人道的地雷除去のための探知装
置開発と科学技術による社会貢献
佐藤 源之
東北大学
東北アジア研究センター
寒河江高等学校「メイフラワーカレッジ」
2006年 ９月１３日（水）1担当授業
東北大学東北アジア研究センター
工学部 機械知能航空工学科•電磁気学I,II環境科学研究科（大学院）•環境リモートセンシング学•地球計測工学特論2

工学と理学の違い
理学： 自然の摂理の探求
工学： 自然を人間のために利用する
ヨーロッパの大学には工学部が無い
日本では大学の始まりから工学部を設置した
3

工学では何を学ぶのか

4

何を勉強するか•機械・航空・ロボット•バイオテクノロジー•化学・マテリアル•社会・歴史•経済•電気・情報・ IT技術

•文化・言語•環境•法律•土木・建築5

対人地雷の被害

http://www.masayo.org/angel/• 被害者は一般市民• 命をとりとめても，手足の切断等，心身ともに大きな傷を抱えて生きなければならない
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6世界中に残された地雷は１億個以上
世界中の地雷

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7寒河江高等学校「メイフラワーカレッジ」 2006年 9月13日

8寒河江高等学校「メイフラワーカレッジ」 2006年 9月13日

9寒河江高等学校「メイフラワーカレッジ」 2006年 9月13日

10寒河江高等学校「メイフラワーカレッジ」 2006年 9月13日

11寒河江高等学校「メイフラワーカレッジ」 2006年 9月13日

12カンボジアの地雷/UXO（不発弾）の被災者
毎年400人Evolution of Casualties by Device(number of victims)

1991内戦終結

700

732

UXO
Mines

600
461

500

475

423

392

400
３９％が日常生活での被災
426
402 406
300

366

468
423

482

３１％が子供
363

295

200
1999

2000

2001

2002

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20032004

2005Dec13

寒河江高等学校「メイフラワーカレッジ」 2006年 9月13日

14人道的地雷除去の目的• 地雷による住民の被災を減らす• 生活環境、耕作地の安全を確保• 経済復興援助

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15寒河江高等学校「メイフラワーカレッジ」 2006年 9月13日

16寒河江高等学校「メイフラワーカレッジ」 2006年 9月13日

17寒河江高等学校「メイフラワーカレッジ」 2006年 9月13日

18

対人地雷PMN-2（プラスティック地雷）・旧ソビエト製・アフガニスタンで大量に敷設
・直径１２ｃｍ、厚さ４ｃｍ・5kg加重で爆発
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19金属探知機による地雷検知

人道的地雷除去で最も普及している検知手法

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20金属探知器の動作原理
送信コイル

受信コイル

送信コイルへ電流を流す

磁界が発生

受信コイルに発生する誘導電圧を検知

うず電流が金属中に発生

誘導2次磁界の発生

金属探知器による地雷検知の手順

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22

地雷除去作業

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23

地雷の爆破処理カブール市内、Bibi Mahiro における実地雷処理作業
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24アフガニスタン Bibi Mahiro
での地雷除去実績
地雷２７７
不発弾（UXO）2135
金属片218320

地雷を識別する
方法が必要
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25

地雷犬による地雷検知
地雷中の火薬が気化したガスの臭いを検知する

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26

地雷犬による除去活動•アフガニスタンでは33チームが活動•地雷に含まれる爆薬のガスを検知•非常に精度が高い•コストが高い

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27

地雷蜂
飛行中に体に着いた火薬を検出し地雷の有無を調べる

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28

機械除去•平らな場所で有効•日本からODA援助の実
績（アフガニスタン、カンボジア）•１５％の地雷が残留•爆破破片が土壌を汚染
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29

医用電子工学 ー 体内の可視化（超音波、X線、NMR、CT、PET）

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30

電波による地下の可視化：地中レーダ記録されるレーダ波形
測定位置

反射時間
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31金属探知器と地中レーダGPRを統合したデュアルセンサ
金属探知器

GPR：地中レーダ

プラスティック地雷
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硬貨32

人道的対人地雷除去 –我が国の取り組み
地雷廃絶への道のり• 1997年12月
オタワ条約署名会議• 2002年1月
アフガニスタン復興支
援国際会議

新しい検知・除去技術の開発と現地試験• 文部科学省– 2002 研究開発
– 2006 カンボジア• 経済産業省– 2003 研究開発
• 外務省
– 2004 アフガニスタン– 2006 カンボジア

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33

地雷検知用レーダの開発
技術的難しさ• 対人地雷は小さい• 対人地雷の誘電率は土壌と類似• 土壌は不均質でランダムな散乱が強い• 湿り気など土壌条件は不安定

技術開発の目標•広帯域、高速なデータ取得可能なハード•ランダムな散乱による影響を低減するソフト•軽量で安価な装置の供給
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34電磁気学 高校と大学では
1Q
E=4πε 0 r 2−−
H=I

2π rdΦ
V =−dt
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ρdivE =εdivH = 0∂ΕrotH = J + ε∂t∂HrotE = − µ∂t35

Maxwellの方程式の一次元化∂E
rotH = ε∂t∂HrotE = − µ∂t

寒河江高等学校「メイフラワーカレッジ」 2006年 9月13日∂Ex
1 ∂H y=−∂tε ∂z∂H y1 ∂H x=−∂tµ ∂z36

電磁波散乱の数値シミュレーション
FD-TD
Finite-Difference Time-Domain
Maxwell方程式の 直接解法

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37

時間ー空間の離散化
z = i ⋅ ∆zt = n ⋅ ∆tF(n)(i ) = F ( z , t ) = F (i ⋅ ∆z , n ⋅ ∆t )寒河江高等学校「メイフラワーカレッジ」 2006年 9月13日

38

空間の離散化と電界・磁界のサンプル位置

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39

時間・空間微分の差分化∂Ex
1 ∂H y=−∂tε ∂zn+

Exn +1 (i ) − Exn (i )1=−∆tε (i )Hy

121n+112(i + ) − H y (i − )22∆z11n+n+∆11 tn +1n22Ex (i ) = Ex (i ) − H y (i + ) − H y (i − ) 22 ∆zε (i ) 

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40

差分化されたMaxwellの方程式∂Ex
1 ∂H y=−∂tε ∂z∂H y1 ∂H x=−∂tµ ∂z
1
1n+n+∆t
11 n +1n22Ex (i ) = Ex (i ) − H y (i + ) − H y (i − ) 22 ∆zε (i ) n+Hy

12

∆t
11
 Exn (i + 1) − Exn (i ) (i + ) = H y (i + ) −22 ∆z µ (i )n−

12

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41電磁界を計算するアルゴリズム
11n+n+t
11 
∆
n +1n
22Ex (i ) = Ex (i ) − H y (i + ) − H y (i − ) 22 ∆zε (i ) n+Hy

1
2

1n−
11
∆t2
 Exn (i + 1) − Exn (i ) (i + ) = H y (i + ) −22 ∆z µ (i )•常に以前の時間における電磁界を使って未来の電磁界を計算する。
•空間のパラメータ（導電率、誘電率）を容易に組み込める
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42

FDTD計算アルゴリズム
時刻 n
電界計算
繰り返し
時刻 n+1/2
磁界計算
n=n+1

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43ダイポールアンテナからの電波放射

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44

SAR-GPR用に開発した広帯域アンテナアレイ

TT T

54

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3R
T
T
2

1

1

RR
R
R
2

3 4 5

45

ビバルディアンテナから放射される電波の可視化

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46

室内大型土槽での実験

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47

地中レーダの計測法

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48

GPRにおける合成開口処理

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49

反射波のイメージングKrichhoff migration integral
1 cosθ r  cosθ ∂ r Pin xin, yin, z = 0, t + dxindyin
Pout(xout, yout, z, t ) = ∫∫ 2 Pin xin, yin, z = 0, t +  +2π  rv  vr ∂t v r=(xout − xin ) + ( y out − yin ) + z
22y2(x , y )out

input
pointoutSP

1. The obliquity factor or thedirectivity factor, cos θ .

tScatterpoint

2. The spherical spreading factor 1/vr.

∂
3. The wavelet shaping factor.
∂tDiffraction
hyperbolas(xoutθ

r, y out , z )(x , y )inxrv

z

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in50

合成開口レーダ SAR

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51

H-IIAロケット8号機の打ち上げ

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52

レーダ プラットフォーム

衛星搭載SAR: ALOS
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53

Level 1.5 MGP Data

4050m*3437m
May 25, 2006
Red: HH, Green: HV, Blue: VV
37km(Az)*63km(Rg) (2996*5300pixels)
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54

寒河江高等学校「メイフラワーカレッジ」 2006年 9月13日

55

xy

信号処理による埋設地雷の３次元可視化
地表面

地雷原波形寒河江高等学校「メイフラワーカレッジ」 2006年 9月13日

SAR-GPR信号処理画像
56

ロボット車両に搭載されたSARGPR
技術的ブレークスルー•アレイアンテナと信号処理によるクラッタ雑音除去•小型ベクトルネットワーク
アナライザ(1.5kg)による広帯域(10M-6GHz)計測の実現

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57

地雷検知の例

PMA-2

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58

地雷ロボットは万能か？

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59実用化が期待される
ハンドヘルド・デュアルセンサ

アメリカ:
イギリス:Mine Hound HSTAMIDS
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東北大学：ALIS
60

Target: Yellow PMN2. Depth:2cm

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61

Operation of ALIS
Display
Battery

PC

VNA, metal detector
control unit
CCD camera
GPR antenna
Metal detector sensor

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62

Hardware Configuration(VNA Type)PC fordisplay

Ethernet

BackpackUSB
hubUSB/
RS232C
Ethernet
hubUSB

Metaldetector

VNA

Trg

PC foroperation
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Antennas Sensor CCD
63

Sensor locus by hand-heldscanning

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64

CCD camera superimposed by MD signal

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65

ALIS システム

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66

Compact Vector
Network Analyzer
Measurement

S21

Temperature-20 - +50C

Frequency

100MHz-4GHz

DynamicRange

70dB

Acquisitionraet

646pt/sec

Accuracy±1dB

Power supply

DC12-15V, 15W

Size

250X170X60

Weight1.5kg

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67

ALISの現地評価試験
2004年12月
外務省ODA
アフガニスタン

ALISの技術的ブレークスルー
・小型ネットワークアナライザ搭載(10MHz-4GHz)による広帯域計測
・センサ追尾機能による信号の可視化とイメージング
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信号処理によるクラッタ雑音の除去

xyType72
模擬地雷

原データ（センサ追尾なし）
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信号処理後のGPRイメージ
69

ALISで検知した地雷
金属探知機
アフガニスタン・CDSテストサイト

地中レーダ

ブラインドテスト（埋設物を知らされていない）
PMN-2 実地雷と予想

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70

Bibi
Mahiro金属探知機

地雷

金属片

地中レーダ

PMN-2 プラスティッ
ク容器にTNT爆薬を充填したモデル
71

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地雷

金属片

寒河江高等学校「メイフラワーカレッジ」 2006年 9月13日

72

寒河江高等学校「メイフラワーカレッジ」 2006年 9月13日

73

クロアチアでのALIS 長期評価
実験2006年２月

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74寒河江高等学校「メイフラワーカレッジ」 2006年 9月13日

75

対人地雷 PMA1 と PMA2 (深度8cm)
11.1

1.2x(m)
1.3

1.4

1.5

1.6
200

0.55

100

0.65y(m)

PMA1

150

0.6

50

0.7

00.75

-50

0.8
0.85

-100

金属探知機

-150

0.9
-200

0.5

11.1

1.2x(m)
1.3

1.4

1.5

1.60.55

100.6

90.65
y(m)

x 10

-4

PMA2

80.7
70.75
60.8
0.85

地中レーダ

0.9

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5476

バギー搭載型ALIS

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77

地雷検知技術を現場で有効に利用するために新技術情報の提供

政府、民間団体

大学、企業など研究機関

資金提供
地雷除去作業の統率機関

地雷検知技術の評価機関

国連機関：UNMAS etc.、

ITEP、GICHIDなど

各国地雷除去センター:UNMACA,CMAC etc.

除去機選定
アドバイス
資金配分・
技術指導

現場要求（開発技術へのフィードバック）

現地地雷除去活動団体(NGO)

地雷除去活動
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78

どうやって工学を極めるか新しい発想と努力

新技術
社会の要求
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既存技術79古くて新しい工学の問題•環境への配慮•科学倫理
技術が奢ってはいけない

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80

地雷除去研究のまとめ• ハンドヘルド型センサ
ALISを開発• 現地テストによる改良• 国際機関による技術検証– カンボジアテスト(2006冬）– ITEP・クロアチアテスト(2007)• ODAを通じた技術供与

ITEP評価テスト（オランダTNO)

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81

寒河江高等学校「メイフラワーカレッジ」 2006年 9月13日

82