(57)【要約】【課題】実際に敷設された路面における物性値は未知であるため、高精度の計測が不可能であった。【解決手段】複数の層を形成している計測対象の特性値を計測するにあたり、上記計測対象に向けて電波を照射するとともに反射した電波を受信し、上記電波の変化と物性値が未知の層について予め計測した合成インピーダンスと物性値が既知の層における当該既知の物性値とに基づいて上記特性値を計測する。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の層を形成している計測対象の特性値を計測する特性値計測方法であって、
上記計測対象に向けて電波を照射するとともに反射した電波を受信し、
上記電波の変化と物性値が未知の層について予め算出した合成インピーダンスと物性値が既知の層における当該既知の物性値とに基づいて上記特性値を計測することを特徴とする特性値計測方法。
【請求項２】
上記計測対象の特性値は、塩水の膜厚と濃度とのいずれかまたは双方であることを特徴とする請求項１に記載の特性値計測方法。
【請求項３】
上記合成インピーダンスは、上記物性値が未知の層が存在する状態において上記物性値が既知の層が存在しない状態で上記電波の照射と受信を行うことによって計測された電波の変化に基づいて予め算出されることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の特性値計測方法。
【請求項４】
上記特性値は、上記照射および受信した電波に基づいて計測される電波の変化と、予め設定した電波の変化の基準値とを比較することにより算出される特定の層の物性値であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の特性値計測方法。
【請求項５】
複数の層を形成している計測対象に向けて電波を照射する電波の送信手段と、
上記複数の層を形成している計測対象から反射した電波を受信する受信手段と、
上記送信手段から照射した電波と受信手段で受信した電波とに基づいて電波の変化を計測する送受信変化量算出手段と、
物性値が未知の層について予め算出した合成インピーダンスを記憶する合成インピーダンス記憶手段と、
物性値が既知の層について当該既知の物性値を記憶する既知物性値記憶手段と、
上記電波の変化と合成インピーダンスと既知の物性値とに基づいて上記計測対象の特性値を計測する特性値計測手段と、
を具備することを特徴とする特性値計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、道路や滑走路などの上の水や凍結防止剤（例えば、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化カルシウム、塩化マグネシウムや酢酸マグネシウムナトリウム等の無機塩で構成される。むろん、同様の無機塩で構成される融雪剤を含むが、本明細書および特許請求の範囲では簡単のために融雪剤を略し、凍結防止剤とのみ表記している。）を含む塩水の膜厚や濃度を計測する方法およびその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から路面に散布された凍結防止剤の濃度を測定して凍結を事前に防止する道路管理が行われているが、水や塩水の厚さや濃度を計測する方法あるいは装置として各種技術が開発されている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−１０１５２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
この種の方法あるいは装置においては、水や凍結防止剤を含む水とアスファルトによる二層の誘電体の平面波に対する合成インピーダンスを水とアスファルトの誘電率や厚みなどの既知の物性値を用いて求めた各特性インピーダンスから求め、求めた合成インピーダンスを反射率を求める理論式に代入して基準となる反射率を算出し、計測した反射率と算出した基準の反射率とを比較することによって未知の特性値（塩水の濃度）の判別を行っている。図１は図示しない電波反射体の上にアスファルトを施工した電波反射性能を有する路面を示し、アスファルト上に水膜が形成されている状態での計測原理を説明する説明図である。図１（ａ）に示すように水の特性インピーダンスをＺ１，アスファルトの特性インピーダンスをＺ２、水面から水方向を見込んだ場合の合成インピーダンスをＺinとすると、その等価回路は図１（ｂ）のように表現される。このとき、反射率の理論式は以下の式（１）によって与えられる。
【数１】
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ここで、式（１）におけるΓは反射率であり、θは電波の入射角（路面に対する垂線と電波との角度）である。
【０００４】
さらに、合成インピーダンスＺinは以下の式（２）で与えられる。
【数２】
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ここで、式（２）におけるＺrはアスファルト界面からアスファルト方向を見込んだ場合の合成インピーダンスである。
【０００５】
また、ｄ1は水膜の膜厚であり、γ1は水膜の伝搬定数であって、当該伝搬定数γ1および特性インピーダンスＺ1は水膜の誘電率ε1および電波の波長λによってそれぞれ式（３）、式（４）で表現される。
【数３】
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【数４】
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【０００６】
一方、水膜が無い場合のアスファルトの特性インピーダンスＺrは、図１（ｃ）の等価回路となり、以下の式（５）で表現される。
【数５】
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【０００７】
ここで、ｄ2はアスファルトの厚さであり、γ2はアスファルトの伝搬定数である。また、伝搬定数γ２および特性インピーダンスＺ２はアスファルトの誘電率ε２および電波の波長λによってそれぞれ式（６）、式（７）で表現される。
【数６】
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【数７】
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【０００８】
以上のように、反射率Γは、上記式（１）に式（２）〜式（７）を代入することによって算出可能である。そこで、上記従来技術においては、水膜の伝搬定数（あるいは誘電率）およびアスファルトの伝搬定数（あるいは誘電率）と厚みを予め決定しておき、特性値を決定していた。特性値としては、特定の層の厚さや特性の層における無機塩の濃度が挙げられる。
【０００９】
例えば、式（２）〜式（７）中で、水膜の誘電率ε１、アスファルトの厚さｄ2および誘電率ε２を予め決定した値とし、これらの値を式（１）に代入した結果と、実測された反射率Γとが等しいとすれば、水膜の厚さを測定することができる。また、アスファルトの厚さｄ2と誘電率ε２を予め決定し、これらの値と複数の無機塩濃度における水膜の誘電率ε１および複数の厚さｄ１を式（１）に代入して計算した反射率Γを記憶しておき、この反射率Γと実測された反射率Γとが等しいとすれば、水膜の無機塩濃度および膜厚を計測することができる。
【００１０】
しかし、上記水膜について誘電率を予め正確に決定することは可能であっても、アスファルトの誘電率や厚さを正確に決定することは困難であった。すなわち、実際の路面においてアスファルトの誘電率や厚さは多様であり、予め決めたとしても、実際の路面におけるアスファルトの誘電率や厚さと異なる場合が多い。この結果、式（１）に基づく反射率Γを正確に算出することが不可能になり、高精度に上記特性値を計測することができなかった。
本発明は上記した問題点を解決せんとするもので、伝搬定数や厚み等の物性値が未知の層を含む計測対象であっても正確に測定を実施できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明においては、電波の変化に基づいて所定の特性値を計測するにあたり、物性値が既知の層についてはその物性値を使用し、物性値が未知の層については予め算出したその層の合成インピーダンスの値を使用して上記特性値を計測する。例えば、アスファルトの上にｄ1の膜厚の水が張った場合を考えると、水膜は物性値の誘電率ε1と伝搬常数γ1と膜厚ｄ1が既知であり、上記式（４）の特性インピーダンスＺ1を求めることができる。なお、物性値は層の物性を示す値であれば良く、伝搬定数、誘電数、透磁率、膜厚など種々の値を含む。以上のように、路面等の状態によらず、予め行う計測によって常に正確な値を取得できる物性値を既知としている。
【００１２】
一方、アスファルトの層を想定した場合、路面の状態や組成は様々であり、実際に計測を行う対象の物性値を予め正確に知ることは不可能である。従って、この意味で路面などの層における物性値は未知である。
【００１３】
アスファルトの特性インピーダンスＺ２は式（７）のように未知の物性値を含むが、この層における合成インピーダンスＺrを取得することができれば、当該取得した合成インピーダンスＺrと上記既知の物性値とによって式（２）を算出することができる。従って、式（１）に基づいて反射率Γを算出することが可能になる。この結果、水膜の特性値（層の厚さや無機塩の濃度）を計測することが可能になる。
【００１４】
ここで、本発明の計測原理について説明する。
図１（ａ）のようにアスファルトからなる路面上に水または凍結防止剤を含む水からなる一層の水が存在する場合には、反射率Γは水または凍結防止剤を含む水（以下、「水膜」と呼ぶ）とアスファルトによる二層の誘電体の平面波に対する合成インピーダンスをＺinを含む上記式（１）によって求めることができる。
【００１５】
一方、図１（ｃ）のように水膜が存在しない場合を想定すると、その反射率Γｒは上記式(１)において、合成インピーダンスＺinをアスファルト層の合成インピーダンスＺrに読み替えた下記式（８）により表現される。
【数８】
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【００１６】
そこで、式（８）を合成インピーダンスＺrについて解くと、下記式（９）となる。
【数９】
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【００１７】
この式（９）から明らかなように、未知であるアスファルトの物性値（厚さｄ２、誘電率ε２）を含む上記式（５）を用い無くても、実測した反射率Γｒと入射角θによって合成インピーダンスＺrを算出することができる。従って、アスファルトの物性値が未知であっても正確に基準となる反射率を算出することができる。この結果、計測対象に物性値（伝搬定数や膜厚等）が未知の層が含まれていても正確に測定を実施できるようになる。
【００１８】
すなわち、式（２）において水膜の厚さｄ1、誘電率ε1および合成インピーダンスＺrが判明していれば、式（１）に基づいて反射率Γを算出することができる。具体的には、誘電率ε1は水膜における無機塩の濃度によって異なるので、予め複数の無機塩の濃度にて誘電率を取得し、各厚さ、各濃度の誘電率および合成インピーダンスＺrを利用して複数の反射率Γを算出しておき、実測値とを比較すれば実測した反射率における水膜の厚さと濃度とを判定することができる。
【００１９】
なお、上記反射率は、電波の周波数に依存して変化するので、基準となる反射率の差異が最も顕著に現れる周波数において無機塩の濃度ごとに計測を行うのが好ましい。むろん、複数の周波数によって計測を行い、水膜の厚さや無機塩の濃度を判別し易い周波数での反射率に基づいて計測を行ってもよい。
【００２０】
また、本発明において計測対象となっている複数の層は、上述のようにアスファルトと水膜に限られず、他の物質による層や他の溶媒による層であってもよい。さらに、計測対象としては、２層の物体に限らず、３以上の層を形成している物体に本発明を適用してもよい。このとき、ある特定の層における特性値を計測対象とする。従って、当該特定の層において特性値以外の物性値は既知であり、他の層の物性値が未知であって、当該他の層の合成インピーダンスを計測することとなる。
【００２１】
例えば、アスファルト内に金属板などの電波反射体が埋設されている状態においては上から順に水膜、アスファルト、電波反射体の層が形成されていることになる。すなわち、電波は電波反射体によってほぼすべて反射されるので、電波反射体より下の層にどのような物質が存在したとしても電波の反射率に対して寄与しない。そこで、アスファルトと電波反射体との２層について物性値が未知であるとし、これらの合成インピーダンスを予め算出すれば、本発明に基づいてアスファルト上の水膜について特性値を計測することが可能になる。
なお、電波反射体は金属に限定されるものでなく、炭素繊維シートなどでもよい。すなわち、当該炭素繊維シートを敷設した路面においても電波反射性能を発揮し、本発明を適用することができる。
【００２２】
また、本発明においては、電波を送受信してその変化を計測することによって計測対象の特性値を算出することができればよい。従って、特性値が算出できる限りにおいてその周波数は限定されない。また、電波の変化としては上記反射率Γであってもよいし、減衰率であってもよい。さらに、物性値が既知の層については、その物性値を工場等で予め計測してもよいし、文献等を参考に物性値を決定してもよい。
【００２３】
物性値が未知の層については上記の計測原理に従い予めその合成インピーダンスを算出することができればよく、その好ましい構成例として、当該未知の層が通常通りに使用されるように設置されている状態でその合成インピーダンスを算出する構成を採用するのが好ましい。すなわち、物性値が未知の層が設置されている状態において、上記既知の層が存在しない状態で電波を送受信すれば、その電波の変化から合成インピーダンスを算出することができる。
【００２４】
従って、一旦、上記既知の層が存在しない状態で電波を送受信することで、容易に合成インピーダンスを取得することができ、取得後は上記複数の層を形成している状態で特性値を計測することが可能になる。なお、上記物性値が未知の層が設置されている状態とは、反射波に基づいて合成インピーダンスを算出可能な路面が敷設されている状態を指している。従って、当該未知の層によって電波を反射し、その反射波を受信することができる路面が敷設されている限りにおいてすべての路面がこれに相当する。例えば、電波反射体となる金網（金属メッシュ）や金属板などが埋設されている路面について本発明を適用することができる。いずれにしても、既に敷設された路面を想定すると、その物性値を予め取得することが困難であるが、上述のように電波を送受信すれば容易に合成インピーダンスを取得することができる。従って、既に敷設された路面について物性値が未知であっても上記特性値を正確に算出することが可能になる。
【００２５】
上述のように、本発明における特性値としては、特定の層の厚さや特定の層における無機塩の濃度等が挙げられる。従って、上記式（１）に含まれる物性値を特性値として計測するのであれば、当該特性値以外の物性値について既知の物性値あるいは既知の物性値から算出される特性インピーダンスを式（２）に代入し、物性値が未知の層については、式（９）を用いて反射率から算出した合成インピーダンスを式（２）に代入し、得られた合成インピーダンスから式（１）の反射率を算出すればよい。
【００２６】
また、無機塩の濃度等を計測するのであれば、複数の濃度についての電波の変化を予め算出して基準値としておき、実測した計測値と比較すればよい。むろん、このときに層の厚さを変化させた場合の電波の変化を予め算出して基準値としてもよい。いずれにしても、この基準値を算出する際に上記で算出した合成インピーダンスを使用することによって物性値が未知の層が存在したとしても、正確に基準値を算出することが可能になる。従って、特性値を正確に計測することが可能である。
【００２７】
以上の発明は、上記特性値を計測するための特性値計測装置としても実施可能である。すなわち、計測対象に対して電波を送受信可能な手段および電波の変化を計測する手段を形成し、予め算出した合成インピーダンスと既知の物性値と電波の実測値に基づいて上記特性値を計測する装置を路面上に設置する。この装置によれば、路面上の水膜の有無や路面に散布した無機塩の濃度等を計測することができ、路面の管理に利用することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
ここでは、下記の順序に従って本発明の実施の形態について説明する。
（１）濃度計測装置の構成：
（２）基準データの算出処理：
（３）濃度の計測処理：
（４）他の実施形態：
【００２９】
（１）濃度計測装置の構成：
図２は、本発明の方法を用いた凍結防止剤の濃度計測装置の一実施形態を示す図である。１は電波の送信手段にして、数ＧＨｚ以下の発振周波数の電界を生成する発振器１１と、入力された信号を増幅し数ＧＨｚ以下の電波として照射する送信アンテナ１２とから構成される。
【００３０】
２は受信手段にして、路面Ｒから反射した電波を受信する受信アンテナ２２と受信した電波を検波する検波器２１とから構成される。なお、送信アンテナ１２と受信アンテナ２２は、梁柱などの支持手段によって路面に電波が入射角θ（図１参照）で照射され、その反射波を受信できるように並べて配置される。
【００３１】
３は送信手段１の送信強度に対する受信手段２の受信強度の比を電波の反射率として算出する送受信変化量算出部、４は処理に必要なデータを記憶するメモリである。濃度計測装置を路面上に設置する段階では、メモリ４に物性値データ４ａが記録されており、濃度計測前に合成インピーダンスデータ４ｂと基準データ４ｃとを生成して記憶する。５は送受信変化量算出部３で算出した反射率とメモリ４に記憶した基準データ４ｃとを比較する凍結防止剤の濃度判別部である。
【００３２】
６は通信手段を備え、濃度判別部５で判別された凍結防止剤の濃度を図示しない中央の観測装置に配信する出力部、７は凍結防止剤の濃度を検出するためのプログラムを記憶した制御プログラム記憶部、８は制御プログラム記憶部７のプログラムと図示しないキースイッチにより設定されたサンプリング周期や発振周波数などの設定値に従い上記の１〜６を制御し凍結防止剤の濃度計測を実行するＣＰＵである。
【００３３】
（２）基準データの算出処理：
次に、本発明における基準データ４ｃの算出処理を説明する。図３は、当該基準データ４ｃの算出処理を示すフローチャートである。この処理は、濃度計測装置を設置した後、最初の濃度計測の前に実施されるようになっており、制御プログラム記憶部７に記憶されたプログラムに基づいてＣＰＵ８が処理を実施する。なお、この処理の前にメモリ４に物性値データ４ａは記憶されているが、合成インピーダンスデータ４ｂと基準データ４ｃとは記憶されていない。
【００３４】
本実施形態において、物性値データ４ａは、予め計測あるいは文献等を参照して決定された水膜の厚さｄ1および誘電率ε1を示すデータであり、複数の厚さおよび複数の無機塩濃度における誘電率を示すデータが記憶されている。この状態において、ＣＰＵ８が処理を開始すると、まず、ＣＰＵ８は、電波を送信する（ステップＳ１００）。例えば０．１〜１ＧＨｚ近傍の予め決められた発振周波数において、送信手段１を介して送信アンテナ１２からアスファルトからなる路面に電波を照射する。なお、ＣＰＵ８は、このときの送信強度Ｗｏを計測し、メモリ４に記憶する。
【００３５】
次に、ＣＰＵ８は路面Ｒから反射した電波を受信アンテナ２２で受信し、送信した周波数と同じ周波数の電波を検波器２１で検波し、その受信強度Ｗｉをデジタル信号として出力する（ステップＳ１１０）。次に、ＣＰＵ８は送受信変化量算出部３にて電波の変化量を算出する（ステップＳ１２０）。本実施形態においては、送信強度Ｗｏと受信強度Ｗｉの比（Ｗi ／Ｗｏ）である反射率Γｒを電波の変化量として算出しているが、むろん、ｌｏｇを計算することで減衰量にしてもよい。この場合、上記式（１）においてもｌｏｇを計算することになる。
【００３６】
次に、ＣＰＵ８は上記式（９）に基づいて反射率Γｒから合成インピーダンスＺrを算出し（ステップＳ１３０）、メモリ４に合成インピーダンスデータ４ｂとして記憶する（ステップＳ１４０）。なお、以上の処理は、アスファルト上に水膜が形成されていない状態で行う。すなわち、アスファルト上に水膜が形成されていない状態で反射率Γｒを算出することにより、上記式（５）の右辺を計算することなく合成インピーダンスＺｒを取得する。
【００３７】
次に、ＣＰＵ８は上記メモリ４に記憶されている物性値データ４ａおよび合成インピーダンスデータ４ｂに基づいて、複数の水膜の厚さおよび複数の無機塩濃度における反射率Γを算出する（ステップＳ１５０）。すなわち、物性値データ４ａを取得し、上記式（３）、式（４）に基づく計算値を式（２）に代入するとともに水膜の厚さを示すデータを上記式(２)に代入し、さらに、上記ステップＳ１３０で算出した合成インピーダンスＺrの値を式（２）に代入する。
【００３８】
次に、ＣＰＵ８はステップＳ１５０にて得られた反射率Γを基準データ４ｃとしてメモリ４に記憶する（ステップＳ１６０）。なお、この基準データ４ｃは、複数の水膜の厚さおよび複数の無機塩濃度について算出され、反射率Γと当該反射率Γを算出する際に使用された水膜の厚さおよび無機塩濃度に対応付けられて記憶される。従って、反射率Γによって水膜の厚さと無機塩の濃度を特定することが可能である。
【００３９】
（３）濃度の計測処理：
次に、本発明における無機塩濃度の計測処理を説明する。図４は、当該無機塩濃度の計測処理を示すフローチャートである。この処理は、上記基準データ４ｃを作成した後に実施されるようになっており、制御プログラム記憶部７に記憶されたプログラムに基づいてＣＰＵ８が処理を実施する。ＣＰＵ８が処理を開始すると、まず、ＣＰＵ８は、上記ステップＳ１００，Ｓ１１０と同様にして電波の送受信を行う（ステップＳ２００、Ｓ２０５）
【００４０】
次に、ＣＰＵ８は送受信変化量算出部３にて電波の変化量を算出する（ステップＳ２１０）。ここでも、上記と同様に、送信強度Ｗｏと受信強度Ｗｉの比（Ｗi ／Ｗｏ）に基づいて反射率（以後、実測した反射率と呼ぶ）を算出する。そして、実測した反射率を取得した場合には、当該実測した反射率と基準データとを比較するため、ＣＰＵ８はメモリ４から基準データ４ｃを取得する（ステップＳ２１５）。
【００４１】
次に、ＣＰＵ８は実測した反射率とすべての基準データ４ｃとを比較して（ステップＳ２２０）、実測した反射率が基準データ４ｃのいずれかに一致するか否かを判別する（ステップＳ２２５）。むろん、ここで一致するか否かを判別する際には、両者が厳密に等しいことを要求することが必須というわけではなく、基準データ４ｃと実測した反射率との差分が閾値以下であるときに一致すると判別する構成としてもよい。
【００４２】
ステップＳ２２５にて、実測した反射率が基準データ４ｃのいずれかに一致すると判別されたときには、その基準データ４ｃに対応付けられている水膜の厚さおよび無機塩濃度を取得し、これらを示すデータを出力部６から中央の観測装置に通報する（ステップＳ２３０）。
【００４３】
ステップＳ２２５にて、実測した反射率が基準データ４ｃのいずれにも一致しない場合、ＣＰＵ８は通報を行わない。最後に、計測と同時に計時を開始したサンプリングタイマ（例えば、３分周期）がタイムアップしたかを判定（ステップＳ２３５）し、タイムアップに達した場合には、上記ステップＳ２００以降の処理を繰り返す。
【００４４】
（４）他の実施形態：
本発明においては、物性値が未知の層について合成インピーダンスを予め算出することで、物性値が未知のままで特定層の特性値を計測することができる限りにおいて、他にも種々の構成が採用可能である。例えば、電波の変化を示す基準値としては、上記反射率のみならず、種々の値を採用可能である。例えば、電波の受信強度（＝送信強度×反射率）を基準値としてもよいし、電波の吸収・透過量（２０log10(１−反射率) ）を基準値としてもよい。
【００４５】
さらに、本発明においては、物性値が未知の層について合成インピーダンスを予め算出しているので、この層がアスファルトであることは必須ではなく、アクリル樹脂等の誘電体により形成されることが可能であり、上記実施形態と同様にしてその上部の水膜における特性値を正確に計測することができる。
【００４６】
さらに、水膜の厚さを計測対象の特性値とする構成を採用してもよい。この場合、予めメモリ４に記憶する物性値データ４ａとしては、複数の無機塩濃度における誘電率である。そして、上記実施形態と同様に合成インピーダンスデータ４ｂを取得しておく。この状態において、上記式（２）に含まれる厚さｄ１のみが未定であるため、上記実施形態と同様にして反射率Γを実測し、この実測値が式（１）に式（２）を代入したものと等しいとおけば、未定の値は厚さｄ１のみになる。従って、この式を解くことにより、正確に水膜の厚さを計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】計測原理を説明するための説明図である。
【図２】濃度計測装置の一例を示すブロック図である。
【図３】基準データの算出処理を示すフローチャートである。
【図４】無機塩濃度の計測処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４８】
１…送信手段
２…受信手段
３…送受信変化量算出部
４…メモリ
４ａ…物性値データ
４ｂ…合成インピーダンスデータ
４ｃ…基準データ
５…濃度判別部
６…出力部
７…制御プログラム記憶部
８…ＣＰＵ
１１…発振器
１２…送信アンテナ
２１…検波器
２２…受信アンテナ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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