煙突内壁の透視に成功!ドローン搭載レーダで

光通信技術を活用した超広帯域ミリ波レーダを開発

2021-5-28工学系

研究成果のポイント

  • ドローン搭載に向けたミリ波帯超広帯域レーダ技術の開発に成功
  • これまでの技術では不可能だった煙突の内壁(ライニング材)の厚みを非接触で診断することに成功
  • 様々な建築物やインフラ構造物への応用に期待

概要

大阪大学大学院基礎工学研究科の永妻忠夫教授、易利(イー・リー)助教、大学院生の為則勇志さん(博士前期課程)、徳永遥さん(博士前期課程)らは、株式会社車輪の再発見、ならびにJFE商事エレクトロニクス株式会社と共同で、ドローン搭載のための超広帯域レーダ技術の開発を推進してきました。このたび、出光興産株式会社徳山事業所のご協力のもと、定期点検中の高さ150mの煙突内で当該レーダを搭載したドローンを飛行させ(図1)、煙突壁の保護のために表層部に施されているライニング材の肉厚の検査に成功しました。

レーダと言えば、主に車載用に開発されたミリ波レーダ (24GHz、60GHz、77GHz、79GHz) が良く知られています。しかし、いずれも電波の周波数と帯域の制限から、物質透過能力と分解能が足らず、上記の煙突内壁の診断に適用することができません。新たに開発したドローン搭載用レーダシステムは、1GHz~1000GHzの任意の周波数と帯域に対応することができます。事前の実験により、煙突内壁のライニング材の肉厚を検査するための電波として4GHz~40GHzの帯域が最適であることを明らかにし、この帯域内で効率的に動作する送受信素子をドローンに搭載しました。

本プロジェクトチームは、4Kカメラをドローンに搭載した煙突内壁表面の診断技術の開発も行っており、今回開発した技術と統合することで、より付加価値の高い煙突の診断技術の実用化を進めていく予定です。また、ミリ波からテラヘルツ波まで電波の周波数を容易に変えることができる本レーダ技術の特長を生かし、様々な構造物やインフラ設備の診断への適用が期待されます。

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図1. (a)ドローンに搭載した広帯域ミリ波レーダの外観。(b)~(d)煙突内で実際にドローンを操縦し、ドローンを上昇させながら、煙突内壁を検査している様子。(d)では上方に煙突の開口が見えている。

研究の背景

ドローンに高精細カメラや赤外線カメラを搭載し、インフラ構造物の点検や診断を行う例が増えています。可視光や赤外線(レーザ光も含む)は、物体の表面を観察することには適していますが、物体の内部を調べるためには、物質に対する透過能力を有するマイクロ波、ミリ波といった電波を用いることが必要です。

一方、工場で使用されている煙突は定期的に点検が行われており、特に煙突内壁の損傷や劣化を早期に発見し補修する必要があります。煙突内壁には、耐酸や耐火のためのライニング材が使われています。これまで内壁を非接触で行なう検査では、目視やカメラによる表面観察に留まっており、ライニング材の厚みを非破壊で検査する技術が求められていました。しかしながら、これまでに電波を使ったレーダ技術によりライニング材の厚み計測に成功した例はありませんでした。

研究の内容

本研究グループでは、光通信技術を活用したレーダシステムの開発を行ってきました(図2)。このシステムでは、まず光通信波長(1.55μm)帯において、2つの異なる波長の光信号を発生させます。これを光ファイバで伝送し、光信号から電気信号に変換するための素子(フォトダイオード)に与えると、2つの光信号の波長差に対応した周波数の電波を発生させることができます。光波長を精密にコントロールすることにより、およそ1GHzから1000GHzの範囲で任意の帯域の電波を作ることが可能です。この電波の周波数を変えながら対象物に照射し、そこから反射して戻ってきた電波と元の電波との振幅位相関係を計算することにより、反射点(物体の表面や裏面)の位置を知ることができます。

本システムにおいてドローンに搭載する部分は、フォトダイオード(場合によっては増幅器で出力を増やす)、検出器(例えばショットキーバリアダイオード)ならびに送受信アンテナのみで、ドローンのペイロード(搭載機器)を大幅に軽量化できることが特長です。光信号の発生や信号処理を行う大きなユニットは地上に置かれ、ドローンとは、軽量の光ファイバと低周波信号ケーブルで繋がれています。

上述の煙突内壁の点検ニーズに応えるためには、およそ50mm~150mmの厚さのライニング材を透過し、かつmmオーダーの分解能で厚みを計測するための技術が必要です。そこで事前の実験により、4GHz~40GHzの帯域を使えば、ライニング材の厚みを測定することが可能であることを見出し、図2のシステムがこの周波数帯で動作するようにチューニングしました。図3は、煙突の内壁を測定した一例です。ライニング材の表面からの反射点と裏面(金属側)からの反射点が観測され、両者の間隔がライニング材の厚みに対応します。

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図2. ドローンに搭載した広帯域ミリ波レーダのブロック図。光通信技術の活用によりミリ波信号の発生を制御しているのが特長。地上でミリ波発生の制御と検出された信号の処理を行っている。ドローン搭載部の部品の交換によりテラヘルツ波帯まで対応できる。

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図3. 測定結果の例。(a)ある点での電波の反射の様子。ライニング材の表面からの反射波と裏面からの反射波が 観測され、その差から厚みは76mmと見積もられる。(b)煙突の円周方向のライニング厚を画像化した例。

本研究成果が社会に与える影響(本研究成果の意義)

長寿命化の使命を負う建設・インフラ分野においては、点検、修理のための資金や人手不足が課題となっています。高性能レーダ技術とドローンとの融合により、点検作業の経済性、効率性、安全性が高められるだけでなく、肉眼では見えなかったリスクの可視化が可能になります。

特記事項

  • 実証実験場所:出光興産株式会社徳山事業所。高圧ガススーパー認定事業所。保安管理の高度化に向けて先進技術の採用を積極的に進めています。
  • 事前実験場所:学校法人関西大倉学園ハイブリット・ホール。
  • 本実証実験では煙突の内壁に向けてのみ電波を照射しており、いわゆる金属壁でシールドされた環境下で実験が行なわれました。

参考URL

永妻忠夫教授 researchmap URL
https://researchmap.jp/tn-1958

SDGs目標

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用語説明

ライニング材

ライニングとは一般に物体の表面に、定着可能な物質を比較的厚く覆う表面処理のことを意味する。煙突の場合には、耐熱や防食のために、およそ50mm~150mmの厚さのライニング材が金属表面を覆っている。ライニング材としては、天然抗火石、キャスタブル、耐熱耐酸レンガ等が用いられている。

ミリ波レーダ

ミリ波とは波長がmm単位となる30GHz〜300GHz帯の電波のことを指す。Gは109の単位。ミリ波を対象物に照射してセンシングを行う機器がミリ波レーダであり、対象物の距離や角度といった位置情報、対象物との相対速度を計測することができる。国内では、24GHz(帯域0.2GHz、理論分解能75cm)、60GHz(同7GHz、2.14cm)、77GHz(同1GHz、15cm)、79GHz(同4GHz、3.75cm)が車載レーダ用に使われている。

テラヘルツ波

周波数として0.1THz(100GHz)から10THzの電磁波のことを指す。テラ(T)は1012の単位。ミリ波(30GHz~300GHz)とサブミリ波(300GHz~3000GHz)の電波領域を包含する。電波と光波との境界に位置する、未開拓領域であり、現在、その応用を目指して活発な研究開発が行われている。

フォトダイオード

光信号を電気信号に変換するための半導体素子。異なる波長の2つの光信号を入射すると、波長差に対応した周波数の電気信号(電波)を発生させることができる。マイクロ波からテラヘルツ波まで広い周波数範囲の電気信号を生成できるのが特長である。

ショットキーバリアダイオード

金属と半導体との接合によって生じるショットキー障壁を利用したダイオードである。通常のn型半導体とp型半導体との接合を使ったダイオードに比べ高速に動作するため、ミリ波からテラヘルツ波の検出器として最もよく用いられている。