(57)【要約】【課題】試料の誘電率を簡便に推定できる技術を提供する。【解決手段】  送信部１は、立体形状を有する試料１０の内部に向けて電波を送信する。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る。受信部２は、試料１０を透過した電波を受信する。送信部１及び受信部２の一方は、他方に対して相対的に、試料１０の表面に沿って移動する。処理部３は、受信部２により受信された測定データと、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。【選択図】図１
2019148437.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信部と、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おり、
かつ、前記受信部は、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、
前記送信部及び前記受信部の一方は、他方に対して、前記試料の表面に沿って、相対的に走査可能とされており、
前記処理部は、前記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。
【請求項２】
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に記載の誘電率推定装置。
【請求項３】
前記試料における前記電波の入力面又は出力面は、非平坦面とされている
請求項１又は２に記載の誘電率推定装置。
【請求項４】
立体形状を有する試料の内部に向けて電波を送信するステップと、
前記試料を透過した前記電波を受信するステップと、
前記電波の送信位置又は前記電波の受信位置のいずれか一方を、前記試料の表面に沿って相対的に走査させるステップと、
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位置及び前記受信位置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ステップと
を備えることを特徴とする誘電率推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
本発明者は、試料内部の誘電率を測定する手法について種々検討を重ねた結果、簡便な手法で、試料の誘電率を推定できる技術についての知見を得た。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、前記した知見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推定できる技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
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。
【０００５】
（項目１）
送信部と、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おり、
かつ、前記受信部は、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、
前記送信部及び前記受信部の一方は、他方に対して、前記試料の表面に沿って、相対的に走査可能とされており、
前記処理部は、前記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。
【０００６】
（項目２）
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に記載の誘電率推定装置。
【０００７】
（項目３）
前記試料における前記電波の入力面又は出力面は、非平坦面とされている
項目１又は２に記載の誘電率推定装置。
【０００８】
（項目４）
立体形状を有する試料の内部に向けて電波を送信するステップと、
前記試料を透過した前記電波を受信するステップと、
前記電波の送信位置又は前記電波の受信位置のいずれか一方を、前記試料の表面に沿って相対的に走査させるステップと、
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位置及び前記受信位置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ステップと
を備えることを特徴とする誘電率推定方法。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、試料の誘電率を簡便に推定することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】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２】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。
【図３】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４】送信位置と受信位置とを模式的に表す説明図であって、横軸はｘ方向位置、縦軸はｙ方向位置である。
【図５】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。
【図６】類似度を示すグラフであって、横軸は設定された比誘電率、縦軸はセンブランスである。
【図７】推定された誘電率に対応する走時曲線を図３の測定データに重ねて記載した説明図であって、横軸は試料の周方向における位置、縦軸は走時である。
【図８】第２実施形態において得られた類似度を示すグラフであって、横軸は設定された比誘電率、縦軸はセンブランスである。
【図９】第２実施形態において推定された誘電率に対応する走時曲線を測定データに重ねて記載した説明図であって、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】第３実施形態において用いられる試料の断面形状を、送信位置及び受信位置と共に模式的に表す説明図であって、横軸はｘ方向位置、縦軸はｙ方向位置である。
【図１１】第３実施形態において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。
【図１２】第３実施形態において得られた類似度を示すグラフであって、横軸は設定された比誘電率、縦軸はセンブランスである。
【図１３】第３実施形態において推定された誘電率に対応する走時曲線を測定データに重ねて記載した説明図であって、横軸は試料の周方向における位置、縦軸は走時である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（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。
【００１２】
（本実施形態の構成）
本実施形態の推定装置は、送信部１と、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を追加的要素として備えている。
【００１３】
（送信部）
送信部１は、立体形状を有する試料１０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。
【００１４】
（受信部）
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。さらに、受信部２は、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。
【００１５】
本実施形態の受信部２は、試料１０の周方向に、試料１０の表面に沿って走査可能とされている。これによって、受信部２は、送信部１に対して相対的に移動（すなわち走査）可能となっている。走査の具体的手法としては、例えば、作業者の手動による手法や、レールを介して自動で走行させる手法があるが、これに限らず、適宜の手法を採用できる。本例の受信部２は、走査しながら電波を受信できるようになっている。なお、受信部２の走査に代えて、送信部１を試料１０の周方向に走査可能に構成することにより、送信部１を受信部２に対して相対的に移動させることも可能である。
【００１６】
（処理部）
処理部３は、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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
処理部３における動作の具体例は後述する。
【００２０】
（出力部）
出力部４は、処理部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。
【００２１】
（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、例えば円柱状の樹木や、地盤調査のための供試体であるが、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。
【００２２】
（本実施形態における誘電率推定方法）
次に、図２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。
【００２３】
（図２のステップＳＡ−１）
まず、送信部１を試料１０の側面に押し当てた状態で、立体形状を有する試料１０の内部方向に向けて送信部１から電波を送信する。これと同時にあるいは前後して、受信部２を試料１０の側面に押し当てる。すると、送信部１と受信部２との間に試料１０を挟む状態となる。
【００２４】
（図２のステップＳＡ−２）
この状態で、試料１０の内部を透過した電波を、受信部２により受信することができる。ついで、電波の受信位置を、試料１０の表面に沿って（すなわち周方向に沿って）走査させる。本実施形態では、図２において時計方向に受信部２を走査させつつ、電波受信動作を行う。ここで、本実施形態の電波受信動作は、実用上支障がない程度の間隔をあけて離散的に行われる。図１においては、送信部１の位置を（ｘｔ，ｙｔ）で表し、ｉ番目のデータ取得順序における受信部２の位置を（ｘｒ,ｉ，ｙｒ,ｉ）で表している。ここでｉは例えば０≦ｉ≦ｎのように設定でき、ｎは例えば２以上の任意の自然数である。ただし、ｎが大きいほど類似度の算出精度を向上させることができる。
【００２５】
（図２のステップＳＡ−３）
前記したステップＳＡ−２での走査により、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、受信部２の走査位置（試料表面上での移動距離）との関係を処理部３が取得する。処理部３は、受信部２で取得された電波（透過波）の振幅（時間波形）と走時（送信から受信までに要した時間）とを、受信部２の移動距離に応じて取得する。ここで、受信部２の移動距離は、例えば受信部２に取り付けられて試料１０に接触したローラ（図示せず）の回転により取得できる。
【００２６】
試料１０を樹木の幹とした場合において取得された受信波形（測定データ）の例を図３に示す。この図は、それぞれの受信位置（図３の横軸で示される位置）において得られた受信波形（図３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。図３の例では、振幅の大きい（つまり白色度または黒色度の高い）帯ないし線で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３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３の例では、透過波の走時曲線が、樹木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。
【００２７】
（図２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。
【００２８】
（図２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）との間の距離を取得する。位置の特定方法としては、例えばトータルステーションを用いた方法があるが、これには制約されない。図４には、送信位置（図中ｘ）と受信位置（図中○）の例を示す。受信位置は、ｉ番目のデータ取得時期に応じてそれぞれ設定されている。
【００２９】
ここで、送信位置を（ｘｔ，ｙｔ）、ｉ番目の受信位置を（ｘｒ,ｉ，ｙｒ,ｉ）とすると、送受信位置の間の距離ｄｉは下記式で表される。
【００３０】
【数１】
2019148437.tif 000003
【００３１】
（図２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。
【００３２】
試料内部の比誘電率をεｒとしたとき、電波の受信時間（travel time）τｉは下記式で表される。
【００３３】
【数２】
2019148437.tif 000004
【００３４】
ここで、
ｖ：電波の伝搬速度
ｃ：真空中の光速
である。
【００３５】
誘電率εｒごとに算出された走時曲線の一例を図５に示す。
【００３６】
（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εｒにおけるセンブランスＳ（εｒ）は下記式により算出できる。
【００３７】
【数３】
2019148437.tif 000005
【００３８】
ここで、
ｔ：受信時間
2019148437.tif 000006
である。
【００３９】
（図２のステップＳＡ−８）
得られたセンブランスを図６に示す。誘電率εｒ＝３３においてセンブランスが最大となる。したがって、本実施形態によれば、この誘電率を試料１０の平均的な誘電率と推定することができる。このときの電波の伝搬速度ｖはｖ＝０．０５２ｍ／ｎｓとなる。また、推定した誘電率に対応する走時曲線（図７において破線）を、図３の図面に重ね合わせたものを図７として示す。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により自動的に行うこともできる。
【００４０】
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。
【００４１】
また、本実施形態の推定方法によれば、試料１０における電波の入力面及び出力面の形状にかかわらず、電波の送受信間での距離が既知であれば、誘電率を推定することができる。したがって、この方法によれば、試料１０の入力面又は出力面が非平坦面とされている場合であっても、試料の誘電率を推定することができるという利点もある。
【００４２】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態に係る推定装置を、図８及び図９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。
【００４３】
この例では、試料１０として、第１実施形態において用いた樹木をさらに１か月間乾燥させたものを用いた。この乾燥により誘電率が変化していると予想される。
【００４４】
この試料１０について、第１実施形態と同様の手法によりセンブランスを算出した。得られたセンブランスを図８に示す。第２実施形態では、誘電率εｒ＝２８のときにセンブランスが最大となった。類似度最大となる誘電率に対応する算出データ（走時曲線）を実際の測定データに破線で重畳させたものを図９に示す。
【００４５】
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。
【００４６】
（第３実施形態）
本発明の第３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３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。
【００４７】
前記した第１実施形態においては、試料１０としての樹木の断面形状を真円状と仮定していた。これに対して、この第２実施形態では、試料１０の断面形状を、実際の樹木に近いものとした（図１０参照）。このような断面形状は、樹木周囲の形状を計測することによって得ることができる。また、このような断面形状においても、第１実施形態と同様に、送信位置と受信位置との間の距離を求めることができる。
【００４８】
第３実施形態において、想定した誘電率毎に算出した走時曲線の例を図１１に示す。また、図１１の走時曲線を用いて算出されたセンブランスの例を図１２に示す。この例では誘電率εｒ＝４０のときに最大のセンブランスを得ることができた。算出された走時曲線に、最大のセンブランスに対応する誘電率を用いて得られた走時曲線を破線で重ねたものを図１３に示す。第３実施形態においては、実際の試料により近い形状を前提として、送受信位置の間の距離を求めたので、誘電率の推定精度を向上させることができるという利点がある。
【００４９】
第３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。
【００５０】
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。
【００５１】
例えば、前記した各実施形態においては、試料における誘電率を一様なものとして推定した。しかしながら、電波の送受信位置に応じて異なる誘電率を推定することも可能である。この場合は、送受信位置と想定される誘電率とを対応させてレイトレーシング法等の手法を用いて算出データを取得し、取得した算出データと測定データとの類似度を算出すればよい。
【００５２】
また、例えば、前記した実施形態では、電波の受信位置を試料１０の周方向に走査させたが、電波の送信位置を試料１０の周方向に走査させながら、電波を受信することも可能である。この場合における誘電率の推定手法は、基本的には前記と同様である。
【００５３】
さらに、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。
【００５４】
また、前記実施形態では、誘電率を推定するものとしたが、誘電率εｒ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。
【００５５】
【数４】
2019148437.tif 000007
【００５６】
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。
【符号の説明】
【００５７】
１  送信部
２  受信部
３  処理部
４  出力部
１０  試料
【図１】
2019148437.tif 000008
【図２】
2019148437.tif 000009
【図３】
2019148437.tif 000010
【図４】
2019148437.tif 000011
【図５】
2019148437.tif 000012
【図６】
2019148437.tif 000013
【図７】
2019148437.tif 000014
【図８】
2019148437.tif 000015
【図９】
2019148437.tif 000016
【図１０】
2019148437.tif 000017
【図１１】
2019148437.tif 000018
【図１２】
2019148437.tif 000019
【図１３】
2019148437.tif 000020