(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンクリートの比誘電率（εｒ）を測定する方法であって、
レーダー装置の送信アンテナ及び受信アンテナをコンクリートブロック上に位置決めして取り付け、前記送信アンテナからレーダー波をコンクリートブロックに向けて放射し、前記コンクリートブロック中で物体に反射した前記レーダー波であるクロス信号を前記受信アンテナで受信して検出し、前記クロス信号に、時間を限定した増幅、及び低域フィルタ処理を施し、所定の時間窓（ｔ１）中の信号部分の周波数領域における振幅変化を所定のアルゴリズムを用いた処理によって測定することにより前記比誘電率（εｒ）を決定し、
前記時間窓を、前記クロス信号のパワースペクトル密度における第１ピーク（Ｓ１）の時間的位置に応じて決定することを特徴とする測定方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、前記時間窓（ｔ１）の期間は、前記クロス信号における時間的に連続する二つのピーク（Ｓ１，Ｓ３）を含む期間とすることを特徴とする測定方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の方法において、前記所定のアルゴリズムを用いる前記クロス信号の分析的処理に際し、時間領域における前記クロス信号の前記時間窓（ｔ１）によって決定された部分から自己回帰モデルを形成すると共に、コンクリートブロックの表面近傍領域におけるコンクリートブロックの含水率に対応する比誘電率（εｒ）の周波数依存度を決定することを特徴とする測定方法。
【請求項４】
請求項３記載の方法において、前記クロス信号のパワースペクトル密度のうち、選択した前記時間窓（ｔ１）の部分から、二次の自己回帰モデル：
【数１】
0004271795.tif 000004
ここに、Ｈ(ｚ)はｚ平面における関数であり、ｎは自己回帰モデルの次数であり、νは１からｎまで変化する自然数であり、ａνはν次の自己回帰係数である、
を形成すると共に、コンクリートブロックの表面付近領域におけるコンクリートブロックの含水率に対応する周波数依存度を決定することを特徴とする測定方法。
【請求項５】
請求項４記載の方法において、周波数に依存する比誘電率（εｒ）を表すために、ｚ平面内における関数Ｈ（ｚ）の共役複素ポールを決定すると共に、σを電磁的な減衰量、ωを周波数としたときに関数ｓ＝ｌｎ（ｚ）／Ｔ、ここにＴは時刻ｔを表す、を用いたフーリエ変換又はラプラス変換によりｓ＝σωであるｓ平面内に変換することを特徴とする測定方法。
【請求項６】
請求項４記載の方法において、前記レーダー波の送信周波数である基準周波数（ω´）に係るコンクリートの誘電率（εｒ）の所定領域について、二次多項式に基づき、周波数の誘電率における実数部の依存度に係る補間−比較曲線を形成することを特徴とする測定方法。
【請求項７】
請求項６記載の方法において、前記補間−比較曲線を決定するために前記基準周波数（ω´）を１ＧＨｚ、誘電率の所定領域を5.51＜εｒ＜11.67とすると共に、前記補間−比較曲線を次の多項式：
εｒ＝−31.2994ω’２＋54.4410ω’−12.1229
に基づいて決定することを特徴とする測定方法。
【請求項８】
請求項１〜７の何れか一項に記載されている比誘電率（εｒ）の測定方法を適用し、次式：
ｖ＝−ｃo／√εｒ （ただしｃｏは空気中の光速）
によりコンクリート中のレーダー波の伝播速度を求めてレーダーによって測定する物体の深度を確定することを特徴とする深度確定方法。
【請求項９】
請求項８記載の方法を適用し、コンクリート等の建設材料中に埋蔵された物体を探査することを特徴とする電磁センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は、コンクリートの含水率に対応するコンクリートの比誘電率を測定する方法に関し、特に、レーダー波をコンクリートブロックに放射し、このコンクリートブロック内で、特にその埋蔵物体により反射したレーダー信号を検出し、電子的に予備処理すると共に、信号処理及び評価する方法に関するものである。さらに、本発明は、電磁センサを用いて、特に、コンクリートのような既設の建設材料に埋蔵されている物体を確認する際に、レーダーによって測定する物体の深度を決定する方法に関するものである。
【０００２】
【背景技術】
マイクロウェーブの周波数帯域における材料の非破壊検査分野では、探査すべき媒体の誘電率を決定するための幾つか方法が既知である。成分及び／又は含水率に依存するコンクリートの検査は特に重要である。文献１: Bangy et al., "The influence of concrete composition upon radar test results"; Non-Destructive Testing in Civil Engineering, The British Institute of Non-Destructive Testing, INSIHT, Vol. 39, No. 7, 1997, pp. 4874-478には、ラボ測定によるコンクリートの誘電特性の決定について記載されている。そこでは、予め作製されたコンリート試料が、規定の遮断抵抗を有する端部で完結した大容量のマイクロウェーブ・ケーブルの内部スペースに取り込まれ、分析手段によって比誘電率と導電率とが決定される。文献２： Paradatz et al., "Coupling effects of radar antennae on concrete"; Non-Destructive Testing in Civil Engineering, The British Institute of Non-Destructive Testing, NDT-CE'97, Vol. 1, pp. 237-245に記載されているように、プレート状のコンクリート試料はレーダー送信器とレーダー受信器との間に設置すると共に（図１の（ａ）を参照）、受信信号の継続時間と周波数に依存するスペクトル密度変化とを、コンクリート試料の含水量に対応させて処理する。ＧＰＲ大地貫通型レーダー（ＧＰＲ）の測地学的な応用について、文献３: Berktold et al., "Substance moisture determination with the ground wave of GPR"; R. G. Plumb GPR'98 University of Kansasに記載されているように、検査面に含まれる含水率を決定するため、種々の深度において既知の２台のリフレクタから放射されたレーダー波の反射に係る走行時間の差異を所定のアルゴリズムによって処理することが知られている（図１の（ｂ）参照）。最後に、反復的な移動方法があり、この場合、記録されたレーダー測定のデータの集束して移動した画像で誘電率εｒの特定値が求められる（文献４：Fisher et al., "Examples of reverse-time migration of single-channel, ground-penetrating radar profiles"; GEOPHYSICS, Vol. 57, No. 4, 1992, pp. 577-586参照）。
【０００３】
比誘電率の測定に際しての含水率を決定する公知の方法は、実際には、建設現場等における応用が困難である。例えば、文献３に記述された方法では、構造的に既知の構成又は層構造から成る媒体について追加的な測定に相当なコストが必要となるからである。他方、文献２に記載の方法では、所定の伝達率を測定するために、検査すべき試料の両側からの透過が必要である。
【０００４】
【発明の課題】
本発明の課題は、検査すべき材料についての予備知識や試料の準備を必要とせずに、コンクリートの比誘電率に基づいてその組成及び／又は含水率を決定する方法を提案することにある。
【０００５】
【課題の解決手段】
この課題を解決するため、本発明は、レーダー波をコンクリートブロックに向けて放射し、コンクリートブロック中で物体に反射したレーダー信号を検出し、その検出信号について信号処理及び評価を行う比誘電率の測定方法において、レーダー送信アンテナ及び受信アンテナを位置決めした状態で、送信アンテナからコンクリートブロックに向けて放射されたレーダー波のクロス信号を受信アンテナで検出すると共に、所定の時間窓中で、周波数領域における振幅変化を所定のアルゴリズムに基づいて処理することにより比誘電率を決定することを特徴とする。
【０００６】
また、本発明の特に好適な実施形態は、従属請求項に記載したとおりである。
【０００７】
本発明の基本的な着想は、特に、コンクリート等の特定の媒体に対して送信アンテナからレーダーパルス波を放射しうる電磁センサを使用し、送信アンテナから離れて配置した受信アンテナにおいてレーダーパルス波のクロス信号を受信するだけで、検査すべき媒体の誘電率に係る十分な情報を得るものである。
【０００８】
従来より、コンクリート等の建設材料中に埋蔵されている物体を探査する方法及びセンサの開発が望まれていた。例えば、ハンマードリルを用いてコンクリート壁に孔加工を施す場合、当然のことながら、例えば、コンクリート壁の表面からどのくらいの深さに、鉄筋や配管等の埋蔵物体が存在しているかを確定することが重要である。ここにレーダー測定を行う場合、得られたレーダーによって測定する物体の深度を表示可能とするため、検査媒体中における電磁波の伝播速度を知る必要がある。これは、式：ｖ＝−ｃo／√εｒにより、本発明の方法で確定する比誘電率εｒに依存する。ここに、ｃｏは空中の光速（３×１０８ｍ／ｓ）である。同時に、確定及び記録される走行時間ｔと、式：ｓ＝ｖ・ｔから、予定される孔加工領域及び電磁センサで検出された平面領域におけるコンクリート壁中に埋蔵されている物体の深度ｓが決定される。
【０００９】
【実施の形態】
以下、本発明を図示の好適な実施形態に就いて更に具体的に説明する。
【００１０】
本発明の適用例として、電磁センサに使用されるのと同様の送信アンテナ２及び受信アンテナ３を具える分離した送受信ユニットを有するレーダーシステムにおいて、図１（ｃ）に示すように、好適にはマイクロウェーブ帯域における極めて短い持続時間のレーダーパルスである電磁波を送信アンテナから媒体に向けて放射すると、受信アンテナへのクロス信号となる。
【００１１】
段階付周波数型レーダーの他、パルスレーダー装置も本発明による方法を実施するために適用可能であり、その機能原理は図２に記述されている。この場合、タイミング制御された高周波パルス発生器１により、長さ及び持続時間が１ｎｓ未満である、極めて短いパルスが発生する。このパルスは、送信アンテナ２から電磁波としてコンクリート等の被検査媒体に向けて放射される。例えば、コンクリートから鉄筋、あるいはコンクリートからプラスチック配管への移行する部分のように、誘電率が急変する部分での反射を受信アンテナ３によって受信する。受信した信号を、走査制御回路７を介して時間依存的に制御可能な高周波増幅器４によって増幅する。帯域リミッタ８を通過した受信信号（ここではクロス信号）をサンプル・ホールド回路５に供給し、引き続きＡ／Ｄ変換器６によりデジタル化して信号処理を行う。パルスレーダー装置の全体、又は少なくとも送信アンテナ２及び受信アンテナ３を、操作性に優れ、境界面への装着に適した構造ユニットとして統合するのが有利である。ここで応用されるパルスレーダー装置の構造は原理的に公知であり、本発明の対象外である。
【００１２】
図４は、コンクリートの測定に関し、クロス信号の信号強度の時間的変化を示している。経過時間は、送信アンテナ２からパルス波を放射する時点から測定される。クロス信号の特徴的な領域は、網かけで示されている。本発明においては、この領域においてコンクリートの含水率に対する周波数依存度が評価され、比誘電率εｒが示される。その際、観察の結果として、クロス信号はコンクリート等の媒体表面である程度の深度を以って拡散すると共に、文献２の透過率測定と同様に、周波数領域における振幅の変位が認められる。既知のように、誘電率εｒはコンクリートの含水率に依存するため、クロス信号からεｒを決定するための情報として適している。
【００１３】
本発明による測定方法につき、図３に基づいて更に説明する。コンクリートブロックに装着されたレーダーシステムにおけるクロス信号からなる粗い測定信号に基づいて出力Ａ（図２）で得られるデジタル信号を、ステップＡ１で読取る。ステップＡ２では時間に依存する増幅を行う。その増幅された信号はステップＡ３で低域フィルタ処理が施され、ステップＡ４では時間窓の時間的位置が決定される。次に、ステップＡ５で、以下に説明するように、時間窓内にある信号部分の自己回帰モデルを決定し、ステップＡ６では特定のアルゴリズムにより比透過率及び比誘電率εｒが決定される。その際、特に、クロス信号の平均周波数が考慮される。これらは、アンテナ下で観察された媒体の誘電率によって特に明らかな影響を受けるからである。
【００１４】
図４は、コンクリートの測定結果を示し、得られたクロス信号が観察される時間領域ｔ１（時間窓）は網かけによって示される。この時間窓を決定するため、クロス信号の第１ピークＳ１が決定され、観察された領域の長さ又は持続時間ｔ１は、ピークＳ１に対して位置決めされる。このように減衰した時間領域における信号部分から以下に記述する低い次数、例えば二次の自己回帰モデル（ＡＲモデル）が形成される。
【数２】
0004271795.tif 000002
この自己回帰モデルから、分析したコンクリート基盤の表面領域におけるコンクリートの含水率に対応する周波数の依存度が摘出される。当業者には既知のように、ここで当該の自己回帰モデルは、特定カテゴリーの測定信号をパラメータとするスペクトル評価に適する。応用したアルゴリズムにより、式１では係数ａｖを算定する。これにより、デジタル信号の変換表示のｚ平面内における関数Ｈ（ｚ）の共役複合ポールが定まる。これらのポールは、
【数３】
0004271795.tif 000003
により、ｓ＝σ＋ｊωで表される平面内で、フーリエ変換又はラプラス変換された離散デジタル信号として表される。その結果、図５のグラフから明らかなように、それぞれ検査したコンクリートの含水率に対する明確な依存度を示す周波数値ωが求められる。
【００１５】
応用したアルゴリズムの場合、演算時間を短縮するために、ＡＲモデルの次数を可能な限り小さくするのが有利である。更に、クロス信号の観察された部分に係る時間窓ｔ１を、可能な限り短く設定するのが望ましい。その結果、更に、後に信号に生じる可能性のある反射からの独立性が与えられる。本発明による方法を実際に応用するために、ルックアップ表に保存するのが有利である一種の指向曲線又は比較曲線を使用することは特に有利である。このような比較曲線は、多数のコンクリート試料に基づいて作成するものであり、実際に生じ得る誘電率の全領域（例えば、５．１５＜εｒ＜１１．６７）をカバーする。これらのコンクリート試料から、上述のアルゴリズムにより、周波数値ωが式１及び式２に基づいて決定され、試料のεｒ実測値と共に図５に示すグラフに記入される。
【００１６】
二次式による補間法では、例えば次の関数εｒ（ω´）を用いる：
εｒ＝−31.2994ω’２＋54.4410ω’−12.1229    （式３）
式３において、ω´は１ＧＨｚに係る周波数ωを表す。式３の関数により、信号分析の多数の測定に係る図５に記入した“ｘ”で示す値が示すように、マイクロウェーブ帯域を用いたコンクリート検査では、通常の応用には十分な表面深度にわたり、クロス信号から比較的高い精度で誘電率εｒを決定することができる。
【００１７】
本発明による方法を、コンクリート等の既設建設材料に埋蔵された物体を確定するための電磁センサに応用する場合、先ず、相関分析により比誘電率εｒを決定し、上記の式に基づいて、レーダーによって測定する物体の深度を求めることが可能である。次に、媒体中に埋蔵されている物体の特徴付けを、本発明の対象外である適当な信号分析方法によって行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  （ａ）及び（ｂ）は従来方法の説明図、（ｃ）は、パルスレーダーの送信アンテナ及び受信アンテナとを隣接させて配置し、それらをコンクリートブロックの外面に適用する態様を示す説明図である。
【図２】  本発明による誘電率の測定に使用することのできるパルス−レーダー装置のハードウェア構成を示すブロック図である。
【図３】  比誘電率を決定するフローチャートである。
【図４】  図１（ｃ）の構成によって検出された典型的なクロス信号の信号強度及びパワースペクトル密度の時間的変化を示すグラフである。
【図５】  本発明によって確定される含水率に対応する、周波数に依存するコンクリートの比誘電率εｒを示すグラフである。
【符号の説明】
１  パルス発生器
２  送信アンテナ
３  受信アンテナ
４  高周波増幅器
５  サンプル・ホールド回路
６  Ａ／Ｄ変換器
７  走査制御回路
８  帯域リミッタ
【図１】
0004271795.tif 000005
【図２】
0004271795.tif 000006
【図３】
0004271795.tif 000007
【図４】
0004271795.tif 000008
【図５】
0004271795.tif 000009