JP7296118B2

JP7296118B2 - 高周波交流電気探査方法及びそのシステム

Info

Publication number: JP7296118B2
Application number: JP2019199721A
Authority: JP
Inventors: 元治神宮司
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2019-11-01
Filing date: 2019-11-01
Publication date: 2023-06-22
Anticipated expiration: 2039-11-01
Also published as: JP2021071437A

Description

本発明は、地表面に載置したキャパシタンス電極から高周波交流電流を与えて地盤の２次元断面内における比抵抗を測定する高周波交流電気探査方法及びそのシステムに関し、特に、少ない電極数でありながら高い分解能で地盤の比抵抗を測定可能な高周波交流電気探査方法及びそのシステムに関する。

一対の電極（送信側電極）から地盤に電流を与え、その応答（電位差）を他の一対の電極（受信側電極）で測定する電気探査法が知られている。地盤の２次元断面内における比抵抗の測定では、これら電極を直線上に並べた測線下の見掛け比抵抗を多数の測定点で測定できる。ここで、直流電流を用いた直流電気探査法では、受信側電極の対を共通化させて、システム全体をコンパクトに出来ることが知られている。一方、キャパシタンス電極を用いた高周波交流電気探査方法では、信号の容量結合による干渉のため、受信側電極の対を共通化させると、正確な測定をすることが困難となってしまう。

図５を用いてこれを説明する。インライン・ダイポール配置の場合、受信側電極Ｐ１～Ｐ６の間隔係数ｎを１，２，３，４，５とするためには、同じ位置にある電極Ｐ２～Ｐ５を共通して使用することになる。このとき、直流電気探査法であれば、容量結合が生じないため、測定器内部での信号の干渉がなく、電極Ｐ２～Ｐ５を共通化して使用してもマルチチャンネル測定が可能である（図５（ａ）参照）。一方、キャパシタンス電極を用いた交流電気探査法では、直流電気探査法同様に電極Ｐ１～Ｐ６を配置したとしても、容量結合が生じるために、電極Ｐ２～Ｐ５を共通して使用することはできず、隔離係数ｎが１，３，５と奇数のみになってしまうのである。そのため、測定データ点数は、直流電気探査法の半分となり、深度分解能が低下してしまう（図５（ｂ）参照）。

例えば、特許文献１では、キャパシタンス電極を用いた交流電気探査法において、進行方向に直交して受信側電極を対に配置（エクアトリアル・ダイポール配置）することを開示している。このように電極対（ダイポール）の方向を測線（進行方向）に対して直交させることで、隔離係数（ｎ）を１，２，３，４，５…とできる。

特開平１０－２９３１８１号公報

上記したエクアトリアル・ダイポール配置によるキャパシタンス電極を用いた交流電気探査法では、隔離係数ｎを奇数のみとすることなく、連続させることができる。その一方で、直流電気探査法のように電極を共通して用いた場合と比較すると、同様の測定データ点数を得るには、受信側電極の数がほぼ２倍に増加することになり、システムが大掛かりになってしまう。これに伴って、測定系（電極や測定器）の移動やセットアップに時間を要してしまうことにもなる。また、進行方向に直交した電極対であるため、幅が大きくなり、狭い道路や歩道、障害物の多い道での安定した測定が難しいといった問題もある。

本発明は、以上のような状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、少ない電極数でありながら高い分解能で地盤の２次元断面内における比抵抗を測定可能な高周波交流電気探査方法及びそのシステムを提供することにある。

本発明は、地表面に載置したキャパシタンス電極から高周波交流電流を与えて地盤の２次元断面内における比抵抗を測定する高周波交流電気探査方法であって、前記２次元断面の地表面との交線である測線に沿って複数の受信側電極を配置し、所定間隔で等間隔に複数の受信側電極対を形成させるとともに、これら受信側電極対群を挟んで前記測線に沿った両外側に一対の送信側電極からなる第１及び第２の送信側電極対をそれぞれ与え、前記受信側電極対群からの前記第１及び前記第２の送信側電極対の位置を互いに異なるように配置し、前記第１及び第２の送信側電極対から送信されるそれぞれの信号を前記受信側電極対で受信して前記２次元断面内における複数位置での比抵抗を得ることを特徴とする。

かかる発明によれば、２次元断面内におけるより多くの複数位置での比抵抗を得られ、少ない電極数でありながら高い分解能で地盤の２次元断面内における比抵抗を測定可能となるのである。また、電極対の幅をコンパクトに出来るから、狭い道路や歩道、障害物の多い道でも安定した測定ができるのである。

上記した発明において、前記第１の送信側電極対は前記受信側電極対群から前記所定間隔で配置されるとともに、前記第２の送信側電極対は前記受信側電極対群から前記所定間隔の倍数の間隔で配置されることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、２次元断面内におけるより多くの所定間隔の複数位置での比抵抗を得られ、少ない電極数でありながら高い分解能で地盤の２次元断面内における比抵抗を測定可能となるのである。

上記した発明において、前記第１及び第２の送信側電極対から送信されるそれぞれの信号の周波数を互いに異なるようにすることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、送信側電極対からの信号を高精度に分離できて、少ない電極数でありながら高い分解能で地盤の２次元断面内における比抵抗を測定可能となるのである。

上記した発明において、前記送信側電極は前記測線に沿って配置されていることを特徴としてもよい。更に、前記第１及び第２の送信側電極対、及び前記受信側電極対を前記測線に沿って移動させることを特徴としてもよい。また、前記送信側電極及び前記受信側電極は回転自在な可変ローラからなることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、電極対の幅をよりコンパクトに出来るから、狭い道路や歩道、障害物の多い道でも安定した測定ができるのである。

また、本発明は、上記した高周波交流電気探査方法を実施するシステムを与える。

本発明の原理を示す図である。本発明の原理を示す図である。実証実験の様子を示す写真である。実証実験の結果を示すグラフである。従来の電気探査法における電極の配置を示す図である。

まず、本発明による地表面に載置したキャパシタンス電極から高周波交流電流を与えて地盤の２次元断面内における比抵抗を測定する高周波交流電気探査方法の原理について、図１及び２を用いて説明する。

本発明で用いられる高周波交流電気探査システムは、多重送受信機能を有するとともに、直交同期検波装置を含む交流電気探査システムである。つまり、異なる位置にある送信側電極対（送信ダイポール）から、周波数の異なる交流信号を送信し、受信側電極対で得られた合成信号を直交同期検波によって分離可能なシステムである。

ところで、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、電気探査法における比抵抗測定では、いわゆる「相反定理」が成立する。すなわち、送信側電極対２２と受信側電極対３２とを同位置において互いに入れ替えて抵抗測定しても、得られる抵抗値は同じになるとするものである。例えば、周波数ｆ１の交流信号を送信器２０から送信側電極対１２を介して地表１０から送信し、受信側電極対３２を介して、受信器３０で受信した場合の経路ｓ１での抵抗値がＲ１になるとする。この場合、送信側電極対２２と受信側電極対３２とを入れ替えても（電極の構造が同じであれば、実質的に、送信器２０及び受信器３０とをつなぎ替えることと同じである。）、測定される抵抗値はＲ１で同じになる。つまり、経路ｓ１と経路ｓ１’での抵抗の測定値はＲ１で同じになる。

そこで、図１（ｃ）に示すように、送信器２０及び送信側電極対２２に併せ、受信側電極対３２を挟んだ反対側に、少なくとも、第２の送信器２０’及び第２の送信側電極対２２’を設けるのである。なお、受信器３０及び受信側電極対３２に対して、第２の受信器３０’及び第２の受信側電極対３２’を必要とするが、後述するように、地盤の２次元断面内における比抵抗の測定では、受信側電極対３２は複数設けられるから、実質的に、新たな追加の必要はない場合が多い。これによれば、経路ｓ１及びｓ３の抵抗値は、送信器２０及び送信側電極対２２によって、経路ｓ１及びｓ３の間の経路ｓ２の抵抗値は、第２の送信器２０’及び第２の送信側電極対２２’によって測定できるのである。つまり、隔離係数ｎが１，３，５と奇数の位置での測定に対し、隔離係数ｎが２，４と偶数の位置での測定もできるのである。なお、第２の送信器２０’では、同じ抵抗値の測定を与える周波数ｆ１に近い周波数ｆ２で送信することで受信される信号の検波をより良好にできて好ましい。

具体的には、図２に示すように、送信側電極Ｃ１，Ｃ２及び、受信側電極Ｐ１～Ｐ４を測線に沿って並べるとともに、送信側電極対（Ｃ１’，Ｃ２’）の位置を異なるように、典型的には倍数、ここでは、２倍の間隔とするように、送信側電極Ｃ１’，Ｃ２’を追加配置する。送信側電極対（Ｃ１’，Ｃ２’）を送信器ＴＸ２に接続し、周波数ｆ２の交流電流を送信した場合、受信側電極対（Ｐ１，Ｐ２）及び（Ｐ３，Ｐ４）に接続されたそれぞれ受信器ＲＸ１及びＲＸ２にて検波され測定される抵抗値の経路は、Ｓ１及びＳ２であり、Ｌ１及びＬ２の位置での抵抗値を与える。電極列を長手方向に沿った移動方向Ｐに沿って移動させていくと、Ｓ１及びＳ２の経路は、それぞれ、Ｓ１’及びＳ２’の経路に移動する。つまり、Ｌ１’及びＬ２’の位置での抵抗値を与えるのである。

一方、送信側電極対（Ｃ１，Ｃ２）を送信器ＴＸ１に接続し、周波数ｆ１の交流電流を送信した場合の受信器ＲＸ１及びＲＸ２で検波され測定される抵抗値を併せて取得することで、隔離係数ｎ＝１，２，３，４のデータを取得することができるのである。これによれば、２次元断面内におけるより多くの所定間隔の複数位置での比抵抗を得られ、少ない電極数でありながら高い分解能で地盤の２次元断面内における比抵抗を測定可能となるのである。

次に、屋外で行った実証実験について述べる。実証実験は、平坦で埋設物のないグランドにて実施した（図３参照）。

送信側電極及び受信側電極のいずれも、直径２０ｃｍの円板状のＰＶＡ（ポリビニルアルコール）スポンジを地表に載置して用いた。なお、地盤の２次元断面内における比抵抗を測定するには、送信側電極対及び受信側電極対を測線に沿って移動させることが好ましいため、両電極対は測線に沿って移動できるように、回転自在な可変ローラからなることが好ましい。このように、電極対の幅をよりコンパクトに出来るので、狭い道路や歩道、障害物の多い道でも安定した測定ができるようになる。

ここでは、高周波交流電気探査装置（受信３ＣＨ）を用いて、ダイポール長１ｍのダイポールを有する送信側電極対及び受信側電極対を測線に沿って並べた。ここで、送信側電極対は、受信側電極対からなる受信側電極対群から１ｍの位置に配置した。送信側電極対に送信器ＴＸ１、受信側電極対にそれぞれ受信器ＲＸ１、ＲＸ２、ＲＸ３を接続し、送信側電極対（送信器ＴＸ１）を固定して、受信側電極対（受信器ＲＸ１，ＲＸ２，ＲＸ３）を１ｍごとに移動させて測定を行って、隔離係数ｎ＝１，２，３，４，５，６の抵抗値を得た。

次に、その受信側電極対群に対して、反対側２ｍの位置に送信側電極対を移動させ、ＴＸ２とし、送信側電極対（送信器ＴＸ２）、受信側電極対（受信器ＲＸ１，ＲＸ２，ＲＸ３）を同じダイポール長及び電極間隔を維持したまま測線に沿って、先ほどの反対側のＴＸ１の位置から見たｎ＝２，４，６の位置に相当するまで移動させた。

つまり、図３（ａ）の配置では、ｎ＝１，３，５の抵抗値を測定できる。一方、図３（ｂ）の配置では、ｎ＝２，３，４の抵抗値を測定できる。

図４には、電極対を水平移動させ、図３（ａ）の配置に対して、ｎ＝２，３，４の位置に移動させて取得した測定値と、ｎ＝１，３，５の位置での測定値との比較を示した。合成した抵抗値（Ｍｕｌｔｉ）と、ＴＸとＲＸの距離を移動させて得られた抵抗値（Ｓｉｎｇｌｅ）とが良く一致していることが判る。

以上、本発明による代表的な実施例及びこれに伴う変形例について述べたが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、適宜、当業者によって変更され得る。すなわち、当業者であれば、添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、種々の代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。例えば、電極対の代わりに、コイルを用いて磁場測定を行う、いわゆる、「マルチコイル電磁探査」においても、受信コイルの列の前後に、送信コイルを与えて同様に実施することが出来る。また，複数の測線を平行に配置することによって、３次元の比抵抗構造を取得することも可能である。

２０送信器
２２送信側電極対
３０受信器
３２受信側電極対

Claims

地表面に載置したキャパシタンス電極から高周波交流電流を与えて地盤の２次元断面における比抵抗を測定する高周波交流電気探査方法であって、
前記２次元断面の地表面との交線である測線に沿って複数の受信側電極を配置し、所定間隔で等間隔に複数の受信側電極対を形成させるとともに、これら受信側電極対群を挟んで前記測線に沿った両外側に一対の送信側電極からなる第１及び第２の送信側電極対をそれぞれ与え、
前記受信側電極対群からの前記第１及び前記第２の送信側電極対の位置を互いに異なるように配置し、前記第１及び第２の送信側電極対から送信されるそれぞれの信号を前記受信側電極対で受信して前記２次元断面内における複数位置での比抵抗を得ることを特徴とする高周波交流電気探査方法。
前記第１の送信側電極対は前記受信側電極対群から前記所定間隔で配置されるとともに、前記第２の送信側電極対は前記受信側電極対群から前記所定間隔の倍数の間隔で配置されることを特徴とする請求項１記載の高周波交流電気探査方法。
前記第１及び第２の送信側電極対から送信されるそれぞれの信号の周波数を互いに異なるようにすることを特徴とする請求項１又は２に記載の高周波交流電気探査方法。
前記送信側電極は前記測線に沿って配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のうちの１つに記載の高周波交流電気探査方法。
前記第１及び第２の送信側電極対、及び前記受信側電極対を前記測線に沿って移動させることを特徴とする請求項１乃至４のうちの１つに記載の高周波交流電気探査方法。
前記送信側電極及び前記受信側電極は回転自在な可変ローラからなることを特徴とする請求項５記載の高周波交流電気探査方法。
地表面に載置したキャパシタンス電極から高周波交流電流を与えて地盤の２次元断面内における比抵抗を測定する高周波交流電気探査システムであって、
前記２次元断面の地表面との交線である測線に沿って複数の受信側電極を配置し、所定間隔で等間隔に複数の受信側電極対を形成させるとともに、これら受信側電極対群を挟んで前記測線に沿った両外側に一対の送信側電極からなる第１及び第２の送信側電極対をそれぞれ与え、
前記受信側電極対群からの前記第１及び前記第２の送信側電極対の位置を互いに異なるように配置し、前記第１及び第２の送信側電極対から送信されるそれぞれの信号を前記受信側電極対で受信して前記２次元断面内における複数位置での比抵抗を得ることを特徴とする高周波交流電気探査システム。
前記第１の送信側電極対は前記受信側電極対群から前記所定間隔で配置されるとともに、前記第２の送信側電極対は前記受信側電極対群から前記所定間隔の倍数の間隔で配置されることを特徴とする請求項７記載の高周波交流電気探査システム。
前記第１及び第２の送信側電極対から送信されるそれぞれの信号の周波数を互いに異なるようにすることを特徴とする請求項７又は８に記載の高周波交流電気探査システム。
前記送信側電極は前記測線に沿って配置されていることを特徴とする請求項７乃至９のうちの１つに記載の高周波交流電気探査システム。
前記送信側電極及び前記受信側電極は回転自在な可変ローラからなり、前記第１及び第２の送信側電極対、及び前記受信側電極対を前記測線に沿って移動させることを特徴とする請求項７乃至１０のうちの１つに記載の高周波交流電気探査システム。