2016 年度実施状況報告書

SQUID磁束計によるインピーダンス計測システムの災害時土壌特性評価に関する研究

研究課題

研究課題/領域番号	15K01268
研究機関	釧路工業高等専門学校
研究代表者	松本和健釧路工業高等専門学校, 創造工学科, 教授 (30342439)
研究分担者	坂口直志釧路工業高等専門学校, 創造工学科, 教授 (80225789)
研究期間 (年度)	2015-04-01 – 2019-03-31
キーワード	土砂災害 / 土壌インピーダンス / 四探針法 / SQUID磁束計 / 磁気シールド
研究実績の概要	本研究は，土砂災害の発生予防評価手法の提案と実証試験による検討を行っている。評価手法は土壌表面から数mの範囲を四探針法により，10mから数百mの範囲をSQUID磁束計によるRMS法によって土壌インピーダンスの測定をする。本研究の主たる目的は，土壌の複素インピーダンスを測定することにより，土壌の粒形と含水率を評価できることを提案することと，土砂災害の評価に有益な情報を提供できるかについて検証することを目的としている。平成28年度の研究実績は，外部に公開するまでに至らなかったが，以下の成果を得ている。四探針法による土壌のインピーダンス計測は，土砂災害と土壌粒形の関係を明確にする評価手法として提案する複素インピーダンス測定について検討を行った。研究内容としては多層の構造を持つ土壌モデル実験，複素インピーダンスの評価手法と位相情報の利用実証試験，土壌インピーダンス解析の手法についてモデル実験を行った。 SQUID磁束計によるRMS法に関連して，検出コイル設計，SQUID磁束計の駆動回路の広帯域化に関する回路設計と実証試験，信号処理手法について検討を行っている段階である。特に，信号処理手法に関してはSQUIDセンサーの回路構成が当初の2chによるシステム構成から，1chによる構成に変更することに伴い研究計画の見直しを行った。屋外での計測のために必要な磁気シールドの提案を行っている。主な内容は，測定周波数帯より，低周波側で有効な方法と高周波側で有効な方法の二種類について検討している。低周波数側は，磁気的なアクティブシールド法に用いる磁気補正コイルの最適設計を行っている。高周波側のシールドは，金属箔の電磁波シールドに用いる材料の選定実験，シールド設計に必要な計算式の実証，熱磁気雑音を低減するためのシールド構造の検討を行った。
現在までの達成度 (区分)	現在までの達成度 (区分) 4: 遅れている理由四探針法による土壌のインピーダンス計測では，二層構造の土壌モデル実験を行い，土壌抵抗率の大きさと位相データを計測し，カーブフィッティング手法により土壌解析データとモデルの比較を行った。抵抗率の大きさと位相変化のデータは共に，モデルと同様の二層構造の解析結果を与えたが，推定される層の深さに違いを生じた。また，位相データが土壌の粒形や水分含有率に依存するかについて実証試験を行う段階である。さらに土壌インピーダンス解析の逆問題解析手法について調査を行い，減衰最小二乗法を複素インピーダンスの逆問題解析に利用できるかを検討している。 SQUID磁束計によるRMS法に関連して，昨年度，SQUIDセンサーの仕様検討と必要な仕様を満たすセンサーの購入のための業者との見積もりなどのやり取りを行ったが，研究予算に見合わず年度内の購入を見送った。そこで今年度，SQUIDセンサーを，当初予定の2ch構成から，1ch構成に変更することを検討した。そこで，磁界差分計測をリアルタイムで実現すること代わりに，二つの検出コイルを切り替えて一つのセンサーで測定した磁気信号を信号処理後に差分するシステム構成に変更する。そのために，研究計画で準備する物品に大きな変更が必要となり，進捗状況に後れを生じることになった。今回製作予定の試作機に用いる磁気的アクティブシールドは可搬性を実現するために寸法を小さくすることが要求される。現時点では磁気補正コイルのマルチコイルの構成による，小型化と寸法に対するロバスト性を検討している段階である。高周波側のシールドは金属箔の電磁波シールドに関して，必要な周波数帯域に対応する材料の選定及び，シールド設計に必要な計算式の実証を行った。さらに，高周波シールドを設置することによる熱磁気雑音を低減するためにスリット構造の検討を行い基礎的なデータを得ることができた。
今後の研究の推進方策	四探針法による土壌のインピーダンス計測では，次年度から，土壌の粒径と水分含有量などと複素インピーダンスのパラメータとの相関関係なども含めて，モデル実験データの測定とその評価手法について検討を進める。また，複素インピーダンスの解析については，電気回路による等価回路を適用して，粒形と含水率を分けて評価することと，土壌インピーダンスの逆問題解析手法について検討を進める。この土壌の複素インピーダンス評価手法を用いて，インピーダンスの位相特性と土壌パラメータの関係を明確にし，最終年度で実地調査による本手法の災害評価利用技術としての実証試験を行う予定である。 SQUIDによるRMS探査法の実証試験のために本研究の計画で二個必要となるSQUIDセンサーを，SQUIDセンサーの購入価格の問題を解決するために一個で実現することにした。SQUIDセンサーが二個必要な理由は，RMS法によるインピーダンス測定のために土壌での表皮効果による電磁波の水平磁界成分の勾配計測（磁界の空間微分）が必要なためである。そこで本研究で実現する試作機段階としては，リアルタイムでの計測は不可能となるが，センサーに接続される検出コイルの切り替えによる時間的分離による空間微分を行うことで実証試験を行う。この研究計画の変更に伴い，必要物品の準備及び研究内容の変更が必要となり，スイッチングの同期信号処理のためにデジタイザを購入し，液体窒素温度での極低温環境下で動作可能なスイッチング素子の調査・検討を新たに研究課題とした。シールド方法については，磁気補償コイルのロバスト性も含めた最適設計が完了次第，試作機の作成に取り掛かる予定である。スリット構造によるシールド効果の低下が大きかったため，今後，金属箔のスリット構造で十分なシールド効果を得るための構造を検討する。
次年度使用額が生じた理由	SQUIDによるRMS探査法の実証試験のために本研究の計画で二個必要となるSQUIDセンサーを，SQUIDセンサーの購入価格の問題を解決するために一個で実現することにした。SQUIDセンサーが二個必要な理由は，RMS法によるインピーダンス測定のために土壌での表皮効果による電磁波の水平磁界成分の勾配計測（磁界の空間微分）が必要なためである。そこで本研究で実現する試作機作成の段階としては，リアルタイムでの計測は不可能となるが，センサーに接続される検出コイルの切り替えによる時間的分離による空間微分を行うことで実証試験を行うことにした。この研究計画の変更に伴い，次年度の必要物品の準備及び研究内容の変更が必要となり，スイッチングの同期信号処理のためのデジタイザの購入と，液体窒素温度での極低温環境下で動作可能なスイッチング素子の調査・検討を新たに研究課題とする必要が生じた。
次年度使用額の使用計画	研究計画の変更により，外部の磁気信号を検出するコイルは，空間差分検出のために二個用意するが，今年度までに準備したSQUIDセンサーは一個であるため，検出コイルとSQUIDセンサ間にスイッチを設け，このスイッチングに同期する信号処理を行う。この計画を実現するために，新たに物品購入を行い研究計画の変更を行うことにした。極低温環境下で動作するスイッチング素子が必要である。通常のデバイスの使用は-40℃程度までしか動作保証されていないため，市販のスイッチングデバイスの極低温環境下での動作試験権を行い，利用可能なデバイスの評価を行う。またこの変更に伴い，次年度から，同期信号処理のための10MHz程度のサンプリングレートを持つデジタイザの準備を行い，SQUID駆動回路を含む計測システムの構成を変更し，実証回路の作成計画を変更する。