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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023131021
(43)【公開日】2023-09-21
(54)【発明の名称】方法、システム、及び、装置
(51)【国際特許分類】
G01N 22/04 20060101AFI20230913BHJP
G01N 22/00 20060101ALI20230913BHJP
G01N 27/02 20060101ALI20230913BHJP
【ＦＩ】
G01N22/04 Z
G01N22/00 U
G01N27/02 B
【審査請求】未請求
【請求項の数】11
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022035665
(22)【出願日】2022-03-08
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り 令和３年３月１２日に岩城昴琉、岩本孝太、内田悠斗、坂本雅弥、及び黒木太司により、２０２１年電子情報通信学会総合大会にて公開。 令和３年３月１２日に高松陸、岩城昴琉、岩本孝太、坂本雅弥、及び黒木太司により、２０２１年電子情報通信学会総合大会にて公開。
(71)【出願人】
【識別番号】504237050
【氏名又は名称】独立行政法人国立高等専門学校機構
(71)【出願人】
【識別番号】000144452
【氏名又は名称】株式会社三宅
(74)【代理人】
【識別番号】110001782
【氏名又は名称】弁理士法人ライトハウス国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】黒木 太司
(72)【発明者】
【氏名】三宅 正光
【テーマコード（参考）】
2G060
【Ｆターム（参考）】
2G060AA14
2G060AD02
2G060AF03
2G060AF06
2G060AG08
2G060CA01
2G060FA01
2G060KA05
(57)【要約】
【課題】
アンテナを利用した地表面下の含水率を推定可能な方法、システム、及び、装置を提供することを目的とする。また、アンテナの電波受信強度についての情報を有効利用する方法、システム、及び、装置を提供することを目的とする。
【解決手段】
地表面上で、且つ、地表面の近傍に設置したアンテナにより電磁波を受信するステップと、受信した電磁波の受信強度に応じて地表面下の含水率を特定するステップとを有する方法、及び、地表面上で、且つ、地表面の近傍に設置したアンテナにより電磁波を受信するステップと、受信した電磁波の受信強度が所定の条件を満たしたことを検知するステップとを有する方法。
【選択図】 図１
アンテナを利用した地表面下の含水率を推定可能な方法、システム、及び、装置を提供することを目的とする。また、アンテナの電波受信強度についての情報を有効利用する方法、システム、及び、装置を提供することを目的とする。
【解決手段】
地表面上で、且つ、地表面の近傍に設置したアンテナにより電磁波を受信するステップと、受信した電磁波の受信強度に応じて地表面下の含水率を特定するステップとを有する方法、及び、地表面上で、且つ、地表面の近傍に設置したアンテナにより電磁波を受信するステップと、受信した電磁波の受信強度が所定の条件を満たしたことを検知するステップとを有する方法。
【選択図】 図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
地表面上で、且つ、地表面の近傍に設置したアンテナにより電磁波を受信するステップと、
受信した電磁波の受信強度に応じて地表面下の含水率を特定するステップと
を有する、方法。
受信した電磁波の受信強度に応じて地表面下の含水率を特定するステップと
を有する、方法。
【請求項2】
地表面上で、且つ、地表面の近傍に設置したアンテナにより電磁波を受信するステップと、
受信した電磁波の受信強度が所定の条件を満たしたことを検知するステップと
を有する、方法。
受信した電磁波の受信強度が所定の条件を満たしたことを検知するステップと
を有する、方法。
【請求項3】
所定の条件を満たしたことを検知したことを報知するステップ
を有する、請求項２に記載の方法。
を有する、請求項２に記載の方法。
【請求項4】
受信した電磁波に関する情報を第１の装置から送信するステップと、
前記電磁波に関する情報を第２の装置にて受信するステップと
を有し、
含水率を特定するステップ又は所定の条件を満たしたことを検知するステップが、受信した前記電磁波に関する情報をもとに、第２の装置にて実行される、請求項１～３のいずれかに記載の方法。
前記電磁波に関する情報を第２の装置にて受信するステップと
を有し、
含水率を特定するステップ又は所定の条件を満たしたことを検知するステップが、受信した前記電磁波に関する情報をもとに、第２の装置にて実行される、請求項１～３のいずれかに記載の方法。
【請求項5】
電磁波がラジオ放送波である、請求項１～４のいずれかに記載の方法。
【請求項6】
受信強度が、前記電磁波を送信するための送信電力に対する、アンテナにより電磁波を受信した際の受信電力の比である、請求項１～５のいずれかに記載の方法。
【請求項7】
第１の装置と第２の装置とを備えるシステムであって、
第１の装置が、
地表面上で、且つ、地表面の近傍に設置したアンテナにより受信した電磁波に関する情報を送信する送信手段
を備え、
第２の装置が、
電磁波に関する情報を受信する受信手段と、
受信した電磁波に関する情報をもとに、地表面下の含水率を特定する特定手段と
を備える、システム。
第１の装置が、
地表面上で、且つ、地表面の近傍に設置したアンテナにより受信した電磁波に関する情報を送信する送信手段
を備え、
第２の装置が、
電磁波に関する情報を受信する受信手段と、
受信した電磁波に関する情報をもとに、地表面下の含水率を特定する特定手段と
を備える、システム。
【請求項8】
第１の装置と第２の装置とを備えるシステムであって、
第１の装置が、
地表面上で、且つ、地表面の近傍に設置したアンテナにより受信した電磁波に関する情報を送信する送信手段
を備え、
第２の装置が、
電磁波に関する情報を受信する受信手段と、
受信した電磁波に関する情報が、所定の条件を満たしたことを検知する検知手段と
を備える、システム。
第１の装置が、
地表面上で、且つ、地表面の近傍に設置したアンテナにより受信した電磁波に関する情報を送信する送信手段
を備え、
第２の装置が、
電磁波に関する情報を受信する受信手段と、
受信した電磁波に関する情報が、所定の条件を満たしたことを検知する検知手段と
を備える、システム。
【請求項9】
第１の装置が、アンテナに接続されたリアクタンス回路に接続され、
送信手段が、リアクタンス回路に接続される、請求項７又は８に記載のシステム。
送信手段が、リアクタンス回路に接続される、請求項７又は８に記載のシステム。
【請求項10】
第１の装置が、
アンテナにより電磁波を受信することで発生する電流を整流する整流手段、及び／又は、前記電流を増幅する増幅手段
を備え、
送信手段が、整流及び／又は増幅された電流に基づく信号を、電磁波に関する情報として送信する、請求項７～９のいずれかに記載のシステム。
アンテナにより電磁波を受信することで発生する電流を整流する整流手段、及び／又は、前記電流を増幅する増幅手段
を備え、
送信手段が、整流及び／又は増幅された電流に基づく信号を、電磁波に関する情報として送信する、請求項７～９のいずれかに記載のシステム。
【請求項11】
電磁波を受信するアンテナと、
受信した電磁波に関する情報を送信する送信手段と、
アンテナに接続されたリアクタンス回路に接続され、
送信手段が、リアクタンス回路に接続される、装置。
受信した電磁波に関する情報を送信する送信手段と、
アンテナに接続されたリアクタンス回路に接続され、
送信手段が、リアクタンス回路に接続される、装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、アンテナを利用した方法、システム、及び、装置に関する。
【背景技術】
【0002】
局所的豪雨などを原因とする河川の氾濫や土砂災害など自然災害に対する対策が従来検討されている。このような自然災害への対策のための方法として、例えば、地中を伝播する弾性波と地中の含水率とをセンサを用いて測定し、堤防の流域にわたる堤防の地中状況を監視することが検討されている（特許文献１）。また、地中の含水率は、潅水などの事業においても非常に重要な情報であることが知られている（例えば、特許文献２）。
【0003】
特許文献１において、含水率の計測方法としては、土中内の圧力の大小から含水率を求める方法、２つの電極端子を地中内に離して埋め込んでおき、この２つの電極間のインピーダンスの値の変化から含水率を求める方法、土中内の誘電率や誘導成分の変化から含水率を求める方法が検討されている。また、特許文献２においては、土壌含水率を光学的に測定することが検討されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０００－４６５９７号公報
【特許文献2】特開２００２－６５０８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明の第一の目的は、アンテナを利用した地表面下の含水率を推定可能な方法、システム、及び、装置を提供することである。
【0006】
本発明の第二の目的は、アンテナの電波受信強度についての情報を有効利用する方法、システム、及び、装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の課題は、
［１］地表面上で、且つ、地表面の近傍に設置したアンテナにより電磁波を受信するステップと、受信した電磁波の受信強度に応じて地表面下の含水率を特定するステップとを有する、方法；
［２］地表面上で、且つ、地表面の近傍に設置したアンテナにより電磁波を受信するステップと、受信した電磁波の受信強度が所定の条件を満たしたことを検知するステップとを有する、方法；
［３］所定の条件を満たしたことを検知したことを報知するステップを有する、前記［２］に記載の方法；
［４］受信した電磁波に関する情報を第１の装置から送信するステップと、前記電磁波に関する情報を第２の装置にて受信するステップとを有し、含水率を特定するステップ又は所定の条件を満たしたことを検知するステップが、受信した前記電磁波に関する情報をもとに、第２の装置にて実行される、前記［１］～［３］のいずれかに記載の方法；
［５］電磁波がラジオ放送波である、前記［１］～［４］のいずれかに記載の方法；
［６］受信強度が、前記電磁波を送信するための送信電力に対する、アンテナにより電磁波を受信した際の受信電力の比である、前記［１］～［５］のいずれかに記載の方法；
［７］第１の装置と第２の装置とを備えるシステムであって、第１の装置が、地表面上で、且つ、地表面の近傍に設置したアンテナにより受信した電磁波に関する情報を送信する送信手段を備え、第２の装置が、電磁波に関する情報を受信する受信手段と、受信した電磁波に関する情報をもとに、地表面下の含水率を特定する特定手段とを備える、システム；
［８］第１の装置と第２の装置とを備えるシステムであって、第１の装置が、地表面上で、且つ、地表面の近傍に設置したアンテナにより受信した電磁波に関する情報を送信する送信手段を備え、第２の装置が、電磁波に関する情報を受信する受信手段と、受信した電磁波に関する情報が、所定の条件を満たしたことを検知する検知手段とを備える、システム；
［９］第１の装置が、アンテナに接続されたリアクタンス回路に接続され、送信手段が、リアクタンス回路に接続される、前記［７］又は［８］に記載のシステム；
［１０］第１の装置が、アンテナにより電磁波を受信することで発生する電流を整流する整流手段、及び／又は、前記電流を増幅する増幅手段を備え、送信手段が、整流及び／又は増幅された電流に基づく信号を、電磁波に関する情報として送信する、前記［７］～［９］のいずれかに記載のシステム；
［１１］電磁波を受信するアンテナと、受信した電磁波に関する情報を送信する送信手段と、アンテナに接続されたリアクタンス回路に接続され、送信手段が、リアクタンス回路に接続される、装置；
により達成することができる。
［１］地表面上で、且つ、地表面の近傍に設置したアンテナにより電磁波を受信するステップと、受信した電磁波の受信強度に応じて地表面下の含水率を特定するステップとを有する、方法；
［２］地表面上で、且つ、地表面の近傍に設置したアンテナにより電磁波を受信するステップと、受信した電磁波の受信強度が所定の条件を満たしたことを検知するステップとを有する、方法；
［３］所定の条件を満たしたことを検知したことを報知するステップを有する、前記［２］に記載の方法；
［４］受信した電磁波に関する情報を第１の装置から送信するステップと、前記電磁波に関する情報を第２の装置にて受信するステップとを有し、含水率を特定するステップ又は所定の条件を満たしたことを検知するステップが、受信した前記電磁波に関する情報をもとに、第２の装置にて実行される、前記［１］～［３］のいずれかに記載の方法；
［５］電磁波がラジオ放送波である、前記［１］～［４］のいずれかに記載の方法；
［６］受信強度が、前記電磁波を送信するための送信電力に対する、アンテナにより電磁波を受信した際の受信電力の比である、前記［１］～［５］のいずれかに記載の方法；
［７］第１の装置と第２の装置とを備えるシステムであって、第１の装置が、地表面上で、且つ、地表面の近傍に設置したアンテナにより受信した電磁波に関する情報を送信する送信手段を備え、第２の装置が、電磁波に関する情報を受信する受信手段と、受信した電磁波に関する情報をもとに、地表面下の含水率を特定する特定手段とを備える、システム；
［８］第１の装置と第２の装置とを備えるシステムであって、第１の装置が、地表面上で、且つ、地表面の近傍に設置したアンテナにより受信した電磁波に関する情報を送信する送信手段を備え、第２の装置が、電磁波に関する情報を受信する受信手段と、受信した電磁波に関する情報が、所定の条件を満たしたことを検知する検知手段とを備える、システム；
［９］第１の装置が、アンテナに接続されたリアクタンス回路に接続され、送信手段が、リアクタンス回路に接続される、前記［７］又は［８］に記載のシステム；
［１０］第１の装置が、アンテナにより電磁波を受信することで発生する電流を整流する整流手段、及び／又は、前記電流を増幅する増幅手段を備え、送信手段が、整流及び／又は増幅された電流に基づく信号を、電磁波に関する情報として送信する、前記［７］～［９］のいずれかに記載のシステム；
［１１］電磁波を受信するアンテナと、受信した電磁波に関する情報を送信する送信手段と、アンテナに接続されたリアクタンス回路に接続され、送信手段が、リアクタンス回路に接続される、装置；
により達成することができる。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、アンテナを利用して地表面下の含水率を推定可能な方法、システム、及び、装置を提供することができる。また、本発明によれば、アンテナの電波受信強度についての情報を有効利用する方法、システム、及び、装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】本発明の実施の形態にかかる、装置の概略図である。
【図3】本発明の実施の形態にかかる、電波受信回路素子の構成を示す概略図である。
【図4】含水率変化に対する透過係数Ｓ２１の解析結果を示すグラフの一例である。
【図5】共振時における、含水率に対する、リアクタンス回路の入力インピーダンスの関係を示すグラフである。
【図6】本発明の実施の形態にかかる、装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本発明を実施するための形態（以下、「実施の形態」という。）について以下詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施の形態に限定されるものでなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。
【0011】
（第一の実施の形態）：含水率の推定方法
第一の実施の形態は、地表面上で、且つ、地表面の近傍に設置したアンテナにより電磁波を受信し、受信した電磁波の受信強度に応じて地表面下の含水率を特定する方法に関する。受信強度は、受信アンテナにより電磁波を受信した際の受信電力で表される。
第一の実施の形態は、地表面上で、且つ、地表面の近傍に設置したアンテナにより電磁波を受信し、受信した電磁波の受信強度に応じて地表面下の含水率を特定する方法に関する。受信強度は、受信アンテナにより電磁波を受信した際の受信電力で表される。
【0012】
図１は、本発明の実施の形態にかかる、装置の概略図であり、第一の実施の形態の方法を実施する装置である。図１に示すように、本実施の形態の装置１は、アンテナ２と、電波受信回路素子３と、リアクタンス回路４とを備える。
【0013】
アンテナ２は、電磁波を受信する機能を有する。アンテナ２にて受信する電磁波は、アンテナ２から所定の距離が離れた、所定の送信アンテナから発信されたものであることが好ましい。所定の送信アンテナから特定の強度で、特定の周波数の範囲で発信された電磁波について、アンテナ２における受信強度を特定することで、地中の土、砂等の媒体の含水率を推定する、或いは、地中の土、砂等の媒体の含水率が所定の範囲にあることを検知することができる。
【0014】
アンテナ２で受信する電磁波は、電磁波であれば特に限定されないが、波長が１０～１ｋｍの長波（ＬＦ）、波長が１ｋｍ～１００ｍの中波（ＭＦ）、波長が１００～１０ｍの短波（ＨＦ）、波長が１０～１ｍの超短波（ＶＨＦ）、波長が１ｍ～１０ｃｍの極超短波（ＵＨＦ）、波長が１０～１ｃｍのセンチ波（ＳＨＦ）、波長が１ｃｍ～１ｍｍのミリ波（ＥＨＦ）や、波長が１～０．１ｍｍのサブミリ波などの電波が実用的な観点から好ましい。これらの中でも、電磁波が含水土壌の奥深くまで浸透する観点から、電磁波は、地上波テレビ放送波や、ラジオ放送波、標準周波数報時電波に利用される標準電波であることが好ましい。特に、地表波による伝搬が主である、長波から中波を利用するＡＭラジオ放送波や標準周波数時報電波である場合は、アンテナを地表面上で、且つ、地表面の近傍に設置した場合の受信感度が良好であることから好ましい。
【0015】
アンテナ２で受信する電磁波について、より詳細には、周波数が３０ｋＨｚ以上であることが好ましく、５００ｋＨｚ以上であることがより好ましい。また、アンテナ２で受信する電磁波は、周波数が３ＧＨｚ以下であることが好ましく、１０００ＭＨｚ以下であることがより好ましく、１．６ＭＨｚ以下であることがさらに好ましい。周波数が上記範囲である場合は、アンテナを地表面上で、且つ、地表面の近傍に設置した場合の受信感度が良好であることから好ましい。
【0016】
アンテナ２の形状は、電磁波を受信できる限り、特に限定されるものではなく、受信する電磁波の波長によって、棒状、平面状、スパイラル状などの形状から適宜選択すればよい。棒状の場合、モノポール方式やダイポール方式など、公知のいずれの方式のアンテナも採用することができる。その他、チップアンテナなどのいわゆる小型化アンテナを用いてもよい。
【0017】
アンテナ２を構成する材料も、電磁波を受信できる限り、特に限定されるものではなく、例えば、銅や、アルミニウムなど受信アンテナとして用いられる公知の材料を採用することができる。また、アンテナの材料が、樹脂などにより被覆されていてもよく、無被覆であってもよい。汎用性の観点からは、銅やアルミニウムの線材であることが好ましい。また、耐候性の観点からは、樹脂などにより被覆されているものであることが好ましい。
【0018】
アンテナ２は、地表面上で、且つ、地表面の近傍に設置される。任意の地点に設置するアンテナ２を、地表面上で、且つ、地表面の近傍に設置する場合は、地中や、地表面から離れた空間に設置する場合に比べて、電磁波の伝搬損失は小さく、アンテナの受信電力は高いものになる。
【0019】
アンテナ２で受信した電磁波は、交流信号として伝送線５を通過し、電波受信回路素子３へ伝送される。伝送線５は、銅線などの単線や、同軸ケーブルなど、公知のアンテナケーブルを用いることができる。
【0020】
ここで、アンテナ２で受信する電磁波には、種々の波長の電磁波が含まれる。アンテナ２により受信した電磁波の受信感度を向上させる観点からは、アンテナ２と電波受信回路素子３との間に、ノイズを除去するためのフィルタ機能を設けることが好ましい。
【0021】
上記フィルタ機能として、図２（ａ）に示すリアクタンス回路を用いることで、前記送信アンテナにて発信された電磁波とは異なる周波数帯の電磁波をノイズとして除去することが可能となる。リアクタンス回路としては、その共振周波数が、前記送信アンテナにて発信された電磁波の周波数と一致又は近似しているものを用いることで、前記送信アンテナにて発信された電磁波とは異なる周波数帯の電磁波を除去することができる。
【0022】
以下、リアクタンス回路について、説明する。図２（ａ）は、本発明の実施の形態にかかる、リアクタンス回路４の概略図である。リアクタンス回路４は、シート状又はフィルム状の絶縁体に回路が形成されており、図２（ａ）は、リアクタンス回路４を、前記シート状又はフィルム状の絶縁体の平面に対し、垂直な方向から正視した場合の概略を表す図である。リアクタンス回路４は、シート状又はフィルム状の絶縁体７の表裏に回路状コイル部８と回路状コイル部９とを備えてなる。表裏の回路状コイル部８と回路状コイル部９とは、絶縁体７を挟んで重なる部分に設けられた接続部１０（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）により、電気的に接続されている。また、リアクタンス回路４は、導線１１及び導線１２を備え、ａ点にてアンテナ２に接続した導線と電気的に接続され、ｂ点にて後述の電波受信回路素子３に接続した伝送線５と電気的に接続される。
【0023】
絶縁体７には、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル等の樹脂フィルムを用いることができる。回路状コイル部８と回路状コイル部９とは、絶縁体７上に、アルミ箔、銅箔等の金属箔を配置することで形成することができる。或いは、絶縁体７上に、金属、カーボン等を含む導電性塗料の塗布または金属蒸着を行うことによって形成してもよい。
【0024】
図２（ｂ）は、図２（ａ）に示すリアクタンス回路を模式的に表した回路図である。図２（ａ）に示すリアクタンス回路４において、絶縁体７を挟んで回路状コイル部８と回路状コイル部９とが表裏で重なる部分が可変の平行平板コンデンサ（図２（ｂ）の可変コンデンサＣ）として、回路状コイル部８と回路状コイル部９とがインダクタンスＬとして、回路状コイル部８と回路状コイル部９とを形成する金属又は導電性部材の抵抗が抵抗Ｒとして機能し、全体として並列共振回路を構成する。
【0025】
リアクタンス回路４は、アンテナ２にて受信しようとする電磁波の周波数に応じて、コンデンサＣとインダクタンスＬとを調整することで、所望の周波数に共振する並列共振回路とすることができる。例えば、リアクタンス回路４において、コンデンサＣとインダクタンスＬの値が大きくなるように設計すると、より低い周波数において共振条件を満たすものとなる。コンデンサＣとインダクタンスＬの値は、送信アンテナから受信する電磁波の周波数に応じて、リアクタンス回路４における回路状コイル部８と回路状コイル部９のサイズや巻き数を変更することで調整可能である。
【0026】
（リアクタンス回路４の設置位置）
リアクタンス回路４は、地中に設けても、地表に接するように設けても、空中に設けてもよいが、リアクタンス回路４全体を地中に設けた場合は、リアクタンス回路４が含水率によって一種のスイッチ動作をし、より正確な含水率の特定が可能となるので好ましい。リアクタンス回路４の共振周波数近傍でのインピーダンスについて、以下に詳述する。
リアクタンス回路４は、地中に設けても、地表に接するように設けても、空中に設けてもよいが、リアクタンス回路４全体を地中に設けた場合は、リアクタンス回路４が含水率によって一種のスイッチ動作をし、より正確な含水率の特定が可能となるので好ましい。リアクタンス回路４の共振周波数近傍でのインピーダンスについて、以下に詳述する。
【0027】
まず、図２（ｂ）に示すリアクタンス回路４のａ点とｂ点間のインピーダンスＺａｂは、下数式（１）で表される。
【0028】
【数1】
【0029】
数式（１）を有理化し、実部ＲＬと虚部ＸＬとに分けると、ＲＬとＸＬはそれぞれ以下の数式（２）、数式（３）で表される。
【0030】
【数2】
【0031】
【数3】
【0032】
ここで、上記数式（３）において、並列共振状態はリアクタンスＸＬがゼロのとき、すなわち、数式（３）の分子：Ｌ－ＣＲ２－ω２Ｌ２Ｃがゼロのときである。また、このような共振状態が現れる共振周波数は、ｆ０（＝ω／２π）であるから、数式（３）とｆ０＝ω／２πとから、共振周波数は、下数式（４）で表されることになる。
【0033】
【数4】
【0034】
ところで、リアクタンス回路４においてコンデンサの容量Ｃは、回路が設置された土壌の含水率の変化に対して、浮遊容量であるために変化する。回路が設置された土壌の含水率が上昇すると、周囲の比誘電率が高くなり、その結果の電荷を蓄積しやすくなるので、浮遊容量が大きくなる。この現象を数式（３）において考察すると、周波数が共振周波数ｆ０のとき、数式（３）はＸＬ＝０になる。
【0035】
またこのとき、リアクタンス回路４における実部について検討すると、数式（４）で１≫Ｃ／Ｌ×Ｒ２であるから、数式（２）の分母は、下数式（５）で表される。そして、共振周波数近傍では、数式（２）は、数式（６）と表される。
【0036】
【数5】
【0037】
【数6】
【0038】
上述のように、土壌中に埋めたリアクタンス回路４は共振周波数近傍において、土壌の含水率が増加すると、浮遊容量Ｃが増加する。その結果、数式（６）より、Ｚａｂ値は、減少することになる。
【0039】
図５は、共振時における、含水率に対する、リアクタンス回路の入力インピーダンスの関係を示すグラフである。すなわち、含水率に対する、上記数式（６）におけるＲＬ（Ｚａｂ）の値との関係を示す。
【0040】
受信した電波が、リアクタンス回路４において共振条件を満たすと、上記虚数部分がゼロとなり（リアクタンスがゼロ）となり、ＲＬのみの回路となる。この場合、リアクタンス回路４に電流が流れる状態となる。また、共振時は、含水率が大きくなるにしたがって、リアクタンス回路の入力インピーダンスが数百Ωオーダーにまで低下し、回路に電流が流れる状態となり、スイッチング動作をすると考えられる。
【0041】
他方、受信した電波が、リアクタンス回路４において共振条件を満たさない場合はリアクタンスが無視できないほど大きくなり、リアクタンス回路はオープンの状態（電流が流れない状態）となる。また、共振していても含水率が非常に小さい場合も、Ｒが大きくなるために、リアクタンス回路がオープンの状態と同等となる。このように、リアクタンス回路４は、測定対象であるアンテナ２設置箇所の土壌等の含水率によって、スイッチング動作をする。
【0042】
このように、合成インピーダンスＺａｂが小さくなると、受信強度が大きくなり、より正確な検出が可能となる。その結果、より正確な含水率の特定が可能となる。
【0043】
電波受信回路素子３は、受信した電磁波に関する情報を送信する機能を有する。図３は、本発明の実施の形態にかかる、電波受信回路素子の構成を示す概略図である。図３に示すように、本実施の形態の電波受信回路素子３は、フィルタ２１と、増幅部２２と、整流部２３と、送信部２４とを備える。電波受信回路素子３は、駆動のための電源システムを備えることができる。電波受信回路素子３は、図１に示すように、アースされた状態である。
【0044】
また、電波受信回路素子３は、設置される箇所にもよるが、図１に示すように、絶縁性の支持体６により支持された状態で設けることもできる。
【0045】
（装置１の動作）
以下、図１と図３とを用いて、アンテナ２で受信した電磁波に関する情報を送信する一連の動作を説明する。図１において、アンテナ２で受信した電磁波は、交流電気信号として伝送線５を通過して、アンテナ２とａ点にて接続したリアクタンス回路４に伝送され、リアクタンス回路４を通過して、リアクタンス回路４とｂ点にて接続した伝送線５を通過し、電波受信回路素子３に伝送される。
以下、図１と図３とを用いて、アンテナ２で受信した電磁波に関する情報を送信する一連の動作を説明する。図１において、アンテナ２で受信した電磁波は、交流電気信号として伝送線５を通過して、アンテナ２とａ点にて接続したリアクタンス回路４に伝送され、リアクタンス回路４を通過して、リアクタンス回路４とｂ点にて接続した伝送線５を通過し、電波受信回路素子３に伝送される。
【0046】
伝送された交流電気信号は、図３の電波受信回路素子３のローパスフィルタにより構成されるフィルタ２１によりろ波され、増幅部２２において信号が増幅される。増幅された交流信号は、整流部２３において直流信号に変換されて、送信部２４に伝送されて、送信部２４から電磁波に関する情報として、所定のネットワークを経由してコンピュータ装置に送信される。フィルタ２１は、受信感度により任意に設けることとしてもよい。
【0047】
（含水率の推定）
送信部２４から送信された、地表面上で、且つ、地表面の近傍に設置したアンテナにより受信した電磁波に関する情報が含まれる信号は、コンピュータ装置において受信される。コンピュータ装置は、受信した電磁波に関する情報が含まれる信号に基づいて、アンテナ設置箇所の地表面下の近傍の所定の位置の含水率を特定することができる。ここで、所定の位置は適宜設定することができる。例えば、アンテナ設置個所の直下の深さ１０ｃｍにおける土の含水率と、その時の電磁波の受信強度との対応関係を予め測定しておき、これら複数の含水率と電磁波の受信強度との対応関係をデータテーブルとして設定しておく。そして、前記データテーブルを参照することで、実際に測定された受信強度をもとに、対応する深さ１０ｃｍの土の含水率を特定することができる。よって、例えば、アンテナ設置個所の直下の深さ３０ｃｍにおける土の含水率と、その時の電磁波の受信強度との複数の対応関係をデータテーブルとして設定していた場合は、実際に測定された受信強度から、アンテナ設置個所の直下の深さ３０ｃｍにおける土の含水率を推定することができる。
送信部２４から送信された、地表面上で、且つ、地表面の近傍に設置したアンテナにより受信した電磁波に関する情報が含まれる信号は、コンピュータ装置において受信される。コンピュータ装置は、受信した電磁波に関する情報が含まれる信号に基づいて、アンテナ設置箇所の地表面下の近傍の所定の位置の含水率を特定することができる。ここで、所定の位置は適宜設定することができる。例えば、アンテナ設置個所の直下の深さ１０ｃｍにおける土の含水率と、その時の電磁波の受信強度との対応関係を予め測定しておき、これら複数の含水率と電磁波の受信強度との対応関係をデータテーブルとして設定しておく。そして、前記データテーブルを参照することで、実際に測定された受信強度をもとに、対応する深さ１０ｃｍの土の含水率を特定することができる。よって、例えば、アンテナ設置個所の直下の深さ３０ｃｍにおける土の含水率と、その時の電磁波の受信強度との複数の対応関係をデータテーブルとして設定していた場合は、実際に測定された受信強度から、アンテナ設置個所の直下の深さ３０ｃｍにおける土の含水率を推定することができる。
【0048】
コンピュータ装置は、電磁波に関する情報を受信する受信手段と、受信した情報を演算処理する機能を有するものであれば、タブレット型端末、スマートフォン、デスクトップ型パーソナルコンピュータ、ノート型のパーソナルコンピュータなど、いずれも用いることができる。
【0049】
含水率の特定は、以下のように実行される。すなわち、予め図１に示す装置１を用いて、含水率が既知の測定対象についてアンテナ２により電磁波を受信した際の受信電力を測定し、種々の含水率に対する測定値から、含水率とアンテナ２の受信電力との関係をデータテーブルやグラフとして取得しておく。そして、含水率が未知の測定対象について受信アンテナにより電磁波を受信した際の受信電力を計測し、含水率と受信アンテナにより電磁波を受信した際の受信電力との関係のデータテーブルやグラフに基づいて、対応する含水率を特定する。
【0050】
含水率の特定は、受信アンテナにより電磁波を受信した際の受信電力の値を用いてもよいし、送信アンテナから電磁波を送信するための送信電力に対する、アンテナにより電磁波を受信した際の受信電力の比（以下において、透過係数Ｓ２１ともいう）を用いても特定することができる。この場合、含水率とアンテナ２の受信電力との関係に加えて、透過係数Ｓ２１とアンテナ２の受信電力との関係をデータテーブルやグラフを取得しておくことが好ましい。
【0051】
【0052】
解析モデルとして、地表から２００ｍの高さに設置した送信アンテナと、地表から１００ｍの高さに設置した受信アンテナを用いる。送信アンテナは、１ＭＨｚの電磁波を送信するものとし、受信アンテナは、５ｍのモノポールアンテナの先端を地表面上に向けて、且つ、地表面の近傍に垂直に設置する。送信アンテナと受信アンテナとの直線距離は１８６５ｍとする。
【0053】
上記解析モデルにおいて、受信アンテナを設置した土壌の含水率を０％、５％、１０％、１５％、２５％、３０％と変化させて、受信アンテナにより電磁波を受信した際の受信電力を測定する。受信アンテナにより電磁波を受信した際の受信電力と、電磁波を送信するための送信電力とから、透過係数Ｓ２１を決定し、図４に示すグラフのデータを得る。図４に示すグラフを利用することで、例えば、受信アンテナにより電磁波を受信した際の受信電力の測定値から求められる透過係数Ｓ２１が０．００３１６である場合、２０ｌｏｇ｜Ｓ２１｜は－５０ｄＢであるから、含水率は８％と特定することができる。
【0054】
含水率の特定は、受信アンテナにより電磁波を受信した際の受信電力及び透過係数Ｓ２１の他、リアクタンス回路４におけるインピーダンスの値を用いることもできる。リアクタンス回路４のインピーダンスは、ａ点とｂ点間の電流と電圧を測定することにより測定値から、公知の方法によりインピーダンスの値を特定することができる。
【0055】
インピーダンスの値を用いる場合も、受信電力の値を用いて含水率を特定する場合と同様に、含水率を特定することができる。すなわち、含水率が既知の測定対象についてインピーダンスの値を測定し、種々の含水率に対する測定値から、含水率とインピーダンスの値との関係をデータテーブルやグラフとして取得しておく。そして、含水率が未知の測定対象についてインピーダンスの値を計測し、含水率とインピーダンスの値との関係のデータテーブルやグラフに基づいて、対応する含水率を特定する。
【0056】
（他の装置構成の態様）
上記第一の実施の形態においては、図１に示すように、リアクタンス回路４が地中にある場合について主に説明したが、リアクタンス回路４が空中にあっても、地表面上で、且つ、地表面の近傍に設置したアンテナにより電磁波を受信し、受信した電磁波の受信強度に応じて地表面下の含水率を特定することができる。
上記第一の実施の形態においては、図１に示すように、リアクタンス回路４が地中にある場合について主に説明したが、リアクタンス回路４が空中にあっても、地表面上で、且つ、地表面の近傍に設置したアンテナにより電磁波を受信し、受信した電磁波の受信強度に応じて地表面下の含水率を特定することができる。
【0057】
図６は、本発明の実施の形態にかかる、装置の概略図であり、リアクタンス回路４が空中にある場合の装置構成の一例である。図６で示すように、地表面上で、且つ、地表面の近傍に設置した同軸ケーブルアンテナ１４の内導体と空中に存在するリアクタンス回路４とを導線１３により接続し、リアクタンス回路４と電波受信回路素子３とを伝送線５により接続する。地表面側の同軸ケーブルアンテナ１４の内導体は電線として突出させ、地表面に向けられて配置する。この場合、内導体である導線１３は開放でもよいが、図６に示すように、地表側の導線１３を同軸ケーブルアンテナ１４の外導体に短絡すると、受信電力の受信感度を向上させることができるのでより好ましい。図６においては、リアクタンス回路４を含む装置構成を示したが、リアクタンス回路４を含まない装置構成であっても、第一の実施の形態の方法を実施することができる。図６に示すように、リアクタンス回路４を用いた方が受信電力の受信感度をより向上させることができることから好ましい。
【0058】
図１に示す装置１と同様、電波受信回路素子３は必要に応じて支持体６により支持する態様とすることができる。また、電波受信回路素子３とリアクタンス回路４とを導線１３により接続する態様としてもよい。
【0059】
（第二の実施の形態）：含水率の異常検知方法
第二の実施の形態は、地表面上で、且つ、地表面の近傍に設置したアンテナにより受信し、受信した電磁波の受信強度が所定の条件を満たしたことを検知する方法に関する。
第二の実施の形態は、地表面上で、且つ、地表面の近傍に設置したアンテナにより受信し、受信した電磁波の受信強度が所定の条件を満たしたことを検知する方法に関する。
【0060】
第二の実施の形態は、第一の実施の形態と同様の装置において実行可能である。すなわち、第一の実施の形態における図１又は図６に示す装置、図２に示すリアクタンス回路を用いることができる。第二の実施の形態は、第一の実施の形態における、コンピュータ装置において受信された電磁波に関する情報が含まれる信号に基づいて、含水率を特定することに代えて、受信した電磁波の受信強度が所定の条件を満たしたことを検知する。
【0061】
第一の実施の形態における場合と同様、送信部２４から送信された、地表面上で、且つ、地表面の近傍に設置したアンテナにより受信した電磁波に関する情報が含まれる信号は、コンピュータ装置において受信される。
【0062】
コンピュータ装置は、受信した電磁波に関する情報が含まれる信号に基づいて受信した電磁波の受信強度が所定の条件を満たしたことを検知する。所定の条件とは、例えば、受信強度が所定の値よりも大きいことや、所定の値よりも小さいことである。電磁波の受信強度が所定の条件を満たしたことの検知は、受信した電磁波の受信強度と所定の値とを比較し、受信強度が所定の値であるか、所定のよりも大きいか、小さいかにより判定される。
【0063】
また、予め図１に示す装置１を用いて、含水率が既知の測定対象についてアンテナ２により電磁波を受信した際の受信電力を測定し、種々の含水率に対する測定値から、含水率とアンテナ２の受信電力との関係をデータテーブルやグラフとして取得しておいてもよい。この場合、受信強度と含水率との関係から、受信強度が所定の値よりも大きい場合は、受信アンテナにより電磁波を受信した際の測定地における地表面下の含水率が所定の値よりも大きい場合に相当すると判定できる。また、受信強度が所定の値よりも小さい場合は、受信アンテナにより電磁波を受信した際の測定地における地表面下の含水率が所定の値よりも小さい場合に相当すると判定できる。
【0064】
上記電磁波の受信強度が所定の条件を満たしたことの検知は、受信アンテナにより電磁波を受信した際の受信電力の値を用いてもよいし、送信アンテナから電磁波を送信するための送信電力に対する、アンテナにより電磁波を受信した際の受信電力の比（透過係数Ｓ２１）を用いても特定することができる。この場合、含水率とアンテナ２の受信電力との関係に加えて、透過係数Ｓ２１とアンテナ２の受信電力との関係をデータテーブルやグラフを取得しておくことが好ましい。
【0065】
第二の実施の形態において、上記所定の条件を満たしたことを検知したことを報知する態様とすることができる。報知の方法としては、所定の条件を満たしたことを検知するためのコンピュータ装置の表示画面に、所定の条件を満たしたことがわかる態様で表示したり、所定の条件を満たしたことがわかる態様で音声を発信することができる。
【0066】
また、報知の方法としては、上記コンピュータ装置とは別に備えられるコンピュータ装置の表示画面、ディスプレイ装置、スピーカーなどの他の装置に対して、所定の条件を満たしたことがわかる態様で表示したり、所定の条件を満たしたことがわかる態様で音声を発信するようにしてもよい。
【0067】
受信強度が所定の値よりも大きいことを検知したことを報知することで、受信アンテナにより電磁波を受信した際の測定地における地表面下の含水率が所定の値よりも大きくなっており、土砂崩れなどの危険性があることを知らせることができる。また、受信強度が所定の値よりも小さいことを検知したことを報知することで、受信アンテナにより電磁波を受信した際の測定地における地表面下の含水率が所定の値よりも小さく、土砂崩れなどの危険がないこと、又は、危険性が低くなったことを知らせることができる。
【0068】
また、潅水事業などにおいて、受信強度が所定の値よりも大きいことを検知したことを報知することで、受信アンテナにより電磁波を受信した際の測定地における地表面下の含水率が所定の値よりも大きくなっており、給水が十分であること知らせることができる。また、受信強度が所定の値よりも小さいことを検知したことを報知することで、受信アンテナにより電磁波を受信した際の測定地における地表面下の含水率が所定の値よりも小さく、給水が必要であることを知らせることができる。
【0069】
上記第二の実施の形態において、受信した電磁波の受信強度が所定の条件を満たしたことを検知したことを報知する態様について説明したが、その他、透過係数Ｓ２１が所定の条件を満たしたことを検知したことを報知する態様としてもよい。すなわち、透過係数Ｓ２１が閾値よりも大きい場合に報知する、又は、透過係数Ｓ２１が閾値よりも小さい場合に報知する態様としても、土砂崩れなどの危険や、給水に関する情報を知らせることができる。
【0070】
本発明の方法、システム、及び、装置によれば、電磁波の受信感度を良好にすることができ、アンテナを利用した地表面下の含水率を推定可能である。また、本発明の方法、システム、及び、装置によれば、アンテナの電波受信強度が含水率と所定の関係を満たすことを検出又は特定できることから、アンテナの受信強度を、土砂崩れなどの自然災害の対策や、潅水事業の情報源として有効利用することができる。
【符号の説明】
【0071】
１ 装置
２ アンテナ
３ 電波受信回路素子
４ リアクタンス回路
５ 伝送線
６ 支持体
７ 絶縁体
８，９ 回路状コイル部
１０ 接続部
１１、１２、１３ 導線
２ アンテナ
３ 電波受信回路素子
４ リアクタンス回路
５ 伝送線
６ 支持体
７ 絶縁体
８，９ 回路状コイル部
１０ 接続部
１１、１２、１３ 導線
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】