ミリ波イメージング

ミリ波・テラヘルツ波応用技術

構造物診断

クラック検知特集

ミリ波イメージング技術によるコンクリート構造物診断

経年による老朽化や耐震偽装等によってコンクリート構造物の保守管理におかそういち岡宗一と ご うひろよし

都甲 浩芳

対する関心が高まり，その劣化を診断する技術が世の中で必要とされていまもちづきしょうじ/望月 章志くくつな お や/久々津 直哉

す．本稿では，NTT独自のミリ波イメージング技術によって開発した，コンNTTマイクロシステムインテグレーション研究所

クリート表層クラック検知装置を紹介します．

ミリ波イメージング技術とはミリ波とは，波長がミリメートル台（周波数で30 G〜300 GHz）の電波ものがあるため，それらの耐久性を検コンクリート表面のクラック（ひび割査・診断する技術開発を行って，設備れ）検査が挙げられます．図１に示すの積極的な保守管理に取り組んでいように，建物やとう道等のコンクリーます．

ト表面にクラックが発生すると，そこであり，衣類・プラスチック・霧など

また，ここで生み出された検査・診から水分等が入り込んで内部の鉄筋がを透過しやすい性質があります．この

断技術は，一般のマンションや道路等腐食し，構造物の耐久性が著しく低性質を生かして，ミリ波を透視イメーのコンクリート構造物にも広く適用で下します．このような構造物の耐久性ジング技術として利用する研究開発がきるものとして期待されています．

低下を未然に防ぐには，表面クラック近年活発になりました．しかしながら，ミリ波イメージングは波長による空間分解能が数ミリメートル程度であるたの早期発見と補修が重要になります．

クラック検査によるコンクリート一般に，幅0.4 mm以上のクラック構造物の耐久性診断が生じると，コンクリート構造物の耐め，その実応用は，空港セキュリティ

コンクリート構造物の耐久性を評価久性低下を引き起こすといわれており，ゲートや航空監視システムにおける数する際の最重要ポイントの１つとして，幅0.2 mm以上のクラックについてはセンチメートル以上の物体検知を対象としていました（1）．これに対し，NTT研究所では，既存のミリ波イメージングに近接撮像の利点を加え，サブミリNTT局舎

マンション住宅等
コンクリートクラック 鉄筋メートル以下の物体を検知する技術を提案してきました（2）．本稿では，装置実用上の課題であった高分解能化およクラックからの浸水等によって鉄筋が腐食し，構造物の耐久性が低下

び高速撮像化をクリアした最新の成果を紹介します．

構造物診断の重要性

コンクリート壁

とう道

NTTの通信サービスを支えるため，通信ケーブル局舎やとう道等のコンクリート構造物

壁紙，塗装，補修等（目視点検できない）が全国を網羅するように配備されています．高度成長期に建設された設備の

図１

クラックによるコンクリート構造物の耐久性低下

中には，経年による老朽化が進行したNTT技術ジャーナル 2008.1225

ミリ波・テラヘルツ波応用技術（3）

事前補修対象となります ．
さて，コンクリート躯体が剥き出しになっている場合にはクラックを目視点検することができますが，建物等の反射強度の違いによってクラック部分い物は見えない」と考えられます．
しかしながら，ミリ波イメージングを検知できると考えています．

なぜ波長以下の幅のクラックが映るのかで使われる電波の波長は約３〜４mmであるのに対し，ターゲットとなるクラックの幅は0.2 mm程度しかありま

壁には塗装や壁紙装飾が施されていた
り，とう道等の壁には補修等が施されミリ波イメージングによってクラッせん．なぜ波長の10分の１以下の幅していたりするため，目視検査でクラックが検知可能である理由を，点波源をかないクラックが見えるのでしょうか．

クを発見することが困難な場合も多く使って説明します．一般に，電波によ

その理由は，２次元空間における点あります．

るイメージングの空間分解能は波長波源の位置と観測像の関係にありま

目視にて発見が困難な場合には，超オーダとされています．空間分解能とす．図４（a）では，中央に１個の点波

音波やＸ線のような遮蔽物を透過するは，同じ明るさの２つの点があったと源を置いています．図４（b）では点波源媒体を使う検査方法が考えられます．

き，それが２個に分離して見える限界が格子状に並んでいますが，波源どうしかしながら，超音波はミリメートル距離のことです．図３のように，あるしの位置が近いため，観測像では互い幅以上のクラック深度を測定するのに点波源から出た電波は無限小の１点とに重なってしまい，波源が格子状に分は使われていますが，サブミリメートルして観測されず，波長程度の広がりを布していることを認識できません．こ幅の微細な表面クラックを見つける用持った分布として観測されるため，点れが前述の「波長より小さな物は見え途には適しません．また，Ｘ線の場合波源の位置が互いに接近していると，ない」と考えられる現象です．ところには送受信センサを対向に配置するた

その２点を分離して観測することは困が，点波源を線状に沿って並べた図４め，測定物の裏側に回りこめない状況難になります．ゆえに，「波長より小さ（c）では，観測像において点波源の１つでは使用困難であることや，使用の際に専門資格が必要であること，さらに送信器は安全面にかかわる問題もあります．

受信器

以上のように，既存の技術によってコンクリート表面のクラックを検査することは困難でした．

コンクリートミリ波によるアプローチ

クラック

NTT研究所では，コンクリート表面のクラックを検査する技術を開発する

図２

クラック検知の原理ために，ミリ波を媒体としたイメージングに着目しました．ミリ波は冒頭で述べたように，壁紙や塗装等の被覆を空間分解能＝２点が分離して見える限界距離透過しやすく，かつ，コンクリート内部には入り難いため，コンクリート表面のみを検査するのに適しています．
コンクリート表面に斜めからミリ波を当てると，クラックがない平坦な部

信号
強度分では，反射波が一方向へ集中し，クラックがある部分では，クラックのエッジにおいて反射波が四方八方へ散乱します．ゆえに，送受信器を図２のように対向配置すると，表面における26

NTT技術ジャーナル 2008.12

点波源位置

図３

空間分解能の定義

特集

ひとつは分離して認識できないものの，（a）

線状に沿って並んでいるということは（b）（c）分かります．
ミリ波を使ったクラック検知には，この視認特性を利用しています．すな

点波源の位置わち，人間がクラックを画像から探そうとするとき，画像が多少ボケていたとしても，クラックとおぼしき輪郭さえ分かればクラックであると予想できるからです．多少ピンボケした写真で観測像あっても，その中から文字や顔を認識したりできるのと同じです．
１つの実験結果を図５に示します．
図４

コンクリートに誘電率が近いアルミナ

点波源の分布と観測像の関係の板を突き合わせて幅0 . 0 6 m m のスリットをつくり，ミリ波送受信器を使って反射強度分布を測定しました．ミリ（任意単位）波の波長は約４mm，アルミナ板と送1.0受信器の距離は10 mmです．結果の0.9

グラフと画像を見れば，幅0.06 mmのスリットは幅約７mmの太さにボケた反射波の谷となって見えることが分か

反射
強度

幅0.06 mmスリット
約７mm

0.850mm0.70.6

幅0.06 mmスリットの位置ります．
0.5約７mm0クラックスキャンの開発

2550（mm）走査方向
50 mm

私たちはミリ波の透過能力とクラック形状の特徴を生かして，「クラックス

図５アルミナのスリット構造に対するミリ波の反射特性（左）とミリ波像（右）キャン」を開発しました．装置設計のポイントは受信器のアレイ化です．１個の受信器をXY走査して画像を撮像すると長い時間がかかるため，複数の画素を１次元状にアレイ化して撮像を一次元アレイ画素

受信信号

ホーン型
送信アンテナモニタ

距離信号高速化しています（図６）．
送信器は中心周波数76.5 GHzのガン発振器とホーン型アンテナを使い，コンクリート壁面へ向けてミリ波を照1.6 mm

射します．受信器は平面型アンテナをクラック一次元状に32個並べて，コンクリート面からの反射波を受信します．

平面型受信アンテナ

クラックスキャンの仕様および使い方を図７に示します．現場の作業員が

図６

クラックスキャンの設計

本体を手に持ってターゲット面を走査NTT技術ジャーナル 2008.1227ミリ波・テラヘルツ波応用技術

モニタ
電源

本体

写真
走査速度

約50 mm/s描画時間

リアルタイム

最小検出幅

0.2〜0.3 mm（被覆下）■参考文献
技術基準適合証明

サイズ，重量 W18 × L24 × H14 cm，約 3 kg

図７クラックスキャンの装置仕様と使い方

サンプル
幅0.35 mmクラック

探査技術説明会におけるクラックスキャンの紹介

今後の展開（1） R.Appleby, and R. N. Anderton： Milli meterWave and Submillimeter-Wave Imaging for
Security and Sur veillance, Proc. of IEEE,
Vol. 95, No. 8, pp.1683-1690, 2007.
（2） 永妻・岡： ミリ波イメージング技術と構造物診断への応用， NTT技術ジャーナル，Vol.18，No.6，pp.25-28，2006．
（3） 社団法人日本コンクリート工学協会： コン
クリートのひび割れ調査，補修・補強指針，
2003．

このクラックスキャンは，特定小電力無線局として技術基準適合証明を取得し，2007年度にグループ会社であるアイレック技建へハード開示を行い，商用化へ向けた本格的なスタートを切りました．また，2008年７〜８月には，今後のさらなるニーズ開拓と技術課題を明確にするため，全国５カ所（北海道・埼玉・大阪・兵庫・広島）で約400名の土木建築関係者を対象にした探査技術説明会に出展しました（写真）．
ユーザの方々にデモを見ていただい

図８

クラックの可視像（上）とミリ波透視像（下）たところ，現在の検知精度を上げることができれば，適用範囲がさらに広がる可能性があるというコメントが集ますると，モニタの透視像を見ながらクりました．これを達成するには，画像ラックを発見することができます．ク

処理等の技術による像の先鋭化が重要

ラックスキャンを使って，幅0.35 mmなポイントになります．のクラック上に厚さ７mmのセラミッ

今後もさらなる装置の高性能化に取クタイルを敷いて透視像を撮像した結り組むとともに，「なぜクラックはミリ果を図８に示します．画像中央縦方向波で映ったのか」という知見を生かしにクラックが映し出されています．て新しいニーズを探り出し，構造物診断以外のイメージング分野にも広く応用展開したいと考えています．

28NTT技術ジャーナル 2008.12（左から）都甲 浩芳/ 岡宗一/

望月 章志/ 久々津 直哉
電波の力は，通信分野以外にも利用できます．特にコンクリート構造物の診断技術は，多くの維持管理施設を抱えるNTTにとって役立つものです．着眼とアイデアで独創的な技術を育て，社内外のニーズに踏み込めるアプリケーションを産み出したいと思います．

◆問い合わせ先
NTTマイクロシステムインテグレーション研究所
光マイクロ波応用システム研究グループ
TEL 046-240-2874
FAX 046-240-4041
E-mail oka aecl.ntt.co.jp