(57)【要約】【課題】  従来、土中内部の映像化を行う際、その表現精度に問題があった。従来の電磁波を用いた探査技術は天候や地質により精度が大幅に変化した。また、打撃法による弾性波を用いた探査技術では振動を発生させる際の再現性が乏しく、雑音の影響を受けやすい。  さらに、映像化手法においてはデータを間引くＣＭＰ重合法という逆解析が頻繁に用いられるが、その時、弾性波土中伝播速度測定誤差や受信器設置位置の誤差が微小であったとしても、逆解析により、それらの誤差が大きくなり、結果として映像化誤差要因となってしまう。【解決手段】  天候や地質の影響を受けにくい弾性波を再現性の高い振動子を用いて発生させた。また、ＣＭＰ重合法などのデータを間引く逆解析を行わないことで、誤差低下させ、精度の高い２次元画像データ生成方法を発明した。さらに、その方法を実行するための探査装置も発明した。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地表面で振動子により弾性波を発生させ、地表面にアレー状に複数設置された各受信器から得られる各振動情報に対して相互相関処理を行い、相互相関処理後の情報を用いて振動子位置と受信器位置を焦点とした楕円軌道描画工程と、振動子設置位置や受信器設置位置を変更し、振動子と受信器の前記組み合わせと異なる組み合わせに関しても該楕円軌道描画工程を実施し、楕円軌道を同一面に描き、地中内部の状況を得る２次元画像データ生成工程。
【請求項２】
前記楕円軌道描画工程において地表面に沿った水平方向をｘ、垂直方向をｙとした楕円軌道ｓ（ｘ，ｙ）の算出を弾性波土中伝播速度ｖと計測時間Ｔおよび振動子設置位置、受信器設置位置を求めることにより行う、請求項１記載の２次元画像データ生成工程。
【請求項３】
前記楕円軌道描画工程において、楕円軌道輪郭線として、前記相互相関処理後の情報を色情報に置き換え、描画する請求項１記載の２次元画像データ生成工程。
【請求項４】
前記楕円軌道描画工程において、生成したい前記２次元画像データの解像度に応じて、解像度の１ピクセル内に存在する複数の楕円軌道中の最大の相互相関係数を該ピクセルにおける該楕円軌道輪郭線の色情報として置き換え、描画する請求項１記載の２次元画像データ生成工程。
【請求項５】
データ解析装置から振動子への波形を入力する手段、および受信器からの出力波形をデータ解析装置に取り込み前記楕円軌道描画工程を行う解析手段を備えたことを特徴とする探査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、地中埋設物、および空洞からの反射波を利用した高精度な地中映像を得る為の地中映像化手法及び探査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  地中３ｍ以内の映像化を行う際、電磁波や打撃法を用いた弾性波による探査技術や映像化手法が提案されている（例えば、特許文献１〜４参照。）。
【特許文献１】特開平９−９００２９号公報
【特許文献２】特開２００６−２７５９１４号公報
【特許文献３】特開平８−１０５９７７号公報
【特許文献４】特開２００６−０４７１３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】  上述した電磁波による探査技術は土中の含水率や粒径に大きく影響を受ける為、天候や地質により地中映像の精度が大幅に変化する。先に述べた打撃法を用いる場合、含水率や粒径の影響は受けにくいが、振動を発生させる際の再現性が乏しく雑音の影響を受けやすい。また、映像化手法では多数の地点において振動を発生させる必要がある為、安定した振動を発生させることができない打撃法による地中映像は精度が低いという問題がある。
さらに、映像化手法においてはＣＭＰ重合法が頻繁に用いられるが、該手法は弾性波土中伝播速度、および逆解析によって求めた深度に基づいて、時間軸を調節する、つまり、出力波形を間引く。この時、弾性波土中伝播速度測定誤差や受信器設置位置の誤差が逆解析を用いて計算することで、誤差が微小であったとしても、地中３ｍ以内の場合、大きな映像化誤差要因となってしまう。【０００４】  本発明は、上記の問題点を解決する為に、機械的に制御された振動子を用い、含水率や粒径の影響を受けにくく、かつ再現性の高い弾性波を地中に発生させる。発生させた弾性波が地中内部の埋設物、および空洞により反射し、該反射波を受信器により振動情報として受け取り、該振動情報に対して、時間軸の調節を行わない各種処理工程を経て、地中内部に埋設物や空洞が存在するかどうかを把握可能な高精度な２次元画像データを生成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】    上記の目的を達成する為に、請求項１の発明は、データ解析装置から振動子へ波形を入力する手段、および受信器からの出力波形をデータ解析装置に取り込み、２次元画像データ生成方法を行う手段を備えたことを特徴とする探査装置により実行される。該探査装置を用いて２次元画像データ生成方法を実行することにより、地中内部の２次元画像データを生成することが可能になる。
【発明の効果】
【０００９】  請求項１に記載の発明によれば、振動子により、再現性のある弾性波を地中に発生させることが可能になり、測定誤差、雑音の軽減につながる。また、操作者の技能に依らない入力が可能になる。また、電磁波ではなく弾性波を用いる為、含水率や粒径による影響が小さくなり、測定精度が向上する。【００１０】  映像化の際には相互相関係数値を色情報に変換し、楕円軌道を描画する。時間軸の調節を一切要さない為、受信器位置の際の設置位置誤差や弾性波土中伝播速度測定誤差による影響が小さくなる。【００１１】  よって、これら２点が改善され、得られる２次元画像データの精度が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】  以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本願の探査装置は図１に示すように振動子１、振動子１を駆動する為の入力回路０、受信器２、受信器２で得られた信号を処理する受信回路７、および信号を処理するデータ解析装置１０を、主な機器として備えて構成される。本願にあたっては、データ解析装置１０に於ける解析処理に、その特徴がある。【００１３】  図１に基づいて、測定装置の構成について説明する。同図に於ける説明にあたっては、地表面に沿うｘ軸方向に直交して土壌に埋設された埋設物５を例にとって説明する。この埋設物５が、同図に示すコンクリートブロックである。また、ｙ軸方向はｘ軸方向と直交しているものであり、深度を表す。【００１４】  装置の使用にあたっては、一回の測定毎に振動子１の設置位置や受信器２の設置位置を移動しながら、計測を行う。例えば、図２に周波数が２００Ｈｚ−３００Ｈｚに変化し、１０ｍｓの入力時間を持つアップチャープ信号２０を例示する。このアップチャープ信号２０はデータ解析装置１０上のデータ処理部１２で作成し、入力回路０を介して振動子１に入力し、弾性波３を発生する場合である。この時、入力波形はデータロガ８により、データ解析装置１０のメモリ１３に蓄えられる。土壌に入力された弾性波３は埋設物５表面で反射し、その反射波進行方向上に存在する受信器２に反射波４が到達する。その後、受信回路７により、受信信号となり、信号増幅・フィルタ処理手段６を終え、データロガ８によりデータ解析装置１０上のメモリ１３に受信信号として蓄えられる。図３のような埋設物５、振動子１、受信器２１、２２、２３の位置関係における受信信号を図２に例示する。受信器２１と出力信号２４、受信器２２と出力信号２５、受信器２３と出力信号２６がそれぞれ対応している。同図より、反射波４が到達する受信器２１および受信器２２では反射波４が観測されているのが確認できる。また、受信器２３においては反射波４が到達しない為、反射波４は観測されない。【００１５】  前記信号増幅・フィルタ処理手段６には、受信信号を増幅し、任意の周波数成分のみを抽出する役割を持つ。これにより、入力周波数成分以外の雑音を削除し、増幅することで小さくなった受信信号を大きくすることができる。【００１６】  次に、図１、図４に基づいて、受信信号が送られるデータ解析装置１０について説明する。データ解析装置１０はマイクロコンピュータ、もしくは中央処理装置や半導体メモリ等により構成されるデータ処理部１２と外部からの操作指示を入力するキーボード等の入力部１１と各処理段階での出力結果や２次元画像データを表示する陰極線管ディスプレイや液晶ディスプレイ等の表示部１５を備えて構成されている。さらに、各処理段階でのデータや出力結果等を保管格納する磁気ディスク等の外部補助記憶部１４を備えている。このデータ処理部１２には入力波形生成手段３１、相互相関処理手段３２、楕円軌道描画手段３３が備えられている。【００１７】  本願の２次元画像データ生成方法にはデータ処理部１２に特徴があるが、図５に探査装置におけるデータ処理工程を示す。同図に示すように、このフローは相互相関処理工程（ＳＴ１）、楕円軌道描画工程（ＳＴ２）、異なる受信器の受信信号の利用工程（ＳＴ３）、および異なる振動子設置位置の入力信号の利用工程（ＳＴ４）に特徴がある。以下、このフローに沿って、各処理について説明する。【００１８】  相互相関処理工程（ＳＴ１）は、入力信号と受信信号の波形の相似度合いを定量的に求める処理である。時間をｔとおき、入力信号をＩ（ｔ）、受信信号をＯ（ｔ）とおき、相互相関処理を行うと、入力信号と受信信号の波形が似ている時刻、つまり反射波４が到達した時刻において、相互相関係数の値が大きくなる。これにより、相互相関係数の値が大きな時刻を反射波到達時間とみなすことができる。計測開始時間をｔ０、計測終了時間をｔｎ、データ数をＮとすると、相互相関係数Ｒ（ｔ）は以下のように記載することができる。【００１９】
【数１】
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【００２０】  図２での入力信号２０、および図２での出力信号２４、２５、２６に対して相互相関処理を適用した結果を図６に例示する。同図におい相互相関波形４０、４１、４２がそれぞれ出力信号２４、２５、２６に対応している。同図から波形が最も似ている時刻、つまり反射波４が到達している時間において相互相関係数が大きくなっているのが確認できる。【００２１】  前記相互相関係数Ｒ（ｔ）は楕円軌道描画工程（ＳＴ２）に送られる。測定時の弾性波土中伝播速度ｖを一定とみなし、反射波が観測された時間をＴとすると、振動子１から受信器２へと土中を伝播した距離はｖ・Ｔとなる。しかしながら、この情報だけでは、反射点が地中のどの位置に存在するかを判別することはできない。ここで、楕円軌道と２焦点間距離の和は常に等しいという楕円の性質を利用する。２焦点を各々、振動子設置位置、受信器設置位置とし、楕円軌道と２焦点間距離の和をｖ・Ｔとし、一つの楕円軌道ｓ（ｘ，ｙ）を描く。この時、反射点はこの楕円軌道上のいずれかに存在することになる。この楕円軌道の輪郭線の色情報と相互相関係数とを対応させる。振動子位置を（ｘ０，０），受信器位置を（ｘ１，０）とした時、楕円軌道ｓ（ｘ，ｙ）は以下のように記載することができる。
【数２】
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【００２２】  ただし、実際には反射波観測時間Ｔは計測開始時間ｔ０から計測終了時間ｔｎまでＴを離散的に変化させ、データ数分の楕円軌道を描画する。【００２３】  前記楕円軌道描画工程（ＳＴ２）において、生成したい前記２次元画像データの解像度の１ピクセル内に複数の楕円軌道が存在する場合、複数の楕円軌道中の相互相関係数が最大の楕円軌道を該ピクセルにおける色情報とし、解像度に応じた楕円軌道を描けるようにする。【００２４】  次に、先の受信器２と異なる受信器２において楕円軌道を描いていない場合、異なる受信器の受信信号の利用工程（ＳＴ３）を行い、異なる受信器２において、前述した相互相関処理工程（ＳＴ１）と、楕円軌道描画工程（ＳＴ２）を行い、楕円軌道を描く。すると、楕円軌道と楕円軌道が重なり合う点が現れる。この点においては重なり合う楕円軌道の相互相関係数を重合させる。つまり色情報を重合させる。図７に振動子位置Ｓｋと受信器位置Ｒｉ−１を焦点とした楕円軌道５０、および振動子位置Ｓｋと受信器位置Ｒｉを焦点とした楕円軌道５１が重なり合う様子を例示する。同図のように、重なり合う点においては色情報が重合される。【００２５】  次に、先の振動子１と異なる位置に振動子１を設置した場合の楕円軌道を描いていない場合、異なる振動子設置位置の入力信号の利用工程（ＳＴ４）を行い、異なる位置に振動子１を設置し、前述と同じ手順で弾性波３を発生させ、反射波４を受信した受信信号、入力信号間において、前述と同様の相互相関処理工程（ＳＴ１）、楕円軌道描画工程（ＳＴ２）を行い、楕円軌道を描く。このようにして、多数の楕円軌道が重なり合い、描かれる。もともと反射点においては相互相関係数が大きくなる為、多数の楕円軌道が重なり合い、相互相関係数が重合されることによって、自然と反射点が強調され、他部分と色が異なり、像が浮かび上がってくる。【００２６】  このようにして得られた２次元画像データを表示部１５に転送し、ディスプレイに表示する。
【実施例】
【００２７】  実際に関東ローム層を対象とし、深度１ｍに直径２８ｃｍ、高さ９．５ｃｍのコンクリートブロック６０を埋設し、２次元画像データを得る実験を行った。振動子１として超磁歪振動子および受信器２として速度計６基Ｒ０、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５を地表面に設置した。図８に振動子設置位置と速度計、コンクリートブロック６０の位置関係を示す。各速度計はアレーで設置され、それぞれの間隔は２０ｃｍである。ここで各速度計の中点を振動子設置位置とし、それぞれＳ０〜Ｓ４と名前を付けた。弾性波土中伝播速度は１３１ｍ／ｓであり、入力波形として２５０Ｈｚ−３５０Ｈｚに周波数帯が変化する入力時間２０ｍｓのアップチャープ信号を入力し、弾性波３を発生させた。前記の手順で２次元画像生成方法を行った。【００２８】  図９に振動子設置位置Ｓ１に於ける各受信器から得られた受信信号と入力信号に対して相互相関処理３２を施した相互相関波形を例示する。初めに表面波により、相互相関係数が大きくなり、時間とともに減衰するが、反射波４が現れる地点では、再度相互相関係数が大きくなっているのが確認でき、反射波が抽出できているのが確認できる。【００２９】  図１０に前記相互相関処理工程（ＳＴ１）を用いて、全ての振動子位置、受信器位置の組み合わせによる楕円軌道描画工程（ＳＴ２）を終え、生成された２次元画像データを例示する。実線で囲まれた領域が実際のコンクリートブロック６０に対応している。コンクリートブロック６０に非常に近い位置に白く像が現れているのが確認でき、本手法により地中内部の映像化が正常になされているのが確認できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】探査装置全体のブロック構成図である。
【図２】入力信号例と各受信器で得られた受信信号例である。
【図３】図２における振動子および受信器、埋設物の位置関係を表した図である。
【図４】データ解析装置から振動子への波形を入力する手段、受信器からの出力波形をデータ解析装置に取り込む手段、およびデータ処理部を備えたことを特徴とするデータ解析装置のブロック図。
【図５】本発明のデータ処理工程。
【図６】図２における入力信号および受信信号に対して相互相関処理を行った相互相関波形である。
【図７】楕円軌道が重なり合う様子を示した図である。
【図８】振動子設置位置と速度計、コンクリートブロックの位置関係を示した図である。
【図９】振動子設置位置Ｓ１に於ける各受信器から得られた受信信号と入力信号に対して相互相関処理を施した相互相関波形である。
【図１０】実施例に対して本手法を適用した２次元画像データである。
【符号の説明】
【００３１】    ０、入力回路
１、振動子
２、受信器
３、弾性波
４、反射波
５、埋設物
６、信号増幅・フィルタ処理手段
７、受信回路
８、データロガ
９、地表面
１０、データ解析装置
１１、入力部
１２、データ処理部
１３、メモリ
１４、外部補助記憶部
１５、表示部
２０、アップチャープ信号
２１〜２３、受信器
２４〜２６、出力信号
３０、制御部
３１、入力波形生成手段
３２、相互相関処理手段
３３、楕円軌道描画手段
３４〜３５、メモリ
ＳＴ０、データ処理開始ステップ
ＳＴ１、相互相関処理工程
ＳＴ２、楕円軌道描画工程
ＳＴ３、異なる受信器の受信信号の利用工程
ＳＴ４、異なる振動子設置位置の入力信号の利用工程
ＳＴ５、全ての受信器に於いて楕円描画済みか判断する条件分岐工程
ＳＴ６、全ての振動子設置位置に於いて楕円描画済みか判断する条件分岐工程
ＳＴ７、データ処理終了ステップ
４０〜４２、相互相関波形
５０〜５１、楕円軌道
６０、コンクリートブロック
７０〜７５、相互相関波形
【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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