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電磁波レーダの原理 - 計測技術サービス

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電磁波レーダの原理
日本無線株式会社
株式会社 計測技術サービス
1、基本原理
レーダ装置
反射波形
表面反射波
コンクリート表面
放射波
媒体1:ε1
反射波
D
T
境界面
媒体2:ε2
境界面の反射
レーダ方式での深さ/厚さ測定に
ついては、図-1に示すように、材
質(比誘電率:電気的特性の一種)
の異なる境界面での電磁波の反射を
利用しています。
深さDは式(1)により、求めら
れます。式からわかるとおり、電磁
波がコンクリート表面に放射され、
境界面で反射して、再び表面に戻っ
てくるまでの時間を利用しています。
ここで、式の中の記号は以下となり
ます。
透過波
ε1:媒体1の比誘電率
ε2:媒体2の比誘電率
D:表面から境界面までの深さ
V:電磁波の速度(m/s)
T:反射時間(s)
時間
図-1 レーダ装置の原理図
D=(1/2)xTxV
=(1/2)xTx(3x108/ ε
(m)
・・・・・・・
(1)
1)
2、反射強度と反射物体の材質推定
反射の強さを示す反射率γは、式(2)のように表されます。
γ=( ε
・・・・・・・・・・・
(2)
1― ε
2 )/( ε
1+ ε
2 )
従いまして、境界面での反射強度は、境界面を形成している各々の媒体が有する固有の
比誘電率の差によって決定され、反射波形の極性も比誘電率の大小関係により決まります。
図-2のように、ε1>ε2の場合には、反射波形の最初のピークは左側になっています。
トンネルの巻厚裏の空洞の測定の場合が、このケースに相当します。
反射波形
左側ピーク
反射波
ε1:コンクリート
(ε1≒8)
境界面
ε2:空気(ε2=1)
透過波
図図
図-2 ε1>ε2の場合
-1-
図-3のように、ε1≺ ε2の場合には、反射の最初のピークが右側になっております。
コンクリート床のデッキ測定の場合がこのケースに相当します。
反射波形
ε1:コンクリート
(ε1≒8)
右側ピーク
境界面
ε2:金属(ε2≒∞)
図-3 ε1≺ ε2の場合
3、主な材質の比誘電率
代表的な材質の比誘電率を表-1に示します。表-1と式(2)からわかるように、コン
クリート裏が玄武岩・石灰岩のような場合には比誘電率がほぼ同じですので、反射率γが
零に近くなり、従って境界面からの反射波形が検出できなくなります。
材 質 名
空気
淡水・海水
砂(乾)
砂(湿)
ローム(乾)
ローム(湿)
比誘電率
1
81
2.6
25
2.5
19
表-1 代表的な材質の比誘電率
材 質 名
比誘電率
材 質 名
粘土(乾)
2.4
石灰岩(湿)
粘土(湿)
15
コンクリート
玄武岩(湿)
8
アスファルト
花崗岩(湿)
7
砕石路盤
頁岩(湿)
7
金属
砂岩(湿)
6
比誘電率
8
9
5
9
∞
4、測定結果画像表示方法
反射波形(Aモード)を基に断面画像(Bモード)を表示する仕組みについて、説明しま
す。図-4は単独筋を断面図表示(Bモード表示)と反射波形表示(Aモード表示)で同時
にモノクロで表示した例です。
断面図表示
反射波形表示
左側の断面図(Bモード)表示で赤い、
縦線(縦カーソル)の位置での反射波形
表示(Aモード)が右側に表示されています。
この反射波形表示により、表面からの
最初の大きなピーク波形の極性(右側ピーク)
から、図-3の例のように、反射材質の
推定が可能です。
横カーソルは、断面図表示・反射波形表
示に共通して連動し、深さ(かぶり厚さ)を
測定するのに使用します。反射波形表示で
最初の右側ピークの位置が正確な深さ(かぶ
り厚さ)となります(断面図表示では黒い山
図-4 測定結果表示の説明
形の肉厚のほぼ中心)。
-2-
5、山形画像について
コンクリート中の単独のパイプあるいは鉄筋が、なぜ山形状の画像として表示されるのか
を図-5を基に説明します。
図-5 山形の断面画像
図-4の右側の反射波形の集合体が断面画像ですが、図-5に示すように、装置が物標に
近づいてから遠ざかるまでの距離差(D1~D2)により、各位置で反射波形が発生する時
間が異なり、結果として、断面画像は山形画像になってきます。
-3-
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