を正確に分離抽出し、これらの伝播時間の差により腐蝕厚の計測を行うものに関する。
媒質としては、コンクリートだけでなく、コンクリート以外の固体（例えば、プラスチック、セラミック、木材、石材、ガラス、土、壁材）、液体、気体が対象となり得る。なお、媒質が液体の場合、誘電率が大きく電磁波の減衰が大きければ異性物までの媒質の厚さは小さくなくてはならない。逆に誘電率が小さければ、媒質の厚さに制限はない。
また、異性物とは、その誘電率がコンクリート等の媒質のそれとは異なる物質を意味する。同様に、変質部についてもその誘電率がコンクリート等の媒質のそれとは異なるものである。

従来、電磁波信号を利用して鉄筋コンクリート構造物の鉄筋腐蝕領域の位置決定を行う方法が特許文献１に開示されている。鉄筋が腐蝕し鉄筋表面が酸化された表面に電磁波信号が当たったとき、そこから反射するエネルギーは、鉄筋の表面が酸化されていない場合より小さく、その結果、反射波の振幅が小さくなる。この事実から、鉄筋コンクリート構造物の鉄筋腐蝕領域の位置決定を行っている。

また、コンクリート構造物の表面に対向して電磁波を発信し、前記コンクリート構造物の表面からの反射波と前記コンクリート構造物の内部に存在する空洞の上面と底面からの反射波との３つの反射波から空洞の存在を探査する方法が特許文献２に開示されている。

また、超音波がコンクリート構造物の表面とクラックの間を往復する際の伝播時間によりクラックの有無の判定や位置の計測を行う超音波法がある。この超音波法は、多重反射波モデルに基づくコンクリート構造物の超音波診断では、超音波センサをコンクリート構造物の表面にいちいち接触させる必要がある。このため測定に熟練を要し、検査に時間もかかる。
特開２００１−１６５８７０号公報特許第３９６２６７号公報

従来は、コンクリート構造物中の金属又は鉄筋の腐蝕の存在の有無を知り得るだけで、腐蝕厚を知ることはできなかった。
さらに、超音波法では、クラックや空洞の上面の位置・深度は計測できても、それらの厚みは計測できない。
そこで、本発明の目的は、コンクリートを始めとする媒質の表面に電磁波を照射したときに、前記媒質中の金属又は鉄筋の腐蝕部の上面及び下面からの電磁波反射信号を正確に分離抽出し、腐蝕厚の計測を可能とする非破壊検査方法、及び非破壊検査システムを提供することである。

この目的を達成するため本発明は次のように構成する。
請求項１に係る発明は、媒質の表面に対向して設けられた送信アンテナから電磁波を前記媒質に向けて送信し、前記媒質中に存在する異性物の変質部を非破壊で検知する非破壊検知方法において、前記媒質の表面からの反射波、前記変質部の上面からの反射波、及び前記変質部の下面からの反射波の３つの反射波を採用し、前記変質部の上面からの反射波として前記変質部からの基本反射波を使用し、前記変質部の下面からの反射波として前記異性物面からの基本反射波を使用することで、信号伝播モデルに基づく予測波形と実際に得られた波形とのパターンマッチングにより、前記変質部の上面からの反射波と前記変質部の下面からの反射波の大きさ及び伝播時間の差を求めることにより前記変質部の誘電率と合わせて前記変質部の厚さを測定することを特徴とする媒質中に存在する異性物の変質部の非破壊検知方法である。
また、請求項２に係る発明は、前記電磁波の送信は前記媒質の表面からリフトオフした状態で行なわれることを特徴とする請求項１に記載の非破壊検知方法である。
また、請求項３に係る発明は、前記媒質は固体であり、前記異性物は金属であり、前記変質部は前記金属の腐蝕部であることを特徴とする請求項１又は２に記載の非破壊検知方法である。
また、請求項４に係る発明は、前記固体はコンクリートであることを特徴とする請求項３に記載の非破壊検知方法。
さらに、請求項５に係る発明は、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の非破壊検知方法を実施するシステムであって、前記システムは、前記媒質の表面に沿って走査可能な走査手段と、前記走査手段に搭載された送信アンテナ及び受信アンテナを具備する電磁波レーダ装置と、前記受信アンテナにより受信された信号を処理する演算処理手段と、前記演算処理手段による演算結果に基づいて前記異性物の状態を判断する判断手段と、を具えることを特徴とする非破壊検知システムである。

本発明の媒質中に存在する異性物の変質部の非破壊検知方法によれば、例えばコンクリート構造物中の金属又は鉄筋の腐蝕部の腐蝕厚、コーティングされた金属面の腐蝕部の腐蝕厚を非破壊で、しかも高信頼性を有して知ることができ、腐蝕部の誘電率をも知ることができる。

コンクリート構造物等の表面に対向して設けた送信アンテナから電磁波を前記コンクリート構造物等に向けて発信し、前記コンクリート構造物等の内部の金属面から反射してくる電磁波を前記コンクリート構造物等の表面に対向して設けた受信アンテナで受波する。

即ち、コンクリート構造物等の表面に沿って走査可能な走査手段と、前記走査手段に搭載された送信アンテナ及び受信アンテナを具備する電磁波レーダ装置と、前記受信アンテナにより受信された信号を処理する演算処理手段と、前記演算処理手段による演算結果に基づいて前記コンクリート構造物等の内部の金属面の状態を判断する判断手段と、を具える非破壊検知システムとして構成される。

媒質をコンクリート構造物とした場合に、コンクリート構造物中の金属に腐蝕部が存在する場合の多重反射波の様子を図１に示す。Ｎｏ．１はコンクリート表面での反射波、Ｎｏ．２は腐蝕部上面での反射波、Ｎｏ．３は金属面での第１反射波、Ｎｏ．４は金属面での第２反射波、Ｎｏ．５は金属面での第３反射波である。

また、図２に媒質境界面での反射率、透過率を示す。
ここで、ｒ_１２は腐蝕部上面での反射率、ｒ_２３は金属面での反射率、ｒ_２１は腐蝕部からコンクリートに向かう際の反射率、τ_１２はコンクリートから腐蝕部への透過率、τ_２１は腐蝕部からコンクリートへの透過率であり、εを比誘電率とすると、以下の式で表わされる。

そこで、実際に受信した受信信号と予測モデル信号とのパターンマッチングを図るために、実際に受信した受信信号をモデル化する。

コンクリート表面からの基本反射波をｒ_１（ｔ）、金属面からの基本反射波をｒ_３（ｔ）とすれば、腐食のない場合は、受信信号ｒ（ｔ）は
でモデル化できる。
ここで、基本反射波とは、誘電率の異なる２つの媒質の境界面での反射波のことを意味する。また、ｃ_１，ｃ_３はそれぞれ基本反射波ｒ_１，ｒ_３に対する大きさの係数である。そして、Ｔ_１、Ｔ_３はそれぞれコンクリート表面及び金属表面までの電磁波往復伝播時間とする(但し、電磁波発射時刻をゼロとしている)。従って、Ｔ_１＜Ｔ_３が成り立つ。

ところが、腐蝕のある場合は、ｒ_２（ｔ）をクラックあるいは異なる媒質境界面からの基本反射波形として、
とモデル化される。ここに、Ｔ_１、Ｔ_２、Ｔ_３はそれぞれコンクリート表面、腐蝕部上面及び金属表面(つまり腐蝕部下面)までの電磁波往復伝播時間である。ここに、Ｔ_１＜Ｔ_２＜Ｔ_３であり(図１参照)、τ_１２、τ_２１及びＲ_１２、Ｒ_２３、Ｒ_２１はそれぞれ媒質境界面での透過率、反射率である(図２参照)。

また、上記（２）式には、腐蝕部下面(つまり金属面)での３つの多重反射波(（２）式右辺の〔〕を展開した際の第３、第４、第５項目)を示しているが、多重反射波の大きさは指数関数的に低下するので、３つ考えておけば十分との理由による。

さらに、上記（１）式、（２）式を意味あるものとすることからも、ｒ_１（ｔ）、ｒ_２（ｔ）、ｒ_３（ｔ）の大きさは自由でよいのではなく、最大振幅値を１にするように規格化している。

一方、腐蝕部下面での多重反射波と同様、コンクリート底面での多重反射波も存在するが、コンクリート底面での第２反射波の到達時刻がそれの第１反射波の到達時刻と大きく異なるので、腐蝕厚の情報を得るには、腐蝕部上面での第１反射波、つまりコンクリート底面からの第１反射波が出現する時間領域（データウィンドウ）での（２）式のようなモデル化を考えておけば十分である。但し、鉄筋や金属までのコンクリート厚が薄い場合のように、コンクリート底面からの第２反射波がコンクリート底面からの第１反射波に重なる場合は、コンクリート底面からの第２反射波もモデルに組み込む必要がある。

ところで、ｒ_３（ｔ）は金属面からの基本反射波であるが、金属が板状とみなせる場合か鉄筋のように棒状の場合か、対象に応じて定まる反射波形である（共に予備実験で求まる）。
さらに、ｒ_１（ｔ）、ｒ_２（ｔ）についても同様に予備実験で求めることができる。なお、r₁(t)については、レーダ走査において鉄筋や金属の影響を受けない部分を前記媒質の表面において確保できるのであれば、このような箇所の前記媒質表面を走査したときの受信信号の平均波形を、前記媒質の表面からの基本反射波形として採用すると良い。しかし、対象として鉄筋コンクリートを念頭におく場合は、レーダをどのように走査させても鉄筋の影響を受け易いので、前記媒質の表面からの基本反射波形を求めるときは、鉄筋と直交交差するようレーダを走査し、このとき得られた受信信号を平均すると良い。このようにすると、平均波形には鉄筋の影響が相殺されて現われない。

なお、（２）式のモデル化においては、腐蝕厚は十分小さいと仮定できるので、この箇所での減衰は無視できるとしている。

次に、腐蝕の有無の検知、腐蝕部の比誘電率、及び腐蝕厚の計測について説明する。
腐蝕の有無の検知は以下のステップ〔１〕、〔２〕のようにして行なう。

ステップ〔１〕
を最小化するようｃ_１、ｃ_３、Ｔ_１、Ｔ_３を決定する。ここに、（・，・）と‖・‖はそれぞれＨｉｌｂｅｒｔ空間の内積及びノルムを表わす。なお、データ収録は所定のサンプリング周期ΔＴの整数倍で行われるので、（３）式の最小化に当っては、ｃ_１、ｃ_３は解析的に求まるものの、Ｔ_１、Ｔ_３の最適化は数値的に行わなければならない。このとき、Ｔ_１、Ｔ_３の最適化はまず所定のサンプリング周期ΔＴで行ない、最適解Ｔ_１ ^０＝Ｍ_１ΔＴ、Ｔ_３ ^０＝Ｍ_３ΔＴを得る。このあと引き続き、Ｔ_１＝Ｍ_１ΔＴ＋ｎ_１（ΔＴ／Ｎ）、Ｔ_３＝Ｍ_３ΔＴ＋ｎ_３（ΔＴ／Ｎ）の形（Ｎは例えば２０、ｎ_１、ｎ_３は０を含む正負の整数)でＴ_１、Ｔ_３をＭ_１ΔＴ、Ｍ_３ΔＴの近傍で微調整し、最終的に（３）式を正確に最小化するＴ_１ ^＊（＝Ｍ_１ΔＴ＋ｎ_１ ^＊（ΔＴ／Ｎ））、Ｔ_３ ^＊（＝Ｍ_３ΔＴ＋ｎ_３ ^＊（ΔＴ／Ｎ））を求める。

このとき、基本反射波形ｒ_１（ｔ）、ｒ_３（ｔ）は当初サンプリング周期ΔＴの時系列で与えられているため、上の微調整を行う際、新たな時系列信号を作るための内挿法を使用することとする。

ステップ〔２〕
次に、（２）式のモデルでＴ_１をＴ_１ ^＊に固定し、パターンマッチング角
を最小化するｃ_１、ｃ_２、ｃ_３、ε_２、Ｔ_２、Ｔ_３を新たに求める。但し、Ｔ_２、Ｔ_３はＴ_２＜Ｔ_３の拘束条件の下で、先に求めたＴ_３ ^＊のごく近傍でのみ行う。このときも、キザミ（ΔＴ／Ｎ）を用いた正確な最適化を行う。ｃ_１、ｃ_２、ｃ_３については解析解を利用するものの、数値的に求めたこのときの最適なε_２、Ｔ_２、Ｔ_３をε_２ ^♯、Ｔ_２ ^♯、Ｔ_３ ^♯とする。なお、コンクリートの比誘電率ε_１は既知とする。未知の場合はコンクリートの標準的な比誘電率を採用すればよい。なお、水分を吸収して標準値からかけ離れた値を持つ場合は、コンクリート表面から金属面までの距離が既知であれば、これらからの反射波の伝播時間差を利用することよりコンクリートの比誘電率が計測できる。

このとき、ステップ［２］での最小マッチング角θ（ε_２ ^♯，Ｔ_１ ^＊，Ｔ_２ ^♯，Ｔ_３ ^♯）とステップ［１］での最小マッチング角θ（Ｔ_１ ^＊，Ｔ_３ ^＊）の間に
が成り立てば、当該ポイントの直下に腐蝕あり、もし（５）式が成立しなければ、腐蝕なしと判断する。これは、（５）式が成り立てば、金属面からの反射波の直前にコンクリート底面からの反射波が存在したことになり、コンクリートと金属面の間に空隙、つまり腐蝕が見つかったことになるからである。

次に、腐蝕厚の計測について説明する。

そして、金属が板状のものか棒状のものかによって基本反射波が異なるので、対象によって基本反射波を変える。

また、鉄筋の場合は、腐蝕厚を測るのにレーダを鉄筋に直交交差させて走査させる方がよい。
また、金属板の場合は、腐蝕部が方向性を持たない場合はレーダの走査方向は任意でよいが、溝状の腐蝕が生じる対象の場合は、電磁波が腐蝕溝に直交するようレーダを走査させる方が感度がよい。

上記の説明では、コンクリート下の金属や鉄筋をとりあえず対象としたが、このような場合と本質的には同一とみなせる他の対象にも適用可能である。

また、地中には、ガス、水道、ケーブル等の埋設管があり、これら埋設管の材質は金属管であったり、非金属管（例えば塩ビ管）であったりする。そして、金属管の場合には腐蝕が問題となり、非金属管の場合には、その変質が問題となる。

即ち、媒質はコンクリートに限定されず、どのような媒質であっても、変質部の誘電率と共に、変質厚を測ることができる。腐蝕部の場合には、その誘電率と共に、腐蝕厚を測ることができる。

なお、前記ステップ〔２〕の探索は、問題の性質上、大域的探索ではなくＴ_３ ^＊のごく近傍で探索しなければならない。仮に、大域的探索を行えば、基本反射波のモデル化誤差により、最適解とは異なる解に収束する危険性がある。

また、パターンマッチングの際の評価関数として、ここでは上記（３）式を採用したが、もちろんこれが唯一のものではなく、これに準ずるものであれば何でも良い。

また、レーダを走査させる場合、レーダを検査対象面より少し持ち上げて（つまりリフトオフして）走査させる方が、電磁波は対象に、延いては腐蝕部に垂直入射しやすく、前記段落〔００２５〕に示した本発明による腐蝕厚計測法では精度が上がる。
（実施の形態）

（１）実施例１(冷却用配管腐蝕供試体)
冷却用配管は鋼管の内側を１５ｍｍ位の厚さのモルタルでコーティングしている。この冷却用配管の腐蝕を模擬するため、幅１０ｍｍ、深さ２ｍｍ、長さ２００ｍｍの溝を鋼板に彫る。その断面を図３の上段に示す。そして、この溝にウレタン樹脂(発泡ウレタン)を埋め、その上を１５ｍｍの厚さのモルタルでコーティングする。

この腐蝕溝に電磁波を直交照射させるようにレーダを溝に平行に走査させたときの受信信号に対して本発明による計測結果を求めてみる。なおレーダは、通常の使用法（使用したレーダではレーダ底面とモルタル表面のギャップは８ｍｍ）、この状態にリフトオフをそれぞれ１０ｍｍ、２０ｍｍ加えたとき（つまりレーダ底面とモルタル表面のギャップをそれぞれ１８ｍｍ、２８ｍｍにした２ケース）の計３ケースに対して計測を行ってみた。もちろん、各ケースに対して、モルタル表面からの基本反射波としては、予め予備実験にて求めたものを用いた。

このとき、腐蝕溝の段差のあるところは信号伝播モデルが適用できないと思われるので、この箇所を除外すると、リフトオフ量がゼロ、１０ｍｍ、２０ｍｍの各ケースに対し腐蝕厚の計測誤差率の平均値を求めると、それぞれ１０．４％、４．７％、２．６％となり、リフトオフがゼロの場合でも十分高精度な腐蝕厚の計測がなされること、及びリフトオフが２０ｍｍの場合には２．６％もの極めて高い精度の腐蝕厚計測がなされることがわかる。

参考のため、リフトオフが２０ｍｍの場合に対する従来のＢモード濃淡画像と本発明による計測結果を図３中段、図３下段に示すが、Ｂモード画像では腐蝕溝の有無さえほとんど検知できないのに比べ、本発明によれば、両側の段差のあるところを除けば、腐蝕溝の厚さが非破壊的に極めて高精度に測れている様子がわかる。また、腐蝕部の比誘電率は本発明によるとほぼ２．３となった。

（２）実施例２(実際の冷却用配管腐蝕)
実際の冷却用配管は、規格の定まった配管を溶接し、その後で管内面を腐蝕から守るようモルタル等でコーティングしている。しかしながら、時間の経過と共に、海水の浸透などにより溶接箇所に腐蝕が生じやすくなる。

いま、レーダのリフトオフをゼロにしたままで、配管内面のモルタル等の表面から、ある溶接線に沿ってレーダを(腐蝕溝に電磁波を直交照射させるよう)移動したときのＢモード濃淡画像を図４（ａ）に、また本発明による計測結果を図４（ｂ）に示すが、最大腐蝕厚は６．９ｍｍであった。またレーダのリフトオフを２０ｍｍにしたときの最大腐蝕厚は７．６ｍｍであった。そして、これらの値を最大腐蝕厚として、図４（ｂ）のようななだらかな腐蝕面が計測された。

本発明による非破壊検査直後にこの箇所を破壊検査したところ、最大腐蝕厚８．０ｍｍが観測され、かつ図４（ｂ）とほとんど同様ななだらかな腐蝕面が観測された。実施例１では、人工的な腐蝕溝のため急激な段差があり、そのため段差のある箇所での腐蝕厚の計測誤差が大きくなったが、現実のなだらかな腐蝕面の場合には、このような問題は生じず、腐食のエッジにおいても腐蝕厚が高精度に計測できている。

ちなみに、このときの腐蝕部の比誘電率は、測定ポイントによって変わるが、１．８〜２．２の間の値をとることがわかった。また、腐蝕厚最大の箇所の腐蝕厚の計測誤差率を求めてみると、８．０ｍｍを仮に真値とすると、レーダのリフトオフがゼロの場合は-１３．８％（＝［（６．９−８．０）／８．０］×１００）、レーダのリフトオフが２０ｍｍの場合は-５．０％（＝［７．６−８．０］／８．０×１００）である。従って、計測誤差率は奇しくも実施例１、２共にほぼ同程度となっている。

このことから、レーダを通常の形で検査対象の表面を走査するよりは、レーダに適当にリフトオフを与えて走査することが望ましいことがわかる。

（３）実施例３(鉄筋コンクリートの鉄筋腐蝕)
製作して２年の鉄筋コンクリートと建造して３５年の橋脚のそれぞれの鉄筋に直交するよう、レーダをリフトオフを２０ｍｍにして走査したときのＢモード濃淡画像を図５（ａ）、（ｂ）に示す。上に凸の円弧状の画像が鉄筋からの反射波を画像化したものに相当するが、前者（同図（ａ））では、この反射波の画像がシャープであるのに対し、後者（同図（ｂ））では、そうではない。つまり、波形が歪んでいたり、色調が薄くなったりしている。従って、従来の画像により、鉄筋の腐蝕がどれだけ進んでいるか定性的にはわかるが、定量的には不明である。

そこで、本発明による方式を適用してみると、レーダのリフトオフがゼロでは、前者と後者の腐蝕厚はそれぞれ０．０９ｍｍ、１．６２ｍｍ、レーダのリフトオフが１０ｍｍ、２０ｍｍの場合は、いずれのリフトオフでも前者と後者の鉄筋の腐蝕厚はそれぞれ０．１０ｍｍ、１．７８ｍｍと計測された。腐蝕厚の計測値はほとんど変わらないが、実施例１及び２の結果をみれば、リフトオフが１０ｍｍあるいは２０ｍｍのときの結果の方がより高精度と考えられる。また、これらの腐蝕部の比誘電率はそれぞれ７．３、２．６となり、空気中のそれ（ε_０＝１）よりも大きいこと、かつ新しい鉄筋の方が古い鉄筋より腐蝕部の比誘電率が大きい（つまり、金属的特性が強い）ことがわかる。本橋脚の表面は実験当日乾燥していたが、湿っている場合など異なった条件下では腐蝕部の比誘電率も変化するため、比誘電率と合わせて腐蝕厚が計測できる本発明による方式は実用的価値が高い。

腐蝕部での多重反射波の様子を示す図である。媒質境界面での反射率、透過率を説明する図である。本発明の実施例１の模擬図、及び計測結果を示す図である。本発明の実施例２のＢモード濃淡画像、及び計測結果を示す図である。本発明の実施例３のＢモード濃淡画像を示す図である。

Claims

媒質の表面に対向して設けられた送信アンテナから電磁波を前記媒質に向けて送信し、前記媒質中に存在する異性物の変質部を非破壊で検知する非破壊検知方法において、
前記媒質の表面からの反射波、前記変質部の上面からの反射波、及び前記変質部の下面からの反射波の３つの反射波を採用し、
前記変質部の上面からの反射波として前記変質部からの基本反射波を使用し、
前記変質部の下面からの反射波として前記異性物面からの基本反射波を使用することで、
信号伝播モデルに基づく予測波形と実際に得られた波形とのパターンマッチングにより、前記変質部の上面からの反射波と前記変質部の下面からの反射波の大きさ及び伝播時間の差を求めることにより前記変質部の誘電率と合わせて前記変質部の厚さを測定することを特徴とする媒質中に存在する異性物の変質部の非破壊検知方法。
前記電磁波の送信は前記媒質の表面からリフトオフした状態で行なわれることを特徴とする請求項１に記載の非破壊検知方法。
前記媒質は固体であり、前記異性物は金属であり、前記変質部は前記金属の腐蝕部であることを特徴とする請求項１又は２に記載の非破壊検知方法。
前記固体はコンクリートであることを特徴とする請求項３に記載の非破壊検知方法。
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の非破壊検知方法を実施するシステムであって、前記システムは、前記媒質の表面に沿って走査可能な走査手段と、前記走査手段に搭載された送信アンテナ及び受信アンテナを具備する電磁波レーダ装置と、前記受信アンテナにより受信された信号を処理する演算処理手段と、前記演算処理手段による演算結果に基づいて前記異性物の状態を判断する判断手段と、を具えることを特徴とする非破壊検知システム。