電磁波イメージングシステム及び移動型電磁波照射・検知装置
【課題】コンクリート構造物の表層内部に生じたクラックや剥離などの劣化状態を、ターゲットに対する適用範囲を拡大しつつ高い空間解像度でリアルタイムによる非破壊検査を行うことを課題とする。
【解決手段】送信アンテナ１２で放射されたミリ波が、媒質を透過した後にターゲットで反射し、受信アンテナ１３及び検波器１４により検知された反射波の強度を、ロックインアンプ３で数値化することで、コンクリート１６で表面反射した反射波と、コンクリート１６表層内部のミリオーダーのクラック１７で散乱反射した反射波の反射強度の違いから、クラック１７が検出可能になる。さらに、車輪付き筐体７でコンクリート１６の表面に沿って走査することで、距離センサ８により検知した距離情報に基づいて、広範囲に渡ってコンクリート１６表面の二次元画像データをリアルタイムに形成することが可能となる。
【解決手段】送信アンテナ１２で放射されたミリ波が、媒質を透過した後にターゲットで反射し、受信アンテナ１３及び検波器１４により検知された反射波の強度を、ロックインアンプ３で数値化することで、コンクリート１６で表面反射した反射波と、コンクリート１６表層内部のミリオーダーのクラック１７で散乱反射した反射波の反射強度の違いから、クラック１７が検出可能になる。さらに、車輪付き筐体７でコンクリート１６の表面に沿って走査することで、距離センサ８により検知した距離情報に基づいて、広範囲に渡ってコンクリート１６表面の二次元画像データをリアルタイムに形成することが可能となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波を利用して媒質を透視するイメージング技術に関し、特に、建物やトンネルなどのコンクリート構造物内部の非破壊検査に応用可能な電磁波イメージング技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、世の中の建造物に広く用いられているコンクリートには、製造過程や歳月の経過に伴い腐朽や欠陥が生じることが少なくない。このような腐朽や欠陥はコンクリートの強度を著しく劣化させ、建造物を危険な状態に陥らせる。例えば、コンクリートの構造物内部でクラックや剥離が発生すると、構造の強度が低下し、ついには倒壊する危険性が生じることがある。地震による建造物の倒壊やトンネル覆工コンクリート塊の落下などがその例である。
【０００３】
このような事故を防止するためには、コンクリート内部のクラックや剥離を早期の段階で検知することが必要になる。簡易な手段としてはコンクリートの劣化を外部から目視によって検査する方法が考えられるが、実際にはコンクリートの表面は壁紙クロスや塗装などの可視光が透過しない媒質によって覆われている場合が多く、このような場合には目視では劣化を発見できない。
【０００４】
これに対し、従来のＸ線ＣＴ、超音波イメージング、熱分布イメージング、マイクロ波イメージングを、建物やトンネルなどのコンクリート構造物内部の非破壊検査技術に応用することが考えられる。
【０００５】
Ｘ線ＣＴは、Ｘ線の透過能が高いことを利用して、Ｘ線発生装置とＸ線検知装置を対向して配置し、ターゲットを透過して検知されたＸ線のデータからターゲット内部を映像化する技術である。
【０００６】
超音波イメージングは、パルス状に超音波をコンクリートの表面から入射させ、コンクリート中を伝播する弾性波を検知し、腐朽や欠陥を見通す技術である（例えば、特許文献１参照）。この場合も、基本的には超音波発生装置と検知装置とを検査対象を挟んで対向配置させる。
【０００７】
熱分布イメージングは、建造物の表面から放射される赤外線を検知し、表面の温度分布を可視化する技術であり、健全部位と腐朽・欠陥部位とで熱伝導特性が異なることを利用するものである。
【０００８】
マイクロ波イメージングは、レーダシステムを採用して、マイクロ波をコンクリート内部に送信し、電気的特性の異なる物質の境界面で反射したマイクロ波を受信する技術であり、コンクリート内部に埋没された金属管などの探査を行う用途などに用いられている（例えば、非特許文献１参照）。
【特許文献１】国際公開第ＷＯ００／５２４１８号パンフレット
【非特許文献１】小原治之「コンクリート床版検査用３次元映像化レーダの開発」，第７回 地下電磁計測ワークショップ論文集，２００３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、Ｘ線ＣＴや超音波イメージングにおいては、ターゲットとなるトンネルや高層ビルの外壁などといったコンクリート面の後ろ側に検知装置を配置する必要があるため、ターゲットに対する適用範囲が限定されることや測定時間が長くかかってしまうという問題がある。
【００１０】
これに対し、熱分布イメージングやマイクロ波イメージングでは、ターゲットからの電磁波を検知する構成であるので簡素なシステム構成によりターゲットに対する適用範囲の拡大が可能である。
【００１１】
しかしながら、熱分布イメージングは、ターゲット表面が媒質で覆われている場合には媒質表面の温度分布のみしか可視化できないことや、熱拡散が速やかに広がるために空間解像度が問題となる場合がある。
【００１２】
一方で、コンクリートのクラックや剥離などの欠陥を早期診断するには最低でもミリメートル単位の精度が必要であるが、この大きさはマイクロ波の波長よりも小さいため、マイクロ波イメージングにおいては、微細クラックの正確な形状を知るためには空間解像度が問題となる。
【００１３】
本発明は、上記問題点に鑑み、コンクリート構造物の表層内部に生じたクラックや剥離などの劣化状態を、ターゲットに対する適用範囲を拡大しつつ高い空間解像度でリアルタイムによる非破壊検査を行うことを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
第１の本発明に係る電磁波イメージングシステムは、ミリ波帯の電磁波を発生する電磁波発生手段と、電磁波をターゲットに放射する送信アンテナと、ターゲットで反射した電磁波を受信する受信アンテナと、受信アンテナにより受信された電磁波の反射強度を電気信号に変換する検波器と、少なくとも送信アンテナ及び受信アンテナをターゲットに沿って走査可能な筐体と、筐体が走査した距離を検知する距離検知手段とを備えた移動型電磁波照射・検知装置と、検波器からの出力が入力されるロックインアンプと、ロックインアンプの出力信号及び距離検知手段により検知された距離情報に基づいて画像データを生成する画像データ生成手段と、を有することを特徴とする。
【００１５】
本発明におけるターゲットとは、建物やトンネルなどの構造物に使用されるコンクリートなどをさし、ミリ波帯の電磁波とは、周波数が３０ＧＨｚから３００ＧＨｚの電磁波をさす。また、媒質とはアンテナとターゲットとの間に介在しミリ波帯の電磁波を伝達可能な仲介物をさす。ミリ波帯の電磁波は、可視光が透過する空気などの媒質だけでなく、人間が身にまとう衣類、住宅建材として使用される木材などの可視光では透過しない媒質も透過し、例えばターゲットであるコンクリートに対しては、周波数が１００GHｚの場合、１０ｍｍ程度の深さまでコンクリートの表層を透過する。
【００１６】
本発明にあっては、送信アンテナで放射されたミリ波帯の電磁波が、ターゲットで反射し、受信アンテナ及び検波器により検知された反射波の強度をロックインアンプで数値化することで、ターゲットで表面反射した反射波とターゲット表層内部のミリオーダーの欠陥部分で散乱反射した反射波の反射強度の違いから上記欠陥部分を検出する。さらに、筐体でターゲットに沿って走査することで、上記反射波の強度及び距離検知手段により検知した距離情報に基づいて、広範囲に渡ってターゲット表面の二次元画像データを形成する。
【００１７】
上記電磁波イメージングシステムにおける移動型電磁波照射・検知装置の検波器は、複数配列されたものであって、各々の検波器からの出力信号を順次切り換えて出力するスイッチを更に有し、スイッチからの出力がロックインアンプに単一チャネルで入力されることを特徴とする。
【００１８】
本発明にあっては、複数配列された検波器の各々からの出力信号を、スイッチにより出力信号を順次切り換えるようにしたことで、各検波器からの複数の並列信号を高速に単一出力し、一方向の走査でターゲットの二次元画像データをリアルタイムに生成する。また、単一チャネルで入力されるロックインアンプにより、設計が容易且つ安価なシステムを構築することができる。
【００１９】
上記電磁波イメージングシステムにおける移動型電磁波照射・検知装置の送信アンテナの主軸とターゲットに対して垂直な垂直軸とのなす角度は、受信アンテナの主軸と垂直軸とのなす角度と異なることを特徴とする。
【００２０】
本発明にあっては、送信アンテナの主軸とターゲットに対して垂直な垂直軸とのなす角度を、受信アンテナの主軸と垂直軸とのなす角度と異なるようにしたことで、ターゲットで表面反射した電磁波成分が受信アンテナに入るのが抑制され、所望信号であるターゲット表層の欠陥部分で散乱反射した電磁波成分のＳＮ比が向上し、上記欠陥部分の検出精度が向上する。
【００２１】
上記電磁波イメージングシステムにおける移動型電磁波照射・検知装置の送信アンテナ及び受信アンテナは、主軸が同一である送受信アンテナであって、送受信アンテナの主軸は前記ターゲットに対して垂直な垂直軸と平行でないことを特徴とする。
【００２２】
本発明にあっては、主軸が同一である送受信アンテナの主軸が、ターゲットに対して垂直な垂直軸と平行でないようにしたことで、ターゲットで表面反射した電磁波成分が受信アンテナに入るのが抑制され、所望信号であるターゲット表層内部の欠陥部分で散乱反射した電磁波成分のＳＮ比が向上し、上記欠陥部分の検出精度が向上する。
【００２３】
上記電磁波イメージングシステムにおける移動型電磁波照射・検知装置の筐体は、ターゲットの表面に接するように備え付けられた車輪を有するものであって、車輪により少なくとも送信アンテナ及び受信アンテナをターゲットの表面に沿って走査可能であることを特徴とする。
【００２４】
本発明にあっては、筐体においてターゲットの表面に接するように備え付けられた車輪により、ターゲット表面に沿った移動走査が容易になり、移動型電磁波照射・検知装置の操作性が向上する。
【００２５】
第２の本発明に係る移動型電磁波照射・検知装置は、ミリ波帯の電磁波を発生する電磁波発生手段と、電磁波をターゲットに放射する送信アンテナと、ターゲットで反射した電磁波を受信する受信アンテナと、受信アンテナにより受信された電磁波の反射強度を電気信号に変換する検波器と、少なくとも送信アンテナ及び受信アンテナをターゲットに沿って走査する筐体と、筐体が走査した距離を検知する距離検知手段と、を有することを特徴とする。
【００２６】
本発明にあっては、送信アンテナで放射されたミリ波帯の電磁波が、ターゲットで反射し、受信アンテナ及び検波器により検知された反射波の強度を外部のロックインアンプで数値化することで、ターゲットで表面反射した反射波とターゲット表層内部のミリオーダーの欠陥部分で散乱反射した反射波の反射強度の違いから上記欠陥部分が検出される。さらに、筐体でターゲットに沿って走査することで、上記反射波の強度及び距離検知手段により検知した距離情報に基づいて、広範囲に渡ってターゲット表面の二次元画像データが形成される。
【００２７】
上記移動型電磁波照射・検知装置における検波器は、複数配列されたものであって、各々の検波器からの出力信号を順次切り換えて出力するスイッチを更に有することを特徴とする。
【００２８】
本発明にあっては、複数配列された検波器の各々からの出力信号を、スイッチにより出力信号を順次切り換えるようにしたことで、各検波器からの複数の並列信号を高速に単一出力し、一方向の走査でターゲットの二次元画像データがリアルタイムに生成される。
【００２９】
上記移動型電磁波照射・検知装置における送信アンテナの主軸とターゲットに対して垂直な垂直軸とのなす角度は、受信アンテナの主軸と垂直軸とのなす角度と異なることを特徴とする。
【００３０】
本発明にあっては、送信アンテナの主軸とターゲットに対して垂直な垂直軸とのなす角度を、受信アンテナの主軸と垂直軸とのなす角度と異なるようにしたことで、ターゲットで表面反射した電磁波成分が受信アンテナに入るのが抑制され、所望信号であるターゲット表層の欠陥部分で散乱反射した電磁波成分のＳＮ比が向上し、上記欠陥部分の検出精度が向上する。
【００３１】
上記移動型電磁波照射・検知装置における送信アンテナ及び受信アンテナは、主軸が同一である送受信アンテナであって、送受信アンテナの主軸はターゲットに対して垂直な垂直軸と平行でないことを特徴とする。
【００３２】
本発明にあっては、主軸が同一である送受信アンテナの主軸が、ターゲットに対して垂直な垂直軸と平行でないようにしたことで、ターゲットで表面反射した電磁波成分が受信アンテナに入るのが抑制され、所望信号であるターゲット表層内部の欠陥部分で散乱反射した電磁波成分のＳＮ比が向上し、上記欠陥部分の検出精度が向上する。
【００３３】
上記移動型電磁波照射・検知装置の筐体は、ターゲットの表面に接するように備え付けられた車輪を更に有し、車輪により少なくとも送信アンテナ及び受信アンテナをターゲットの表面に沿って走査することを特徴とする。
【００３４】
本発明にあっては、筐体においてターゲットの表面に接するように備え付けられた車輪により、ターゲット表面に沿った移動走査が容易になり、装置の操作性が向上する。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、建物やトンネルなどのコンクリート構造物の表層内部に生じたクラックや剥離などの劣化状態を、ターゲットに対する適用範囲を拡大しつつ高い空間解像度でリアルタイムによる非破壊検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】
【００３６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。本発明においてターゲットとは、建物やトンネルなどの構造物に使用されるコンクリートなどをさし、ミリ波帯の電磁波（以下、ミリ波と称する）とは、周波数が３０ＧＨｚから３００ＧＨｚの電磁波をさす。また、媒質とはアンテナとターゲットとの間に介在しミリ波を伝達可能な仲介物をさす。ミリ波は、可視光が透過する空気などの媒質だけでなく、人間が身にまとう衣類、住宅建材として使用される木材などの可視光では透過しない媒質も透過し、例えばターゲットであるコンクリートに対しては、周波数が１００GHｚの場合、１０ｍｍ程度の深さまでコンクリートの表層を透過する。
【００３７】
図１は本実施の形態に係る電磁波イメージングシステムの概略的な構成を示す図である。同図に示すように、電磁波イメージングシステム１は、移動型電磁波照射・検知装置２と、ロックインアンプ３と、制御パソコン（以下、制御ＰＣ４と称する）で構成される。
【００３８】
移動型電磁波照射・検知装置２は、電磁波照射部５からミリ波をターゲットに照射し、ミリ波のターゲットに対する応答性を電磁波検知部６で測定する。測定された検知信号をロックインアンプ３へ伝送する。一方で、車輪付き筐体７が走査した距離を距離センサ８で検知し、検知された距離情報を制御ＰＣ４へ伝送する。
【００３９】
ロックインアンプ３は、単一チャネルで入力される検知信号を位相感応検波し、ミリ波の反射強度を出力する。単一チャネル入力式のロックインアンプはマルチチャネル入力のロックインアンプを実現するよりもはるかに設計が容易であり且つ安価な計測器である。
【００４０】
制御ＰＣ４は、ロックインアンプ３で位相感応検波された強度信号及び距離センサ８により検知された距離情報に基づいてターゲットの画像データを生成し、画像表示する。
【００４１】
次に、移動型電磁波照射・検知装置の具体的な構成について図２を用いて説明する。同図に示すように、移動型電磁波照射・検知装置２は、電磁波照射部５と、電磁波検知部６と、距離センサ８とを車輪付き筐体７に備える。
【００４２】
電磁波照射部５は、電磁波発生器９と、低周波信号器１０と、変調器１１と、送信アンテナ１２で構成される。
【００４３】
電磁波発生器９は、ミリ波を発生する。ここでは例えばＧＵＮＮ発振器を使用し、９４〜１２０ＧＨｚのミリ波を発生する。
【００４４】
低周波信号器１０は、外部のロックインアンプ３が位相感応検波可能な範囲の周波数信号を出力する。一方で、変調器１１に周波数信号を出力する。ここでは例えばシンセサイザを使用する。
【００４５】
変調器１１は、低周波信号器１０の出力信号を用いて電磁波発生器９の出力信号を変調する。ここでは例えば、ＰＩＮスイッチを使用する。
【００４６】
送信アンテナ１２は、ミリ波をターゲットであるコンクリート１６に放射する。ここでは例えばホーンアンテナを使用し、コンクリートにミリ波を拡散照射させる。
【００４７】
電磁波検知部６は、受信アンテナ１３と、検波器１４と、スイッチ１５で構成される。
【００４８】
受信アンテナ１３は、コンクリート１６で反射したミリ波を受信する。ここで例えば平面スロットアンテナを使用する。
【００４９】
検波器１４は、例えば一列に１６個配列されるものとし、受信アンテナ１３により受信されたミリ波の反射強度を電気信号に変換する。ここで例えば検波器１４には、各々が受信アンテナ１３に接続されたショットキーダイオードを使用し、ミリ波の反射強度を検知する。
【００５０】
スイッチ１５は、各々の検波器１４からの出力を順次切り換えて外部のロックインアンプ３へ出力する。ここではスイッチ１５には４００マイクロ秒以下の切り換え速度が可能な電子回路式のＰＩＮダイオードスイッチを使用する。これにより１６個の検波器１４の各々から出力された並列信号が単一入力式のロックインアンプ３に高速出力される。
【００５１】
車輪付き筐体７は、移動型電磁波照射・検知装置２をコンクリート１６に沿って走査する。ここではコンクリート１６の表面に接するように車輪が備え付けられた筐体を使用し、コンクリート１６表面に沿った移動走査を容易にしている。車輪付き筐体７のサイズは、例えば数十センチ四方程度の大きさのハンディ型とし、操作者が片手での操作を可能にしている。
【００５２】
距離センサ８は、車輪付き筐体７により走査された移動距離を検知し、距離情報を外部の制御ＰＣ４へ伝送する。ここでは例えば、車輪付き筐体７の車輪の回転軸に備え付けられロータリーエンコーダにより車輪の移動量を検知し、距離センサ８内部のマイコンにより距離情報を計算し、制御ＰＣ４へ伝送する。
【００５３】
次に、コンクリートで反射したミリ波の特性について図３を用いて説明する。同図は、コンクリート表面とクラックにおけるミリ波の反射特性を示した図である。コンクリート１６の表面からの反射波のビームパターンを実線で、クラック１７からの反射波のビームパターンを破線でそれぞれ模式的に示している。
【００５４】
同図に示すように、コンクリート１６の表面が平らかつ滑らかである場合、コンクリート１６に対して垂直な垂直軸Ｋに対して角度θ１で入射したミリ波は、垂直軸Ｋに対して入射側の逆側に表面反射する。このとき入射角と反射角の法則により、垂直軸Ｋに対して角度θ１で表面反射するミリ波の強度が最大となる。
【００５５】
一方で、ミリ波が１０ｍｍ程度の深さのコンクリート表層を透過して入射した場合、コンクリート１６の内部に浸透したミリ波は、ミリオーダーのクラックが有する凹凸構造により、様々な角度方向に散乱反射する。
【００５６】
これにより、受信アンテナ１３によりコンクリートで反射したミリ波を受信し、コンクリートで表面反射するミリ波とコンクリート表層内部のクラックで散乱反射するミリ波の反射特性の違いから、クラックを検出することができる。
【００５７】
次に、送信アンテナと受信アンテナの構成及び設置方法について図４、５を用いて説明する。
【００５８】
図４は、送信アンテナと受信アンテナの構成を概略的に示した図である。電磁波照射部５と電磁波検知部６においては、異なるアンテナを用いたバイスタティック系の電磁波送受信方式により、ミリ波の送受信を行うこととし、同図（ａ）、（ｂ）に示すように、電磁波照射部５における送信アンテナ１２には主軸がＢ１で表されるホーンアンテナを使用し、電磁波検知部６における受信アンテナ１３には主軸がＢ２で表される平面スロットアンテナを使用する。
【００５９】
図５は、電磁波照射部と電磁波検知部のコンクリートに対する設置例を示す。同図に示すように、コンクリート１６の表面に垂直な垂直軸Ｋとしたとき、送信アンテナ１２の主軸Ｂ１及び垂直軸Ｋのなす角度θ１と、受信アンテナ１３の主軸Ｂ２及び垂直軸Ｋのなす角度θ２とが異なるように設置する。同図では、受信アンテナ１３の主軸Ｂ２及び垂直軸Ｋのなす角度θ２が、θ１よりも角度φだけ大きい状態を示している。
【００６０】
このように送信アンテナ１２と受信アンテナ１３を設置することで、受信アンテナ１３の方向とコンクリート１６で表面反射したミリ波成分の進行方向とが異なるので、表面反射したミリ波成分が受信アンテナ１３に入るのが抑制され、所望信号であるコンクリート１６表層内部のクラック１７で散乱反射したミリ波成分のＳＮ比が向上し、クラック１７の検出精度が向上する。
【００６１】
このような構成としたことで、移動型電磁波照射・検知装置２の電磁波発生器９で発生したミリ波は、車輪付き筐体７底面の開口部からコンクリート１６へ照射され、コンクリート１６で反射した反射波が複数の受信アンテナ１３で受信され、それぞれの受信アンテナ１３に対応する検波器１４によって検知される。検知された反射強度は、ダイオードの整流作用によって電圧値に変換され、ロックインアンプ３によりその強度が数値化され制御ＰＣ４の画面に表示される。このとき、コンクリート１６で表面反射した反射波と、コンクリート表層内部のミリオーダーのクラック１７で散乱反射した反射波の反射強度の違いから、クラック１７を検知することができる。
【００６２】
さらに、一列に配列された検波器１４の各々から並列出力された出力信号を、電子回路式の切り換えスイッチ１５により順次切り換えるようにしたことで、各検波器からの複数の並列信号が高速に出力され、一方向の走査で画像データを生成することができる。
【００６３】
これにより、操作者が手で車輪付き筐体７をコンクリートの表面に沿って走査すると、距離センサ８によって移動距離情報が制御ＰＣ４に伝送される。一方で、制御ＰＣ４により、ロックインアンプ３で数値化されたスイッチ１５からの出力信号の強度を、移動距離に合わせて次々に描画することで、広範囲に渡ってコンクリート１６表面の二次元画像をリアルタイムに得ることができる。
【００６４】
次に、本発明の効果を実証するために、電磁波イメージングシステムによる撮像実験について図６，７を用いて説明する。
【００６５】
図６は電磁波イメージングシステムにより撮像を行ったコンクリートの外壁を示す平面図である。同図に示すように、コンクリート１６の表層に、幅１ｍｍのクラック１７が生じており、コンクリート１６の中央部分に不透明な厚さ５ｍｍのＡＢＳ樹脂板１８が被せてある。クラック１７は、ＡＢＳ樹脂板１８の下に位置するため、目視、ＣＣＤカメラなどによる可視光では観察することはできない。
【００６６】
ここで測定条件は、媒質をＡＢＳ樹脂板、ターゲットをコンクリート、電磁波発生器の中心周波数を１００ＧＨｚ、電磁波強度を４０ｍＷ、平面スロットアンテナの間隔を５ｍｍ毎とし、検波器であるショットキーダイオードを１６素子、ショットキーダイオードの感度を１００ｍＶ／ｍＷとした。
【００６７】
以上のような条件下で、移動型電磁波照射・検知装置２をＡＢＳ樹脂板１８の表面に沿って走査し、撮像領域１９を撮像した。その結果、図７に示すような撮像画像を得た。縦軸はショットキーダイオードが配列された方向を示し、横軸は走査方向を示している。撮像画像において白い部分は反射強度が大きいことを示し、黒い部分は反射強度が小さいことを示している。
【００６８】
撮像画像においては、コンクリート１６で表面反射したミリ波の反射強度は大きく、コンクリート表層で生じたクラック１７で散乱反射したミリ波の反射強度はより小さい値となっており、両者の違いが判別できる。
【００６９】
これにより、媒質であるＡＢＳ樹脂を透過して、ターゲットであるコンクリート表層のクラックを明瞭に検出可能であることがわかる。
【００７０】
以上のことから、電磁波イメージングシステムにおいて、ミリ波により媒質を透視し、隠匿された危険物の察知や媒質内部のターゲットの非破壊検査に応用することが可能であることを示している。
【００７１】
また、ミリ波の波長はＸ線に比べて格段に小さいので、例えば、コンクリートの表面が壁紙クロスや塗装などの媒質によって覆われている場合には、媒質をイオン化し損傷させるなどの危険性はない。
【００７２】
したがって、本実施の形態によれば、送信アンテナ１２で放射されたミリ波が、媒質を透過した後にターゲットで反射し、受信アンテナ１３及び検波器１４により検知された反射波の強度を、ロックインアンプ３で数値化することで、コンクリート１６で表面反射した反射波と、コンクリート１６表層内部のミリオーダーのクラック１７で散乱反射した反射波の反射強度の違いから、クラック１７が検出可能になる。さらに、車輪付き筐体７でコンクリート１６の表面に沿って走査することで、距離センサ８により検知した距離情報に基づいて、広範囲に渡ってコンクリート１６表面の二次元画像データを形成することが可能となる。
【００７３】
また、一列に配列された検波器１４の各々から並列出力された出力信号を、電子回路式の切り換えスイッチ１５により出力信号を順次切り換えるようにしたことで、各検波器からの複数の並列信号が高速に出力処理され、一方向の走査で画像データを生成することができる。これにより、ロックインアンプ３で数値化されたスイッチ１５からの出力信号の強度を、移動距離に合わせて次々に描画することで、コンクリート１６表面の二次元画像をリアルタイムに得ることができる。
【００７４】
さらに、送信アンテナ１２と受信アンテナ１３を、送信アンテナ１２の主軸Ｂ１及び垂直軸Ｋのなす角度θ１と受信アンテナ１３の主軸Ｂ２及び垂直軸Ｋのなす角度θ２とが異なるように設置することで、ターゲットで表面反射したミリ波成分が受信アンテナに入るのが抑制され、所望信号であるコンクリート１６の表層のクラック１７で散乱反射したミリ波成分のＳＮ比が向上し、クラック１７の検出精度が向上する。
【００７５】
よって、本実施の形態によれば、コンクリート構造物の表層内部に生じたクラックや剥離などの劣化状態を、ターゲットに対する適用範囲を拡大しつつ高い空間解像度でリアルタイムによる非破壊検査を行うことができる。
【００７６】
その他、電磁波イメージングシステム１において、ロックインアンプ３には、単一チャネルで入力される信号を位相感応検波する単一チャネル入力式のロックインアンプを使用することで、設計が容易且つ安価なシステムを構築することができる。
【００７７】
また、移動型電磁波照射・検知装置２において、ターゲットの表面に接するように車輪が備え付けられた車輪付き筐体７を使用することで、ターゲット表面に沿った移動走査が容易になり、操作性が向上する。
【００７８】
［その他の形態について］
また、本実施の形態において、移動型電磁波照射・検知装置におけるアンテナは、異なる送信アンテナと受信アンテナを使用したバイスタティック系の電磁波送受信方式により電磁波を送受信するようにし、送信アンテナの主軸とターゲットに対して垂直な垂直軸とのなす角度が、受信アンテナの主軸とターゲットに対して垂直な垂直軸とのなす角度と異なるような構成としたが、これに限られるものではない。例えば、送信アンテナと受信アンテナの主軸が同一である送受信アンテナを使用したモノスタティック系の電磁波送受信方式により電磁波を送受信するようにしてもよい。
【００７９】
このような場合は、主軸が同一である送受信アンテナの主軸が、ターゲットに対して垂直な垂直軸と平行でないようにすることで、ターゲットで表面反射した電磁波成分が受信アンテナに入るのが抑制され、所望信号であるターゲット表層内部の欠陥部分で散乱反射した電磁波成分のＳＮ比が向上し、欠陥部分の検出精度が向上する。
【００８０】
尚、本実施の形態においては、検波器１４を一列に１６個配列し、電子回路式のＰＩＮダイオードスイッチにより検波器１４の各々から出力された並列信号をロックインアンプ３に出力するような構成としたが、これに限られるものではなく、例えば、検波器１４を１００個並列に並べて、ＰＩＮダイオードスイッチによりロックインアンプ３に出力するような構成にしてもよい。
【００８１】
この構成においては、本実施の形態による効果に加えてＰＩＮダイオードスイッチは４００マイクロ秒以下の切り換え速度が可能であるので、４０ミリ秒程度の時間で全ての検波器１４の出力を測定することができ、画像データの解像度が向上する。
【００８２】
また、本実施の形態においては、車輪付き筐体により移動型電磁波照射・検知装置をターゲットの表面に沿って走査するような構成としたが、これに限られるものではなく、車輪付き筐体により、少なくとも送信アンテナと受信アンテナを走査する構成であれば、本実施の形態と同等な効果を奏することができる。
【００８３】
また、本実施の形態においては、移動型電磁波照射・検知装置の車輪付き筐体のサイズは、数十センチ四方程度の大きさのハンディ型とし、操作者が片手で操作を行うことができるようにしたが、これに限られるものではない。
【００８４】
例えば、車輪付き筐体のサイズを大きくし、筐体内部にロックインアンプや制御ＰＣを組み込むことで、操作者が移動型電磁波照射・検知装置を乗用可能とし、検査領域が広い環境下などにおいて、操作者がターゲット上を乗用型の移動型電磁波照射・検知装置を運転しながら、検査を行うシステム構成にしてもよい。この場合においては、本実施の形態と同等な効果に加え利便性が向上する。
【００８５】
また、本実施の形態においては、車輪付き筐体により走査された距離情報を検知する距離センサは、車輪付き筐体の車輪の回転軸に備え付けられロータリーエンコーダにより車輪の移動量を検知するようにしたが、これに限られるものではなく、例えば、筐体の底面に発光器と受光器を備え、ターゲット上に光を反射しやすい専用のパッドを配置し、発光器からの光をパッド上で反射させ、受光器で受光した反射光の強度から移動量を光学的に検知するような構成にしてもよい。これにより本実施の形態と同等な効果に加え、距離センサによる距離情報の測定精度が向上する。また、所望ターゲット信号のＳ／Ｎ比が良好な場合は、ロックインアンプは不要である。
【００８６】
その他、移動型電磁波照射・検知装置においてターゲットであるコンクリート表面のごみや埃、水分などを測定前に取り除くことが可能なクリーナ機能を備えるようにしてもよい。これにより本実施の形態と同等な効果に加え、クラックなどの微細な欠陥部分からの反射波に影響するごみや、反射波の減衰に影響する水分などを除去することができ、所望信号である反射波のＳＮ比を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本実施の形態に係る電磁波イメージングシステムの概略的な構成を示す図である。
【図２】図１の電磁波イメージングシステムにおける移動型電磁波照射・検知装置の構成を示す概略図である。
【図３】コンクリート表面とクラックにおけるミリ波の反射特性を示した図である。
【図４】図２の移動型電磁波照射・検知装置における送信アンテナと受信アンテナの概略的な構成を示した図である。
【図５】図２の移動型電磁波照射・検知装置における電磁波照射部と電磁波検知部の訓句リートに対する設置例を示す。
【図６】電磁波イメージングシステムにより撮像を行ったコンクリートの外壁を示す平面図である。
【図７】図６の電磁波イメージングシステムによる撮像結果である。
【符号の説明】
【００８８】
１…電磁波イメージングシステム
２…移動型電磁波照射・検知装置
３…ロックインアンプ
４…制御ＰＣ
５…電磁波照射部
６…電磁波検知部
７…車輪付き筐体
８…距離センサ
９…電磁波発生器
１０…低周波信号器
１１…変調器
１２…送信アンテナ
１３…受信アンテナ
１４…検波器
１５…スイッチ
１６…コンクリート
１７…クラック
１８…ＡＢＳ樹脂カバー
１９…撮像領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波を利用して媒質を透視するイメージング技術に関し、特に、建物やトンネルなどのコンクリート構造物内部の非破壊検査に応用可能な電磁波イメージング技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、世の中の建造物に広く用いられているコンクリートには、製造過程や歳月の経過に伴い腐朽や欠陥が生じることが少なくない。このような腐朽や欠陥はコンクリートの強度を著しく劣化させ、建造物を危険な状態に陥らせる。例えば、コンクリートの構造物内部でクラックや剥離が発生すると、構造の強度が低下し、ついには倒壊する危険性が生じることがある。地震による建造物の倒壊やトンネル覆工コンクリート塊の落下などがその例である。
【０００３】
このような事故を防止するためには、コンクリート内部のクラックや剥離を早期の段階で検知することが必要になる。簡易な手段としてはコンクリートの劣化を外部から目視によって検査する方法が考えられるが、実際にはコンクリートの表面は壁紙クロスや塗装などの可視光が透過しない媒質によって覆われている場合が多く、このような場合には目視では劣化を発見できない。
【０００４】
これに対し、従来のＸ線ＣＴ、超音波イメージング、熱分布イメージング、マイクロ波イメージングを、建物やトンネルなどのコンクリート構造物内部の非破壊検査技術に応用することが考えられる。
【０００５】
Ｘ線ＣＴは、Ｘ線の透過能が高いことを利用して、Ｘ線発生装置とＸ線検知装置を対向して配置し、ターゲットを透過して検知されたＸ線のデータからターゲット内部を映像化する技術である。
【０００６】
超音波イメージングは、パルス状に超音波をコンクリートの表面から入射させ、コンクリート中を伝播する弾性波を検知し、腐朽や欠陥を見通す技術である（例えば、特許文献１参照）。この場合も、基本的には超音波発生装置と検知装置とを検査対象を挟んで対向配置させる。
【０００７】
熱分布イメージングは、建造物の表面から放射される赤外線を検知し、表面の温度分布を可視化する技術であり、健全部位と腐朽・欠陥部位とで熱伝導特性が異なることを利用するものである。
【０００８】
マイクロ波イメージングは、レーダシステムを採用して、マイクロ波をコンクリート内部に送信し、電気的特性の異なる物質の境界面で反射したマイクロ波を受信する技術であり、コンクリート内部に埋没された金属管などの探査を行う用途などに用いられている（例えば、非特許文献１参照）。
【特許文献１】国際公開第ＷＯ００／５２４１８号パンフレット
【非特許文献１】小原治之「コンクリート床版検査用３次元映像化レーダの開発」，第７回 地下電磁計測ワークショップ論文集，２００３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、Ｘ線ＣＴや超音波イメージングにおいては、ターゲットとなるトンネルや高層ビルの外壁などといったコンクリート面の後ろ側に検知装置を配置する必要があるため、ターゲットに対する適用範囲が限定されることや測定時間が長くかかってしまうという問題がある。
【００１０】
これに対し、熱分布イメージングやマイクロ波イメージングでは、ターゲットからの電磁波を検知する構成であるので簡素なシステム構成によりターゲットに対する適用範囲の拡大が可能である。
【００１１】
しかしながら、熱分布イメージングは、ターゲット表面が媒質で覆われている場合には媒質表面の温度分布のみしか可視化できないことや、熱拡散が速やかに広がるために空間解像度が問題となる場合がある。
【００１２】
一方で、コンクリートのクラックや剥離などの欠陥を早期診断するには最低でもミリメートル単位の精度が必要であるが、この大きさはマイクロ波の波長よりも小さいため、マイクロ波イメージングにおいては、微細クラックの正確な形状を知るためには空間解像度が問題となる。
【００１３】
本発明は、上記問題点に鑑み、コンクリート構造物の表層内部に生じたクラックや剥離などの劣化状態を、ターゲットに対する適用範囲を拡大しつつ高い空間解像度でリアルタイムによる非破壊検査を行うことを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
第１の本発明に係る電磁波イメージングシステムは、ミリ波帯の電磁波を発生する電磁波発生手段と、電磁波をターゲットに放射する送信アンテナと、ターゲットで反射した電磁波を受信する受信アンテナと、受信アンテナにより受信された電磁波の反射強度を電気信号に変換する検波器と、少なくとも送信アンテナ及び受信アンテナをターゲットに沿って走査可能な筐体と、筐体が走査した距離を検知する距離検知手段とを備えた移動型電磁波照射・検知装置と、検波器からの出力が入力されるロックインアンプと、ロックインアンプの出力信号及び距離検知手段により検知された距離情報に基づいて画像データを生成する画像データ生成手段と、を有することを特徴とする。
【００１５】
本発明におけるターゲットとは、建物やトンネルなどの構造物に使用されるコンクリートなどをさし、ミリ波帯の電磁波とは、周波数が３０ＧＨｚから３００ＧＨｚの電磁波をさす。また、媒質とはアンテナとターゲットとの間に介在しミリ波帯の電磁波を伝達可能な仲介物をさす。ミリ波帯の電磁波は、可視光が透過する空気などの媒質だけでなく、人間が身にまとう衣類、住宅建材として使用される木材などの可視光では透過しない媒質も透過し、例えばターゲットであるコンクリートに対しては、周波数が１００GHｚの場合、１０ｍｍ程度の深さまでコンクリートの表層を透過する。
【００１６】
本発明にあっては、送信アンテナで放射されたミリ波帯の電磁波が、ターゲットで反射し、受信アンテナ及び検波器により検知された反射波の強度をロックインアンプで数値化することで、ターゲットで表面反射した反射波とターゲット表層内部のミリオーダーの欠陥部分で散乱反射した反射波の反射強度の違いから上記欠陥部分を検出する。さらに、筐体でターゲットに沿って走査することで、上記反射波の強度及び距離検知手段により検知した距離情報に基づいて、広範囲に渡ってターゲット表面の二次元画像データを形成する。
【００１７】
上記電磁波イメージングシステムにおける移動型電磁波照射・検知装置の検波器は、複数配列されたものであって、各々の検波器からの出力信号を順次切り換えて出力するスイッチを更に有し、スイッチからの出力がロックインアンプに単一チャネルで入力されることを特徴とする。
【００１８】
本発明にあっては、複数配列された検波器の各々からの出力信号を、スイッチにより出力信号を順次切り換えるようにしたことで、各検波器からの複数の並列信号を高速に単一出力し、一方向の走査でターゲットの二次元画像データをリアルタイムに生成する。また、単一チャネルで入力されるロックインアンプにより、設計が容易且つ安価なシステムを構築することができる。
【００１９】
上記電磁波イメージングシステムにおける移動型電磁波照射・検知装置の送信アンテナの主軸とターゲットに対して垂直な垂直軸とのなす角度は、受信アンテナの主軸と垂直軸とのなす角度と異なることを特徴とする。
【００２０】
本発明にあっては、送信アンテナの主軸とターゲットに対して垂直な垂直軸とのなす角度を、受信アンテナの主軸と垂直軸とのなす角度と異なるようにしたことで、ターゲットで表面反射した電磁波成分が受信アンテナに入るのが抑制され、所望信号であるターゲット表層の欠陥部分で散乱反射した電磁波成分のＳＮ比が向上し、上記欠陥部分の検出精度が向上する。
【００２１】
上記電磁波イメージングシステムにおける移動型電磁波照射・検知装置の送信アンテナ及び受信アンテナは、主軸が同一である送受信アンテナであって、送受信アンテナの主軸は前記ターゲットに対して垂直な垂直軸と平行でないことを特徴とする。
【００２２】
本発明にあっては、主軸が同一である送受信アンテナの主軸が、ターゲットに対して垂直な垂直軸と平行でないようにしたことで、ターゲットで表面反射した電磁波成分が受信アンテナに入るのが抑制され、所望信号であるターゲット表層内部の欠陥部分で散乱反射した電磁波成分のＳＮ比が向上し、上記欠陥部分の検出精度が向上する。
【００２３】
上記電磁波イメージングシステムにおける移動型電磁波照射・検知装置の筐体は、ターゲットの表面に接するように備え付けられた車輪を有するものであって、車輪により少なくとも送信アンテナ及び受信アンテナをターゲットの表面に沿って走査可能であることを特徴とする。
【００２４】
本発明にあっては、筐体においてターゲットの表面に接するように備え付けられた車輪により、ターゲット表面に沿った移動走査が容易になり、移動型電磁波照射・検知装置の操作性が向上する。
【００２５】
第２の本発明に係る移動型電磁波照射・検知装置は、ミリ波帯の電磁波を発生する電磁波発生手段と、電磁波をターゲットに放射する送信アンテナと、ターゲットで反射した電磁波を受信する受信アンテナと、受信アンテナにより受信された電磁波の反射強度を電気信号に変換する検波器と、少なくとも送信アンテナ及び受信アンテナをターゲットに沿って走査する筐体と、筐体が走査した距離を検知する距離検知手段と、を有することを特徴とする。
【００２６】
本発明にあっては、送信アンテナで放射されたミリ波帯の電磁波が、ターゲットで反射し、受信アンテナ及び検波器により検知された反射波の強度を外部のロックインアンプで数値化することで、ターゲットで表面反射した反射波とターゲット表層内部のミリオーダーの欠陥部分で散乱反射した反射波の反射強度の違いから上記欠陥部分が検出される。さらに、筐体でターゲットに沿って走査することで、上記反射波の強度及び距離検知手段により検知した距離情報に基づいて、広範囲に渡ってターゲット表面の二次元画像データが形成される。
【００２７】
上記移動型電磁波照射・検知装置における検波器は、複数配列されたものであって、各々の検波器からの出力信号を順次切り換えて出力するスイッチを更に有することを特徴とする。
【００２８】
本発明にあっては、複数配列された検波器の各々からの出力信号を、スイッチにより出力信号を順次切り換えるようにしたことで、各検波器からの複数の並列信号を高速に単一出力し、一方向の走査でターゲットの二次元画像データがリアルタイムに生成される。
【００２９】
上記移動型電磁波照射・検知装置における送信アンテナの主軸とターゲットに対して垂直な垂直軸とのなす角度は、受信アンテナの主軸と垂直軸とのなす角度と異なることを特徴とする。
【００３０】
本発明にあっては、送信アンテナの主軸とターゲットに対して垂直な垂直軸とのなす角度を、受信アンテナの主軸と垂直軸とのなす角度と異なるようにしたことで、ターゲットで表面反射した電磁波成分が受信アンテナに入るのが抑制され、所望信号であるターゲット表層の欠陥部分で散乱反射した電磁波成分のＳＮ比が向上し、上記欠陥部分の検出精度が向上する。
【００３１】
上記移動型電磁波照射・検知装置における送信アンテナ及び受信アンテナは、主軸が同一である送受信アンテナであって、送受信アンテナの主軸はターゲットに対して垂直な垂直軸と平行でないことを特徴とする。
【００３２】
本発明にあっては、主軸が同一である送受信アンテナの主軸が、ターゲットに対して垂直な垂直軸と平行でないようにしたことで、ターゲットで表面反射した電磁波成分が受信アンテナに入るのが抑制され、所望信号であるターゲット表層内部の欠陥部分で散乱反射した電磁波成分のＳＮ比が向上し、上記欠陥部分の検出精度が向上する。
【００３３】
上記移動型電磁波照射・検知装置の筐体は、ターゲットの表面に接するように備え付けられた車輪を更に有し、車輪により少なくとも送信アンテナ及び受信アンテナをターゲットの表面に沿って走査することを特徴とする。
【００３４】
本発明にあっては、筐体においてターゲットの表面に接するように備え付けられた車輪により、ターゲット表面に沿った移動走査が容易になり、装置の操作性が向上する。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、建物やトンネルなどのコンクリート構造物の表層内部に生じたクラックや剥離などの劣化状態を、ターゲットに対する適用範囲を拡大しつつ高い空間解像度でリアルタイムによる非破壊検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】
【００３６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。本発明においてターゲットとは、建物やトンネルなどの構造物に使用されるコンクリートなどをさし、ミリ波帯の電磁波（以下、ミリ波と称する）とは、周波数が３０ＧＨｚから３００ＧＨｚの電磁波をさす。また、媒質とはアンテナとターゲットとの間に介在しミリ波を伝達可能な仲介物をさす。ミリ波は、可視光が透過する空気などの媒質だけでなく、人間が身にまとう衣類、住宅建材として使用される木材などの可視光では透過しない媒質も透過し、例えばターゲットであるコンクリートに対しては、周波数が１００GHｚの場合、１０ｍｍ程度の深さまでコンクリートの表層を透過する。
【００３７】
図１は本実施の形態に係る電磁波イメージングシステムの概略的な構成を示す図である。同図に示すように、電磁波イメージングシステム１は、移動型電磁波照射・検知装置２と、ロックインアンプ３と、制御パソコン（以下、制御ＰＣ４と称する）で構成される。
【００３８】
移動型電磁波照射・検知装置２は、電磁波照射部５からミリ波をターゲットに照射し、ミリ波のターゲットに対する応答性を電磁波検知部６で測定する。測定された検知信号をロックインアンプ３へ伝送する。一方で、車輪付き筐体７が走査した距離を距離センサ８で検知し、検知された距離情報を制御ＰＣ４へ伝送する。
【００３９】
ロックインアンプ３は、単一チャネルで入力される検知信号を位相感応検波し、ミリ波の反射強度を出力する。単一チャネル入力式のロックインアンプはマルチチャネル入力のロックインアンプを実現するよりもはるかに設計が容易であり且つ安価な計測器である。
【００４０】
制御ＰＣ４は、ロックインアンプ３で位相感応検波された強度信号及び距離センサ８により検知された距離情報に基づいてターゲットの画像データを生成し、画像表示する。
【００４１】
次に、移動型電磁波照射・検知装置の具体的な構成について図２を用いて説明する。同図に示すように、移動型電磁波照射・検知装置２は、電磁波照射部５と、電磁波検知部６と、距離センサ８とを車輪付き筐体７に備える。
【００４２】
電磁波照射部５は、電磁波発生器９と、低周波信号器１０と、変調器１１と、送信アンテナ１２で構成される。
【００４３】
電磁波発生器９は、ミリ波を発生する。ここでは例えばＧＵＮＮ発振器を使用し、９４〜１２０ＧＨｚのミリ波を発生する。
【００４４】
低周波信号器１０は、外部のロックインアンプ３が位相感応検波可能な範囲の周波数信号を出力する。一方で、変調器１１に周波数信号を出力する。ここでは例えばシンセサイザを使用する。
【００４５】
変調器１１は、低周波信号器１０の出力信号を用いて電磁波発生器９の出力信号を変調する。ここでは例えば、ＰＩＮスイッチを使用する。
【００４６】
送信アンテナ１２は、ミリ波をターゲットであるコンクリート１６に放射する。ここでは例えばホーンアンテナを使用し、コンクリートにミリ波を拡散照射させる。
【００４７】
電磁波検知部６は、受信アンテナ１３と、検波器１４と、スイッチ１５で構成される。
【００４８】
受信アンテナ１３は、コンクリート１６で反射したミリ波を受信する。ここで例えば平面スロットアンテナを使用する。
【００４９】
検波器１４は、例えば一列に１６個配列されるものとし、受信アンテナ１３により受信されたミリ波の反射強度を電気信号に変換する。ここで例えば検波器１４には、各々が受信アンテナ１３に接続されたショットキーダイオードを使用し、ミリ波の反射強度を検知する。
【００５０】
スイッチ１５は、各々の検波器１４からの出力を順次切り換えて外部のロックインアンプ３へ出力する。ここではスイッチ１５には４００マイクロ秒以下の切り換え速度が可能な電子回路式のＰＩＮダイオードスイッチを使用する。これにより１６個の検波器１４の各々から出力された並列信号が単一入力式のロックインアンプ３に高速出力される。
【００５１】
車輪付き筐体７は、移動型電磁波照射・検知装置２をコンクリート１６に沿って走査する。ここではコンクリート１６の表面に接するように車輪が備え付けられた筐体を使用し、コンクリート１６表面に沿った移動走査を容易にしている。車輪付き筐体７のサイズは、例えば数十センチ四方程度の大きさのハンディ型とし、操作者が片手での操作を可能にしている。
【００５２】
距離センサ８は、車輪付き筐体７により走査された移動距離を検知し、距離情報を外部の制御ＰＣ４へ伝送する。ここでは例えば、車輪付き筐体７の車輪の回転軸に備え付けられロータリーエンコーダにより車輪の移動量を検知し、距離センサ８内部のマイコンにより距離情報を計算し、制御ＰＣ４へ伝送する。
【００５３】
次に、コンクリートで反射したミリ波の特性について図３を用いて説明する。同図は、コンクリート表面とクラックにおけるミリ波の反射特性を示した図である。コンクリート１６の表面からの反射波のビームパターンを実線で、クラック１７からの反射波のビームパターンを破線でそれぞれ模式的に示している。
【００５４】
同図に示すように、コンクリート１６の表面が平らかつ滑らかである場合、コンクリート１６に対して垂直な垂直軸Ｋに対して角度θ１で入射したミリ波は、垂直軸Ｋに対して入射側の逆側に表面反射する。このとき入射角と反射角の法則により、垂直軸Ｋに対して角度θ１で表面反射するミリ波の強度が最大となる。
【００５５】
一方で、ミリ波が１０ｍｍ程度の深さのコンクリート表層を透過して入射した場合、コンクリート１６の内部に浸透したミリ波は、ミリオーダーのクラックが有する凹凸構造により、様々な角度方向に散乱反射する。
【００５６】
これにより、受信アンテナ１３によりコンクリートで反射したミリ波を受信し、コンクリートで表面反射するミリ波とコンクリート表層内部のクラックで散乱反射するミリ波の反射特性の違いから、クラックを検出することができる。
【００５７】
次に、送信アンテナと受信アンテナの構成及び設置方法について図４、５を用いて説明する。
【００５８】
図４は、送信アンテナと受信アンテナの構成を概略的に示した図である。電磁波照射部５と電磁波検知部６においては、異なるアンテナを用いたバイスタティック系の電磁波送受信方式により、ミリ波の送受信を行うこととし、同図（ａ）、（ｂ）に示すように、電磁波照射部５における送信アンテナ１２には主軸がＢ１で表されるホーンアンテナを使用し、電磁波検知部６における受信アンテナ１３には主軸がＢ２で表される平面スロットアンテナを使用する。
【００５９】
図５は、電磁波照射部と電磁波検知部のコンクリートに対する設置例を示す。同図に示すように、コンクリート１６の表面に垂直な垂直軸Ｋとしたとき、送信アンテナ１２の主軸Ｂ１及び垂直軸Ｋのなす角度θ１と、受信アンテナ１３の主軸Ｂ２及び垂直軸Ｋのなす角度θ２とが異なるように設置する。同図では、受信アンテナ１３の主軸Ｂ２及び垂直軸Ｋのなす角度θ２が、θ１よりも角度φだけ大きい状態を示している。
【００６０】
このように送信アンテナ１２と受信アンテナ１３を設置することで、受信アンテナ１３の方向とコンクリート１６で表面反射したミリ波成分の進行方向とが異なるので、表面反射したミリ波成分が受信アンテナ１３に入るのが抑制され、所望信号であるコンクリート１６表層内部のクラック１７で散乱反射したミリ波成分のＳＮ比が向上し、クラック１７の検出精度が向上する。
【００６１】
このような構成としたことで、移動型電磁波照射・検知装置２の電磁波発生器９で発生したミリ波は、車輪付き筐体７底面の開口部からコンクリート１６へ照射され、コンクリート１６で反射した反射波が複数の受信アンテナ１３で受信され、それぞれの受信アンテナ１３に対応する検波器１４によって検知される。検知された反射強度は、ダイオードの整流作用によって電圧値に変換され、ロックインアンプ３によりその強度が数値化され制御ＰＣ４の画面に表示される。このとき、コンクリート１６で表面反射した反射波と、コンクリート表層内部のミリオーダーのクラック１７で散乱反射した反射波の反射強度の違いから、クラック１７を検知することができる。
【００６２】
さらに、一列に配列された検波器１４の各々から並列出力された出力信号を、電子回路式の切り換えスイッチ１５により順次切り換えるようにしたことで、各検波器からの複数の並列信号が高速に出力され、一方向の走査で画像データを生成することができる。
【００６３】
これにより、操作者が手で車輪付き筐体７をコンクリートの表面に沿って走査すると、距離センサ８によって移動距離情報が制御ＰＣ４に伝送される。一方で、制御ＰＣ４により、ロックインアンプ３で数値化されたスイッチ１５からの出力信号の強度を、移動距離に合わせて次々に描画することで、広範囲に渡ってコンクリート１６表面の二次元画像をリアルタイムに得ることができる。
【００６４】
次に、本発明の効果を実証するために、電磁波イメージングシステムによる撮像実験について図６，７を用いて説明する。
【００６５】
図６は電磁波イメージングシステムにより撮像を行ったコンクリートの外壁を示す平面図である。同図に示すように、コンクリート１６の表層に、幅１ｍｍのクラック１７が生じており、コンクリート１６の中央部分に不透明な厚さ５ｍｍのＡＢＳ樹脂板１８が被せてある。クラック１７は、ＡＢＳ樹脂板１８の下に位置するため、目視、ＣＣＤカメラなどによる可視光では観察することはできない。
【００６６】
ここで測定条件は、媒質をＡＢＳ樹脂板、ターゲットをコンクリート、電磁波発生器の中心周波数を１００ＧＨｚ、電磁波強度を４０ｍＷ、平面スロットアンテナの間隔を５ｍｍ毎とし、検波器であるショットキーダイオードを１６素子、ショットキーダイオードの感度を１００ｍＶ／ｍＷとした。
【００６７】
以上のような条件下で、移動型電磁波照射・検知装置２をＡＢＳ樹脂板１８の表面に沿って走査し、撮像領域１９を撮像した。その結果、図７に示すような撮像画像を得た。縦軸はショットキーダイオードが配列された方向を示し、横軸は走査方向を示している。撮像画像において白い部分は反射強度が大きいことを示し、黒い部分は反射強度が小さいことを示している。
【００６８】
撮像画像においては、コンクリート１６で表面反射したミリ波の反射強度は大きく、コンクリート表層で生じたクラック１７で散乱反射したミリ波の反射強度はより小さい値となっており、両者の違いが判別できる。
【００６９】
これにより、媒質であるＡＢＳ樹脂を透過して、ターゲットであるコンクリート表層のクラックを明瞭に検出可能であることがわかる。
【００７０】
以上のことから、電磁波イメージングシステムにおいて、ミリ波により媒質を透視し、隠匿された危険物の察知や媒質内部のターゲットの非破壊検査に応用することが可能であることを示している。
【００７１】
また、ミリ波の波長はＸ線に比べて格段に小さいので、例えば、コンクリートの表面が壁紙クロスや塗装などの媒質によって覆われている場合には、媒質をイオン化し損傷させるなどの危険性はない。
【００７２】
したがって、本実施の形態によれば、送信アンテナ１２で放射されたミリ波が、媒質を透過した後にターゲットで反射し、受信アンテナ１３及び検波器１４により検知された反射波の強度を、ロックインアンプ３で数値化することで、コンクリート１６で表面反射した反射波と、コンクリート１６表層内部のミリオーダーのクラック１７で散乱反射した反射波の反射強度の違いから、クラック１７が検出可能になる。さらに、車輪付き筐体７でコンクリート１６の表面に沿って走査することで、距離センサ８により検知した距離情報に基づいて、広範囲に渡ってコンクリート１６表面の二次元画像データを形成することが可能となる。
【００７３】
また、一列に配列された検波器１４の各々から並列出力された出力信号を、電子回路式の切り換えスイッチ１５により出力信号を順次切り換えるようにしたことで、各検波器からの複数の並列信号が高速に出力処理され、一方向の走査で画像データを生成することができる。これにより、ロックインアンプ３で数値化されたスイッチ１５からの出力信号の強度を、移動距離に合わせて次々に描画することで、コンクリート１６表面の二次元画像をリアルタイムに得ることができる。
【００７４】
さらに、送信アンテナ１２と受信アンテナ１３を、送信アンテナ１２の主軸Ｂ１及び垂直軸Ｋのなす角度θ１と受信アンテナ１３の主軸Ｂ２及び垂直軸Ｋのなす角度θ２とが異なるように設置することで、ターゲットで表面反射したミリ波成分が受信アンテナに入るのが抑制され、所望信号であるコンクリート１６の表層のクラック１７で散乱反射したミリ波成分のＳＮ比が向上し、クラック１７の検出精度が向上する。
【００７５】
よって、本実施の形態によれば、コンクリート構造物の表層内部に生じたクラックや剥離などの劣化状態を、ターゲットに対する適用範囲を拡大しつつ高い空間解像度でリアルタイムによる非破壊検査を行うことができる。
【００７６】
その他、電磁波イメージングシステム１において、ロックインアンプ３には、単一チャネルで入力される信号を位相感応検波する単一チャネル入力式のロックインアンプを使用することで、設計が容易且つ安価なシステムを構築することができる。
【００７７】
また、移動型電磁波照射・検知装置２において、ターゲットの表面に接するように車輪が備え付けられた車輪付き筐体７を使用することで、ターゲット表面に沿った移動走査が容易になり、操作性が向上する。
【００７８】
［その他の形態について］
また、本実施の形態において、移動型電磁波照射・検知装置におけるアンテナは、異なる送信アンテナと受信アンテナを使用したバイスタティック系の電磁波送受信方式により電磁波を送受信するようにし、送信アンテナの主軸とターゲットに対して垂直な垂直軸とのなす角度が、受信アンテナの主軸とターゲットに対して垂直な垂直軸とのなす角度と異なるような構成としたが、これに限られるものではない。例えば、送信アンテナと受信アンテナの主軸が同一である送受信アンテナを使用したモノスタティック系の電磁波送受信方式により電磁波を送受信するようにしてもよい。
【００７９】
このような場合は、主軸が同一である送受信アンテナの主軸が、ターゲットに対して垂直な垂直軸と平行でないようにすることで、ターゲットで表面反射した電磁波成分が受信アンテナに入るのが抑制され、所望信号であるターゲット表層内部の欠陥部分で散乱反射した電磁波成分のＳＮ比が向上し、欠陥部分の検出精度が向上する。
【００８０】
尚、本実施の形態においては、検波器１４を一列に１６個配列し、電子回路式のＰＩＮダイオードスイッチにより検波器１４の各々から出力された並列信号をロックインアンプ３に出力するような構成としたが、これに限られるものではなく、例えば、検波器１４を１００個並列に並べて、ＰＩＮダイオードスイッチによりロックインアンプ３に出力するような構成にしてもよい。
【００８１】
この構成においては、本実施の形態による効果に加えてＰＩＮダイオードスイッチは４００マイクロ秒以下の切り換え速度が可能であるので、４０ミリ秒程度の時間で全ての検波器１４の出力を測定することができ、画像データの解像度が向上する。
【００８２】
また、本実施の形態においては、車輪付き筐体により移動型電磁波照射・検知装置をターゲットの表面に沿って走査するような構成としたが、これに限られるものではなく、車輪付き筐体により、少なくとも送信アンテナと受信アンテナを走査する構成であれば、本実施の形態と同等な効果を奏することができる。
【００８３】
また、本実施の形態においては、移動型電磁波照射・検知装置の車輪付き筐体のサイズは、数十センチ四方程度の大きさのハンディ型とし、操作者が片手で操作を行うことができるようにしたが、これに限られるものではない。
【００８４】
例えば、車輪付き筐体のサイズを大きくし、筐体内部にロックインアンプや制御ＰＣを組み込むことで、操作者が移動型電磁波照射・検知装置を乗用可能とし、検査領域が広い環境下などにおいて、操作者がターゲット上を乗用型の移動型電磁波照射・検知装置を運転しながら、検査を行うシステム構成にしてもよい。この場合においては、本実施の形態と同等な効果に加え利便性が向上する。
【００８５】
また、本実施の形態においては、車輪付き筐体により走査された距離情報を検知する距離センサは、車輪付き筐体の車輪の回転軸に備え付けられロータリーエンコーダにより車輪の移動量を検知するようにしたが、これに限られるものではなく、例えば、筐体の底面に発光器と受光器を備え、ターゲット上に光を反射しやすい専用のパッドを配置し、発光器からの光をパッド上で反射させ、受光器で受光した反射光の強度から移動量を光学的に検知するような構成にしてもよい。これにより本実施の形態と同等な効果に加え、距離センサによる距離情報の測定精度が向上する。また、所望ターゲット信号のＳ／Ｎ比が良好な場合は、ロックインアンプは不要である。
【００８６】
その他、移動型電磁波照射・検知装置においてターゲットであるコンクリート表面のごみや埃、水分などを測定前に取り除くことが可能なクリーナ機能を備えるようにしてもよい。これにより本実施の形態と同等な効果に加え、クラックなどの微細な欠陥部分からの反射波に影響するごみや、反射波の減衰に影響する水分などを除去することができ、所望信号である反射波のＳＮ比を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本実施の形態に係る電磁波イメージングシステムの概略的な構成を示す図である。
【図２】図１の電磁波イメージングシステムにおける移動型電磁波照射・検知装置の構成を示す概略図である。
【図３】コンクリート表面とクラックにおけるミリ波の反射特性を示した図である。
【図４】図２の移動型電磁波照射・検知装置における送信アンテナと受信アンテナの概略的な構成を示した図である。
【図５】図２の移動型電磁波照射・検知装置における電磁波照射部と電磁波検知部の訓句リートに対する設置例を示す。
【図６】電磁波イメージングシステムにより撮像を行ったコンクリートの外壁を示す平面図である。
【図７】図６の電磁波イメージングシステムによる撮像結果である。
【符号の説明】
【００８８】
１…電磁波イメージングシステム
２…移動型電磁波照射・検知装置
３…ロックインアンプ
４…制御ＰＣ
５…電磁波照射部
６…電磁波検知部
７…車輪付き筐体
８…距離センサ
９…電磁波発生器
１０…低周波信号器
１１…変調器
１２…送信アンテナ
１３…受信アンテナ
１４…検波器
１５…スイッチ
１６…コンクリート
１７…クラック
１８…ＡＢＳ樹脂カバー
１９…撮像領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ミリ波帯の電磁波を発生する電磁波発生手段と、当該電磁波をターゲットに放射する送信アンテナと、前記ターゲットで反射した電磁波を受信する受信アンテナと、前記受信アンテナにより受信された電磁波の反射強度を電気信号に変換する検波器と、少なくとも前記送信アンテナ及び前記受信アンテナを前記ターゲットに沿って走査可能な筐体と、当該筐体が走査した距離を検知する距離検知手段とを備えた移動型電磁波照射・検知装置と、
前記検波器からの出力が入力されるロックインアンプと、
当該ロックインアンプの出力信号及び前記距離検知手段により検知された距離情報に基づいて画像データを生成する画像データ生成手段と、
を有することを特徴とする電磁波イメージングシステム。
【請求項２】
前記検波器は、複数配列されたものであって、各々の検波器からの出力信号を順次切り換えて出力するスイッチを更に有し、
前記スイッチからの出力が前記ロックインアンプに単一チャネルで入力されることを特徴とする請求項１に記載の電磁波イメージングシステム。
【請求項３】
前記送信アンテナの主軸と前記ターゲットに対して垂直な垂直軸とのなす角度は、前記受信アンテナの主軸と前記垂直軸とのなす角度と異なることを特徴とする請求項１又は２に記載の電磁波イメージングシステム。
【請求項４】
前記送信アンテナ及び前記受信アンテナは、主軸が同一である送受信アンテナであって、当該送受信アンテナの主軸は前記ターゲットに対して垂直な垂直軸と平行でないことを特徴とする請求項１又は２に記載の電磁波イメージングシステム。
【請求項５】
前記筐体は、前記ターゲットの表面に接するように備え付けられた車輪を有するものであって、当該車輪により少なくとも前記送信アンテナ及び前記受信アンテナを前記ターゲットの表面に沿って走査可能であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電磁波イメージングシステム。
【請求項６】
ミリ波帯の電磁波を発生する電磁波発生手段と、
当該電磁波をターゲットに放射する送信アンテナと、
前記ターゲットで反射した電磁波を受信する受信アンテナと、
当該受信アンテナにより受信された電磁波の反射強度を電気信号に変換する検波器と、
少なくとも前記送信アンテナ及び前記受信アンテナを前記ターゲットに沿って走査可能な筐体と、
当該筐体が走査した距離を検知する距離検知手段と、
を有することを特徴とする移動型電磁波照射・検知装置。
【請求項７】
前記検波器は、複数配列されたものであって、各々の検波器からの出力信号を順次切り換えて出力するスイッチを更に有することを特徴とする請求項６に記載の移動型電磁波照射・検知装置。
【請求項８】
前記送信アンテナの主軸と前記ターゲットに対して垂直な垂直軸とのなす角度は、前記受信アンテナの主軸と前記垂直軸とのなす角度と異なることを特徴とする請求項６又は７に記載の移動型電磁波照射・検知装置。
【請求項９】
前記送信アンテナ及び前記受信アンテナは、主軸が同一である送受信アンテナであって、当該送受信アンテナの主軸は前記ターゲットに対して垂直な垂直軸と平行でないことを特徴とする請求項６又は７に記載の移動型電磁波照射・検知装置。
【請求項１０】
前記筐体は、前記ターゲットの表面に接するように備え付けられた車輪を有するものであって、当該車輪により少なくとも前記送信アンテナ及び前記受信アンテナを前記ターゲットの表面に沿って走査可能であることを特徴とする請求項６乃至９のいずれかに記載の移動型電磁波照射・検知装置。
【請求項１】
ミリ波帯の電磁波を発生する電磁波発生手段と、当該電磁波をターゲットに放射する送信アンテナと、前記ターゲットで反射した電磁波を受信する受信アンテナと、前記受信アンテナにより受信された電磁波の反射強度を電気信号に変換する検波器と、少なくとも前記送信アンテナ及び前記受信アンテナを前記ターゲットに沿って走査可能な筐体と、当該筐体が走査した距離を検知する距離検知手段とを備えた移動型電磁波照射・検知装置と、
前記検波器からの出力が入力されるロックインアンプと、
当該ロックインアンプの出力信号及び前記距離検知手段により検知された距離情報に基づいて画像データを生成する画像データ生成手段と、
を有することを特徴とする電磁波イメージングシステム。
【請求項２】
前記検波器は、複数配列されたものであって、各々の検波器からの出力信号を順次切り換えて出力するスイッチを更に有し、
前記スイッチからの出力が前記ロックインアンプに単一チャネルで入力されることを特徴とする請求項１に記載の電磁波イメージングシステム。
【請求項３】
前記送信アンテナの主軸と前記ターゲットに対して垂直な垂直軸とのなす角度は、前記受信アンテナの主軸と前記垂直軸とのなす角度と異なることを特徴とする請求項１又は２に記載の電磁波イメージングシステム。
【請求項４】
前記送信アンテナ及び前記受信アンテナは、主軸が同一である送受信アンテナであって、当該送受信アンテナの主軸は前記ターゲットに対して垂直な垂直軸と平行でないことを特徴とする請求項１又は２に記載の電磁波イメージングシステム。
【請求項５】
前記筐体は、前記ターゲットの表面に接するように備え付けられた車輪を有するものであって、当該車輪により少なくとも前記送信アンテナ及び前記受信アンテナを前記ターゲットの表面に沿って走査可能であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電磁波イメージングシステム。
【請求項６】
ミリ波帯の電磁波を発生する電磁波発生手段と、
当該電磁波をターゲットに放射する送信アンテナと、
前記ターゲットで反射した電磁波を受信する受信アンテナと、
当該受信アンテナにより受信された電磁波の反射強度を電気信号に変換する検波器と、
少なくとも前記送信アンテナ及び前記受信アンテナを前記ターゲットに沿って走査可能な筐体と、
当該筐体が走査した距離を検知する距離検知手段と、
を有することを特徴とする移動型電磁波照射・検知装置。
【請求項７】
前記検波器は、複数配列されたものであって、各々の検波器からの出力信号を順次切り換えて出力するスイッチを更に有することを特徴とする請求項６に記載の移動型電磁波照射・検知装置。
【請求項８】
前記送信アンテナの主軸と前記ターゲットに対して垂直な垂直軸とのなす角度は、前記受信アンテナの主軸と前記垂直軸とのなす角度と異なることを特徴とする請求項６又は７に記載の移動型電磁波照射・検知装置。
【請求項９】
前記送信アンテナ及び前記受信アンテナは、主軸が同一である送受信アンテナであって、当該送受信アンテナの主軸は前記ターゲットに対して垂直な垂直軸と平行でないことを特徴とする請求項６又は７に記載の移動型電磁波照射・検知装置。
【請求項１０】
前記筐体は、前記ターゲットの表面に接するように備え付けられた車輪を有するものであって、当該車輪により少なくとも前記送信アンテナ及び前記受信アンテナを前記ターゲットの表面に沿って走査可能であることを特徴とする請求項６乃至９のいずれかに記載の移動型電磁波照射・検知装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００７−１２１２１４（Ｐ２００７−１２１２１４Ａ）
【公開日】平成１９年５月１７日（２００７．５．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３１６７９３（Ｐ２００５−３１６７９３）
【出願日】平成１７年１０月３１日（２００５．１０．３１）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年５月１７日（２００７．５．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１０月３１日（２００５．１０．３１）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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