地中探知レーダー

地中レーダー（GPR）は、レーダーパルスを使用して地下を画像化する地球物理学的手法です。これは、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の非侵入型の地下調査方法です。 ^[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、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、専門家は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 10 MHz から 2.6 GHz 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出します。エネルギーは、埋設された物体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、返送信号の変化を記録できます。関連する原理は地震学に似ていますが、GPR 法では音響エネルギーではなく電磁エネルギーを使用し、地震エネルギーの場合のように地下の機械的特性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可能性があります。

地面の電気伝導率、送信中心周波数、放射電力はすべて、GPR 調査の有効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、浸透深度が減少します。周波数依存の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、高い周波数では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トレードオフです。地下浸透の最適な深さは、低い GPR 周波数で浸透深度が数千メートル (グリーンランドの岩盤まで) に達する可能性がある氷の中で達成されます。乾燥した砂質土や、花崗岩、石灰岩、コンクリートなどの乾燥した塊状の物質は、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 (49 フィート) になる可能性があります。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程度になることがあります。

地中探査レーダーアンテナは、通常、信号強度を最大にす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。

連続波レーダーを使用して地中物体の位置を特定するシステムの最初の特許は、レーダー自体の最初の特許（特許 DE 237 944）の 6 年後の 1910 年に、ゴットヘルフ・ライムバッハとハインリッヒ・レーヴィによって申請されました。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申請され（DE 489 434）、深度分解能が向上しました。氷河の深さは、1929 年に W. シュテルンによって地中レーダーを使用して測定されました。^[4]

この分野でのさらなる発展は、1970年代に軍事用途が研究を牽引し始めるまでほとんどありませんでした。その後商業用途が続き、1975年に最初の手頃な価格の消費者向け機器が販売されました。^[4]

1972年、アポロ17号のミッションでは、 ALSE （アポロ月探査機）と呼ばれる地中探査レーダーが月の周回軌道上に搭載された。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た。^{[5] [6]}

GPRは多くの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、重い粒子が蓄積する可能性のある埋没した川床の自然の罠を見つけることで、沖積砂利層の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。

工学的用途には、構造物や舗装の非破壊検査(NDT)、埋設構造物やユーティリティ ラインの位置特定、土壌や岩盤の調査などがあります。環境修復では、GPR は埋立地、汚染物質の煙、その他の修復場所を定義するために使用され、考古学では考古学的特徴や墓地の地図作成に使用されます。法執行機関では、GPR は秘密の墓や埋設された証拠の位置特定に使用されます。軍事用途には、地雷、不発弾、トンネルの検出が含まれます。

GPRを利用したボーリングホールレーダーは、地下採掘においてボーリングホールから構造をマッピングするために使用されます。現代の指向性ボーリングホールレーダーシステムは、単一のボーリングホールでの測定から3次元画像を生成することができます。^[8]

地中レーダーのその他の主な用途の 1 つは、地下の公共設備の位置を特定することです。標準的な電磁誘導公共設備位置特定ツールでは、公共設備が導電性である必要があります。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や下水道の位置を特定するのには効果がありません。GPR は地下の誘電特性の変化を検出するため、非導電性の公共設備の位置を特定するの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決定するためにこの技術が使用されました。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15万ポンドの現金身代金を回収するためにもGPRが使用されました。^[9]

地中探知レーダーの軍事用途には、不発弾の探知やトンネルの探知などがあります。軍事用途やその他の一般的な GPR 用途では、電気抵抗法や電磁誘導法などの他の利用可能な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2億20万ドルで発注した。^[10]

地中探査レーダーからの事前地図ベースの画像を使用して車両の位置を特定する最近の新しいアプローチが実証されました。「Localizing Ground Penetrating Radar」（LGPR）と呼ばれるこの手法では、最高時速100 km（60 mph）の速度でセンチメートルレベルの精度が実証されています。^[11]閉ループ操作は、2012年に自律走行車のステアリングで初めて実証され、2013年に軍事作戦に導入されました。^[11]夜間の吹雪中の高速道路の速度センチメートルレベルの特定は、2016年に実証されました。^{[12] [13]}この技術は、GPR Inc.によってADASおよび自律走行車の測位および車線維持システムの車両安全性のために独占的にライセンス供与および商品化され、Ground Positioning Radar(tm)として販売されました。

地中レーダー調査は考古学地球物理学で使用される方法の一つです。GPRは地下の考古学的遺物、特徴、パターンを検出し、地図化するために使用できます。 ^[14]

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) が地中に向けられます。地表下の物体や地層 (層) によって反射が生じ、受信機で受信されます。反射信号の移動時間から深さがわかります。データは、プロファイル、特定の深さを分離した平面図、または 3 次元モデルとしてプロットできます。

GPR は、条件が整えば強力なツールになります (均一な砂質土が理想的)。考古学で使用される他の地球物理学的手法と同様に (発掘とは異なり)、遺物の位置を特定し、地形を地図上に表示できます。遺物に損傷を与えるリスクはありません。考古学地球物理学で使用される手法の中で、比較的深いところにある小さな物体を検出できる点と、異常源の深さを区別できる点の両方で、GPR はユニークです。

GPR の主な欠点は、理想的とは言えない環境条件によって大き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、問題となることがよくあります。また、岩石や不均質な堆積物は GPR 信号を散乱させ、有用な信号を弱めると同時に、外部の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]

GPRは、犯罪学者、歴史学者、考古学者が埋葬地を捜索するために使用されています。^[16] GPRの最初の考古学専門家の1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」でこのプロセスを説明しています。 ^[17]コニャーズは、1996年にエルサルバドルで、^[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ました^{。 [21]}コニャーズの研究を参考にして、^[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を使用しています。^[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、墓標のない墓の疑いのある場所を特定した。^{[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先住民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の墓標のない異常物（おそらく子供の墓）が発見されたと報告された。[ 23 ] ^{2021年6月、サスカチュワン州の}Cowessess先住民 はGPR技術を使用して、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マリーバルインディアン寄宿学校の敷地内で751の墓標のない場所を特定した。 ^[24]

さまざまな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たGPR技術の進歩により、地下の「形状と空間関係」の3次元再構成が生成されます。2021年までに、これは「新しい標準として浮上しています」。^[25]

GPR データの個々のラインは、地下の断面 (プロファイル) ビューを表します。あるエリアで体系的に収集された複数のデータ ラインは、3 次元または断層画像の作成に使用できます。データは、3 次元ブロックとして、または水平または垂直のスライスとして表示できます。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アプリケーションで標準的な方法になっています。^[20]

GPR の性能に最も大きな制限があるのは、粘土質の土壌や塩分で汚染された土壌などの高導電性の材料の場合です。また、不均質な条件 (岩石質の土壌など) では、信号の散乱によって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ある。地表貫通型または地中貫通型レーダーを使用して静止した物体を検査する場合、レーダーが物質組成の違いを探して特定の領域を検査できるように、装置を移動する必要がある。パイプ、空洞、土壌などの物体は識別できるが、金や貴重な宝石などの特定の物質は識別できない。ただし、潜在的な宝石を含むポケット、つまり「空洞」の地下マッピングには役立つ。測定値は地中の湿気によって混乱する可能性があり、宝石を含むポケットと宝石を含まないポケットを区別することはできない。^[46]

深度機能を決定する際、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機能が決定されます。スキャンされるグリッド間隔は、識別する必要のあるターゲットのサイズと必要な結果に基づきます。一般的なグリッド間隔は、地上調査の場合は 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、壁や床の場合は 1 インチ～1 フィートです。

レーダー信号が伝わる速度は、貫通する物質の組成によって異なります。ターゲットまでの深さは、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時間に基づいて決定されます。レーダー信号は、異なる種類の物質を異なる速度で伝わります。既知の物体までの深さを使用して特定の速度を決定し、深さの計算を較正することが可能です。

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オペレーター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。

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、さまざまな技術を使用しています。2009年に市場に出回っているシステムでは、オフラインではなく調査作業中にデータを処理するために デジタル信号処理（DSP）も使用されています。

特殊なタイプの地中レーダーは、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、平面図の地中ホログラムを記録するという点で他のタイプ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深さの浸透はかなり小さい（20〜30 cm）ですが、横方向の解像度は、土壌内のさまざまな種類の地雷、または壁、床、構造要素内の空洞、欠陥、盗聴装置、または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。先進的な土壌調査会社である EU Detect Force Technology は、軍の地雷探知と警察の爆弾探知のためのハイブリッド GPR アプリケーションとして X6 Plus Grounding Radar (XGR) を設計に利用しています。「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使用して、地域に地雷が存在するかどうかを判定するシステムを設計することを目指しています。

パイプ貫通レーダー（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通して送られ、パイプの壁の厚さとパイプの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、鉄筋の覆い、剥離を確認し、パイプの外側で発生している空隙の存在を検出します。

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る。これは1984年、キャンベラの旧ロシア大使館を調査した際にASIOとオーストラリア警察が初めて実証した。警察は横方向に最大2部屋離れた人々を監視し、床を垂直に透視する方法を実証し、武器の可能性がある金属の塊も見分けられた。GPRは軍の警備員や警察の動きセンサーとしても機能する。

• 電気抵抗トモグラフィー

• Borchert, Olaf (2008)。「指向性ボアホールレーダーシステムの受信機設計 (論文)」。ヴッパータール大学。

• Jaufer、Rakeeb M.、Amine Ihamouten、Yann Goyat、Shreedhar S. Todkar、David Guilbert、Ali Assaf、Xavier Dérobert。2022年。「地下ユーティリティネットワークの特性評価のためにGPRデータに適用された物理的方法と機械学習方法を比較するための予備的な数値研究」リモートセンシング14、第4号：1047。https://doi.org/10.3390/rs14041047

科学および工学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。
• Persico, Raffaele (2014)。地中探査レーダー入門：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)。『土の下を見る。考古学における探査法』。ロンドン、イギリス: BT Batsford Ltd.
• Conyers, Lawrence B; Goodman, Dean (1997)。地中探査レーダー：考古学者のための入門書。ウォルナットクリーク、カリフォルニア州：AltaMira Press。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）。『埋もれた過去を明らかにする：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。

ウィキメディア・コモンズには、地中探知レーダーに関連するメディアがあります。

• 「EUROGPR – 欧州GPR規制機関」。
• 「GprMax – FDTD 法に基づく GPR 数値シミュレーター」。
• 「GPR読み取り値の取得、処理、精度を示す短編映画」。2009年8月24日。2021年12月22日時点のオリジナルよりアーカイブ – YouTube経由。
• 「サンプルGPR伝播のFDTDアニメーション」。2011年11月22日。2021年12月22日時点のオリジナルよりアーカイブ – YouTube経由。
• 「GPR電磁放射安全情報」。2016年5月17日。2018年9月13日時点のオリジナルよりアーカイブ。2017年2月15日閲覧。
• 「3D GPRによるユーティリティマッピング」。2021年4月28日。