JP2024060115A

JP2024060115A - 情報処理装置

Info

Publication number: JP2024060115A
Application number: JP2021074401A
Authority: JP
Inventors: 良平清
Original assignee: KGS INC.
Current assignee: KGS INC.
Priority date: 2021-04-26
Filing date: 2021-04-26
Publication date: 2024-05-02
Also published as: JPWO2022230897A1; WO2022230897A1

Abstract

【課題】被検査体内の空隙を高精度に検出する。【解決手段】情報処理装置は、被検査体の表面から電磁波を照射し、前記電磁波が被検査体の内部で反射することによって生じた反射波のデータを取得する取得手段と、前記取得手段で取得した前記反射波のデータに基づいて、空隙の有無を検出する検出手段と、を有する。【選択図】図４

Description

本発明は、情報処理装置に関する。

橋梁、トンネル、舗装、住宅、港湾、河川、上下水道等の社会資本は重要なライフラインであると同時に、資本主義を支える産業の重要な基盤となっている。それらの社会資本は、コンクリートを材料としているものが多いが、適切な施工管理が行われなかったことによる内部構造物の劣化や経年劣化により、コンクリートの一部が落下する場合がある。そのため、社会資本構造物を適切に検査および管理し、問題が起きる前に予め対処する予防保全が行われている。

検査には主に目視検査、測定機を用いた非破壊検査、構造物の一部の破壊を伴ってサンプル採取する破壊検査がある。破壊検査は、非破壊検査より精度の高い情報を得られる可能性はあるが、構造物を損傷させるために多用することは望ましくない。そのため、先ずは非破壊検査で劣化状況をスクリーニングして、どうしても精度を必要とする箇所のみ、破壊検査を行うことで、より合理的な検査の実施が可能となる。そのため、非破壊検査の精度を上げることは、スクリーニングの精度を上げ、破壊検査を減らし、その上で補修すべき個所を適切に検出することで、社会資本の維持管理に貢献することになると考えられる。非破壊検査の技術としては、例えば、地中に埋設されている埋設管の位置を推定する技術が開示されている（特許文献１）。

特開２０２０－１８６９９４号公報

ここで、コンクリート内の補修すべき箇所として、コンクリートの充填不足や、経年劣化等によって生じた空隙（豆板、空洞等）が挙げられる。ここで、豆板とは、モルタルの充填不良等によってコンクリートの一部に粗骨材が多く集まることにより、隙間が多くなった部分である。空隙は、適切な補修が行われないまま放置されると、時間の経過とともに内部欠陥としてコンクリートの劣化や鉄筋の腐食などが発生し、その影響でコンクリート片の剥離や落下により大事故につながる可能性がある。

しかしながら、非破壊検査における空隙の検出方法は、検査装置から得られた結果を技術者が判別するという方法であるため、空隙の検出結果に個人差が生じることや、誤診をまねくおそれがあった。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、被検査体内の空隙を高精度に検出することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一態様は、被検査体の表面から電磁波を照射し、前記電磁波が被検査体の内部で反射することによって生じた反射波のデータを取得する取得手段と、前記取得手段で取得した前記反射波のデータに基づいて、空隙の有無を検出する検出手段と、を有する情報処理装置である。

本発明によれば、被検査体内の空隙を高精度に検出することができる。

被検査体内の空隙を検出する例を示す図である。空隙検出システムの構成の概略を示す図である。サーバのハードウェア構成を示すブロック図である。サーバの機能的構成の一例を示す機能ブロック図である。受信された信号の周波数分布の一例を示す図である。空隙検出処理の動作を示すフローチャートである。被検査体内における電磁波の反射を示す図である。検出結果の表示例を示す図である。

（実施形態）
＜概要＞
以下、本実施形態について、図面を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る情報処理装置が適用される空隙検出の事例を示す図である。本実施形態では、被検査体が、鉄筋とコンクリートとを含む複合構造体である例について説明する。

図１の例では、コンクリートＣ１の内部に鉄筋Ｔ１，Ｔ２が埋設されており、それらの間に空隙Ｈ１が存在している。検査装置２には車輪が設けられており、コンクリートＣ１の上側の表面を移動しながら、コンクリートＣ１の内部に向かって電磁波Ｗ１を照射し、コンクリートＣ１内部からの反射波Ｗ２を取得（測定）する。検査装置２によって検出された反射波Ｗ２のデータは、ネットワークＮを介してサーバ１に送信される。サーバ１は、取得した反射波Ｗ２のデータに基づいて、コンクリートＣ１内に空隙が存在するか否かを判断する。

空隙とは、例えば、被検査体（コンクリート）内の空洞、豆板（ジャンカ）、内部亀裂等であって、被検査体内の欠陥または異常個所である。空洞を検出することで、例えば、充填不良による内部空洞や、配管のサビに伴う浮き等の意図しない欠陥を発見することができる。また、豆板を検出することで、例えば、充填不良による不具合箇所や、施工中に生じた初期欠陥等を発見することができる。ここで、豆板とは、モルタルの充填不良等によってコンクリートの一部に粗骨材が多く集まることにより、隙間が多くなった部分である。本実施形態では、２［ｍｍ］以上の隙間がある空隙を対象にしているが、検出対象の空隙のサイズや形状は特に限定されない。

本実施形態では、検査装置２の検査方法として、電磁波レーダ法を用いる例について説明する。電磁波レーダ法は、主に鉄筋探査に用いられる検査方法であって、電磁波を送信アンテナからコンクリート内部に向けて照射し、その反射波を受信アンテナを介して検出することにより、この照射から検出に到るまでの時間を算出し、反射物体までの距離を検出することができる。また、平面的な位置は、距離計を内蔵した検査装置２を移動させることにより、位置情報を得ることもできる。電磁波は、その種類によって波長、振幅、周波数が異なり、周波数によって呼び名や用途が異なる。レーダに用いる波長の選択は測定対象物までの距離や分解能、アンテナの寸法によって決定される。一般的に、電磁波は、周波数が高いほど時間分解能が上がるが、周波数が高いほど減衰が大きく、深い所まで届かないという性質をもつ。電磁波の種類は特に限定されないが、本実施形態では、電磁波として、３００［ＭＨｚ］～３［ＧＨｚ］帯のマイクロ波を用いる例について説明する。また、電磁波レーダ法では、反射波の位相、レベル、形状を用いた検査方法があるが、検査精度にばらつきがあることから、本実施形態では、反射波の周波数に基づいて空隙を検出する例について説明する。

＜システム構成＞
図２は、本実施形態に係る空隙検出システムのシステム構成の概要を示す図である。本実施形態に係る空隙検出システムは、空隙の検出処理を行うサーバ１と、検査担当者が操作する検査装置２と、検出結果を表示する表示装置３とが、インターネット等の所定のネットワークＮを介して相互に接続されることで構成される。

サーバ１は、検査装置２と表示装置３の各動作と協働して各種処理を実行する。検査装置２は、検査担当者の操作によってコンクリートＣ１（被検査体）の表面を移動することにより、電磁波をコンクリートＣ１内に照射したり、その反射波を検出したりする。表示装置３は、検査装置２の検査結果、およびサーバ１の空隙検出結果を表示したり、操作画面を表示する。

このように構成された空隙検出システムは、検査装置２から取得した反射波のデータに基づいて、サーバ１で空隙検出処理を行い、コンクリートＣ１内の空隙の有無や空隙の位置（水平位置または垂直位置）を表示装置３に表示する。これにより、コンクリートに重大な問題が生じる前に、適切な対応を行うよう検査担当者に促すことができる。

＜ハードウェア構成＞
図３は、本実施形態に係るサーバ１のハードウェア構成を示すブロック図である。サーバ１は、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）１１と、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）１２と、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）１３と、バス１４と、入出力インターフェース１５と、出力部１６と、入力部１７と、記憶部１８と、通信部１９と、ドライブ２０と、を備えている。

ＣＰＵ１１は、ＲＯＭ１２に記録されているプログラム、又は、記憶部１８からＲＡＭ１３にロードされたプログラムに従って各種の処理を実行する。ＲＡＭ１３には、ＣＰＵ１１が各種の処理を実行する上において必要なデータ等も適宜記憶される。ＣＰＵ１１、ＲＯＭ１２及びＲＡＭ１３は、バス１４を介して相互に接続されている。このバス１４にはまた、入出力インターフェース１５も接続されている。

入出力インターフェース１５には、出力部１６、入力部１７、記憶部１８、通信部１９及びドライブ２０が接続されている。出力部１６は、ディスプレイやスピーカ等で構成され、各種情報を画像や音声として出力する。入力部１７は、キーボードやマウス等で構成され、各種情報を入力する。記憶部１８は、ハードディスクやＤＲＡＭ（ＤｙｎａｍｉｃＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）等で構成され、各種データを記憶する。通信部１９は、インターネットを含むネットワークＮを介して他の装置との間で通信を行う。

ドライブ２０には、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、或いは半導体メモリ等よりなる、リムーバブルメディア２１が適宜装着される。ドライブ２０によってリムーバブルメディア２１から読み出されたプログラムは、必要に応じて記憶部１８にインストールされる。また、リムーバブルメディア２１は、記憶部１８に記憶されている各種データも、記憶部１８と同様に記憶することができる。

なお、図示はしないが、検査装置２は、図３に示すハードウェア構成を有し、さらに、電磁波発生させる送信アンテナ、反射した電磁波を検出する受信アンテナ、および走行距離を測定するロータリーエンコーダを備える。また、図示はしないが、表示装置３は、図３に示すハードウェア構成を有し、さらに、表示モニタを備える。

＜機能構成＞
図４は、本実施形態に係るサーバ１および検査装置２における機能的構成の一例を示す機能ブロック図である。

≪検査装置２の機能構成≫
検査装置２のＣＰＵ３１は、送信アンテナ３３を制御して電磁波をコンクリートＣ１（被検査体）に対して照射する。本実施形態では、上述のように、電磁波として、３００［ＭＨｚ］～３［ＧＨｚ］帯のマイクロ波を用いるが、特に限定されず、任意の周波数を用いてもよい。そして、検査装置２のＣＰＵ３１は、受信アンテナ３４を介して取得した反射波（コンクリートＣ１内で反射した反射波）と、ロータリーエンコーダ３５の出力信号で測定された距離情報とを、時間軸で紐づける。検査装置２のＣＰＵ３１は、紐づけた反射波のデータを、通信部３２を介して、サーバ１に送信する。

≪サーバ１の機能構成≫
サーバ１のＣＰＵ１１においては、動作する際に、取得部４１、検出部４２、および表示制御部４３が機能する。

取得部４１は、通信部１９介して検査装置２から反射波のデータを取得する。具体的には、検査装置２が電磁波を照射し、コンクリートＣ１内で反射して得られた反射波のデータ（電気信号に変換されたデータ；受信信号）を取得する。

検出部４２は、取得部４１によって取得された反射波のデータに基づいて、コンクリートＣ１（被検査体）内の空隙を検出する。検出部４２は、検査装置２の測定で得られた結果を「画像」として捉え、そこから異常個所（豆板、空洞）を検出すると捉えることもできる。以下、検出部４２が備える機能部である、周波数解析部５１、レベル算出部５２、比率算出部５３、空隙検出部５４、および深度算出部５５について説明する。

周波数解析部５１は、取得部４１によって取得された反射波のデータに対して、周波数解析を行う。例えば、周波数解析部５１は、反射波のデータに対してフーリエ変換を行い、受信信号を各周波数のレベルに変換する。

レベル算出部５２は、周波数解析部５１によって出力された周波数分布のうち、所定の周波数帯における周波数のレベル（パワー）の積分値である値ＭＬ（第１の周波数帯における第１の信号レベル）および値ＫＬ（第２の周波数帯における第２の信号レベル）を算出する。値ＭＬは、基準となる周波数帯（基本周波数、標準周波数）における所定の周波数区間の信号レベルを積分した値である。値ＫＬは、高周波数帯（高周波）における所定の周波数区間の信号レベルを積分した値である。なお、値ＭＬとして、上述のように、基準となる周波数帯における所定の周波数区間の信号レベルを積分する代わりに、基準となる周波数帯における所定の周波数の信号レベルを用いてもよい。また、値ＫＬとして、上述のように、高周波数帯における所定の周波数区間の信号レベルを積分する代わりに、高周波数帯における所定の周波数の信号レベルを用いてもよい。

基準となる周波数帯における所定の周波数区間とは、本実施形態では、９００［ＭＨｚ］～１２００［ＭＨｚ］を示すものとする。なお、基準となる周波数帯は上記に限定されないが、検査装置２から送信される信号のうち最も大きなレベルの周波数帯であることが望ましい。そこで、実際に検査装置２から電磁波を空中に照射し、照射された電磁波を鉄板で全反射させ、その反射波の信号をとらえ、最も大きなレベルである周波数帯を特定することで、基準となる周波数帯（例えば、１［ＧＨｚ］）を決定する。基準となる周波数帯は、豆板の存在に関わりなく定常的に存在している周波数帯域であると捉えることもできる。なお、基準となる周波数帯は、検査装置２のカタログ等の製品情報に基づいて決定されてもよい。

高周波数帯における所定の周波数区間とは、本実施形態では、１８００［ＭＨｚ］～２４００［ＭＨｚ］であるものとする。なお、高周波数帯は上記に限定されないが、コンクリートの内部に豆板が存在する場合に強い反応が現れる周波数帯（例えば、２［ＧＨｚ］）の前後の周波数とすることが望ましい。コンクリート内に空隙が存在する場合に、高周波成分が相対的に増えることの原理については後述する。

ここで、高周波とは、一般的に、電波、音波など、波形を構成するスペクトラムのうち比較的周波数の高いものを示す。本実施形態では、高周波の定義として、単に高い周波数という意味であって、高い周波数とする基準は、照射される電磁波に含まれる中心周波数より高い周波数とする。

比率算出部５３は、値ＭＬと値ＫＬとの比である比率ＫＲを算出する（式１）。
比率ＫＲ＝値ＫＬ／値ＭＬ・・・（１）

図５は、受信された信号の周波数分布の一例を示す図である。図５の横軸は、周波数（Ｈｚ）を示し、縦軸は、信号レベルを示す。上述のとおり、値ＭＬは、基準となる周波数帯（９００［ＭＨｚ］～１２００［ＭＨｚ］）における所定の周波数区間の信号レベルを積分した値である。また、値ＫＬは、高周波数帯（１８００［ＭＨｚ］～２４００［ＭＨｚ］）における所定の周波数区間の信号レベルを積分した値である。

ここで、空隙検出に比率ＫＲを用いる理由を説明する。コンクリートＣ１内の検出対象が空隙のみであることが事前に把握できれば、上述の値ＫＬのみで空隙の有無を判断することができる。しかし、コンクリートＣ１内に空隙や鉄筋（埋設物）が混在している場合、高周波成分（値ＫＬ）のみで空隙の有無を判断することは現実的ではない。それは、鉄筋からの反射波に含まれる高周波成分（照射された電磁波にもともと含まれる高周波成分）のレベルが、空隙によって相対的に増えた高周波成分のレベルを上回ってしまうためである。ここで、照射される電磁波に元々含まれる高周波成分は一定の割合であるので、仮に鉄筋からの反射波が全反射で大きな信号として戻って来ても、照射された電磁波に含まれる高周波成分の比率以上になって戻って来る事は考えられない。すなわち、反射波に含まれる高周波成分が一定の割合以上であれば、それは空隙によって相対的に増えた高周波成分が含まれているといえる。そこで、高周波成分の大きさ（値ＫＬ）そのものではなく、比率ＫＲを評価することで、空隙からの反射であるか鉄筋からの反射であるかを区別する。なお、比率ＫＲの分母を反射波の全体ではなく、反射波中の基準となる周波数帯におけるレベルの積分値としているのは、分母分子が同じ周波数領域のレベルであり、測定環境が違っても同じように影響を受ける為に、相対的な変動は少ないためである。なお、比率ＫＲは、深さ方向に対して、大きな差はなく、ほぼ均一であるという試算を得ていることも、空隙検出に比率ＫＲを用いる理由の１つといえる。

空隙検出部５４は、比率ＫＲと、所定の閾値Ｔｈとに基づいて、反射波が空隙によるものであるか否か判断することにより、空隙を検出する。例えば、空隙検出部５４は、比率ＫＲが所定の閾値Ｔｈ以上の場合に空隙が存在すると判断する。本実施形態では、所定の閾値Ｔｈは、０．７である例について説明する。これは、実験結果の一例より、金属等によって生じた反射波に基づく比率ＫＲが０．７未満であって、空隙によって生じた反射波に基づく比率ＫＲが０．７以上であるため、閾値Ｔｈを０．７（付近）とすることが好適である。なお、所定の閾値Ｔｈの値は特に限定されず、０．７未満であってもよく、０．７以上であってもよい。

深度算出部５５は、空隙の深度（検査装置２が移動する表面（地表面、斜面、壁面）から空隙までの距離）を算出する。例えば、深度算出部５５は、短時間フーリエ変換を用いて深度を算出する。短時間フーリエ変換とは、解析するデータに対し、窓関数をずらしながら掛けて、それにフーリエ変換を行う事であって、観測区間を短く区切る事で、時間分解能を上げる方法である。これにより、深さ方向において所定の幅ごとに短時間フーリエ変換することで、当該所定の幅（区間）ごとに比率ＫＲを算出することができる。そして、比率ＫＲが高い箇所（深度）を、空隙が存在する深度であると判断することができる。

表示制御部４３は、操作画面や実験結果を、表示装置３に表示するよう制御する。例えば、表示制御部４３は、縦軸を時間、横軸を反射波の振幅で表されたグラフ（以下、Ａモード画像またはＡスコープと称する。）を表示装置３に表示する。検査担当者は、Ａモード画像を見る事で、受信した信号の反射時間や、受信した信号の反射強度、位相情報などを読み取ることができる。また、例えば、表示制御部４３は、検査装置２を走査した方向に上述のＡモード画像を並べて、縦軸を時間、横軸を検査装置２の移動距離、輝度をＡモード画像における振幅で表した画像（以下、Ｂモード画像またはＢスコープと称する。）を表示装置３に表示する。検査担当者は、反射波が、検査装置２の移動方向に対して、どのように変化しているかを容易に確認することができる。また、例えば、表示制御部４３は、縦軸を時間、横軸を検査装置２の移動距離として、上述のＢモード画像において上述の比率ＫＲが高い箇所を示す画像（以下、ＫＲ画像と称する。）を表示装置３に表示する。なお、表示制御部４３は、コンクリートＣ１の内部において、空隙の位置を示す画像をＫＲ画像として表示装置３に表示していると捉えることもできる。なお、表示制御部４３は、コンクリートＣ１内における空隙の有無を示す情報を表示装置３に表示するよう制御してもよい。本実施形態における表示例については後述する。

記憶部１８の一領域には、取得情報ＤＢ６１、および検出情報ＤＢ６２が設けられている。取得情報ＤＢ６１には、取得部４１によって取得された取得情報が記録される。取得情報としては、例えば、検査装置２によって取得された反射波のデータが含まれる。検出情報ＤＢ６２には、検出部４２によって検出された検出情報が記録される。検出情報としては、例えば、空隙や埋設物の有無、位置、および深度等が含まれる。

＜処理内容＞
図６は、本実施形態に係る空隙検出処理の一例を示すフローチャートである。

ステップＳ１１で、取得部４１は、検査装置２から反射波のデータを取得する。取得部４１は、取得した反射波のデータを取得情報ＤＢ６１に記録する。

ステップＳ１２で、検出部４２の周波数解析部５１は、取得部４１によって取得された反射波のデータに対して短時間フーリエ変換を行う。具体的には、反射波のデータを一定時間（区間）に区切り、当該区間ごとに窓関数を乗じて、その区間ごとにフーリエ変換を行い、周波数ごとのレベルに変換する。以降のステップＳ１３～Ｓ１８の処理は、区間ごとにフーリエ変換された周波数ごとのレベルに対して、それぞれ実行されるものとする。

ステップＳ１３で、検出部４２のレベル算出部５２は、基準となる周波数帯における周波数の積分値である値ＭＬを算出する。本実施形態では、基準となる周波数帯とは、周波数が１［ＧＨｚ］前後の所定の周波数帯（例えば、９００［ＭＨｚ］～１２００［ＭＨｚ］）である。

ステップＳ１４で、検出部４２のレベル算出部５２は、高周波数帯における周波数の積分値である値ＫＬを算出する。本実施形態では、高周波数帯とは、周波数が２［ＧＨｚ］前後の所定の周波数帯（例えば、１８００［ＭＨｚ］～２４００［ＭＨｚ］）である。

ステップＳ１５で、検出部４２の比率算出部５３は、値ＭＬおよび値ＫＬの比率ＫＲ（比率ＫＲ＝値ＫＬ／値ＫＭ）を算出する。

ステップＳ１６で、検出部４２の空隙検出部５４は、比率ＫＲが所定の閾値Ｔｈ以上であるか否かを判断する。

ステップＳ１７で、検出部４２の空隙検出部５４は、比率ＫＲが所定の閾値Ｔｈ以上である場合（Ｓ１６：ＹＥＳ）、比率ＫＲに応じて、上述の区間における輝度（ＫＲ画像の輝度）を決定する。例えば、検出部４２の空隙検出部５４は、比率ＫＲが高いほど輝度が高くなるようにＫＲ画像の輝度を決定する。具体的には、閾値Ｔｈが０．７、ＫＲ画像における輝度値が０～２５５の場合、比率ＫＲが０．７のときは輝度値を０、比率ＫＲが０．７から１．０に増加するにつれて輝度値を増加させ、比率ＫＲが１．０のときは輝度値を２５５となるようにＫＲ画像の輝度を決定する。そして、検出部４２の空隙検出部５４は、ＫＲ画像の輝度等の検出結果を検出情報ＤＢ６２に記録する。なお、検出部４２の空隙検出部５４は、比率ＫＲが所定の閾値Ｔｈ以上である場合に、検出対象は空隙であると判断してもよい。

ステップＳ１８で、検出部４２の空隙検出部５４は、比率ＫＲが所定の閾値Ｔｈ未満である場合（Ｓ１６：ＮＯ）、比率ＫＲに関わらず、上述の区間における輝度（ＫＲ画像の輝度）を決定する。例えば、検出部４２の空隙検出部５４は、ＫＲ画像における輝度値を０にする。そして、検出部４２の空隙検出部５４は、ＫＲ画像の輝度等の検出結果を検出情報ＤＢ６２に記録する。なお、検出部４２の空隙検出部５４は、比率ＫＲが所定の閾値Ｔｈ未満である場合に、検出対象は空隙ではないと判断してもよい。

ステップＳ１９で、検出部４２の深度算出部５５は、空隙の深度を算出する。具体的には、検出部４２の深度算出部５５は、所定の区間ごとに算出された比率ＫＲに基づいて、比率ＫＲが高い箇所（深度）を、空隙が存在する深度であると判断する。なお、検出部４２は、空隙の深度等の検出結果を検出情報ＤＢ６２に記録する。

ステップＳ２０で、表示制御部４３は、反射波のデータに対応する画像（Ｂモード画像）、および上述の処理によって生成されたＫＲ画像を表示装置３に表示する。表示装置３の表示内容については、図８Ａ～図８Ｉを用いて後述する。

＜空隙によって相対的に高周波成分が増える原理＞
図７Ａ～図７Ｃを参照して、コンクリートＣ１（被検査体）内に空隙が存在する場合に、その反射波の高周波成分が相対的に増えることについて、その原理を説明する。図７Ａ～図７Ｃは、異なる比誘電率εの物質間における電磁波の反射および透過を示す。

≪位相の反転≫
図７Ａは、コンクリートＣ１内の鉄筋Ｔ１（電気導電体）に電磁波Ｗ１が全反射する状態を示す。鉄筋（金属）は、誘電体ではないため比誘電率は∞となる。一方、コンクリートの比誘電率εは４～１２とされているため、反射時は位相が反転する。また、金属を透過する電磁波がないため電磁波は全反射となり、反射波Ｗ２のレベルは高くなる。

図７Ｂは、コンクリートＣ１内の空隙Ｈ１の上面（第１面）で電磁波Ｗ１が反射および透過する状態を示す。この場合、入射された電磁波Ｗ１の一部しか反射されないため、図７Ａに示す鉄筋Ｔ１での反射に比べて、反射波Ｗ２のレベルは低くなる。また、比誘電率の高いコンクリートＣ１（比誘電率ε＝４～１２）から比誘電率の低い空隙Ｈ１（空気；比誘電率ε＝１）への入射となるので、電磁波の位相は反転せず、同位相のまま反射される。

図７Ｃは、コンクリートＣ１内の空隙Ｈ１の底面（第1面に対向する第２面）で電磁波Ｗ１が反射および透過する状態を示す。この場合、入射された電磁波Ｗ１の一部しか反射しないため、図７Ａに示す鉄筋Ｔ１での反射に比べて、反射波Ｗ２のレベルは低くなる。ここで、原理的に誘電体表面（空隙Ｈ１の上面）での反射と同じ現象となるが、入射する方向が異なり、比誘電率の低い空隙Ｈ１（比誘電率ε＝１）から比誘電率の高いコンクリートＣ１（比誘電率ε＝４～１２）への入射となるので、電磁波の位相が反転する。このことが図７Ｂに示す空隙Ｈ１の上面での反射と異なる。

≪位相の遅れ≫
ここで、空隙底面で反射してくる電磁波は位相が反転するだけでなく、空隙の幅（垂直方向の幅）の分だけ、位相が「遅れる」という現象が起きる。この位相の遅れは時間軸では微妙な変化であり、その振幅を示す画像からは判断が難しいが、この反射波の信号を周波数軸に変換することで、位相の遅れに伴う周波数の変化に着目して空隙の検出を行う。

≪空隙による周波数の偏移≫
ここで、照射される電磁波の周波数、空隙の幅、媒質の比誘電率、空隙からの反射波のレベルの関係について説明する。まず、電磁波は波であるので、照射される電磁波の信号ｆを時間ｔの関数で表すと、以下の式２となる。

ここで、照射される電磁波の周波数をｆａ［ＧＨｚ］、空隙の幅をｄ［ｍｍ］、媒質の比誘電率をεとし、空隙から反射する信号の１周期当たりのレベルをＬとする。このとき、角周波数ω＝２πｆａ、空隙上面における反射係数α（以下の式３）、空隙底面における反射係数β（以下の式４）、周期をＴ、空隙を電磁波が通過する往復時間ａ［ｎｓ］（以下の式５）を用いると、空隙上面から反射した信号ｆｕ（第１の反射波）、および空隙底面からの反射した信号ｆｄ（第２の反射波）は以下の式６および式７で表すことができる。

そして、空隙からの反射波は、空隙表面から反射した信号ｆｕと、空隙底面から反射した信号ｆｄとの合成であるので、空隙から反射される信号ｆｓ（合成波）は、これらの合算で時間ｔの関数として表すことができる。なお、空隙から反射される信号のレベルは、この信号ｆｓを積分することで得られるので、単位時間当たりの信号レベルＬを求める為に、区間を０からＴまで積分すると、以下の式８が得られる。

式８により、空隙から反射される反射波は、入力される信号の周波数ｆａによって、出力される信号の信号レベルＬが変わるため、周波数特性を持つことが明らかになり、その周波数特性を表すモデル式が導かれた。式８により、反射波のレベルとして比誘電率εは関係するものの、その周波数特性は空隙の幅ｄによって周期的に変化することが示されている。

これは、空隙底面で反射してくる信号の位相が反転するだけでなく、位相が「遅れる」という現象が起きることで、空隙の厚み（幅ｄ）について、位相が１／４波長分ずれるまでは、空隙の厚みが大きくなるほど、反射波における信号レベルのロスの減少幅は少なくなる。また、位相が１／４波長分の遅れの時間（２５０ｎｓ、空隙の厚み３７．５ｍｍ）のときに最大になり、それを超えると反射波における信号レベルのロスが大きくなる。

このことから、空隙の存在によって、着目している周波数帯域（９００［ＭＨｚ］～３［ＧＨｚ］）において、一種のハイパスフィルタが形成され、そのハイパスフィルタの特性は空隙の幅（垂直方向の幅）と周波数の関数として示される。この高い周波数成分は、周波数特性により高い周波数成分が低い周波数成分より通過しやすいという原理で発生する現象であるため、この現象で起きる高い周波数の変化を周波数特性による高周波成分の相対的な増加と捉えることができる。すなわち、空隙があることで、反射波における高周波成分が相対的に増加するといえる。

＜表示例＞
図８Ａ～図８Ｉは、本実施形態に係る空隙検出結果の表示例を示す図である。図８Ａ～図８Ｉを用いて、コンクリートＣ１内に空隙が存在しない場合の空隙検出結果の表示例、およびコンクリートＣ１内に空隙が存在する場合の空隙検出結果の表示例について説明する。

≪パターン１：鉄筋あり、空隙なし≫
図８Ａは、コンクリートＣ１内に鉄筋Ｔ１～Ｔ３が埋設されており、かつ空隙が存在しない場合の例を示す図である。図８Ａでは、検査装置２が、コンクリートＣ１の上面において、右端から左端に対して移動しながらコンクリートＣ１の内部に向かって電磁波を照射し、コンクリートＣ１内部からの反射波を取得する。

図８Ｂは、検査装置２よって取得された反射波のＢモード画像を示す図である。図８Ｂに示すＢモード画像において、横軸は検査装置２の右端からの移動距離、縦軸は時間、濃淡は反射波の振幅を示す。例えば、反射波の振幅が０のときに灰色、反射波の振幅のマイナス分が大きくなるほど暗く（濃淡を濃く）、反射波の振幅のプラス分が大きくなるほど明るく（濃淡を薄く）する。また、図８Ｂに示すＢモード画像は、検査装置２が走査した方向（右端から左端）に、各地点における反射波の時間的変化を並べたものと捉えることもできる。ここで、検査装置２から照射される電磁波は、走査方向の前後に対して広がりを持っている。そのため、鉄筋（対象物）の直上でなくても、斜め方向から鉄筋に反射し、その反射波を受信する。この場合、斜め方向から鉄筋Ｔ１～Ｔ３に電磁波が当たった場合、実際の深度より、深く表示される事になる。さらに鉄筋に近づくと、斜め方向の距離が短くなり、鉄筋の直上で最短となり、この時の深さ方向の距離が実際の鉄筋と表面からの距離となる。すなわち、符号Ｆ１～Ｆ３で示される箇所は、それぞれ図８Ａにおける鉄筋Ｔ１～Ｔ３の位置と対応するため、符号Ｆ１～Ｆ３（山型の波形の頂上部分）は、鉄筋Ｔ１～Ｔ３の深度を示している。さらに鉄筋を超えて走査した場合、鉄筋から離れる程、鉄筋からの距離が長くなるので、図８Ｂに示すように反射波の波形としては、鉄筋の様な断面が丸いものでも、山型の波形となる。

図８Ｃは、図８Ｂに示すＢモード画像に対応するＫＲ画像を示す図である。ここで、図８Ｃと、以下に説明する図８Ｆ及び図８Ｉにおいては、上述したように、短時間フーリエ変換の対象区間に対応する比率ＫＲが高いほど輝度が高く（白く）、比率ＫＲが所定の閾値（例えば、０．７）に近いほど輝度が低く（黒く）なる。また、比率ＫＲが所定の閾値以下の場合は、輝度値は０（黒）である。符号Ｆ４～Ｆ６で示される箇所は、図８Ｂの符号Ｆ１～Ｆ３で示される箇所に対応する。図８Ｃに示すように、コンクリートＣ１内に空隙がない場合は、輝度が高い箇所が存在しないため、空隙が存在しないと判断することができる。なお、比率ＫＲの大きさを輝度の代わりに色度で示してもよく、例えば、短時間フーリエ変換の対象区間に対応する比率ＫＲが高いほど暖色（例えば赤色）に近く、比率ＫＲが所定の閾値に近いほど寒色（例えば青色）に近くなるようにしてもよい。このとき、比率ＫＲが所定の閾値以下の場合は、青色で表示される。

≪パターン２：鉄筋あり、空隙（空洞）あり≫
図８Ｄは、コンクリートＣ１内に鉄筋Ｔ１～Ｔ３が埋設されており、かつ鉄筋Ｔ１とＴ２との間に空隙Ｈ１（空洞；例えば、２［ｍｍ］の隙間）が存在する場合の例を示す図である。図８Ｄでは、図８Ａと同様に、検査装置２が、コンクリートＣ１の上面において、右端から左端に対して移動しながらコンクリートＣ１の内部に向かって電磁波を照射し、コンクリートＣ１内部からの反射波を取得する。

図８Ｅは、図８Ｄの検査装置２よって取得された反射波のＢモード画像を示す図である。符号Ｆ７で示される箇所は、図８Ｄにおける空隙Ｈ１の位置と対応する。符号Ｆ７で示される箇所において、図８Ｂに比して、反射波のデータの振幅に僅かに変化が生じている。

図８Ｆは、図８Ｅに示すＢモード画像に対応するＫＲ画像を示す図である。符号Ｆ８で示される箇所は、図８Ｅの符号Ｆ７で示される箇所に対応する。図８Ｆに示すように、コンクリートＣ１内に空隙Ｈ１が存在する場合は、符号Ｆ８で示される箇所のように輝度が高く表示されるため、客観的に空隙が存在すると判断することができる。

≪パターン３：鉄筋あり、空隙（豆板）あり≫
図８Ｇは、コンクリートＣ１内に鉄筋Ｔ１～Ｔ３が埋設されており、かつ鉄筋Ｔ１とＴ２との間に空隙Ｈ２（豆板）が存在する場合の例を示す図である。図８Ｇでは、図８Ａと同様に、検査装置２が、コンクリートＣ１の上面において、右端から左端に対して移動しながらコンクリートＣ１の内部に向かって電磁波を照射し、コンクリートＣ１内部からの反射波を取得する。

図８Ｈは、図８Ｇの検査装置２よって取得された反射波のＢモード画像を示す図である。符号Ｆ９で示される箇所は、図８Ｇにおける空隙Ｈ２の位置と対応する。符号Ｆ９で示される箇所において、図８Ｂに比して、反射波のデータの振幅に僅かに変化が生じている。

図８Ｉは、図８Ｈに示すＢモード画像に対応するＫＲ画像を示す図である。符号Ｆ１０で示される箇所は、図８Ｈの符号Ｆ９で示される箇所に対応する。図８Ｉに示すように、コンクリートＣ１内に空隙Ｈ２が存在する場合は、符号Ｆ１０で示される箇所のように断続的に輝度が高く表示されるため、客観的に空隙（豆板）が存在すると判断することができる。

＜本実施形態の有利な効果＞
上述の実施形態によれば、非破壊検査装置を用いて空隙の有無を検出することができる。これにより、従来のように、経験に基づいて作業者が反射波の画像を見て空隙の有無を判断するのではなく、空隙の位置を画像で特定することで、作業者の技量によらず客観的に空隙の有無を判断することができる。すなわち、既往の電磁波の反射波のレベル、位相、あるいは、それらの形状を技術者の主観による判断ではなく、得られた反射波の数値解析を行うことで被検査体における不具合箇所を検出することができる。また、これにより、コンクリート（被検査体）における経年劣化の状態をいち早く検出し、補修することにより、コンクリート構造物の寿命を延ばす事ができる。

また、上述の実施形態によれば、空隙によって反射波の周波数特性が変化することを示すことで、空隙の厚み、照射される電磁波の周波数、媒質の反射係数が反射波の信号レベルに与える影響を理論的に導くことができる。具体的には、空隙が存在する場合に起きる物理現象をモデル式で表し、その式を解くことで、空洞からの反射波の周波数特性が偏移することの原理を明らかにすることができる。すなわち、空隙を電磁波が反射するときに、空隙の上面での反射信号と、一部の電磁波が空隙を透過したのち空隙の底面で反射するとき、位相が反転し空洞の厚み分だけ遅れた信号が加算される結果、空洞からの反射波の周波数特性が偏移することの原理を明らかにすることができる。

また、上述の実施形態によれば、反射波の周波数に着目することで、反射波の位相や振幅に現れない空隙の特徴（周波数特性）を抽出することができる。また、空隙が媒質中に存在することで生じる周波数特性の変化を捉えることができる。また、この変化を捉える方法として着目する周波数の信号レベルＭＬと、その約２倍の周波数の信号レベルＫＬとの比率ＫＲを算出することで、反射波の中から空隙による反射波の分離ができる。また、コンクリート（被検査体）内に、空隙と金属等の埋設物とが存在する場合でも、比率ＫＲを用いることで、金属からの反射と空隙からの反射の分離を可能とし、空隙の有無を検出することができる。

また、上述の実施形態によれば、２［ｍｍ］の隙間がある空洞でも検出することができるため、例えば、コンクリート内の充填不良による内部空洞や、配管のサビに伴う浮き等の意図しない欠陥を発見することができる。また、２［ｍｍ］の隙間がある豆板を検出することもできるため、例えば、充填不良による不具合箇所や、施工中に生じた初期欠陥等を発見することができる。

また、検査方法として電磁波レーダ法を用いることで、センサーが非接触で測定ができ、測定面を走査しながら測定することが可能であるため、センサーを測定面に接触させる、弾性波法（衝撃弾性波法、超音波法）と比べ、作業効率を向上させることができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

（変形例）
上述の実施形態では、検査装置、情報処理装置（サーバ）および表示装置が別体の例について説明したが、構成は特に限定されず、例えば、１つの装置が上述の２つ以上の装置の機能を有していてもよい。

上述の実施形態では、被検査体（コンクリート）内に鉄筋が埋設されている例を示したが、鉄骨、金属管、金属片などの人工物（埋設物）が埋設されている場合でも同様に空隙検出を行うことができる。また、被検査体内に空隙のみが存在する場合でも、上述の検出処理によって、空隙を検出することもできる。

上述の実施形態では、被検査体としてコンクリートを例に説明したが、被検査体は特に限定されない。例えば、空港の滑走路（アスファルト）、道路、地層、建築物、橋梁、トンネル、舗装、住宅、人体等を被検査体としてもよい。

上述の実施形態では、被検査体（コンクリート）内を検査する方法として電磁波レーダ法を用いる例について説明したが、検査方法は特に限定されない。例えば、コンクリートの内部を検査する方法として、打音法、衝撃弾性波法、超音波法、赤外線サーモグラフィ法、ＦＷＤ（ＦａｌｌｉｎｇＷｉｇｈｔＤｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ）を用いた方法等が用いられてもよい。打音法は、ハンマー等でコンクリートに打撃を与え、作業者がその打撃音を聴くことで、主観的に内部の状態を検査する検査方法である。衝撃弾性波法は、打音法と同様に検査するコンクリート表面を鋼球やハンマー等で打撃を加える事で衝撃を与え、その衝撃によってコンクリート内部に発生した弾性波を測定して、コンクリートを評価する方法である。超音波法は、衝撃弾性波法と同様な縦弾性波を用いる方式であって、縦弾性波の往復時間を測定することによって、コンクリートの内部を検査する方法である。赤外線サーモグラフィ法は、検査装置から赤外線を照射して、コンクリート内からの赤外線放射エネルギーを赤外線カメラで検出することによりコンクリートの内部を検査する方法である。ＦＷＤを用いた方法は、落下重錘を自由落下させ、その衝撃により表層にどの様な変位が現れるかを重錘の落下地点から、一定の距離ごとに、たわみセンサーを設置して、測定を行う方法である。

上述の実施形態では、周波数解析の方法として、フーリエ変換を用いる例について説明したが、周波数解析によって周波数特性が得られればよく、例えば、ウェーブレット変換を用いてもよい。

上述の実施形態では、比率を用いて空隙検出を行ったが、被検査体内に空洞のみが存在する場合は、値ＫＬが所定の値以上であるか否かによって空隙の有無を検出することができる。

上述の実施形態では、被検査体内に鉄筋等が不均一に分散して存在する場合でも空隙を検出できることを示したが、配管等のように均等に埋設されているものであれば、値ＫＬのみを用いて空隙を検出してもよい。例えば、値ＫＬを求める際に、積分する範囲を鉄筋ピッチと同じ範囲にして、鉄筋の影響を除くことで、空隙を検出することができる。これにより、比率ＫＲを用いなくても、鉄筋による高周波の反応（影響）を一定にすることで、空隙の反応を検出することができる。

上述の実施形態では、被検査体内に空隙が存在する場合の表示例について説明したが、この場合に、表示装置に空隙が存在する旨の警告を表示したり、警告音を出すようにしてもよい。

上述の実施形態では、検査装置として車輪が設けられる装置を例に説明したが、検査装置は特に限定されない。例えば、飛行型検査機器（ドローン等）を用いて被検査体の検査を行ってもよい。

また例えば、上述した一連の処理は、ハードウェアにより実行させることもできるし、ソフトウェアにより実行させることもできる。換言すると、図４の機能的構成は例示に過ぎず、特に限定されない。即ち、上述した一連の処理を全体として実行できる機能が情報処理システムに備えられていれば足り、この機能を実現するためにどのような機能ブロックを用いるのかは特に図２の例に限定されない。また、機能ブロックの存在場所も、図４に特に限定されず、任意でよい。例えば、サーバの機能ブロックを検査装置又は表示装置等に移譲させてもよい。逆に検査装置又は表示装置の機能ブロックをサーバ等に移譲させてもよい。また、一つの機能ブロックは、ハードウェア単体で構成してもよいし、ソフトウェア単体で構成してもよいし、それらの組み合わせで構成してもよい。

一連の処理をソフトウェアにより実行させる場合には、そのソフトウェアを構成するプログラムが、コンピュータ等にネットワークや記録媒体からインストールされる。コンピュータは、専用のハードウェアに組み込まれているコンピュータであってもよい。また、コンピュータは、各種のプログラムをインストールすることで、各種の機能を実行することが可能なコンピュータ、例えばサーバの他汎用のスマートフォンやパーソナルコンピュータであってもよい。

このようなプログラムを含む記録媒体は、ユーザ等にプログラムを提供するために装置本体とは別に配布される図示せぬリムーバブルメディアにより構成されるだけでなく、装置本体に予め組み込まれた状態でユーザ等に提供される記録媒体等で構成される。

なお、本明細書において、記録媒体に記録されるプログラムを記述するステップは、その順序に沿って時系列的に行われる処理はもちろん、必ずしも時系列的に処理されなくとも、並列的あるいは個別に実行される処理をも含むものである。また、本明細書において、システムの用語は、複数の装置や複数の手段等より構成される全体的な装置を意味するものとする。

１：サーバ２：検査装置３：表示装置
１１：ＣＰＵ１８：記憶部１９：通信部
３１：ＣＰＵ３２：通信部３３：送信アンテナ
３４：受信アンテナ３５：ロータリーエンコーダ４１：取得部
４２：検出部４３：表示制御部５１：周波数解析部
５２：レベル算出部５３：比率算出部５４：空隙検出部
５５：深度算出部６１：取得情報ＤＢ６２：検出情報ＤＢ

Claims

被検査体の表面から電磁波を照射し、前記電磁波が被検査体の内部で反射することによって生じた反射波のデータを取得する取得手段と、
前記取得手段で取得した前記反射波のデータに基づいて、前記被検査体内における空隙の有無を検出する検出手段と、
を有する情報処理装置。
前記検出手段は、前記反射波のデータに基づいて、前記電磁波が反射した対象が前記空隙であるか、前記被検査体の埋設物であるかを判断する、
請求項１に記載の情報処理装置。
前記検出手段は、前記反射波のデータに対して周波数解析を行う解析手段を有し、前記解析手段の前記周波数解析によって得られる前記反射波の周波数特性に基づいて前記空隙の有無を検出する、
請求項１または２に記載の情報処理装置。
前記検出手段は、前記被検査体内の前記空隙の第１面における第１の反射波と、前記空隙の前記第1面に対向する第２面における第２の反射波との合成波の周波数特性に基づいて前記空隙の有無を検出する、
請求項１から３のいずれか一項に記載の情報処理装置。
前記検出手段は、前記合成波の第１の周波数帯における第１の信号レベルＭＬと、前記第１の周波数帯より高い第２の周波数帯における第２の信号レベルＫＬとの比（ＫＬ／ＭＬ）が所定の閾値以上である場合に、前記被検査体の内部に前記空隙が存在すると判断する、
請求項４に記載の情報処理装置。
前記第１の信号レベルＭＬと前記第２の信号レベルＫＬとの比（ＫＬ／ＭＬ）が大きいほど、輝度または色度が高くなるように、前記比の強度を表示手段に表示する表示制御手段と、
をさらに有する請求項５に記載の情報処理装置。
前記被検査体は、鉄筋とコンクリートとを含む複合構造体である、
請求項１から６のいずれか一項に記載の情報処理装置。
前記検出手段は、前記複合構造体内の前記鉄筋と前記空隙とが混在する箇所において、前記電磁波が反射した対象が前記空隙であるか、前記鉄筋であるかを判断する、
請求項７に記載の情報処理装置。
被検査体の表面から電磁波を照射し、前記電磁波が被検査体の内部で反射することによって生じた反射波のデータを取得する取得ステップと、
前記取得ステップで取得した前記反射波のデータに基づいて、空隙の有無を検出する検出ステップと、
を有する情報処理装置の制御方法。
被検査体の表面から電磁波を照射し、前記電磁波が被検査体の内部で反射することによって生じた反射波のデータを取得する取得ステップと、
前記取得ステップで取得した前記反射波のデータに基づいて、空隙の有無を検出する検出ステップと、
をコンピュータによって実行させるためのコンピュータプログラム。