JP2022020291A - 埋設物探査装置及び埋設物探査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電波の発射がなされる媒質の電気的特性が変化する環境下においても安定した埋設物の探査が行える埋設物探査装置を提供することを目的とする。【解決手段】探査の際にセンサによるセンサ信号を取得し、信号ベクトルとして扱われる電波によって埋設されている埋設物の位置を推定する推定位置を、位置候補ベクトルから選択することで埋設物を探査する埋設物探査装置であって、センサ信号及び前記信号ベクトルを取得する信号取得部と、センサ信号に基づいて応答行列を更新して信号処理を行う信号処理部と、を備え、応答行列は、位置候補ベクトルと信号ベクトルとを関連付ける行列である、埋設物探査装置を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、埋設物探査装置及び埋設物探査方法に関する。

例えば非特許文献１には、電波を用いて海底下埋設物センシングする手法が開示されている。

電波を用いた海底下センシングシステムの開発、電子情報通信学会ソサイエティ大会、２０１９

しかしながら非特許文献１に記載されたような従来の手法では、海水の電気的特性が変化した際に探査装置が受信する受信信号の振幅及び位相の変化量に変化が生じ探査性能が劣化するという課題がある。

本発明の実施の形態の一態様は、電波が送信及び受信される媒質の電気的特性が変化する環境下においても安定した探査が行える埋設物探査装置を提供することを目的とする。

探査の際にセンサによるセンサ信号を取得し、信号ベクトルとして扱われる電波によって埋設されている埋設物の位置を推定する推定位置を、位置候補ベクトルから選択することで埋設物を探査する埋設物探査装置であって、センサ信号及び前記信号ベクトルを取得する信号取得部と、センサ信号に基づいて応答行列を更新して信号処理を行う信号処理部と、を備え、応答行列は、位置候補ベクトルと信号ベクトルとを関連付ける行列である、埋設物探査装置を提供する。

探査の際にセンサによるセンサ信号を取得し、信号ベクトルとして扱われる電波によって埋設されている埋設物の位置を推定する推定位置を、位置候補ベクトルから選択することで埋設物を探査する埋設物探査装置による埋設物探査方法であって、センサ信号及び信号ベクトルを取得する第１のステップと、センサ信号に基づいて応答行列を更新して信号処理を行う第２のステップと、を備え、応答行列は、位置候補ベクトルと信号ベクトルとを関連付ける行列である、埋設物探査方法を提供する。

本発明の実施の形態の一態様によれば、海水中から送信する電波を用いて、海底下に埋設されている物体を、海底面に接触することなく探査することが可能な装置を実現できる。

図１は、第１の実施の形態による埋設物探査装置の構成を示すブロック図である。 図２は、第１の実施の形態による埋設物探査処理の処理手順を示すフローチャートである。 図３は、第１の実施の形態による探査結果と従来の探査結果とを比較する図である。 図４は、第２の実施の形態による埋設物探査装置の構成を示すブロック図である。 図５は、第２の実施の形態による埋設物探査装置が取得する画像を示す図である。 図６は、第２の実施の形態による埋設物探査装置が算出する尤度を示す図である。 図７は、第２の実施の形態による埋設物探査装置が表示する画像を示す図である。 図８は、第２の実施の形態による埋設物探査処理の処理手順を示すフローチャートである。 図９は、第２の実施の形態による埋設物探査装置が表示する他の画像を示す図である。

以下図面を用いて、本発明の実施の形態の一態様を詳述する。

（第１の実施の形態）
まず図１を用いて本実施の形態による埋設物探査装置４について説明する。図１は、本実施の形態による埋設物探査装置４の構成を示すブロック図である。埋設物探査装置４は、例えば海水などの損失媒質１の中から、砂などの損失媒質２の中に埋設されている埋設物３の位置を推定する推定位置

を算出することで埋設物３を探査する。具体的には例えば埋設物探査装置４は、後述の信号ベクトルｙと埋設物の位置候補ベクトルｘと応答行列Ａ（σ，εｒ，ｈ）とから推定位置

を算出する。

埋設物探査装置４には損失媒質１の導電率を計測する導電率計測計５、埋設物探査装置４から海底面２Ａまでの距離ｈを測定する高度計６及び埋設物探査装置４の傾斜ｍを計測する傾斜計７などのセンサが接続される。

埋設物探査装置４は、導電率σと比誘電率εｒ、距離ｈ及び傾斜ｍを含むセンサ信号を導電率計測計５、高度計６及び傾斜計７から取得する。導電率計測計５は、例えばＣＴＤ（Conductivity Temperature Depth profiler）計のような測器としてもよい。

埋設物探査装置４には送信アンテナ８と受信アンテナ９～１２が接続されており、受信アンテナ９～１２は、送信アンテナ８が送信した送信信号に対する信号ｙ１～ｙ４を要素とする信号ベクトルｙとして受信する。

より一般的な表現として信号ベクトルｙの要素数は、受信アンテナ９～１２の個数であるｎ個とする。ｎ＝４の場合、信号ベクトルｙは信号ｙ１～ｙ４を要素とするベクトルとして表すことができる。

信号ベクトルｙは（１）式のように示すことができる。信号ベクトルｙの要素である信号ｙ１～ｙ４は送信アンテナ８と受信アンテナ９～１２との間で電波が伝搬したことによる振幅及び位相の変化を示す。

………（１）

送信アンテナ８及び受信アンテナ９～１２が扱う信号は、例えば周波数が１ＭＨｚである電波とし、後述の図６に示すように、送信アンテナ８及び受信アンテナ９～１２は、送信アンテナ８が受信アンテナ９～１２のいずれとの距離が等しくなるように配置される。

本実施の形態において、海水中における電波の減衰量が１ｍあたり３５ｄＢ程度と非常に大きい周波数帯域である１ＭＨｚの電波を使用することから、埋設物３の個数は探査可能な範囲には１つであるとする。これによって、位置候補ベクトルｘにはスパース性を導入することができる。具体的には位置候補ベクトルｘのうち、埋設物の個数に相当する非ゼロ要素の数は１つしかないと考えることができる。

埋設物探査装置４は、信号取得部１３と、信号処理部１４と、を備える。信号取得部１３は、信号ベクトルｙ及びセンサ信号を取得する。信号処理部１４は、取得した信号ベクトルｙ及びセンサ信号と、予め保存されている位置候補ベクトルｘ＝｛ｘ１、…、ｘ１３０｝及び後述の初期応答行列Ａ（σ０，εｒ０，ｈ０）と、を用いて信号処理を行う信号処理部１４とを備える。

信号取得部１３は、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）などの集積回路とし、信号処理部１４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）によって呼び出されるＲＡＭ（Random Access Memory）に記録されたプログラムとする。

例えば位置候補ベクトルｘ＝｛ｘ１、…、ｘ１３０｝及び初期応答行列Ａ（σ０，εｒ０，ｈ０）などはＲＡＭに予め保存されているものとする。信号取得部１３と信号処理部１４とは例えばＬＡＮ（Local Area Network）経由で情報の送受信を行うものとする。

埋設物探査装置４は、埋設物３が位置候補ベクトルｘ＝｛ｘ１、…、ｘ１３０｝によって表される例えば１３０個のボクセル群１５のいずれか１つの位置に埋設されているものと仮定することで、埋設物３を探査する。

より一般的な表現として位置候補ベクトルの要素である位置候補ｘ１～ｘｌは、ボクセル群１５の個数であるｌ個とする。このとき位置候補ベクトルｘ＝｛ｘ１、…、ｘｌ｝として表すことができる。

位置候補ベクトルｘは、１３０個の要素からなるベクトルとして表すことができる。なお位置候補ベクトルｘは、推定位置

の候補であって、推定位置

は位置候補ベクトルｘの中から選択される。

位置候補ベクトルｘはそれぞれ（２）式のように示すことができる。位置候補ベクトルの要素である位置候補ｘ１～ｘ１３０は所定の点を基準とした際のそれぞれの座標軸におけるボクセルの位置を示す。

………（２）

応答行列Ａ（σ，εｒ，ｈ）は、位置候補ベクトルｘと信号ベクトルｙとを関係づける行列であって、位置候補ベクトルｘと信号ベクトルｙとを用いて（３）式のように表すことができる。なお応答行列Ａ（σ，εｒ，ｈ）は、金属や誘電体といったような埋設物３の材質に応じて変更する必要がある。

………（３）

図２を用いて本実施の形態における埋設物探査処理について説明する。図２は、本実施の形態による埋設物探査処理の処理手順を示すフローチャートである。信号取得部１３は、信号ベクトルｙを受信アンテナ９～１２から取得する（Ｓ１）。

次に信号取得部１３は、センサ信号を導電率計測計５、高度計６及び傾斜計７から導電率σと比誘電率εｒ、距離ｈ及び傾斜ｍを取得する（Ｓ２）。信号取得部１３は、距離ｈと傾斜ｍとから、それぞれの送信アンテナ８及び受信アンテナ９～１２と海底面２Ａとの距離ｈ１～ｈ５を算出する。距離ｈは例えば送信アンテナ８から海底面２Ａまでの距離とする。

次に信号処理部１４は応答行列Ａ（σ，εｒ，ｈ）を更新する（Ｓ３）。応答行列Ａ（σ，εｒ，ｈ）は、導電率σ、比誘電率εｒ及び距離ｈに依存する例えば４行１３０列の行列であって（３）式で表すことができる。ここで、演算子「．＊」は、行列の要素同士の積（要素積）を求めることを意味する。応答行列Ａ（σ，εｒ，ｈ）の行数は受信アンテナ９～１２の数である４であって、応答行列Ａ（σ，εｒ，ｈ）の列数はボクセル群１５の数である１３０とする。

………（４）

ここで初期応答行列Ａ（σ０，εｒ０，ｈ０）は、あらかじめ測定した初期導電率σ０、初期比誘電率εｒ０及び初期距離ｈ０に基づいて算出される行列であって行数と列数は応答行列Ａ（σ，εｒ，ｈ）と同じとする。第１の補正用行列ｆ（σ，εｒ，ｈ）及び第２の補正用行列ｇ（σ，εｒ，ｈ）は、導電率σ、比誘電率εｒ及び距離ｈに依存する例えば４行１３０列の行列とする。

応答行列Ａ（σ，εｒ，ｈ）を更新するには初期応答行列Ａ（σ０，εｒ０，ｈ０）に対して第１の補正と第２の補正とを行う。具体的にはまず初期応答行列Ａ（σ０，εｒ０，ｈ０）と第１の補正用行列ｆ（σ，εｒ，ｈ）との要素積を求めることで初期応答行列Ａ（σ０，εｒ０，ｈ０）に対して第１の補正として積による補正を行う。次に第１の補正を行った初期応答行列Ａ（σ０，εｒ０，ｈ０）に、第２の補正用行列ｇ（σ，εｒ，ｈ）を足すことで第２の補正として和による補正を行う。

次に信号処理部１４はノルム和ＮＳを満たす推定位置

を算出する（Ｓ４）。ノルム和ＮＳは、（５）式で表すことができる。

………（５）

推定位置

は、（５）式に表すように１次ノルムと２次ノルムとの和であるノルム和ＮＳを最も小さくする非ゼロ要素を１つしかもたない位置候補ベクトルｘの非ゼロ要素に対応するボクセルの位置である。

定数λは０以上の実数を与えることができるが、例えば定数λを１００などの２次ノルムと比較して大きい値とすることで推定位置

を算出するにあたっての１次ノルムの影響を大きくする。

１次ノルムの影響を大きくすることで算出される推定位置

の数を１つに制限することができる。なおノルム和ＮＳが所定の閾値よりも大きい場合、信号処理部１４は、埋設物３はないと判定してもよい。

算出されるノルム和ＮＳに対して２次ノルムの影響が大きい場合、推定位置

の数が多くなる。本実施の形態においては、送信アンテナ８から送信される電波の届く範囲を考えると、検出可能な埋設物数は多くないと考えられるため、推定位置

を算出するにあたっての１次ノルムの影響を大きくしている。このように１次ノルムによって埋設物数に制約を設けることで過学習を抑制している。

なお埋設物の位置を推定する際は、ノルム和ＮＳからさらに以下の（６）式を用いて尤度Ｌを算出してもよい。係数Ｋは、尤度Ｌが取りうる値の範囲を制限するための値であって、例えば２５５とする。係数Ｋを２５５とすると、ノルム和ＮＳが０の際に尤度Ｌは最大値である２５５となる。

………（６）

なおステップＳ１とステップＳ２及びステップＳ３とは、例えば並列して処理されるため、ステップＳ１，Ｓ２，Ｓ３の順でなくてもよい。例えば、ステップＳ２，Ｓ３，Ｓ１の順でもよいし、ステップＳ２，Ｓ１，Ｓ３の順でもよい。

次に図３を用いて本実施の形態の効果について説明を行う。図３は、本実施の形態による探査結果と従来の探査結果とを比較する図である。図３においてグラフ２１は既存の探査結果を示しており、グラフ２２は誤差がない場合を示しており、グラフ２３は本実施の形態による探査結果を示している。

図３における探査の際に使用した送信アンテナ８及び受信アンテナ９～１２は微小ダイポールアンテナとし、図３における探査の際の埋設物３の材質は金属とした。グラフ２１及びグラフ２３は、埋設物３の位置を相対座標の（０ｃｍ，－６０ｃｍ，－１０ｃｍ）の地点から（０ｃｍ，６０ｃｍ，－１０ｃｍ）の地点まで２０ｃｍ間隔でｙ軸方向に移動させながら、それぞれの際における探査結果を示す。

埋設物３の埋設深さは１０ｃｍとし、高度計６で測定される距離ｈは５０ｃｍとした。横軸の真値は、相対座標におけるｙ軸の値とし、縦軸の推定値は、埋設物探査装置４によって算出された埋設物３が埋設されていると推定されるボクセル位置に対するｙ軸の値を示す。

グラフ２１に示す従来の探査結果における誤差としてＲＭＳＥ（Root Mean Square Error）を求めたところ６．４３ｃｍとなった。これに対してグラフ２１に示す本実施の形態による探査結果としてＲＭＳＥを求めたところ２．９２ｃｍとなり、半分以下の誤差となった。

より具体的には、グラフ２１の探査では導電率σ０として４．３０をそのまま使用したが、グラフ２２の探査ではセンサ情報によって計測された導電率σとして４．４１を使用した。

以上のように本実施の形態においては、埋設物探査装置４は、例えばステップＳ３によって探査の際に応答行列を更新し、埋設物探査処理を行う際の状態に即したパラメータを使用することができる。

このため、埋設物探査装置４は、従来に比べて精度よく埋設物３を探査することが可能となる。なお本実施の形態においては、送信アンテナ８及び受信アンテナ９～１２ごとに高度計６を設置するなどして、送信アンテナ８及び受信アンテナ９～１２ごとの海底面２Ａまでの高度を測定できれば、傾斜計７は不要となる。

また本実施の形態においては、送信アンテナを１つとし、受信アンテナを複数としたがこれに限らず、送信アンテナは複数でもよいし、受信アンテナは１つでもよい。また本実施の形態において信号取得部１３は集積回路とし、信号処理部１４はプログラムとしたが、これに限らず、信号取得部１３と信号処理部１４とは、ともにプログラムであってもよいし、ともに集積回路であってもよい。また信号取得部１３をプログラムとし、信号処理部１４を集積回路としてもよい。

信号取得部１３と信号処理部１４とは例えばＬＡＮ（Local Area Network）経由で情報の送受信を行うものとしたがこれに限らず、例えばデータバスなどを経由して情報の送受信を行ってもよい。

本実施の形態においては信号ベクトルｙを得るために受信アンテナ９～１２で観測される受信信号を積分することで、信号ベクトルｙの信号雑音比であるＳＮＲ（Signal-Noise Ratio）を改善することが可能となる。

なお本実施の形態においては、１ＭＨｚの電波を使用する場合について述べたが、これに限らず１００ｋＨｚの電波を使用してもよい。ＲＭＳＥなどによってあらわされる誤差は大きくなってしまうものの、１ＭＨｚの電波を使用した場合と比べて埋設物３が深く埋設されている場合や海底面２Ａからより高い高度から広い範囲を対象とする場合についても検出が可能となる。

まず、１００ｋＨｚの電波によって、深い位置にある埋設物の探査や広い範囲の探査を実施し、埋設物が検出された場合には、１ＭＨｚの電波によって、より推定精度の高い探査を行ってもよい。

（第２の実施の形態）
第１の実施の形態においては、埋設物３が埋設されている位置を推定するまでとしたが、本実施の形態においては埋設物３が埋設されていると推定される位置を表示してもよい。以下では第１の実施の形態との違いに中心をおいて説明を行う。

図４，図５を用いて本実施の形態による埋設物探査装置３０について説明する。図４は、本実施の形態による埋設物探査装置３０の構成を示すブロック図である。図５は、本実施の形態による埋設物探査装置３０が取得する画像３５を示す図である。埋設物探査装置３０には、画像３５を撮像するカメラ３３が接続されている。

埋設物探査装置３０は、カメラ３３が撮像した画像３５を取得する画像取得部３１と埋設物３が埋設されていると推定される推定位置を表示する推定位置表示部３２とを備える。例えば、画像取得部３１と推定位置表示部３２とは、ＣＰＵによって呼び出されるＲＡＭに記録されたプログラムとする。

図６を用いて推定位置表示部３２が表示する推定位置について説明する。図６は、本実施の形態による埋設物探査装置３０が算出する尤度Ｌを示す図である。図６に示す尤度マップ３６は、画像３５におけるそれぞれの個所の尤度分布を示す分布図である。

なお尤度マップ３６には、送信アンテナ８と受信アンテナ９～１２とがＴＸＡＮＴとＡＮＴ１～４として表されていてもよい。領域３６Ａは、ボクセル群１５の中で最も尤度Ｌが高い個所を示す。

推定位置表示部３２は、尤度マップ３６に基づいて例えば図７に示すような表示画像３７を埋設物探査装置３０に接続される図示せぬディスプレイなどに表示する。図７は、第２の実施の形態による埋設物探査装置が表示する画像を示す図である。本実施の形態による埋設物探査装置３０は、表示画像３７を提示することで、埋設物３が埋設されている位置を明確に使用者に提示することができる。

図８を用いて本実施の形態における埋設物探査処理について説明する。図８は本実施の形態による埋設物探査処理の処理手順を示すフローチャートである。ステップＳ１～Ｓ４までは第１の実施の形態と同様であるため説明を省略する。

ステップＳ１およびステップＳ４とともに、画像取得部３１は、カメラ３３から画像３５を取得する（Ｓ１０）。次に推定位置表示部３２は、表示画像３７を図示せぬディスプレイなどに表示する（Ｓ１１）。

なおステップＳ１～ステップＳ４とステップＳ１０とは、例えば並列して処理されるため、ステップＳ１～Ｓ４，Ｓ１０の順でなくてもよい。例えば、ステップＳ１～Ｓ３，Ｓ１０，Ｓ４の順でもよい。

なお本実施の形態においては、埋設物探査装置３０は、表示画像３７における領域３６Ａのようにボクセル１つ分の領域のみを埋設物３が埋設されているとして位置を表示してもよいがこれに限らない。例えば、図９のように複数のボクセルを表示して尤度Ｌをたとえば色分けして埋設されている可能性の高低を表示してもよい。

図９は、第２の実施の形態による埋設物探査装置３０が表示する他の表示画像３８を示す図である。本実施の形態においては、他の表示画像３８のように画像３５と尤度マップ３６とを重ねて表示してもよい。

１，２……損失媒質、３……埋設物、４，３０……埋設物探査装置、５……導電率計測計、６……高度計、７……傾斜計、８……送信アンテナ、９～１２……受信アンテナ、１３……信号取得部、１４……信号処理部、１５……ボクセル群、３３……カメラ、３１……画像取得部、３２……推定位置表示部。

Claims (5)

1. 探査の際にセンサによるセンサ信号を取得し、信号ベクトルとして扱われる電波によって埋設されている埋設物の位置を推定する推定位置を、位置候補ベクトルから選択することで前記埋設物を探査する埋設物探査装置であって、
   前記センサ信号及び前記信号ベクトルを取得する信号取得部と、
   前記センサ信号に基づいて応答行列を更新して信号処理を行う信号処理部と、を備え、
   前記応答行列は、前記位置候補ベクトルと前記信号ベクトルとを関連付ける行列である、埋設物探査装置。
2. 埋設物探査装置に接続されたカメラから画像を取得する画像取得部と、
   前記埋設物が埋設されていると推定される推定位置を表示する推定位置表示部と、
   をさらに備える、請求項１に記載の埋設物探査装置。
3. 前記位置候補ベクトルの１次ノルムと前記位置候補ベクトルの２次ノルムとの和に基づく尤度に基づいて推定される位置を１つ表示する、
   請求項２に記載の埋設物探査装置。
4. 前記推定位置表示部は、前記位置候補ベクトルの１次ノルムと前記位置候補ベクトルの２次ノルムとの和に基づく尤度に基づいて埋設されている可能性の高低を表示する、
   請求項２に記載の埋設物探査装置。
5. 探査の際にセンサによるセンサ信号を取得し、信号ベクトルとして扱われる電波によって埋設されている埋設物の位置を推定する推定位置を、位置候補ベクトルから選択することで前記埋設物を探査する埋設物探査装置による埋設物探査方法であって、
   前記センサ信号及び前記信号ベクトルを取得する第１のステップと、
   前記センサ信号に基づいて応答行列を更新して信号処理を行う第２のステップと、を備え、
   前記応答行列は、前記位置候補ベクトルと前記信号ベクトルとを関連付ける行列である、埋設物探査方法。

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