(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
地表の送信機から周波数が所定パターンで変化する電磁波を地中へ入射し、前記送信機から一定間隔離れた地表の受信機で前記電磁波の地中不連続面からの反射波を受信し、前記入射波に対する反射波の時間遅れ及び振幅変化を周波数別に検出し、検出した時間遅れ及び振幅変化に基づき前記不連続面の位置及び反射率を周波数別に算出し、前記一定間隔に保った送信機及び受信機を地表に沿って移動させながら前記電磁波の入射から前記不連続面の位置及び反射率の算出までのサイクルを繰り返したときの前記不連続面の位置及び反射率の算出値に基づき前記不連続面の周波数別プロファイルを作成し、前記周波数別プロファイル相互間における反射率の相異の大きさから前記不連続面が含水率の境界面であるか否かを検知してなる周波数可変方式の地中レーダ探査方法。
【請求項２】
請求項１の探査方法において、前記送信機及び受信機の間隔を変更可能とし、前記周波数別プロファイル作成済みの地表の特定地点において前記送信機及び受信機の間隔を変更しながら前記電磁波の入射から前記反射波の時間遅れ及び振幅変化の検出までのサイクルを繰り返したときに前記変更された全ての間隔と前記全ての間隔において検出された反射波の周波数別時間遅れ及び振幅変化とに基づき前記周波数別プロファイルの深度軸の電磁波伝搬速度を周波数別に定め、前記周波数別プロファイル相互間における電磁波伝搬速度の変化率の大きさから前記特定地点の堆積岩の岩種を検知してなる周波数可変方式の地中レーダ探査方法。
【請求項３】
請求項２の探査方法において、前記堆積岩の岩種毎の周波数別電磁波伝播速度と含水率との関係式を予め実験的に求め、前記周波数別プロファイルの電磁波伝搬速度と前記関係式とから前記特定地点の堆積岩の含水率を検知してなる周波数可変方式の地中レーダ探査方法。
【請求項４】
周波数が所定パターンで変化する連続信号を発生する信号発生器、前記連続信号を電磁波として地中へ入射する送信機、前記電磁波の地中不連続面からの反射波を受信する受信機、前記入射波に対する反射波の時間遅れ及び振幅変化を周波数別に検出する検出手段、検出した時間遅れ及び振幅変化に基づき前記不連続面の位置及び反射率を周波数別に算出する算出手段、前記送信機の入射地点を計測する地点計測手段、一定間隔に保った前記送信機及び受信機を地表に沿って移動させたときの各入射地点における前記算出手段の算出値に基づき前記不連続面の周波数別プロファイルを作成するプロファイル作成手段、並びに前記周波数別プロファイル相互間における反射率の相異の大きさから前記不連続面が含水率の境界面であるか否かを検知する検知手段を備えてなる周波数可変方式の地中レーダ探査装置。
【請求項５】
請求項４の探査装置において、前記送信機及び受信機の間隔を計測する間隔計測手段、並びに前記周波数別プロファイル作成済みの地表の特定地点において前記送信機及び受信機の間隔を変更させたときに前記間隔計測手段が計測した全ての間隔と前記全ての間隔において前記検出手段が検出した反射波の周波数別時間遅れ及び振幅変化とに基づき前記周波数別プロファイルの深度軸の電磁波伝搬速度を周波数別に定める伝搬速度決定手段を設け、前記検知手段により前記周波数別プロファイル相互間における電磁波伝搬速度の変化率の大きさから前記特定地点の堆積岩の岩種を検知してなる周波数可変方式の地中レーダ探査装置。
【請求項６】
請求項５の探査装置において、前記検知手段に前記堆積岩の岩種毎の周波数別電磁波伝播速度と含水率との関係式を記憶し、前記検知手段により前記周波数別プロファイルの電磁波伝搬速度と前記関係式とから前記特定地点の堆積岩の含水率を検知してなる周波数可変方式の地中レーダ探査装置。
【請求項７】
送信機により周波数が所定パターンで変化する電磁波として地中へ入射する入射信号と前記電磁波の地中不連続面からの反射波の受信機による受信信号とを入力し、前記入射信号に対する受信信号の時間遅れ及び振幅変化を周波数別に検出する検出手段；検出した時間遅れ及び振幅変化に基づき前記不連続面の位置及び反射率を周波数別に算出する算出手段；前記送信機の入射地点を入力する地点入力手段；一定間隔に保った前記送信機及び受信機を地表に沿って移動させたときの各入射地点における前記算出手段の算出値に基づき前記不連続面の周波数別プロファイルを作成するプロファイル作成手段；並びに前記周波数別プロファイル相互間における反射率の相異の大きさから前記不連続面が含水率の境界面であるか否かを検知する検知手段としてコンピュータを機能させる周波数可変方式の地中レーダ探査プラグラム。
【請求項８】
請求項７の探査プログラムにおいて、前記送信機及び受信機の間隔を入力する間隔入力手段、並びに前記周波数別プロファイル作成済みの地表の特定地点において前記送信機及び受信機の間隔を変更させたときに前記間隔入力手段が入力した全ての間隔と前記全ての間隔において前記検出手段が検出した反射波の周波数別時間遅れ及び振幅変化とに基づき前記周波数別プロファイルの深度軸の電磁波伝搬速度を周波数別に定める伝搬速度決定手段としてコンピュータを機能させるプログラムを含め、前記検知手段により前記周波数別プロファイル相互間における電磁波伝搬速度の変化率の大きさから前記特定地点の堆積岩の岩種を検知してなる周波数可変方式の地中レーダ探査プログラム。
【請求項９】
請求項８の探査プログラムにおいて、前記検知手段に前記堆積岩の岩種毎の周波数別電磁波伝播速度と含水率との関係式を記憶し、前記検知手段により前記周波数別プロファイルの電磁波伝搬速度と前記関係式とから前記特定地点の堆積岩の含水率を検知してなる周波数可変方式の地中レーダ探査プログラム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は周波数可変方式の地中レーダ探査方法及び装置並びにプログラムに関し、とくに周波数が変化する電磁波を利用して地中の電気的不連続面（以下、単に不連続面ということがある。）のプロファイルを作成する地中レーダ探査方法及び装置並びにプログラムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
地下構造物の設計・施工では、地下の岩盤や地盤（以下、両者を纏めて地盤という。）の構造や各種物性値を精度良く把握することが求められる。例えば地中に掘削した地下空洞５の周囲の地質構造は、図１２に示すように、空洞５に近い順に（１）亀裂3a、3bの頻度が高い地下水の不飽和領域６（以下、ゆるみ領域６ということがある。）、（２）亀裂頻度が低い地下水の不飽和領域７（以下、単に不飽和領域７ということがある。）、及び（３）地下水の飽和領域８（以下、単に飽和領域８ということがある。）が分布していると想定できる。図中の符号4a、4bは各領域の地質境界面を表わす。地下空洞５を掘削する高レベル放射性廃棄物地層処分場や地下発電所等の設計・建設に際しては、間隙水分布や卓越した水みちといった地盤内の透水特性に係わる構造を把握する必要があり、同図に示す亀裂３や地質境界面４（以下、両者を纏めて地中不連続面３、４ということがある。）の構造を高精度に解析することが施工上重要な課題となっている。
【０００３】
従来から、地盤構造を解析する手法として、地震探査によるＰ波速度（又はＳ波速度）構造解析方法（弾性波屈折法）、弾性波トモグラフィによる構造解析方法、電磁波を用いた地中レーダ探査（Ground Penetrating Radar）による構造解析方法、面的な透水試験による構造解析方法等が実施されている。地震探査とは、地表付近で人工的に発生させた弾性波（Ｐ波又はＳ波）の地中不連続面からの反射弾性波により地下構造を解析する手法である。また地中レーダ探査とは、地中に入射した電磁波の地中不連続面からの反射電磁波（以下、単に反射波ということがある。）により地下構造を解析する手法である。
【０００４】
しかし、従来の弾性波を用いた地震探査は分解能が数ｍ〜十数ｍと低く、地下構造物の設計・施工に必要な10cm〜30cm程度の分解能が得られない。とくに地下の含水状態の分解能が低く、地下水の飽和度の構造解析（例えば不飽和領域７と飽和領域８との間の地質境界面4bの把握）が困難である。また、震源装置等の大掛かりな装置を必要とするため、地盤構造解析に多くの時間と費用がかかる。透水試験による構造解析も、広い面積で透水係数を計測するため大掛かりな装置を必要とするので、費用が嵩む問題点がある。
【０００５】
これに対し、前記電磁波を用いた地中レーダ探査は10cm〜30cm程度の高い分解能が得られ、弾性波に比し地中の含水状態に対しても鋭敏な分解能が得られるので地下水の飽和度の構造解析も可能である特徴がある。また、地中レーダ探査は装置が簡便であるため調査費用も安価である。
【０００６】
【発明が解決使用とする課題】
しかし、従来の地中レーダ探査はパルス波を用いているため、探査距離が十分確保できない問題点がある。とくに堆積岩（砂岩や泥岩）の地盤については、堆積岩が結晶質岩（花崗岩等）に比し導電率が大きく電磁波を大きく減衰させるため、従来のパルス波を用いた地中レーダ探査では構造解析に十分な探査距離が確保できなかった。例えば、10cm程度の分解能が確保できる高周波数帯のパルス波を用いた地中レーダ探査では、堆積岩地盤において２ｍ程度の探査距離しか確保できない。
【０００７】
従来の地中レーダ探査の問題点に対し、高分解能を維持しつつ比較的長い探査距離が得られる方法として、連続波を用いた地中レーダ探査が提案されている（地質ニュース537号、42-52頁、鈴木敬一他「ステップ式連続波レーダ探査装置を用いた地中レーダ探査」1999年5月）。この方法は、パルス波に代えて例えば図４のようにステップ状に周波数が変化する連続波（電磁波）を地盤へ入射することにより堆積岩地盤では５〜20ｍ程度、花崗岩地盤では30ｍ以上の探査距離を確保できる。
【０００８】
ただし、前記文献で提案された連続波レーダ探査装置は、ステップ式連続波の地中不連続面からの反射波形（応答波形）をパルス波の反射波形と同様に処理し、１つの地中プロファイルを作成している。すなわち、連続波に含まれる複数の周波数成分に対して、いわば全周波数成分に対する平均値として１つのプロファイルを作成するに過ぎない。個別の周波数に対する解析ではなく、信号に含まれる全周波数成分に対する平均値として解析する方法は、周波数に依って解析結果が異なる傾向（周波数依存性）がある地盤の構造や物理的属性を明確に把握できない欠点がある。
【０００９】
そこで本発明の目的は、周波数依存性のある地盤構造の解析が可能な周波数可変方式の地中レーダ探査方法及び装置並びにプログラムを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、堆積岩の比誘電率に周波数依存性があること、堆積岩の種類により比誘電率の周波数依存性の程度が異なること、また含水率により比誘電率が変化することに注目した。図１３（Ａ）は堆積岩試料の周波数に対する比誘電率の測定結果を表わし、泥岩及び砂岩の比誘電率に周波数依存性があること、及び砂岩より泥岩の方が比誘電率の周波数に対する変化（以下、周波数分散ということがある。）が顕著であることを示す。また図１３（Ｂ）は堆積岩試料の含水率に対する比誘電率の測定結果を表わし、含水率が大きいほど比誘電率が大きくなることを示す。
【００１１】
比誘電率ε1の地質から比誘電率ε2の地質に電磁波が直交して進入したときの比誘電率ε1、ε2と反射率Ｒとの関係は、(1)式のように表わすことができる。地中レーダ探査における反射波の波形は地中不連続面の反射率に依存するので、周波数の異なる複数の反射波を用いて地盤構造を周波数別に解析すれば、とくに堆積岩地質や含水率の境界面（不連続面）についての詳細な構造の把握が期待できる。
【００１２】
【数１】
0004020365.tif 000002
【００１３】
図１を参照するに、本発明の周波数可変方式の地中レーダ探査方法は、地表２の送信機18から周波数が所定パターンで変化する電磁波38を地中１へ入射し、送信機18から一定間隔ｗだけ離れた地表２の受信機19で電磁波38の地中不連続面３、４からの反射電磁波波39を受信し、入射波38に対する反射波39の時間遅れ及び振幅変化を周波数別に検出し、検出した時間遅れ及び振幅変化に基づき不連続面３、４の位置及び反射率を周波数別に算出し、一定間隔ｗに保った送信機18及び受信機19を地表２に沿って移動させながら前記電磁波38の入射から前記不連続面３、４の位置及び反射率の算出までのサイクルを繰り返したときの不連続面３、４の位置及び反射率の算出値に基づき地中不連続面３、４の周波数別プロファイル26（図６参照）を作成し、周波数別プロファイル26の相互間における反射率の相異の大きさから各不連続面３、４が含水率の境界面であるか否か（例えば、図１２の不飽和領域７と飽和領域８との間の地質境界面4bであるか否か）を検知してなるものである。
【００１４】
また、図１及び図２のブロック図を参照するに、本発明の周波数可変方式の地中レーダ探査装置は、周波数が所定パターンで変化する連続信号38aを発生する信号発生器11、連続信号38aを電磁波38として地中１へ入射する送信機18、電磁波38の地中不連続面３、４からの反射電磁波39を受信する受信機19、入射波38に対する反射波39の時間遅れ及び振幅変化を周波数別に検出する検出手段22、検出した時間遅れ及び振幅変化に基づき不連続面３、４の位置及び反射率を周波数別に算出する算出手段23、送信機18の入射地点を計測する地点計測手段30、一定間隔ｗに保った送信機18及び受信機19を地表２に沿って移動させたときの各計測地点における算出手段23の算出値に基づき地中不連続面３、４の周波数別プロファイル26（図６参照）を作成するプロファイル作成手段25、並びに周波数別プロファイル26の相互間における反射率の相異の大きさから各不連続面３、４が含水率の境界面であるか否か（例えば、図１２の不飽和領域７と飽和領域８との間の地質境界面4bであるか否か）を検知する検知手段27を備えてなるものである。
【００１５】
好ましくは、図４に示すように、電磁波38を周波数が最低周波数から最高周波数まで所定時間T0、T1、T2、……Tn毎に所定パターンで切り替わる正弦波とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図２に示す本発明のレーダ探査装置は、送信機18及び受信機19と、送信機18及び受信機19を制御する制御部10と、送信機18の入射地点及び／又は受信機19の受信地点を計測する地点計測手段30と、受信機19による受信信号39aに基づき地盤構造を解析するコンピュータ20とを有する。送信機18及び受信機19の一例は、周波数が所定パターンで変化する広帯域の電磁波を送受信できるアンテナである。プロファイル法では送信機18及び受信機19を一定間隔とするが、後述するようにワイドアングル法では送信機18及び受信機19の間隔を変更する必要があるので、送信機18及び受信機19を分離可能とすることが好ましい。また、明瞭な反射波を得るため、送信機18及び受信機19を無指向性アンテナとすることが好ましい。
【００１７】
制御部10は信号発生器11を有し、信号発生器11により図４（Ａ）に示すような周波数が所定パターンで変化する連続信号38aを発生して送信機18へ送る。送信機18は、連続信号38aを図４（Ｂ）に示すような連続電磁波38として地中１に入射する。連続電磁波38は、例えば多数の異なる周波数部分を含み、特定時刻においては一定周波数と一定振幅を保つ正弦波である。電磁波38を連続波として地中１へ入射することにより、地中探査に十分な探査距離が確保できる。また、電磁波38に多数の周波数部分を含めることにより、地中の不連続面からの反射波を周波数別に個別に取得できる。例えば500MHz以上の高周波数帯域を含む電磁波38により分解能を高めることができ、例えば50〜500MHzの広帯域にわたる電磁波38を使用して10cm程度の分解能を確保する。
【００１８】
図４（Ａ）に示す連続信号38aは、角周波数ωが最低角周波数ω0から最高角周波数ωnまで所定時間T0、T1、T2、……Tn毎に所定パターンで切り替わり、時間部分T0〜T1の部分では一定角周波数ω0、以下時間部分T1〜T2、T2〜T3、……においてそれぞれ一定の角周波数ω1、ω2……としたものである。図４（Ｂ）に示す電磁波38は、時間部分T0〜T1の部分で一定周波数F1＝約0.8MHz（≒（1／1.2）×106）であり、次の時間部分T1〜T2で一定周波数2F1となっており、以下同様に周波数が倍増しているが、振幅は一定のものである。ただし、異なる周波数部分の振幅を等しくする必要はない。
【００１９】
また、図示例の制御部10は混合手段21を有し、混合手段21において受信機19で受信した地中不連続面３、４からの反射信号39aと入射信号38aとを比較する。図示例では、この比較のために信号発生器11の連続信号38aを混合手段21に入力している。制御部10と送信機18及び受信機19とは適当な信号ケーブルで接続することができるが、ノイズの影響を避けるためＥ／Ｏ変換器等を介して光ファイバーケーブルで接続してもよい。
【００２０】
図示例の混合手段21は、入射信号38aに対する90°移相器12と、入射信号38a（位相０°）と反射信号39aとの掛算器13a及び積分器14aと、移相器12で位相変換後の入射信号38a（位相90°）と反射信号39aとの掛算器13b及び積分器14bとを有する。例えば入射信号38aの時間区分［Ti、Tj］における波形を(11)式に示すように角周波数ωi、一定振幅a(ωi)とし、受信信号39aの波形をf(t)とすると、時間区分［Ti、Tj］における掛算器13a及び積分器14aの出力は(12)式となり、掛算器13b及び積分器14bの出力は(13)式となる。(12)式及び(13)式をそれぞれ実数部eR(ωi)及び虚数部eI(ωi)とする複素数e(ωi)は(14)式となる。この複素数e(ωi)は、受信波形f(t)のフーリエスペクトルF(ωi)を用いて(15)式のように表わすことができる。すなわち、(14)式の複素数e(ωi)は受信波形f(t)のスペクトルと考えることができる。混合手段21は複素数e(ωi)の実数部eR(ωi)及び虚数部eI(ωi)を算出しコンピュータ20へ入力する。なお、図示例では混合手段21を制御部10に設けているが、混合手段21をコンピュータ20に内蔵の(12)及び(13)式の算出プログラムとしてもよい。この場合は入射信号38aと反射信号39aとを直接コンピュータ20に入力する。
【００２１】
【数２】
0004020365.tif 000003
【００２２】
地点計測手段30は、送信機18の入射地点及び／又は受信機19の受信地点を計測し、計測地点をコンピュータ20へ入力する。送信機18と受信機19とを一定間隔に保って移動させる場合は、地点計測手段30により入射地点又は受信地点の一方をのみを計測すれば足りる。図示例の地点計測手段30は距離計31を有し、送信機18の初期地点からの移動距離を距離計31により計測し、距離計31の計測値と初期地点の地表座標とに基づき入射地点を求めている。ただし、地点計測手段30は図示例に限定されず、従来技術に属する任意の装置を使用することができる。
【００２３】
コンピュータ20は、入射信号38aに対する受信信号39aの時間遅れ及び振幅（強度）変化を周波数別に検出する検出手段22と、検出した時間遅れ及び振幅変化に基づき地中不連続面３、４の位置及び反射率を周波数別に算出する算出手段23と、送信機18の入射地点を入力する地点入力手段32と、一定間隔に保った送信機18及び受信機19を地表２に沿って移動させたときの地点入力手段32による入射地点と各入射地点における算出手段23の算出値とに基づき地中不連続面３、４の周波数別プロファイル26を作成するプロファイル作成手段25とを有する。検出手段22、算出手段23、地点入力手段32及びプロファイル作成手段25の一例はそれぞれコンピュータ20に内蔵プログラムである。図示例の地点入力手段32は距離計31と共に地点計測手段30を構成し、地点入力手段32が距離計31の計測値に基づき電磁波38の入射地点を算出する。
【００２４】
図３は、コンピュータ20における処理の流れ図の一例を示す。以下、同図を参照して本発明による地盤構造解析方法を説明する。先ずステップ301において(12)、(13)式に基づき算出された実数部eR(ωi)及び虚数部eI(ωi)を混合手段21からコンピュータ20に入力し、検出手段22において(14)式に基づき複素数e(ωi)すなわち受信波形f(t)のスペクトルを算出する。また検出手段22は、ステップ303において、複素数e(ωi)の逆フーリエ変換により受信波形f(t)を周波数別に求める。
【００２５】
本発明では入射信号38aに含まれる全ての周波数について個別に受信波形f(t)を求めることが可能であるが、図５に示すように、全ての周波数に対応する受信波形のインパルス応答の振幅スペクトル及び位相スペクトルを予め計測しておき、ステップ302で個別の周波数領域を設定し、設定された個別周波数領域に対応する受信波形f(t)をステップ303において計測後に演算によって誘導することも可能である。
【００２６】
更に検出手段22は、ステップ304において受信波形f(t)に対して球面波発散効果の補償処理、卓越した直接波を除去して微弱な信号を抽出する差分処理（リファレンス処理）、デコンボリューション処理、必要なバンド・パス・フィルター処理等の波形処理を施し、波形処理を施した受信波形f(t)に基づき入射信号38aに対する受信信号39aの時間遅れ及び振幅（強度）変化を周波数別に検出する。検出した時間遅れ及び振幅変化は算出手段23へ入力し、算出手段23により地中不連続面３、４の位置及び反射率を周波数別に算出する。受信信号39aの時間遅れが不連続面３、４の位置に対応し、受信信号39aの振幅変化が不連続面３、４の反射率に対応する。
【００２７】
デコンボリューション処理等の波形処理技術は従来技術に属するものである（例えば、地質ニュース537号、53-60頁、西山英一郎他「GPRにおけるデータ処理法」1999年5月を参照）。ただし、全ての波形処理を形式的に行うのではなく、受信波形f(t)を吟味して適切な波形処理を選択する必要がある。必要に応じて、伝搬距離に応じて減衰した振幅を回復する振幅回復処理等を施してもよいが、本発明では波形f(t)の振幅（強度）変化から地中不連続面３、４の反射率を算出するので、算出手段23が反射率を算出した後に振幅回復処理等を行うことが望ましい。
【００２８】
図１に示すように、送信機18及び受信機19を一定間隔ｗに保った上で地表２に沿って移動させ、各移動地点においてステップ301〜304の処理を繰り返す。また、送信機18の移動に応じた入射地点を地点計測手段30で計測し、地点計測手段30の計測地点d1、d2、d3、……と、各計測地点d1、d2、d3、……において算出手段23が算出した周波数別位置及び反射率とをプロファイル作成手段25へ入力する。プロファイル作成手段25は、入射地点d1、d2、d3、……を横軸とし不連続面位置を縦軸とした二次元座標を周波数別に設け、その二次元座標上に不連続面の位置及び反射率を周波数別にプロットすることにより、図６に示すような周波数別プロファイル26を作成する（ステップ305）。
【００２９】
本発明では、送信機18の入射地点毎に複数の周波数の算出値が付随しているので、それらの算出値をプロファイル作成手段25により周波数別にプロットすることにより、周波数別の複数枚のプロファイル26を得ることができる。図６（Ａ）の例では、例えば図４（Ｂ）の時間部分T0〜T2の低周波数帯域と時間部分T2〜T４の高周波数帯域との２つの周波数帯域別に作成した２枚のプロファイル26a、26bを示す。図４（Ａ）のように（ｎ＋１）個の時間部分T0〜T1、T１〜T２、……、Tｉ〜Ti＋１、……、Tn〜Tn＋１に（ｎ＋１）個の角周波数ω０、ω1、……、ωi、……、ωnが夫々割当てられた段階状多周波数連続電磁波38を用いる場合は、（ｎ＋１）枚の周波数別プロファイル26を作成することができる。
【００３０】
プロファイル26を作成する方法としては従来技術に属する種々の方法を用いることができる（前掲「GPRにおけるデータ処理法」参照）。ただし、算出手段23により算出される地中不連続面３、４の位置は地表２に対する相対的な位置を示すに過ぎず、周波数毎に地中伝搬速度が異なるので、同一の地中不連続面３、４が複数の周波数プロファイル26上で異なる位置に表示される。地中不連続面３、４の深度を決めるためには、後述するワイドアングル法により地中伝搬速度を周波数毎に定める必要がある。
【００３１】
ステップ306において、複数の周波数別プロファイル26の観察により、地中１の亀裂や含水率の境界面等を把握する。例えば図６（Ａ）の２枚のプロファイル26a、26bに示すように、低周波数帯域のプロファイル26aでは亀裂幅が大きな亀裂のみが現れるのに対し、高周波数帯域のプロファイル26bでは亀裂幅の小さい亀裂も現れる。複数の周波数成分に対する平均値として１つのプロファイルを作成する従来のレーダ探査では、亀裂の存在は示せても亀裂の大小の判断が難しい場合があった。本発明では、例えば高周波数帯域のプロファイル26bにのみ現れる亀裂の幅は小さく、低周波数帯域のプロファイル26aにも現れる亀裂の幅は大きいと判断することができ、プロファイル26相互間の対比により例えば図１２のゆるみ領域６内に存在する多数の亀裂３の亀裂幅をそれぞれ識別できる。図２の符号27は、このように周波数別プロファイル26相互間の対比により亀裂３の亀裂幅を検知する検知手段を示す。
【００３２】
また、図２の検知手段27は、周波数別プロファイル26相互間の周波数分散から含水率の境界面４を検知することができる。図１３（Ａ）を参照して説明したように堆積岩の比誘電率εには周波数依存性があり、例えば図６（Ｂ）の２枚のプロファイルに示すように、飽和泥岩の低周波数帯域に対する比誘電率εは80程度であるの対し高周波数帯域に対する比誘電率εは30程度である。他方、不飽和泥岩の低周波数帯域に対する比誘電率εは10程度あるの対し高周波数帯域に対する比誘電率εも10程度である。すなわち、飽和堆積岩と不飽和堆積岩との間の境界面の反射率（(1)式参照）は高周波帯に比し低周波帯で大きくなる。本発明では、図６（Ｂ）の２枚のプロファイル26相互間における反射率の相異の大きさ（周波数分散）から地盤中の含水率の境界面、例えば図１２に示すように従来判断が難しかった不飽和領域７と飽和領域８との間の地質境界面4bを検知することができる。不飽和領域７と飽和領域８との間の地質境界面4bは必ずしも明確な面とは限らないが、プロファイル26上における各境界面４の反射率の周波数分散を求めれば、周波数分散が大きい領域として地質境界面4bを検知することも可能である。
【００３３】
本発明は、電磁波38を連続波として地中へ入射するので、堆積岩地盤においても必要十分な探査距離を確保できる。また、弾性波に比し分解能の高い地盤構造のプロファイルを作成することができ、更にプロファイルを周波数別に作成するので周波数依存性のある地盤構造の詳細な解析が可能である。とくに、従来のレーダ探査では解析が難しかった堆積岩地盤の詳細な構造解析が期待でき、堆積岩地盤に掘削した地下空洞周辺岩盤のゆるみ領域・不飽和領域・飽和領域等の地質構造を高精度に評価する技術として活用が期待できる。
【００３４】
こうして本発明の目的である「周波数依存性のある地盤構造の解析が可能な周波数可変方式の地中レーダ探査方法及び装置並びにプログラム」の提供が達成される。
【００３５】
【実施例】
図７は、電磁波の地中伝搬速度を周波数別に求める本発明の実施例を示す。レーダ探査により電磁波の地中伝搬速度を定める方法は一般にワイドアングル法と呼ばれている。ワイドアングル法により地中の亀裂３までの距離を定めることも可能であるが、以下の説明では、地盤中に複数層の地質構造を想定し地質境界面４で反射する反射波を利用して各地層の伝搬速度を定める場合を考える。
【００３６】
図７の実施例では、プロファイル26作成済みの地表２の特定地点に送信機18及び受信機19を初期間隔w1で置き、プロファイル作成時と同様に送信機18から周波数が所定パターンで変化する電磁波38を地中１へ入射すると共に電磁波38の地質境界面４からの反射波39を受信機19で受信し、入射波38に対する反射波39の時間遅れ及び振幅変化を周波数別に検出する。送信機18及び受信機19の間隔w2、w3、……を変更しながら前記電磁波の入射から前記反射波の時間遅れ及び振幅変化の検出までのサイクルを繰り返し、特定地点における地質境界面４の位置が前記変更された全ての間隔w1、w2、w3、……に対して一定となるように地中１の電磁波伝搬速度ｖを周波数別に定める。
【００３７】
図７の実施例では、特定地点に対して対称となるように送信機18と受信機19とを配置し、間隔ｗの変更に拘わらず特定地点下方の地質境界面4a、4b上の共通反射点9a、9bで反射する反射波を利用している。この方法によれば、地質境界面4a、4bが傾斜している場合でも共通反射点9a、9bからの反射波39が受信できるので、伝搬速度ｖに含まれる誤差を低減できる。ただし、地質境界面4a、4bが平坦である場合は必ずしも共通反射点９を利用する必要はなく、本発明のワイドアングル法は図示例の方法に限定されない。
【００３８】
図２に示すレーダ探査装置は間隔計測手段34を有し、送信機18及び受信機19の間隔ｗを計測することができるので、ワイドアングル法にも適用できる。また、図２のコンピュータ20は、送信機18及び受信機19の間隔ｗを入力する間隔入力手段36と、地表２で送信機18及び受信機19の間隔ｗを変更させたときに間隔入力手段36が入力した全ての間隔w1、w2、w3、……と該全ての間隔w1、w2、w3、……において検出手段22が検出した反射波39の周波数別時間遅れ及び振幅変化とに基づき地中１の電磁波伝搬速度ｖを周波数別に定める伝搬速度決定手段28とを有する。図示例の間隔入力手段36は離間距離計35と共に間隔計測手段34を構成する。
【００３９】
コンピュータ20におけるワイドアングル法の処理を図３の流れ図に併せて示す。ワイドアングル法では、送信機18及び受信機19の間隔ｗを変更しながら、ステップ307において実数部eR(ωi)及び虚数部eI(ωi)を混合手段21からコンピュータ20の検出手段22に入力する。検出手段22は(14)式に基づき受信波形f(t)のスペクトルを算出し、更にステップ302〜304において、上述したプロファイル作成処理と同様に、逆フーリエ変換により受信波形f(t)を周波数別に求め、適当な波形処理により入射信号38aに対する受信信号39aの時間遅れ及び振幅変化を周波数別に検出する。ステップ308において、検出した時間遅れ及び振幅変化を伝搬速度決定手段28へ入力し、地中１の電磁波伝搬速度ｖを周波数別に定める。
【００４０】
図９は、送信機18及び受信機19の間隔ｗを変更しながら検出した複数の反射波39を二次元座標上に表わしたワイドアングル法の記録波形の一例を示す。同図の横軸は間隔ｗ（アンテナ間距離）、縦軸は反射波39の時間遅れ（以下、往復走時ということがある。）を表わす。同図に示すように、全ての間隔ｗにおいて検出された地質境界面4a、4bからの反射波39を結ぶ曲線は上に凸の双曲線となる。本発明では、時間遅れ及び振幅変化を周波数別に検出するので、図９に示す記録波形が周波数別に作成できる。
【００４１】
図１０を参照して図９の記録波形から伝搬速度ｖを決定する一方法を説明する。図１０（Ａ）のようにアンテナ間距離をｘ、第１層境界面4a上の共通反射点の深度をd1、第１層の地中電磁波伝搬速度をv1とすると、第１層境界面4aからの反射波39の往復走時t1(x)は(21)式で表わすことができる。アンテナ間距離ｘ＝０の場合、すなわち送信機18と受信機19とが共に共通反射点の直上にある場合の往復走時t1(0)は(22)式となるから、(22)式を(21)式に代入すると(23)式となる。同図（Ｂ）に示すように反射波39を結ぶ曲線は(23)式の双曲線と考えることができる。従って、(23)式に最適なv1を当てはめることにより第１層の地中伝搬速度v1を決定できる。(23)式を(24)式にように書き換えて横軸がｘ2、縦軸がt1(x)2の二次元座標系に表わし、その直線の傾き及び縦軸切片から地中伝搬速度v1及び深度d1を決定してもよい。伝搬速度決定手段28の一例は、(23)式又は(24)式から地中伝搬速度v1を周波数別に定めるコンピュータ20の内蔵プログラムである。
【００４２】
【数３】
0004020365.tif 000004
【００４３】
第２層以深の地中電磁波伝搬速度vi（以下、区間速度viということがある。）については、図１０（Ａ）に示すように第１層境界面4aにおいて(23)式又は(24)式の速度ｖが変化すると共に電磁波が屈折するので、直接決定することは困難である。このため、地表面から第ｎ層までの見かけ上の区間速度vrms(n)（root mean square velocity）を(25)式で表わし、第ｎ層境界面4nからの反射波39の往復走時tn(x)を第１層の場合と同様に(26)式で表わす方法が提案されている（物理探鉱、Vol.36、No.3(1993)、朝倉夏雄「反射法速度解析による地下速度の概念」）。(25)式においてviは第ｉ層の区間速度、Δtiは第ｉ層に関する往復走時を表わす。この方法によれば、第ｎ層及び第ｎ−１層の見かけ上の区間速度vrms(n)及びvrms(n-1)を用いて、第ｎ層の区間速度vnを(27)式で決定できる。伝搬速度決定手段28の一例は、(23)〜(27)式により第ｎ層の区間速度vnを周波数別に定めるプログラムでもある。
【００４４】
図８は、第１層及び第ｎ層の地中伝搬速度ｖを決定する他の方法を示す。上述した図１０の方法では反射波39の時間遅れから伝搬速度ｖを求めるのに対し、図８の方法では反射波39の時間遅れ及び振幅の両者から伝搬速度ｖを決定する。図８（Ａ）は、送信機18及び受信機19の間隔ｗを変更しながら検出した反射波39の周波数別の記録波形を示し、図９と同様のものである。伝搬速度決定手段28は、ステップ801において先ず第１層の伝搬速度v1を周波数別に想定し、想定した伝搬速度v1により同図（Ａ）の全ての間隔ｗにおける記録波形の往復走時を深度に変換する。変換後の波形を同図（Ｂ）に示す。次にステップ802の振幅スタッキングにおいて、全ての間隔ｗにおける変換後の波形の振幅を深度別に合計する。深度別に振幅を合計した波形を同図（Ｃ）に示す。
【００４５】
記録波形における第１層の反射波39は間隔ｗに拘わらず全て共通反射点からの反射波39であるから、想定した第１層の伝搬速度v1が正確であれば、深度別の合計振幅は最大となるはずである。適当な範囲内における伝搬速度v1の想定値の全てについてステップ801〜802を繰り返し、ステップ803において同図（Ｃ）の振幅が最大値（又は極大値）であるか否かを判断する。この繰り返しにより、同図（Ｃ）の振幅が最大（又は極大）となる第１層の伝搬速度v1と共通反射点の深度d1とを周波数別に定める（ステップ804）。
【００４６】
ステップ805において第２層の周波数別伝搬速度v2を定める場合は、ステップ801へ戻って地表から第２層までの見かけ上の区間速度v2'（前記(25)式参照）を周波数別に想定する。ステップ801〜803の繰り返しにより、第２層の反射波39の深度別合計振幅が最大（又は極大）となる第２層までの見かけ上の周波数別区間速度v2'と第２層の深度d2とを定める。ステップ804において、既に決定された第１層及び第２層の深度d1、d2と第１層の周波数別伝搬速度v1とに基づき、第２層までの見かけ上の区間速度v2'から第２層の周波数別伝搬速度v2を決定する。ステップ801〜805の繰り返しにより地中１の各層の伝搬速度を定めることができる（ステップ806）。伝搬速度決定手段28の他の一例は、図８のステップ801〜806により地中各層の周波数別伝搬速度を定めるプログラムである。
【００４７】
再び図３の流れ図に戻り、ステップ309において、ステップ301〜305で作成した周波数別プロファイル26の縦軸（以下、深度軸という。）を、ステップ307〜308で定めた地中各層の周波数別伝搬速度に基づき決定する。周波数別プロファイル26の深度軸を決定することにより、ステップ310において、プロファイル26上に現れた亀裂３や含水率の境界面４等の深度を検証することができる。図１１は、深度軸が決定された周波数別プロファイル26の一例を示す。
【００４８】
また、ステップ310において周波数プロファイル26相互間における各地質の電磁波伝搬速度の周波数分散を観察することにより、堆積岩地盤の岩種の違いを検知することが可能である。一般に電磁波伝搬速度ｖと比誘電率εとの間には(31)式の関係が知られており、また図１３（Ａ）を参照して説明したように泥岩の比誘電率は砂岩の比誘電率に比し周波数分散が大きいので、泥岩部では砂岩部に比し電磁波伝搬速度の周波数に対する変化率（増加率又は減少率）が大きくなる。(31)式においてC0は真空中の電磁波速度（3×108m/s）を表わす。本発明では、周波数別プロファイル26の対象が堆積岩地盤である場合は、例えば図２の検知手段27により、周波数別プロファイル26中における伝搬速度の周波数に対する変化率が大きい部位の岩種を泥岩として検知できる。
【００４９】
【数４】
0004020365.tif 000005
【００５０】
更に、本発明は周波数別にプロファイル26を作成するので、ステップ310において地質中の含水率を把握することも期待できる。図１３（Ｂ）を参照して説明したように含水率が大きいほど堆積岩の比誘電率は大きくなるが、本発明者は含水率に応じた堆積岩の比誘電率εrが(32)式で表せることを実験的に見出した。(32)式においてεdryは乾燥時の比誘電率、ωは含水率（％）、g(f)は岩種及び周波数に依存する係数を表わす。上述したように本発明では、プロファイル26中の伝搬速度の周波数に対する変化率から堆積岩の岩種の推定が可能であり、ステップ308において定めた周波数別伝搬速度ｖに基づき、推定された岩種の周波数別の比誘電率εrを(31)式から算出することができる。例えば図２の検知手段27に堆積岩の岩種毎に乾燥時の比誘電率εdryと係数g(f)とを記憶しておけば、推定された岩種とプロファイル26の周波数ｆと比誘電率εrとに基づき、推定された岩種の含水率ωを(32)式から検知手段27により検知することができる。
【００５１】
図１１は地下空洞周辺の地質構造の周波数別プロファイル26の一例を示す。同図には、地表２の特定地点Ａ及びＢにおいてワイドアングル法によりゆるみ領域６、不飽和領域７及び飽和領域８の電磁波伝搬速度ｖを併せて示してある。図３のステップ311は、ステップ301〜305で作成した周波数別プロファイル26と、ステップ309で深度軸を決定した周波数別プロファイル26とに基づき、地下空洞周辺岩盤のゆるみ領域・不飽和領域・飽和領域等の詳細な地質構造を把握する処理を示す。本発明によれば、堆積岩地盤内に掘削した空洞５の近傍20cm程度から３〜５ｍ程度の地質構造と物性値（亀裂の頻度・地下水の飽和度等）を10cm程度の分解能で把握することができる（図１２参照）。堆積岩地盤は高レベル放射性廃棄物地層処分場の候補岩体の１つとして挙げられており、本発明により高レベル放射性廃棄物地層処分におけるサイト特性の高精度評価が期待できる。ただし、本発明は地盤構造への適用に限定されるものではなく、地下埋蔵物の非接触検出等にも応用できる。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の周波数可変方式の地中レーダ探査方法及び装置並びにプログラムは、周波数が所定パターンで変化する電磁波を地中へ入射し、地中不連続面からの反射波の入射波に対する時間遅れ及び振幅変化を周波数別に検出し、検出した時間遅れ及び振幅変化に基づき不連続面の位置及び反射率を周波数別に算出し、入射地点を地表に沿って移動させながら前記入射から算出までのサイクルを繰り返すことにより地中不連続面の周波数別プロファイルを作成し、周波数別プロファイル相互間における反射率の相異の大きさから不連続面が含水率の境界面であるか否かを検知するので、次の顕著な効果を奏する。
【００５３】
（イ）周波数別にプロファイルを作成するので、周波数依存性のある地盤構造の解析が可能となる。
（ロ）周波数別プロファイル相互間の比較により、地盤中に存在する亀裂の幅の大小を識別することができる。
（ハ）周波数別プロファイル相互間における不連続面の反射率の変化の大きさから地盤中の含水率の境界面を検知することができる。
（ニ）周波数別プロファイル相互間における特定部位の電磁波伝搬速度の変化の大きさから、特定部位の堆積岩の岩種の違いを検知することが期待できる。
（ホ）周波数別プロファイル相互間の電磁波伝搬速度の変化の大きさから、堆積岩の含水率を検知することができる。
【００５４】
（ヘ）持続時間の短いパルスではエネルギー不足で評価できなかった事柄を、周波数が所定パターンで変化する連続電磁波の大きなエネルギーによって確実に評価できる。
（ト）電磁波の減衰が大きい堆積岩地質においても高分解能の周波数別プロファイルを作成することができ、岩種に拘わらず適用可能である。
（チ）地盤構造のみに限定されるものではなく、地下埋蔵物の非接触検出等にも応用できる。
（リ）小型・軽量な装置とすることができ、地表面だけでなく、地下空洞やトンネル断面の側面や天盤部等に適用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】は、本発明による地中レーダ探査方法の一実施例の説明図である。
【図２】は、本発明による地中レーダ探査装置の一実施例のブロック図である。
【図３】は、本発明による地盤構造解析方法の流れ図の一例である。
【図４】は、本発明で使用する連続信号及び連続電磁波の説明図である。
【図５】は、図４の連続電磁波の受信信号の説明図である。
【図６】は、本発明で作成する周波数別プロファイルの説明図である。
【図７】は、本発明によるワイドアングル法の説明図である。
【図８】は、周波数別伝搬速度を定める方法の流れ図の一例である。
【図９】は、図７の実施例による受信信号の一例の説明図である。
【図１０】は、周波数別伝搬速度を定める他の方法の説明図である。
【図１１】は、本発明で作成するプロファイルの他の一例の説明図である。
【図１２】は、地下空洞周囲の地質構造の説明図である。
【図１３】は、堆積岩の比誘電率の周波数依存性を示す計測結果である。
【符号の説明】
１…地中                ２…地表
３…地中不連続面（亀裂）
４…地中不連続面（地質境界面）
５…地下空洞            ６…ゆるみ領域
７…不飽和領域          ８…飽和領域
９…共通反射点          10…制御部
11…信号発生器          12…移相器
13…掛算器（乗算器）    14…積分器
15…Ａ／Ｄ変換器        16…Ｄ／Ａ変換器
18…送信機
19…受信機              20…コンピュータ
21…混合手段            22…検出手段
23…算出手段
25…プロファイル作成手段
26…周波数別プロファイル
27…検知手段            28…伝搬速度決定手段
29…送信制御手段        30…地点計測手段
31…距離計              32…地点入力手段
34…間隔計測手段        35…離間距離計
36…間隔入力手段
38…連続電磁波（入射電磁波）
38a…連続信号（入射信号）
39…反射電磁波
39a…受信信号（反射信号）
【図１】
0004020365.tif 000006
【図２】
0004020365.tif 000007
【図３】
0004020365.tif 000008
【図４】
0004020365.tif 000009
【図５】
0004020365.tif 000010
【図６】
0004020365.tif 000011
【図７】
0004020365.tif 000012
【図８】
0004020365.tif 000013
【図９】
0004020365.tif 000014
【図１０】
0004020365.tif 000015
【図１１】
0004020365.tif 000016
【図１２】
0004020365.tif 000017
【図１３】
0004020365.tif 000018