JP7369081B2

JP7369081B2 - 誘電率推定装置及び誘電率推定方法

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Publication number: JP7369081B2
Application number: JP2020067534A
Authority: JP
Inventors: 一徳高橋
Original assignee: Oyo Corp
Current assignee: Oyo Corp
Priority date: 2020-04-03
Filing date: 2020-04-03
Publication date: 2023-10-25
Anticipated expiration: 2040-04-03
Also published as: JP2021162555A

Description

本発明は、試料の誘電率を推定するための技術に関するものである。

本発明者は、試料内部の誘電率を測定する手法として、下記特許文献１に記載の技術を提案した。この技術では、受信部が試料の周囲を走査しながら送信部からの電波を受信することにより、試料の誘電率を簡便に推定することができる。

ところで、この技術では、試料表面を走査するための機構が必要になり、そのための設備コストや保守コストが発生する。特に長尺形状の試料（例えばボーリングで取得された円柱状のコア）の長手方向に沿った誘電率分布を測定するときには、受信部と試料とを、試料の長手方向において相対移動させる必要がある。このような相対移動を行いつつ、試料の周方向において受信部を走査させようとすると、それを実現するための設備コストや保守コストが増加するおそれがある。また、特許文献１に記載の技術では、試料の周方向に沿って受信部を走査させるので、走査するための時間が必要になるという問題もある。

特開２０１９－１４８４３７号公報

本発明は、前記した状況に鑑みてなされたものである。本発明の主な目的は、試料の誘電率を簡便に、短時間で、かつ比較的に低コストで推定できる技術を提供することである。

本発明は、以下の項目に記載の発明として表現することができる。

（項目１）
送信部と、複数の受信部と、処理部とを備えており、
前記送信部は、立体形状を有する試料の内部に向けて電波を送信する構成となっており、
前記複数の受信部は、前記送信部との間に前記試料を挟む位置に配置されて、前記試料を透過した前記電波を受信する構成となっており、
かつ、前記複数の受信部は、前記試料の周方向に沿って互いに間隔を置いて配置されており、
前記処理部は、前記複数の受信部により受信された測定データと、前記測定データを得たときと同じ前記送信部及び前記受信部の位置関係において前記試料の誘電率を仮定して得られる算出データとの類似度を算出する構成となっている
ことを特徴とする誘電率推定装置。

（項目２）
前記複数の受信部は、前記送信部と前記試料の中心部とを通る仮想線を中心として非対称となる位置に配置されている
項目１に記載の誘電率推定装置。

（項目３）
前記試料は、長尺の柱状に形成されており、
前記送信部及び複数の受信部は、前記試料に対して、前記試料の長手方向に沿って移動可能とされている
項目１又は２に記載の誘電率推定装置。

（項目４）
前記処理部は、前記類似度が最も高い値となる前記算出データに対応する誘電率を前記試料の誘電率と推定する構成となっている
項目１～３のいずれか１項に記載の誘電率推定装置。

本発明では、複数の受信部を予め所定位置に配置しておくので、受信部を走査させなくとも、走査した場合と同様の受信データを取得できる。このため、受信部を走査させるための機構が不要になる。したがって、この発明によれば、簡便に、短時間で、かつ比較的に低コストで試料の誘電率を推定することが可能になる。

本発明の第１実施形態に係る誘電率推定装置の概略的な構成を示すための説明図である。図１の装置における要部の概略的な外観を示す説明図である。図１の装置を用いた誘電率推定方法の手順を説明するためのフローチャートである。第１実施形態の推定方法に用いる測定データの一例を示す図であって、横軸は試料の周方向における位置、縦軸は走時である。第１実施形態の推定方法に用いる測定データの一例を示す図であって、横軸は試料の周方向における位置、縦軸は走時である。第１実施形態の推定方法に用いる測定データの一例を示す図であって、横軸は試料の周方向における位置、縦軸は走時である。図４Ａ～図４Ｃの測定データごとに得られた類似度を示すグラフであって、横軸は比誘電率、縦軸はセンブランスである。想定される複数の誘電率に対応する走時曲線を示す図であって、横軸は試料の周方向における位置、縦軸は算出された走時である。第１実施形態の推定方法に用いる測定データの一例を示す図であって、横軸は試料の周方向における位置、縦軸は走時である。第１実施形態の推定方法に用いる測定データの一例を示す図であって、横軸は試料の周方向における位置、縦軸は走時である。第１実施形態の推定方法に用いる測定データの一例を示す図であって、横軸は試料の周方向における位置、縦軸は走時である。図６Ａ～図６Ｃの測定データごとに得られた類似度を示すグラフであって、横軸は比誘電率、縦軸はセンブランスである。第１実施形態の推定方法に用いる測定データの一例を示す図であって、横軸は試料の周方向における位置、縦軸は走時である。第１実施形態の推定方法に用いる測定データの一例を示す図であって、横軸は試料の周方向における位置、縦軸は走時である。第１実施形態の推定方法に用いる測定データの一例を示す図であって、横軸は試料の周方向における位置、縦軸は走時である。図７Ａ～図７Ｃの測定データごとに得られた類似度を示すグラフであって、横軸は比誘電率、縦軸はセンブランスである。具体的な試料の例を示す説明図であって、図８（ａ）は、試料の組成を説明するための概略的な説明図、図８（ｂ）は、試料の位置に対する誘電率の変化を示す説明図である。地盤の複数位置において取得される試料と、試料毎の誘電率変化とを例示的に示す概略的な説明図である。周上に等間隔に受信部を配置した状態を比較のために説明する説明図である。本発明の第２実施形態に係る誘電率推定装置における受信部の配置状態を説明するための説明図である。図１０の例における測定データの一例を示す図であって、横軸は試料の周方向における位置、縦軸は走時である。図１０の例における測定データの一例を示す図であって、横軸は試料の周方向における位置、縦軸は走時である。図１０の例における測定データの一例を示す図であって、横軸は試料の周方向における位置、縦軸は走時である。図１２Ａ～図１２Ｃの測定データごとに得られた類似度を示すグラフであって、横軸は比誘電率、縦軸はセンブランスである。第２実施形態の推定方法に用いる測定データの一例を示す図であって、横軸は試料の周方向における位置、縦軸は走時である。第２実施形態の推定方法に用いる測定データの一例を示す図であって、横軸は試料の周方向における位置、縦軸は走時である。第２実施形態の推定方法に用いる測定データの一例を示す図であって、横軸は試料の周方向における位置、縦軸は走時である。図１３Ａ～図１３Ｃの測定データごとに得られた類似度を示すグラフであって、横軸は比誘電率、縦軸はセンブランスである。

（第１実施形態）
以下、添付図面を参照しながら、本発明の第１実施形態に係る誘電率推定装置（以下「推定装置」又は単に「装置」と略称することがある）について説明する。

（本実施形態の構成）
本実施形態の推定装置は、送信部１と、複数の受信部２と、処理部３とを備えている（図１参照）。この装置は、出力部４とスイッチ５とハウジング６と筒体７（後述の図２参照）とを追加的要素として備えている。

（送信部）
送信部１は、立体形状を有する試料１０（図１において二点鎖線で示す）の内部に向けて電波を送信する構成となっている。送信部１は、送信用アンテナ（図示せず）を備えており、所定の周波数帯域及びパワーを持つ電波を所定のタイミングで送信できるようになっている。また、本実施形態の送信部１は、円筒状のハウジング６（後述）に取り付けられている。図１においては、ハウジング６を模式的に一つの円で表している。送信部１は、配線１１により処理部３に電気的に接続されている。

（受信部）
複数の受信部２は、送信部１との間に試料１０を挟む位置に配置されている。これらの受信部２はいずれも、受信用アンテナ（図示せず）を備えており、送信部１から送信されて試料１０を透過した電波を受信する構成となっている。この明細書においては、複数の受信部を参照するときは符号２を用い、個別の受信部を参照するときは符号２ａ～２ｇのように添え字を付す。

本実施形態における複数の受信部２は、試料１０の周方向に沿って互いに間隔を置いて配置されている。具体的には、本実施形態の受信部２は全部で８個となっており、各受信部２の間は等間隔となっている。

各受信部２には、スイッチ５を介して各受信部２と処理部３とを電気的に接続する配線２１が接続されている。

また、本実施形態の受信部２は、送信部１と同様にハウジング６に取り付けられており、これによって、各受信部２ａ～２ｇと送信部１との位置関係が固定されている。

（処理部）
処理部３は、複数の受信部２により受信された測定データと、この測定データを得たときと同じ送信部１及び受信部２の位置関係において試料１０の誘電率を仮定して得られる算出データとの類似度を算出する構成となっている。

さらに、本実施形態の処理部３は、類似度が最も高い値となる算出データに対応する誘電率を試料１０の誘電率と推定する構成となっている。

また処理部３は、所定のタイミングで、あるいは操作者からの適宜な入力により、所定の波形及び強度の電波を送信部１から送信させるようになっている。

このような処理部３としては、コンピュータハードウェア若しくはコンピュータソフトウエア又はこれらの適宜な組み合わせにより構成することができる。

処理部３における動作の具体例は後述する。

（出力部）
出力部４は、処理部３で算出された類似度あるいは推定された誘電率を出力する構成となっている。出力部４としては、例えば、ユーザにそのような情報を提示するためのディスプレイであるが、それには制約されず、例えば、情報を記録するための各種のメモリや、ネットワークを介して情報を外部に転送するためのインタフェースであってもよい。

（スイッチ）
本実施形態のスイッチ５としては、複数の受信部２からの配線２１のうち、処理部３に接続されるべきものを、例えばトランジスタやダイオードを用いて電子的に順次切り替える素子が用いられている。

（ハウジング）
本実施形態のハウジング６は、円筒状に形成されており、その内部には、送信部１及び複数の受信部２が収納されている。ハウジング６は、管体７の外側に嵌合するように配置されており、図示しない駆動手段により、管体７に対して、つまり試料１０に対して、その長手方向に沿って移動可能とされている。図１においては、管体７の記載を省略している。また図２においては、ハウジング６から外部に引き出される配線２１の記載を省略している。

（試料）
本実施形態において用いられる試料１０としては、誘電率の測定が必要な立体形状の有体物が用いられる。そのような試料１０としては、例えば地盤調査のための円柱状の供試体（いわゆるコア）であるが、これらには制約されない。また、試料１０の形状としては、円柱状には制約されず、例えば惰円柱状、角柱状、立方体状など、適宜の形状とすることができる。本実施形態の説明においては、試料が長尺の柱状に形成されていることを仮定する。試料１０の寸法は特に制約されないが、試料１０がコアである場合、通常は、直径数センチメートル～数十センチメートル、長さ数十センチメートル～１メートル程度である。

（本実施形態における誘電率推定方法）
次に、図３をさらに参照して、本実施形態における誘電率推定方法について説明する。

（図３のステップＳＡ－１）
まず、試料１０を管体７の内部に収納する。この作業に前後して、あるいはそれと同時に、ハウジング６を管体７の外側に嵌合させる（図２参照）。これにより、送信部１と受信部２と試料１０との位置関係を、図１に示すような所定の位置関係とすることができる。またこれにより、送信部１と受信部２との間に試料１０を挟む状態とすることができる。この状態において、処理部３から送信部１への指令に基づき、立体形状を有する試料１０の内部方向に向けて送信部１から電波が送信される。

（図３のステップＳＡ－２）
この状態では、試料１０の内部を透過した電波を、各受信部２により受信することが可能になる。ついで、処理部３に接続する受信部２を、スイッチ５により切り替える。本実施形態では、図１における反時計方向に配列された順で、受信部２を処理部３に接続し、受信データを処理部３に送る。

本実施形態では、受信部２自体を走査させることなく、試料１０の周方向での離散的位置における受信データをスイッチ５により順次処理部３に送ることができる。このため、本実施形態によれば、受信部そのものを走査させる手法に比べて、機械的構成を簡略化することができ、装置コストや保守コストを低減させることができる。また、実際に受信部を走査させる時間に比較して、一周分の受信データを取得する時間を大幅に短縮することが可能になる。なお、スイッチ５としては機械的なスイッチを用いることも可能であるが、電子的なスイッチ５を用いることにより、機械的なスイッチに比較して、高速かつ安定した動作が可能になる。

（図３のステップＳＡ－３）
前記したステップＳＡ－２の手順により、処理部３は、試料１０の内部における電波の伝搬時間と電波の受信振幅とを、各受信部２の位置ごとに取得することができる。つまり、処理部３は、受信部２で取得された電波（透過波）の走時（送信から受信までに要した時間）に対する振幅の変化（時間波形）を、各受信部２の位置に応じて取得することができる。ここで、本実施形態における送信部１及び各受信部２はハウジング６に取り付けられているので、これらの位置関係は既知として扱うことができる。したがって、周方向における各受信部２の位置は既知とすることができる。

試料１０の誘電率を仮定してシミュレーションを行った場合の受信波形（測定データ）の例を図４Ａに示す。この図は、それぞれの受信位置（図４Ａの横軸で示される位置）において得られた受信波形（図４Ａの縦軸で示される時間に沿って表される波形）を、受信位置に対応して配置することで得られたものである。ここで受信位置は、試料１０の周方向での角度として表されている。またここで、図４Ａは、受信部２での受信間隔を５°、受信部２の個数を６１個、比誘電率をε_ｒ＝５とした条件下で得られたものである。またここで、比誘電率のみをε_ｒ＝１０、ε_ｒ＝２０のように変更した場合の受信データの例を図４Ｂ及び図４Ｃに示す。

図４Ａ～図４Ｃの例では、受信波形の振幅の変化により表される明確な透過波を観察することができる。この透過波で表される曲線（図４Ａ～図４Ｃ中において下向き凸の円弧状をなしている）を、走時曲線と呼ぶことがある。すなわち、この明細書において、走時曲線は、信号が観察され始める受信時間を走査方向につないだ曲線であるということができる。図４Ａ～図４Ｃの例では、透過波の走時曲線が、円柱状試料の断面形状にほぼ対応した円弧状をなしており、このことは、電波の伝搬距離の変化に応じて受信時間（走時）が変化していることを示している。

（図３のステップＳＡ－４）
前記したステップＳＡ－１～３の動作と前後して、あるいは同時に、試料１０において推定される誘電率を処理部３において設定する。設定される誘電率としては、同様の試料について予測される値（例えば過去に同様の試料において実測された値又はその近傍の値）を用いることが好ましい。

（図３のステップＳＡ－５）
前記のステップと前後して、あるいは同時に、送信部１の位置（つまり送信位置）と受信部２の位置（つまり受信位置）との間の距離データを取得する。ここで、本実施形態では、送信部１と複数の受信部２との位置関係が固定されているので、距離データは既知とすることができ、既定値を用いることができる。

ここで、送信位置を（ｘ_ｔ，ｙ_ｔ）、試料１０の周方向に沿うｉ番目の受信位置を（ｘ_ｒ,ｉ，ｙ_ｒ,ｉ）とすると、送受信位置の間の距離ｄ_ｉは下記式で表される。

（図３のステップＳＡ－６）
ついで、処理部３は、設定された誘電率と、送受信位置間の距離とを用いて、走時曲線を算出する。算出された走時曲線のデータは、本発明における「測定データを得たときと同じ送信位置及び受信位置の位置関係において試料の誘電率を仮定して得られる算出データ」の一例に相当する。

試料内部の比誘電率をε_ｒとしたとき、電波の受信時間（travel time）τ_ｉは下記式で表される。

ここで、
ｖ：電波の伝搬速度
ｃ：真空中の光速
である。

誘電率ε_ｒごとに算出された走時曲線の一例を図５に示す。

（図２のステップＳＡ－７）
ついで、処理部３は、受信された測定データと、得られた算出データとの類似度を算出する。本実施形態においては、類似度として、センブランス（Semblance）を用いる。誘電率ε_ｒにおけるセンブランスＳ（ε_ｒ）は下記式により算出できる。

ここで、
ｔ：受信時間

である。

（図２のステップＳＡ－８）
得られたセンブランスを図４Ｄに示す。いずれの誘電率の場合（図４Ａ～図４Ｃ参照）であっても、若干の誤差はあるが、センブランスのピーク値を用いて、試料の誘電率を推定できる。この推定は、得られたセンブランスのデータを見たユーザにより行うこともできるし、処理部３により自動的にピーク値を検出して行うこともできる。

したがって、本実施形態によれば、比較的に簡便な手法により、試料の誘電率を推定することができるという利点がある。

図４Ａ～図４Ｄの例に対して異なる受信間隔及び受信点数を設定した例を、図６Ａ～図６Ｄ及び図７Ａ～図７Ｄに同様に示す。いずれの例においても、試料の誘電率を推定できることが分かる。

（測定の実施例）
ここで、本実施形態により長尺試料を測定する具体的な実施例について説明する。まず、図８を参照して、この実施例において用いられる試料１０について説明する。この試料１０は、全体として長尺の円柱状に形成されたボーリングコア（単に「コア」と略称する）である（図８（ａ）参照）。このようなコアは、例えば地中の性状を調べるために、地中にボーリングを行うことにより採取される。この試料１０は、例えば、異なる構成材料や状態の部分１０ａ～１０ｄを有している。

測定においては、まず、試料１０を管体７に収納することにより、ハウジング６（図２参照）を試料１０に対する所定の位置（例えば試料１０の一端側近傍）に配置する。これにより、送信部１と複数の受信部２とを試料１０に対する所定の位置に配置することができる。ついで、前記したステップＳＡ－２～ＳＡ－８を行い、試料１０の誘電率を推定することができる。

その後、ハウジング６を管体７の、つまり試料１０の長手方向に沿って移動させる。これにより、送信部１と複数の受信部２とを試料１０の長手方向に沿って移動させることができる。そして再度、前記の手順を行うことにより、移動後の位置における試料１０の誘電率を推定することができる。ただし、この場合、ステップＳＡ－４～ＳＡ－６を再び行う必要はなく、得られた算出データを異なる位置においても用いることができる。

この実施例によれば、このようにしてハウジング６を移動させることにより、試料１０の長手方向における誘電率の変化（図８（ｂ）参照）を測定することができる。例えば本実施形態によれば、地盤Ｇの深さ方向における誘電率変化を、ボーリング地点ごとに調べることができる（図９参照）。

また、本実施例では、ハウジング６を管体１０に対して移動させることにより、試料１０の長手方向に沿う誘電率変化を測定することができる。これに対して、試料１０をハウジング６（つまり送信部１及び受信部２）に対して移動させる手段も考えられる。しかしながらその場合は、試料１０を移動させるための機械的構成が複雑化するだけでなく、長尺の試料１０を移動させるための空間が必要になる。これに対して本実施例では、ハウジング６を移動させているので、装置の機械的構成を簡略化できるだけでなく、装置の動作に必要な空間を少なくすることができるという利点がある。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る推定装置を、図１０～図１３に基づいて説明する。この第２実施形態の説明においては、前記した第１実施形態の装置と基本的に共通する要素については、同一符号を用いることにより、説明の煩雑を避ける。

前記した第１実施形態では、図１０に示すように、複数の受信部２が試料１０の周方向に等間隔に配置されていることを前提にしていた。これに対して、第２実施形態の装置では、試料１０を横断し、かつ試料１０の中心部（軸心）を通る仮想線１０１を中心として、複数の受信部２が非対称となる位置に配置されている（図１１参照）。図１１の例では、図１０の例から受信部２ｂ、２ｄ、２ｇ、２ｉ、２ｋが減らされたものとなっている。あるいは、第２実施形態は、等間隔に配置された受信部２の一部が間引かれた構成ということもできる。したがって、図１１の例では、６個の受信部２ａ、２ｃ、２ｅ、２ｆ、２ｈ、２ｊが配置されている。

図１０の配置状態における受信部２の受信データと、得られたセンブランスを図１２Ａ～図１２Ｄに示す。さらに、図１１の配置状態における受信部２の受信データとセンブランスを図１３～図１３Ｄに示す。これらの図におけるデータ取得条件は基本的に図４と同様である。図１２Ｄと図１３Ｄを比較して明らかなように、図１１の例（つまり第２実施形態）においても、図１０の例（つまり第１実施形態）と同様の精度で誘電率を推定することができる。

この理由は以下のように説明できる。すなわち、試料１０内部の、半径方向での誘電率がほぼ一定とすれば、図１０の例では、左右で対称となる位置における受信データは同等であると考えられる。なお、試料１０の径が短いとき（例えばコアのとき）は、試料の径方向の誘電率を一定と仮定しても実際上支障がない。すると、図１０における１１個の受信点のうち、独立なものは６点となる。

これに対して、図１１の例では、いずれの受信点も非対称の位置なので、独立な受信点の個数はやはり６点である。このため、同じ精度で誘電率を測定することが可能になったと考えられる。

したがって、第２実施形態では、受信部２の個数を減らすことができ、その分、製造コストや保守コストの低減を図ることができる。また、受信部２の個数が一定とすれば、第２実施形態の構造を用いることにより、実質的な受信部２の配置密度を増やすことができ、誘電率をより精密に測定することが可能になる。

第２実施形態における前記以外の構成及び利点は、前記した第１実施形態と同様なので、これ以上詳しい説明は省略する。

なお、前記実施形態の記載は単なる一例に過ぎず、本発明に必須の構成を示したものではない。各部の構成は、本発明の趣旨を達成できるものであれば、上記に限らない。

例えば、前記した実施形態では、類似度を示す指標としてセンブランスを用いたが、相互相関やStacked amplitude, normalised stacked amplitude, normalised/unnormalised/energy-normalised cross-correlation sumなどの手法を用いることができる。

また、前記実施形態では、誘電率を推定するものとしたが、比誘電率ε_ｒと電波の伝搬速度ｖとは、下記式によって変換可能なので、電波の伝搬速度を推定することは、誘電率の測定と等価である。すなわち、本発明は、電波の伝搬速度を推定する場合を含む。

また、本実施形態では、試料１０を長尺状としたが、これには限らず、短尺状のものを用いることも可能である。

前記した各構成要素は、機能ブロックとして存在していればよく、独立したハードウエアとして存在しなくても良い。また、実装方法としては、ハードウエアを用いてもコンピュータソフトウエアを用いても良い。さらに、本発明における一つの機能要素が複数の機能要素の集合によって実現されても良く、本発明における複数の機能要素が一つの機能要素により実現されても良い。さらに、機能要素は、物理的に離間した位置に配置されていてもよい。この場合、機能要素どうしがネットワークにより接続されていても良い。グリッドコンピューティング又はクラウドコンピューティングにより機能を実現し、あるいは機能要素を構成することも可能である。

１送信部
１１送信部用の配線
２・２ａ～２ｋ複数の受信部
２１受信部用の配線
３処理部
４出力部
５スイッチ
６ハウジング
７管体
１０試料
１０１試料を通る仮想線
Ｇ地盤

Claims

送信部と、複数の受信部と、処理部とを備えており、
前記送信部は、立体形状を有する試料の内部に向けて電波を送信する構成となっており、
前記複数の受信部は、前記送信部との間に前記試料を挟む位置に配置されて、前記試料を透過した前記電波を受信する構成となっており、
かつ、前記複数の受信部は、前記試料の周方向に沿って互いに間隔を置いて配置されており、
さらに、前記複数の受信部は、前記送信部と前記試料の中心部とを通る仮想線を中心として非対称となる位置に配置されており、
前記処理部は、前記複数の受信部により受信された測定データと、前記測定データを得たときと同じ前記送信部及び前記受信部の位置関係において前記試料の誘電率を仮定して得られる算出データとの類似度を算出する構成となっている
ことを特徴とする誘電率推定装置。
前記試料は、長尺の柱状に形成されており、
前記送信部及び複数の受信部は、前記試料に対して、前記試料の長手方向に沿って移動可能とされている
請求項１に記載の誘電率推定装置。
前記処理部は、前記類似度が最も高い値となる前記算出データに対応する誘電率を前記試料の誘電率と推定する構成となっている
請求項１又は２に記載の誘電率推定装置。
請求項１～３のいずれか１項に記載の誘電率推定装置を用いて行われる誘電率推定方法であって、
前記複数の受信部により受信された測定データと、前記測定データを得たときと同じ前記送信部及び前記受信部の位置関係において前記試料の誘電率を仮定して得られる算出データとの類似度を算出する工程を有する
誘電率推定方法。