電波科学による防災・減災への取り組み
東北大学 東北アジア研究センター
教授 佐藤 源之sato@cneas.tohoku.ac.jp
2015年2月6日 災害・危機管理ICTシンポジウム2015
第19回 「震災対策技術展」横浜

あらまし－豪雨・火山噴火被害の観測と予測－
新しい技術の導入• 近距離レーダ• 干渉SAR• ポーラリメトリ
防災・減災への取り組• 地滑り GB-SAR• 被災者捜索 地中レーダ（GPR)• 家屋の耐震診断のためのレーダセンサ

東日本大震災とリモートセンシング

JAXA
地球観測衛星ALOS「だいち」

L-bandFullpolarimetricSAR
f=1.27GHz

干渉SARによる地表面変位の検知
地震前(2010年11月20日)と地震後(2011年4月7日)のPALSARデータから得られた差分干渉画像(地殻変動図)
JAXAホームページより

2010年6月
Pd(red),Pv(green), and2011年4月

石巻市街地
ALOS/PALSAR
光学センサー

電波散乱の機構Pd(red),
Pv (green)
Ps (blue).

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 (deg)

偏波の向き.

Pi-SAR2 (NICT, 情報通信研究機構)

f=9.55GHz

仙台ー名取Pi-SAR2(NICT) Mar
12th 2011
HH:R
HV:G
VV:B

瓦礫量の推定ステレオSAR 投影法による高さ推定
Track altitude: 8753 m
Across-track separation: 16778 mzzrd

S1

θ1

θ2F1r

S1rd

θ1F1

S2

R1r
yh1

R1

R2

Pt(x,y,z)

yxh2

Przr

R2

R1A
CΔz B

Ptzt

S2

SARで推定した瓦礫量と実測値の比較

Ground-Based SAR（GB-SAR :地表設置型合成開口レーダ）
による地滑り長期モニタリング栗原市 荒砥沢 大規模地滑り

宮城県栗原市荒砥沢地区• 2008年6月 岩手・宮城内陸地震による大規模な地すべり
地すべり斜面: 1300 x 900 m
2次災害防止・復旧工事安全確保のための監視が必要• 2011年11月 GB-SARを設置、試験運用開始• 2012年6月 長期モニタリング運用開始

16

地上設置型合成開口レーダ (GB-SAR)

イタリア IDS社製 IBIS-L• 送受信にホーンアンテナ• 中心周波数 17.2 GHz (Ku-band)• 周波数帯域 150 MHz• 約 2 m のレール上を約 1 分半で走査、2分ごとに1走査• 5 mm 毎に電波を送受信• 位相差を利用し微少変動を検知（レーダインターフェロメトリ）
17合成開口処理
バックプロジェクション型合成開口処理:

g(x, r):
SAR processed images(x’, t):Raw datac:Propagation velocity ( = 3x108 m/s)

18

合成開口処理のアニメーション

地すべり斜面の変動分布
位相干渉により求めた変動をDEM上に投影
正の変動: レーダから遠ざかる変動
負の変動: レーダに近づく変動

19コヒーレント画像の生成

全データによるSAR画像

提案手法による画像

リサンプルによる虚像の発生
λc
サンプリング間隔が10mm > 2 (= 8.7mm )全データSAR画像の振幅下位1%のピクセルと同じ所を0に設定し，虚像を抑制

20

実データを用いた提案手法の検証-大気補正と変位推定-

三面反射鏡
レーダ

ターゲット

三面反射鏡(40cm)

レーダとの距離

About 460m(GPS)変位

視線方向でレーダから離れる方向に8mmまで

電動スキャナ21位相差と大気補正

提案手法
傾きを最小2乗法で推定し，大気補正

Δϕ = α ⋅ r
従来手法と同様の結果が得られた

従来手法
傾き α [deg/m]
従来手法0.126

提案手法

0.124
距離500mで差は1度
22大気補正前後の位相差マップ
ともに大気の影響が補正

大気補正後（提案手法）

大気補正前-100 -80-60-40-2002040

大気補正後（従来手法）
6080

10023三面反射鏡の推定変位
Diagonal line
Without correction
Proposed method
Conventional method

1 N
Error = ∑ ai − bi
N i =1
ai : Truebi : EstimatedWithout 1.24mm
Conv. 0.22mm
Proposed 0.25mm

提案手法でも従来手法と比べ同程度の精度で変位を推定地すべり斜面の長期的変動分布（2012年6月〜2013年5月）• 斜面全体としては安定• いくつかまとまった変動が観測

37

地すべり斜面の長期的経時変化（2012年6月〜2013年5月）

梅雨

降雪• 降雨による土砂の堆積を観測• 降雪による影響が大きい38

地すべり斜面変動

傾斜の急な窪地で正の変化（レーダから遠ざかる変化）
傾斜の緩やかな斜面下部で負の変化（レーダへ近づく変化）
斜面表層土砂の小規模な流出・堆積39

監視カメラの映像

2012年6月8日 8:00

40

2013年5月25日 8:00

地震による地すべり斜面の変化• 2012年12月7日 17:18に三陸沖を震源とする地震• 栗原市栗駒で震度4を観測

地震前（12月6日 8:00）

41

地震後（12月16日 8:00）

地震前後30分間の斜面の変化

42

地震による斜面の経時変化
A

D

地震発生時刻43BD

アレイ型地中レーダ「やくも」による捜索活動

周波数
レーダ方式
アンテナ素子
アンテナ数
計測間隔
計測速度

50MHz - 1.5GHz
ステップ周波数
ボウタイアンテナ
送信8，受信8（3-8組に可変可能）
走行方向に1cm7km/h（1cm間隔で計測時）

野蒜築港でのアレイGPR計測 (2013年2月）

45

名取市 閖上海岸 2013年3月

GPR計測閖上海岸
2013年3月

GPRデータの水平面スライス表示
閖上海岸
2013年3月

「やくも」が発見した木造住宅の一部
深さ50cm、長さ1m以上の梁材？

検知した埋設物

5m格子に埋設物の有無を書き込んでいます。
こうしたマップを捜索作業を行う皆さんに提供し、砂浜を掘削する地点の参考にします
強い反射のある地点(金属板では無いかと思われる)閖上海岸の砂浜断面 （2013年3月）
10m 付近 ほぼ正確な縦横比

30m 付近 ほぼ正確な縦横比

10-60m

縦横比 1:10

津波被災者
捜索活動
岩手・釜石市 片岸海岸
宮城・仙台市 蒲生海岸

宮城・名取市 閖上海岸
福島・新地町 釣師浜
福島・相馬市 原釜海岸

岩手、宮城、福島県警との協力

蒲生海岸で「やくも」が検知した遺留品

蒲生海岸で「やくも」が検知した遺留品

女川町 2011年4月

56

電磁波を用いた建造物非破壊センシング技術の研究開発
高度通信・放送研究開発委託研究
情報通信研究機構 (NICT)(H24～H28)

建造物非破壊センサーの研究開発と診断技術への実用化

GB-SAR システム（1次元走査）Spiral Antenna

Positioner

VNA58

偏波基底の変換…H dipole

HH…V dipole

HVVV59

コンクリート供試体の計測実験

Frequency : 1GHz-4GHz
Scan length （x）: 80cm
Scan length （y）: 80cm
Scan step （x） : 2.0cm
Scan step （y） : 2.0cm

xz
y60

Raw data

同一偏波
xz
y

Radar image

z=7cm

z=8cm

z=9cm

61

地震後の木造建築の被災度評価

部分的な損傷残留変形は僅か半壊？全壊？
修復可能？不可能？
明らかな損傷大きな残留変形損傷の形跡は見られるが、壁の内部、接合の交差部などの損傷程度が分からない！

全 壊
取り壊し
壁のクラック
接合部の損傷

電磁波センサによる内部探査

正確な診断をするためには、耐力要素の内部の損傷を確認する必要がある。

試験体仕様・木造住宅外周壁（耐力壁）耐力壁の水平加力試験

・H24年度：幅1間（1,820mm）
H25年度：幅1.5間～2間（2,730～3,640mm）

壁の仕様 ※新耐震以降を主に検討する
年代

耐力要素

外装

内装

下地等

新耐震以前

土塗り壁

漆喰

土塗り

木舞

新耐震以降

筋かい

金属板

化粧合板

断熱材（ｸﾞﾗｽｳｰﾙ）

阪神以降

構造用面材
（MDF）

窯業系サイディング

石膏ボード
＋クロス

防水・透湿シート
断熱材（ｽﾀｲﾛﾌｫｰﾑ）

試験体仕様

筋違型耐力壁（新耐震～阪神淡路大震災）

変形レベルに応じた損傷の観察
せっこうボード継ぎ目のクロスの裂け

耐力壁の水平加力試験

壁の全体へのクラック

25

安全限界

荷重(kN)

20

損傷限界

15

最大耐力
耐力要素に生じる損傷

10
5000.005

0.010.015

0.020.025

0.03

壁のせん断変形角(rad)

土台の割裂

化粧合板隅部のはがれ（釘のパンチアウト）

化粧合板の膨れ・はがれ0.035

固定金具（ヘキサプレート）の変形

筋交いの損傷Vivaldi Antenna Array

9.5 cmVivaldi Antenna
7.5 cm* 7.8 cm

2D Scan on a Wooden Wall Modelyx
Survey area (80cm*80cm)
••••
•
•

Frequency rang: 1 GHz – 20 GHz
Sampling points: 801
IFBW: 1 kHz
Polarization: HH, HV, VV(under measuring)
Scan interval (dx=5 mm, dy=5mm)
Scan time: 24 hours

Higher Frequency (5-20 GHz)
HH

HVVV

垂直断面
Raw

Migrated

水平断面 (HV)
マイグレーションイメージ(動画で表示します）

偏波イメージ RGB Image

R: |HH-VV|
G: |2HV|
B: |HH+VV|R: |VV|
G: |HV|
B: |HH|40 cmResolution Experiment with Metal Spheres

40 cm

Bandwidth:
10 GHzTarget distance: 28 cm
Aperture length: 25 cm

Number of targets: 21Sphere diameter: 5 mm
Spacing:
5 – 40 mm

605040

Y [cm]

302010Pauli RGB
R: |HH-VV|
G: |HV+VH|
B: |HH+VV|

00

102030X [cm]

405060Damage Detection using Polarimetric Phaseyzx
Damaged beam with 5 deg. inclinations(10 deg. opening angle)
side view

Phase Syy/Sxx at 10 GHz

Phase Sxy/Syx at 10 GHz

Phase Sxy/Sxx at 10 GHz180°-180°

三井造船 10-20GHz システム
Target Specifications forHigh Resolution Type MPLA-Radar
Application

E.g. Safety assessment of wooden braces inside thewalls of wooden houses damaged by a big earthquake

Radar TypeMulti Path Linear Array Radar

Frequency Band

10～20GHz (Step Frequency)

Array Antenna Unit

64 antennas (32 transmitting + 32 receiving)

Spatial Resolution～7.5mmDetectable Depth～200mmMeasurement Width～480mm

Measurement

Handy Scanning
Measurement Speed: 10cm/sec MAX.

Weight～5kg (Radar Unit), ～15kg (Control Unit)78

まとめ 電波科学による防災・減災への取り組み
新しい電波利用の技術• 近距離レーダ、ポーラリメトリ
常時モニタリングや頻繁なモニタリングの必要性• 地滑り、火山など防災・減災技術• インフラモニタリング
新しい計測手法の提案• 耐震診断• 被災者捜索