(57)【要約】      （修正有）【課題】コンクリートのひび割れ等の外的要因に左右されず、ＲＣ建造物の鉄筋の腐食箇所を、非破壊で、正確に特定することのできる、加振レーダ装置及びデータ解析装置を提供する。【解決手段】ＲＣ建造物の柱１０２に励磁コイル１０３を接触させ、低周波で柱内部の鉄筋を振動させる。この鉄筋にレーダ波を照射して、その反射波を受信する。そして、直交検波で得た複素成分データを解析することで、ドップラ成分と無変調成分とのピーク振幅とピーク時刻遅れを観察する。【選択図】図１
2018141658.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンクリートの内部に存在する鉄筋を加振するための低周波信号を発生する加振低周波信号源と、
前記低周波信号に基づいて前記鉄筋を加振する励磁コイルと、
レーダ波のための高周波信号を発生する高周波発生部と、
前記高周波信号の周波数を設定する周波数設定部と、
前記高周波信号に基づく前記レーダ波を前記鉄筋へ送信する送信アンテナと、
前記鉄筋から反射された前記レーダ波を受信する受信アンテナと、
前記受信アンテナから受信した信号と前記高周波信号が入力されて直交検波を行う直交検波器と
を具備する、加振レーダ装置。
【請求項２】
更に、
前記加振低周波信号源と前記励磁コイルとの間に設けられるスイッチと
を具備し、
前記直交検波器は、前記スイッチがオフの時の無変調成分信号と、前記スイッチがオンの時のドップラ変調成分信号とを出力する、
請求項１に記載の加振レーダ装置。
【請求項３】
コンクリートの内部に存在する鉄筋を加振するための低周波信号を発生する加振低周波信号源と、前記低周波信号に基づいて前記鉄筋を加振する励磁コイルと、レーダ波のための高周波信号を発生する高周波発生部と、前記高周波信号の周波数を設定する周波数設定部と、前記高周波信号に基づく前記レーダ波を前記鉄筋へ送信する送信アンテナと、前記鉄筋から反射された前記レーダ波を受信する受信アンテナと、前記受信アンテナから受信した信号と前記高周波信号を入力されて直交検波を行う直交検波器とを具備する加振レーダ装置から出力されたデータを処理するデータ解析装置であって、
前記データ解析装置は、
前記加振レーダ装置が前記励磁コイルで前記鉄筋に加振を行っていない状態で前記直交検波器から取得した無変調成分データ群から最大値の振幅を取得する、第一鉄筋反射波ピーク振幅取得部と、
前記無変調成分データ群から最大値の時刻を取得する、第一鉄筋反射波ピーク時刻取得部と、
前記加振レーダ装置が前記励磁コイルで前記鉄筋に加振を行っている状態で前記直交検波器から取得したドップラ変調成分データ群から最大値の振幅を取得する、第二鉄筋反射波ピーク振幅取得部と、
前記ドップラ変調成分データ群から最大値の時刻を取得する、第二鉄筋反射波ピーク時刻取得部と、
前記第二鉄筋反射波ピーク振幅取得部から得られたドップラ成分ピーク振幅値から前記第一鉄筋反射波ピーク振幅取得部から得られた無変調成分ピーク振幅値を減算し、２πを乗じて、前記鉄筋が埋設されている前記コンクリートにおける電磁波の伝搬速度で除算することでピーク振幅を得る、振動振幅取得部と、
前記第二鉄筋反射波ピーク時刻取得部から得られるドップラ成分ピーク到達時刻から前記第一鉄筋反射波ピーク時刻取得部から得られる無変調成分ピーク到達時刻の差を演算してピーク遅延時間差を出力する、遅延時間差取得部と
を具備する、データ解析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に鉄筋コンクリートの鉄筋の腐食状態を精緻に計測するための、加振レーダ装置及びデータ解析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
我が国の高度成長期に建設された鉄筋コンクリート（ＲＣ：Reinforced-Concrete）構造物の多くは４０年以上を経過し、膨大な維持管理コストの増加が懸念されている。ＲＣ構造物はコンクリートがアルカリ性に保たれることで鉄筋の酸化を防いでいるが、塩化物イオンの侵入により鉄筋が腐食、膨張すると、コンクリートに微細なひび割れが発生し、コンクリートの剥離や著しい強度低下の要因となる。このようなコンクリートは地震等の外的要因以外にも、自然に崩壊する危険性があるので、そのような危険性を事前に察知し、早急に対策を講じる必要がある。なお、危険性の事前察知には、鉄筋の腐食や膨張を検査・測定する必要がある。
【０００３】
本発明の技術分野に近い先行技術文献を特許文献１及び特許文献２に示す。
特許文献１には、磁歪体含有構造物の非破壊検査方法として、変動磁場により鉄筋を振動させる計測方法が開示されている。
特許文献２には、パルス電磁力による音響診断・測定装置、及びそれらの診断・測定方法として、パルス電磁力により加振させたコンクリート内部の鉄筋の波形を測定することで、鉄筋の診断をする方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−９０３５０号公報
【特許文献２】特許３７３８４２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
鉄筋コンクリートにおける既往の検査法では、まず目視によりひび割れや錆汁の確認を行った後、鉄筋のはつり出しを伴う自然電位法や分極抵抗法等が適用されてきた。しかし、自然電位法は腐食の有無の評価に用いられるのみで、腐食量の正確な評価が困難である。また、分極抵抗法は腐食速度の評価に用いられる。このように、コンクリート内の鉄筋の現時点での腐食量を非破壊的に評価する確固たる手法は、現時点では確立されていない。
【０００６】
一方、既往の鉄筋腐食評価の研究としては、鉄筋に外部から交番磁界を与えて渦電流により鉄筋を発熱させ、コンクリート表面の温度を計測する手法がある。しかし、この方法は日射環境での適用が困難である。
さらに、本発明に最も近い研究として電磁パルス法と呼ばれる手法がある。電磁パルス法はコンクリート外部から励磁コイルに数ｍｓ程度のパルス電流を印加し、鉄筋を瞬間的に加振し、鉄筋を音源とする衝撃による振動を表面の弾性波センサで計測する手法である。鉄筋が腐食し、コンクリートとの拘束が弱まった場合、健全な鉄筋に比べ得られる弾性波振幅が小さくなることから、鉄筋の評価への応用が期待されている。
【０００７】
また、この電磁パルス法は、鉄筋を加振源とした衝撃弾性波法の一つとして、鉄筋コンクリート間のひび割れの評価にも用いられている。しかし、電磁パルス法では鉄筋からのパルス振動を表面に設置した弾性波センサで計測するため、計測データがセンサの接触状況に影響を受けるという欠点がある。また、弾性波は一般的にコンクリート内のき裂により強い減衰を受けるなど、弾性波の伝搬に伴う鉄筋−コンクリート間の不均質性の影響も受ける。このため、電磁パルス法では、鉄筋周囲の腐食状況を反映した鉄筋振動の直接的な情報を得ることは本質的に困難であり、鉄筋の腐食の評価には必ずしも有効とはいえない手法である。
また、コンクリートのひび割れや剥離の評価においても、同様な理由により、ひび割れ等のさらに奥にある鉄筋の腐食に伴って発生する水平なひび割れの探査は原理的に困難となっている。
【０００８】
本発明は係る状況に鑑みてなされたものであり、コンクリートのひび割れ等の外的要因に左右されず、ＲＣ建造物の鉄筋の腐食箇所を、非破壊で、正確に特定することのできる、加振レーダ装置及びデータ解析装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の加振レーダ装置は、コンクリートの内部に存在する鉄筋を加振するための低周波信号を発生する加振低周波信号源と、低周波信号に基づいて鉄筋を加振する励磁コイルと、レーダ波のための高周波信号を発生する高周波発生部とを具備する。更に、高周波信号の周波数を設定する周波数設定部と、高周波信号に基づくレーダ波を鉄筋へ送信する送信アンテナと、鉄筋から反射されたレーダ波を受信する受信アンテナと、受信アンテナから受信した信号と高周波信号を入力して直交検波を行う直交検波器とを具備する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、コンクリートのひび割れ等の外的要因に左右されず、ＲＣ建造物の鉄筋の腐食箇所を、非破壊で、正確に特定することのできる、加振レーダ装置及びデータ解析装置を提供することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る加振レーダ装置の全体構成及び測定方法を示す概略図である。
【図２】本発明の実施形態に係る加振レーダ装置のブロック図である。
【図３】ボウタイスロットアンテナの正面図と側面図である。
【図４】データ解析装置のソフトウェア機能を示すブロック図である。
【図５】健全な鉄筋コンクリートの柱と、鉄筋の腐食が進行した鉄筋コンクリートの柱に、本発明の実施形態に係る加振レーダ装置の励磁コイルと送信用ボウタイスロットアンテナと受信用ボウタイスロットアンテナを配置した状態を示す、概略断面図である。
【図６】本発明の概念図を示す。
【図７】作製した鉄筋コンクリート供試体と励磁コイルの様子を示す概略図である。
【図８】健全な供試体と２１時間の電食を行った供試体において得られた無変調信号波形及び、加振ドップラ信号波形を示すグラフである。
【図９】健全な供試体と２１時間の電食を行った供試体において得られた無変調信号波形及び、加振ドップラ信号波形の一部拡大図である。において得られた無変調信号波形及び、加振ドップラ信号波形の一部拡大図である。
【図１０】振動変位の空間平均、標準偏差をエラーバーで示した結果を示すグラフと、無変調成分に対するドップラ波形のピークの遅延時間の平均値と標準偏差をエラーバーで示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施形態に係る加振レーダ装置は、電磁パルス法において問題となる鉄筋振動の直接的な情報を得る手法の一種であり、励磁コイルによりコンクリート中の鉄筋を振動させ、電磁波レーダを用いたドップラ変位計測法によりその振動を非破壊的に計測する。コンクリートは弾性波に比べて電磁波に対して均質な媒質であり、内部のひび割れ等の影響を受けにくい。また、接触式の弾性波センサと異なり非接触で振動変位を計測できるため、設置方法による影響も低減できる。
【００１３】
また、本発明の実施形態に係る加振レーダ装置は、コンクリート内で１ｃｍ程度の分解能を有する高分解能の電磁波レーダ法を用いるため、鉄筋と鉄筋以外のレーダ反射体である鉄錆やコンクリートとの時間的な分離を容易に行うことができる。電磁パルス法では弾性波の透過計測を基本としており、鉄筋部位のみの振動を議論できないが、本手法は、レーダ応答の様子から鉄筋を特定できるため、鉄筋の存在する部位のみを独立して議論できる点が大きく異なる。また、ドップラレーダの原理により、鉄筋の振動変位を定量的に評価可能であり、鉄筋腐食によるコンクリートの拘束が弱まることにより、鉄筋の振動変位が低下する現象を効果的にとらえることが可能である。
【００１４】
また、鉄筋の振動の様子そのものを捉えるという観点では、鉄筋の腐食に伴い鉄筋から赤錆等の腐食生成物が発生し、鉄筋の断面欠損が起こる。これは、構造物の躯体強度に影響を与えるため、断面欠損の評価も重要となる。本手法では、鉄筋を単一周波数で加振することにより、無加振時と加振時のレーダ応答を計測可能としている。
【００１５】
例えば、腐食のない健全な鉄筋では、無加振時のレーダ応答と加振時のレーダ応答は同じ伝搬路を通過するため、波形の到達時刻差はない。
しかし、腐食に伴う断面欠損により鉄筋径が細くなると、無加振時では腐食生成物も含めた膨張した鉄筋としてレーダ反射応答が計測される。一方、加振時においては、腐食生成物は振動せず、断面欠損した鉄筋のみが振動する。このことから、鉄筋反射波の反射応答が遅れて到達することが期待できる。
【００１６】
本発明の実施形態に係る加振レーダ装置では、この様子を計測することも可能なことから、振動変位だけではなく、無加振及び加振時の鉄筋反射応答の時間差からも腐食量の評価が可能である。
これにより、鉄筋腐食量や、複数の鉄筋をまたぐような広範囲な水平ひび割れによる鉄筋拘束の低下による振動変位の増加から水平ひび割れの分布等を鉄筋−コンクリート間の不均質に影響を受けることなく計測できるといった、既存の手法にはない産業上の利用分野を開拓することができる。
【００１７】
［加振レーダ装置：全体構成及び測定方法］
図１は、本発明の実施形態に係る加振レーダ装置１０１の全体構成及び測定方法を示す概略図である。
鉄筋コンクリートで構成されるＲＣ構造物の柱１０２の、測定を行いたい箇所に、励磁コイル１０３とボウタイスロットアンテナ１０４を押し付けて固定する。この状態で、ネットワークアナライザ１０５から１ＧＨｚ〜１３ＧＨｚ程度の高周波信号を出力する。また、加振低周波信号源１０６から５０Ｈｚ程度の低周波信号を生成する。パソコン１０７は、ネットワークアナライザ１０５（回路網解析装置）が出力する高周波信号の周波数と、加振低周波信号源１０６に接続されているスイッチ１０８のオン・オフを制御する。
【００１８】
ネットワークアナライザ１０５から出力される高周波信号は、ＲＦパワーアンプ１０９によって増幅され、ダウンコンバート回路１１０に入力される。また、加振低周波信号源１０６から出力される低周波信号も、スイッチ１０８を介してダウンコンバート回路１１０に入力される。ダウンコンバート回路１１０は、加法定理に基づいて、ＲＦパワーアンプ１０９によって増幅された高周波信号の周波数を、加振低周波信号源１０６から出力される低周波信号の分だけ下げる。したがって、スイッチ１０８がオンされている状態では、ダウンコンバート回路１１０から低周波信号の周波数の分だけ周波数が下がった高周波信号が出力され、スイッチ１０８がオフされている状態では、ダウンコンバート回路１１０からは無変調の高周波信号が出力される。
【００１９】
一方、加振低周波信号源１０６から出力される低周波信号は、スイッチ１０８を介して分周器１１１に入力される。分周器１１１は入力される低周波信号を半分の周波数へ分周する。
分周器１１１から出力される低周波信号は、ＡＦパワーアンプ１１２に入力される。ＡＦパワーアンプ１１２はおよそ２００ＷクラスのＤ級パワーアンプである。
ＡＦパワーアンプ１１２から出力される大電力の低周波電流は、励磁コイル１０３へ流れる。励磁コイル１０３に大電流の低周波交流電流が流れることにより、積層鋼板で構成された励磁コイル１０３のコア１０３ａには強力な低周波磁力が発生する。低周波磁力は、柱１０２を構成する、コンクリートの中に存在する鉄筋２０８（図２参照）に到達し、鉄筋２０８を加振する。
【００２０】
ダウンコンバート回路１１０から出力される高周波信号は、励磁コイル１０３の直下に配置された送信アンテナである送信用ボウタイスロットアンテナ１０４ａ（図２参照）に供給される。高周波信号が印加された送信用ボウタイスロットアンテナ１０４ａからは、電波が発せられる。送信用ボウタイスロットアンテナ１０４ａから送信された１〜１３ＧＨｚの電波は、コンクリートの中に存在する鉄筋２０８に到達し、鉄筋２０８によって反射される。
鉄筋２０８によって反射された電波は、励磁コイル１０３の直下かつ送信用ボウタイスロットアンテナ１０４ａの側に配置された受信アンテナである受信用ボウタイスロットアンテナ１０４ｂ（図２参照）に到達する。電波を受信した受信用ボウタイスロットアンテナ１０４ｂからは、高周波信号が発せられる。受信用ボウタイスロットアンテナ１０４ｂで受信された１〜１３ＧＨｚの高周波信号は、ネットワークアナライザ１０５に入力される。
【００２１】
ネットワークアナライザ１０５は、ＲＦパワーアンプ１０９へ出力した高周波信号と、受信用ボウタイスロットアンテナ１０４ｂで受信した１〜１３ＧＨｚの高周波信号とを内部で直交検波を行う。そして、得られたデータをパソコン１０７へ出力する。
パソコン１０７は、ネットワークアナライザ１０５から得られたデータを基に解析を行うことで、受信用ボウタイスロットアンテナ１０４ｂで受信した高周波信号に含まれる僅かな異変を検出し、鉄筋２０８の振動変位を数値化する。
【００２２】
励磁コイル１０３とボウタイスロットアンテナ１０４による、柱１０２に埋設されている鉄筋２０８の振動変位検出は、励磁コイル１０３とボウタイスロットアンテナ１０４が固定された箇所でのみ有効である。したがって、柱１０２のある一箇所について測定を行ったら、次に当該箇所から励磁コイル１０３とボウタイスロットアンテナ１０４をずらして、また別の箇所で測定を行う。つまり、励磁コイル１０３とボウタイスロットアンテナ１０４で、柱１０２を走査する。
【００２３】
［加振レーダ装置１０１：ブロック図］
図２は、本発明の実施形態に係る加振レーダ装置１０１のブロック図である。
ネットワークアナライザ１０５は、ＧＨｚ帯の高周波信号を生成する。また、高周波信号を受信して、後述する信号処理を行い、生成したデータをパソコン１０７等の外部機器へ出力する。
ネットワークアナライザ１０５に内蔵される基準周波数発生器２０１は、高周波送信周波数を生成する。ここで、ネットワークアナライザ１０５の外部に存在する鉄筋２０８では、後述するドップラ効果によって、ＧＨｚ帯の高周波に対し、数１０Ｈｚの周波数変調が生じる。このため、基準周波数発生器２０１は、位相雑音が小さく超高安定度を有する、水晶振動子等を用いた基準周波数発生回路が望ましい。
【００２４】
高周波発生部２０２は、周知のＰＬＬ回路を基本とする発振回路であり、基準周波数発生器２０１が生成する基準信号に位相同期した高周波信号を生成する。
周波数設定部２０３は高周波発生部２０２が生成する信号の周波数を設定する。後述するが、高周波発生部２０２が生成する信号には、１ＧＨｚ〜１３ＧＨｚ程度までの周波数挿引を行う必要があるため、パソコン１０７等の外部機器を用いて周波数設定部２０３を制御することで、高周波発生部２０２が生成する信号の周波数を任意に設定する機能を実現する。
【００２５】
ネットワークアナライザ１０５が出力する高周波信号は、ＲＦパワーアンプ１０９で増幅される。ＲＦパワーアンプ１０９で電力増幅された高周波信号は、ダウンコンバート回路１１０の直交分配器２０４に入力される。
直交分配器２０４は、入力された高周波信号から、そのまま出力する側（位相０°）と、９０°位相を遅らせた側（位相９０°）の、２種類の信号を出力する。
位相０°の高周波信号は、第一乗算器２０５に入力される。一方、加振低周波信号源１０６から出力される低周波信号は、スイッチ１０８を通じて第一乗算器２０５に入力される。
位相９０°の高周波信号は、第二乗算器２０６に入力される。一方、加振低周波信号源１０６から出力される低周波信号は、スイッチ１０８、９０°位相偏移器２１５を通じて第二乗算器２０６に入力される。
【００２６】
加振低周波信号源１０６は、例えば５０Ｈｚ程度の正弦波（サイン波）を生成する。加振低周波信号源１０６は回路で作成してもよいし、圧縮オーディオファイルを作成して半導体オーディオプレーヤでエンドレス再生してもよい。
【００２７】
第一乗算器２０５と第二乗算器２０６の出力信号は、合成器２０７によって加算される。合成器２０７は、第一乗算器２０５と第二乗算器２０６の出力信号を加算する。すると、高周波信号の周波数ｆが低周波信号の周波数ｆｖだけ低くなる。このダウンコンバート回路１１０の目的は、高周波信号の周波数ｆを低周波信号の周波数ｆｖへ負方向にシフトさせるためのものである。
スイッチ１０８がオフの時は、第一加算器及び第二加算器には低周波信号が印加されないので、ＲＦパワーアンプ１０９から出力される高周波信号がそのまま通過する。このため、この時の高周波信号の周波数はｆのままである。
スイッチ１０８がオンの時は、第一加算器及び第二加算器に低周波信号が印加されるので、ＲＦパワーアンプ１０９から出力される高周波信号の周波数が低周波信号の周波数ｆｖだけ低下する。このため、この時の高周波信号の周波数はｆ−ｆｖとなる。
【００２８】
アップコンバート回路１１０から出力される高周波信号は、励磁コイル１０３の直下に配置された送信用ボウタイスロットアンテナ１０４ａに供給される。すると、高周波信号が印加された送信用ボウタイスロットアンテナ１０４ａからは、電波が発せられる。送信用ボウタイスロットアンテナ１０４ａから送信された１〜１３ＧＨｚの電波は、コンクリートの中に存在する鉄筋２０８に到達し、鉄筋２０８によって反射される。
【００２９】
一方、加振低周波信号源１０６から出力される低周波信号は、スイッチ１０８を介して分周器１１１に入力される。分周器１１１は入力される低周波信号を半分の周波数へ分周する。
分周器１１１から出力される低周波信号は、ＡＦパワーアンプ１１２に入力される。ＡＦパワーアンプ１１２から出力される大電力の低周波電流は、励磁コイル１０３へ流れる。励磁コイル１０３に大電流の低周波交流電流が流れることにより、積層鋼板で構成された励磁コイル１０３のコア１０３ａには強力な低周波磁力が発生する。低周波磁力は、コンクリートの中に存在する鉄筋２０８に到達し、鉄筋２０８を駆動する。
【００３０】
鉄筋２０８は磁石ではないので、励磁コイル１０３の磁極がＮからＳ、またその逆に転換しても、何れの場合においても鉄筋２０８は励磁コイル１０３のコア１０３ａへ吸引される。つまり、鉄筋２０８は励磁コイル１０３に印加された交流の２倍の周波数で振動させられる。このため、周波数を半分にする分周器１１１が必要になる。
なお、出力周波数を入力周波数の１／２倍にする分周器１１１をスイッチ１０８とＡＦパワーアンプ１１２の間に設ける代わりに、出力周波数を入力周波数の２倍にする逓倍器をスイッチ１０８とダウンコンバート回路１１０の間に設けてもよい。
【００３１】
図３Ａは、ボウタイスロットアンテナ１０４の正面図である。図３Ｂは、ボウタイスロットアンテナ１０４の側面図である。
送信用ボウタイスロットアンテナ１０４ａと受信用ボウタイスロットアンテナ１０４ｂは、同一の形状である。
ボウタイスロットアンテナ１０４は、銅板で形成された直方体の筐体３０１に、ボウタイ（蝶ネクタイ）形状のスロット３０１ａが形成されている。このスロット３０１ａの中心部分にケーブル３０２の先端に設けられた給電点３０２ａが形成されている。ボウタイスロットアンテナ１０４は、その形状から広い周波数帯域でＳＷＲ（Standing Wave Ratio：定在波比）の変動が少ない、という特徴がある。このため、本発明の実施形態に係る加振レーダ装置１０１に適している。
【００３２】
図２に戻って、ブロック図の説明を続ける。
スイッチ１０８がオンの時、高周波信号が照射されている鉄筋２０８が励磁コイル１０３によって駆動されると、鉄筋２０８に照射されて反射された高周波信号には、ドップラ効果による周波数変調が生じる。つまり、この鉄筋２０８が乗算器に似た効果を生じる。すると、周波数「ｆ−ｆｖ」の高周波信号には、更に±ｆｖの信号が加わる。
無変調成分：ｆ−ｆｖ
正方向変調成分：ｆ−ｆｖ＋ｆｖ＝ｆ
負方向変調成分：ｆ−ｆｖ−ｆｖ＝ｆ−２ｆｖ
このうち、正方向変調成分であるｆが、後述するデータ処理に必要である。
【００３３】
鉄筋２０８によって反射された電波は、励磁コイル１０３の直下かつ送信用ボウタイスロットアンテナ１０４ａの側に配置された受信用ボウタイスロットアンテナ１０４ｂに到達する。
電波を受信した受信用ボウタイスロットアンテナ１０４ｂからは、高周波信号が発せられる。受信用ボウタイスロットアンテナ１０４ｂで受信した１〜１３ＧＨｚの高周波信号は、ネットワークアナライザ１０５に入力される。
【００３４】
ネットワークアナライザ１０５に内蔵される直交検波器２０９には、受信用ボウタイスロットアンテナ１０４ｂで受信した高周波信号と、高周波発生部２０２で生成した高周波信号が入力される。そして、周知の直交検波を施して、Ｉ成分信号とＱ成分信号よりなる受信高周波信号の複素振幅を出力する。
Ｉ成分信号は第一ＬＰＦ２１０によって高周波成分が除去される。この時点で、受信用ボウタイスロットアンテナ１０４ｂで受信した高周波信号と、高周波発生部２０２で生成した高周波信号の周波数ｆと同期した、正方向変調成分である周波数ｆのＩ成分のみが選択的に得られる。
【００３５】
同様に、Ｑ成分信号は第二ＬＰＦ２１１によって高周波成分が除去される。この時点で、受信用ボウタイスロットアンテナ１０４ｂで受信した高周波信号と、高周波発生部２０２で生成した高周波信号の周波数ｆと同期した、正方向変調成分である周波数ｆのＱ成分のみが選択的に得られる。
つまり、直交検波器２０９と第一ＬＰＦ２１０と第二ＬＰＦ２１１によって、受信用ボウタイスロットアンテナ１０４ｂから得られる高周波信号に含まれる加振ドップラ成分のみが得られる。
【００３６】
第一Ａ／Ｄ変換器２１２は、第一ＬＰＦ２１０の出力信号をデジタルデータに変換する。同様に、第二Ａ／Ｄ変換器２１３は、第二ＬＰＦ２１１の出力信号をデジタルデータに変換する。これらのデータは、パソコン１０７の不揮発性ストレージ２１４にファイルとして保存される。
パソコン１０７は、スイッチ１０８がオフの時のデータと、スイッチ１０８がオンの時のデータを、高周波発生部２０２が出力する高周波信号の周波数を１〜１３ＧＨｚ程度までずらしながら取得する。こうして得られたデータは、送信用ボウタイスロットアンテナ１０４ａと受信用ボウタイスロットアンテナ１０４ｂとの間の伝達関数を現している。
【００３７】
［データ解析装置：ブロック図］
図２に示す加振レーダ装置１０１において、スイッチ１０８をオフとしたときには、変調されていない複素応答（通常のアンテナ間伝達特性であり、無変調成分と呼ぶ）が得られる。また、オンにしたときには、振動する反射体のみの応答が得られる（ドップラ成分）。この場合、磁気引力に寄与しない磁性体以外の物体からの反射応答は得られない。この無変調成分とドップラ成分から鉄筋反射の振動振幅、遅延時間差を得る方法を以下に示す。
【００３８】
図４は、データ解析装置４０１のソフトウェア機能を示すブロック図である。この機能は、図１及び図２に示すパソコン１０７上で実現することができるものである。
無変調成分データ群４０２は、スイッチ１０８がオフの時の、Ｉ成分データとＱ成分データの集合体である。
無変調成分データ群４０２は、レーダ波形取得部４０３に入力される。レーダ波形取得部４０３は、無変調成分データ群４０２に逆フーリエ変換を施して、インパルス応答データ（レーダ波形）を出力する。
【００３９】
インパルス応答データは微分処理部４０４に入力される。微分処理部４０４は、レーダ波形であるインパルス応答データに微分演算を施して、微分レーダ波形データを出力する。なお、微分処理部４０４を設けずに、レーダ波形取得部４０３において、無変調成分データ群４０２に高周波信号の周波数を乗じてから、逆フーリエ変換を施しても同じ結果が得られる。
【００４０】
微分レーダ波形データは第一鉄筋反射波ピーク振幅取得部４０５に入力される。第一鉄筋反射波ピーク振幅取得部４０５は、微分レーダ波形データを構成する、高周波信号の周波数毎の時間波形において、鉄筋２０８の反射波の到達時刻に対応する反射波形を取り出し、そのピークの振幅値を抽出する。
また、微分レーダ波形データは第一鉄筋反射波ピーク時刻取得部４０６に入力される。第一鉄筋反射波ピーク時刻取得部４０６は、微分レーダ波形データを構成する、高周波信号の周波数毎の時間波形において、鉄筋２０８の反射波の到達時刻を抽出する。
【００４１】
ドップラ変調成分データ群４０７は、スイッチ１０８がオンの時の、Ｉ成分データとＱ成分データの集合体である。
ドップラ変調成分データ群４０７は、レーダ波形取得部４０３に入力される。レーダ波形取得部４０３は、ドップラ変調成分データ群４０７に逆フーリエ変換を施して、インパルス応答データ（レーダ波形）を出力する。
インパルス応答データは第二鉄筋反射波ピーク振幅取得部４０８に入力される。第二鉄筋反射波ピーク振幅取得部４０８は、インパルス応答データを構成する、高周波信号の周波数毎の時間波形において、鉄筋２０８の反射波の到達時刻に対応する反射波形を取り出し、そのピークの振幅値を抽出する。
また、インパルス応答データは第二鉄筋反射波ピーク時刻取得部４０９に入力される。第二鉄筋反射波ピーク時刻取得部４０９は、インパルス応答データを構成する、高周波信号の周波数毎の時間波形において、鉄筋２０８の反射波の到達時刻を抽出する。
【００４２】
第一鉄筋反射波ピーク振幅取得部４０５から得られる無変調成分ピーク振幅値と、第二鉄筋反射波ピーク振幅取得部４０８から得られるドップラ成分ピーク振幅値は、振動振幅取得部４１０に入力される。振動振幅取得部４１０は、ドップラ成分ピーク振幅値から無変調成分ピーク振幅値を減算し、２πを乗じて、更に柱１０２の電磁波の伝搬速度で除算することによって、ピーク振幅を出力する。
第一鉄筋反射波ピーク時刻取得部４０６から得られる無変調成分ピーク到達時刻と、第二鉄筋反射波ピーク時刻取得部４０９から得られるドップラ成分ピーク到達時刻は、遅延時間差得部４１１に入力される。遅延時間差得部４１１は、ドップラ成分ピーク到達時刻から無変調成分ピーク到達時刻の差を演算して、ピーク遅延時間差を出力する。
【００４３】
鉄筋２０８の腐食の測定は、柱１０２を走査することで、柱１０２全体に実施する。もし、柱１０２の内部に腐食が著しい箇所が存在すると、ピーク振幅とピーク遅延差分値に、他の箇所とは異なる値が得られる。また、予め腐食のない健全な柱１０２を別途測定して、そのピーク振幅とピーク遅延差分値をサンプル値として保存しておき、測定対象となる柱１０２を走査すれば、健全な柱１０２を基準とする、測定対象となる柱１０２の腐食の度合いと、その腐食が著しい箇所が、高精度で検出できる。
【００４４】
［原理］
図５Ａは、健全な鉄筋コンクリートの柱１０２に、本発明の実施形態に係る加振レーダ装置１０１の励磁コイル１０３と送信用ボウタイスロットアンテナ１０４ａと受信用ボウタイスロットアンテナ１０４ｂを配置した状態を示す、概略断面図である。
図５Ｂは、鉄筋２０８の腐食が進行した鉄筋コンクリートの柱１０２に、本発明の実施形態に係る加振レーダ装置１０１の励磁コイル１０３と送信用ボウタイスロットアンテナ１０４ａと受信用ボウタイスロットアンテナ１０４ｂを配置した状態を示す、概略断面図である。
【００４５】
図５Ｂに示すように、鉄筋２０８の腐食が進行すると、鉄筋２０８の周囲には赤錆５０１（酸化第二鉄）等が発生する。すると、コンクリートと鉄筋２０８との間に赤錆が生じたことで、コンクリートが膨張してひび割れＣ５０２が発生する。すると、健全な鉄筋コンクリートと比べて鉄筋２０８の振動振幅が増大する（振幅Ｖ５０３からＶ５０４へ）。また、鉄筋２０８の周囲の動弾性率が低下するため、ドップラ効果に変化が生じる。
このように、励磁コイル１０３で鉄筋２０８を低周波にて加振して、その振動変位をＧＨｚ帯のレーダ波を用いて計測することで、鉄筋２０８の周囲の動弾性率の変化を測定する。
【００４６】
本発明の実施形態に係る加振レーダ装置１０１は、ＧＨｚ帯の単一周波数の電波の反射応答計測を基礎とし、その周波数を広帯域に挿引しながら、従来のレーダ装置のようなパルス加振ではなく、連続波により鉄筋２０８の加振を行い、その振動にともなう反射電波のドップラ応答を計測することを特徴としている。
図２にて説明したように、ＧＨｚ帯の送信周波数に数１０Ｈｚの加振周波数を変調するため、基準周波数発生器２０１は高周波数安定度を必要とする。
【００４７】
周波数設定部２０３によって設定された高周波の単一周波数が、高周波発生部２０２において生成される。スイッチ１０８がオフのときには、ダウンコンバート回路１１０をそのまま通過した高周波信号は、送信用ボウタイスロットアンテナ１０４ａから電波として送信され、鉄筋２０８に反射した後、受信用ボウタイスロットアンテナ１０４ｂで受信される。その後、直交検波器２０９により直交検波され、アンテナ間の電波伝搬に伴う複素振幅応答として、不揮発性ストレージ２１４に保存される。さらに、高周波発生部２０２において周波数をステップ状に変化させることにより、広帯域にわたる複素伝達関数を取得することが可能となる。
【００４８】
一方、加振低周波信号源１０６は鉄筋２０８の振動周波数となる５０Ｈｚ程度の単一周波数を生成する。加振低周波信号源１０６から出力される低周波信号は、スイッチ１０８を介してダウンコンバート回路１１０に供給される。すると、高周波発生部２０２から出力される高周波信号を低周波信号の周波数分だけ周波数遷移させる。
分周器１１１によって周波数が半分にされた低周波信号をＡＦパワーアンプ１１２にて増幅し、励磁コイル１０３に電流を印加すると、磁気引力により鉄筋２０８は正弦振動される。鉄筋２０８は正弦波状の交番磁界の正負のピーク両方において鉄筋２０８をひきつけるため、コイルに加えた周波数の２倍で振動する。鉄筋２０８が振動することにより、送信アンテナからの高周波信号はドップラ効果により、ＦＭ変調を受ける。これにより、振動周波数の整数倍の周波数においてスペクトルが表れるが、電磁波の波長に対して、鉄筋２０８の振動振幅は１／１００以下程度であるため、１次の正負のドップラ周波数成分のみが支配的となる。したがって、鉄筋２０８にて反射された反射波は、高周波の送信周波数に加え、送信周波数±加振周波数の周波数成分を有する。
【００４９】
ドップラ成分計測時は、送信周波数をあらかじめ鉄筋２０８の振動周波数分だけ周波数遷移させているため、ドップラ成分は元の高周波の送信周波数と同一になり、直交検波器２０９により検波される。したがって、直交検波器２０９内の第一ＬＰＦ２１０及び第二ＬＰＦ２１１のカットオフ周波数を振動周波数に比べ十分狭めておけば、直交検波器２０９から出力されるＩ，Ｑ信号は無変調成分の影響を受けず、ドップラ効果を受けた信号成分のみの周波数応答が計測されることとなる。
【００５０】
また、スイッチ１０８をオン・オフ制御することで得られる、無変調及びドップラ成分の伝達関数は、図３に示すデータ解析装置４０１において、それぞれ逆フーリエ変換によりレーダ波形に変換される。ドップラ成分は理論的に無変調成分に低周波の振動周波数成分を乗じた伝達関数と等価である。そこで、無変調成分を微分処理部４０４によって微分し、その後、両者の時間波形の鉄筋反射波成分を取り出し、第一鉄筋反射波ピーク振幅取得部４０５及び第一鉄筋反射波ピーク時刻取得部４０６によってピーク波形の振幅と到達時刻が計測される。
【００５１】
鉄筋２０８の振動振幅は、無変調成分とドップラ成分のピーク振幅の比に媒質に依存する定数項を用いて、振動振幅が推定される。また、遅延時間差は、遅延時間差取得部４１１において無変調成分とドップラ成分の鉄筋反射部のピーク時刻の差から到達時間差として推定することができる。
【００５２】
図６は、本発明の概念図を示す。
今、原点にある送信アンテナ６０１から、計測対象に向けセンシング波として単一周波数 ｆの電波を照射し、点(x,z)にある反射体６０２から反射された反射波を同一のアンテナで受信するものとする。同時に計測対象を十分低い単一周波数ｆｖで振動させると、加振対象は一様に振動し、反射体６０２のz方向変位u(t)は一般に式(1)のように表される。
【００５３】
【数１】
2018141658.tif 000003
【００５４】
【数１】
2018141658.tif 000004
【００５５】
【数２】
2018141658.tif 000005
【００５６】
【数３】
2018141658.tif 000006
【００５７】
【数４】
2018141658.tif 000007
【００５８】
【数５】
2018141658.tif 000008
【００５９】
【数６】
2018141658.tif 000009
【００６０】
【数７】
2018141658.tif 000010
【００６１】
［実験］
上述の実施形態に係る加振レーダ装置１０１を検証すべく、実験を行った。
ネットワークアナライザ１０５は単一周波数ｆを出力し、同一周波数の入力信号を直交検波して、入出力ポート間の複素応答を測定し、周波数ｆを掃引した。これにより、伝達関数を計測することができる。また、ダウンコンバート回路１１０にはイメージキャンセリングミキサ（ＩＣＭ）を用いた。本システムでは１〜１３ＧＨｚを周波数掃引することで、３０１点の周波数応答を得た。また、検波器のカットオフ周波数に相当するＩＦ帯域幅は１０Ｈｚとした。送受信アンテナにはキャビティバックボウタイスロットアンテナを用いた。また、コイルの印加周波数は２５Ｈｚとし、振動周波数は５０Ｈｚとした。
【００６２】
鉄筋２０８を加振するための励磁コイル１０３は直径１ｍｍのエナメル線を使用し、コの字型の１００層積層鋼板コアに５００巻している。励磁コイル１０３のインピーダンスは抵抗成分２．４Ω、インダクタンス成分２００ｍＨであり、周波数２５Ｈｚではそれぞれ３０Ωであった。加振用アンプにはＤ級アンプ（DCP2000、株式会社サウンドハウス）を用いた。コイルには４００Ｖの電圧をかけ、２０Ａｐｐの電流を印加した。受信信号は５回の同期加算を行った。本計測システムを用いて空中において直径５ｍｍの針金を振動させ、その針金の４０ｍｍ上方より振動変位を計測した。その結果、提案手法とレーザ変位計で得られた振動変位はよく一致しており、本計測によって推定した変位は十分な精度を有している。
【００６３】
図７は、作製した鉄筋コンクリート供試体と励磁コイル１０３の様子を示す図である。
使用した鉄筋２０８は直径１６ｍｍであり、鉄筋かぶりＤ７０１は１ｃｍである。励磁コイル１０３は、図７に示すようにコンクリート上に鉄筋２０８と平行に配置した。また、励磁コイル１０３のコの字型のコア１０３ａが形成する空洞部分には、図７に示すように送信用ボウタイスロットアンテナ１０４ａ及び受信用ボウタイスロットアンテナ１０４ｂを配置し、励磁コイル１０３の下に存在する鉄筋２０８の振動の変位計測を行った。なお、アンテナの給電点の間隔を４ｃｍとした。
【００６４】
鉄筋２０８の腐食と振動変位の関係を評価するため、電食実験によって健全な鉄筋２０８の供試体、及び２１時間と４２時間の通電により鉄筋２０８を腐食させた計３体の供試体を用いて実験を行った。
図８Ａは、健全な供試体において得られた無変調信号波形及び、加振ドップラ信号波形を示すグラフである。なお、無変調信号波形（無変調成分）の振幅は、加振ドップラ信号波形（ドップラ成分）の振幅とスケールを合わせるために、実測値の１／５００としている。図８Ａより、両者ともに０．４ｎｓ付近に鉄筋２０８からの反射波が確認できる。送受信アンテナ間隔が４ｃｍであることから、送信アンテナ−鉄筋−受信アンテナ間の伝搬距離は幾何学的に約４．５ｃｍとなり、かぶり１ｃｍからの鉄筋の到達時刻が約０．４ｎｓであることから、コンクリート内の電磁波伝搬速度は約１１２５００００ｍ／ｓが得られる。無変調波形を微分し、得られた電磁波伝搬速度から（７）式により振動変位が得られ、腐食していなくとも鉄筋２０８は約５．５μｍ程度の振動変位となった。 
図８Ｂは、２１時間の電食を行った供試体において得られた無変調信号波形及び、加振ドップラ信号波形を示すグラフである。
図８Ａと比較すると、電食による水分の影響により直流成分、加振ドップラ成分ともに振幅は低下しているが、同様に振動変位を求めると、振動振幅は約７μｍと増加した 。
【００６５】
図９Ａは、図８Ａに示す、健全な供試体において得られた無変調信号波形及び、加振ドップラ信号波形の一部拡大図である。
図９Ｂは、図８Ｂに示す、２１時間の電食を行った供試体において得られた無変調信号波形及び、加振ドップラ信号波形の一部拡大図である。
図９Ａ及び図９Ｂを見ると、０．４ｎｓｅｃ近辺において、２１時間の電食を行った供試体では、無変調成分のピーク（Ｐ９０１、Ｐ９０３）に対する加振ドップラ成分のピーク（Ｐ９０２、Ｐ９０４）の位置が僅かに遅れていることが確認できる。
【００６６】
次に、鉄筋２０８に沿って励磁コイル１０３とボウタイスロットアンテナ１０４の位置関係を保ったまま、１０ｃｍ区間を１ｃｍ毎に移動させて、振動変位の空間分布を計測した。この計測を、腐食していない鉄筋２０８供試体、２１時間の電食を行った鉄筋２０８供試体、４２時間の電食を行った鉄筋２０８供試体に対してそれぞれ実施し、その振動変位の平均値と標準偏差を算出した。
図１０Ａは、振動変位の空間平均、標準偏差をエラーバーで示した結果を示すグラフである。縦軸は鉄筋２０８の振動変位（μｍ）、横軸は電食時間（ｈ）を表している。
図１０Ａに示すように、電食時間（ｈ）が増加するにつれ、鉄筋２０８の振動変位（μｍ）の平均値が増加する傾向がみられた。
【００６７】
図１０Ｂは、無変調成分に対するドップラ波形のピークの遅延時間の平均値と標準偏差をエラーバーで示すグラフである。縦軸は遅延時間差（ｐｓｅｃ）、横軸は電食時間（ｈ）を示す。
図１０Ｂに示すように、電食時間（ｈ）が増加するにしたがって、ドップラ成分のピークが遅れていく様子がわかる。１０ｐｓｅｃの遅延時間は、電波の伝搬速度から約１ｍｍの伝搬パスの変化と等価である。このことから、鉄筋２０８の腐食による断面欠損により反射位置が後退し、無変調成分に比べ、ドップラ成分の鉄筋反射波は遅れて到達してきたと考えられる。
【００６８】
なお、上述の実施形態に係る加振レーダ装置１０１では、解析用の媒体としてＧＨｚ帯のレーダ波を用いたが、０．１〜１．０ＭＨｚ帯の超音波を解析用の媒体として利用することも、原理的には可能である。この場合、アンテナの代わりに超音波トランスデューサを用いることとなる。その他の回路や機能ブロックは基本的に上述の実施形態と同様のものが利用できる。
【００６９】
本実施形態では、加振レーダ装置１０１とデータ解析装置４０１を開示した。
ＲＣ建造物の柱１０２に励磁コイル１０３を接触させ、低周波で柱１０２内部の鉄筋２０８を振動させる。この鉄筋２０８に、レーダ波を照射して、その反射波を受信する。そして、直交検波で得た複素成分データを解析することで、ドップラ成分と無変調成分とのピーク振幅とピーク時刻遅れを観察する。以上より、完全に非破壊の鉄筋コンクリートの腐食状態の測定が実現できる。
【００７０】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含む。
例えば、上記した実施形態は本発明をわかりやすく説明するために装置及びシステムの構成を詳細且つ具体的に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることは可能であり、更にはある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。
また、上記の各構成、機能、処理部等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計するなどによりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行するためのソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の揮発性或は不揮発性のストレージ、または、ＩＣカード、光ディスク等の記録媒体に保持することができる。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしもすべての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
【符号の説明】
【００７１】
１０１…加振レーダ装置、１０２…柱、１０３…励磁コイル、１０３ａ…コア、１０４…ボウタイスロットアンテナ、１０４ａ…送信用ボウタイスロットアンテナ、１０４ｂ…受信用ボウタイスロットアンテナ、１０５…ネットワークアナライザ、１０６…加振低周波信号源、１０７…パソコン、１０８…スイッチ、１０９…ＲＦパワーアンプ、１１０…ダウンコンバート回路、１１１…分周器、１１２…ＡＦパワーアンプ、２０１…基準周波数発生器、２０２…高周波発生部、２０３…周波数設定部、２０４…直交分配器、２０５…第一乗算器、２０６…第二乗算器、２０７…合成器、２０８…鉄筋、２０９…直交検波器、２１０…第一ＬＰＦ、２１１…第二ＬＰＦ、２１２…第一Ａ／Ｄ変換器、２１３…第二Ａ／Ｄ変換器、２１４…不揮発性ストレージ、２１５…９０°位相偏移器、３０１…筐体、３０２…ケーブル、４０１…データ解析装置、４０２…無変調成分データ群、４０３…レーダ波形取得部、４０４…微分処理部、４０５…第一鉄筋反射波ピーク振幅取得部、４０６…第一鉄筋反射波ピーク時刻取得部、４０７…ドップラ変調成分データ群、４０８…第二鉄筋反射波ピーク振幅取得部、４０９…第二鉄筋反射波ピーク時刻取得部、４１０…振動振幅取得部、４１１…遅延時間差得部、５０１…赤錆、６０１…送信アンテナ、６０２…反射体
【図１】
2018141658.tif 000011
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2018141658.tif 000019
【図１０】
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