地中探査方法および地中探査装置
【課題】交流電気試験方法を用いた地中探査方法において、探査対象物質が存在する領域の直上に障害物が存在している場合に地中探査を行うことができない。
【解決手段】本発明の地中探査方法においては、２つの電圧印加電極を選択し、選択した２つの電圧印加電極に沿った通流方向に電流を通流させた状態での大地表面電位の電位差測定を行う。そうすると、大地表面の電位差がピークとなるピーク位置が探査対象物質が存在する領域の直上から通流方向に沿った位置に出現する。続いて、別の組合せで２つの電圧印加電極を選択し、別の通流方向に電流を通流させた状態で大地表面電位の電位差測定を行う。このように、電流の通流方向を変更するとピーク位置も回転するため、その回転中心を探査対象物質の位置として求める。
【解決手段】本発明の地中探査方法においては、２つの電圧印加電極を選択し、選択した２つの電圧印加電極に沿った通流方向に電流を通流させた状態での大地表面電位の電位差測定を行う。そうすると、大地表面の電位差がピークとなるピーク位置が探査対象物質が存在する領域の直上から通流方向に沿った位置に出現する。続いて、別の組合せで２つの電圧印加電極を選択し、別の通流方向に電流を通流させた状態で大地表面電位の電位差測定を行う。このように、電流の通流方向を変更するとピーク位置も回転するため、その回転中心を探査対象物質の位置として求める。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電気試験方法を用いて地中探査を行う地中探査方法および地中探査装置に関する。さらに詳細に言えば、探査対象物質の誘電率の周波数特性に基づいて互いに異なる第１および第２の周波数を選択し、探査領域となる大地の異なる２点を介して第１の周波数の交流電流を大地に通流させたときの大地表面電位と第２の周波数の交流電流を大地に通流させたときの大地表面電位との電位差をさらに別の２点で測定することによって、地中に埋設したあるいは地中に含有している探査対象物質を選択的に探査する地中探査方法および地中探査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、地中探査方法として、探査領域である大地に交流電流を通流させる交流電気試験方法を用いて地中探査を行う方法が知られている。交流電気試験方法を用いた地中探査方法としては、特許文献１〜６が存在する。
【０００３】
土壌構成物質や土壌に含有される化学物質は、界面分極、双極子分極等の物性に起因して、誘電率が周波数に依存するという特性を有している。そのため、最近は、交流電気試験方法として、探査対象物質の誘電率の周波数特性に着目した方法が検討されている。
【０００４】
以下、探査対象物質の誘電率の周波数特性に着目した従来の地中探査方法について説明する。
【０００５】
図７に示すように、土壌構成物質や土壌に含有される化学物質は様々な誘電率特性を有している。しかしながら、誘電率が５から４０程度である土壌中に、誘電率数が１０００以上であるチタン酸バリウムが含有されていても、その含有量がごく少量であれば、チタン酸バリウムの含有の有無によって土壌に大きなインピーダンスの変化が起こることはなく、ほぼ同一のインピーダンスとなる。すなわち、従来の交流電気試験方法を用いた地中探査方法では微量な埋蔵物質の探査を行うことはできないのである。
【０００６】
ところで、誘電率は、物質内で発生する分極現象に起因した物理パラメータであり、図８に示すように、界面分極、双極子分極、イオン分極、電子分極等の各分極要因に対応した周波数で大きく変化する周波数特性を有している。これら分極要因のうち界面分極と双極子分極は、低い周波数領域において発生する現象である。
【０００７】
図９（ａ）に示すように、界面分極とは、土壌に印加された電界によって、土壌に含有されている荷電粒子が移動することで引き起こされる現象である。従って、荷電粒子の質量、荷電量、土壌の質や媒質の粘性等によって分極速度が大きく影響を受ける。即ち、荷電粒子が重ければ重い程、分極追従限界周波数は低くなる。反対に、荷電粒子が軽ければ軽いほど分極追従限界周波数は高くなる。また、荷電粒子の荷電量が小さければ小さい程、クーロン力の影響を受け難くなるので、分極追従限界周波数は低くなる。反対に、荷電粒子の荷電量が大きければ大きい程、クーロン力の影響を受け易くなるので、分極追従限界周波数は高くなる。また、土壌が多孔性物質である場合や、土壌に含有されている荷電粒子が微細な粒子である場合には、界面流動性が極めて低いために分極追従限界周波数は低くなる。反対に、土壌に含有されている荷電粒子が大きな粒子である場合や、土壌に含有されている荷電粒子の界面における流動性が高い場合には、分極追従限界周波数は高くなる。このように、界面分極に対応した分極追従限界周波数は、土壌と荷電粒子に関する情報を含んでいる。
【０００８】
図９（ｂ）に示すように、双極子分極とは、土壌に含有される物質を構成する分子自身が分子構造上の理由で分極する現象であり、詳細には、外部からの電界によって分子が回転することによって向きを変える、即ち配向が変わることによって物質が分極する現象である。従って、分子の大きさ、モーメント、形状等によって分極速度が大きく影響を受ける。即ち、分子が大きければ大きい程、分極追従限界周波数は低くなり、反対に、分子が小さければ小さい程、分極追従限界周波数は高くなる。言い換えれば、外部電界によって分子配向が揃い難い程、分極追従限界周波数は低くなり、反対に、外部電界によって分子配向が揃い易い程、分極追従限界周波数は高くなる。このように、双極子分極に対応した分極追従限界周波数は、土壌に含有される物質の分子に関する情報を含んでいる。
【０００９】
上述のように、界面分極および双極子分極に対応する分極追従限界周波数は、土壌の質や、土壌に含有される物質およびその物質の分子の物性に依存して決まる物理パラメータである。特に、双極子分極に対応する分極追従限界周波数は、土壌に含有される物質固有の物理パラメータである。それ故、界面分極あるいは双極子分極に対応する分極追従限界周波数を挟んだ２つの周波数、即ち分極追従限界周波数よりも低い周波数と高い周波数の２つの周波数を選択することにより探査対象物質を選択的に探査することが可能になるのである。
【００１０】
図１０（ａ）に示すように、探査領域となる大地の異なる２点に電流印加電極を設け、２点の電極を介して大地に交流電流を通流させる場合に、探査対象物質固有の分極追従限界周波数を挟んだ第１の周波数ｆ１および第２の周波数ｆ２（ｆ１＜ｆ２）の交流電流をそれぞれ通流させる２つのケースを比較する。図１０（ａ）において、土壌の導電率をσ１、誘電率をε１とし、また、探査対象物質が含有されている領域（図中斜線で示された領域。以下「斜線領域」と呼ぶ）の導電率をσ２、誘電率をε２とする。一般に導電率は周波数によって殆ど変化しないため、斜線領域においては、周波数ｆ１と周波数ｆ２とでは、導電率σ２は変化せず、誘電率ε２だけが変化すると考えられる。図１０（ａ）の等価回路は図１０（ｂ）のように置き換えることができる。図１０（ｂ）において、土壌の抵抗値をＲ１、コンデンサをＣ１とし、斜線領域の抵抗値をＲ２、コンデンサをＣ２とする。周波数ｆ１においては斜線領域の誘電率ε２が高いために、斜線領域に交流電流が流れ易くなる。一方、周波数ｆ２においては誘電率ε２が低下するために、斜線領域に交流電流が流れ難くなる。その結果、斜線領域内を流れる電流密度は、図１０（ｃ）に示すように周波数ｆ１では高くなり、図１０（ｄ）に示すように周波数ｆ２では低くなる。
【００１１】
図１１（ａ）に、交流電流が周波数ｆ１である場合の大地表面の等電位線図を示し、図１１（ｂ）に、交流電流が周波数ｆ２である場合の大地表面の等電位線図を示す。図１１（ａ）に示すように、周波数ｆ１においては斜線領域内に電流は流れ易く、斜線領域の端部間に電位差は生じ難いのに対して、図１１（ｂ）に示すように、周波数ｆ２においては周波数ｆ１と比較して斜線領域内に電流は流れ難くなり、結果として斜線領域の端部間の電位差は大きくなる。
【００１２】
図１１（ｃ）は、交流電流が周波数ｆ１，ｆ２であるときに図１１（ａ）、（ｂ）に示される大地表面の電位分布をそれぞれ計測しておき、両者の差分に基づき２次元補間処理を施して得られた電位差マップを示すものである。この電位差マップは、印加周波数の違いによって変動した電流密度の変動分に起因して発生する大地表面電位分布と等価である。従って、探査対象物質を含有した斜線領域が探査領域に局在している場合には、その斜線領域内に双極子電流源が存在している場合に発生するのと同じ大地表面電位分布が得られることになる。つまり、この場合の大地表面電位分布は１つの山と１つの谷を有するダイポール性の強いダイポールパターンとなる。
【００１３】
図１１（ｄ）は、図１１（ｃ）に示される電位差マップの作成時に得られた２次元補間値に対して、電流印加電極の配置面を平面とみなして互いに直交する平面上の２軸ｘとｙに対してそれぞれ軸方向の微分処理を行い、ｘ方向微分値とｙ方向微分値を電界ベクトルの要素とみなした電界ベクトルマップを示すものである。電界ベクトルの絶対値の大きさに基づいてグラフ化や濃淡処理を行うと、印加周波数の違いによって電流密度が大きく変化した斜線領域の直上部位が最も大きな絶対値や濃い濃度を示すことになるのである。
【００１４】
このように、探査対象物質の誘電率の周波数特性に着目した従来の地中探査方法では、探査対象物質固有の分極追従限界周波数を挟んだ２つの周波数を選択し、印加周波数ごとに電気探査を行って大地表面電位分布を計測しておき、その差分をとることによって選択的に物質の地中探査が行われている。
【００１５】
図１２に、上述した従来の地中探査方法を実行するための地中探査装置の一構成例を示す。なお、この地中探査装置は、揮発性有機溶媒（ＶＯＣ）で汚染された汚染領域を探査することが可能である。
【００１６】
図１２に示す地中探査装置は、発振器２１、電圧電流変換器２２、電流印加電極２３ａ，２３ｂ、測定部２４、保持部２５、演算部２６、電圧測定電極２７ａ〜２７ｅ、電極切換部２８、表示処理部２９、および表示部３０からなる。
【００１７】
発振器２１は、２以上の基本発振周波数を選択可能であり、選択した１の周波数の周波数信号の電圧波形を発生し、電圧電流変換器２２は、発振器２１で発生した電圧波形を交流電流に変換する。
【００１８】
電流印加電極２３ａ，２３ｂは、大地の２点に設けられ、電圧電流変換器２２から供給された交流電流を大地に通流させる電極であり、電圧測定電極２７ａ〜２７ｅは、電流印加電極２３ａ，２３ｂとは異なる位置に設けられた電極である。
【００１９】
電極切換部２８は、電圧測定電極２７ａ〜２７ｅの中から２つの電圧測定電極を任意に選択して、選択した電極間の電圧を測定部２４に供給する。
【００２０】
測定部２４は、電極切換部２８から供給された電圧を増幅器で増幅し、乗算器で印加周波数と乗算し、低域ろ過器を通過させる。
【００２１】
保持部２５は、大地表面の表面電位に相当する測定部２４の出力データをＡＤ変換して、印加周波数ごとに保持する。
【００２２】
演算部２６は、保持部２５で保持された印加周波数ごとの大地表面の表面電位に基づいて、印加周波数を変更したことによって生じた表面電位分布の差分を演算する。
【００２３】
表示処理部２９は、演算部２６で演算されたデータを表示部３０に表示するための表示処理を行う。
【００２４】
このように、図１２に示す地中探査装置は、同一時刻には単一周波数での探査しか行えない構造になっている。すなわち、保持部２５に印加周波数ごとの表面電位の測定結果を保持しておき、演算部２６において表面電位分布の差分を演算しているのである。
【特許文献１】特開平０７−０１２７６６号公報
【特許文献２】特開平０９−１２７２５３号公報
【特許文献３】特開平１０−２９３１８１号公報
【特許文献４】特開２０００−０２８７４３号公報
【特許文献５】特開２００１−０７４８５０号公報
【特許文献６】特開２００２−１５６４６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
上述のような従来の地中探査方法においては、探査対象物質の存在する領域の直上に建物等の障害物が存在する場合には表面電位の計測が物理的に行えない場合がある。このような場合には、障害物が存在する部分の電界ベクトルマップを作成することができないため、探査対象物質の地中探査を行うことができないという課題がある。
【００２６】
そこで本発明の目的は、探査対象物質の存在する領域の直上に障害物がある場合においても、探査対象物質を探査することができる地中探査方法および地中探査装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
上記課題を解決するために本発明は、大地を探査領域として探査対象物質を探査する地中探査方法において、前記探査対象物質の誘電率の周波数特性に基づいて互いに異なる第１および第２の周波数を選択する第１のステップと、大地表面において予め決められた条件を満たす２点を電流印加位置として選択する第２のステップと、前記第２のステップで選択された２点の電流印加位置間に前記第１の周波数の周波数信号と前記第２の周波数信号とを加算した信号を印加する第３のステップと、大地表面において予め決められた条件を満たしかつ前記電流印加位置以外の２点を電圧測定位置として選択する第４のステップと、前記第４のステップで選択された前記２点の電圧測定位置間の電圧を増幅した信号に、前記第１の周波数の周波数信号から前記第２の周波数の周波数信号を減算した信号を乗算することで交流電圧信号を得る第５のステップと、予め決められた条件を満たす前記２点の電圧測定位置の全組合せについて前記交流電圧信号が得られるまで、前記第４および第５のステップを繰り返させる第６のステップと、予め決められた条件を満たす前記２点の電流印加位置の全組合せについて前記交流電圧信号が得られるまで、前記第２〜第５のステップを繰り返させる第７のステップと、前記２点の電流印加位置の組合せごとに、前記第４のステップで得られた交流電圧信号に基づいて、前記第１および第２の周波数の周波数信号をそれぞれ単独で印加した時の大地表面電位の差分に相当する２次元分布を作成する第８のステップと、前記２点の電流印加位置の組合せごとに、前記第８のステップで作成された２次元分布において、該２次元分布上の任意点を基準値とした時に電位差が正方向および負方向にそれぞれピークとなる２つのピーク位置を検出する第９のステップと、前記２点の電流印加位置の組合せに応じて大地中の交流電流の通流方向が変化することに伴って回転移動する前記２つのピーク位置の回転中心を、前記探査対象物質の位置として求める第１０のステップとを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
上記のように構成された本発明によれば、２つの電圧印加位置を選択し、選択した２つの電圧印加位置に沿って電流を通流させた状態での大地表面電位の電位差測定を行う。そうすると、大地表面の電位差がピークとなるピーク位置が、探査対象物質が存在する領域の直上から通流方向に沿った位置に出現するため、ピークの位置情報に基づいて、探査対象物質の位置および深度を特定することができる。それにより、障害物の直下に探査対象物質が存在している場合でも地中探査を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、以下で参照する図面において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明は繰り返さないこととする。
【００３０】
図１は、本発明の一実施形態による地中探査方法の手順を説明するフローチャートである。
【００３１】
まず、探査対象物質の誘電率の周波数特性に基づいて、互いに異なる第１の周波数ｆ１および第２の周波数ｆ２（ｆ１＜ｆ２）を選択する（ステップ１）。第１の周波数ｆ１および第２の周波数ｆ２は、探査対象物質の双極子分極に対応する分極追従限界周波数を挟んだ値、即ち一方の周波数が分極追従限界周波数よりも低く、他方の周波数が分極追従限界周波数よりも高くなるような値とし、かつ他の探査対象物質を探査する場合の第１および第２の周波数を挟まないような値とする。
【００３２】
次に、探査領域である大地表面上において、予め決められた条件を満たす２点を電流印加位置として選択する（ステップ２）。ここでの条件としては、例えば、探査対象物質の存在する領域から電流印加位置をできる限り離すために、２点の電流印加位置の各々が探査領域の辺縁部に配置されている条件が挙げられる。この場合、探査領域の辺縁部に等間隔に予め２つ以上の電流印加位置を選定し、その中から２つの電流印加位置を選択するのが好ましい。また、これ以外の条件としては、２点の電流印加位置が探査領域中心を挟み込むように配置されている条件が挙げられる。
【００３３】
次に、ステップ１で選択した第１の周波数ｆ１の正弦波と第２の周波数ｆ２の正弦波とを加算した交流電圧信号ｓｉｎ２πｆ１ｔ＋ｓｉｎ２πｆ２ｔを、ステップ２で選択した２つの電流印加位置にそれぞれ配置された２つの電流印加電極間に印加する（ステップ３）。なお、精密な計測を行うためには、各周波数の電流振幅が等しくなるように交流電圧信号の電圧振幅を制御して、交流電圧信号を印加することが好ましい。この処理は周波数毎に定電流駆動することと等価な処理である。本実施形態では、各周波数の正弦波を周波数信号として用いるが、本発明は正弦波に限定されず、別の波形を用いても良い。
【００３４】
次に、探査領域である大地表面上において、ステップ２で選択した２つの電流印加位置とは異なり、かつ予め決められた条件を満たす条件を満たす２点を電圧測定位置として選択する（ステップ４）。ここでの条件としては、例えば、大地表面電位を計測可能な領域（即ち、障害物が存在していて大地表面電位を計測することが不可能な場所を除く領域）において、予め選定された電圧測定位置の中から２つの電圧測定位置が選択される条件が挙げられる。この場合、大地表面電位を計測可能な領域において可能な限り網状に均等な密度で予め２点以上の電圧測定位置を選定し、その中から２つの電圧測定位置を選択するのが好ましい。そうすることにより、後述のように、電位差のピーク値となる山と谷の位置を正確に検出することができるようになる。また、これ以外の条件としては、２つの電圧測定位置間の距離が予め決められている距離の範囲内にある条件が挙げられる。
【００３５】
次に、ステップ４で選択された２点の電圧測定位置にそれぞれ配置されている２つの電圧測定電極間の電圧を測定し、さらに、測定した電圧を増幅した交流電圧信号と乗算用の交流電圧信号ｓｉｎ２πｆ１ｔ−ｓｉｎ２πｆ２ｔとを乗算し、それにより得られた交流電圧信号を保持する（ステップ５）。ここで得られた交流電圧信号は、第１の周波数ｆ１の正弦波を単独で印加したときの表面電位と、第２の周波数ｆ２の正弦波を単独で印加したときの表面電位との差分である電位差に相当する。
【００３６】
従来の地中探査方法のように、第１の周波数ｆ１と第２の周波数ｆ２とを個別に処理する場合、大地表面には微弱な電位変化しか現れず、その電位差をＡＤ変換する時に桁落ちが発生するおそれがあるとともに、地中探査装置の回路上での誤算が発生するおそれがある。これに対して、本実施形態では、第１の周波数ｆ１と第２の周波数ｆ２とを同時に処理する同期検波処理を行うことにより、上述した桁落ちや地中探査装置の回路上の誤算といった問題を回避することができる。
【００３７】
次に、予め決められた条件を満たす２点の電圧測定位置の全組合せについて、ステップ４，５の処理を実施したか否かを判定する（ステップ６）。全組合せについて実施している場合はステップ７に進むが、実施していない場合はステップ４，５の処理を繰り返す。即ち、予め決められた条件を満たす２点の電圧測定位置の全組合せについて、同期検波処理によるデータ収集が行えるまで処理を続行する。
【００３８】
次に、予め決められた条件を満たす２点の電流印加位置の全組合せについて、ステップ２〜５の処理を実施したか否かを判定する（ステップ７）。全組合せについて実施している場合はステップ８に進むが、実施していない場合はステップ２〜５の処理を繰り返す。これは、ある通流方向での大地表面電位の電位差測定を終えたら、通流方向を変えて表面電位の電位差測定をやり直すことを意味する。なお、表面電位の電位差測定は、電流印加位置の少なくとも２以上の組合せで行うものとする。
【００３９】
次に、２点の電流印加位置の組合せごとに、ステップ５で得られた交流電圧信号に基づき、第１の周波数ｆ１の正弦波を単独で印加したときの表面電位と第２の周波数ｆ２の正弦波を単独で印加したときの表面電位との差分に相当する図２に示すような２次元分布（大地表面の電位差分布）を作成する（ステップ８）。
【００４０】
次に、２点の電流印加位置の組合せごとに、ステップ８で求めた２次元分布において、２次元分布上の任意点を基準値“０”とした時に、電位差が正方向にピークとなる山の位置と、負方向にピークとなる谷の位置とを検出する（ステップ９）。
【００４１】
次に、２点の電流印加位置の組合せに応じて交流電流の通流方向が変化することに伴って回転移動する山と谷の出現位置の回転中心を、探査対象物質の位置（ｘ方向とｙ方向）として求める（ステップ１０）。
【００４２】
その後、２次元分布上の山と谷との間の距離を示すピーク間隔に基づき探査対象物質の深度（ｚ方向）を求める（ステップ１１）。なお、上記のピーク間隔は、２点の電流印加位置の組合せに関わらず共通である。ピーク間隔と探査対象物質の存在する領域の深度には、図３に示すような関係がある。即ち、ピーク間隔が４０ｍ程度以下の範囲では、ピーク間隔が１９ｍの時に探査対象物質の存在する領域の深度が１２ｍであることから、ピーク間隔の１／２〜２／３が深度に相当することがわかる。
【００４３】
ここで、本実施形態の地中探査方法により、障害物の直下にある探査対象物質をも探査が可能になる原理について図４および図５を用いて説明する。
【００４４】
本実施形態の地中探査方法では、２つの周波数ｆ１，ｆ２の正弦波を同時に印加しながら、２つの周波数ｆ１，ｆ２の正弦波の差信号を用いた同期検波処理を行っている。このように、２つの周波数ｆ１，ｆ２の正弦波を同時に印加すると、印加周波数が変わったことにより探査対象物質の存在する領域のインピーダンスがわずかに変化し、探査対象物質の存在する領域とその周囲の領域とで電流密度が変化する。その電流密度の変化成分のみをプロットすると、図４に示すような電流分布が得られる。言い換えれば、上述の同期検波処理を行うことは、図４に示すような電流分布の変化に起因して発生する表面電位分布を測定するのと等価な値を計測することになる。
【００４５】
即ち、探査対象物質の誘電率が第１の周波数ｆ１よりも第２の周波数ｆ２の方が低下すれば、探査対象物質が存在する領域内の電流密度は第２の周波数ｆ２の方が第１の周波数ｆ１に比べて低下することを意味する。探査対象物質が存在する領域内の電流密度が低下するということは、図４に示すように探査対象物質が存在している周囲の領域の電流密度がその分増加することを意味する。
【００４６】
その結果、探査領域において、探査対象物質が存在する領域が局在する場合には、探査対象物質が存在する領域内に電流印加方向とほぼ等しい方向ベクトルの双極子電流源を置いた場合の電流分布が発生することになる。それ故、探査対象物質が存在する領域の直上の大地表面から離れた位置でかつ通流方向に沿った位置に、電位差が正方向にピークとなり交流電流の湧き出し点となる山と、電位差が負方向にピークとなり交流電流の吸い込み点となる谷とが生じることになる。
【００４７】
このため、上述の同期検波処理を行うことにより、大地表面には山と谷の２つのピークを有する電位分布が発生したのと等価の、図２に示したような２次元分布（大地表面の電位差分布）を得ることができるのである。
【００４８】
また、本実施形態の地中探査方法では、２点の電流印加位置の組合せで同期検波処理を繰り返し行っている。このように、２点の電流印加位置の組合せを変更すれば、図５に示すように、通流方向に依存して山と谷の出現位置も探査対象物質が存在する領域を中心として回転することになる。それ故、探査対象物質が存在する領域の直上に障害物がある場合でも、山と谷の検出に成功すれば、探査対象物質が存在する領域の位置や深度を求めることができるのである。
【００４９】
図６に、上述した本実施形態の地中探査方法を実行するための地中探査装置の一構成例を示す。この地中探査装置は、図１２と同様に、揮発性有機溶媒（ＶＯＣ）で汚染された汚染領域を探査することが可能である。
【００５０】
図６に示す地中探査装置は、発振器６１ａ，６１ｂ、加算部６２、電圧電流変換器６３、電流供給選択部６４、電流印加電極６５ａ〜６５ｆ、電圧測定電極６６ａ〜６６ｅ、電極切換部６７、減算部６８、測定部６９、保持部７０、演算部７１、表示処理部７２、および表示部７３からなる。
【００５１】
発振器６１ａ，６１ｂは、２以上の基本発振周波数を選択可能であり、一方が第１の周波数ｆ１の正弦波の電圧波形を発生し、他方が第２の周波数ｆ１の正弦波の電圧波形を発生する。
【００５２】
加算部６２は、第１の周波数ｆ１の正弦波と第２の周波数ｆ１の正弦波とを加算し、減算部６８は、第１の周波数ｆ１の正弦波から第２の周波数ｆ１の正弦波を減算する。
【００５３】
電圧電流変換器６３は、加算部６２で加算された交流電圧信号の電圧波形を交流電流に変換する。
【００５４】
電流印加電極６５ａ〜６５ｆは、交流電流を大地に通流させるために設けられた電極である。
【００５５】
電流供給選択部６４は、電流印加電極６５ａ〜６５ｆの中から予め決められた条件を満たす２つの電圧測定電極を選択して、電圧電流変換器６３から供給された交流電流を、選択した電極を介して大地に通流させる。
【００５６】
電圧測定電極６６ａ〜６６ｅは、電流印加電極６５ａ〜６５ｆとは異なる位置に設けられた電極である。
【００５７】
電極切換部６７は、電圧測定電極６６ａ〜６６ｅの中から予め決められた条件を満たす２つの電圧測定電極を選択して、選択した電極間の電圧を測定部６９に供給する。
【００５８】
測定部６９は、電極切換部６７から供給された電圧を増幅器で増幅し、乗算器で減算部６８の出力データと乗算し、低域ろ過器を通過させて交流電圧信号を得る。
【００５９】
保持部２５は、第１の周波数ｆ１の正弦波を単独で印加したときの表面電位と第２の周波数ｆ２の正弦波を単独で印加したときの表面電位との電位差に相当する測定部６９の出力データをＡＤ変換して保持する。
【００６０】
演算部７１は、予め決められた条件を満たす２つの電圧測定電極の全組合せについて、予め決められた条件を満たす２つの電圧測定電極の全組合せで測定部６９の測定が終了した後、２つの電圧測定電極の組合せごとに、測定部６９にて測定された交流電圧信号に基づいて、第１の周波数ｆ１の正弦波を単独で印加したときの表面電位と第２の周波数ｆ２の正弦波を単独で印加したときの表面電位との差分に相当する２次元分布（大地表面の電位差分布）を作成する。そして、２次元分布上の任意点を基準値“０”とした時に、電位差が正方向にピークとなる山の位置と、負方向にピークとなる谷の位置とを検出し、さらに、２点の電流印加位置の組合せに応じて交流電流の通流方向が変化することに伴って回転移動する山と谷の出現位置の回転中心を、探査対象物質の位置として求める。
【００６１】
さらに、演算部７１は、山の位置と谷の位置との間の距離を示すピーク間隔を求め、求めたピーク間隔に基づき探査対象物質の深度を求める。
【００６２】
表示処理部７２は、演算部７１で演算されたデータを表示部３０に表示するための表示処理を行う。
【００６３】
なお、上記で開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明によれば、大地表面から交流電流を通流させて表面電位を計測する非侵襲的な地中探査方法であるため、地中に存在している可能性がある特定の汚染物質により低濃度で汚染された領域の存在を選択的に探査し、汚染物質を特定することや、その汚染物質の位置および深度を求めることが可能になる。即ち、調査に長時間を要する侵襲的な掘削調査を行わなくても済むので、短時間かつ低価格で堀削調査を行うことが可能になる。
【００６５】
さらに、掘削調査方法の場合、調査可能なのは掘削した部分に限られるため、掘削部分は汚染されていなくても、未掘削部分が汚染されていない保障は無かった。即ち、掘削部の間の領域や掘削深度より深い領域が汚染されている可能性は残っており、汚染源を捜すことができない探査漏れが発生する場合が存在した。これに対して、本発明によれば、上述の探査漏れは発生し難い。直上に建物が建っており掘削のできない位置に探査対象物質が存在する領域があっても、本発明によればその領域を探査することが可能となる。
【００６６】
また、本発明によれば、汚染領域の汚染源となる揮発性有機溶媒（ＶＯＣ）、重金属、油脂等の物質の特定や、その汚染領域の位置および深度の特定に利用できるのみならず、資源探査や、水道導管からの漏水検出、地下構造物の探査、対人地雷の探査等の様々な分野での利用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の一実施形態による地中探査方法を説明するフローチャートである。
【図２】探査対象物質が存在する領域付近の大地表面電位の電位差分布を示す２次元分布を説明する図である。
【図３】２次元分布において電位差が正方向および負方向に最大となる２つのピーク位置の間隔と、探査対象物質が存在する領域の深度との関係を説明する図である。
【図４】探査対象物質が存在する領域付近の電流分布を説明する図である。
【図５】電流印加位置を変更した時に２つのピーク位置が回転移動する現象を説明する図である。
【図６】本実施形態の地中探査方法を実行するための地中探査装置の一構成例を示す図である。
【図７】土壌物質や化学物質の比誘電率を示す図表である。
【図８】誘電率の周波数依存性とその要因について説明する図である。
【図９】界面分極と双極子分極の原理について説明する図である。
【図１０】印加周波数による誘電率の変化に起因して大地の深部地質の部分的差異によって通流経路や電流密度が変わることを説明する図である。
【図１１】印加周波数による誘電率の変化に起因して大地表面の電位分布が変化し、選択的に地中に含有する物質の探査が行えることを説明する図である。
【図１２】従来の地中探査方法を実行するための地中探査装置の一構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００６８】
１〜１１ ステップ
６１ａ，６１ｂ 発振器
６２ 加算部
６３ 電圧電流変換器
６４ 電流供給選択部
６５ａ〜６５ｆ 電流印加電極
６６ａ〜６６ｅ 電圧測定電極
６７ 電極切換部
６８ 減算部
６９ 測定部
７０ 保持部
７１ 演算部
７２ 表示処理部
７３ 表示部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電気試験方法を用いて地中探査を行う地中探査方法および地中探査装置に関する。さらに詳細に言えば、探査対象物質の誘電率の周波数特性に基づいて互いに異なる第１および第２の周波数を選択し、探査領域となる大地の異なる２点を介して第１の周波数の交流電流を大地に通流させたときの大地表面電位と第２の周波数の交流電流を大地に通流させたときの大地表面電位との電位差をさらに別の２点で測定することによって、地中に埋設したあるいは地中に含有している探査対象物質を選択的に探査する地中探査方法および地中探査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、地中探査方法として、探査領域である大地に交流電流を通流させる交流電気試験方法を用いて地中探査を行う方法が知られている。交流電気試験方法を用いた地中探査方法としては、特許文献１〜６が存在する。
【０００３】
土壌構成物質や土壌に含有される化学物質は、界面分極、双極子分極等の物性に起因して、誘電率が周波数に依存するという特性を有している。そのため、最近は、交流電気試験方法として、探査対象物質の誘電率の周波数特性に着目した方法が検討されている。
【０００４】
以下、探査対象物質の誘電率の周波数特性に着目した従来の地中探査方法について説明する。
【０００５】
図７に示すように、土壌構成物質や土壌に含有される化学物質は様々な誘電率特性を有している。しかしながら、誘電率が５から４０程度である土壌中に、誘電率数が１０００以上であるチタン酸バリウムが含有されていても、その含有量がごく少量であれば、チタン酸バリウムの含有の有無によって土壌に大きなインピーダンスの変化が起こることはなく、ほぼ同一のインピーダンスとなる。すなわち、従来の交流電気試験方法を用いた地中探査方法では微量な埋蔵物質の探査を行うことはできないのである。
【０００６】
ところで、誘電率は、物質内で発生する分極現象に起因した物理パラメータであり、図８に示すように、界面分極、双極子分極、イオン分極、電子分極等の各分極要因に対応した周波数で大きく変化する周波数特性を有している。これら分極要因のうち界面分極と双極子分極は、低い周波数領域において発生する現象である。
【０００７】
図９（ａ）に示すように、界面分極とは、土壌に印加された電界によって、土壌に含有されている荷電粒子が移動することで引き起こされる現象である。従って、荷電粒子の質量、荷電量、土壌の質や媒質の粘性等によって分極速度が大きく影響を受ける。即ち、荷電粒子が重ければ重い程、分極追従限界周波数は低くなる。反対に、荷電粒子が軽ければ軽いほど分極追従限界周波数は高くなる。また、荷電粒子の荷電量が小さければ小さい程、クーロン力の影響を受け難くなるので、分極追従限界周波数は低くなる。反対に、荷電粒子の荷電量が大きければ大きい程、クーロン力の影響を受け易くなるので、分極追従限界周波数は高くなる。また、土壌が多孔性物質である場合や、土壌に含有されている荷電粒子が微細な粒子である場合には、界面流動性が極めて低いために分極追従限界周波数は低くなる。反対に、土壌に含有されている荷電粒子が大きな粒子である場合や、土壌に含有されている荷電粒子の界面における流動性が高い場合には、分極追従限界周波数は高くなる。このように、界面分極に対応した分極追従限界周波数は、土壌と荷電粒子に関する情報を含んでいる。
【０００８】
図９（ｂ）に示すように、双極子分極とは、土壌に含有される物質を構成する分子自身が分子構造上の理由で分極する現象であり、詳細には、外部からの電界によって分子が回転することによって向きを変える、即ち配向が変わることによって物質が分極する現象である。従って、分子の大きさ、モーメント、形状等によって分極速度が大きく影響を受ける。即ち、分子が大きければ大きい程、分極追従限界周波数は低くなり、反対に、分子が小さければ小さい程、分極追従限界周波数は高くなる。言い換えれば、外部電界によって分子配向が揃い難い程、分極追従限界周波数は低くなり、反対に、外部電界によって分子配向が揃い易い程、分極追従限界周波数は高くなる。このように、双極子分極に対応した分極追従限界周波数は、土壌に含有される物質の分子に関する情報を含んでいる。
【０００９】
上述のように、界面分極および双極子分極に対応する分極追従限界周波数は、土壌の質や、土壌に含有される物質およびその物質の分子の物性に依存して決まる物理パラメータである。特に、双極子分極に対応する分極追従限界周波数は、土壌に含有される物質固有の物理パラメータである。それ故、界面分極あるいは双極子分極に対応する分極追従限界周波数を挟んだ２つの周波数、即ち分極追従限界周波数よりも低い周波数と高い周波数の２つの周波数を選択することにより探査対象物質を選択的に探査することが可能になるのである。
【００１０】
図１０（ａ）に示すように、探査領域となる大地の異なる２点に電流印加電極を設け、２点の電極を介して大地に交流電流を通流させる場合に、探査対象物質固有の分極追従限界周波数を挟んだ第１の周波数ｆ１および第２の周波数ｆ２（ｆ１＜ｆ２）の交流電流をそれぞれ通流させる２つのケースを比較する。図１０（ａ）において、土壌の導電率をσ１、誘電率をε１とし、また、探査対象物質が含有されている領域（図中斜線で示された領域。以下「斜線領域」と呼ぶ）の導電率をσ２、誘電率をε２とする。一般に導電率は周波数によって殆ど変化しないため、斜線領域においては、周波数ｆ１と周波数ｆ２とでは、導電率σ２は変化せず、誘電率ε２だけが変化すると考えられる。図１０（ａ）の等価回路は図１０（ｂ）のように置き換えることができる。図１０（ｂ）において、土壌の抵抗値をＲ１、コンデンサをＣ１とし、斜線領域の抵抗値をＲ２、コンデンサをＣ２とする。周波数ｆ１においては斜線領域の誘電率ε２が高いために、斜線領域に交流電流が流れ易くなる。一方、周波数ｆ２においては誘電率ε２が低下するために、斜線領域に交流電流が流れ難くなる。その結果、斜線領域内を流れる電流密度は、図１０（ｃ）に示すように周波数ｆ１では高くなり、図１０（ｄ）に示すように周波数ｆ２では低くなる。
【００１１】
図１１（ａ）に、交流電流が周波数ｆ１である場合の大地表面の等電位線図を示し、図１１（ｂ）に、交流電流が周波数ｆ２である場合の大地表面の等電位線図を示す。図１１（ａ）に示すように、周波数ｆ１においては斜線領域内に電流は流れ易く、斜線領域の端部間に電位差は生じ難いのに対して、図１１（ｂ）に示すように、周波数ｆ２においては周波数ｆ１と比較して斜線領域内に電流は流れ難くなり、結果として斜線領域の端部間の電位差は大きくなる。
【００１２】
図１１（ｃ）は、交流電流が周波数ｆ１，ｆ２であるときに図１１（ａ）、（ｂ）に示される大地表面の電位分布をそれぞれ計測しておき、両者の差分に基づき２次元補間処理を施して得られた電位差マップを示すものである。この電位差マップは、印加周波数の違いによって変動した電流密度の変動分に起因して発生する大地表面電位分布と等価である。従って、探査対象物質を含有した斜線領域が探査領域に局在している場合には、その斜線領域内に双極子電流源が存在している場合に発生するのと同じ大地表面電位分布が得られることになる。つまり、この場合の大地表面電位分布は１つの山と１つの谷を有するダイポール性の強いダイポールパターンとなる。
【００１３】
図１１（ｄ）は、図１１（ｃ）に示される電位差マップの作成時に得られた２次元補間値に対して、電流印加電極の配置面を平面とみなして互いに直交する平面上の２軸ｘとｙに対してそれぞれ軸方向の微分処理を行い、ｘ方向微分値とｙ方向微分値を電界ベクトルの要素とみなした電界ベクトルマップを示すものである。電界ベクトルの絶対値の大きさに基づいてグラフ化や濃淡処理を行うと、印加周波数の違いによって電流密度が大きく変化した斜線領域の直上部位が最も大きな絶対値や濃い濃度を示すことになるのである。
【００１４】
このように、探査対象物質の誘電率の周波数特性に着目した従来の地中探査方法では、探査対象物質固有の分極追従限界周波数を挟んだ２つの周波数を選択し、印加周波数ごとに電気探査を行って大地表面電位分布を計測しておき、その差分をとることによって選択的に物質の地中探査が行われている。
【００１５】
図１２に、上述した従来の地中探査方法を実行するための地中探査装置の一構成例を示す。なお、この地中探査装置は、揮発性有機溶媒（ＶＯＣ）で汚染された汚染領域を探査することが可能である。
【００１６】
図１２に示す地中探査装置は、発振器２１、電圧電流変換器２２、電流印加電極２３ａ，２３ｂ、測定部２４、保持部２５、演算部２６、電圧測定電極２７ａ〜２７ｅ、電極切換部２８、表示処理部２９、および表示部３０からなる。
【００１７】
発振器２１は、２以上の基本発振周波数を選択可能であり、選択した１の周波数の周波数信号の電圧波形を発生し、電圧電流変換器２２は、発振器２１で発生した電圧波形を交流電流に変換する。
【００１８】
電流印加電極２３ａ，２３ｂは、大地の２点に設けられ、電圧電流変換器２２から供給された交流電流を大地に通流させる電極であり、電圧測定電極２７ａ〜２７ｅは、電流印加電極２３ａ，２３ｂとは異なる位置に設けられた電極である。
【００１９】
電極切換部２８は、電圧測定電極２７ａ〜２７ｅの中から２つの電圧測定電極を任意に選択して、選択した電極間の電圧を測定部２４に供給する。
【００２０】
測定部２４は、電極切換部２８から供給された電圧を増幅器で増幅し、乗算器で印加周波数と乗算し、低域ろ過器を通過させる。
【００２１】
保持部２５は、大地表面の表面電位に相当する測定部２４の出力データをＡＤ変換して、印加周波数ごとに保持する。
【００２２】
演算部２６は、保持部２５で保持された印加周波数ごとの大地表面の表面電位に基づいて、印加周波数を変更したことによって生じた表面電位分布の差分を演算する。
【００２３】
表示処理部２９は、演算部２６で演算されたデータを表示部３０に表示するための表示処理を行う。
【００２４】
このように、図１２に示す地中探査装置は、同一時刻には単一周波数での探査しか行えない構造になっている。すなわち、保持部２５に印加周波数ごとの表面電位の測定結果を保持しておき、演算部２６において表面電位分布の差分を演算しているのである。
【特許文献１】特開平０７−０１２７６６号公報
【特許文献２】特開平０９−１２７２５３号公報
【特許文献３】特開平１０−２９３１８１号公報
【特許文献４】特開２０００−０２８７４３号公報
【特許文献５】特開２００１−０７４８５０号公報
【特許文献６】特開２００２−１５６４６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
上述のような従来の地中探査方法においては、探査対象物質の存在する領域の直上に建物等の障害物が存在する場合には表面電位の計測が物理的に行えない場合がある。このような場合には、障害物が存在する部分の電界ベクトルマップを作成することができないため、探査対象物質の地中探査を行うことができないという課題がある。
【００２６】
そこで本発明の目的は、探査対象物質の存在する領域の直上に障害物がある場合においても、探査対象物質を探査することができる地中探査方法および地中探査装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
上記課題を解決するために本発明は、大地を探査領域として探査対象物質を探査する地中探査方法において、前記探査対象物質の誘電率の周波数特性に基づいて互いに異なる第１および第２の周波数を選択する第１のステップと、大地表面において予め決められた条件を満たす２点を電流印加位置として選択する第２のステップと、前記第２のステップで選択された２点の電流印加位置間に前記第１の周波数の周波数信号と前記第２の周波数信号とを加算した信号を印加する第３のステップと、大地表面において予め決められた条件を満たしかつ前記電流印加位置以外の２点を電圧測定位置として選択する第４のステップと、前記第４のステップで選択された前記２点の電圧測定位置間の電圧を増幅した信号に、前記第１の周波数の周波数信号から前記第２の周波数の周波数信号を減算した信号を乗算することで交流電圧信号を得る第５のステップと、予め決められた条件を満たす前記２点の電圧測定位置の全組合せについて前記交流電圧信号が得られるまで、前記第４および第５のステップを繰り返させる第６のステップと、予め決められた条件を満たす前記２点の電流印加位置の全組合せについて前記交流電圧信号が得られるまで、前記第２〜第５のステップを繰り返させる第７のステップと、前記２点の電流印加位置の組合せごとに、前記第４のステップで得られた交流電圧信号に基づいて、前記第１および第２の周波数の周波数信号をそれぞれ単独で印加した時の大地表面電位の差分に相当する２次元分布を作成する第８のステップと、前記２点の電流印加位置の組合せごとに、前記第８のステップで作成された２次元分布において、該２次元分布上の任意点を基準値とした時に電位差が正方向および負方向にそれぞれピークとなる２つのピーク位置を検出する第９のステップと、前記２点の電流印加位置の組合せに応じて大地中の交流電流の通流方向が変化することに伴って回転移動する前記２つのピーク位置の回転中心を、前記探査対象物質の位置として求める第１０のステップとを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
上記のように構成された本発明によれば、２つの電圧印加位置を選択し、選択した２つの電圧印加位置に沿って電流を通流させた状態での大地表面電位の電位差測定を行う。そうすると、大地表面の電位差がピークとなるピーク位置が、探査対象物質が存在する領域の直上から通流方向に沿った位置に出現するため、ピークの位置情報に基づいて、探査対象物質の位置および深度を特定することができる。それにより、障害物の直下に探査対象物質が存在している場合でも地中探査を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、以下で参照する図面において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明は繰り返さないこととする。
【００３０】
図１は、本発明の一実施形態による地中探査方法の手順を説明するフローチャートである。
【００３１】
まず、探査対象物質の誘電率の周波数特性に基づいて、互いに異なる第１の周波数ｆ１および第２の周波数ｆ２（ｆ１＜ｆ２）を選択する（ステップ１）。第１の周波数ｆ１および第２の周波数ｆ２は、探査対象物質の双極子分極に対応する分極追従限界周波数を挟んだ値、即ち一方の周波数が分極追従限界周波数よりも低く、他方の周波数が分極追従限界周波数よりも高くなるような値とし、かつ他の探査対象物質を探査する場合の第１および第２の周波数を挟まないような値とする。
【００３２】
次に、探査領域である大地表面上において、予め決められた条件を満たす２点を電流印加位置として選択する（ステップ２）。ここでの条件としては、例えば、探査対象物質の存在する領域から電流印加位置をできる限り離すために、２点の電流印加位置の各々が探査領域の辺縁部に配置されている条件が挙げられる。この場合、探査領域の辺縁部に等間隔に予め２つ以上の電流印加位置を選定し、その中から２つの電流印加位置を選択するのが好ましい。また、これ以外の条件としては、２点の電流印加位置が探査領域中心を挟み込むように配置されている条件が挙げられる。
【００３３】
次に、ステップ１で選択した第１の周波数ｆ１の正弦波と第２の周波数ｆ２の正弦波とを加算した交流電圧信号ｓｉｎ２πｆ１ｔ＋ｓｉｎ２πｆ２ｔを、ステップ２で選択した２つの電流印加位置にそれぞれ配置された２つの電流印加電極間に印加する（ステップ３）。なお、精密な計測を行うためには、各周波数の電流振幅が等しくなるように交流電圧信号の電圧振幅を制御して、交流電圧信号を印加することが好ましい。この処理は周波数毎に定電流駆動することと等価な処理である。本実施形態では、各周波数の正弦波を周波数信号として用いるが、本発明は正弦波に限定されず、別の波形を用いても良い。
【００３４】
次に、探査領域である大地表面上において、ステップ２で選択した２つの電流印加位置とは異なり、かつ予め決められた条件を満たす条件を満たす２点を電圧測定位置として選択する（ステップ４）。ここでの条件としては、例えば、大地表面電位を計測可能な領域（即ち、障害物が存在していて大地表面電位を計測することが不可能な場所を除く領域）において、予め選定された電圧測定位置の中から２つの電圧測定位置が選択される条件が挙げられる。この場合、大地表面電位を計測可能な領域において可能な限り網状に均等な密度で予め２点以上の電圧測定位置を選定し、その中から２つの電圧測定位置を選択するのが好ましい。そうすることにより、後述のように、電位差のピーク値となる山と谷の位置を正確に検出することができるようになる。また、これ以外の条件としては、２つの電圧測定位置間の距離が予め決められている距離の範囲内にある条件が挙げられる。
【００３５】
次に、ステップ４で選択された２点の電圧測定位置にそれぞれ配置されている２つの電圧測定電極間の電圧を測定し、さらに、測定した電圧を増幅した交流電圧信号と乗算用の交流電圧信号ｓｉｎ２πｆ１ｔ−ｓｉｎ２πｆ２ｔとを乗算し、それにより得られた交流電圧信号を保持する（ステップ５）。ここで得られた交流電圧信号は、第１の周波数ｆ１の正弦波を単独で印加したときの表面電位と、第２の周波数ｆ２の正弦波を単独で印加したときの表面電位との差分である電位差に相当する。
【００３６】
従来の地中探査方法のように、第１の周波数ｆ１と第２の周波数ｆ２とを個別に処理する場合、大地表面には微弱な電位変化しか現れず、その電位差をＡＤ変換する時に桁落ちが発生するおそれがあるとともに、地中探査装置の回路上での誤算が発生するおそれがある。これに対して、本実施形態では、第１の周波数ｆ１と第２の周波数ｆ２とを同時に処理する同期検波処理を行うことにより、上述した桁落ちや地中探査装置の回路上の誤算といった問題を回避することができる。
【００３７】
次に、予め決められた条件を満たす２点の電圧測定位置の全組合せについて、ステップ４，５の処理を実施したか否かを判定する（ステップ６）。全組合せについて実施している場合はステップ７に進むが、実施していない場合はステップ４，５の処理を繰り返す。即ち、予め決められた条件を満たす２点の電圧測定位置の全組合せについて、同期検波処理によるデータ収集が行えるまで処理を続行する。
【００３８】
次に、予め決められた条件を満たす２点の電流印加位置の全組合せについて、ステップ２〜５の処理を実施したか否かを判定する（ステップ７）。全組合せについて実施している場合はステップ８に進むが、実施していない場合はステップ２〜５の処理を繰り返す。これは、ある通流方向での大地表面電位の電位差測定を終えたら、通流方向を変えて表面電位の電位差測定をやり直すことを意味する。なお、表面電位の電位差測定は、電流印加位置の少なくとも２以上の組合せで行うものとする。
【００３９】
次に、２点の電流印加位置の組合せごとに、ステップ５で得られた交流電圧信号に基づき、第１の周波数ｆ１の正弦波を単独で印加したときの表面電位と第２の周波数ｆ２の正弦波を単独で印加したときの表面電位との差分に相当する図２に示すような２次元分布（大地表面の電位差分布）を作成する（ステップ８）。
【００４０】
次に、２点の電流印加位置の組合せごとに、ステップ８で求めた２次元分布において、２次元分布上の任意点を基準値“０”とした時に、電位差が正方向にピークとなる山の位置と、負方向にピークとなる谷の位置とを検出する（ステップ９）。
【００４１】
次に、２点の電流印加位置の組合せに応じて交流電流の通流方向が変化することに伴って回転移動する山と谷の出現位置の回転中心を、探査対象物質の位置（ｘ方向とｙ方向）として求める（ステップ１０）。
【００４２】
その後、２次元分布上の山と谷との間の距離を示すピーク間隔に基づき探査対象物質の深度（ｚ方向）を求める（ステップ１１）。なお、上記のピーク間隔は、２点の電流印加位置の組合せに関わらず共通である。ピーク間隔と探査対象物質の存在する領域の深度には、図３に示すような関係がある。即ち、ピーク間隔が４０ｍ程度以下の範囲では、ピーク間隔が１９ｍの時に探査対象物質の存在する領域の深度が１２ｍであることから、ピーク間隔の１／２〜２／３が深度に相当することがわかる。
【００４３】
ここで、本実施形態の地中探査方法により、障害物の直下にある探査対象物質をも探査が可能になる原理について図４および図５を用いて説明する。
【００４４】
本実施形態の地中探査方法では、２つの周波数ｆ１，ｆ２の正弦波を同時に印加しながら、２つの周波数ｆ１，ｆ２の正弦波の差信号を用いた同期検波処理を行っている。このように、２つの周波数ｆ１，ｆ２の正弦波を同時に印加すると、印加周波数が変わったことにより探査対象物質の存在する領域のインピーダンスがわずかに変化し、探査対象物質の存在する領域とその周囲の領域とで電流密度が変化する。その電流密度の変化成分のみをプロットすると、図４に示すような電流分布が得られる。言い換えれば、上述の同期検波処理を行うことは、図４に示すような電流分布の変化に起因して発生する表面電位分布を測定するのと等価な値を計測することになる。
【００４５】
即ち、探査対象物質の誘電率が第１の周波数ｆ１よりも第２の周波数ｆ２の方が低下すれば、探査対象物質が存在する領域内の電流密度は第２の周波数ｆ２の方が第１の周波数ｆ１に比べて低下することを意味する。探査対象物質が存在する領域内の電流密度が低下するということは、図４に示すように探査対象物質が存在している周囲の領域の電流密度がその分増加することを意味する。
【００４６】
その結果、探査領域において、探査対象物質が存在する領域が局在する場合には、探査対象物質が存在する領域内に電流印加方向とほぼ等しい方向ベクトルの双極子電流源を置いた場合の電流分布が発生することになる。それ故、探査対象物質が存在する領域の直上の大地表面から離れた位置でかつ通流方向に沿った位置に、電位差が正方向にピークとなり交流電流の湧き出し点となる山と、電位差が負方向にピークとなり交流電流の吸い込み点となる谷とが生じることになる。
【００４７】
このため、上述の同期検波処理を行うことにより、大地表面には山と谷の２つのピークを有する電位分布が発生したのと等価の、図２に示したような２次元分布（大地表面の電位差分布）を得ることができるのである。
【００４８】
また、本実施形態の地中探査方法では、２点の電流印加位置の組合せで同期検波処理を繰り返し行っている。このように、２点の電流印加位置の組合せを変更すれば、図５に示すように、通流方向に依存して山と谷の出現位置も探査対象物質が存在する領域を中心として回転することになる。それ故、探査対象物質が存在する領域の直上に障害物がある場合でも、山と谷の検出に成功すれば、探査対象物質が存在する領域の位置や深度を求めることができるのである。
【００４９】
図６に、上述した本実施形態の地中探査方法を実行するための地中探査装置の一構成例を示す。この地中探査装置は、図１２と同様に、揮発性有機溶媒（ＶＯＣ）で汚染された汚染領域を探査することが可能である。
【００５０】
図６に示す地中探査装置は、発振器６１ａ，６１ｂ、加算部６２、電圧電流変換器６３、電流供給選択部６４、電流印加電極６５ａ〜６５ｆ、電圧測定電極６６ａ〜６６ｅ、電極切換部６７、減算部６８、測定部６９、保持部７０、演算部７１、表示処理部７２、および表示部７３からなる。
【００５１】
発振器６１ａ，６１ｂは、２以上の基本発振周波数を選択可能であり、一方が第１の周波数ｆ１の正弦波の電圧波形を発生し、他方が第２の周波数ｆ１の正弦波の電圧波形を発生する。
【００５２】
加算部６２は、第１の周波数ｆ１の正弦波と第２の周波数ｆ１の正弦波とを加算し、減算部６８は、第１の周波数ｆ１の正弦波から第２の周波数ｆ１の正弦波を減算する。
【００５３】
電圧電流変換器６３は、加算部６２で加算された交流電圧信号の電圧波形を交流電流に変換する。
【００５４】
電流印加電極６５ａ〜６５ｆは、交流電流を大地に通流させるために設けられた電極である。
【００５５】
電流供給選択部６４は、電流印加電極６５ａ〜６５ｆの中から予め決められた条件を満たす２つの電圧測定電極を選択して、電圧電流変換器６３から供給された交流電流を、選択した電極を介して大地に通流させる。
【００５６】
電圧測定電極６６ａ〜６６ｅは、電流印加電極６５ａ〜６５ｆとは異なる位置に設けられた電極である。
【００５７】
電極切換部６７は、電圧測定電極６６ａ〜６６ｅの中から予め決められた条件を満たす２つの電圧測定電極を選択して、選択した電極間の電圧を測定部６９に供給する。
【００５８】
測定部６９は、電極切換部６７から供給された電圧を増幅器で増幅し、乗算器で減算部６８の出力データと乗算し、低域ろ過器を通過させて交流電圧信号を得る。
【００５９】
保持部２５は、第１の周波数ｆ１の正弦波を単独で印加したときの表面電位と第２の周波数ｆ２の正弦波を単独で印加したときの表面電位との電位差に相当する測定部６９の出力データをＡＤ変換して保持する。
【００６０】
演算部７１は、予め決められた条件を満たす２つの電圧測定電極の全組合せについて、予め決められた条件を満たす２つの電圧測定電極の全組合せで測定部６９の測定が終了した後、２つの電圧測定電極の組合せごとに、測定部６９にて測定された交流電圧信号に基づいて、第１の周波数ｆ１の正弦波を単独で印加したときの表面電位と第２の周波数ｆ２の正弦波を単独で印加したときの表面電位との差分に相当する２次元分布（大地表面の電位差分布）を作成する。そして、２次元分布上の任意点を基準値“０”とした時に、電位差が正方向にピークとなる山の位置と、負方向にピークとなる谷の位置とを検出し、さらに、２点の電流印加位置の組合せに応じて交流電流の通流方向が変化することに伴って回転移動する山と谷の出現位置の回転中心を、探査対象物質の位置として求める。
【００６１】
さらに、演算部７１は、山の位置と谷の位置との間の距離を示すピーク間隔を求め、求めたピーク間隔に基づき探査対象物質の深度を求める。
【００６２】
表示処理部７２は、演算部７１で演算されたデータを表示部３０に表示するための表示処理を行う。
【００６３】
なお、上記で開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明によれば、大地表面から交流電流を通流させて表面電位を計測する非侵襲的な地中探査方法であるため、地中に存在している可能性がある特定の汚染物質により低濃度で汚染された領域の存在を選択的に探査し、汚染物質を特定することや、その汚染物質の位置および深度を求めることが可能になる。即ち、調査に長時間を要する侵襲的な掘削調査を行わなくても済むので、短時間かつ低価格で堀削調査を行うことが可能になる。
【００６５】
さらに、掘削調査方法の場合、調査可能なのは掘削した部分に限られるため、掘削部分は汚染されていなくても、未掘削部分が汚染されていない保障は無かった。即ち、掘削部の間の領域や掘削深度より深い領域が汚染されている可能性は残っており、汚染源を捜すことができない探査漏れが発生する場合が存在した。これに対して、本発明によれば、上述の探査漏れは発生し難い。直上に建物が建っており掘削のできない位置に探査対象物質が存在する領域があっても、本発明によればその領域を探査することが可能となる。
【００６６】
また、本発明によれば、汚染領域の汚染源となる揮発性有機溶媒（ＶＯＣ）、重金属、油脂等の物質の特定や、その汚染領域の位置および深度の特定に利用できるのみならず、資源探査や、水道導管からの漏水検出、地下構造物の探査、対人地雷の探査等の様々な分野での利用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の一実施形態による地中探査方法を説明するフローチャートである。
【図２】探査対象物質が存在する領域付近の大地表面電位の電位差分布を示す２次元分布を説明する図である。
【図３】２次元分布において電位差が正方向および負方向に最大となる２つのピーク位置の間隔と、探査対象物質が存在する領域の深度との関係を説明する図である。
【図４】探査対象物質が存在する領域付近の電流分布を説明する図である。
【図５】電流印加位置を変更した時に２つのピーク位置が回転移動する現象を説明する図である。
【図６】本実施形態の地中探査方法を実行するための地中探査装置の一構成例を示す図である。
【図７】土壌物質や化学物質の比誘電率を示す図表である。
【図８】誘電率の周波数依存性とその要因について説明する図である。
【図９】界面分極と双極子分極の原理について説明する図である。
【図１０】印加周波数による誘電率の変化に起因して大地の深部地質の部分的差異によって通流経路や電流密度が変わることを説明する図である。
【図１１】印加周波数による誘電率の変化に起因して大地表面の電位分布が変化し、選択的に地中に含有する物質の探査が行えることを説明する図である。
【図１２】従来の地中探査方法を実行するための地中探査装置の一構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００６８】
１〜１１ ステップ
６１ａ，６１ｂ 発振器
６２ 加算部
６３ 電圧電流変換器
６４ 電流供給選択部
６５ａ〜６５ｆ 電流印加電極
６６ａ〜６６ｅ 電圧測定電極
６７ 電極切換部
６８ 減算部
６９ 測定部
７０ 保持部
７１ 演算部
７２ 表示処理部
７３ 表示部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
大地を探査領域として探査対象物質を探査する地中探査方法において、
前記探査対象物質の誘電率の周波数特性に基づいて互いに異なる第１および第２の周波数を選択する第１のステップと、
大地表面において予め決められた条件を満たす２点を電流印加位置として選択する第２のステップと、
前記第２のステップで選択された２点の電流印加位置間に前記第１の周波数の周波数信号と前記第２の周波数信号とを加算した信号を印加する第３のステップと、
大地表面において予め決められた条件を満たしかつ前記電流印加位置以外の２点を電圧測定位置として選択する第４のステップと、
前記第４のステップで選択された前記２点の電圧測定位置間の電圧を増幅した信号に、前記第１の周波数の周波数信号から前記第２の周波数の周波数信号を減算した信号を乗算することで交流電圧信号を得る第５のステップと、
予め決められた条件を満たす前記２点の電圧測定位置の全組合せについて前記交流電圧信号が得られるまで、前記第４および第５のステップを繰り返させる第６のステップと、
予め決められた条件を満たす前記２点の電流印加位置の全組合せについて前記交流電圧信号が得られるまで、前記第２〜第５のステップを繰り返させる第７のステップと、
前記２点の電流印加位置の組合せごとに、前記第４のステップで得られた交流電圧信号に基づいて、前記第１および第２の周波数の周波数信号をそれぞれ単独で印加した時の大地表面電位の差分に相当する２次元分布を作成する第８のステップと、
前記２点の電流印加位置の組合せごとに、前記第８のステップで作成された２次元分布において、該２次元分布上の任意点を基準値とした時に電位差が正方向および負方向にそれぞれピークとなる２つのピーク位置を検出する第９のステップと、
前記２点の電流印加位置の組合せに応じて大地中の交流電流の通流方向が変化することに伴って回転移動する前記２つのピーク位置の回転中心を、前記探査対象物質の位置として求める第１０のステップとを有する、地中探査方法。
【請求項２】
前記２次元分布上の前記２つのピーク位置の間の間隔に基づいて、前記探査対象物質の深度を求める第１１のステップをさらに有する、請求項１に記載の地中探査方法。
【請求項３】
大地を探査領域として探査対象物質を探査する地中探査装置において、
互いに異なる第１および第２の周波数の周波数信号をそれぞれ発生する第１および第２の発振器と、
前記第１の周波数の周波数信号と前記第２の周波数信号とを加算した電圧信号を電流に変換する電圧電流変換器と、
大地に電流を通流させるために設けられた複数の電流印加電極と、
前記複数の電流印加電極の中から予め決められた条件を満たす２つの電流印加電極を選択し、選択した２つの電流印加電極を介して、前記電圧電流変換器が供給する電流を大地に通流させる電流供給選択部と、
前記複数の電流印加電極とは異なる位置に設けられた複数の電圧測定電極と、
前記複数の電圧測定電極の中から予め決められた条件を満たす２つの電圧測定電極を選択し、選択した２つの電圧測定電極間の電圧を出力する電極切換部と、
前記２つの電圧測定電極間の電圧を増幅した信号に、前記第１の周波数の周波数信号から前記第２の周波数の周波数信号を減算した信号を乗算することで交流電圧信号を得る測定部と、
予め決められた条件を満たす前記２つの電圧測定電極の全組合せについて、予め決められた条件を満たす前記２つの電流印加電極の全組合せで前記交流電圧信号が得られた後、前記２つの電流印加電極の組合せごとに、前記交流電圧信号に基づいて前記第１および第２の周波数の電流をそれぞれ単独で通流させた時の大地表面電位の差分に相当する２次元分布を作成し、該２次元分布上の任意点を基準値とした時に電位差が正方向および負方向にそれぞれピークとなる２つのピーク位置を検出し、前記２つの電流印加電極の組合せに応じて交流電流の通流方向が変化することに伴って回転移動する前記２つのピーク位置の回転中心を、前記探査対象物質の位置として求める演算部とを有する、地中探査装置。
【請求項４】
前記演算部は、前記２次元分布上の前記２つのピーク位置の間の間隔に基づいて、前記探査対象物質の深度を求める、請求項３に記載の地中探査装置。
【請求項１】
大地を探査領域として探査対象物質を探査する地中探査方法において、
前記探査対象物質の誘電率の周波数特性に基づいて互いに異なる第１および第２の周波数を選択する第１のステップと、
大地表面において予め決められた条件を満たす２点を電流印加位置として選択する第２のステップと、
前記第２のステップで選択された２点の電流印加位置間に前記第１の周波数の周波数信号と前記第２の周波数信号とを加算した信号を印加する第３のステップと、
大地表面において予め決められた条件を満たしかつ前記電流印加位置以外の２点を電圧測定位置として選択する第４のステップと、
前記第４のステップで選択された前記２点の電圧測定位置間の電圧を増幅した信号に、前記第１の周波数の周波数信号から前記第２の周波数の周波数信号を減算した信号を乗算することで交流電圧信号を得る第５のステップと、
予め決められた条件を満たす前記２点の電圧測定位置の全組合せについて前記交流電圧信号が得られるまで、前記第４および第５のステップを繰り返させる第６のステップと、
予め決められた条件を満たす前記２点の電流印加位置の全組合せについて前記交流電圧信号が得られるまで、前記第２〜第５のステップを繰り返させる第７のステップと、
前記２点の電流印加位置の組合せごとに、前記第４のステップで得られた交流電圧信号に基づいて、前記第１および第２の周波数の周波数信号をそれぞれ単独で印加した時の大地表面電位の差分に相当する２次元分布を作成する第８のステップと、
前記２点の電流印加位置の組合せごとに、前記第８のステップで作成された２次元分布において、該２次元分布上の任意点を基準値とした時に電位差が正方向および負方向にそれぞれピークとなる２つのピーク位置を検出する第９のステップと、
前記２点の電流印加位置の組合せに応じて大地中の交流電流の通流方向が変化することに伴って回転移動する前記２つのピーク位置の回転中心を、前記探査対象物質の位置として求める第１０のステップとを有する、地中探査方法。
【請求項２】
前記２次元分布上の前記２つのピーク位置の間の間隔に基づいて、前記探査対象物質の深度を求める第１１のステップをさらに有する、請求項１に記載の地中探査方法。
【請求項３】
大地を探査領域として探査対象物質を探査する地中探査装置において、
互いに異なる第１および第２の周波数の周波数信号をそれぞれ発生する第１および第２の発振器と、
前記第１の周波数の周波数信号と前記第２の周波数信号とを加算した電圧信号を電流に変換する電圧電流変換器と、
大地に電流を通流させるために設けられた複数の電流印加電極と、
前記複数の電流印加電極の中から予め決められた条件を満たす２つの電流印加電極を選択し、選択した２つの電流印加電極を介して、前記電圧電流変換器が供給する電流を大地に通流させる電流供給選択部と、
前記複数の電流印加電極とは異なる位置に設けられた複数の電圧測定電極と、
前記複数の電圧測定電極の中から予め決められた条件を満たす２つの電圧測定電極を選択し、選択した２つの電圧測定電極間の電圧を出力する電極切換部と、
前記２つの電圧測定電極間の電圧を増幅した信号に、前記第１の周波数の周波数信号から前記第２の周波数の周波数信号を減算した信号を乗算することで交流電圧信号を得る測定部と、
予め決められた条件を満たす前記２つの電圧測定電極の全組合せについて、予め決められた条件を満たす前記２つの電流印加電極の全組合せで前記交流電圧信号が得られた後、前記２つの電流印加電極の組合せごとに、前記交流電圧信号に基づいて前記第１および第２の周波数の電流をそれぞれ単独で通流させた時の大地表面電位の差分に相当する２次元分布を作成し、該２次元分布上の任意点を基準値とした時に電位差が正方向および負方向にそれぞれピークとなる２つのピーク位置を検出し、前記２つの電流印加電極の組合せに応じて交流電流の通流方向が変化することに伴って回転移動する前記２つのピーク位置の回転中心を、前記探査対象物質の位置として求める演算部とを有する、地中探査装置。
【請求項４】
前記演算部は、前記２次元分布上の前記２つのピーク位置の間の間隔に基づいて、前記探査対象物質の深度を求める、請求項３に記載の地中探査装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００６−１２６１１７（Ｐ２００６−１２６１１７Ａ）
【公開日】平成１８年５月１８日（２００６．５．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３１７８０２（Ｐ２００４−３１７８０２）
【出願日】平成１６年１１月１日（２００４．１１．１）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年５月１８日（２００６．５．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１１月１日（２００４．１１．１）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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