SPH Engineering、ドローン搭載型地中探知レーダーで見えない地下を可視化。インフラ点検、地質調査を革新

GPR送信機は電磁エネルギーを地中に放射する。このエネルギーが埋設された物体、または異なる誘電率（電磁波の速度を定義する特性）を持つ物質間の境界に遭遇すると、GPRの受信アンテナに反射される可能性がある。GPR 電子機器は、この反射信号の変化を記録する。

成果物

GPRデータは、センサーからデジタル形式で提供され、カメラからの写真とは異なり、人が直接解釈することを意図していない。処理と解釈には専門的なソフトウェアが必要となる。

これらのGPRデータ表現方法は最も一般的だが、CADやGISシステムにインポートできる形式へのエクスポートなど、他にも多くのオプションが存在する。

GPR調査の結果は、さまざまな形式で提示できる。GPRデータにとって最も一般的で「自然な」形式は、「プロファイル」だ。これは調査線に沿ったデータの垂直スライスである。

別の一般的な形式は水平スライスだ。これにより、検出された物体が地表下のどこにあるのか、物体の形状についてより良く理解できる。

多くの顧客は、地下世界の3D再構築を見ることを好む。それも可能だ。これにはより多くの処理と準備手順が必要になるが、この方法が複雑な状況で最大限の理解をもたらすため、最新のGPR処理ソフトウェアがそのタスクを大幅に簡素化し、ますます普及している。

もう1つの一般的な方法は、厚さグリッドを生成することだ。たとえば、「砂層が岩盤を覆っている厚さはどのくらいか」や「氷の厚さはどのくらいか」といった質問に答える場合に使用する。

GPR調査方法

GPR調査を実施するための標準的な方法がいくつかあり、それぞれに利点と欠点がある。普遍的に適用できる単一の方法はなく、調査対象と環境条件に基づいて、適切または最適なアプローチを選択する必要がある。以下に最も一般的な方法のレビューを示す。

Radar Systems Zond Aero GPRシステムは、完全に汎用性があり、特定のジョブまたはプロジェクトに最適な調査方法をサポートするように設計されている。つまり、GPRシステムに一度投資することで、顧客は同じGPRを最も効率的な方法で使用できる。

カート上のGPRを使用した地上調査

特に舗装道路や硬い表面でのGPRスキャンに最も伝統的で一般的な方法。

• シンプルでよく知られた方法
• 町の通りや同様の環境の限られたスペースに適している
• 検出された異常を表面にマークするために「リアルタイム」データ解釈が可能

• 車輪付きカートの使用が複雑な、柔らかいまたは粘着性のある表面には適していない
• 生産性が制限され、調査速度は1m/s未満

ハンドヘルドGPRを使用した地上調査

もう1つの伝統的な方法。地面の耐荷重能力が車輪付きカートに適していない場合に使用できる。この方法の適用性は、徒歩による調査エリアへのアクセスによって制限される。

• シンプルでよく知られた方法
• 他の方法が機能しない限られた種に適している、例えば森の中
• 検出された異常を表面にマークするために「リアルタイム」データ解釈が可能

• オペレーターが過度の労力なしに歩くことができない、柔らかすぎる、または粘着性のある表面には適していない
• データの品質は、安定したGPRアンテナの向きを保ちながら歩くことができるかどうかに左右される
• 生産性が制限され、調査速度は1m/s未満
• オペレーターがすべての機器を運ぶため、身体的に困難な場合がある

牽引式GPRを使用した地上調査

Zond Aero 500 NGおよびZond Aero 1000 NGには、統合バッテリーとWiFiルーターが標準装備されている。GPRをバッテリーとWiFiルーターに接続できるため、オペレーターがボックスを牽引して調査を実施できる。この方法は、車輪付きカートを使用できない（雪、砂、柔らかい土壌上）が、徒歩でアクセスできる、ほぼ平坦な表面に適している。

• シンプルな方法
• 検出された異常を表面にマークするために「リアルタイム」データ解釈が可能

• オペレーターが過度の労力なしに歩くことができない、柔らかすぎる、または粘着性のある表面には適していない
• ほぼ平坦な表面にのみ適している
• 生産性が非常に限られており、調査速度は0.5m/s未満
• 身体的に困難な場合がある

ドローン搭載型GPRを使用した空中調査

ドローン搭載型GPRは、「より安全に、より安く、より速く」というモットーを実装する。

• 調査エリアに入らずに作業を行う唯一の方法
• オペレーターにとって安全または健康上のリスクがあるエリア（クレバスのある氷河、汚染された土壌など）に適している
• 地上調査の生産性が経済的に合理的ではない、大きく遮るもののないエリアでの非常に高い生産性（たとえば、岩盤の深さと岩の存在についてソーラーパネルファームの広大なフィールドをスキャンする場合）
• 地上調査が不可能な起伏の多い地形に適している（氷と雪で覆われた地面、岩が多く不均一な地形、川を横断する場所、雪崩が発生しやすいエリア）
• 事前にプログラムされた調査ラインを非常に正確に自動追跡

• 追加の洗練された機器が必要：地形追従システムと飛行計画および制御ソフトウェアを搭載したドローン
• 限られたスペース（通りなど）には適していない
• 背の高い植生のあるエリアには適していない（土地の準備なしでは他のすべての方法も適していない可能性がある）

GPRシステムの必要性

すべてのGPRシステムは同じ原理を使用しているが、異なるアンテナ周波数によって用途が異なる。

低周波GPRシステムは、解像度は低いがより深く浸透し、より大きな物体をより深い場所で調査するのに適している。高周波GPRシステムは、より小さい物体に対してより高い解像度を提供するが、浸透深度は限られる。

アンテナ設計は以下を反映している。

• 低周波アンテナは大きく、シールドされていない
• 高周波アンテナはコンパクトで、ノイズを低減するためにシールドされている。

GPRの多様性により、あらゆる地中調査ニーズに適切なシステムが確保される。

Zond Aero LF 50 Mhz 3m 長アンテナ付き

Zond Aero LF GPR (50 MHz、3mロングアンテナ)は、非常に低い導電性の土壌（乾燥した砂や岩など）では数十メートル、氷上では数百メートルという、可能な限り深い浸透力を誇り、氷河学や深部スキャンに最適なツールだ。

Zond Aero LF GPR with 150 Mhz antenna

Zond Aero LF GPR (150 MHzアンテナ)は、より小型のドローンに適している。DJI M350/M300 RTKのようなドローンで、75～400MHzの周波数範囲のアンテナを使用でき、特定の用途に適した周波数を選択できる。アンテナの交換は数分で完了する。

Zond Aero 500 Mhz

Zond Aero 500 Mhzは、シールドアンテナを備えた非常に汎用性の高いシステムで、多くの工学地球物理学の用途に十分な深さまで浸透し、比較的小さな物体や細いユーティリティを検出できる。

Zond Aero 1000 Mhz

Zond Aero 1000 Mhzは、最高の解像度と小さなターゲットを検出する可能性を提供するが、通常の条件下での地表下の浸透力は0.5m未満だ。

典型的な用途

下記の表は、ドローンで使用できるGPRシステムとその推奨用途の概要を示している。ここでは、Radar Systems Inc.（ラトビア）が製造したGPRシステムをリストアップした。このGPRのラインナップは、ドローン搭載型地中レーダーのあらゆる可能な用途を網羅しているためだ。中心周波数が同様の他のGPRシステムも、浸透力と解像度に関して、多かれ少なかれ同じ実用的なパラメータを持つことになる。

特定の場所での浸透力と解像度は、土壌の組成、湿度、温度などによって異なることに注意してほしい。以下の表では、相対誘電率が9、低導電率、低含水率といった、典型的な「平均的な土壌」のパラメータを使用している。

リクエストに応じて、Zond Aero LF GPRシステムには、カスタム中心周波数用のアンテナが付属している場合がある。

利用可能なドローン用GPRシステム

GPRシステムを効果的に利用するためのヒントを以下に示す。

• ヒント1
  空中での使用の場合（GPRアンテナが地表に接触していない場合）、GPRインパルスエネルギーの大部分が地表から反射される可能性があるため、ドローンからの予想浸透力は、地表での地上調査で得られる浸透力の半分となる。空中調査の場合の推奨高度（またはアンテナと地表の間の距離）は、アンテナの中心周波数に対応する空気中のEM波の長さよりも短くする必要がある。
• ヒント2
  乾燥した砂漠の乾季後のように良好な状態では、浸透力は最大2倍になる可能性がある。理想的な状態（雪と氷）では、浸透力は3〜4倍になる可能性がある。乾燥した砂や雪/氷などの状態は、空中での使用にも非常に適している。推奨高度が維持されている場合、地上での使用と比較して、氷や雪への最大の浸透力が大幅に低下することはない。
• ヒント3
  検出可能なオブジェクトの最小サイズは、地下のオブジェクトの上面の直径であり、水平方向に配置されている。場合によっては（GPRの進行方向によっては）、たとえば、最小必要サイズの2倍の金属板であっても、45度の角度で配置されている場合、検出できないことがある。
• ヒント4
  「最小サイズ」または「最小直径」とは、それより小さいオブジェクトを検出する可能性が非常に低いことを意味する。ただし、より大きなオブジェクトを検出できることは保証されておらず、数十の他の要因に依存する。
• ヒント5
  検出可能な平坦な反射体の直径は、「経験則」として、アンテナとオブジェクトの間の距離（アンテナ高度+深さ）の10％、またはホスト材料における波長の半分（どちらか大きい方）として推定される。
• ヒント6
  検出可能な空のプラスチックパイプの最小直径は、空気中のGPR中心周波数波長を2で割った値として推定される。
• ヒント7
  検出可能な導電性オブジェクト（金属パイプ、水で満たされたプラスチックパイプ）の最小直径は、ホスト材料におけるGPR中心周波数波長の40％として推定される（出典：地中レーダーによる地球考古学、Lawrence B. Conyers）。
• ヒント8
  浸透力の限界、検出可能なオブジェクトのサイズなどに近い推定値を使用して、決して調査を計画しないでください。常に、より保守的な値を使用する。
• ヒント9
  新しいGPRユーザーの典型的な誤りは、最大浸透力のGPRシステムを注文し、それを使用して、より小さな地下オブジェクトを検出しようとすることである。覚えておいてほしいのは、良好な最大浸透力は、低い解像度/小さなオブジェクトを検出する能力を意味するということだ。
• ヒント10
  特定の用途に新しいGPRシステムを注文する際は、どの程度の浸透力が必要かを検討し、過度に超えないようにしてほしい。潜在的な顧客は、最大20mの浸透力を持つユーティリティ検索用のシステムを求めることが多い。しかし、パイプ/ケーブルの通常の深さは1〜2mだ。500 Mhzのシステムを注文する方がはるかに優れており、これにより、より小さく/より薄いオブジェクトを検出できる。
• ヒント11
  粘土層には、少量の水が含まれていても、取得した画像が台無しになる。調査エリアに粘土または粘土質の土壌がある場合は、乾季または乾燥した天候が長く続いた後に調査を計画する必要がある。
• ヒント12
  電磁波は塩水を通過しない。したがって、GPRは海/塩水の測深法には使用できない。

SPH EngineeringによるGPR計算機

GPR計算機を使用して、特定の深さおよび飛行高度（アンテナ高度）でのターゲットの検出可能性を推定できる。

アンテナ高度、GPRシステムの種類、推定ターゲット深度、材料/土壌の種類に関する情報を入力して結果を取得する。

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