(57)【要約】【課題】埋設地雷の有無を赤外線センシング手法を用いて遠隔探査できるようにするための埋設地雷の有無判別方法の提供。【解決手段】火薬部を内蔵させたプラスチック部の上面にゴム板部を載置させてなる模擬地雷体を、周辺模擬土壌体内に埋設して三次元数値シミュレーション向けの土中の三次元物理モデルを構築し、該三次元物理モデルにおける周辺模擬土壌体の地表面を加熱面及び放熱面とし、該地表面における太陽放射による２４時間にわたる温度変化を、所定の初期条件と環境条件とのもとで非定常三次元熱伝導方程式を基礎方程式として用いて行う三次元数値シミュレーションにより再現し、該再現結果により得られる所要時間経過毎の各二次元熱画像中から得られる明瞭な地雷イメージとの関係で定まる最適時間帯を確定し、該最適時間帯を経験則として自然環境下での実埋設地雷の有無の赤外線リモートセンシングを可能とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
模擬火薬を火薬部として内蔵させたプラスチック部の上面にゴム板部を載置させてなる模擬地雷体を、適宜体積の周辺模擬土壌体内に埋設して三次元数値シミュレーション向けの土中の三次元物理モデルを構築し、
該三次元物理モデルにおける前記周辺模擬土壌体の地表面を加熱面及び放熱面とし、該地表面における自然の太陽放射による２４時間にわたる温度変化を、所定の初期条件と環境条件とのもとで非定常三次元熱伝導方程式を基礎方程式として用いて行う三次元数値シミュレーションにより再現し、
該再現結果により得られる所要時間経過毎の各二次元熱画像中から得られる明瞭な地雷イメージとの関係で定まる最適時間帯を確定し、該最適時間帯を経験則として自然環境下での実埋設地雷の有無の赤外線リモートセンシングを可能とすることを特徴とする埋設地雷の有無判別方法。
【請求項２】
明瞭な地雷イメージとの関係で定まる前記最適時間帯は、日の出から３時間前後を経過した時間帯と、同１５時間前後を経過した時間帯である請求項１に記載の埋設地雷の有無判別方法。
【請求項３】
三次元物理モデルにおける前記周辺模擬土壌体の地表面から前記模擬地雷体までの距離を４０ｍｍ以下とする請求項１又は２に記載の埋設地雷の有無判別方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、埋設地雷の有無を赤外線センシング手法を用いて安全裡に遠隔探査できるようにするために創出された埋設地雷の有無判別方法に関する技術である。
【背景技術】
【０００２】
近時におけるアフガニスタンの内戦終結などのように、世界各地で勃発していた地域紛争が終結するに伴い、人々の日常生活領域に近接する戦闘地域周辺には、過去に埋設された膨大な数の対人・対戦車地雷が撤去されることなく放置されてきている。そして、かかる放置地雷の存在は、これらの地域における貧困問題とも相俟って深刻な国際社会問題となっている。しかも、このような危険な地雷原の存在は、今後も増加の一途を辿っていくものと思われる。
【０００３】
従来、放置地雷は、人海戦術による危険な撤去作業によるのが最も効果的な手法であるとされ、実際にも行われてきている。しかし、このような手法による場合には、探査・除去に多くの時間がかかるばかりでなく、作業従事者も大きな危険に曝されることになる結果、最近では軍事・民生の両面から様々な最新の探査・除去技術が導入されるようになってきている。
【０００４】
かかる探査・除去技術のなかには、地表面にマイクロ波を照射して、照射後における地表面温度の挙動を映像化して、地雷の材質の別なく地雷の有無が判別できる非破壊手段により埋設地雷を探査できるようにした地雷探査装置がある。
【特許文献１】特開平０６−２３５５９９号公報
【０００５】
また、赤外線カメラ、レーザ測量装置、ＧＰＳおよびレーザマーカ等から地雷探知機を構成し、地表と埋設地雷の温度差を利用して、赤外線画像表示装置により地雷埋設位置を表示させることができるようにした地雷探知方法も提案されている。
【特許文献２】特開２００１−７４３９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１の開示技術による場合は、車両等に必ずマイクロ波照射装置と赤外線カメラとを装備させなければ埋設地雷の探査を行うことができず、探査コストが高くなる問題があった。また、特許文献２の開示技術による場合は、地雷探知機を赤外線カメラ、レーザ測量装置、ＧＰＳおよびレーザマーカ等で構成しなければならないばかりでなく、多くの場合、散布した液体窒素で探知エリアの温度を人為的に下げたり、バーナ等の加熱手段で探知エリアを人為的に加熱することで、地表と埋設地雷との間の温度差を強制的に発生させる必要があり、それだけ探知コストが上昇するばかりでなく、作業的にも煩雑になる不都合があった。
【０００７】
本発明は、上記従来手法に課題に鑑み、探知エリアに対する加熱は、太陽放射による２４時間の自然加熱（夜間の放射冷却状態を含む）による温度差をシュミレーションすることで、特に乾燥・砂漠地帯における埋設地雷の探査に効果的に適用することができる埋設地雷の有無判別方法を提供することに目的がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記目的を達成すべくなされたものであり、模擬火薬を火薬部として内蔵させたプラスチック部の上面にゴム板部を載置させてなる模擬地雷体を、適宜体積の周辺模擬土壌体内に埋設して三次元数値シミュレーション向けの土中の三次元物理モデルを構築し、該三次元物理モデルにおける前記周辺模擬土壌体の地表面を加熱面及び放熱面とし、該地表面における自然の太陽放射による２４時間にわたる温度変化を、所定の初期条件と環境条件とのもとで非定常三次元熱伝導方程式を基礎方程式として用いて行う三次元数値シミュレーションにより再現し、該再現結果により得られる所要時間経過毎の各二次元熱画像中から得られる明瞭な地雷イメージとの関係で定まる最適時間帯を確定し、該最適時間帯を経験則として自然環境下での実埋設地雷の有無の赤外線リモートセンシングを可能とすることに特徴がある。
【０００９】
この場合、明瞭な地雷イメージとの関係で定まる前記最適時間帯は、日の出から３時間前後を経過した時間帯と、同１５時間前後を経過した時間帯とするのが好ましい。また、三次元物理モデルにおける前記周辺模擬土壌体の地表面から前記模擬地雷体までの距離は、４０ｍｍ以下とするのが望ましい。
【発明の効果】
【００１０】
このため、本発明によれば、従来のような人海戦術による危険な撤去作業によることなく、例えば無人ヘリコプターに赤外線センサを搭載することにより、有効、かつ、安全裡に埋設地雷を探査することができるので、その探査結果に基づいて埋設地雷の位置を特定した上で、適宜の安全な手法による爆破処理を円滑、かつ、正確に行うことができる。
【００１１】
しかも、本発明は、マイクロ波の照射や液体窒素の散布などといった人為的な手段で探知エリアにおける地表と埋設地雷との間の温度差を強制的に発生させることなく、太陽放射による２４時間の自然加熱（夜間の放射冷却状態を含む）による温度差をシュミレーションすることで生成させることができるので、探知コストの低減化と作業性の改善とを図ることができ、特に乾燥・砂漠地帯における埋設地雷の探査に効果的に適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、本発明方法に関する数値シミュレーション向けに構築した土中の三次元物理モデルを示す説明図であり、図２は、図１中に示されているプラスチック地雷（埋設地雷体）の拡大図である。
【００１３】
この場合、図１に示す三次元物理モデル１１は、直方体形状を呈する周辺模擬土壌体１２と、これよりは容積の小さな略直方体形状を呈する模擬地雷体２２とで構成されている。このうち、周辺模擬土壌体１２の全体寸法は、深さＤＸ＝１５０ｍｍ，横幅ＤＹ＝３００ｍｍ，奥行きＤＺ＝３００ｍｍである。模擬地雷体２２は、平面形状が方形を呈するゴム板部２３と、該ゴム板部２３より平面サイズの大きなプラスチック部２４と、該プラスチック部２４内に模擬火薬を収容してなる火薬部２５とで構成されている。ゴム板部２３のサイズは、厚さｍ＝５ｍｍ，横幅ｎ＝６０ｍｍ，奥行きｌ＝６０ｍｍである。プラスチック部１４のサイズは、厚さｄｘ＝４５ｍｍ，横幅ｄｙ＝１２０ｍｍ，奥行きｄｚ＝１２０ｍｍである。火薬部１５のサイズは、厚さＷＭ＝４５ｍｍ，横幅ＷＮ＝１２０ｍｍ，奥行きＷＬ＝１２０ｍｍである。
【００１４】
周辺模擬土壌体１２の地質の構成（物性）は、砂（含水率７．９％），有機質土（含水率４１．５％），砂利（含水率１８．４％），粘土（含水率２７．７％）及びそれらの組合せからなる。模擬地雷体２２の物性については、図２に示すようなプラスチック地雷を想定して、外部（プラスチック部２４）がベークライト樹脂であり、内部（火薬部２５）が火薬としての硝石であり、外部（プラスチック部２４）に載置されるゴム板部２３を天然ゴム（合成ゴムでもよい）により形成した。なお、物性値は、伝熱工学資料改訂４版による。
【００１５】
境界条件は、図１における地表面（ＢＣＧＦ面）１３を加熱面かつ放熱面とした。加熱は、太陽放射による２４時間の自然加熱であり、夜間は放射冷却状態となる。また、その他の５面（各側面１４び底面１５）は断熱面とした。なお、地表では、ふく射と風の影響を想定した共存対流による放熱を想定した。
【００１６】
三次元数値シミュレーションには、基礎方程式として非定常三次元熱伝導方程式を用いた。初期条件は数式（１）のとおりである。
【００１７】
【数１】
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【００１８】
また、放熱面及び加熱面としての地表面（ＢＣＧＦ面）１３の境界条件は、数式（２）〜（７）のとおりである。ここで、数式（２）のλは熱伝導率を示す。ｈｍは地表面の平均熱伝達率で、数式（３）に示すような自然対流の熱伝達率ｈｍ１と強制対流の熱伝達率ｈｍ２の合算とし、風の影響を考慮するため数式（４）のような風速ｕを与え、最大風速を５ｍ／ｓとして１秒間隔で揺らがせた。Ｔａは周囲環境温度、Ｔｓｋｙ は天空温度で、数式（５），（６）とに示されるように、これらも同様に揺らがせている。Ｔｓは放熱面温度、εは放熱面の放射率、σはステファン・ボルツマン定数、 ＱＷは太陽放射による熱流束である。
【００１９】
【数２】
2005195287.tif 000004
【００２０】
【数３】
2005195287.tif 000005
【００２１】
【数４】
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【００２２】
【数５】
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【００２３】
【数６】
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【００２４】
【数７】
2005195287.tif 000009
【００２５】
計算では、三次元非定常熱伝導方程式をＰａｔａｎｋａｒのコントロールボリューム法に基づき差分化し、ＡＤＩ法で各時間の非定常解を得た。コントロールボリュームサイズは、Δｘ＝１ｍｍ、Δｙ＝１０ｍｍ、Δｚ＝１０ｍｍである。計算の時間間隔は、Δｔ＝１ｓｅｃであり、模擬地雷体２２の存在しない状況下で２４時間計算した後の諸量を基に次の２４時間、すなわち午前６時から翌朝午前６時までの２４時間計算を行っている。午前６時から午後６時までは加熱開始後６時間後に最大値ＱＷ＝５００Ｗ／ｍ２となる正弦波を与え、式（７）に示すように１秒間隔で揺らぐ加熱を地表面１３に印加してある。なお、午後６時から翌朝午前６時までは、加熱なし（ＱＷ＝０Ｗ／ｍ２ ）として計算している。地表面１３の太陽放射による熱流束分布は、図３に示すとおりである。
【００２６】
一方、図１における断熱面（ＡＢＣＤ，ＣＤＨＧ，ＥＦＧＨ，ＡＤＨＥ面）としての各側面１４及び底面１５のそれぞれの環境条件は、数式（８）のとおりである。
【００２７】
【数８】
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【００２８】
図４（ａ）〜（ｆ）は、周辺模擬土壌体１２を砂とし、模擬地雷体２１までの距離が地表面（ＢＣＧＦ面）１３から１０ｍｍの場合の数値シミュレーション結果を示すものであり、（ａ）は日の出後０時間、（ｂ）は同３時間、（ｃ）は同９時間、（ｄ）は同１５時間、（ｅ）は２１時間、（ｆ）は同２４時間のそれぞれの時点におけるにＢＣＧＦ面である地表面１３の二次元熱画像を示す。画像中、白色は高温領域を、黒色は低温領域をそれぞれ示し、最高温度と最低温度の温度区分はいずれも４Ｋで統一した。
【００２９】
このうち、図４（ａ）によれば、日の出直前の地表温度分布は一様であることが判明する。また、図４（ｂ）によれば、日の出３時間後は、模擬地雷体２２の上部に相当する位置の地表面１３の温度がその周辺部温度より高温であることが判明し、地雷イメージが明確となる。図４（ｃ）によれば、太陽高度が低下する日の出９時間後には、模擬地雷体２２の上部とその周辺部の温度差がさらに小さくなるため、地雷イメージが不明瞭になる。このような温度分布は、周辺模擬土壌体１２である砂地より模擬地雷体２２を構成しているベークライト樹脂（プラスチック部２４）の熱拡散率が小さいため、地表面１３からの熱流が模擬地雷体２２を避けて流れ、該模擬地雷体２２の上部の地表面１３近傍で熱流が滞る結果生じる。ここでは、模擬地雷体２２の上部からそのその周辺に向かって熱流が発生する。
【００３０】
さらに、図４（ｄ）によれば、日の出後１５時間経過すると、ＢＣＧＦ面（地表面１３）では日没直後（１２時間経過後）に太陽放射がなくなっていることから、放熱のみとなるので、模擬地雷体２２の上部の地表面１３の温度がその周辺部より逆に低温となることが判明する。このような温度分布となるのは、土壌内部で太陽入射時と逆の熱流が発生するためである。つまり、地中からの熱流が模擬設地雷体２２を避けて流れ、該模擬地雷体２２の上部の地表面１３近傍で熱が蓄積されにくくなるため、埋設地雷体１２の上部の地表面１６の温度がその周辺部より低温となる。地表面１３近傍では、周辺部から模擬地雷体２２の上部に向かった熱流が発生する。その後、時間が経過するにつれて地表面１３の温度が下がり始め、模擬地雷体２２に起因して地表面１３で発生する温度差も小さくなっていくため、模擬地雷体２２を識別できる温度イメージは日没直後に一端明瞭になった後、図４（ｅ），（ｆ）からも明らかなように再び不明瞭になって行く。
【００３１】
したがって、本発明を適用して太陽放射を利用した地雷探査を実施する場合には、図４（ｂ）の日の出から３時間経過後と、図４（ｄ）の日の出から１５時間経過後とに好条件が到来することが明らかとなる。
【００３２】
一方、図５（ａ）は、同様な計算環境下において、図５（ｂ）に示す地表面１３から模擬地雷体２２までの距離（ｄｗ）を、地表面１３から１０ｍｍ，２０ｍｍ，３０ｍｍ，４０ｍｍ及び５０ｍｍに設定し、その各場合における数値シミュレーション結果を基に、図１のＢＣＧＦ面（地表面１３）の模擬地雷体２２の上部の温度（Ｔａ）と計算領域端部の温度（Ｔｂ）との差の経時変化を示したグラフ図である。
【００３３】
同図によれば、地表面１３から模擬地雷体２２までの距離が大きくなるにつれて温度差が小さくなっていることが判明する。すなわち、地雷探査は、その埋設箇所が深くなるにつれて難しくなることが判明する。
【００３４】
また、図６（ａ）は、地表面１３から模擬地雷体２２までの距離を１ｃｍとし、図６（ｂ）に示すように地中を７５ｍｍで上層を砂１６に、下層を砂利１７に二分した周辺模擬土壌体１２における砂１６の中に模擬地雷体２２を埋設した例と、図６（ｃ）に示すように同じ条件で上層を砂利１７に、下層を砂１６に二分した周辺模擬土壌体１２における砂利１７の中に模擬地雷体２２を埋設した例とについての数値シミュレーション結果を基に、図１のＢＣＧＦ面（地表面１３）の模擬地雷体２２の上部の温度（Ｔａ）と計算領域端部の温度（Ｔｂ）との差の経時変化を示したグラフ図である。
【００３５】
図６（ａ）によれば、周辺模擬土壌体１２が砂１６である場合と砂利１７である場合とでは、砂利１７の方が温度差が大きくなっていることが判明する。一方、図６（ｂ）に示す周辺模擬土壌田尾１２と、図６（ｃ）に示す周辺模擬土壌体１２とを比較すると、上層が砂利１７である図６（ｃ）に示す周辺模擬土壌体１２の方が温度差が大きくなっていることが判明する。したがって、同じ物性で構成された土壌であっても、模擬地雷体２２の上部に相対的に熱拡散率の高い物質がある方が地雷探査に都合がよいと推察できる。なお、図５（ａ）と図６（ａ）とにおけるハッチング部分は、赤外線サーモグラフィー装置に付随する不確かさに起因して温度差の探知が不確かなグレー帯域１８を示す。
【００３６】
図８（ａ）〜（ｆ）は、図７に示すように地表面１３の放射率を１．０から０．８まで０．０４ずつ６段階に分割し、周辺模擬土壌体１２を砂、地表面１３から模擬地雷体２２までの距離を１０ｍｍとした数値シミュレーション結果を地表面１３の二次元熱画像として示した図である。これは、地表面１３に相対的に放射率の異なる物体が存在する場合を想定したものである。
【００３７】
図８（ａ）〜（ｆ）によれば、いずれの時間においても、地表面１３の放射率が変化したことにより地表面１３の温度分布が一様ではなくなることが判明する。すなわち、図８（ｂ）に示すように、日の出から３時間後では、地表面１３の放射率の低い部分で太陽放射エネルギーを相対的に受けにくくなるため地雷イメージが他に対して不明瞭になっているものの、識別は可能である。また、図８（ｄ）に示すように、日の出１５時間後では、地表面１３の放射率の高い部分で地雷に起因する温度環境を保持しにくいため、地雷イメージが他に対して不明瞭になっているものの、これも識別は可能である。さらに、図８（ｅ）に示すように、日の出２１時間後では、放射率の一番低い部分の地表面１３の温度と模擬地雷体２２の上部の温度とが近接し、二次元熱画像がほぼ同じ色を呈する結果となり、地雷イメージを識別することが困難となる。
【００３８】
以上の結果は、地雷の埋設深度、地表面放射率、時間帯などの如何により赤外線地雷探査の性能が大きく左右される一方、条件さえ合わせればその探査能力を向上させることができることを推測させる。
【００３９】
図１０は、実際の土中を想定して図９（ｂ）に示すように、周辺模擬土壌体１２を上層と下層との二段に分割（上層：砂３３・下層：有機質土３４）し、また、地表面１３から模擬地雷体２２までの距離を２０ｍｍとした数値シミュレーション結果を地表面１３の二次元熱画像として示した説明図である。この場合、地中には、図９（ａ），（ｂ）からも明らかなように、様々な物体（図示例では、レンガ３５，石炭片３６，ヒノキ片３７及び玄武岩片３８）を模擬地雷体２２に近接させて混在させてあるので、該模擬地雷体２２とその他のものとの識別が難しく、そのため地雷イメージが不明瞭となり、模擬地雷体２２の有無の判断が困難になる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明方法に関する数値シミュレーション向けに構築した土中の三次元物理モデルを示す説明図。
【図２】図１中に示されているプラスチック地雷（模擬地雷体）の拡大図。
【図３】地表面の太陽放射による熱流束分布を示すグラフ図。
【図４】周辺模擬土壌体を砂とし、模擬地雷体までの距離が地表面から１０ｍｍの場合の数値シミュレーション結果を二次元熱画像として所定の経過時間別に（ａ）〜（ｆ）として示す説明図。
【図５】（ａ）は、地表面から模擬地雷体までの距離を１０ｍｍ，２０ｍｍ，３０ｍｍ，４０ｍｍ，５０ｍｍに設定した際の数値シミュレーション結果を基に、図１のＢＣＧＦ面（地表面）の模擬地雷体上部の温度（Ｔａ）と計算領域端部の温度（Ｔｂ）との差の経時変化を示したグラフ図であり、（ｂ）は、その際の状態を模式的に示すモデル図。
【図６】（ａ）は、地表面から模擬地雷体までの距離を１ｃｍとした例についてのケース別の数値シミュレーション結果を基に、図１のＢＣＧＦ面（地表面）の模擬地雷体上部の温度（Ｔａ）と計算領域端部の温度（Ｔｂ）との差の経時変化を示したグラフ図であり、（ｂ）と（ｃ）とは、その際のケース別具体例を模式的に示すモデル図。
【図７】周辺模擬土壌体の地表面の放射率を１．０から０．８まで０．０４ずつ６段階に分割して示すモデル図。
【図８】図７に示すモデル図のように地表面の放射率を分割し、周辺模擬土壌体を砂、地表面から模擬地雷体までの距離を１０ｍｍとした数値シミュレーション結果を地表面の二次元熱画像として経過時間別に（ａ）〜（ｆ）として示す説明図。
【図９】実際の土中（周辺模擬土壌体）の想定図であり、そのうちの（ａ）は平面方向からみた際の想定図を、（ｂ）は、前側面方向からみた想定図をそれぞれ示す。
【図１０】図９に示すように実際の土中を想定し、地表面から模擬地雷体までの距離を２０ｍｍとした数値シミュレーション結果を地表面の二次元熱画像として経過時間別に（ａ）〜（ｆ）として示す説明図。
【符号の説明】
【００４１】
１１  三次元物理モデル
１２ 周辺模擬土壌体
１３ 地表面
１４ 側面
１５ 底面
１６ 砂
１７ 砂利
１８ グレー帯域
２２ 模擬地雷体
２３ ゴム板部
２４  プラスチック部
２５  火薬部
３３  砂
３４  有機質土
３５  レンガ片
３６  石炭片
３７  ヒノキ片
３８  玄武岩片
【図１】
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【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】
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【図１０】
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