地中探査レーダー

地中レーダー（GPR）は、レーダーパルスを使用して地中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、石積みなどの地下埋設物を調査するための非破壊的な地中調査方法です。 ^{[ 1 ]}この非破壊的な手法は、無線スペクトルのマイクロ波帯（UHF / VHF周波数）の電磁波を使用し、地中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、実務者はGPRを使用して、地中物体、材料特性の変化、空隙や亀裂を検出できます。^{[ 2 ] [ 3 ]}

 GPR（地中レーダー探査）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。このエネルギーが地中に埋設された物体や誘電率の異なる物質間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、戻ってきた信号の変化を記録します。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使用し、地震エネルギーの場合のように地中の機械的特性が変化する境界ではなく、地中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。

地盤の電気伝導率、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、したがって浸透深度を減少させます。周波数依存の減衰メカニズムのため、高周波は低周波ほど深く浸透しません。しかし、高周波は解像度を向上させ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。最適な地下浸透深度は氷で達成され、低いGPR周波数では浸透深度が数千メートル（グリーンランドの岩盤まで）に達することがあります。乾燥した砂質土壌や、花崗岩、石灰岩、コンクリートなどの塊状の乾燥材料は、導電性よりも抵抗性が高く、浸透深度は最大15メートル（50フィート）になる可能性があります。しかし、湿った土壌や粘土質の土壌、電気伝導率の高い材料では、浸透深度はわずか数センチメートルになる場合があります。 

地中レーダーアンテナは、信号強度を最大化するために一般的に地面に接触させて設置されますが、空中発射型GPRアンテナは地上から離れた場所に設置することも可能です。

クロスボーリング孔GPRは、水文地球物理学の分野において、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た。

埋没物の位置を特定するために連続波レーダーを使用するように設計された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）から 6 年後の 1910 年に Gotthelf Leimbach と Heinrich Löwy によって出願されました。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 Dr. Hülsenbeck によって出願され（DE 489 434）、深度分解能の向上につながりました。1929 年に W. Stern によって地中レーダーを使用して氷河の深さが測定されました。^{[ 4 ]}

この分野のさらなる発展は1970年代までほとんど見られず、その後軍事用途が研究を推進し始めた。商業用途が続き、最初の手頃な価格の消費者向け機器は1975年に販売された。^{[ 4 ]}

1972年、アポロ17号ミッションでは、 ALSE （アポロ月面探査実験）と呼ばれる地中探査レーダーが月周回軌道上に搭載された。ALSEは最大1.3kmの深さの情報を記録することができた が、当時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ます。沖積砂利層で金塊やダイヤモンドを探す際にも、埋没した川床にある重い粒子が蓄積する可能性のある天然のトラップを見つけることで、ある程度の有用性があります。^{[ 7 ]}中国の月面探査車Yutuは、月の土壌と地殻を調査するために、下面にGPRを搭載しています。

工学分野での応用例としては、構造物や舗装の非破壊検査（NDT）、埋設構造物や公共設備の位置特定、土壌や岩盤の調査などが挙げられます。環境修復においては、GPRは埋立地、汚染プルーム、その他の修復現場の特定に用いられ、考古学においては、遺跡や墓地の地図作成に用いられます。法執行機関では、GPRは秘密の墓や埋設された証拠の発見に利用されています。軍事用途としては、地雷、不発弾、トンネルの探知などがあります。

GPRを使用したボアホールレーダーは、地下鉱山用途でボアホールから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、単一のボア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 ]}

地中レーダーの主な用途の一つは、地下埋設物の位置特定です。従来の電磁誘導式埋設物位置特定ツールは、埋設物が導電性であることを前提としています。そのため、プラスチック製の導管やコンクリート製の雨水管・汚水管の位置特定には効果がありません。一方、地中レーダーは地中の誘電特性の変化を検出するため、非導電性の埋設物の位置特定に非常に有効です。

GPRは、チャンネル4の テレビ番組「タイムチーム」でよく使用され、発掘調査によって調査に適した場所を特定するためにこの技術が用いられた。GPRはまた、 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使用された。^{[ 9 ]}

考古学

地中レーダー探査は、考古学地球物理学で使用される方法の 1 つです。GPR は、地中の考古学的遺物、特徴、およびパターンを検出およびマッピング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、電磁パルスであるレーダー信号が地中に照射されます。地中の物体や地層（層状構造）によって反射された信号が受信機で受信されます。反射信号の伝播時間から深度が分かります。データは、断面図、特定の深度を分離した平面図、または3次元モデルとして表示できます。

GPRは、条件が良好な場合（均質な砂質土壌が理想的）に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探査法と同様に（発掘とは異なり） 、遺物や地形を損傷するリスクなしに特定し、マッピングすることができます。考古学地球物理学で用いられる手法の中でも、比較的深い場所にある小さな物体を検出できる能力と、異常源の深さを識別できる能力の両方において、GPRは他に類を見ないものです。

GPRの主な欠点は、理想的とは言えない環境条件によって性能が著しく制限される点である。細粒堆積物（粘土やシルト）は電気伝導率が高いため信号強度が低下し、問題となることが多い。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不要なノイズを増加させる。

文化遺産の分野では、高周波アンテナを備えたGPRが、歴史的な石造構造物の調査、柱のひび割れや劣化パターンの検出、フレスコ画の剥離にも使用されています。^{[ 15 ]}

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。ある領域で体系的に収集された複数のデータラインを使用して、3次元画像または断層画像を構築できます。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」として知られています）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であることが多いため、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 ]}

GPRの性能における最大の制約は、粘土質土壌や塩分汚染土壌などの高導電性材料において生じる。また、岩石質土壌などの不均質な環境下では、信号散乱によって性能が制限される。

現在利用可能なGPRシステムのその他の欠点としては、以下のようなものがある。

• レーダーグラムの解釈は、一般的に初心者にとっては直感的ではない。
• GPR調査を効果的に設計、実施、解釈するには、相当な専門知識が必要である。
• 比較的高いエネルギー消費量は、広範囲にわたる現地調査においては問題となる可能性がある。

レーダーは物質組成の変化に敏感であり、変化を検出するには移動が必要です。地表探査レーダーまたは地中探査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指定された領域を調査できるように、装置を移動する必要があります。パイプ、空洞、土壌などの物体を識別することはできますが、金や貴石などの特定の物質を識別することはできません。ただし、宝石を含む可能性のあるポケット、つまり「空洞」の地下マッピングを提供するのに役立つ場合があります。測定値は地中の水分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ません。^{[ 46 ]}

探知深度を決定する際には、アンテナの周波数範囲によってアンテナのサイズと探知深度が決まります。スキャンするグリッド間隔は、識別する必要のある対象物のサイズと求められる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よって異なります。目標物までの深さは、レーダー信号が装置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、異なる種類の物質を通過する際に異なる速度で伝搬します。既知の物体までの深さを利用して特定の速度を決定し、それに基づいて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、電磁放射線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。

• 電気抵抗率トモグラフィー

• ボルヒェルト、オラフ（2008）。「指向性ボアホールレーダーシステムの受信機設計（博士論文）」。ヴッパータール大学。

• Jaufer, Rakeeb M.、Amine Ihamouten、Yann Goyat、Shreedhar S. Todkar、David Guilbert、Ali Assaf、および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の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予備的な数値研究」Remote Sensing 14、no. 4: 1047。https ://doi.org/10.3390/rs14041047

科学および工学分野における応用例の概要については、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. Elsevier.
• Persico, Raffaele (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探査手法の概要については、以下の文献を参照されたい。

• 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方法。ロンドン、イギリス：BT Batsford Ltd.
• 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。カリフォルニア州ウォールナットクリーク：アルタミラ・プレス。ISBN 978-0-7619-8927-1OCLC 36817059。​ 
• ギャフニー、クリス、ジョン・ゲイター（2003）。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。英国ストラウド：テンプス。

• 「EUROGPR – 欧州GPR規制機関」
• 「GprMax – FDTD法に基づくGPR数値シミュレータ」
• 「GPR測定値の取得、処理、精度を示す短い動画」。2009年8月24日。2021年12月22日にオリジナルからアーカイブ済み– YouTube経由。
• 「サンプルGPR伝搬のFDTDアニメーション」。2011年11月22日。2021年12月22日にオリジナルからアーカイブ済み– YouTube経由。
• 「GPR電磁波放出安全情報」 。2016年5月17日。2018年9月13日にオリジナルからアーカイブ済み。2017年2月15日取得。
• 「3D GPRによるユーティリティマッピング」。2021年4月28日。