JP4817826B2

JP4817826B2 - 検査システム

Info

Publication number: JP4817826B2
Application number: JP2005355382A
Authority: JP
Inventors: 潤一西澤; 徹倉林
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2005-11-09
Filing date: 2005-11-09
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2025-11-09
Also published as: JP2007132915A

Description

本発明は、建造物に電磁波を照射しその反射画像を得ることによって、建造物のひび割れ、構造欠陥、鉄筋の施工状況、および異物混入の有無を識別し、その分布を画像化することを特徴とする建造物の検査方法および検査システムに関する。

コンクリートによる建造物は半永久的な使用が前提であり、そのための構造物設計法や施工法、および材料の選定により、破損や損傷が生じにくいという特徴がある。一方、問題点としては、変状、損傷は長い時間をかけて少しずつ進行する傾向があり、変状進行の予測、通常使用に対する影響度合いの判定が難しいこと。また大規模かつ複雑な形状の建造物が多く、遠隔箇所からの目視検査が難しく、至近距離には高所足場や高所作業車が必要であった。また、トンネルなどの検査では覆工コンクリート内部などの見えない場所の検査が必要となることからボーリングコアによる破壊検査が必要となり、多大な時間がかかるという欠点があった。木造家屋においても、地震や経年劣化による外壁材等の検査において、同様の手法が用いられてきた。
非破壊検査においては、至近距離から打音してコンクリートや外壁の剥離状況を調べる方法が主に用いられ、赤外線カメラやレーザスキャニングによる電子写真方式でコンクリート表面のひび割れや剥離の検査が試験的に行われている。またコンクリート内部の欠陥検査に関しては、ハンマー打音検査が主に用いられ、１００ＭＨｚ〜３ＧＨｚの電磁波を用いたレーダ技術が試験的に用いられている。

建造物の検査は主に打音による検査が行われ、高所作業や作業者の肉体的負荷が大きく非効率な点検作業となっている。一方、赤外線カメラやレーザスキャニングによるコンクリート建造物壁面の電子写真方式は、表面のみの情報しか得られず、塗装や付着物あるいは析出物の表面被覆によって、表面のひび割れや剥離状況を見逃す恐れがあった。

上記問題を解決するために、本発明では、テラヘルツ発生装置によって構成される１０ＧＨｚから１０ＴＨｚの発振周波数を持つ電磁波発生源を用い、発振周波数の異なる複数の発振素子を組み合わせ、あるいは複数の検出器を用い、建造物に前記発生電磁波を照射しその透過あるいは反射画像を得ることによって、前記建造物の表面および内部の欠陥分布のイメージングを可能にしている。前記複数のテラヘルツ発生装置のうち、概して高い発振周波数帯では建造物の表面付近の欠陥や異物混入を高分解能で観察する際に有効である。一方、前記複数のテラヘルツ発生装置のうち、概して低い発振周波数帯では建造物の深部まで電磁波が透過しやすい性質から、建造物内部の欠陥や異物混入の分布観察に有効である。これら複数の周波数の電磁波を組み合わせることにより、従来にない高い精度で建造物の表面付近および内部構造の、剥離や、ひび割れ、異物混入状況、鉄筋の施工状況、さらには中空層の有無など画像化・診断することが可能になる。

本発明の建造物の検査方法および検査システムは、テラヘルツ発生装置によって構成される１０ＧＨｚ〜１０ＴＨｚの範囲の電磁波発生源を用い、２つの異なる発振波長を持つ電磁波発生源を選択し、媒体を透過しやすい周波数の電磁波を選び、建材に対する電磁波の侵入深さを制御することにより、建造物の表面から内部に至る構造を投影した画像情報を得ることができるので、外部から観察不能な異物混入や内部に存在する構造欠陥分布の非破壊識別が可能となり、トンネル内や建物からのコンクリート剥落などに関する安全管理や、建物完成検査、あるいは修復時などの現場における建造物検査などにおいて有効である。さらに、１つの発振源と複数の受信器を組み合わせることで、反射または透過してくる電磁波の位相ずれから、反射または透過を生じさせる欠陥や異物の位置を、また受信電磁波の振幅から欠陥や異物による減衰量を求め、３次元的に内部欠陥分布を画像化することができる。

本発明によるイメージングシステムに用いるダイオード発振素子の共振器構造を図１に示した。共振器は金属製の共振器基本構造１にステム２、スライディングショート３、バイアスピン４、方形導波路５、ホーンアンテナ６、石英スタンドオフ７、ダイオード素子８、および金リボン９によって形成される。石英スタンドオフ７、およびダイオード素子８の底面側はステム２上に圧着され、それぞれの上面側は金リボン９によって接続される。バイアスピン４はλ／４のチョーク構造を有し、スタンドオフ７に接するように設置され、ダイオード素子８に必要な直流バイアスを供給する。バイアスピン４と石英スタンドオフ７の接点付近と、スライディングショート３で囲む空間長で共振器を形成し、共振器に蓄えられた電磁波は方形導波路５を通してホーンアンテナ６より外部に出力される。タンネットダイオードの素子構造は図２に示したようにｎ^＋ＧａＡｓ基板結晶８１に低濃度電子密度のＧａＡＳｎ⁻層８２、さらに高濃度電子密度のＧａＡｓｎ^＋層８３、その上に高濃度正孔密度のＧａＡｓｐ^＋層８４をエピタキシャル成長により形成する。エピタキシャル成長された後は基板８１を１０〜５０μｍ程度まで薄く加工し、ｐ^＋層８４側をステム２に接するようにボンディングされ、共振器構造内に設置される。

ダイオード発振素子により基本波室温連続発振する電磁波発生器を１０〜４００ＧＨｚの範囲で作製できる。例えばＷＲ１２（３．０９９ｍｍ×１．５４９ｍｍ）を基準にした導波管共振器構造では発振周波数レンジが６０〜９０ＧＨｚであり、ダイオードに印加する直流バイアス値を制御することにより中心周波数に対し１０から２０％程度の周波数制御が可能である。これまでに試作したタンネットダイオードでは５０ＧＨｚで出力２０ｄＢｍ（１００ｍＷ）、７０Ｈｚで出力１７ｄＢｍ（５０ｍＷ）、２２０ＧＨｚで出力１０ｄＢｍ（１０ｍＷ）程度である。このようにして、適した導波管サイズと共振器構造、さらには適したダイオード構造を選ぶことにより、１０〜３００ＧＨｚの範囲で発振する任意のタンネットダイオードを作製できる。

図３に示したのは乾燥した板状コンクリートの厚みに対する透過電磁波強度を測定した結果である。用いた電磁波は５０、７０、２２０ＧＨｚであり、検出器はショットキーバリアダイオード検出器（ＳＢＤ）を用いている。図中、透過率は、ダイオード発振素子の出力Ｉ_ｏに対し、厚さｔのコンクリート透過強度をＩ_ｔとした場合Ｉ_ｏ／Ｉ_ｔで表される。電磁波の周波数として５０ＧＨｚを用いた場合、２００ｍｍ程度の厚みのコンクリートを透過する電磁波強度の測定が可能であり、７０ＧＨｚでは１００ｍｍ以上の厚みのコンクリートの画像を得ることができる。また、２２０ＧＨｚの電磁波では５０ｍｍ程度の厚みのコンクリートに対する透過能が確認されている。これら各周波数における透過能はコンクリートの含水率に依存することもわかっており、コンクリート中の含水率をモニタすることも可能である。また、反射イメージングにおける画像空間分解能は、ほぼ波長のレベルとなることから、高周波では高い分解能が得られ、２２０ＧＨｚでは分解能が１．３ｍｍ、５０ＧＨｚでは分解能が６ｍｍ程度の値になる。分解能６ｍｍはコンクリート中の鉄筋の設置状況の観察には十分な分解能である。

以上のように、タンネットダイオードにより所望の周波数を発生させる小型光源を実現でき、また周波数を選ぶことで、コンクリートにおける透過能と画像空間分解能を選ぶことができる。

図４は、発振素子を用いた反射強度測定用プローブの構造に関する説明図である。発振素子１０より発生した所定周波数の電磁波は素子に付随したホーンアンテナを通して自由空間に放射され、発振素子１０の出口付近に設置されたレンズ１１によって長焦点集光あるいは平行ビーム化され、ビームスプリッタ１２を透過させて、外部に放出される。外部より反射により戻ってきた電磁波はビームスプリッタ１２により反射され、レンズ１１による集光の後、検出器１３でその強度を検出する。発振素子１０、レンズ１１、ビームスプリッタ１２、および検出器１３は支持躯体１４に固定され一体化される。一体化したプローブ構造を１５とした。

前記プローブを複数個用いた反射イメージングシステムを図５に示した。異なる周波数のダイオード発振素子を有する複数のプローブ１５および１６を用い、これらを同一の駆動機構１７でｘおよびｙ方向の走査を行い、焦点深度方向は駆動機構１８で調整を行う。プローブ１５および１６の焦点深度はそれぞれ個別に設置された駆動機構１８で独立に制御される。プローブ１５および１６から放出される電磁波は、被測定物１９の内部および表面付近において微小なビーム径で照射される。ビーム径は発振素子１５および１６の導波管の内径程度まで微小化でき、ほぼ波長サイズである。被測定物２０中の２１は内部構造欠陥、２２は異物を模式的に表したものであり、鉄筋やボルトなどの構造上必要な物体などもこれに該当する。また２３はひび割れを表しており、表面のひび割れ（実線）が内部のひび割れ（点線）につながっている状態を模式的に表している。被測定物２０の各部分における反射電磁波強度は、プローブ１５および１６内に戻され、それぞれの周波数における反射強度は、プローブに内蔵する検出器で検出される。被測定物２０の反射イメージングでは、反射信号強度と駆動装置からの位置情報を、信号処理部１９で処理し、画像化される。

前記プローブ１５および１６に内蔵される発振素子の周波数に関し、高周波数として共振器の導波管サイズ規格をＷＲ−０５、ＷＲ−０４、およびＷＲ−０３とすることにより１４０−３２５ＧＨｚの範囲の発振周波数を選ぶことができ、この電磁波は建造物表面付近の内部構造を高分解能で観察する際に有効であった。一方、前記複数の発振素子のうち、低周波数として、振器の導波管サイズ規格をＷＲ−２８、ＷＲ−１９、ＷＲ−１２、およびＷＲ−０８とすることにより、２０−１４０ＧＨｚの範囲の電磁波はコンクリート壁の内部まで到達できることから、建造物内部観察に有効であった。これら複数の周波数の電磁波を組み合わせることにより、従来にない高い精度で建造物の表面付近および内部構造の、剥離や、ひび割れ、異物混入状況、鉄筋の施工状況、さらには中空層の有無を画像化・診断することが可能になる。

プローブ１５および１６で用いる発振素子の周波数が同一の場合は、一つのプローブを用いた場合に比べ、同一走査で２倍の画素数が得られるという特徴があり、さらにプローブの個数を増やすことによって、さらなる画素数の増加、あるいは同一画素数による高速スキャンが可能となる。

この方法は、被測定物２０として航空便小包や手荷物を適用すれば、従来のＸ線検査に変わる反射イメージ手法として、金属の探知だけでなく、反射率の異なる物質のイメージングが可能であることから爆発物や特定の物質の検地も可能であり、危機管理に関する幅広い応用が可能となる。

図６はプローブ１５および１６を用い、円筒状のコンクリート建造物の反射イメージングに適用した例である。プローブ１５および１６は一体となって法線方向（ｒ）駆動機構２４、回転方向（θ）駆動機構２５、および長さ方向（Ｚ）駆動機構２６によってｒ−θ−Ｚスキャンされ、各部の反射画像を得る。法線方向（ｒ）駆動機構２４はプローブ１５および１６についてそれぞれ設置されており、焦点深度方向をそれぞれ独立に制御できる。被測定物は正確な円筒形である必要はなく、円柱や四角柱、あるいはパイプ上のコンクリート建造物などに対しても、物体を囲む外部から反射画像を取得することが可能である。

図７は円筒状建造物の内部から反射イメージングを行うことを目的とした実施例である。プローブ１５および１６は法線方向（ｒ）駆動機構２８、回転方向（θ）駆動機構２９、および長さ方向（Ｚ）駆動機構３０によってｒ−θ−Ｚスキャンされ、壁面からの反射イメージングが行われる。法線方向（ｒ）駆動機構２８はプローブ１５および１６についてそれぞれ設置されており、焦点深度方向をそれぞれ独立に制御できる。被測定物は正確な円筒形である必要はなく、たとえばトンネル内のコンクリート壁面における内部ひび割れ状況や、パイプ上構造物の壁面における内部構造欠陥や異物混入などを、物体の内部より反射画像を取得することが可能である。

実施例２にしめしたダイオード発振素子では主に、ガンダイオード、インパットダイオード、およびタンネットダイオードが用いられているが、本願発明はテラヘルツ発生光源として他の素子を用いることが可能である。例えば、量子カスケードレーザ、ｐ型ゲルマニウムレーザ、共鳴トンネルダイオード等の素子や、バックワードオシレータ等の電子管、高周波トランジスタを用いた発振器、自由電子レーザ、テラヘルツ時間領域分光によるテラヘルツ発生法などを用いることができる。またテラヘルツパラメトリック発振器、ＧａＰ等の半導体結晶を用いたテラヘルツ差周波発生器も有効に用いることができ、特にＧａＰテラヘルツ波発生法を用いた場合は０．１５〜７ＴＨｚという他に類を見ない広範囲において波長可変で高出力のテラヘルツ電磁波の発生が実現されいるので、（例えば、Ｔ．Ｔａｎａｂｅ，Ｋ．Ｓｕｔｏ，Ｊ．Ｎｉｓｈｉｚａｗａ，Ｔ．Ｋｉｍｕｒａ，Ｋ．Ｓａｉｔｏ，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ９３，４６１０（２００３））テラヘルツ電磁波の任意の周波数を選択できる特徴を持っている。

ＧａＰテラヘルツ波発生法では、第１のポンプ光に波長１．０６４μｍのＹＡＧレーザを用い、第２のポンプ光源すなわち波長可変光源としてインジェクションシーディング装置を具備したオプティカルパラメトリックオシレータ（ＯＰＯ）を用いる。このようなＯＰＯはＹＡＧレーザの第３高調波すなわち波長３５５ｎｍ光で励起されることにより波長縮退を避けることができ、さらにインジェクションシーディングの効果によりＯＰＯの線幅を狭くすることができる。このため、差周波として発生するテラヘルツ電磁波の線幅も同様に狭くなる。また第２の方法として、ポンプ光としてＣｒ：ＦＯＲＳＴＥＲＩＴＥ（Ｃｒ添加カンラン石）レーザを用いることもできる。このレーザはＣｒの準位を用いているためにインジェクションシーディングなしのＯＰＯに比べて線幅が極めて狭い。Ｃｒ：ＦＯＲＳＴＥＲＩＴＥレーザは波長１．０６４μｍのＹＡＧレーザを用い励起されるが、前述のＯＰＯのように第３高調波を用いないので効率が高い。Ｃｒ：ＦＯＲＳＴＥＲＩＴＥレーザの波長可変範囲は、１．１５μｍから１．３５μｍまでの範囲であり、二つのＣｒ：ＦＯＲＳＴＥＲＩＴＥレーザをポンプ光源として用い、一方を固定波長で、他方を波長可変ポンプ光源として用い、インジェクションシーディングなしで差周波発生させることができる。

図８に示したのは、１つの発振源と複数の受信器を組み合わせた建築物の検査方法および検査システムの説明図である。発振素子１０より発生した所定周波数の電磁波は素子に付随したホーンアンテナを通して自由空間に放射され、発振素子１０の出口付近に設置されたレンズ１１によって長焦点集光あるいは平行ビーム化され、外部に放出され、被測定物２０に照射される。被測定物２０より反射により戻ってきた電磁波は、レンズ１１による集光の後、複数個の検出器１３でその位相および強度を検出する。発振素子１０、レンズ１１、および検出器１３は支持躯体１４に固定され一体化され、走査される。本システムを用いることで、反射または透過してくる電磁波の位相ずれから、反射または透過を生じさせる欠陥や異物の位置を正確に検出することができる。また受信電磁波の振幅から、被測定物中に存在する欠陥や異物による電磁波の減衰量を得ることができるので、支持躯体１４を走査することによって、被測定物中に存在する欠陥や異物を３次元的に画像化することができる。

以上により、本願のイメージング装置および方法を適用すると、肉眼による表面からの観察では見えないコンクリート建造物の内部構造を投影した反射画像を得ることができるので、建造物壁面内部の異物混入や構造欠陥の識別が可能となり、またトンネル内壁などの非平面形状を持つ建造物壁面に対しても、内部構造を観察できるので、安全検査や定期検査の新たな手段として有効である。また、建造物以外でも、梱包物の非開封による内部検査が可能なことから航空便小包や手荷物の検査などにも適用可能であり、危機管理に関しても重要な手法となる。

ダイオード発振素子の共振器構造の概略図である。タンネットダイオードの素子構造概略図である。ダイオード発振素子を用いた５０、７０、および２２０ＧＨｚ電磁波の板状コンクリートの厚みに対する透過特性である。発振素子とレンズ、ビームスプリッタ、および検出器を一体化した反射強度測定用プローブの構造である。発振素子を内蔵した反射測定用プローブを複数個用いたイメージングシステムおよびイメージング方法を示す説明図である。円筒状建造物外部より、反射イメージングに適用した例を示す説明図である。中空の円筒状建造物内部より、反射イメージングに適用した例を示す説明図である。１つの発振源と複数の受信器を組み合わせた建築物の検査方法および検査システムの説明図である。

符号の説明

１…共振器基本構造
２…ステム
３…スライディングショート
４…バイアスピン
５…方形導波路
６…ホーンアンテナ
７…石英スタンドオフ
８…ダイオード素子
９…金リボン
８１…ｎ^＋ＧａＡｓ基板結晶
８２…ＧａＡｓｎ⁻層
８３…ＧａＡｓｎ^＋層
８４…ＧａＡｓｐ^＋層
１０…発振素子
１１…レンズ
１２…ビームスプリッタ
１３…検出器
１４…支持躯体
１５…プローブＡ
１６…プローブＢ
１７…ｘ−ｙ方向駆動機構
１８…ｚ方向駆動機構
１９…信号処理部
２０…被測定物
２１…内部構造欠陥
２２…異物
２３…ひび割れ
２４、２８…法線方向（ｒ）駆動機構
２５、２９…回転方向（θ）駆動機構
２６、３０…長手方向（Ｚ）駆動機構
２７…円筒状建造物
３１…中空の円筒状建造物

Claims

１０ＧＨｚ−１０ＴＨｚの範囲の電磁波を発生する発生手段、前記電磁波の集光手段及び検出手段を、一体化したプローブ構造を少なくとも２つ備え、
前記少なくとも２つのプローブ構造のそれぞれの発生手段が、それぞれ互いに異なる発振周波数のテラヘルツ発生装置によって構成され、
前記少なくとも２つのプローブ構造をそれぞれ走査することにより、建造物からの電磁波の反射または透過を測定し、前記建造物の構造を検査することを特徴とする検査システム。
１０ＧＨｚ−１０ＴＨｚの範囲の電磁波を発生する発生手段、該発生手段の１つに対して、少なくとも２つの検出手段、前記発生手段から出射する電磁波及び前記検出手段に入射する電磁波の集光手段を備え、
前記発生手段、前記検出手段、及び前記集光手段を一体化したプローブ構造を走査することにより、建造物を検査する検査システムであって、
前記建造物から反射または透過する電磁波の位相ずれから、前記反射または透過してくる場所を求め、また前記電磁波の振幅から減衰量求め、前記場所と前記減衰量を３次元的に図式化し、前記建造物の内部欠陥分布図を抽出することを特徴とする検査システム。
前記発生手段が、ガンダイオード、インパットダイオード、タンネットダイオード、量子カスケードレーザ、ｐ型ゲルマニウムレーザ、共鳴トンネルダイオード、電子管、高周波トランジスタを用いた発振器、自由電子レーザ、テラヘルツ時間領域分光によるテラヘルツ発生法、およびテラヘルツパラメトリック発振器、半導体結晶を用いたテラヘルツ差周波発生器のいずれかであることを特徴とする請求項１又は２に記載の検査システム。
前記発生手段が、少なくとも２０−１４０ＧＨｚ、および１４０−３２５ＧＨｚの範囲の少なくとも２つの周波数成分を含む電磁波を発生することを特徴とする、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の検査システム。
前記走査を実行するために、
ｘ−ｙ平面の走査手段と、
ｘ−ｙ平面の法線方向の走査手段
とを更に含み、前記建造物の３次元画像を得ることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の検査システム。
前記建造物が、非平面を含む中空パイプ状あるいは柱状であり、前記プローブ構造が中空内部より物体表面に対し、法線方向（ｒ）、回転方向（θ）、および長さ方向（Ｚ）に走査されることを特徴とする、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の検査システム。