地中レーダー
米国アラバマ州の歴史的な墓地で観測された地中レーダー画像。双曲線状の到達線（矢印）は、地表下に埋もれた回折体の存在を示しており、おそらく人間の埋葬に関連していると考えられる。土壌層からの反射も確認されている（破線）。

地中レーダー（GPR）は、レーダーパルスを用いて地下を画像化する地球物理学的手法です。コンクリート、アスファルト、金属、パイプ、ケーブル、石積みなどの地下設備を調査するために、非侵襲的に地下を調査する方法です。 [ 1 ]この非破壊的な方法は、無線スペクトルのマイクロ波帯域（UHF / VHF周波数）の電磁放射を使用し、地下構造物からの反射信号を検出します。GPRは、岩石、土壌、氷、淡水、舗装、構造物など、さまざまな媒体に適用できます。適切な条件下では、GPRを使用して地下物体、材料特性の変化、空隙や亀裂を検出できます。[ 2 ] [ 3 ]

GPRは、通常10MHzから2.6GHzの範囲の高周波（通常は偏波）電波を使用します。GPR送信機とアンテナは、電磁エネルギーを地中に放射します。放射されたエネルギーは、地中埋設物や誘電率の異なる物質の境界に遭遇すると、反射、屈折、または散乱されて地表に戻ります。受信アンテナは、返送された信号の変化を記録します。その原理は地震学と似ていますが、GPR法では音響エネルギーではなく電磁エネルギーを利用し、地震エネルギーのように地下の機械的特性が変化する境界ではなく、地下の電気的特性が変化する境界でエネルギーが反射される点が異なります。

地面の電気伝導率、送信中心周波数、および放射電力はすべて、GPR 調査の有効な深度範囲を制限する可能性があります。電気伝導率の増加は導入された電磁波を減衰させるため、浸透深度は減少します。周波数に依存する減衰メカニズムのため、高い周波数は低い周波数ほど深く浸透しません。ただし、高い周波数により解像度が向上する可能性があります。したがって、動作周波数は常に解像度と浸透の間でトレードオフになります。地下浸透の最適な深度は氷の中で達成され、低い GPR 周波数で浸透深度は数千メートル (グリーンランドの岩盤まで) に達することがあります。乾燥した砂質土や、花崗岩、石灰岩、コンクリートなどの塊状の乾燥した物質は、導電性よりも抵抗性である傾向があり、浸透深度は最大 15 メートル (50 フィート) になることがあります。ただし、湿った土壌や粘土質の土壌、および電気伝導率の高い物質では、浸透は数センチメートルほど小さくなることがあります。

地中レーダーアンテナは通常、最も強い信号強度を得るために地面に接触しますが、GPR 空中発射アンテナは地上で使用できます。

クロスボアホール GPR は、水文地球物理学の分野で、土壌水分の存在と量を評価する貴重な手段として発展してきました。

歴史

連続波レーダーを用いて地中物体の位置を特定するシステムに関する最初の特許は、ゴットヘルフ・ライムバッハとハインリッヒ・レーヴィによって1910年に出願されました。これは、レーダー自体の最初の特許（特許DE 237 944）の6年後のことでした。連続波ではなくレーダーパルスを使用するシステムの特許は、1926年にヒュルゼンベック博士によって出願され（特許DE 489 434）、深度分解能の向上につながりました。1929年には、W・シュテルンが地中レーダーを用いて氷河の深度を測定しました。[ 4 ]

この分野の更なる発展は、1970年代に軍事利用が研究を牽引し始めるまでほとんど見られませんでした。その後、商業利用が進み、1975年には最初の手頃な価格の民生用機器が販売されました。[ 4 ]

1972年、アポロ17号は月周回軌道にALSE（Apollo Lunar Sounder Experiment）と呼ばれる地中探査レーダーを搭載しました。このレーダーは最大1.3kmの深さまでの情報を記録することができ、当時は適切なコンピュータストレージがなかったため、結果はフィルムに記録されました。[ 5 ] [ 6 ]

アプリケーション

2010年に米国オクラホマ州スティルウォーター近郊で使用されている地中レーダー
ヨルダンの遺跡における地中レーダー調査

GPRは様々な分野で応用されています。地球科学では、岩盤、土壌、地下水、氷の研究に使用されています。また、地中深くの河床に埋もれた、より重い粒子が蓄積する可能性のある天然のトラップを発見することで、沖積砂利層における金塊やダイヤモンドの探査にも役立ちます。[ 7 ]中国の月面探査車「玉兔」には、月の土壌と地殻を調査するためのGPRが底面に搭載されています。

工学分野での用途としては、構造物や舗装の非破壊検査（NDT）、埋設構造物や公共設備の配管位置の特定、土壌や岩盤の調査などが挙げられます。環境修復分野では、GPRは埋立地、汚染物質のプルーム、その他の修復現場の特定に使用され、考古学分野では考古学的特徴や墓地のマッピングに使用されます。法執行機関では、隠匿された墓地や埋蔵された証拠の位置特定にGPRが使用されています。軍事分野では、地雷、不発弾、トンネルの探知などに使用されます。

GPRを用いたボアホールレーダーは、地下鉱山において、ボーリングホール内の構造をマッピングするために使用されます。最新の指向性ボアホールレーダーシステムは、単一のボーリングホール内での測定から3次元画像を生成することができます。[ 8 ]

地中レーダーのもう一つの主な用途は、地下埋設設備の位置特定です。標準的な電磁誘導式埋設設備位置特定ツールは、埋設設備が導電性であることを必要とします。これらのツールは、プラスチック製の導管やコンクリート製の雨水管・下水管の位置特定には効果がありません。GPRは地下の誘電特性の変化を検知するため、非導電性の埋設設備の位置特定に非常に効果的です。

GPRは、チャンネル4のテレビ番組「タイム・チーム」で頻繁に使用され、発掘調査に適した場所を特定するためにこの技術が活用されました。また、1992年に不動産業者を誘拐したマイケル・サムズが畑に埋めた15万ポンドの身代金回収にもGPRが使用されました。 [ 9 ]

軍隊

地中レーダーの軍事用途には、不発弾の探知やトンネル探知などが含まれます。軍事用途やその他の一般的な地中レーダー探知（GPR）の用途では、電気抵抗法や電磁誘導法といった他の地球物理学的手法と組み合わせてGPRが使用されることがよくあります。

2020年5月、米軍は道路に埋められた即席爆発装置（IED）を探知するための地中探知レーダーシステムをケムリング・センサーズ・アンド・エレクトロニクス・システムズ（CSES）に2億200万ドルで発注した。[ 10 ]

車両の位置特定

研究者たちは、地中レーダーから得られる事前地図ベースの画像を用いて車両の位置を特定する手法を実証しました。「ローカライズ地中レーダー」（LGPR）と呼ばれるこの手法は、時速100km（60mph）までの速度においてセンチメートルレベルの精度を実現しました。[ 11 ]研究者たちは、この技術が、一般的に使用されているLIDARベースの位置特定システム では困難である雪中での位置特定という課題を克服できる可能性があると考えています。 [ 12 ]閉ループ動作は、2012年に自律走行車操舵システムで初めて実証され、2013年には軍事作戦に導入されました。[ 11 ]夜間の吹雪の中での高速道路の速度センチメートルレベルの位置特定は、2016年に実証されました。[ 13 ]

考古学

地中レーダー探査は考古学地球物理学において用いられる手法の一つである。地中レーダー探査は、地下の考古学的遺物、特徴、パターンを検出し、地図化するために用いられる。 [ 14 ]

歴史的な墓地にある納骨堂を写したGPR深度スライス画像。これらの平面図は、異なる深度の地下構造を示しています。60行のデータはそれぞれ鉛直プロファイルを表し、収集され、異なる深度で水平方向に「スライス」できる3次元データ配列としてまとめられました。
上に示した歴史的な地下聖堂の調査から得られた1本の線分のデータを示すGPR深度断面（プロファイル）。地下聖堂のドーム状の屋根は、地表から1メートルから2.5メートルの深さで確認できます。

レーダーの概念はほとんどの人にとって馴染み深いものです。地中レーダーでは、レーダー信号（電磁パルス）が地中に照射されます。地中の物体や地層によって反射波が起こり、受信機で受信されます。反射信号の到達時間から深度が分かります。データは、断面図、特定の深度を示す平面図、あるいは3次元モデルとしてプロットすることができます。

GPRは、好条件（均一な砂質土壌が理想的）においては強力なツールとなり得ます。考古学で用いられる他の地球物理学的手法と同様に（発掘調査とは異なり）、遺物の位置を特定し、地形を地図上に描き出す際に、損傷のリスクを一切負うことなく、その特性を明らかにすることができます。考古学地球物理学において用いられる手法の中で、GPRは比較的深度にある小さな物体を検出できる能力と、異常源の深度を特定できる能力の両方において、他に類を見ないものです。

GPRの主な欠点は、環境条件が理想的とは言えない場合、その性能が著しく制限されることです。細粒の堆積物（粘土やシルト）は、高い電気伝導率によって信号強度が失われるため、しばしば問題となります。また、岩石質や不均質な堆積物はGPR信号を散乱させ、有効な信号を弱めるだけでなく、外来ノイズを増加させます。

文化遺産の分野では、高周波アンテナを備えたGPRは、歴史的な石造建築物の調査、柱のひび割れや腐食パターンの検出、フレスコ画の剥離の検出にも使用されています。[ 15 ]

埋葬地

GPRは、犯罪学者、歴史学者、考古学者が埋葬地の捜索に使用している。[ 16 ] GPRの考古学専門家の第一人者の一人であるローレンス・コニャーズは、著書「考古学のための地中レーダーの解釈」でこのプロセスについて説明している。 [ 17 ]コニャーズは、1996年にエルサルバドル、[ 18 ] 1997年にアリゾナ州南部のフォーコーナーズ地域のチャコ時代、[ 19 ] [ 20 ] 2018年にアイルランドの中世の遺跡でGPRを使用した研究を発表した。 [ 21 ]コニャーズの研究を受けて、[ 17 ]アルバータ大学の草原および先住民考古学研究所は、国立真実と和解センターと共同で、カナダのインディアン寄宿学校の調査にGPRを使用している。[ 22 ] 2021年6月までに、同研究所はGPRを使用して、歴史的な墓地やインディアン寄宿学校の近くの地域で、墓標のない疑いのある場所を特定しました。[ 22 ] 2021年5月27日、ブリティッシュコロンビア州のTk'emlúps te Secwépemcファーストネーションの土地にあるカムループスインディアン寄宿学校の埋葬地で、GPRを使用して215の標識のない異常物（おそらく子供の墓）が発見されたと報告されました。 [ 23 ] 2021年6月、サスカチュワン州のCowessessファーストネーションは、1996年に閉鎖されるまで1世紀にわたって運営されていたMarieval Indian Residential Schoolの敷地内で、 GPR技術を使用して751の標識のない墓地を特定しました。[ 24 ]

GPR技術の進歩は、様々な3Dソフトウェアモデリングプラットフォームと統合され、地下の「形状とその空間的関係」を3次元的に再構築します。2021年までに、これは「新たな標準として浮上しつつある」とされています。[ 25 ]

氷河学

電波氷河学は、氷河貫通レーダーを用いて氷河、氷床、氷冠、そして氷に覆われた衛星を研究する学問です。地中貫通レーダーと同様の地球物理学的手法を用い、通常はMF 、HF、VHF、UHFの電波スペクトルの周波数帯で動作します。[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]この技術は、一般的に「氷貫通レーダー（IPR）」または「電波エコーサウンディング（RES）」とも呼ばれます。

氷河は、無線周波数における氷の導電率、誘電率の虚数部、誘電吸収が小さいため、損失正接、表皮厚さ、減衰値が低くなるため、レーダーによる調査に特に適しています。これにより、氷床底からのエコーを4kmを超える氷の厚さを通して検出できます。[ 30 ] [ 31 ]電波を使用した氷塊の地下観測は、半世紀以上にわたって氷河学において不可欠かつ進化を続ける地球物理学的手法です。 [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ]最も広く使用されているのは、氷の厚さ、氷河下の地形、氷床の層序の測定です。[ 40 ] [ 33 ] [ 30 ] また、水文学、熱状態、蓄積、流動履歴、氷組織、および地質学を含む、氷床と氷河の氷床下および状態の観測にも使用されています。[ 26 ] 惑星科学では、氷貫通レーダーは火星と彗星の極地氷床の地下を探査するためにも使用されています。[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]木星の氷の衛星を探査するミッションが計画されています。[ 44 ] [ 45 ]

3次元画像

GPRデータの個々の線は、地下の断面（プロファイル）図を表します。ある領域を体系的に収集した複数のデータ線は、3次元画像または断層画像を作成するために使用できます。データは、3次元ブロック、水平または垂直のスライスとして提示されます。水平スライス（「深度スライス」または「時間スライス」と呼ばれる）は、基本的に特定の深度を分離した平面図です。水平方向のパターンは、文化活動の最も重要な指標となることが多いため、時間スライスは考古学の応用において標準的な手法となっています。 [ 20 ]

制限事項

GPRの性能を最も大きく制限するのは、粘土質土壌や塩分に汚染された土壌などの高導電率材料です。また、岩石質土壌などの不均質な条件における信号散乱によっても性能が制限されます。

現在利用可能な GPR システムのその他の欠点は次のとおりです。

  • レーダーグラムの解釈は、一般的に初心者にとって直感的ではありません。
  • GPR 調査を効果的に設計、実施、解釈するには、かなりの専門知識が必要です。
  • 比較的高いエネルギー消費は、広範囲にわたる現地調査では問題となる可能性があります。

レーダーは物質組成の変化に敏感であり、変化を検知するには移動が必要です。地表探査レーダーや地中探査レーダーを用いて静止物体を透過する場合、レーダーが特定の領域を調査するためには、装置を移動させる必要があります。レーダーはパイプ、空洞、土壌などの物体を識別できますが、金や宝石などの特定の物質を識別することはできません。しかし、潜在的な宝石含有ポケット（空洞）の地下マッピングには役立ちます。測定値は地中の水分によって乱れる可能性があり、宝石含有ポケットと非含有ポケットを区別することはできません。[ 46 ]

深度探知能力を決定する際には、アンテナの周波数範囲によってアンテナのサイズと深度探知能力が決まります。スキャンするグリッド間隔は、識別が必要なターゲットのサイズと必要な結果に基づいて決定されます。一般的なグリッド間隔は、地上調査では1メートル、3フィート、5フィート、10フィート、20フィート、壁や床では1インチから1フィートです。

レーダー信号の伝搬速度は、透過する物質の組成に依存します。目標までの深度は、レーダー信号がユニットのアンテナに反射して戻ってくるまでの時間に基づいて決定されます。レーダー信号は、物質の種類によって伝搬速度が異なります。既知の物体までの深度を用いて特定の速度を決定し、深度計算を校正することが可能です。

電力調整

2005年、欧州電気通信標準化機構は、電磁放射の過剰放出を制御するためにGPR機器とGPRオペレータを規制する法律を導入しました。[ 47 ]欧州GPR協会（EuroGPR）は、ヨーロッパにおけるGPRの正当な使用を代表し保護するための業界団体として設立されました。

類似の技術

強化された地上画像と爆弾検知

地中レーダーは、レーダー信号を生成するために、インパルス、[ 48 ]ステップ周波数、周波数変調連続波（FMCW）、ノイズなど、様々な技術を用いています。2009年に市場に投入されたシステムでは、オフラインではなく調査作業中に デジタル信号処理（DSP）を用いてデータを処理しています。

特殊な種類の地中レーダーは、変調されていない連続波​​信号を使用します。このホログラフィック地中レーダーは、平面図上の地中ホログラムを記録する点で他の地中レーダーとは異なります。このタイプのレーダーの探知深度は比較的浅く（20～30cm）、しかし、横方向分解能は土壌中の様々な種類の地雷、あるいは壁、床、構造物に埋め込まれた空洞、欠陥、盗聴装置、その他の隠れた物体を識別するのに十分です。[ 49 ] [ 50 ]

GPRは、高速道路調査や地雷探知のために車両に搭載されています。高度な土壌調査を行うEU Detect Force Technologyは、X6 Plus Grounding Radar（XGR）をハイブリッドGPRアプリケーションとして設計し、軍用地雷探知および警察用爆弾探知に利用しています。「Mineseekerプロジェクト」は、飛行船に搭載された超広帯域合成開口レーダーユニットを用いて、地域における地雷の存在を判定するシステムの設計を目指しています。

ユーティリティライン

管内レーダー（IPPR）と下水道内GPR（ISGPR）は、非金属パイプに適用されるGPR技術の応用であり、信号はパイプと導管の壁を透過してパイプの壁の厚さとパイプ壁の後ろの空隙を検出します。[ 51 ] [ 52 ] [ 53 ]

高度な配管状態評価会社である SewerVUE Technology は、パイプ貫通レーダー (PPR) をパイプ内 GPR アプリケーションとして使用し、残りの壁の厚さ、鉄筋のかぶり、剥離を確認し、パイプの外側で発生している空洞の存在を検出します。

壁貫通レーダー

壁貫通レーダーは非金属構造物を透過して読み取ることができます。これは1984年、オーストラリア警察とオーストラリア情報局（ASIO）がキャンベラの旧ロシア大使館を調査した際に初めて実証されました。警察は、横方向に最大2部屋離れた人物を、床を垂直方向に透視して監視する方法を実証し、武器となる可能性のある金属塊を発見することもできました。GPRは、軍の警備員や警察のモーションセンサーとしても機能します。

参照

参考文献

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さらに読む

科学およびエンジニアリングアプリケーションの概要については、以下を参照してください。

  • Jol, HM編 (2008).地中レーダーの理論と応用. エルゼビア.
  • ペルシコ、ラファエレ (2014).地中レーダー入門：逆散乱とデータ処理. John Wiley & Sons.

考古学における地球物理学的手法の一般的な概要については、以下の文献をご覧ください。

  • クラーク、アンソニー・J.（1996）『土壌の下を見る：考古学における探査法』ロンドン、イギリス：BTバッツフォード社
  • コンヤーズ、ローレンス・B; グッドマン、ディーン (1997). 『地中レーダー：考古学者のための入門』ウォルナット・クリーク、カリフォルニア州: アルタミラ・プレス. ISBN 978-0-7619-8927-1. OCLC  36817059 .
  • ギャフニー、クリス、ジョン・ゲイター（2003年）『埋もれた過去を解き明かす：考古学者のための地球物理学』ストラウド（イギリス）：テンプス社
ウィキメディア コモンズには、地中レーダーに関連するメディアがあります。

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