JPH11211676A

JPH11211676A - 電磁波探査装置

Info

Publication number: JPH11211676A
Application number: JP10032250A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Fujiwara; 正弘藤原; Takumi Yagishita; 巧八木下; Minoru Tarumi; 稔垂水
Original assignee: BAANAMU KK; KOSU KK
Current assignee: BAANAMU KK; KOSU KK
Priority date: 1998-01-28
Filing date: 1998-01-28
Publication date: 1999-08-06
Anticipated expiration: 2018-01-28
Also published as: JP3369460B2

Abstract

(57)【要約】【課題】汎用的な電磁波探査装置を提供して、電磁波
探査技術をあらゆる分野に広く用いることができるよう
にして、調査範囲の自由度を飛躍的に向上させる。【解決手段】電磁波の送信アンテナ３０と、該アンテ
ナ３０から電磁波を送信するための送信回路部３１と、
送信アンテナ３０から送信された電磁波の反射波を受信
する受信アンテナ３２及び受信回路部３３と、受信され
た反射波信号に所要の処理を行う処理回路部３４と、該
処理回路部３４により処理されたデータを表示する表示
手段３５とを備えて携帯型に構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、地中やコンクリー
ト柱内部等の探査を行う電磁波探査装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】送信アンテナより送信された電磁波の反
射波を受信アンテナにより受信して地中内部の探査を行
う従来の電磁波探査装置は大型で重量もあるため、例え
ば特開平８−２７１６４１号公報に開示されているよう
に、ガス管等の道路下埋設物探査の場合には走行車両に
装備され、また、シールド掘削時の反射体探査の場合に
はシールド掘進機に装備されるなど、適用用途に特化す
る形態で設計されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】電磁波探査技術は、水
道管やガス管などの埋設物調査、シールド掘削時の反射
体調査、文化財調査やその他一般調査など、あらゆる分
野で非常に有用な技術であるため、汎用的な市場製品が
望まれているが、従来の電磁波探査装置は、特化した分
野に限定されており、操作にも高度な技術が必要とされ
ている。

【０００４】かかる問題点は、以下に示す近年考案され
ている最新式の電磁波探査装置でも内包している。即
ち、図３４は、最新式の電磁波探査装置によるコンクリ
ート柱内部の鉄筋及びコンクリートの健全性調査の例を
示しており、この電磁波探査装置１００は、装置本体１
０１（コンピュータ探査システム）と、該装置本体１０
１を作動させるための電源となるバッテリー１０２と、
小型の電磁波レーダアンテナ１０３とを少なくとも備え
ており、このアンテナ１０３を用いて電磁波をコンクリ
ート柱１０４の内部に浸透させて鉄筋１０５やコンクリ
ートの性状の調査を行うものである。

【０００５】また、図３５は、最新式の道路埋設物探査
手法を示しており、この探査装置１１０は、装置本体１
１１と、大型電磁波レーダアンテナ１１２とを備えて、
該レーダアンテナ１１２を探査員が操作して道路内部に
埋設された水道管１１３やガス管１１４の位置を調査し
たり、空洞等の存在の有無を探査するものであるが、こ
の事例においては、さらなる問題点として、消費電力等
の関係から別途の大容量の電源が必要となる。

【０００６】そこで、本発明は、汎用的に使用し得る新
しい形態の電磁波探査装置を提供するとともに、その操
作を容易に行えるようにして、電磁波探査の専門家でな
くともある程度的確な探査を行えるようにすることを目
的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、次の技術的手段を講じた。即ち、本発明
の電磁波探査装置は、電磁波の送信アンテナと、該アン
テナから電磁波を送信するための送信回路部と、送信ア
ンテナから送信された電磁波の反射波を受信する受信ア
ンテナ及び受信回路部と、受信された反射波信号に所要
の処理を行う処理回路部と、該処理回路部により処理さ
れたデータを表示する表示手段とを備えて携帯型に構成
したことを特徴としている。このように、電磁波探査の
ための必要な構成部分を備えつつ携帯型に構成すること
で、あらゆる場所で用いることが可能となり、汎用的な
製品を望む市場ニーズに応ずることができるとともに、
処理回路部により、平面画像生成や３次元画像生成等の
所要の処理を行うことにより、高度な技術や知識を有し
ない者でも的確な探査作業が行えるようになる。

【０００８】より一層の軽量化、小型化を図るために、
送信アンテナ及び受信アンテナを共通のアンテナハウジ
ング内に配設し、該アンテナハウジング内に、送信回路
部及び受信回路部を内蔵することができる。さらに、処
理回路部は、小型に一体構成されたアナログ回路部とデ
ジタル回路部とで構成し、アンテナ部、送受信回路部、
アナログ回路部、デジタル回路部及び表示手段を装備し
てなる装置全体の重量を５Ｋｇ以下に構成するのが好ま
しい。

【０００９】また、アンテナハウジングが、処理回路部
のハウジングの下部に連結され、表示手段のハウジング
が、処理回路部のハウジングの前部に連結されているも
のとすれば、アンテナを地表面近くの探査位置に位置さ
せるとき、表示手段が装置全体の重心位置よりも若干前
方に位置することとなって、携帯するときの重量バラン
スを図りつつも表示手段が見やすい位置に配置されるこ
ととなり、一層の携帯しながらの操作性の向上を図り得
る。

【００１０】また、各種探査条件に適合した電磁波を送
信可能として、一層の汎用的利用に供するために、送信
アンテナを着脱交換可能に設け、送信アンテナのサイズ
による導波路変化に対応するために電磁波の送信出力を
調整する手段を備えることが望ましい。

【００１１】また、携帯利便性を一層向上するために、
人が着用するスーツ表面に複数の太陽電池を配設してな
るスーツ形直流電源装置と、該装置と並列に接続された
蓄電式バッテリーとを、電源供給源として備えることが
望ましい。さらに、蓄電式バッテリーは、人の腰部装着
ベルトに取付けておくのが一層好ましい。かかる構成に
よれば、重量が嵩みがちな電源を作業者の体に装着する
ことで、電源の携帯時の重量感が軽減され、電源の携帯
のために手を使わずに済むため、開放されている両手で
探査作業を一人でも移動しながら容易に行える。

【００１２】また、電磁波探査に関する専門家でなくと
も比較的容易に探査を行えるようにするために、処理回
路部は、多数の探査位置における反射波受信信号に基づ
くサンプリングデータを記憶する手段と、該手段に記憶
されたデータに基づいて電磁波反射体の３次元画像表示
データを表示手段に出力する手段を備えたものとするの
が好ましい。かかる構成によれば、二次元平面交互ラス
タースキャン操作による探査手順により記憶された多数
の探査位置における反射波データに基づいて埋設物の形
状が３次元表示されるため、現場工事担当者でも本発明
に係る装置を容易に利用でき、一層の市場性の拡大を図
り得る。なお、上記の演算手段としては、マイクロプロ
セッサ（ＣＰＵ）並びに周辺チップ（ＲＡＭ、ＲＯＭ、
Ｉ／Ｏ制御チップなど）からなるコンピュータを採用す
るのが望ましい。

【００１３】さらに、処理回路部は、多数の探査位置に
おける反射波受信信号に基づくサンプリングデータを記
憶する手段と、該手段に記憶されたデータに基づいて各
探査位置における反射点の二次元画像データを演算する
手段と、該電磁波反射体の２次元平面画像データを少な
くとも２つ記憶する記憶手段と、該記憶手段に記憶され
た少なくとも２つの２次元平面画像データを重ね合わせ
て表示手段に出力する手段とを備えているものとして、
２回以上のラスタースキャン走査に基づく２次元平面画
像を多重表示することで、探査対象物（反射体）の平面
形状を容易に推測可能となる。特に、上記した３次元画
像表示機能と併せて実装することにより、３次元形状の
把握を一層容易となる。

【００１４】また、処理回路部に、電磁波反射体の物性
を演算により推定し該物性データを表示手段に出力する
手段を備えておくことにより、より一層汎用的かつ電磁
波探査の容易性が向上され、市場性が拡大する。さら
に、この物性表示手段とともに、上記した３次元形状表
示手段とを併せ持つことにより、反射体が金属管である
かプラスチック管であるか、若しくは、石であるかコン
クリート片であるか等の特定がより一層容易となる。

【００１５】なお、本発明において、電磁波の解析、演
算手法として、実時間測定による周波数測定、周波数解
析法たるフーリエ変換法を用いた周波数測定、相互相関
法を用いた時間・周波数測定法等の利用、実振幅を測定
する強度測定法、ピーク点（Ｎ点ピーク測定）測定法、
或いは、マスク（ウインドウ設定）による方法等の既知
のあらゆる手法を応用することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態に係る
携帯型電磁波探査装置を図面に基づいて説明する。図１
〜図１１は、本発明の電磁波探査装置の電源装置１の一
実施形態を示しており、該装置１は、スーツ２の表面に
配設された多数の太陽電池セル３からなる発電部４と、
該発電部４と並列に接続される蓄電式バッテリー５とを
備えている。

【００１７】スーツ２は、図１及び図２に示すように、
前ボタン式のベストからなり、合成繊維、綿、革などか
らなる。なお、ボタンに代えてファスナーを用いても良
い。また、スーツ２として、ベスト以外に、トレーナ
ー、シャツなどを採用することもできる。

【００１８】上記太陽電池セル３としては、シリコン
系、化合物半導体系のものや、湿式又は有機半導体のも
のなど、従来公知の種々のものを用いることができる。
また、シリコン系太陽電池セルとして、多結晶シリコン
系、単結晶シリコン系若しくはアモルファスシリコン系
のものを用いることができる。図示実施例では、単結晶
シリコン系のものを採用し、横幅約１１０ｍｍ、縦幅約
６０ｍｍの長方板状の基板６に取着されており、該基板
６が、図４に示すようにスーツ２の表生地７に装着され
ている。

【００１９】この基板６の装着構造を説明すると、基板
６の上端部には、左右一対の装着孔８が設けられてお
り、該装着孔８に取付けたクリップ９がスーツ表生地７
に縫いつけられている。なお、クリップを用いずに紐や
糸などにより基板６をスーツ生地に縫い付けても良い。
かかる装着構造によれば、基板６の下部側の揺動が許容
されるため、スーツ２を人が着用した際における該基板
６や太陽電池セル３の破損を防止し得るとともに、スー
ツ２の柔軟性を確保して着心地を向上することができ
る。

【００２０】各太陽電池セル３の表面には、図４に示す
ように、全面にわたって保護被膜１０が形成されてお
り、セル３の劣化、破損を防止している。太陽電池セル
３は、電磁波探査装置の負荷に応じて必要分装着して直
列に接続すれば良い。図示実施例では、図１又は図２に
示すように、太陽電池セル３は、スーツ２の肩部に６個
（符号３ａで示す）、背側に２８個（符号３ｂで示
す）、総数３４個が互いに重ならないように配設されて
いる。なお、背側のセル３は、左右３列に整列状に配設
され、スーツ２の表面を有効利用している。

【００２１】各太陽電池セル３は上述のようにスーツ２
に取付けられた基板６に固着されており、これら太陽電
池セル３は、その全てが図３に示すようにシリーズ接続
されている。なお、２つ以上の太陽電池セル３を並列に
接続してもよい。各太陽電池セル３の定格発電電圧は約
０．５Ｖ〜０．６Ｖ、上記した３４個で発電部４の総定
格発電電圧が約１７Ｖ〜２０．４Ｖとなされている。

【００２２】各太陽電池セル３間の結線構造を説明する
と、図４に示すように、基板６から正極側コネクタ１１
と、負極側コネクタ１２とがそれぞれ引き出されてお
り、隣接する太陽電池セル３の正負コネクタ１１，１２
を、スーツ２の表生地７と裏生地１３の間で接続してあ
り、これらコネクタ１１，１２とセル３との配線１４や
コネクタ１１，１２がスーツ着用者の体に触れないよう
にしている。

【００２３】また、図３に示すように、直列に接続した
各太陽電池セル３と並列に、該セル３の正極側をカソー
ド側として、一部のセル３が陰った際に他のセル３によ
り発声した電力を有効に外部出力するために陰ったセル
３をパスして電流伝達させるための日陰パスダイオード
１５を接続している。また、正極側終端には、逆電流防
止用のダイオード１６が発電部４と直列に接続されてい
る。そして、正極両端からそれぞれ正極側コネクタ１７
と負極側コネクタ１８とが接続され、これらコネクタ１
７，１８が図１に示すようにスーツ２の下側から引き出
されている。なお、図３においてベスト首もとの位置を
符号１５で示す。

【００２４】上記蓄電式バッテリー５（太陽電池に対し
「ドライバッテリー」と称することもできる）は、図５
〜図９に示すように、ほぼ半円弧状の上部ケース２０
と、該上部ケースの下部に取付けられたほぼ四半円弧状
の下部ケース２１と、これらケース２０，２１内に装着
された多数の密閉型の電池２２とを備えている。

【００２５】このバッテリー５は、人の腰部装着ベルト
２３の後側に取付けられており、該ベルト２３を作業者
が腰に取付けることで、携帯しながらの各種作業の利便
性を図っている。なお、ベルト２３の前部にはバックル
２４が設けられ、装着者のウェストに適合し得るように
なっている。

【００２６】上部ケース２０内には、右側及び左側にそ
れぞれ１０個の電池２２が装着され、下部ケース２１内
には１０個の電池２２が装着されている。各電池２２は
１．２Ｖのものとされ、上部ケース２０右側の１０個の
電池２２、左側の１０個の電池２２、下部ケース２１の
１０個の電池２２は、それぞれ直列に接続されてそれぞ
れが１２Ｖ２０００ｍＡの容量の集合電池部２２Ａを
構成しており、これら密閉型電式からなる集合電池部２
２Ａが図１０に示すように並列に接続されて、バッテリ
ー５全体として１２Ｖ６０００ｍＡの容量とされてい
る。このように、多数の電池２２を用いて所要の容量を
確保する場合には、電池部２２Ａを並列に接続すること
によりバッテリー５の抵抗値を低くして、電磁波探査装
置２６等の負荷抵抗と同等にすることで、多数の太陽電
池セル３からなる発電部４からの発電電力を電磁波探査
装置（直流電子機器）２６と蓄電式バッテリー５とにバ
ランス良く供給し得るようにしている。なお、各電池２
２の容量は、電磁波探査装置の使用規定電圧に応じて適
宜設定すればよく、１Ｖのもの、１．５Ｖのものなどを
採用し得る。

【００２７】バッテリー５の出力コネクタ２５はベルト
２３の側部に設けられており、該コネクタ２５を介し
て、上述の多数の太陽電池セル３からなる発電部４と並
列に接続され、電磁波探査装置に電源を供給するように
構成されている。

【００２８】上記実施の形態に係るスーツ形直流電源装
置１によれば、使用する電子機器２６、即ち電磁波探査
装置に発電部４と蓄電式バッテリー５からの電力を供給
するものであるが、電子機器２６への電力供給が、日照
中は発電部４からの発電電力供給によって賄われるとと
もに、バッテリー５の定格電圧（１２Ｖ）よりも、発電
部４の定格発電電圧（定格発生電圧）の方が、５Ｖ以上
高く設定されているため、余剰電力により効率よくバッ
テリー５の充電が行われ、日が陰った際に電力不足分を
蓄電式バッテリー５からの補助電力供給により賄われる
ものであるから、蓄電式バッテリー５は、電子機器２６
との間で負荷平衡することにより、日照下での使用であ
って機器の劣化がなければ、理論的には半永久的にバッ
テリー５の交換なく継続して使用し得る。

【００２９】上記実施の形態に係る電源装置１によれ
ば、人が着用するスーツ２をベースとしているため、使
用する際にはこのスーツ２を体に着用すれば良く、着用
者に重量感を差ほど与えず、携帯しながらの使用に最適
である。さらに、太陽光を受光するための表面積が、携
帯の利便性を阻害することなく大きく確保され、所用の
起電力を容易に得ることができる。

【００３０】さらに、複数の太陽電池セル３を少なくと
もスーツ２の肩部に配設しているので、上方から照射さ
れる太陽光がスーツ肩部の太陽電池セル３ａに有効に照
射され、少ない数の太陽電池セルでより有利に起電力を
得ることができる。

【００３１】また、複数の太陽電池セル３ｂを、人の腹
側及び背側のいずれか一方側に配設しているので、太陽
電池セル３ｂに、斜め上方から照射される太陽光が照
射されるように作業者が向いて作業をすることにより、
一部の太陽電池セルが人の陰になることを回避でき、有
効に起電力を確保し得る。なお、上記実施の形態のよう
に、人の腹側及び背側のいずれか一方側に太陽電池セル
３ｂを配設するとともに、肩部にも配設するのが最も好
ましい形態である。

【００３２】また、各太陽電池セル３をそれぞれ基板６
に取り付け、各基板６の下部側の揺動を許容するように
該基板６の上部をスーツ生地７に取り付けれているの
で、基板６により太陽電池セル３を補強して破損が防止
されるとともに、該基板６下部の揺動が許容されている
ため、スーツ生地７の柔軟性が確保され、スーツ２とし
ての着心地が確保される。

【００３３】また、太陽電池セル３を直列に接続した場
合、状況により一部のセル３が陰った場合には、該太陽
電池セル３が逆方向のダイオードと同様に作用するとい
う特性を有しているために、全体としての出力が大幅に
低減することがあるが、上記実施の形態では、直列に接
続された各太陽電池セル３と並列に、該太陽電池セル３
の正極側をカソード側としてダイオード１５を接続する
ことで、日が陰ったセル３をパスする回路を構成してい
るので、日陰による発電効率低下を最小限に抑えること
ができる。

【００３４】また、日中に曇った場合の補助電源とし
て、複数の太陽電池セル３からなる発電部４と並列に蓄
電式バッテリー５を接続しているので、電磁波探査装置
２６の定格消費電力と、太陽電池セル３からなる発電部
４の定格発電電力を負荷均衡させておき、日照変化分を
蓄電式バッテリー５により補完して、該バッテリー５の
消耗量を可及的に少なくし、バッテリー交換なしで作業
を行うことができる。

【００３５】また、上記蓄電式バッテリー５は、人の腰
部装着ベルト２３に取り付けられているので、太陽電池
セル３による発電部４と同様に携帯利便性が確保され、
電磁波探査作業性を向上し得る。また、直列に接続され
た太陽電池セル３全体の定格発生電圧を、蓄電式バッテ
リー５の規定電圧よりも５Ｖ以上高く設定しておけば、
電磁波探査装置の負荷よりも太陽電池セルによる発電部
４の出力の方が大きいときに、発電量の余剰分により蓄
電式バッテリー５が効率よく充電され、より一層バッテ
リー５の消耗を低減することができる。

【００３６】また、蓄電式バッテリー５を、密閉型の電
池２２からなる電池部２２Ａを並列に接続してなるもの
としているので、該バッテリーの抵抗値を低くして、電
磁波探査装置２６と蓄電式バッテリー５とを負荷均衡さ
せることで、太陽電池セル３による発電電力の有効利用
を図ることができる。

【００３７】図１２は、上記実施の形態に係る電源装置
１により１２Ｖ／６Ａ仕様の蓄電式バッテリー５を１日
連続して使用し得ることを示した試験データである。こ
の試験では、電子機器として実負荷１．５Ａの消費電力
容量のものを使用した。通常、かかるバッテリー５を単
独で使用した場合には、実負荷１．５Ａの場合、６Ａ容
量であれば３時間程度の公称容量値となり、１日連続使
用は不可能である。しかし、上記実施形態に係る電源装
置１では、図１２に示すように日没までほとんどバッテ
リー５の消耗はなく、日没後（１１月で１６：３０頃）
に自然消滅していることが明らかである。

【００３８】図１３〜図３３は、上記電源装置１から電
源の供給を受けて作動する電磁波探査装置２６の一実施
形態を示している。該装置２６の基本回路構成をまず説
明すると、図１３に示すように、電磁波の送信アンテナ
３０と、該アンテナ３０に電磁波送信信号を印下する送
信回路部３１と、送信アンテナ３０から送信された電磁
波の反射波を受信する受信アンテナ３２と、受信処理を
行う受信回路部３３と、受信アンテナ３２により受信さ
れた反射波信号、即ち受信回路部３３の出力信号を入力
して該信号に所要の処理を行う処理回路部３４と、該処
理回路部３４により処理されたデータを表示する表示手
段３５とを備えている。

【００３９】送信回路部３１は、図１４に示すように、
送信アンテナ３０から電磁波を発信するためのパルス発
信部３６と、該パルス発信部３６を作動させる高圧印下
部３７とを備えている。また、後述するように、送信ア
ンテナ３０は種々の探査深度に適応させるべく種々のサ
イズのものに着脱交換可能とされており、この送信アン
テナ３０のアンテナサイズによる導波路変化に対応可能
とすべく電磁波の送信出力を調整する手段として、高圧
印下部３７の出力調整回路３７ａが設けられている。

【００４０】受信回路部３３は、ターミネータ３８を介
して受信アンテナ３２に接続された高周波受信部３９
と、該高周波受信部３９により受信された極めて高い周
波数（ナノ秒レベル）の受信波をミリ秒レベルの周波数
に変換する周波数変換部４０とを備えている。また、送
信アンテナサイズの変更に伴う送受信波の周波数の変化
に起因する受信波の遅延に周波数変換部４０の動作を同
調させるための同調調整部４１と、所定数のサンプリン
グ数を確保すべく周波数変換係数を調整するための変換
調整部４２とが設けられている。この周波数変換部４０
の出力信号は高利得アンプ部４３により増幅されて処理
回路部３４へ入力される。

【００４１】また、これら送信回路部３１及び受信回路
部３３の動作タイミングは、制御部４４からのタイミン
グパルスに基づいており、同調した動作が補償されてい
る。また、制御部４４は、処理回路部３４へトリガー出
力を行っており、該処理回路部３４の動作を電磁波の送
受信タイミングと同調させるようにしている。

【００４２】上記処理回路部３４は、図１３に示すよう
に、受信回路部３３から入力した受信波信号をデジタル
処理する前段階として所要のアナログ処理を行うアナロ
グ回路部４５と、該回路部４５の出力信号をＡ／Ｄ変換
器を介して入力して所要のデジタル処理を行うデジタル
回路部４６と、該デジタル回路部４６に接続されて返信
波信号のサンプリングデータ等の保存・記憶を行う記憶
手段としてのＩＣメモリカードインターフェイス部４７
とから構成されている。

【００４３】これらの処理回路部３４の回路構成は、電
磁波解析の内容に基づいて設計されるものであり、本装
置２６では、図１５に示すように検知信号（反射波信
号）波形を直接表示するモード（直接表示モード）、図
１６に示すように検知信号波形の強度を探査位置毎に色
表現して２次元断面状に表示するモード（２次元断面表
示モード）、これら直接表示モード（Ａモード）及び二
次元断面表示モード（Ｂモード）の波形を差処理したり
２値化処理したりして表示するモード（波形処理モー
ド）が標準機能として保有されている。さらに、本実施
形態に係る装置においては、特別な処理機能として、図
１７に示すように３次元断面表示による反射位置の輪郭
映像を表示するモード（３次元表示モード）を搭載し、
反射の有無を判りやすくしている。さらに、電磁波探査
の数多くの経験データにより物体種別、性状判定アルゴ
リズムが搭載されて、物体識別機能として実現されてい
る。

【００４４】ここで、まず、本装置２６による電磁波探
査解析理論を以下説明する。（１）式は、電磁波の伝播
速度を定義したものであり、地中での伝播速度は探査対
象の比誘電率で定まっていることを表している。

【００４５】

【数１】ここで、Ｔは伝播時間、εγは探査対象の比誘電率、Ｌ
は伝播距離（反射体までの距離）、νは電磁波の伝播速
度、Ｃは光の速度（３×１０⁸m/sec）である。

【００４６】次の（２）式は、反射体（探査対象）が存
在して反射点があった場合の反射点距離Ｌを示す定義式
であり、このときの主要な物理定数も探査対象の比誘電
率となる。Ｌ = ν × Ｔ・・・・・（２）次の（３）式は、電磁波の強度の変化、即ち減衰率αを
示す定義式であり、ここでは比抵抗がその主要な物理定
数となっている。

【００４７】

【数２】ここで、ρは、ρ＝１／σ（σは導電率）で定義される
比抵抗であり、πは円周率である。

【００４８】これら（１）〜（３）の数式で表される基
本原理より、仮に反射物（探査対象）が存在しない場合
の受信波（反射波）の基本波形は、図１８のようにな
る。なお、電磁波探査に用いる電磁波は、周波数がナノ
秒（nsec）レンジの非常に高い周波数の信号であるが、
ミリ秒（msec）レンジに周波数変換して表現することが
一般的であるため、図においても周波数変換後のレンジ
で表現している。

【００４９】図１９は、反射物が存在した場合の反射波
の波形を示している。このように、反射物が存在する場
合には、送信アンテナから探査信号として周波数ｆ⁰の
電磁波を送信すると、地中からの反射波が受信アンテナ
に受信されるが、その反射波は、大きく分けて地表面か
らの反射波と、地中に浸透したその内部からの反射波と
がある。受信アンテナに受信される返信波は、これら地
表面からの反射波と地中からの反射波とが合成した減衰
波形となり、これが一般に表面反射波と呼ばれているも
のである。

【００５０】地中の比誘電率が例えばεγ１であれば、
図２０（ａ）に示すように、返信波の第１周期の減衰信
号の領域（即ち、地表面からの反射波の第１周期）内で
周波数ｆ１となり、地中の比誘電率が例えばεγ２であ
れば、返信波の第１周期の減衰信号の領域内で周波数ｆ
２となる。

【００５１】本実施形態に係る探査装置２６では、この
表面反射波の周波数変化を検出可能な受信アンテナを備
えており、上記した周波数変化ｆ１，ｆ２の現象に基づ
いて平均的比誘電率変化を観測可能としている。

【００５２】ここで、周波数と比誘電率との相関関係
は、図２１の特性グラフに示すように、周波数ｆを横
軸、比誘電εγを縦軸にとれば、周波数ｆの変化に対す
る比誘電率εγの値は指数曲線を描き、これは、次の
（４）式で表現でき、返信波の第１周期の減衰信号の領
域内における周波数ｆ１，ｆ２をこの（４）式に適用す
ることにより、比誘電率εγ１，εγ２を求めることが
できる。 εγ = ａ × ｂ^1/f ・・・・・（４）但し、ａは第１の比誘電率回帰係数、ｂは第２の比誘電
率回帰係数であり、実験により予め求めておく。

【００５３】したがって、電磁波が探査対象を伝播する
ときの平均的な比誘電率は、上記した周波数変化ｆ１，
ｆ２の現象を観測すれば、図２１の特性グラフに示す比
誘電率と周波数の相関関係により求めることができ、反
射物検知波形が現れるまでの時間Ｔ１（図１９参照）を
測定すれば、これらにより地中における電磁波の伝播速
度νを求め、（２）式を適用することで反射物までの深
度Ｌを算出することができる。

【００５４】次に、反射体（探査対象）の物質的性状の
評価判定理論を説明する。反射体の物理的性状を電磁波
により検知するためには、図２０（ｂ）に示す反射波の
反射物検知波形の周波数変化を観測し、これを解析する
必要がある。ここで、電磁波の基礎原理を整理すると、
電磁波の伝播速度は比誘電率で定まり、電磁波の浸透深
さは比抵抗で定まり、任意点の反射強度も比抵抗により
定まる。さらに、任意点の反射強度は、地中及び反射体
の比誘電率差と、反射体の形状的要因とに起因して変化
するが、形状的要因による反射強度の変化はスネルの反
射の法則に従うため、周波数変化として観測することが
可能である。

【００５５】したがって、地中の比誘電率、電磁波の減
衰率、反射強度並びに反射点の周波数変化を反射波の観
測に基づいて算出することにより、特定した物体の性状
はほぼ推定可能である。参考までに、減衰率と比抵抗の
相関関係を図２２に示す。この関係は、次の式（５）に
より定義可能である。なお、ｃ、ｄは、実験により定め
られる定数である。

【００５６】

【数３】

【００５７】また、物性は、図２３に示すように、式
（６）により近似可能となる。なお、ｅ，ｇ，ｈは、実
験により求められる定数である。

【００５８】

【数４】

【００５９】一般的な探査対象の物性値データは、表１
に示すように定まり、本実施例装置では、この物性値デ
ータを地質を区別したテーブルデータの形式でデータベ
ース化され、デジタル回路部中のＲＯＭなどの適宜の記
憶手段に記憶されており、比誘電率と比抵抗の両方が論
理マトリックスとして与えられると、該当する地質種別
が抽出されるように構成されている。

【００６０】

【表１】

【００６１】図２４は、その論理マトリックスによる抽
出方法の概念図であり、Ｘ軸方向に比抵抗ρ（又は導電
率σ）、Ｙ軸方向に比誘電率εγを与えて、その両方が
それぞれ一致又は近似する地質種別を抽出し、表示手段
に表示することで、反射体（探査対象埋設物）の物性の
類推の容易化を図っている。

【００６２】図２５は、処理回路部３４の動作の流れを
概示している。まず、ステップＳ１で初期設定としてデ
ータベースから各種の初期データを入力するとともに、
探査開始時点の探査信号（自然減衰波形）を参照データ
として入力し、初期の比誘電率（伝播速度）、地質を一
次測定する。次のステップＳ２で、受信信号をＡ／Ｄ変
換して参照データと論理的判定及び相互相関判定の処理
を行い、自然減衰波形と認定できたときは、ステップＳ
３で表面波成分により比誘電率を測定するとともに、伝
播速度も算出する。そして、次のステップＳ４で自然減
衰波形について減衰率を算出するとともに、それから得
られた比抵抗（導電率）とステップＳ３で得た比誘電率
とをパラメータとしてデータベースから上記のように該
当する地質種別を抽出する。なお、かかる動作は、デジ
タル回路部４６のＣＰＵに与えられるプログラム及びデ
ータとして実現されており、かかるプログラム及びデー
タはＣＰＵに接続されたＲＯＭに記憶されている。な
お、プログラム及びデータをＩＣメモリカードによりＣ
ＰＵに接続したＲＡＭへ供給するように構成することも
できる。

【００６３】一方、反射体からの反射波形として認定し
たときは、ステップＳ５で前述の通り反射体の位置（距
離）を演算測定する。そして、このステップＳ５、又は
ステップＳ４の後にステップＳ６で測定結果を表示出力
するとともに、データを更新し、繰り返し探査モードに
なっていればステップＳ２に戻って次の探査信号につい
て同じ処理を繰り返す。

【００６４】本実施形態に係る装置２６では、図２６に
示すように交互ラスタースキャン方式による手順で地表
面のＸＹ探査領域を各探査位置（ｘｎ，ｙｎ）ごとに走
査して、各探査位置における返信波信号を探査位置デー
タとともにＩＣメモリカードに記録保存し得るよう構成
されている。なお、ここで記録保存される返信波信号
は、処理回路部で処理される前の信号、即ち、受信回路
部の出力信号（返信波信号）を、所定時間内で５１２の
等分点において振幅を１２ｂｉｔの分解能で２値化して
なるサンプリングデータの集合として表現されるもので
ある。このように処理前の信号を記録することにより、
再現が可能となり、一度行ったラスタースキャン走査に
より、各種モードで表示可能となる。なお、ＩＣメモリ
カードとしては、標準２ＭＢ、最大１６ＭＢのフラッシ
ュロムカードを利用でき、最大で１２ｂｉｔ／５１２点
のサンプリング反射波波形データ（１Ａスコープ波形）
を１００００点記録、再生可能としている。

【００６５】この記録保存されたデータを一括処理、表
示することにより、上記した２次元表示モード、並び
に、３次元表示モードを実現するよう処理回路部３４並
びに表示手段３５が構成されている。

【００６６】この３次元表示モードの表示画面構成を図
２７に示しており、ＸＹ面が地表面、ＸＺ面及びＹＺ面
が地中断面となる。本装置２６は、処理回路部３４のデ
ジタル回路部４６に、３次元形状の記憶手段が設けられ
ている。より具体的には、この記憶手段は、ＣＰＵに接
続されたＲＡＭ中に記憶された３次元配列変数として実
現可能である。そして、ＩＣメモリに記憶された各探査
位置における反射波信号データに基づき、表面波処理用
基準波形との相互相関処理により反射点の遅延時間要素
を判定し、この遅れ時間から各探査位置ごとの反射点深
度位置（Ｘｎ，Ｙｎ，Ｚｎ）を算定し、上記記憶手段に
反射点が存在することを示す情報を書き込んでいく（例
えば、反射点位置のビットを立てる）。

【００６７】一方、上記の反射点位置演算と並行して、
若しくは、演算終了後に、記憶手段に記憶された３次元
反射点位置データ、即ち、反射体の輪郭形状データに基
づいて、表示手段にその形状を画像出力すると、反射体
の３次元形状が輪郭点の集合として表される。ここで、
本実施例装置２６では、図２７（ａ）（ｂ）（ｃ）にそ
れぞれ示すように、ＸＹＺ立体画像に加えて、輪郭デー
タからＸＺ断面画像及びＹＺ断面画像を推測演算し表示
し得るようプログラムされている。

【００６８】さらに、３次元画像表示をより実用的なも
のとするために、本発明装置２６のデジタル回路部に
は、反射波信号のサンプリングデータに基づいて各探査
位置における反射点の二次元画像データを演算する手段
と、該電磁波反射体の２次元平面画像データを少なくと
も２つ記憶する記憶手段と、該記憶手段に記憶された少
なくとも２つの２次元平面画像データを重ね合わせて表
示手段に出力する手段とが備えられている。かかる構成
により、探査範囲において繰り返しラスタースキャン走
査を行い、各走査により得られた２次元画像を重ね合わ
せて表示可能に構成されている。

【００６９】なお、この記憶手段も、ＣＰＵに接続され
たＲＡＭ内に保存される２次元配列変数として実現可能
である。かかる多重表示により、図２８に示すように輪
郭点のゆらぎを検知することができ、これにより大凡の
２次元平面形状を推測することができ、これと併せて３
次元画像表示を行うことで、３次元形状を容易に推測可
能となる。

【００７０】次に、本実施形態に係る装置２６のパーツ
配置等の具体的構成を図２９〜図３３に基づいて説明す
る。送信アンテナ３０及び受信アンテナ３２は、図３３
に示すように共通の基板５０上に配線され、該基板５０
が下方開口長方筺状のアンテナハウジング５１に取付け
られている。アンテナハウジング５１内には、送信アン
テナに電磁波送信信号（パルス信号）を印下する送信回
路部３１と、受信アンテナ３２による受信回路部３３と
が内蔵されている。このように、送受信アンテナ３０，
３２及び送受信回路部３１，３３からなる電磁波送受信
部７０を一体構成することにより、装置２６の軽量化、
小型化を図っている。なお、アンテナハウジング５１は
電磁波吸収性の材質からなり、電磁波が情報に漏出する
ことを防止するシールドボックスとして機能する。ま
た、送受信アンテナ３１，３２の間にはハウジング５１
内を区画する電磁波吸収体からなる遮蔽体７１が設けら
れており、該遮蔽体７１により区画されたそれぞれの内
部空間に送信回路部３１と受信回路部３３とが内蔵さ
れ、送信回路部３１と受信回路部３３との間で干渉が生
ずることを防止している。

【００７１】なお、送受信回路部３１，３３の構成回路
の全部をアンテナハウジング５１に内蔵してもよく、構
成回路の一部をアンテナハウジング５１に内蔵してもよ
い。例えば、図１４に示すパルス発信部３６とターミネ
ータ３８をアンテナハウジング５１に内蔵して高圧印下
部３７や高周波受信部３９等の他の構成回路は処理回路
部３４のハウジング５５内のアナログ基板４５上に構成
することができる。また、パルス発信部３６、ターミネ
ータ３８、高圧印下部３７、高周波受信部３９、周波数
変換部４０、同調調整部４１、変換調整部４２及び高利
得アンプ部４３をアンテナハウジング５１に内蔵するこ
とができる。

【００７２】アンテナハウジング５１の上面には、処理
回路部３４への信号線５２，５３の接続コネクタ５４が
設けられており、処理回路部３４から送信回路部３１へ
の信号線５２及び受信回路部３３から処理回路部３４へ
の信号線５３が着脱自在に取付けられている。

【００７３】一方、処理回路部３４（アナログ回路基板
４５、デジタル回路基板４６、ＩＣメモリカードインタ
ーフェイス基板４７を含む）は、ほぼ長方体筺状のメイ
ンハウジング５５内に設けられている。このように、ア
ナログ回路基板４５，デジタル回路基板４６を共通のケ
ーシング内に一体装備することにより、装置の小型化、
軽量化が図られる。なお、図示していないが、該ハウジ
ング５５の上部に把手を設けて、片手で該装置２６を持
てるようにして、携帯しながらの探査作業性を向上する
のが好ましい。

【００７４】デジタル回路基板４６には、上記した各種
の演算を行うためのＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどが設け
られており、ＲＯＭ又はＲＡＭ内に各種処理を行うため
の所要のプログラムが内蔵されている。なお、プログラ
ムの内蔵方式は、フラッシュＲＯＭに書き込み固定され
ており、専用のインサーキットシミュレータのみで内容
を書き換え可能としている。また、コピー防止機能を実
現するためにワンチップメモリーを搭載し、記号照合が
合致しなければ動作しないようプロテクトされている。
なお、ＣＰＵとしては、処理能力の向上のため、最新式
の３２ｂｉｔＲＩＳＣチップを採用しているが、ＣＩＳ
Ｃチップを採用してもよい。

【００７５】デジタル回路部４６はＩＣメモリカードイ
ンターフェイス部４７と接続され、相互にデータの交信
が行われる。図２９に示すように、ＩＣメモリカードイ
ンターフェイス部４７に、ＩＣメモリカード５６を装着
し得るように、メインケーシング５５の側部（図示実施
例では前側部）にカード挿入孔５７が形成されている
（図３０参照）。

【００７６】この処理回路部３４のハウジング５５の下
面には、下方に延びる筒状の支柱５８が取付けられてお
り、該支柱５８の下端にヒンジ５９を介して揺動可能に
アンテナハウジング５１が連結されている。また、アン
テナハウジング５１はヒンジ５９部において着脱自在と
されており、種々の探査条件、深度に適合したアンテナ
サイズのものに種々交換可能とされている。

【００７７】上記した信号線５２，５３は、メインハウ
ジング５５内部から支柱５８の内部に案内されて、下端
近傍で支柱５８の中途部から引き出されており、このよ
うに支柱５８により信号線５２，５３を案内することに
より信号線５２，５３の破損を防止するとともに、探査
作業の邪魔にならないようにしている。なお、メインハ
ウジング５５の上部には電源スイッチ５９が設けられて
いる。

【００７８】表示手段３５は、図１３に示すように、液
晶グラフィック表示装置６０と、デジタル回路部４６か
らのデータを受け取って表示装置６０に制御信号を出力
する液晶コントローラ６１と、これら表示装置６０及び
コントローラ６１を作動させるためのインバータ６２と
を備え、これらが表示手段ハウジング６３内部に内蔵さ
れている。

【００７９】この表示手段ハウジング６３は、自在首振
ロッド６４を介してメインハウジング５５に連結されて
おり、液晶表示画面を最適な方向に向けることができる
ようになっている。なお、該ハウジング６３の前部及び
左右側部にわたって、液晶表示画面の視認性を確保する
ための防光板６５が取付けられている。

【００８０】また、表示手段ハウジング６３の上面に
は、液晶表示画面の後方に位置して各種操作ボタン６６
が配設されており、メインハウジング上部に取付けた把
手を片手で持って作業する際に、他方の手で容易にボタ
ン操作を行えるようにしている。

【００８１】本実施形態に係る電磁波探査装置２６によ
れば、上記したように種々の機能を搭載しながらも、電
磁波の送信アンテナ３０と、該アンテナ３０から電磁波
を送信するための送信回路部３１と、送信アンテナ３０
から送信された電磁波の反射波を受信する受信アンテナ
３２及び受信回路部３３と、受信された反射波信号に所
要の処理を行う処理回路部３４と、該処理回路部３４に
より処理されたデータを表示する表示手段３５とを備え
て携帯型に構成されているので、あらゆる局面で利用す
ることが可能となり、電磁波探査を広い分野で行うこと
ができる。

【００８２】特に、送受信アンテナ３０，３２を着脱交
換可能とするとともに、送信アンテナサイズに応じて送
信出力を調整する手段３７ａと、受信回路部３３中の周
波数変換部４０の変換タイミングを反射波に同調させる
同調調整手段４１を備えているので、種々の状況、探査
物の深度に応じて利用することが可能となるとともに、
周波数変換部４０の変換調整手段４２を備えることで、
反射波の一定のサンプリング数を補償することができ
て、処理回路部３４の構成を簡素化することができ、装
置全体の小型化、軽量化を図ることができる。本発明
は、上記実施の形態に限定されるものではなく、適宜設
計変更することができる。

【００８３】

【発明の効果】本発明によれば、汎用的な電磁波探査装
置を提供することができ、電磁波探査技術をあらゆる分
野に広く用いることができ、調査範囲の自由度を飛躍的
に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電磁波探査装置に用いられるスーツ形
直流電源装置の一実施例を示す正面図である。

【図２】同スーツの背面図である。

【図３】スーツに装備された太陽電池セル発電部の回路
図である。

【図４】太陽電池セルのスーツへの取付構造を示す縦断
面図である。

【図５】同スーツ形直流電源装置の蓄電式バッテリーが
装着されたベルト部を示す平面図である。

【図６】同ベルト部の側面図である。

【図７】同ベルト部の背面図である。

【図８】同ベルト部の平面断面図である。

【図９】蓄電式バッテリーの下部ケースの断面図であ
る。

【図１０】蓄電式バッテリーの配線図である。

【図１１】同スーツ形直流電源装置の全体構成図であ
る。

【図１２】同スーツ形直流電源装置の実験例を示すグラ
フである。

【図１３】本発明の電磁波探査装置の回路構成の一実施
例を示すブロック図である。

【図１４】同電磁波探査装置の送受信回路部のブロック
図である。

【図１５】反射波の直接表示モード（Ａスコープ探査モ
ード）の表示画面構成図である。

【図１６】反射波の２次元画像表示モード（Ｂスコープ
探査モード）の表示画面構成図である。

【図１７】反射波の３次元画像表示モードの表示画面構
成図である。

【図１８】地中に反射物が存在しない場合の反射波の波
形図である。

【図１９】地中に反射物が存在する場合の反射波の波形
図である。

【図２０】（ａ）は、地中に反射体が存在する場合の反
射波の地中や反射体の比誘電率による周波数変化を示す
波形図であり、（ｂ）は、（ａ）の反射体検知波形部分
の拡大図である。

【図２１】比誘電率と周波数の関係を示す特性グラフで
ある。

【図２２】周波数の減衰率と比抵抗の関係を示す特性グ
ラフである。

【図２３】比抵抗と比誘電率差と比抵抗差の関係を示す
特性グラフである。

【図２４】地質データベースから該当する地質種別を抽
出する手法の概念図である。

【図２５】地質種別の抽出等の処理回路部の処理の流れ
を概説するフローチャートである。

【図２６】ＸＹ交互ラスタースキャン走査を説明する平
面図である。

【図２７】表示手段により表示される三次元画像を示
し、（ａ）はＸＹＺ立体表示、（ｂ）はＸＺ断面表示、
（ｃ）はＹＺ断面表示である。

【図２８】二次元画像多重表示画像を示す画面説明図で
ある。

【図２９】同電磁波探査装置の側面図である。

【図３０】同電磁波探査装置の正面図である。

【図３１】同電磁波探査装置の平面図である。

【図３２】アンテナケーシングの簡略斜視図である。

【図３３】送受信アンテナ基板の斜視図である。

【図３４】最新式の電磁波探査装置によるコンクリート
柱内部探査の例を示す説明図である。

【図３５】最新式の電磁波探査装置による道路埋設物探
査の例を示す説明図である。

【符号の説明】

１スーツ形直流電源装置３太陽電池セル４蓄電式電池２６電磁波探査装置３０送信アンテナ３１送信回路部３２受信アンテナ３３受信回路部３４電磁波の処理回路部３５表示手段３７ａ送信波の出力調整手段５１アンテナハウジング５５処理回路部のハウジング６３表示手段のハウジング

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電磁波の送信アンテナと、該アンテナか
ら電磁波を送信するための送信回路部と、送信アンテナ
から送信された電磁波の反射波を受信する受信アンテナ
及び受信回路部と、受信された反射波信号に所要の処理
を行う処理回路部と、該処理回路部により処理されたデ
ータを表示する表示手段とを備えて携帯型に構成したこ
とを特徴とする電磁波探査装置。
【請求項２】送信アンテナ及び受信アンテナは共通の
アンテナハウジング内に配設されると共に、該アンテナ
ハウジング内に、送信回路部及び受信回路部を内蔵した
ことを特徴とする請求項１に記載の電磁波探査装置。
【請求項３】アンテナハウジングが、処理回路部のハ
ウジングの下部に連結され、表示手段のハウジングが、
処理回路部のハウジングの前部に連結されていることを
特徴とする請求項１又は２に記載の電磁波探査装置。
【請求項４】送信アンテナを着脱交換可能に設け、送
信回路部に電磁波の送信出力を調整する手段を備えたこ
とを特徴とする請求項１，２又は３に記載の電磁波探査
装置。
【請求項５】人が着用するスーツ表面に複数の太陽電
池を配設してなるスーツ形直流電源装置と、該装置と並
列に接続された蓄電式バッテリーとを、電源供給源とし
て備えていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれ
か１項に記載の電磁波探査装置。
【請求項６】処理回路部は、多数の探査位置における
反射波受信信号に基づくサンプリングデータを記憶する
手段と、該手段に記憶されたデータに基づいて電磁波反
射体の３次元画像表示データを表示手段に出力する手段
を備えていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれ
か１項に記載の電磁波探査装置。
【請求項７】処理回路部は、多数の探査位置における
反射波受信信号に基づくサンプリングデータを記憶する
手段と、該手段に記憶されたデータに基づいて各探査位
置における反射点の二次元画像データを演算する手段
と、該電磁波反射体の２次元平面画像データを少なくと
も２つ記憶する記憶手段と、該記憶手段に記憶された少
なくとも２つの２次元平面画像データを重ね合わせて表
示手段に出力する手段とを備えていることを特徴とする
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電磁波探査装
置。
【請求項８】処理回路部に、電磁波反射体の物性を演
算により推定し該物性データを表示手段に出力する手段
を備えたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１
項に記載の電磁波探査装置。