JP2020165842A - 埋設物探査装置、及びプローブ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】埋設物探査装置の探査精度を向上する。【解決手段】実施形態に係る埋設物探査装置は、プローブ装置と解析装置を備える。プローブ装置は、第１周波数の音波を送受信可能なマトリクス状に配列された複数の第１プローブと、第２周波数の音波を送受信可能なマトリクス状に配列された複数の第２プローブと、を有する。解析装置は、第１周波数の音波が送信されてから複数の第１プローブそれぞれが探査対象物に反射した第１周波数の音波を受信するまでの経過時間に基づいて、探査対象物の位置を推定する第１推定部と、第２周波数の音波が送信されてから複数の第２プローブそれぞれが探査対象物に反射した第２周波数の音波を受信するまでの経過時間に基づいて、探査対象物の位置を推定する第２推定部と、第１推定部と第２推定部の推定結果に基づいて探査対象物の位置を推定する第３推定部と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、埋設物探査装置、及び埋設物探査装置に使用するプローブ装置に関する。

既存の建造物に耐震補強工事を行う場合、ボーリング工事や後打ちアンカ打設工事をする際に、鉄筋の誤切断、埋設配管の誤切断、埋設ケーブルの誤切断などの不具合が多発している。

このような不具合を防止するために、電磁波レーダーを用いた埋設物探査装置等で埋設物の有無を事前に調査することが増えている。埋設物の探査には、例えば、開口合成法を用いた埋設物探査装置が使用される（非特許文献１）。

「全波形サンプリング処理（ＦＳＡＰ）方式を用いた逆散乱イメージング法による欠陥の超音波画像化」 応用力学論文集Ｖｏｌ１３，ｐｐ８９−９７ ２０１０年８月、土木学会

しかしながら、これらの埋設物探査装置では、電磁波レーダーの焦点を深い位置に合わせているため、焦点よりも浅い位置にある埋設物を表示できないことがある。また、ゴーストを生じて、埋設物がないにもかかわらずあたかも埋設物があるかのように表示されることがある。

本発明は、上述の事情の下になされたもので、埋設物探査装置の探査精度を向上することを課題とする。

上記課題を解決するため、実施形態に係る埋設物探査装置は、プローブ装置と解析装置を備える。プローブ装置は、第１周波数の音波を送受信可能なマトリクス状に配列された複数の第１プローブと、第２周波数の音波を送受信可能なマトリクス状に配列された複数の第２プローブと、を有する。解析装置は、第１周波数の音波が送信されてから複数の第１プローブそれぞれが探査対象物に反射した第１周波数の音波を受信するまでの経過時間に基づいて、探査対象物の位置を推定する第１推定部と、第２周波数の音波が送信されてから複数の第２プローブそれぞれが探査対象物に反射した第２周波数の音波を受信するまでの経過時間に基づいて、探査対象物の位置を推定する第２推定部と、第１推定部と第２推定部の推定結果に基づいて探査対象物の位置を推定する第３推定部と、を有する。

実施形態に係る埋設物探査装置のブロック図である。 プローブの構成について説明するための図である。 プローブの形状について説明するための図である。 受信部のブロック図である。 第１推定部のブロック図である。 送信部と受信部の動作について説明するための図である。 距離変換部の動作について説明するための図である。 距離変換部の動作について説明するための図である。 合成部の動作について説明するための図である。 距離変換部の動作について説明するための図である。 合成部の動作について説明するための図である。 第３推定部の動作について説明するための図である。 プローブの配置について説明するための図である。

以下、実施形態に係る埋設物探査装置について、図を参照して説明する。説明にあたっては、相互に直行するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなるＸＹＺ座標系を適宜用いる。

図１は、本実施形態に係る埋設物探査装置１のブロック図である。埋設物探査装置１は、例えば、コンクリートに埋設された鉄筋や配管を探査する装置である。

図１に示されるように、埋設物探査装置１は、プローブ装置１００と解析装置２００とを有する。

（プローブ装置）
図２は、プローブ装置１００の構成について説明するための図である。図２に示されるように、プローブ装置１００は、第１周波数ｆ１の音波を送受信可能なマトリクス状に配列された複数の第１プローブＰと、第２周波数ｆ２の音波を送受信可能なマトリクス状に配列された複数の第２プローブＱと、を有している。図２では、第１プローブＰを文字Ｐを記載した四角で表し、第２プローブを文字Ｑを記載した四角で表している。ここでは、第１周波数ｆ１を５０ｋＨｚ，第２周波数ｆ２を１００ｋＨｚとする。

隣接する第１プローブＰ間の間隔Ｌ１は、第１周波数ｆ１の音波の波長をλ１、コンクリートの中における音波の伝搬速度をＶとすると、式１を満たすように設定される。
Ｌ１≦λ１／２ （式１）
λ１＝Ｖ／ｆ１

コンクリートの中における音波の伝搬速度Ｖを４０００ｍ／ｓ、ｆ１を５０ｋＨｚとすると、Ｌ１は４０ｍｍ以下となる。

隣接する第２プローブＱ間の間隔Ｌ２は、第２周波数ｆ２の音波の波長をλ２、コンクリートの中における音波の伝搬速度をＶとすると、式２を満たすように設定される。
Ｌ２≦λ２／２ （式２）
λ２＝Ｖ／ｆ２

コンクリートの中における音波の伝搬速度Ｖを４０００ｍ／ｓ、ｆ２を１００ｋＨｚとすると、Ｌ２は２０ｍｍ以下となる。

図２において、右上のＰ８の第１プローブＰから右下のＰ１２８の第１プローブＰまでのＸ軸方向の長さＤ１は、コンクリートの中における音波の伝搬速度をＶ、探査しようとするＺ軸方向の深さをＮとすると、式３を満たすように設定される。

Ｎを４００ｍｍとした場合、Ｄ１は３５８ｍｍ以上となる。Ｌ１を４０ｍｍとした場合、Ｘ軸方向に並べる第１プローブＰの数Ｎ１は、９個以上必要となる。ここでは、Ｎ１を１６としている。

右上のＱ７の第２プローブＱから右下のＱ１４０の第２プローブＱまでのＸ軸方向の長さＤ２は、コンクリートの中における音波の伝搬速度をＶ、探査しようとするＺ軸方向の深さをＮとすると、式４を満たすように設定される。

Ｎを４００ｍｍとした場合、Ｄ２は２５３ｍｍ以上となる。Ｌ２を２０ｍｍとした場合、Ｘ軸方向に並べる第２プローブＱの数Ｎ２は、１３個以上必要となる。ここでは、Ｎ２を２０としている。

以上に説明したように、図２に示されるプローブ装置１００では、第１プローブＰがＸ軸方向に１６個、Ｙ軸方向に８個配置されている。図２の左上からＹ方向に向かってＰ１からＰ８の第１プローブＰが配置されている。第１プローブの２行目には、Ｙ方向に向かってＰ９からＰ１６の第１プローブＰが配置されている。第１プローブＰの一番下の行には、Ｙ方向に向かってＰ１２１からＰ１２８の第１プローブＰが配置されている。

第２プローブＱの１行目には、Ｙ方向に向かってＱ１からＱ７の第２プローブＱが配置されている。第２プローブＱの２行目には、Ｙ方向に向かってＱ８からＱ１４の第２プローブＱが配置されている。第２プローブＱの一番下の行には、Ｙ方向に向かってＱ１３４からＱ１４０の第２プローブＱが配置されている。プローブ装置１００は、マトリクス状に配置された１２８個の第１プローブＰと１４０個の第２プローブＱを有している。第２プローブＱそれぞれは、複数の第１プローブＰの間に配置されている。

図３は、第１プローブＰのイメージ図である。第１プローブＰの形状は、立方体である。例えば、第１プローブＰのＸ軸方向の長さＬｘは２１ｍｍであり、Ｙ軸方向の長さＬｙは２１ｍｍであり、Ｚ軸方向の長さは２１ｍｍである。第１プローブＰは、複数の振動素子をマトリクス状に組み合わせて構成されている。第１プローブＰに使用される振動素子は、第１周波数ｆ１の音波に共振する振動素子である。音波が出力される方向を＋Ｚ方向とした場合、第１プローブＰの−Ｚ側にダンパ１２が設けられている。ダンパ１２は、四角錐の部分と矩形部分とからなる。ダンパ１２は、タングステン等で形成されている。ダンパ１２は、音波を＋Ｚ方向に効率よく出力するために設けられる。

第２プローブＱの形状は、立方体である。例えば、第２プローブＱのＸ軸方向の長さＬｘは１１ｍｍであり、Ｙ軸方向の長さＬｙは１１ｍｍであり、Ｚ軸方向の長さは１１ｍｍである。

（解析装置）
図１に示すように、解析装置２００は、送信部２１０、受信部２２０、制御部２５０、第１推定部２６０、第２推定部２７０、第３推定部２８０、表示部３００を有する。

制御部２５０は、ＣＰＵ２５１，ＲＡＭ２５３，ＲＯＭ２５５を備える。ＲＯＭ２５５には、埋設物を探査するためのアプリケーションソフトウエア等が記憶されている。ＲＡＭ２５３は、ＣＰＵ２５１のワーキングエリアとして使用される。ＣＰＵ２５１は、ユーザによる操作及びＲＯＭ２５５に記憶されているアプリケーションソフトウエアに基づいて各部を制御する。

送信部２１０は、第１送信部２１１と第２送信部２１２を有する。第１送信部２１１は、制御部２５０の指示に基づいて、第１周波数ｆ１の音波に対応する信号を第１プローブＰに送信する。具体的には、第１送信部２１１は、例えば、主な周波数成分が５０ｋＨｚであり、信号レベルが２００Ｖの信号を第１プローブＰに送信する。

第２送信部２１２は、制御部２５０の指示に基づいて、第２周波数ｆ２の音波に対応する信号を第２プローブＱに送信する。具体的には、第２送信部２１２は、例えば、主な周波数成分が１００ｋＨｚであり、信号レベルが２００Ｖの信号を第２プローブＱに送信する。

受信部２２０は、第１受信部２３０と第２受信部２４０とを有する。図４は、第１受信部２３０のブロック図である。第１受信部２３０は、第１プローブＰの数（１２８個）に対応する数のＡＭＰ２３１及びＡ／Ｄコンバータ２３２を有している。ＡＭＰ２３１それぞれは、対応する第１プローブＰが受信した音波の信号を増幅する。Ａ／Ｄコンバータ２３２は、増幅された音波の信号をΔｔ（例えば、１００ｎｓ）ごとにサンプリングしてＡ／Ｄ変換する。第１受信部２３０は、第１送信部２１１が信号を送信した時刻ｔ０から各サンプリング時刻までの経過時間Ｔ（ｉ）と受信した音波の信号の強度とをひも付けて、複数の第１プローブＰごとに制御部２５０内のＲＡＭ２５３に記憶する。

第２受信部２４０の構成は、第１受信部２３０の構成とほぼ同じである。第２受信部２４０は、第２プローブＱの数（１４０個）に対応する数のＡＭＰ２３１及びＡ／Ｄコンバータ２３２を有している。

図１に示す第１推定部２６０は、第１周波数ｆ１の音波が送信されてから複数の第１プローブそれぞれが探査対象物に反射した第１周波数ｆ１の音波を受信するまでの経過時間に基づいて、探査対象物の位置を推定する。図５に示されるように、第１推定部２６０は、距離変換部２６１と合成部２６２を有する。

距離変換部２６１は、第１送信部２１１が信号を送信した時刻ｔ０から探査対象物に反射した第１周波数ｆ１の音波を受信するまでの経過時間Ｔ（ｉ）を探査対象物までの距離に変換する。距離変換部２６１は、探査対象物までの距離と信号レベルとをひも付けて、複数の第１プローブＰごとにＲＡＭ２５３に記憶する。

合成部２６２は、複数の第１プローブＰごとに求めた第１プローブＰそれぞれから探査対象物までの距離に基づいて、探査対象物の位置を推定する。また、合成部２６２は、信号レベルで表されたデータを画像データに変換して表示部３００に供給する。詳細は後述する。

図１に示す第２推定部２７０は、第２送信部２１２が信号を送信した時刻ｔ０から探査対象物に反射した第２周波数ｆ２の音波を受信するまでの経過時間Ｔ（ｉ）を探査対象物までの距離に変換する。第２推定部２７０は、探査対象物までの距離と信号レベルとをひも付けて、複数の第２プローブＱごとにＲＡＭ２５３に記憶する。

第２推定部２７０は、複数の第２プローブＱごとに求めた第２プローブＱそれぞれから探査対象物までの距離に基づいて、探査対象物の位置を推定する。また、第２推定部２７０は、信号レベルで表されたデータを画像データに変換して表示部３００に供給する。

第３推定部２８０は、第１推定部２６０と第２推定部２７０の推定結果に基づいて探査対象物の位置を推定する。また、第３推定部２８０は、信号レベルで表されたデータを画像データに変換して表示部３００に供給する。

表示部３００は、液晶ディスプレイである。表示部３００は、第１推定部２６０、第２推定部２７０及び第３推定部２８０から取得した画像データに基づく画像を表示する。

（動作）
次に、埋設物探査装置１の動作について説明する。最初に、第１送信部２１１は、制御部２５０の指示に基づいて、第１周波数ｆ１の音波に対応する信号を１番目の第１プローブＰ（Ｐ１）に送信する。Ｐ１の第１プローブＰは、第１周波数ｆ１の音波を送信する。また、第１送信部２１１は、第１プローブＰに信号を送信した時刻ｔ０を第１受信部２３０に通知する。

Ｐ２からＰ１２８の第１プローブＰは、探査対象物に反射した音波を受信し、受信した信号を解析装置２００に供給する。図４に示す解析装置２００のＡＭＰ２３１は、供給された信号を増幅し、Ａ／Ｄコンバータ２３２に供給する。Ａ／Ｄコンバータ２３２は、第１送信部２１１が信号を送信した時刻ｔ０から各サンプリング時刻までの経過時間Ｔ（ｉ）と信号レベルとをひも付けてＲＡＭ２５３に記憶する。

図６は、送信信号と受信信号との関係を示す図である。図６に示されるように、Ａ／Ｄコンバータ２３２は、増幅された音波の信号をΔｔごとにサンプリングし、Ａ／Ｄ変換して増幅された音波の信号レベルを取得する。Δｔは、例えば１００ｎｓである。Ａ／Ｄコンバータ２３２は、サンプリング周期であるΔｔごとにカウンタを動作させ、カウンタの値ＫにΔｔを掛け合わせて、第１送信部２１１が信号を送信した時刻ｔ０から各サンプリング時刻までの経過時間Ｔ（ｉ）を求める。Ａ／Ｄコンバータ２３２は、経過時間Ｔ（ｉ）と信号レベルとをひも付けてＲＡＭ２５３に記憶する。詳細には、Ａ／Ｄコンバータ２３２は、送信した第１プローブＰがＰ１からＰ１２８の何れのプローブであるかの情報と、ＲＡＭ２５３に送信するデータがＰ１からＰ１２８の何れのプローブで受信した信号のデータであるかを上記の情報とをひも付けてＲＡＭ２５３に記憶する。

図５に示す距離変換部２６１は、第１送信部２１１が信号を送信した時刻ｔ０から探査対象物に反射した第１周波数ｆ１の音波を受信するまでの経過時間Ｔ（ｉ）を、音波を送信した第１プローブＰから探査対象物までの距離ｒ１と、探査対象物から音波を受信した第１プローブＰまでの距離ｒ２に変換する。Ｐ１の第１プローブＰが音波を送信し、Ｐ２の第１プローブＰで探査対象物に反射した音波を受信する場合について図７を参照して説明する。Ｐ１の第１プローブＰから図７に斜線で示す探査対象物までの距離をｒ１、探査対象物からＰ２の第１プローブＰまでの距離をｒ２、コンクリートの中における音波の伝搬速度をＶ、時刻ｔ０から各サンプリング時刻までの経過時間をＴ（ｉ）とすると、式５が成立する。
ｒ１＋ｒ２＝Ｔ（ｉ）×Ｖ （式５）

Ｐ１の第１プローブＰからＰ２の第１プローブＰまでの距離は既知である。また、Ｐ１の第１プローブＰから送信される音波の深さ方向に対する角度も既知である。したがって、Ｐ１の第１プローブＰから探査対象物までの距離ｒ１および探査対象物からＰ２の第１プローブＰまでの距離ｒ２を求めることができる。距離変換部２６１は、信号レベルと経過時間Ｔ（ｉ）から求めた距離ｒ１およびｒ２の値とをひも付けてＲＡＭ２５３に記憶する。

図８は、第１プローブＰで取得したデータを記憶するＲＡＭ２５３に作成される三次元の記憶領域のイメージ図である。三次元の記憶領域は、図２に示されるＸ軸方向に配置されたＰ１からＰ１２１の第１プローブＰの数（１６マス）、Ｙ軸方向に配置されたＰ１からＰ８の第１プローブＰの数（８マス）、及び探査する深さ方向に対応している。探査の分解能Ｍを４ｍｍとした場合、４ｍｍ単位で信号レベルを記憶できるように記憶領域を確保する。探査の分解能Ｍを４ｍｍとし探査する深さＮを４００ｍｍとした場合、１００マスが準備される。つまり、１６×８×１００のマトリクス状の記憶領域が作成される。

距離変換部２６１は、Ｐ１の第１プローブＰが送信してからＰ２の第１プローブＰが探査対象物に反射した音波を受信するまでの経過時間Ｔ（ｉ）から求めた、Ｐ２の第１プローブＰから探査対象物までの距離に対応するマスに、Ｐ２の第１プローブＰが受信した音波の信号レベルの値を入力する。

同様にして、距離変換部２６１は、Ｐ１の第１プローブＰの音波の送信に対して、Ｐ３からＰ１２８の第１プローブＰが受信した探査対象物に反射した音波を受信するまでの経過時間Ｔ（ｉ）から求めた、Ｐ３からＰ１２８の第１プローブＰそれぞれから探査対象物までの距離を求め、距離に対応するマスに信号レベルの値を入力する。

図８に示される例では、Ｐ１の第１プローブＰは送信プローブであるので、１列目のＺ軸方向のすべてのマスが「０」になっている。２列目のＺ軸方向のすべてのマスが「０」であるので、Ｐ９の第１プローブＰは探査対象物に反射した音波を受信していない。Ｐ１７の第１プローブＰは、探査対象物に反射した音波を受信しているので、所定の距離に対応するマスに受信した信号レベルの値が入力されている。

第１送信部２１１は、Ｐ１の第１プローブＰに信号を送信した後、所定時間経過後にＰ２の第１プローブＰに信号を送信する。Ｐ２の第１プローブＰは音波を送信し、Ｐ１及びＰ３からＰ１２８の第１プローブＰは、探査対象物に反射した音波を受信し、解析装置２００に受信した信号を供給する。距離変換部２６１は、Ｐ１及びＰ３からＰ１２８までの１２７個の第１プローブＰが受信した音波について距離ｒ１およびｒ２の値を求める。距離変換部２６１は、距離に対応するマスに信号レベルの値を入力する。

以後、第１送信部２１１は、第１周波数ｆ１の音波に対応する信号をＰ３からＰ１２８の第１プローブＰに順次所定の時間間隔をおいて送信する。距離変換部２６１は、Ｐ３からＰ１２８の第１プローブＰが受信した音波について距離ｒ１およびｒ２の値を求め、距離に対応するマスに信号レベルの値を入力する。距離変換部２６１は、第１プローブＰの音波の送信それぞれに対して、図８に示されるデータを作成する。したがって、距離変換部２６１は、図８に示されるマトリクス状の記憶領域を１６，２５６個（＝１２８×１２７）作成する。

合成部２６２は、距離変換部２６１が作成した１６，２５６個（＝１２８×１２７）のデータを合成する。具体的には、合成部２６２は、１６，２５６個のデータの対応するマスの信号レベルの値を加算する。加算された値が大きいほど、探査対象物が存在する確率が高いことを表す。

また、合成部２６２は、図９に示されるように、加算された信号レベルの値を輝度に変換した画像データを作成する。例えば、合成部２６２は、加算された信号レベルの値を白から黒までの２５６段階の輝度に変換する。例えば、合成部２６２は、加算された信号レベルの値が大きいほど、輝度を低く（黒に近く）する。輝度が低いほど、探査対象物が存在する確率が高いことを表す。また、合成部２６２は、加算された値が所定の閾値以下である場合、加算された信号レベルの値を「０」に置換する。合成部２６２は、作成した画像データを表示部３００に供給する。

Ｐ１からＰ１２８までの第１プローブＰの送信を終えると、第２プローブＱについて、上記と同様の処理を行う。具体的には、第２送信部２１２は、制御部２５０の指示に基づいて、第２周波数ｆ２の音波に対応する信号をＱ１からＱ１４０の第２プローブＱに順次所定の時間間隔をおいて送信する。第２受信部２４０は、第２送信部２１２が信号を送信した時刻ｔ０から各サンプリング時刻までの経過時間Ｔ（ｉ）と受信した信号レベルとをひも付けてＲＡＭ２５３に記憶する。また、第２受信部２４０は、送信した第２プローブＱがＱ１からＱ１４０の何れのプローブであるかの情報と、ＲＡＭ２５３に送信するデータがＱ１からＱ１４０の何れのプローブで受信した信号のデータであるかを上記の情報とをひも付けてＲＡＭ２５３に記憶する。

図１０は、第２プローブＱで取得したデータを記憶するＲＡＭ２５３に作成される三次元の記憶領域のイメージ図である。三次元の記憶領域は、図２に示されるＸ軸方向に配置されたＱ１からＱ１３４の第２プローブＱの数（２０マス）、Ｙ軸方向に配置されたＱ１からＱ７の第１プローブＰの数（７マス）、及び探査する深さ方向に対応している。探査の分解能Ｍを４ｍｍとした場合、４ｍｍ単位で信号レベルを記憶できるように記憶領域を確保する。探査の分解能Ｍを４ｍｍとし探査する深さＮを４００ｍｍとした場合、１００マスが準備される。つまり、２０×７×１００のマトリクス状の記憶領域が作成される。

第２推定部２７０は、第２プローブＱそれぞれに対応する図１０に示されるマトリクス状の記憶領域を１９，４６０個（＝１４０×１３９）作成する。第２推定部２７０は、１９，４６０個のデータの対応するマスの信号レベルの値を加算する。加算された値が大きいほど、探査対象物が存在する確率が高いことを表す。また、第２推定部２７０は、図１１に示されるように、加算された信号レベルの値を輝度に変換した画像データを作成し、表示部３００に供給する。

Ｑ１からＱ１４０までの第２プローブＱの送信を終えると、第３推定部２８０は、第１推定部２６０と第２推定部２７０の推定結果に基づいて探査対象物の位置を推定する。具体的には、第３推定部２８０は、第１推定部２６０の合成部２６２が加算した図８に示す１９，４６０個のマトリクス状に配置されたデータの加算結果と、第２推定部２７０の合成部２６２が加算した図１０に示す１９，４６０個のマトリクス状に配置されたデータの加算結果と、を対応するマスごとに加算する。そして、第３推定部２８０は、加算された値が所定の閾値以下の場合、加算された値を「０」に置換する。第３推定部２８０は、図１２に示されるように、加算された信号レベルの値を輝度に変換した画像データを作成し、表示部３００に供給する。

５０ｋＨｚの音波に基づいて作成した図９に示される画像データでは、深度が浅い位置（−Ｚ側）に対応するマスにゴーストがある。１００ｋＨｚの音波に基づいて作成した図１１に示される画像データでは、深度が浅い位置（−Ｚ側）に対応するマスにゴーストがない。５０ｋＨｚの音波に基づいて作成した画像データと１００ｋＨｚの音波に基づいて作成した画像データとを足し合わせると、ゴースト部分の値は、探査対象物が存在する部分の値に比べて相対的に小さな値になる。第３推定部２８０は、閾値以下の値をノイズと判断して「０」に置換する。したがって、図１２に示されるように、配管等の探査対象物が存在する位置の色は濃く表示されるが、ゴースト部分は表示されていない。

以上に説明したように、本実施形態に係る埋設物探査装置１は、第１周波数ｆ１の音波を送受信可能なマトリクス状に配列された複数の第１プローブＰから取得したデータに基づいて埋設物の位置を推定する第１推定部２６０と、第２周波数ｆ２の音波を送受信可能なマトリクス状に配列された複数の第２プローブＱから取得したデータに基づいて埋設物の位置を推定する第２推定部２７０と、第１推定部が作成したデータと第２推定部が作成したデータに基づいて埋設物の位置を推定する第３推定部２８０を有する。第１周波数ｆ１の音波を送受信可能なマトリクス状に配列された複数の第１プローブＰと第２周波数ｆ２の音波を送受信可能なマトリクス状に配列された複数の第２プローブＱから取得したデータに基づいて埋設物の位置を推定することにより、埋設物探査装置１の探査精度を向上することができる。

第２周波数ｆ２は第１周波数ｆ１より高い周波数であり、第２プローブＱは第１プローブＰに比べて小型である。第２プローブＱは、マトリクス状に配置された第１プローブＰの間に配置されている。小型の第２プローブＱを第１プローブＰの間に配置することにより、プローブ装置１００を小型化することができる。

第１プローブＰは、式３の条件を満たし、第２プローブＱは式４の条件を満たすように配置されている。これにより、探査精度を上げることができる。

第１プローブＰは、式１の条件を満たし、第２プローブＱは式２の条件を満たすように配置されている。これにより、探査精度を上げることができる。

ここで、第１周波数ｆ１の決め方について説明する。鉄筋コンクリート内に含まれる粗骨材の粒径の最大値をＡ、第１周波数ｆ１の波長をλ１とすると、式６の条件を満たす必要がある。
Ａ＜λ１／２ （式６）

音波の伝搬速度をＶとすると、λ１＝Ｖ／ｆ１であるので、式７の条件を満たすように第１周波数ｆ１を設定する。
ｆ１＜Ｖ／（２Ａ） （式７）

例えば、鉄筋コンクリート内に含まれる粗骨材の粒径の最大値をＡを２０ｍｍとした場合、Ｖ＝４０００ｍ／ｓであるので、第１周波数ｆ１を１００ｋＨｚ以下に設定すればよい。音波の半波長が、鉄筋コンクリート内に含まれる粗骨材の粒径の最大値よりも長ければ、音波が粗骨材で散乱することによる、プローブに到達する音波の強度の減衰を抑制することができる。

解析に使用する周波数を２種類とする場合、第２周波数ｆ２は、第１周波数ｆ１の２倍程度に設定する。探査の深さＮが４００ｍｍの場合、第１周波数ｆ１の音波によって４００ｍｍ付近の情報を正確に取得できるが、深さが浅くなるにしたがって取得する情報の精度が低下していく。したがって、中間の深さに音波の焦点を合わせて取得した情報を加えて解析することにより解析精度を向上することができる。

また、上記の説明では、２種類の周波数を使用して解析する場合について説明したが、使用する周波数を２種類に限定する必要はない。解析装置の処理能力と許容されるプローブ装置の大きさに基づいて、使用する周波数の数を増やしてもよい。例えば、使用する周波数を４種類にしてもよい。使用する周波数を４種類とする場合、第２周波数ｆ２を第１周波数ｆ１の１．５倍程度、第３周波数ｆ３を第１周波数ｆ１の２倍程度、第４周波数ｆ４を第１周波数ｆ１の４倍程度に設定する。

また、図２を用いて説明した第１プローブＰ及び第２プローブＱの配置は一例であり、これに限定する必要はない。例えば、図１３に点線で示すように、第２プローブＱを増やしてもよい。また、図２に示す例では、第１プローブＰをＹ軸方向に８個配置しているが、Ｙ軸方向に１６個配置してもよい。

第１プローブＰ及び第２プローブＱの配置は、式１から式４を満たすことが望ましいが、プローブ装置１００を移動させて計測することによりプローブの数を減らすことができる。プローブ装置１００を移動させて計測したデータを合成することにより、解析精度を高くすることができる。具体的には、所定の位置にプローブ装置１００を配置して、各プローブで受信した音波の信号レベルと経過時間とをＲＡＭ２５３に記憶する。次に、プローブ装置１００を移動させて、各プローブで受信した音波の信号レベルと経過時間とをＲＡＭ２５３に記憶する。プローブ装置１００を移動させて、同様の測定を行う。十分なデータを計測後、計測したデータに基づいて第１推定部２６０、第２推定部２７０、第３推定部２８０により、探査対象物の解析を行う。このような処理を行うことにより、解析精度を高くすることができる。また、深い位置の探査が可能になる。

また、第２プローブＱを第１プローブＰを補完するプローブと考える場合、第２プローブＱの数を減らしてもよい。第２プローブＱの数を減らすことにより、解析装置２００の処理負荷を軽くすることができる。

上記の説明では、コンクリートの中における音波の伝搬速度Ｖを４０００ｍ／ｓとして説明したが、コンクリートを構成する材質等により、音波の伝搬速度は異なる。埋設物が埋設されているコンクリートの材質等に対応する音波の伝搬速度を用いて式１〜式７の計算を行う。

また、上記の説明では、コンクリートの中の埋設物を探査する場合について説明したが、埋設物が埋設されている媒体をコンクリートに限定する必要はない。例えば、媒体は、土、木、金属等であってもよい。音波の伝搬速度Ｖを各媒体における伝搬速度とすることにより、上述の方法で探査対象物を探査することができる。

また、探査対象物をものに限定する必要はない。例えば、コンクリートの土台等の中に生じた亀裂や空間を探査することもできる。コンクリートの中に亀裂や隙間がある場合、亀裂や隙間で音波が屈折したり反射強度が変化する。コンクリートの中の亀裂や隙間の有無による音波の反射強度の差が小さい場合、例えば、測定回数を増やして統計処理を行うことにより、解析精度を向上することができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施しうるものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…埋設物探査装置
１２…ダンパ
１００…プローブ装置
２００…解析装置
２１０…送信部
２１１…第１送信部
２１２…第２送信部
２２０…受信部
２３０…第１受信部
２３１…ＡＭＰ
２３２…Ａ／Ｄコンバータ
２４０…第２受信部
２５０…制御部
２６０…第１推定部
２６１…距離変換部
２６２…合成部
２７０…第２推定部
２８０…第３推定部
３００…表示部
Ｐ…第１プローブ
Ｑ…第２プローブ

Claims (9)

1. 第１周波数の音波を送受信可能なマトリクス状に配列された複数の第１プローブと、
   第２周波数の音波を送受信可能なマトリクス状に配列された複数の第２プローブと、
   を有するプローブ装置と、
   前記第１周波数の音波が送信されてから複数の前記第１プローブそれぞれが探査対象物に反射した前記第１周波数の音波を受信するまでの経過時間に基づいて、前記探査対象物の位置を推定する第１推定部と、
   前記第２周波数の音波が送信されてから複数の前記第２プローブそれぞれが前記探査対象物に反射した前記第２周波数の音波を受信するまでの経過時間に基づいて、前記探査対象物の位置を推定する第２推定部と、
   前記第１推定部と前記第２推定部の推定結果に基づいて前記探査対象物の位置を推定する第３推定部と、
   を有する解析装置と、
   を備える埋設物探査装置。
2. 前記第１周波数は、前記第２周波数より低い周波数であり、
   前記第２プローブは、マトリクス状に配置された前記第１プローブの間に配置されている請求項１に記載の埋設物探査装置。
3. 前記第２周波数は、前記第１周波数の２倍の周波数である請求項１または２に記載の埋設物探査装置。
4. 第１方向と前記第１方向に直交する第２方向へマトリクス状に配置された前記第１プローブの、前記第１方向の両端に配置された前記第１プローブ間の距離をＤ１，音波の伝搬速度をＶ，前記第１周波数をｆ１、探査する深さをＮ，としたときに下記の数式１に示される条件を満たす請求項１から３の何れか一項に記載の埋設物探査装置。
   
5. 前記第１周波数をｆ１、音波の伝搬速度をＶ，鉄筋コンクリート内に含まれる粗骨材の粒径の最大値をＡ，としたときに下記の式に示される条件を満たす請求項１から４の何れか一項に記載の埋設物探査装置。
   ｆ１＜２Ｖ／Ａ
6. 隣接する前記第１プローブ間の距離をＬ１，音波の波長をλ１，としたときに下記の式に示される条件を満たす請求項１から５の何れか一項に記載の埋設物探査装置。
   Ｌ１＜λ１／２
7. マトリクスの行もしくは列を構成する前記第１プローブの数Ｎ１は、マトリクスの両端に配置された前記第１プローブ間の距離をＤ１，隣接する前記第１プローブ間の距離をＬ１としたときに下記の式に示される条件を満たす請求項６に記載の埋設物探査装置。
   Ｎ１＞Ｄ１／Ｌ１
8. 前記第１推定部及び前記第２推定部は、距離変換部と合成部とを有し、
   前記第１推定部の距離変換部は、前記第１周波数の音波が送信された時刻から前記探査対象物に反射した前記第１周波数の音波を受信するまでの経過時間に基づいて、前記第１プローブから前記探査対象物までの距離を算出し、算出した距離と受信した音波の強度の値とをひも付けて記憶部に記憶し、
   前記第１推定部の合成部は、複数の前記第１プローブごとに求めた前記第１プローブそれぞれから前記探査対象物までの距離と距離にひも付けられた音波の強度の値とに基づいて、前記探査対象物の位置を推定し、
   前記第２推定部の距離変換部は、前記第２周波数の音波が送信された時刻から前記探査対象物に反射した前記第２周波数の音波を受信するまでの経過時間に基づいて、前記第２プローブから前記探査対象物までの距離を算出し、算出した距離と受信した音波の強度の値とをひも付けて記憶部に記憶し、
   前記第２推定部の合成部は、複数の前記第２プローブごとに求めた前記第２プローブそれぞれから前記探査対象物までの距離と距離にひも付けられた音波の強度の値とに基づいて、前記探査対象物の位置を推定する請求項１から７の何れか一項に記載の埋設物探査装置。
9. 請求項１から８の何れか一項に記載の埋設物探査装置に使用されるプローブ装置。