(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
媒質中に存在する目標物を検出するレ−ダ画像処理システムによる非破壊検査方法において、
媒質表面の直線上の複数の測定位置から電磁波を照射し、
その反射波を受信し、
媒質内の測定画像を求め、
測定画像の目標物からの濃淡のある強度信号中で強度の大きいグラディエントベクトルを下記の式（２）によって求め、
測定位置を基準にして、基準位置からグラディエントベクトルから得られた方向へ傾いて伸びる直線と、
目標物からの反射信号が得られるまでの時間を距離として、
この距離を半径とする円と前記基準位置からグラディエントベクトルから求めた方向へ傾いて伸びる直線との交点を下測交点として求め、
目標物の形状又は位置を求めることを特徴とする、
レ−ダ画像処理システムによる非破壊検査方法。
【式１】
0003658643.tif 000008
【請求項２】
請求項１に記載のレ−ダ画像処理システムによる非破壊検査方法において、
目標物付近の測定画像をブロック化することを特徴とする、
レ−ダ画像処理システムによる非破壊検査方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンクリートや地中にある鉄筋や空隙など、媒質中の異なる誘電率の目標物を検査するレ−ダ画像処理システムによる非破壊検査に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から地中探査レーダ又は鉄筋探査レ−ダによって、破壊することなく地中の空隙やコンクリート中の鉄筋などの目標物を調査している。
【０００３】
しかし、従来の方法では、次のような問題点がある。
＜イ＞レーダから発せられた信号は一定のビーム幅で広がって伝搬するために、空隙などの目標物の画像は実際の形状と異なって広がった画像として表されるため、画像から目標物の有無を判断する場合、技術者の経験に依るところが多く、その大きさや形状を検出することは困難であった。
＜ロ＞鉄筋コンクリートの場合には、コンクリート内に鉄筋が狭い間隔で配置されており、複数の鉄筋からの反射が強いために、反射波の散乱および干渉などにより各鉄筋からの反射波の前縁が区別しにくくなる。そのために、鉄筋位置の検出が困難であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、異なった媒質中にある目標物の位置や大きさ（形状）を容易に検査する方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、媒質中に存在する目標物を検出するレ−ダ画像処理システムによる非破壊検査方法において、媒質表面の直線上の複数の測定位置から電磁波を照射し、その反射波を受信し、媒質内の測定画像を求め、測定画像の目標物からの濃淡のある強度信号中で強度の大きいグラディエントベクトルを下記の式（２）によって求め、測定位置を基準にして、基準位置からグラディエントベクトルから得られた方向へ傾いて伸びる直線と、目標物からの反射信号が得られるまでの時間を距離として、この距離を半径とする円と前記基準位置からグラディエントベクトルから求めた方向へ傾いて伸びる直線との交点を下測交点として求め、目標物の形状又は位置を求めることを特徴とするレ−ダ画像処理システムによる非破壊検査方法である。
そして式（２）は以下のとおりである。
【式２】
0003658643.tif 000002
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
＜イ＞非破壊検査の解析方法の概要
空隙などの目標物を有する媒質、例えば図１のように球形の空隙を有する砂層の上にコンクリート層を有する地層を非破壊的に検査する。そこで、地表の測定面に沿って探査レーダ（ＵＧ−Ｖ３３地中探査レ−ダ、（株）三井造船）を移動し、各測定位置毎に地中に探査レーダから電磁波を放射し、その反射波を受信し、画像処理をして空隙や鉄筋などの目標物の位置や形状を求める。探査レーダは例えば３素子ダイポール、３偏波モード動作のアンテナ方式であり、２０ＭＨｚ〜１ＧＨｚの広帯域周波数の高分解能型である。
【０００７】
レーダから発せられた信号は、一定のビーム幅で広がって伝搬するため、目標物から反射して戻る信号画像は、実際の目標物の形状とは異なっている。そのため、図１のように実際の空隙に対するレーダの測定結果は、図１の右側の場合、実線で示したように球形空隙の目標物から反射して戻るので、レーダ画面上では、垂直方向から受信したと見なして垂直な点線の先端部に目標物があるように表示される。
【０００８】
その結果、レーダ画面上では、図２のように目標物の球形空隙が曲線Ｂのように上方に凸の広がった曲線として現れる。即ち、斜めに入射した各信号の直線（Ｙ＝ｔａｎθｎ（Ｘ−Ｘｎ））は、円の軌跡（（Ｘ−Ｘｎ）2 ＋Ｙ2 ＝Ｙｎ2 ）に従いレーダの測定面と直交する方向の深さとして表示される。
【０００９】
このようにして得られたレーダによる測定画像は、図３のように処理される。即ち、計算を効率よくするために、必要又は有意領域を設定する（Ｓ１）。次に、ノイズとなる表面波を除去し、測定位置を原点にするために時間軸の零点調整を行う（Ｓ２）。更にノイズを抑制するために、画像の平滑化を行う（Ｓ３）。次に、鉄筋と空隙などの目標物を分けるために、検出対象の区分や対象別区間のブロック化を行う（Ｓ４）。ここで分けられた空隙と鉄筋について各々の処理を行い、これらの結果を基にして区間別の画像の合成を行い（Ｓ５）、更に平滑化処理を行う（Ｓ６）。
【００１０】
＜ロ＞空隙形状の復元
レーダの位置が空隙の真上に近づく程、直進に近い信号の影響を強く受けるため反射信号の強度はより強くなる。即ち、画面上では移動するレ−ダと固定された空隙間の位置の変化による反射信号の強度が画像の濃淡の差として示される。したがって、逆に画像の濃淡の変化が最大になる方向は、レーダからの信号が空隙の任意面に当たって反射して戻る信号の方向を示すと考えられる。
【００１１】
このことから、図２のように得られたレーダ画像表示の任意の座標（Ｘｎ、Ｙｎ）における深さＹｎが半径となる円を測定位置の座標（Ｘｎ、０）を中心にして円を描く。これを対称区間の半分である０からｍまでの区間で画像表示座標ごとに求めると式（１）となる。つづいて、座標（Ｘｎ、Ｙｎ）において画像の濃淡強度のグラディエントベクトルＧ（Ｘｎ、Ｙｎ）を式（２）により求め、そのときのベクトルの方向（傾き）は式（３）により計算する（ただし、この場合の傾きの方向は反射波の位相がレーダの信号処理方式などによって変わる可能性があるため、符号の調整が必要な場合がある）。
【００１２】
即ち、もとの空隙の形状は式（１）の円と式（４）の直線が合う交点中で下向値（下測交点）を求めて描くと、復元が可能であり、これにより空隙の形状や位置を検出することができる。このことは、図１の左側の場合を例にとると、点線下部（反射波のサイン波形の部分）のレーダ画像表示位置を実線のようにグラディエントベクトルの方向（右方向）に折り曲げると、実際の空隙の表面の位置になる。
【００１３】
この際、解析は一定の画像強度以上の信号に対して実施する。また、道路のように多層構造では各層の誘電率の差による電磁波の屈折の影響を考慮しなければならない場合がある。この影響を考慮するため、式（５）のように屈折の影響を補正すると、復元画像の収束度がより向上する。
【００１４】
【式３】
0003658643.tif 000003
【００１５】
【式４】
0003658643.tif 000004
【００１６】
【式５】
0003658643.tif 000005
【００１７】
【式６】
0003658643.tif 000006
【００１８】
【式７】
0003658643.tif 000007
【００１９】
以上の点を図４のフロー図で示すと、ノイズ除去方式の微分フィルタを使用して、空隙画像のグラディエントベクトル処理を行い（Ｓ１０）、一定大きさ以上の最大強度のグラディエントベクトル座標を追跡し（Ｓ１１）、式３により各座標毎にグラディエント（傾き）を算定する（Ｓ１２）。次に、各座標毎にＹ値（表面からの深さ）を半径にして測定位置（Ｘ、０）を中心とする円を描き、円変換する（Ｓ１３）。空隙形状を復元するために、測定位置（Ｘ、０）を通るステップＳ１２で求めたグラディエントベクトルの傾きの直線とステップＳ１３で求めた円との下向き交点（下測交点）を算出する（Ｓ１４）。ステップＳ１１で求めた座標について復元処理が終了すると（Ｓ１５）、地層が多重である場合、屈折の影響を補正する（Ｓ１６）。次に、異常な値を除去するために、復元座標の平均化処理を行い（Ｓ１７）、更に空隙形状を明確にするために空隙を１とし、他を０とする重み関数を用いる（Ｓ１８）。なお、ステップＳ１０では、輪郭線処理により該当座標のみに対したグラディエントベクトル処理方式も可能である。また、ステップＳ１１では、空隙からの１番目と２番目（極性が互いに反対）の反射信号中で強い信号の方を選択する（後で深さ補正を行う）。
【００２０】
＜ハ＞鉄筋位置の同定
コンクリート内の鉄筋のように間隙が狭く、特に複鉄筋の場合には反射信号の散乱及び干渉などにより各鉄筋の焦点又は反射信号の前縁が区別しにくくなるので、鉄筋の焦点部分のみを重み係数（= １）によって強調し、他の部分は重み係数（= ０）により画像の背景信号として同一化させる方法を取る。
【００２１】
例えば、表面近くに複鉄筋が配置され、その下方に矩形の空隙がある領域のレーダ画像を図９に示す。この画像で鉄筋からのピーク信号（山の頂点）を鉄筋の位置と設定すると、この頂点は肉眼では把握しにくいため、図９のデータ中で鉄筋の配筋方向と直交方向で、水平方向の画像データの配列に対して深さ（各行）毎に線図を描くと、鉄筋の存在しない部分の行線図は図６のように成り、鉄筋の存在する場合で最大のピーク信号が得られる部分の行線図は図７のように成る。なお、図６乃至図７に於いて、縦軸は、相対強度（Ｒｅｌａｔｉｖｅ  Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）を示し、横軸は、測定方向の距離（Ｄｉｓｔａｎｃｅ（ｃｍ））を示している。
【００２２】
このように描かれた行線図の中で、例えば図７のように一連のピーク点が最大強度となる場合の座標が各鉄筋の位置を示している。即ち、各ピークの横方向の列座標（三角表示部分）が鉄筋のピッチ（水平位置）を示し、そのときの行座標が画面上の鉄筋の被覆厚さ（垂直位置）を示している。この過程をコンピュータで演算するには、各行毎の平均値で直線を引き（図７のＡ１）、その平均線以上の値に該当する各区間（平均線上で山を形成している各部分）を区間別に設定しておく。この際、鉄筋の配筋深さの差によって２つ以上のピークが一次平均線（図７のＡ１）の上に独立せずに連結されて存在する場合があり、その時は、一次平均線以上の値に対してもう一回平均した値を二次平均線（Ａ２）として用いると、より正確に鉄筋位置を検出できる。
【００２３】
即ち、平均値を比較し最大になる行を選べば、その行が鉄筋の頂点、すなわち、行要素の配列中で最大のピーク線図をなす鉄筋の垂直（深さ）位置に相当し、この行における各区間ごとの最大値を計算すると、鉄筋の水平位置になる。
【００２４】
なお、鉄筋からの多重反射信号がピークに選ばれる可能性は各行別に平均値上で＋以上の値のみを選ぶことによって避けることができる。また、複鉄筋の場合には、両方の鉄筋の存在区間を二つのブロックに分けると良い。また、肉眼確認と計算を並行して実施することにより、より精度良く検出できる。また、正確な深さ方向の情報が必要な場合は、誘電率のデータを考慮して、代表箇所のみを選び対象媒質における実際の鉄筋の深さと画面上の鉄筋の深さを補正しておくと、正確な結果が得られる。
【００２５】
以上の処理を図５のフローで示すと、まず、各鉄筋からの画像は双曲線で表示されるので、複数配列された鉄筋の場合、複数の双曲線が合成された画像が求められる（Ｓ２１）。次に、この画像の行（一定深さ）毎の線図を図７のように求める（Ｓ２２）。ステップＳ２２で求められた各行毎の線図の一次平均線及び二次平均線を図７のＡ１、Ａ２のように求める（Ｓ２３）。更に、各行別に二次平均線以上の全区間の積分を行い（Ｓ２４）、最大積分値の行を選定し、鉄筋の深さを求める（Ｓ２５）。二次平均線以上について各区間別に最大値を算出し、鉄筋の水平位置を算出する（Ｓ２６）。各鉄筋位置を明確にするために、鉄筋を１にし、その他を０とする重み関数を用いる（Ｓ２７）。なお、ステップＳ２３、Ｓ２４、Ｓ２５において、一次、二次平均による計算中で一番多くピ−ク数がカウントされた次数を選ぶ（場合によっては、一次平均が良い場合もある）。この場合、行値の符号は正負どちらを選んでも良いが、比較時にはかならず一方の符号のみを基準にする。
【００２６】
以下に本発明の実施例を示す。
＜イ＞実施例１
図８のように砂の中に矩形の空隙（横４０ｃｍ、縦１０ｃｍのポリウレタン材料）を形成し、砂の表面から３ｃｍの深さに径が２２ｃｍの鉄筋を２０ｃｍの間隔で５本配置し、更に、砂の表面から１６ｃｍの深さに同一径の鉄筋を上方の鉄筋の間の下方に配置する。砂の面の上には厚さ５ｃｍのポリウレタン層を配置する。
【００２７】
この空隙と鉄筋の位置と大きさを測定するために、レーダをポリウレタン表面の直線上を移動して、所定の測定位置から電磁波を地中内に照射して、空隙や鉄筋など地中からの反射波を受信する。
【００２８】
＜ロ＞実施例１の測定及び解析結果
実験１の測定結果を図９に示す。この測定結果は、表面波を除去し、表面を時間軸の０に合わせて調整したものである。受信反射波の強度をプロットしたものが図９である。図９の強度分布は、縦方向の深さにある物質からの反射波を示すのではなく、測定位置で受信した種々の角度の反射波の合計を下方にプロットしたものである。この縦方向の深さ（Ｄｅｐｔｈ（ｃｍ））は、概略、反射波の伝搬距離に対応している。横方向は、測定方向の距離（Ｄｉｓｔａｎｃｅ（ｃｍ））を示している。
【００２９】
図９の測定データから空隙形状を復元し、鉄筋位置を同定したものが図１０である。図１２は、図９の矩形空隙に対するグラディエントベクトルを示しており、雑音を除去しない状態で求めたものである。実際に適用するには、目標物を絞り、ブロック化して、雑音を除去して使用する
【００３０】
図１１は、矩形空隙に対する形状の復元（変換）過程を図式化したものである。この表示は、空隙反射信号中で測定距離単位別一定強度以上の最大グラディエントベクトルが得られた座標のみを対象基準にした。画像の雑音などによって、一部変換結果に多少のばらつきが見えるが、比較的原形状に近いことが分かる。この変換過程では、Ｘ、Ｙ座標を画像表示上のスケールに合わせるように注意する。なお、図１１に於いて中央の太い直線は測定表面を示し、三角印は変換前を示し、四角印は変換後を示している。
【００３１】
以上の結果や方法を用いると、図１０において鉄筋位置の同定（白い部分）および矩形空隙の形状（黒い部分）が比較的明確に再現されていることが分かる。また、反射波の電界の極性と大きさを色で表示すると、各目標物の材料の特性を明確に区別することができる。
【００３２】
＜ハ＞実施例２
図１３のように砂中にポリウレタン材料から成る直径３０ｃｍの球形の空隙を形成し、砂の上には１０ｃｍの厚さの無筋コンクリート層を配置した領域を用いる。空隙は、空隙の上部がコンクリート上面から３０ｃｍの位置に配置される。コンクリートは、Ｗ／Ｃ５５％、スランプ５ｃｍ、圧縮強度４００ｋｇ／ｃｍ2 であり、砂は静岡県富士川産砂（比重：２．６１、含水率：２〜３％）を使用した。
【００３３】
＜ニ＞実施例２の測定及び解析結果
実施例２（図１３）の測定結果を図１４と図１５に示す。図１４は、表面波及び等方性の境界からの反射波を除去した状態の結果である。この結果は、表面波を除去し、表面を時間軸の０に合わせて調整したものである。この測定データから空隙形状の復元を実施した結果を図１５に示す。図１５の結果を見ると、完全に球形の形状は現れていないが、空隙の大きさなど実際の形状に近い結果が復元されることが分かった。なお、図１４乃至図１５でも、縦方向が深さ（Ｄｅｐｔｈ（ｃｍ））を示し、横方向は、測定方向の距離（Ｄｉｓｔａｎｃｅ（ｃｍ））を示している。
【００３４】
【発明の効果】
本発明は、次のような効果を得ることができる。
＜イ＞画像のグラディエントベクトルを利用して、目標物の形状や位置を求めることが出来る。
＜ロ＞画像の行方向の強度を求め、行方向に平均化することにより、鉄筋の深さと横方向の位置を求めることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】空隙のレーダ画像表示説明
【図２】空隙の実形状の復元説明図
【図３】測定画像処理の全体のフロー図
【図４】空隙の位置と大きさを求めるフロー図
【図５】鉄筋の位置を求めるフロー図
【図６】鉄筋のない部分の横方向線図
【図７】鉄筋のある部分の横方向線図
【図８】複数鉄筋条件下の矩形空隙の配置図
【図９】図８の配置の測定画像
【図１０】図８の配置の解析結果
【図１１】空隙の現状の復元説明図
【図１２】図８のグラディエントベクトル例
【図１３】無鉄筋条件下の球形空隙の配置図
【図１４】図１３の配置の測定画像
【図１５】図１３の配置の解析結果
【図１】
0003658643.tif 000009
【図２】
0003658643.tif 000010
【図３】
0003658643.tif 000011
【図４】
0003658643.tif 000012
【図５】
0003658643.tif 000013
【図６】
0003658643.tif 000014
【図７】
0003658643.tif 000015
【図８】
0003658643.tif 000016
【図９】
0003658643.tif 000017
【図１０】
0003658643.tif 000018
【図１１】
0003658643.tif 000019
【図１２】
0003658643.tif 000020
【図１３】
0003658643.tif 000021
【図１４】
0003658643.tif 000022
【図１５】
0003658643.tif 000023