特開 2024-44573 変位計測方法および変位計測システム

(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】P2024044573

(43)【公開日】2024-04-02

(54)【発明の名称】変位計測方法および変位計測システム

(51)【国際特許分類】

   G01S 13/89 20060101AFI20240326BHJP

   E21D 9/093 20060101ALI20240326BHJP

   E21D 9/00 20060101ALI20240326BHJP

【ＦＩ】

G01S13/89

E21D9/093 F

E21D9/00 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022150179

(22)【出願日】2022-09-21

(71)【出願人】

【識別番号】000002299

【氏名又は名称】清水建設株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】岩城 英朗

(72)【発明者】

【氏名】多田 浩幸

【テーマコード（参考）】

2D054

5J070

【Ｆターム（参考）】

2D054AB07

2D054AC20

2D054GA06

2D054GA82

5J070AC17

5J070AE07

5J070AF01

5J070AK04

5J070BE01

(57)【要約】

【課題】位相雑音の影響を低減することができる変位計測方法および変位計測システムを提供する。
【解決手段】対象物の前方から前記対象物に電波を照射するとともに前記対象物で散乱した散乱波をレーダーで受信するステップＳ１と、前記レーダーで受信した前記散乱波の強度を実部とし、前記散乱波の位相を虚部とする複素振幅データにおいて、前記位相のアンラップ処理を行うことで位相差を求めるステップＳ２と、求めた位相差と前記レーダーの電波の波長に基づいて前記対象物の変位を求めるステップＳ３とを有する変位計測方法であって、前記レーダーで受信した前記散乱波の強度が、前記散乱波の位相雑音の影響を低減するために予め設定された所定の範囲内である場合に、前記位相のアンラップ処理を行うようにする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

対象物の前方から前記対象物に電波を照射するとともに前記対象物で散乱した散乱波をレーダーで受信するステップと、前記レーダーで受信した前記散乱波の強度を実部とし、前記散乱波の位相を虚部とする複素振幅データにおいて、前記位相のアンラップ処理を行うことで位相差を求め、求めた位相差と前記レーダーの電波の波長に基づいて前記対象物の変位を求めるステップとを有する変位計測方法であって、
前記レーダーで受信した前記散乱波の強度が、前記散乱波の位相雑音の影響を低減するために予め設定された所定の範囲内である場合に、前記位相のアンラップ処理を行うことを特徴とする変位計測方法。

【請求項2】

対象物の前方に配置され、前記対象物に電波を照射するとともに前記対象物で散乱した散乱波を受信するレーダーと、前記レーダーで受信した前記散乱波の強度を実部とし、前記散乱波の位相を虚部とする複素振幅データにおいて、前記位相のアンラップ処理を行うことで位相差を求め、求めた位相差と前記レーダーの電波の波長に基づいて前記対象物の変位を求める変位計測手段とを備える変位計測システムであって、
前記変位計測手段は、前記レーダーで受信した前記散乱波の強度が、前記散乱波の位相雑音の影響を低減するために予め設定された所定の範囲内である場合に、前記位相のアンラップ処理を行うことを特徴とする変位計測システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーダーの複素振幅データから観測対象物の変位を計測する変位計測方法および変位計測システムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、レーダーを用いてトンネル切羽の状態を監視する方法が知られている（例えば、特許文献１を参照）。この方法は、トンネル坑内に配置したイメージングレーダーで切羽に電波を照射し、切羽から反射した観測データを取得し、解析することで、切羽面における振動および変位を計測する。

【0003】

上記のイメージングレーダーや、人工衛星や航空機に搭載され地表の変位をとらえる合成開口レーダー（ＳＡＲ）で取得される観測データは、観測対象から散乱される電波の強さ（散乱波強度）を実部Ａとし、虚部をその散乱波の位相φとする複素振幅データで記される。これらのデータから観測対象の変位を求めるためには、観測初期の位相をφ₀とし、各々の観測タイミングに応じた位相との差分（位相差）をφ_iとして、式（１）に示す時系列アンラップ処理を行うことで、アンラップ位相差ｕ_iを求める。求めたｕ_iに対して、式（２）に示すようにレーダーの送信波の波長λを乗じる処理を行うことで、対象物の変位ｄ_iが求められる。

【0004】

【数1】

【0005】

【数2】

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１９－２１９３３３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ところで、レーダーと観測対象物との間に建機や車両、あるいは人などの何らかの障害物が入り、対象物が影となった場合や、レーダーから対象物に対して送信（照射）される電波の強さに対して対象物から反射・散乱される電波の強さが低い場合、さらにレーダーからの送信波を強く反射する物体、例えば金属が近接した場合には、観測データの虚部、すなわち位相に対する雑音が増大し、上記のアンラップ処理を行うと、対象物に異常な変位が生じたような処理結果となることがある。このため、レーダーに固有の位相雑音の影響を低減することができる技術が求められていた。

【0008】

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、位相雑音の影響を低減することができる変位計測方法および変位計測システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る変位計測方法は、対象物の前方から前記対象物に電波を照射するとともに前記対象物で散乱した散乱波をレーダーで受信するステップと、前記レーダーで受信した前記散乱波の強度を実部とし、前記散乱波の位相を虚部とする複素振幅データにおいて、前記位相のアンラップ処理を行うことで位相差を求め、求めた位相差と前記レーダーの電波の波長に基づいて前記対象物の変位を求めるステップとを有する変位計測方法であって、前記レーダーで受信した前記散乱波の強度が、前記散乱波の位相雑音の影響を低減するために予め設定された所定の範囲内である場合に、前記位相のアンラップ処理を行うことを特徴とする。

【0010】

また、本発明に係る変位計測システムは、対象物の前方に配置され、前記対象物に電波を照射するとともに前記対象物で散乱した散乱波を受信するレーダーと、前記レーダーで受信した前記散乱波の強度を実部とし、前記散乱波の位相を虚部とする複素振幅データにおいて、前記位相のアンラップ処理を行うことで位相差を求め、求めた位相差と前記レーダーの電波の波長に基づいて前記対象物の変位を求める変位計測手段とを備える変位計測システムであって、前記変位計測手段は、前記レーダーで受信した前記散乱波の強度が、前記散乱波の位相雑音の影響を低減するために予め設定された所定の範囲内である場合に、前記位相のアンラップ処理を行うことを特徴とする。

【発明の効果】

【0011】

本発明に係る変位計測方法によれば、対象物の前方から前記対象物に電波を照射するとともに前記対象物で散乱した散乱波をレーダーで受信するステップと、前記レーダーで受信した前記散乱波の強度を実部とし、前記散乱波の位相を虚部とする複素振幅データにおいて、前記位相のアンラップ処理を行うことで位相差を求め、求めた位相差と前記レーダーの電波の波長に基づいて前記対象物の変位を求めるステップとを有する変位計測方法であって、前記レーダーで受信した前記散乱波の強度が、前記散乱波の位相雑音の影響を低減するために予め設定された所定の範囲内である場合に、前記位相のアンラップ処理を行うので、位相雑音の影響を低減することができる。このため、変位計測をより適切に行うことができるという効果を奏する。

【0012】

また、本発明に係る変位計測システムによれば、対象物の前方に配置され、前記対象物に電波を照射するとともに前記対象物で散乱した散乱波を受信するレーダーと、前記レーダーで受信した前記散乱波の強度を実部とし、前記散乱波の位相を虚部とする複素振幅データにおいて、前記位相のアンラップ処理を行うことで位相差を求め、求めた位相差と前記レーダーの電波の波長に基づいて前記対象物の変位を求める変位計測手段とを備える変位計測システムであって、前記変位計測手段は、前記レーダーで受信した前記散乱波の強度が、前記散乱波の位相雑音の影響を低減するために予め設定された所定の範囲内である場合に、前記位相のアンラップ処理を行うので、位相雑音の影響を低減することができる。このため、変位計測をより適切に行うことができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】図１は、本発明に係る変位計測方法の実施の形態を示す概略フロー図である。

【図2】図２は、対象物とレーダーとの間に障害物がない静止時の計測例を示す図である。

【図3】図３は、静止時の計測値を用いたＡ_minの設定例を示す図である。

【図4】図４は、計測値の時間波形であり、（１）は散乱波強度、（２）は比較例により求めた変位、（３）は実施例により求めた変位である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下に、本発明に係る変位計測方法および変位計測システムの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

【0015】

（変位計測方法）
図１に示すように、本発明の実施の形態に係る変位計測方法は、対象物の前方から対象物に電波を照射するとともに対象物で散乱した散乱波をレーダーで受信するステップＳ１と、レーダーで受信した散乱波の強度を実部とし、散乱波の位相を虚部とする複素振幅データにおいて、位相のアンラップ処理を行うことで位相差を求めるステップＳ２と、求めた位相差とレーダーの電波の波長に基づいて対象物の変位を求めるステップＳ３とを有する。ステップＳ３の処理では、上記の式（２）を用いることができる。なお、本実施の形態の対象物はトンネル切羽を想定しているが、本発明はこれに限るものではない。

【0016】

上記のステップＳ２において、従来は無条件に複素振幅データの虚部、すなわち位相に対して上記の式（１）のように時系列アンラップ処理を行っていた。これに対し、本発明では、複素振幅データの実部、すなわち散乱波強度が、散乱波の位相雑音の影響を低減するために予め設定された所定の範囲内である場合にのみ、アンラップ処理を行う。すなわち、レーダーと観測対象物の間に障害物などがなく、対象物に変位や振動が生じていない静止時において取得した散乱波強度や対象物と同種の材料を用いた観測結果を用いて一定の範囲Ａ_minからＡ_maxを設定し、実際の観測における対象物の散乱波強度Ａ_iがＡ_minからＡ_maxの範囲内か否かを示す条件（パラメータｆ）を加えた式（３）を導入し、これを用いてアンラップ処理を行う。これにより、位相雑音の影響を低減することができ、変位計測をより適切に行うことができる。

【0017】

【数3】

【0018】

次に、上式（３）のパラメータｆの設定について補足説明する。
図２は、トンネル切羽全面に対して手前の三脚上のレーダーから電波を照射し、切羽（対象物）の変位を計測する場合を例示したものである。対象物の散乱波は、材質、表面の凸凹およびレーダーと対象物との相対位置（角度）などで一定しないため、式（３）のＡ_minおよびＡ_maxを設定するために、まず図２の例のように、対象物とレーダーの間に建機などの障害物がなく、かつ作業など対象物に動きなどがない静止時に、対象物に対して一定の間、レーダーから電波を送信し、対象物からの散乱波を受信する。

【0019】

受信した散乱波の強度Ａおよび位相φを、強度ＡのＲＭＳ（二乗平均平方根：Root Mean Square）値と、位相φから従来技術（式（１）、（２））で求める変位ｄのばらつき（標準偏差）σで整理すると図３のようになる。この図から、レーダーに固有の位相雑音の影響を受けずにアンラップ誤差を生じないＡの下限値を求めることができる。この値をＡ_minとすることができる。

【0020】

図３では、静止している対象物から受信した散乱波の位相φから、変位ｄを求めた際の変位計測値のゆらぎ（＝ばらつきσ）が１ｍｍ未満の範囲を位相ノイズが低く、散乱波強度が十分に得られている範囲と考え、その下限値（図３の例では約１５０［ａ.ｕ.］）をＡ_minと設定した。なお、計測に求められている精度がさらに微細な場合、例えば計測値のばらつきを０．１ｍｍ以内としたい場合は、Ａ_minの設定は異なり、本例におけるＡ_minは２５０［ａ.ｕ.］となる。

【0021】

一方、障害物となる建機などは、概ね表面に凸凹が多数ある金属製であり、同様に静止時の計測を行うと散乱波強度Ａは上記の図３の計測例より大きい。したがって、対象物からの散乱波φから変位ｄを正しく求めるためには、静止した対象物からの散乱波強度ＲＭＳ値の上限をＡ_maxと設定すればよい。なお、上記の図３の例ではＡ_maxは約３０００［ａ.ｕ.］となる。

【0022】

図２の計測例において、Ａ_min＝２５０、Ａ_max＝１００００に設定した場合の計測結果を図４に示す。図４（１）は観測された散乱波の強度、（２）は比較例により計測された変位、（３）は本発明の実施例により計測された変位である。対象物とレーダーとの間に建設機械のドリルアームが数回横切る条件下で計測している。

【0023】

図４（１）に示すように、区間２および区間４では、対象物（切羽）の前面に建機などの障害物があり、対象物（注目点）の散乱波強度がＡ_minより低いためｆ＝０となる。図４（２）の比較例では、区間２および区間４におけるアンラップ処理で誤差が生じ、この結果、区間３および区間５で正しい変位が得られないことがわかる。例えば、区間５の変位は４０ｍｍを超過した異常値を示している。これに対し、図４（３）の実施例では、同区間（区間３および区間５）において０．４ｍｍ程度の微小変位を計測できており、比較例に比べてより正しい変位が得られることがわかる。したがって、本実施例によれば、位相雑音の影響を低減することができ、誤差を含めないより正しい変位を計測することができる。

【0024】

（変位計測システム）
本発明の実施の形態に係る変位計測システムは、上記の実施の形態に係る変位計測方法を、コンピュータを用いて処理実行するシステムとして具現化したものである。上記のステップＳ２、Ｓ３の処理が変位計測手段に相当する。本実施の形態によれば、上記と同様の効果を奏することができる。

【0025】

以上説明したように、本発明に係る変位計測方法によれば、対象物の前方から前記対象物に電波を照射するとともに前記対象物で散乱した散乱波をレーダーで受信するステップと、前記レーダーで受信した前記散乱波の強度を実部とし、前記散乱波の位相を虚部とする複素振幅データにおいて、前記位相のアンラップ処理を行うことで位相差を求め、求めた位相差と前記レーダーの電波の波長に基づいて前記対象物の変位を求めるステップとを有する変位計測方法であって、前記レーダーで受信した前記散乱波の強度が、前記散乱波の位相雑音の影響を低減するために予め設定された所定の範囲内である場合に、前記位相のアンラップ処理を行うので、位相雑音の影響を低減することができる。このため、変位計測をより適切に行うことができる。

【0026】

また、本発明に係る変位計測システムによれば、対象物の前方に配置され、前記対象物に電波を照射するとともに前記対象物で散乱した散乱波を受信するレーダーと、前記レーダーで受信した前記散乱波の強度を実部とし、前記散乱波の位相を虚部とする複素振幅データにおいて、前記位相のアンラップ処理を行うことで位相差を求め、求めた位相差と前記レーダーの電波の波長に基づいて前記対象物の変位を求める変位計測手段とを備える変位計測システムであって、前記変位計測手段は、前記レーダーで受信した前記散乱波の強度が、前記散乱波の位相雑音の影響を低減するために予め設定された所定の範囲内である場合に、前記位相のアンラップ処理を行うので、位相雑音の影響を低減することができる。このため、変位計測をより適切に行うことができる。

【産業上の利用可能性】

【0027】

以上のように、本発明に係る変位計測方法および変位計測システムは、レーダーによるトンネル切羽などの変位計測に有用であり、特に、観測データにおける位相雑音の影響を低減するのに適している。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】