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JP5804025B2 - Soil monitoring device and soil monitoring method - Google Patents

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JP5804025B2
JP5804025B2 JP2013233952A JP2013233952A JP5804025B2 JP 5804025 B2 JP5804025 B2 JP 5804025B2 JP 2013233952 A JP2013233952 A JP 2013233952A JP 2013233952 A JP2013233952 A JP 2013233952A JP 5804025 B2 JP5804025 B2 JP 5804025B2
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soil
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moisture
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森岡 宏之
宏之 森岡
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NEC Corp
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  • Pit Excavations, Shoring, Fill Or Stabilisation Of Slopes (AREA)
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Description

本発明は、土中監視装置及び土中監視方法に関する。   The present invention relates to a soil monitoring device and a soil monitoring method.

山等の傾斜地では、降雨により土砂崩れが発生して、大きな被害をもたらすことがある。土砂崩れには、表面崩壊と深層崩壊との2つのモードが知られている。被害の大きさは、一概には言えないが、表面崩壊より深層崩壊の方が大きいことが多い。   In sloped areas such as mountains, landslides may occur due to rainfall, causing serious damage. There are two known modes of landslides: surface collapse and deep collapse. The magnitude of the damage is unclear, but deep layer collapse is often greater than surface collapse.

表面崩壊は、雨が土中にしみこみきれないほどの雨が降ったときに地表を流れる地表流により発生する。即ち、水は必ず低い方へ流れるので、地表面のわずかな凸凹でも、凹の方へ集中する(集まる)。このとき、水は土や石を巻き込みながら流れて、表面侵食が生じる。浸食された溝は徐々に成長して、浸食・崩落が進み、水と土石は土石流となって、最終的に表面崩壊となる。   Surface collapse occurs due to surface currents that flow over the surface of the earth when it rains so much that it cannot penetrate into the soil. That is, since water always flows to the lower side, even a slight unevenness on the ground surface concentrates (collects) on the concave side. At this time, the water flows while entraining soil and stones, and surface erosion occurs. The eroded groove gradually grows, erosion / collapse progresses, water and debris become debris flow, and finally surface collapse.

一方、深層崩壊は、降水時間が長く、降水量が多い場合に起きやすい。即ち、降雨により土中は水で一杯になり、土の粒同士だけでなく、岩石と土との境で結びつきが緩くなる。そして、水がしみこみ難い岩石と土との境目に水の層が発生して、土は岩石と共に滑落することにより深層崩壊が発生する。   On the other hand, deep collapse is likely to occur when precipitation time is long and precipitation is high. In other words, the rain fills the soil with water and loosens not only the soil grains but also the boundary between the rock and the soil. A layer of water is generated at the boundary between the rock and soil where it is difficult for water to penetrate, and the soil slides down with the rock, causing deep collapse.

そこで、土中の水分量を監視する技術の開発が望まれ、特開2011−47676号公報においては、後述するような土中水分水位検出装置が提案されている。   Therefore, development of a technique for monitoring the amount of moisture in the soil is desired, and Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2011-47676 proposes a soil moisture level detection device as described later.

この土中水分水位検出装置は、一端が密封され他端が開口された管状の超音波導波管を土中に埋めて利用される。そして、超音波導波管の密封側には超音波送受信素子を有する検出器や制御部が備えられている。制御部は、送波した超音波の反射波の最大振幅に基づいて、土中水分量を検出すると共に、超音波の送信から反射波の受信までに要する時間に基づいて地下水位面の位置を検出する。   This soil moisture level detection apparatus is used by filling a tubular ultrasonic waveguide having one end sealed and the other end opened in the soil. And the detector and control part which have an ultrasonic transmission / reception element are provided in the sealing side of the ultrasonic waveguide. The control unit detects the moisture content in the soil based on the maximum amplitude of the reflected wave of the transmitted ultrasonic wave, and determines the position of the groundwater level surface based on the time required from the transmission of the ultrasonic wave to the reception of the reflected wave. To detect.

特開2011−47676号公報JP 2011-47676 A

しかしながら、災害の直接原因は土砂崩れであることが多く、この土砂崩れの主要因は土中の水分量の増大であるので、これらを検出する特開2011−47676号公報に係る土中水分水位検出装置は有用であるが、災害を最小限に抑制(減災)する観点からは不十分であった。   However, the direct cause of the disaster is often a landslide, and the main cause of the landslide is an increase in the amount of moisture in the soil. Therefore, a device for detecting the moisture level in the soil according to Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-47676 that detects them. Is useful, but it was insufficient from the viewpoint of minimizing (reducing) disasters.

即ち、土中の水分量が増大すると、直ちに土砂崩れが発生するとは限らず、時には土砂崩れが起きない場合もある。また、水分量が増大してから長時間経過後に土砂崩れが起きることもある。従って、防災・減災の観点からは、土中の水分量増大を監視するばかりでなく、土砂崩れの予兆も検出する必要がある。   That is, when the amount of moisture in the soil increases, landslides do not always occur, and sometimes landslides do not occur. In addition, landslide may occur after a long time since the amount of water increased. Therefore, from the viewpoint of disaster prevention / reduction, it is necessary not only to monitor the increase in moisture content in the soil, but also to detect signs of landslides.

そこで、本発明の主目的は、土中の水分量を監視するばかりでなく、土砂崩れの予兆が検出できる土中監視装置及び土中監視方法を提供することである。   Therefore, a main object of the present invention is to provide a soil monitoring device and a soil monitoring method capable of detecting not only a moisture content in the soil but also a sign of a landslide.

上記課題を解決するため、土中監視装置に係る発明は、土中に探知音を放射する探知音放射ユニットと、土中からの残響音を検出する残響音検出ユニットと、残響音の信号レベルを計測データとして計測し、残響音に探知音の反射音が含まれる場合は含水量監視処理及び残響音に探知音の反射音が含まれない場合は異常音監視処理を交互に繰り返す計測判断回路と、を備え、含水量監視処理は、計測データと予め記憶している基準データとの差分値を求め、該差分値が所定の含水量閾値を超えるか否かを判断し、超えるときは含水量警報を発報し、かつ、その際に当該含水量閾値を超える土中領域の深さを水分帯深さとして算出して、含水量警報と共に当該水分帯深さを出力する処理であり、異常音監視処理は、計測データが所定の異常音閾値より大きいか否かを判断し、大きい場合には異常音警報を発報する処理であることを特徴とする。   In order to solve the above problems, the invention relating to the underground monitoring device includes a detection sound radiation unit that radiates a detection sound into the soil, a reverberation sound detection unit that detects a reverberation sound from the soil, and a signal level of the reverberation sound. A measurement judgment circuit that alternately repeats the moisture content monitoring process when the reverberant sound includes the detection sound reflection sound and the abnormal sound monitoring process when the reverberation sound does not include the detection sound reflection sound. The moisture content monitoring process obtains a difference value between the measurement data and the reference data stored in advance, determines whether the difference value exceeds a predetermined moisture content threshold value, and if it exceeds, It is a process of issuing a water content alarm and calculating the depth of the soil area exceeding the water content threshold value as the water content depth and outputting the water content depth along with the water content alarm, Abnormal sound monitoring processing is performed when the measured data is a predetermined abnormal sound threshold. It determines greater than or not, if large characterized in that it is a process of alarm the alarm abnormal sound.

また、土中監視方法に係る発明は、音波送受信器に、土中に探知音を放射させる探知音放射手順と、音波送受信器に、土中からの残響音を検出させる残響音検出手順と、音波送受信器からの信号を受信する計測判断回路に、残響音の信号レベルを計測データとして計測し、残響音に探知音の反射音が含まれる場合は含水量監視処理及び、残響音に探知音の反射音が含まれない場合は異常音監視処理を交互に繰り返す処理を行わせる計測判断手順と、を含み、含水量監視処理は、計測データと予め記憶している基準データとの差分値を求め、該差分値が所定の含水量閾値を超えるか否かを判断し、超えるときは含水量警報を発報し、かつ、その際に当該含水量閾値を超える土中領域の深さを水分帯深さとして算出して、含水量警報と共に当該水分帯深さを出力する処理であり、異常音監視処理は、計測データが所定の異常音閾値より大きいか否かを判断し、大きい場合には異常音警報を発報する処理であることを特徴とする。   Further, the invention according to the soil monitoring method, the sound wave transmitter / receiver, the detection sound emission procedure for radiating the detection sound in the soil, the sound wave transmitter / receiver to detect the reverberation sound from the soil, The measurement judgment circuit that receives the signal from the sound wave transmitter / receiver measures the signal level of the reverberant sound as measurement data, and if the reverberant sound includes the reflected sound of the detection sound, the moisture content monitoring processing and the detection sound in the reverberant sound A measurement judgment procedure for performing a process of alternately repeating the abnormal sound monitoring process when the reflected sound is not included, and the water content monitoring process calculates a difference value between the measurement data and the reference data stored in advance. Determining whether or not the difference value exceeds a predetermined moisture content threshold value, and issuing a water content alarm when the difference value is exceeded, and determining the depth of the soil area exceeding the moisture content threshold value Calculated as the belt depth and the water content warning The abnormal sound monitoring process is a process for determining whether or not the measurement data is larger than a predetermined abnormal sound threshold value, and if it is larger, an abnormal sound alarm is issued. And

本発明によれば、土中の水分量等を検出する含水量監視処理と地鳴り等を検出する異常音監視処理とを交互に繰り返すので、水分量増大を監視するばかりでなく、土砂崩れの予兆が検出できるようになる。   According to the present invention, the moisture content monitoring process for detecting the moisture content in the soil and the abnormal sound monitoring process for detecting ground noise and the like are alternately repeated, so that not only the increase in the moisture content is monitored, but also a sign of landslide is detected. Can be detected.

土中監視装置のブロック図である。It is a block diagram of an underground monitoring apparatus. 土中監視装置の動作手順を示したフローチャートである。It is the flowchart which showed the operation | movement procedure of the underground monitoring apparatus. 土中監視装置から放射された探知音を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the detection sound radiated | emitted from the underground monitoring apparatus. 探知音及び残響音における振幅(信号レベル)の包落線を示した図で、(a)は基準データ、(b)は計測データを示す図である。It is the figure which showed the envelope of the amplitude (signal level) in a detection sound and a reverberation sound, (a) is a reference data, (b) is a figure which shows measurement data. 差分値と含水量閾値との比較処理を説明する図で、(a)は図4における基準データ及び計測データを示した図、(b)は基準データと計測データとから算出した差分値と含水量閾値との関係を示した図である。5A and 5B are diagrams illustrating a comparison process between a difference value and a moisture content threshold value, in which FIG. 4A is a diagram illustrating reference data and measurement data in FIG. 4, and FIG. 5B is a diagram illustrating a difference value calculated from the reference data and measurement data; It is the figure which showed the relationship with a water quantity threshold value. 異常音監視処理を説明するための図で、(a)は計測判断回路15の監視シーケンスを示した図であり、(b)は地鳴り等の残響音の差分値が異常音閾値を超えて異常音警報信号が出力される様子を示す図である。It is a figure for demonstrating abnormal sound monitoring processing, (a) is the figure which showed the monitoring sequence of the measurement judgment circuit 15, (b) is abnormal because the difference value of reverberant sounds, such as a ground noise, exceeds an abnormal sound threshold value. It is a figure which shows a mode that a sound alarm signal is output.

本発明の実施形態を説明する。図1は、本実施形態にかかる土中監視装置2のブロック図である。この土中監視装置2は、音波送受信器11、タイミング回路12、送信回路13、信号処理回路14、計測判断回路15、切替回路16、出力部17を主要構成とする。このとき、音波送受信器11、タイミング回路12、送信回路13、切替回路16が探知音放射ユニット6を構成し、音波送受信器11、切替回路16、信号処理回路14が残響音検出ユニット8を構成している。   An embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a block diagram of the underground monitoring device 2 according to the present embodiment. The underground monitoring device 2 includes a sound wave transmitter / receiver 11, a timing circuit 12, a transmission circuit 13, a signal processing circuit 14, a measurement determination circuit 15, a switching circuit 16, and an output unit 17 as main components. At this time, the sound wave transmitter / receiver 11, the timing circuit 12, the transmission circuit 13, and the switching circuit 16 constitute the detection sound radiation unit 6, and the sound wave transceiver 11, the switching circuit 16, and the signal processing circuit 14 constitute the reverberation sound detection unit 8. doing.

なお、以下の説明においては、土中監視装置2は、計測場所に埋設して用いる場合を例に説明するが、当該計測場所に載置又は半埋設状態に設置しても良いことを予め付言する。   In the following description, the soil monitoring device 2 will be described as an example of being embedded in a measurement location. However, it should be added in advance that it may be placed in the measurement location or in a semi-embedded state. To do.

音波送受信器11は、例えば圧電素子を利用して構成されて、土中に超音波等の音(以下、探知音)を放射し、また土中からの音(残響音)を検出する。この圧電素子は、電気信号を音波に、また音波を電気信号に変換する素子である。なお、本実施形態においては、音波送受信器11は1つの圧電素子から構成されている場合について説明するが、送波手段と受波手段とに分けて設けることも可能である。   The sound wave transmitter / receiver 11 is configured by using, for example, a piezoelectric element, and emits sound such as ultrasonic waves (hereinafter referred to as detection sound) into the soil and detects sound from the soil (reverberation sound). The piezoelectric element is an element that converts an electric signal into a sound wave and a sound wave into an electric signal. In the present embodiment, the case where the sonic wave transmitter / receiver 11 is composed of one piezoelectric element will be described, but it is also possible to separately provide a wave transmitting means and a wave receiving means.

切替回路16は、探知音を送波する場合には、送信回路13からの信号(送信信号G4)が音波送受信器11に入力するように回路切替を行い、残響音を検出する場合には音波送受信器11からの信号が信号処理回路14に入力するように回路切替を行う。これらの切替は、タイミング回路12からの切替信号G1_bに基づき制御される。   The switching circuit 16 switches the circuit so that the signal (transmission signal G4) from the transmission circuit 13 is input to the sound wave transmitter / receiver 11 when transmitting the detection sound, and when detecting the reverberation sound, the switching circuit 16 Circuit switching is performed so that a signal from the transceiver 11 is input to the signal processing circuit 14. These switching operations are controlled based on a switching signal G1_b from the timing circuit 12.

タイミング回路12は、探知音を一定周期毎に送波するためのタイミング信号G1を出力すると共に、計測判断回路15に入力した信号(以下、受信信号G9)を記録させるための記録指示信号G3を出力する。このタイミング信号G1は、送信回路13,切替回路16、計測判断回路15に出力される。以下、説明の都合から、送信回路13に出力されるタイミング信号G1を送信許可信号G1_a、切替回路16に出力されるタイミング信号G1を切替信号G1_b、計測判断回路15に出力されるタイミング信号G1を解析タイミング信号G1_cと記載し、これらを総称してタイミング信号G1と記載する。   The timing circuit 12 outputs a timing signal G1 for transmitting the detection sound at regular intervals, and also outputs a recording instruction signal G3 for recording a signal (hereinafter referred to as a reception signal G9) input to the measurement judgment circuit 15. Output. The timing signal G1 is output to the transmission circuit 13, the switching circuit 16, and the measurement determination circuit 15. Hereinafter, for convenience of explanation, the timing signal G1 output to the transmission circuit 13 is the transmission permission signal G1_a, the timing signal G1 output to the switching circuit 16 is the switching signal G1_b, and the timing signal G1 output to the measurement determination circuit 15 is It is described as an analysis timing signal G1_c, and these are collectively referred to as a timing signal G1.

なお、送信許可信号G1_aは、送信回路13に探知音の出力を指示する信号であり、切替信号G1_bは、切替回路16に回路制御を行わせる信号であり、解析タイミング信号G1_cは、計測判断回路15で解析処理を行う際に、探知音の出力タイミングを通知する信号である。また、記録指示信号G3は、基準データの記憶を指示する信号で、土中監視装置2がリセットされたときに1回のみ出力される信号である。   The transmission permission signal G1_a is a signal that instructs the transmission circuit 13 to output a detection sound, the switching signal G1_b is a signal that causes the switching circuit 16 to perform circuit control, and the analysis timing signal G1_c is a measurement determination circuit. 15 is a signal for notifying the output timing of the detection sound when the analysis processing is performed at 15. The recording instruction signal G3 is a signal for instructing storage of reference data, and is a signal that is output only once when the underground monitoring device 2 is reset.

送信回路13は、送信許可信号G1_aに同期して、大電力の送信信号G4を出力する。このとき、切替回路16には切替信号G1_bが入力しており、切替回路16は送信回路13と音波送受信器11とが接続されるように回路形成を行う。従って、送信信号G4は切替回路16を経て送信回路13から音波送受信器11に入力することになる。音波送受信器11は、この送信信号G4に基づき探知音を地中に送波する。   The transmission circuit 13 outputs a high-power transmission signal G4 in synchronization with the transmission permission signal G1_a. At this time, the switching signal G1_b is input to the switching circuit 16, and the switching circuit 16 forms a circuit so that the transmission circuit 13 and the sound wave transmitter / receiver 11 are connected. Accordingly, the transmission signal G4 is input from the transmission circuit 13 to the sound wave transmitter / receiver 11 via the switching circuit 16. The sound wave transmitter / receiver 11 transmits a detection sound into the ground based on the transmission signal G4.

探知音が放射されると、タイミング回路12は切替信号G1_bを切替回路16に出力する。この切替信号G1_bを受信した切替回路16は、音波送受信器11と信号処理回路14とが接続されるように回路切替を行う。   When the detection sound is emitted, the timing circuit 12 outputs a switching signal G1_b to the switching circuit 16. The switching circuit 16 that has received the switching signal G1_b performs circuit switching so that the sound wave transmitter / receiver 11 and the signal processing circuit 14 are connected.

信号処理回路14は、音波送受信器11から出力される信号(以下、受波信号)G8に対して信号処理を行う。受波信号G8の信号レベルは微弱であり、また周波数成分は探知音の周波数と異なる成分を多く含んでいる。さらに受波信号G8には、種々のノイズも含まれている。そこで、信号処理回路14は受波信号G8のレベルを調整し、周波数帯域を制限し、ノイズを除去する信号処理を行い、当該信号処理を行った信号を受信信号G9として計測判断回路15に出力する。   The signal processing circuit 14 performs signal processing on a signal (hereinafter referred to as a received signal) G8 output from the sound wave transceiver 11. The signal level of the received signal G8 is weak, and the frequency component includes many components different from the frequency of the detection sound. Further, the received signal G8 includes various noises. Therefore, the signal processing circuit 14 adjusts the level of the received signal G8, limits the frequency band, performs signal processing to remove noise, and outputs the signal subjected to the signal processing to the measurement determination circuit 15 as the received signal G9. To do.

計測判断回路15は、受信信号G9の信号レベルを計測する。以下、計測して得られた信号レベルを計測データと記載する。計測判断回路15は、この計測データを用いて、基準データ記憶処理、含水量監視処理、異常音監視処理の3つの処理を行う。基準データ記憶処理は、土中監視装置2がリセットされたときにのみタイミング回路12から出力される記録指示信号G3に基づき行われる処理である。これに対し、含水量監視処理と異常音監視処理とは、所定の時間間隔で交互に繰り返される処理である。換言すれば、含水量監視処理が断続的に行われるため、その間の時間において異常音監視処理が行われる。   The measurement judgment circuit 15 measures the signal level of the reception signal G9. Hereinafter, the signal level obtained by measurement is referred to as measurement data. The measurement determination circuit 15 performs three processes using the measurement data: a reference data storage process, a water content monitoring process, and an abnormal sound monitoring process. The reference data storage process is a process performed based on the recording instruction signal G3 output from the timing circuit 12 only when the underground monitoring device 2 is reset. In contrast, the water content monitoring process and the abnormal sound monitoring process are processes that are alternately repeated at predetermined time intervals. In other words, since the moisture content monitoring process is intermittently performed, the abnormal sound monitoring process is performed during the time.

そして、基準データ記憶処理においては、計測データが基準データとして計測判断回路15に設けられている図示しない記憶手段に記憶される。   In the reference data storage process, the measurement data is stored as reference data in a storage unit (not shown) provided in the measurement determination circuit 15.

また、含水量監視処理においては、基準データと計測データとの差分が求められて、当該差分値が予め設定された含水量閾値より多いか否かが監視される。この監視により、差分値が含水量閾値より多いと判断された場合は、含水量異常信号が出力部17に出力される。   In the water content monitoring process, a difference between the reference data and the measurement data is obtained, and it is monitored whether or not the difference value is larger than a preset water content threshold value. If it is determined by this monitoring that the difference value is greater than the water content threshold value, a water content abnormality signal is output to the output unit 17.

さらに、異常音監視処理においては、計測データが予め設定された異常音閾値より大きいか否かの監視が行われる。この監視により、計測データが異常音閾値より大きいと判断された場合は、異常音警報信号が出力部17に出力される。   Further, in the abnormal sound monitoring process, it is monitored whether or not the measurement data is larger than a preset abnormal sound threshold. If it is determined by this monitoring that the measurement data is larger than the abnormal sound threshold, an abnormal sound alarm signal is output to the output unit 17.

出力部17は、計測判断回路15から含水量警報信号や異常音警報信号を受信すると、これらの信号を警報信号G11として図示しない監視ステーションに有線、無線等の手段を介して出力する。なお、この警報信号G11に計測地点を示す情報を含めることは可能であり、また準天頂衛星システムや全地球測位システム等の公知のシステムを利用して計測地点が分かるようにしても良い。   When the output unit 17 receives the moisture content alarm signal or the abnormal sound alarm signal from the measurement determination circuit 15, the output unit 17 outputs these signals as an alarm signal G11 to a monitoring station (not shown) via wired or wireless means. The alarm signal G11 can include information indicating the measurement point, and the measurement point may be known using a known system such as a quasi-zenith satellite system or a global positioning system.

次に、上述した土中監視装置2の詳細な構成を、図2を参照して説明する。なお、図2は、土中監視装置2の動作手順を示したフローチャートである。   Next, the detailed configuration of the above-described underground monitoring device 2 will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a flowchart showing an operation procedure of the underground monitoring device 2.

ステップS1: 土中監視装置2を起動して、この土中監視装置2を埋設する。このとき、埋設は、計測地が乾燥しているときに行う。乾燥しているときとは、水分量が「ゼロ」であることを意味するものではなく、所謂「乾いた土」の意味であって、土砂崩れが水分により発生しない状態を言う。埋設に要する時間が経過すると、タイミング回路12は、タイミング信号G1(送信許可信号G1_a,切替信号G1_b,解析タイミング信号G1_c)と記録指示信号G3とを出力する。   Step S1: The underground monitoring device 2 is activated and the underground monitoring device 2 is embedded. At this time, embedding is performed when the measurement site is dry. When it is dry, it does not mean that the amount of water is “zero”, but means so-called “dry soil”, which means a state in which no landslide is generated by moisture. When the time required for embedding has elapsed, the timing circuit 12 outputs a timing signal G1 (transmission permission signal G1_a, switching signal G1_b, analysis timing signal G1_c) and a recording instruction signal G3.

ステップS2: 切替回路16は、切替信号G1_bを受信すると、音波送受信器11と送信回路13とが接続するように回路切替を行う。   Step S2: When the switching circuit 16 receives the switching signal G1_b, the switching circuit 16 performs circuit switching so that the sound wave transceiver 11 and the transmission circuit 13 are connected.

ステップS3: 送信回路13は送信許可信号G1_aを受信すると、送信信号G4を出力する。このとき、切替回路16は送信回路13と音波送受信器11とを接続しているので、送信信号G4は音波送受信器11に入力する。   Step S3: Upon receiving the transmission permission signal G1_a, the transmission circuit 13 outputs a transmission signal G4. At this time, since the switching circuit 16 connects the transmission circuit 13 and the sound wave transceiver 11, the transmission signal G 4 is input to the sound wave transceiver 11.

音波送受信器11は、送信信号G4を探知音に変換する。これにより、土中に向けて探知音が放射される。図3は、土中監視装置2から放射された探知音を説明する模式図である。探知音は地中方向Dに指向幅φで放射される。そして、地中の粒子等を伝搬しながら、当該粒子等で反射されて、音波送受信器11に戻り、残響音として受波される。   The sound wave transmitter / receiver 11 converts the transmission signal G4 into a detection sound. Thereby, a detection sound is radiated toward the ground. FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the detection sound radiated from the underground monitoring device 2. The detection sound is radiated in the underground direction D with the directivity width φ. Then, while propagating the particles in the ground, it is reflected by the particles and the like, returns to the sound wave transmitter / receiver 11 and is received as a reverberant sound.

なお、基準データ記憶処理や含水量監視処理において、残響音は、土中の粒子等で反射された探知音の反射音である。一方、異常音監視処理においては、地鳴り、崩落音等の探知音に関与しない音である。   In the reference data storage process and the water content monitoring process, the reverberant sound is a reflected sound of the detection sound reflected by particles in the soil. On the other hand, in the abnormal sound monitoring process, it is a sound that is not related to the detection sound such as a ground noise or a collapsing sound.

ところで、探知音を指向幅φで放射するのは、以下の理由による。即ち、土中には種々の大きさの岩が存在し、また硬さの異なる地層がある。このような岩等の存在を予め知ることは非常に困難である。特に、土砂崩れ等が危惧される地域では、岩等の存在確認のための処理(例えば、振動)による影響で、土砂崩れを誘発したり、また土砂崩れの要因を残してしまう恐れがあるので、岩等の存在を知ることが難しい。   By the way, the reason why the detection sound is radiated with the directivity width φ is as follows. That is, there are rocks of various sizes in the soil, and there are strata with different hardness. It is very difficult to know in advance the existence of such rocks. In particular, in areas where landslides are a concern, there is a risk of causing landslides due to the effects of processing to confirm the presence of rocks (for example, vibrations), and leaving factors for landslides. It is difficult to know the existence.

従って、特許文献1(特開2011−47676号公報)のような超音波導波管を備える土中水分水位検出装置では、超音波導波管により探知音の指向幅を規制しているので、岩等により土中の水分量や位置が検出できない場合もある。しかし、上述したように本実施形態に係る土中監視装置2には探知音や残響音の指向幅を規制する超音波導波管のような部材が設けられていないので、岩等の存在による影響が軽減できる利点がある。   Therefore, in the soil moisture level detecting device including the ultrasonic waveguide as in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2011-47676), the directivity width of the detection sound is regulated by the ultrasonic waveguide. In some cases, the amount and position of moisture in the soil cannot be detected due to rocks. However, as described above, the underground monitoring device 2 according to the present embodiment is not provided with a member such as an ultrasonic waveguide that regulates the directivity width of the detection sound and the reverberation sound. There is an advantage that the influence can be reduced.

ステップS4:タイミング回路12は、探知音が放射された頃合いを経過時間等により判断して、切替信号G1_bを出力する。これにより切替回路16は、音波送受信器11と信号処理回路14とが接続するように回路切替を行う。   Step S4: The timing circuit 12 determines the timing when the detection sound is radiated from the elapsed time or the like, and outputs the switching signal G1_b. Thereby, the switching circuit 16 performs circuit switching so that the sound wave transceiver 11 and the signal processing circuit 14 are connected.

なお、タイミング回路12が送信許可信号G1_aを出力してから探知音が放射されるまでに要する時間(以下、探知音放射時間と記載する)は、一定である。そこで、切替回路16は、ステップS2における切替信号G1_bを受信してから探知音放射時間が経過すると、自動的に音波送受信器11と信号処理回路14とが接続するように回路切替を行うようにしても良い。   The time required for the detection sound to be emitted after the timing circuit 12 outputs the transmission permission signal G1_a (hereinafter referred to as detection sound emission time) is constant. Therefore, the switching circuit 16 performs circuit switching so that the sound wave transmitter / receiver 11 and the signal processing circuit 14 are automatically connected when the detection sound emission time has elapsed after receiving the switching signal G1_b in step S2. May be.

ステップS5,S6: 切替回路16により音波送受信器11と信号処理回路14とが接続されたので、残響音は音波送受信器11で検出されて受波信号G8として信号処理回路14に入力する。信号処理回路14は受波信号G8のレベルを調整し、周波数帯域を制限し、ノイズを除去する信号処理を行い、当該信号処理を行った信号を受信信号G9として計測判断回路15に出力する。   Steps S5 and S6: Since the sound wave transmitter / receiver 11 and the signal processing circuit 14 are connected by the switching circuit 16, the reverberant sound is detected by the sound wave transmitter / receiver 11 and input to the signal processing circuit 14 as the received wave signal G8. The signal processing circuit 14 adjusts the level of the reception signal G8, limits the frequency band, performs signal processing to remove noise, and outputs the signal subjected to the signal processing to the measurement determination circuit 15 as the reception signal G9.

ステップS7〜S9: 計測判断回路15は、受信信号G9のレベルを検出して計測データを取得する。このとき、記録指示信号G3を受信しているときには、ステップS9に進む。ステップS9においては、信号処理回路14は計測データを基準データとして記憶して、ステップS2に戻る。一方、記録指示信号G3を受信していないときは、ステップS10に進む。   Steps S7 to S9: The measurement determination circuit 15 acquires the measurement data by detecting the level of the reception signal G9. At this time, when the recording instruction signal G3 is received, the process proceeds to step S9. In step S9, the signal processing circuit 14 stores the measurement data as reference data and returns to step S2. On the other hand, when the recording instruction signal G3 is not received, the process proceeds to step S10.

ステップS10,S11: 信号処理回路14は、基準データと計測データとの差分を求め、この差分値と含水量閾値との比較を行う。図3において、水分帯Pは、地中に浸透した雨水による水分領域を特徴的に示した図である。降雨により、地中に水分帯Pが発生すると、この水分帯Pでの音速は大きくなると共に、音の減衰量は小さくなる。この理由は、土の粒子等の隙間に水が入り込むことにより密度が大きくなるためであり、また水が土の粒子等の隙間に入り込むことにより、反射量(散乱量)が減少して音の減衰量が小さくなるためと考えられる。   Steps S10 and S11: The signal processing circuit 14 obtains a difference between the reference data and the measurement data, and compares the difference value with a water content threshold value. In FIG. 3, the moisture band P is a diagram characteristically showing a moisture region caused by rainwater that has penetrated into the ground. When the moisture band P is generated in the ground due to rain, the sound velocity in the moisture band P increases and the sound attenuation decreases. This is because the density increases when water enters the gaps between the soil particles and the like, and when the water enters the gaps between the soil particles and the like, the amount of reflection (scattering amount) decreases and the sound is reduced. This is thought to be because the attenuation is reduced.

また、図4は、探知音及び残響音における振幅(信号レベル)の包落線を示した図で、(a)は基準データ、(b)は計測データを示している。さらに、図5は、差分値と含水量閾値との比較処理を説明する図で、(a)は図4における基準データ及び計測データを示した図、(b)は基準データと計測データとから算出した差分値と含水量閾値との関係を示した図である。   FIG. 4 is a diagram showing an envelope of amplitude (signal level) in the detection sound and reverberation sound, where (a) shows reference data and (b) shows measurement data. Further, FIG. 5 is a diagram for explaining the comparison process between the difference value and the water content threshold value, (a) is a diagram showing the reference data and measurement data in FIG. 4, and (b) is the reference data and measurement data. It is the figure which showed the relationship between the calculated difference value and a moisture content threshold value.

このとき、計測データと基準データとの位置合わせのために、解析タイミング信号G1_cが用いられる。このことを、図4(a)を参照して説明する。解析タイミング信号G1_cは、時刻Tで計測判断回路15に入力したとすると、この時刻Tから探知時間Δtを経過した後に入力した信号を探知音の反射音(残響音)と判断する。従って、探知時間Δtの経過前に信号が受信されても、意味のない信号として無視される。   At this time, the analysis timing signal G1_c is used for positioning the measurement data and the reference data. This will be described with reference to FIG. If the analysis timing signal G1_c is input to the measurement determination circuit 15 at time T, the signal input after the detection time Δt has elapsed from this time T is determined as a reflected sound (reverberation sound) of the detection sound. Therefore, even if a signal is received before the detection time Δt elapses, it is ignored as a meaningless signal.

残響音の受波時間であるが、探知音に対する残響音は反射音であるので、この図4,図5における横軸の時間は、反射位置と相関している。即ち、図4,図5は、土中の水分量とその位置の関係を示している。このことから、図4,図5は、土中の水分量分布とも解釈できる。但し、位置の絶対値や土中の密度は不明である。   Although it is the reception time of the reverberation sound, since the reverberation sound with respect to the detection sound is a reflection sound, the time on the horizontal axis in FIGS. 4 and 5 correlates with the reflection position. 4 and 5 show the relationship between the amount of moisture in the soil and its position. From this, FIG. 4 and FIG. 5 can be interpreted as moisture content distribution in the soil. However, the absolute value of the position and the density in the soil are unknown.

なお、積極的に、土中の水分量分布を計測するために、探知音の音圧を段階的に増大させる方法が考えられる。音圧を変えることは、探知音の到達距離を変えることに対応するため、より正確な水分量分布の計測が可能になる。   In order to actively measure the moisture distribution in the soil, a method of gradually increasing the sound pressure of the detection sound is conceivable. Changing the sound pressure corresponds to changing the reach distance of the detection sound, so that a more accurate moisture content distribution can be measured.

さて、図4及び図5から、乾燥した土(少なくとも、警報を発生させない状態の土)での計測データである基準データに対して、降雨により水分量が増加した土での計測データは、継続時間が長くなると共に、信号レベルも大きくなっていることが分かる。   Now, from Fig.4 and Fig.5, the measurement data in the soil whose water content has increased due to rainfall is continued with respect to the reference data which is the measurement data in the dry soil (at least the soil that does not generate an alarm). It can be seen that the signal level increases with time.

そこで、計測判断回路15は、基準データと計測データとの差分値(=計測データ−基準データ)を算出する。計測判断回路15は、この差分値が、予め設定した含水量閾値を超えたか否かを判断する。差分値を超えた場合(差分値≧含水量閾値)には、ステップS12に進み、差分値を超えない場合(差分値<含水量閾値)には、ステップS13に進む。   Therefore, the measurement determination circuit 15 calculates a difference value (= measurement data−reference data) between the reference data and the measurement data. The measurement determination circuit 15 determines whether or not the difference value exceeds a preset water content threshold value. When the difference value is exceeded (difference value ≧ water content threshold value), the process proceeds to step S12. When the difference value is not exceeded (difference value <water content threshold value), the process proceeds to step S13.

図5(b)において、差分値が含水量閾値を超えている時間帯(含水量閾値を超える水分帯の領域に相当)をαで示し、図3における水分帯Pの幅が、αに対応した領域である。   In FIG. 5B, the time zone in which the difference value exceeds the water content threshold value (corresponding to the region of the water content zone exceeding the water content threshold value) is indicated by α, and the width of the water content zone P in FIG. 3 corresponds to α. This is the area.

ステップS12: 計測判断回路15は、水分帯深さと共に含水量警報信号を出力部17に出力し、出力部17は含水量警報を内容とする警報信号G11を出力する。水分帯深さは、残響音の測定開始から差分値が含水量閾値を超えるまでの時間t1に音速vを乗算することで得られる。なお、音速vは、事前に実験等により求めて、計測判断回路15に記憶されている。   Step S12: The measurement judgment circuit 15 outputs a moisture content alarm signal to the output unit 17 together with the moisture zone depth, and the output unit 17 outputs an alarm signal G11 containing the moisture content alarm. The moisture zone depth can be obtained by multiplying the sound speed v by the time t1 from when the measurement of the reverberant sound starts until the difference value exceeds the moisture content threshold value. Note that the sound velocity v is obtained in advance through experiments or the like and stored in the measurement determination circuit 15.

ところで、水分帯深さを算出する際に、この水分帯深さの領域(幅)を算出することが可能である。このときの算出は、差分値が含水量閾値より小さくなったときの時刻t2と時刻t1との差に速度vを乗算することにより得られる。   By the way, when calculating the moisture zone depth, it is possible to calculate the region (width) of the moisture zone depth. The calculation at this time is obtained by multiplying the difference between the time t2 and the time t1 when the difference value becomes smaller than the water content threshold by the speed v.

ステップS13: 以上により、基準データ記憶処理、及び、含水量監視処理が終了するが、計測判断回路15は、異常音監視処理のために計測データの取得を継続する。このときの計測データは、探知音に関与しない地鳴りや崩落音等に起因した残響音によるデータである。   Step S13: Although the reference data storage process and the water content monitoring process are completed as described above, the measurement determination circuit 15 continues to acquire the measurement data for the abnormal sound monitoring process. The measurement data at this time is data based on reverberant sound caused by ground noise or falling sound that is not related to the detection sound.

ステップS14,S15: そして、計測判断回路15は、計測データが異常音閾値を超えるか否かを判断し、超える場合には異常音警報信号を出力部17に出力する。この異常音警報信号は、土砂崩れ等の予兆を検知したことを知らせる信号である。従って、異常音閾値は、周囲で発生する環境音により誤報(異常音警報信号の誤発生)が起きないレベルに設定されて、計測判断回路15に記憶されている。   Steps S <b> 14 and S <b> 15: Then, the measurement determination circuit 15 determines whether or not the measurement data exceeds the abnormal sound threshold, and if it exceeds, outputs an abnormal sound warning signal to the output unit 17. This abnormal sound warning signal is a signal notifying that a sign such as a landslide has been detected. Therefore, the abnormal sound threshold is set to a level at which no false alarm (error occurrence of an abnormal sound alarm signal) occurs due to environmental sounds generated in the surroundings, and is stored in the measurement determination circuit 15.

図6は、異常音監視処理を説明するための図で、(a)は計測判断回路15の監視シーケンスを示した図であり、(b)は山鳴り等の残響音の差分値が異常音閾値を超えて異常音警報信号が出力される様子を示している。このとき、含水量監視区間の終期は、探知音の放射終了から十分に時間が経過した時(少なくとも、反射音からなる残響音が検出されなくなる時間で、図6(a)ではβで示す時間)とする。   6A and 6B are diagrams for explaining the abnormal sound monitoring process. FIG. 6A is a diagram illustrating a monitoring sequence of the measurement determination circuit 15, and FIG. It shows a state where an abnormal sound warning signal is output exceeding the threshold. At this time, the end of the water content monitoring section is the time when a sufficient time has elapsed from the end of the detection sound emission (at least the time when the reverberation sound composed of the reflected sound is not detected, the time indicated by β in FIG. 6A). ).

ステップS16:そして、異常音監視処理を所定時間行って、ステップS1に戻る。これによりタイミング回路12は送信許可信号G1_aや切替信号G1_bを出力して、次の監視サイクル(含水量監視処理や異常音監視処理)が繰り返される。このとき基準データは既に取得して記憶されているので、記録指示信号G3は出力されない。   Step S16: Then, the abnormal sound monitoring process is performed for a predetermined time, and the process returns to Step S1. Thereby, the timing circuit 12 outputs the transmission permission signal G1_a and the switching signal G1_b, and the next monitoring cycle (water content monitoring process and abnormal sound monitoring process) is repeated. At this time, since the reference data has already been acquired and stored, the recording instruction signal G3 is not output.

なお、上記説明では、土中監視装置2を乾燥した土中に埋設後に、基準データを取得したが、基準データが事前に取得されている場合には、この基準データを外部から書込んで記憶するようにしてもよい。   In the above description, the reference data is acquired after the soil monitoring device 2 is embedded in the dry soil. However, if the reference data is acquired in advance, the reference data is written from the outside and stored. You may make it do.

また、音波送受信器11から放射される探知音の放射方向(図3の方向D)は、鉛直方向を想定しているが、かかる方向に限定しない。例えば、山肌が傾斜している場合には、当該山肌に垂直な方向に放射するようにしても良い。さらに、放射方向を外部から制御可能にすることも可能である。   Moreover, although the radiation direction (direction D of FIG. 3) of the detection sound radiated | emitted from the sound wave transmitter / receiver 11 assumes the perpendicular direction, it is not limited to this direction. For example, when the mountain surface is inclined, it may be emitted in a direction perpendicular to the mountain surface. Further, the radiation direction can be controlled from the outside.

以上説明したように、土中に探知音を放射しその反射音から土中の水分量が含水量閾値を超えるか否かを判断するので広範囲で、かつ、深い範囲で、土中の含水量が監視することができるようになる。   As explained above, the detection sound is radiated into the soil, and it is judged from the reflected sound whether the moisture content in the soil exceeds the moisture content threshold, so the moisture content in the soil is wide and deep. Will be able to monitor.

また、同一構成で、含水量監視処理と異常音監視処理とを繰り返すので、安価に、土砂崩れ等の災害が監視することが可能になる。   In addition, since the moisture content monitoring process and the abnormal sound monitoring process are repeated with the same configuration, it is possible to monitor disasters such as landslides at low cost.

2 土中監視装置
6 探知音放射ユニット
8 残響音検出ユニット
11 音波送受信器
12 タイミング回路
13 送信回路
14 信号処理回路
15 計測判断回路
16 切替回路
17 出力部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 2 Underground monitoring apparatus 6 Detection sound radiation unit 8 Reverberation detection unit 11 Sound wave transmitter / receiver 12 Timing circuit 13 Transmission circuit 14 Signal processing circuit 15 Measurement judgment circuit 16 Switching circuit 17 Output part

Claims (11)

土中に指向幅を持つ探知音を放射する探知音放射ユニットと、
土中からの残響音を検出する残響音検出ユニットと、
前記残響音の信号レベルを計測データとして取得し、前記計測データと予め記憶している基準データとの差分値を求め、該差分値が所定の含水量閾値を超えるか否かを判断し、超えるときは含水量警報を発報し、かつ、その際に当該含水量閾値を超える土中領域の深さを水分帯深さとして算出して、前記含水量警報と共に当該水分帯深さを出力する含水量監視処理前記計測データが所定の異常音閾値より大きいか否かを判断し、大きい場合には異常音警報を発報する異常音監視処理を交互に繰り返す計測判断回路と、
備えることを特徴とする土中監視装置。
A detection sound radiation unit that emits a detection sound having a directivity width in the soil;
A reverberation detection unit that detects reverberation from the soil,
The signal level of the reverberant sound is acquired as measurement data, a difference value between the measurement data and reference data stored in advance is obtained, and it is determined whether or not the difference value exceeds a predetermined water content threshold value. When the moisture content alarm is issued, the depth of the soil area exceeding the moisture content threshold is calculated as the moisture zone depth, and the moisture zone depth is output together with the moisture alert. A measurement determination circuit that alternately repeats moisture content monitoring processing and whether or not the measurement data is greater than a predetermined abnormal sound threshold, and abnormal sound monitoring processing that issues an abnormal sound alarm if large ,
Soil monitoring apparatus comprising: a.
請求項1に記載の土中監視装置であって、
当該土中監視装置が起動した直後に取得した前記計測データを、前記基準データとして記憶することを特徴とする土中監視装置。
The soil monitoring device according to claim 1,
The underground monitoring apparatus, wherein the measurement data acquired immediately after the underground monitoring apparatus is activated is stored as the reference data.
請求項1又は2記載の土中監視装置であって、
前記探知音放射ユニットと前記残響音検出ユニットとに共用される1つの音波送受信器と、
前記探知音を放射する際には、前記音波送受信器を送波手段として機能させ、前記残響音を検出する際には、前記音波送受信器を受波手段として機能させる切替回路と、を備えることを特徴とする土中監視装置。
The soil monitoring device according to claim 1 or 2,
One sound wave transmitter / receiver shared by the detection sound radiation unit and the reverberation sound detection unit;
A switching circuit that causes the sound wave transmitter / receiver to function as a wave transmission unit when the detection sound is radiated, and that causes the sound wave transmitter / receiver to function as a wave reception unit when detecting the reverberation sound. Underground monitoring device characterized by.
請求項1乃至3のいずれか1項に記載の土中監視装置であって、
前記計測判断回路は、前記差分値が前記含水量閾値を超えたときの時間と予め設定されている土中の音速との積を求め、この値を水分帯深さとして出力することを特徴とする土中監視装置。
The soil monitoring device according to any one of claims 1 to 3,
The measurement judgment circuit obtains a product of a time when the difference value exceeds the moisture content threshold and a preset sound velocity in the soil, and outputs the value as a moisture zone depth. Underground monitoring device.
請求項1乃至4のいずれか1項に記載の土中監視装置であって、
前記計測判断回路は、前記差分値が前記含水量閾値より大きくなってから、その後に当該含水量閾値より小さくなるまでの時間と予め設定されている土中の音速との積を求め、この値を水分帯深さの幅として出力することを特徴とする土中監視装置。
The soil monitoring device according to any one of claims 1 to 4,
The measurement judgment circuit obtains a product of a time until the difference value becomes larger than the water content threshold value and thereafter becomes smaller than the water content threshold value and a preset sound speed in the soil, and this value. Is output as a width of the moisture zone depth.
請求項1乃至5のいずれか1項に記載の土中監視装置であって、
前記含水量監視処理の終期は、前記残響音の終期から所定時間継続した時点であることを特徴とする土中監視装置。
The soil monitoring device according to any one of claims 1 to 5,
The end of the water content monitoring process is a point in time that has continued for a predetermined time from the end of the reverberant sound.
音波送受信器に、土中に指向幅を持つ探知音を放射させる探知音放射手順と、
前記音波送受信器に、土中からの残響音を検出させる残響音検出手順と、
前記音波送受信器からの信号を受信する計測判断回路に、前記残響音の信号レベルを計測データを取得させて
前記計測データと予め記憶している基準データとの差分値を求め、該差分値が所定の含水量閾値を超えるか否かを判断し、超えるときは含水量警報を発報し、かつ、その際に当該含水量閾値を超える土中領域の深さを水分帯深さとして算出して、前記含水量警報と共に当該水分帯深さを出力する含水量監視処理前記計測データが所定の異常音閾値より大きいか否かを判断し、大きい場合には異常音警報を発報する異常音監視処理を交互に繰り返す計測判断手順と、を含
ことを特徴とする土中監視方法。
Detecting sound emission procedure to radiate detection sound with directivity width in the soil to the sound wave transmitter and receiver,
A reverberation sound detection procedure for causing the sound wave transceiver to detect a reverberation sound from the soil,
In the measurement judgment circuit that receives the signal from the sound wave transmitter / receiver, the signal level of the reverberant sound is obtained as measurement data,
Obtain a difference value between the measurement data and pre-stored reference data, determine whether the difference value exceeds a predetermined moisture content threshold, and if it exceeds, issue a moisture content alarm, and The water content monitoring process for calculating the depth of the soil area exceeding the water content threshold as the water content depth, and outputting the water content depth together with the water content alarm, and the measurement data is a predetermined abnormality determine greater or not than the sound threshold, the measurement determination procedures are alternately repeated and abnormal sound monitoring process to alarm an alarm abnormal sound is larger, the including,
A soil monitoring method characterized by that.
請求項7に記載の土中監視方法であって、
当該土中監視方法を開始した直後に取得した前記計測データを、前記基準データとして記憶する手順を含むことを特徴とする土中監視方法。
The soil monitoring method according to claim 7,
A soil monitoring method, comprising: a step of storing the measurement data acquired immediately after the soil monitoring method is started as the reference data.
請求項7乃至8のいずれか1項に記載の土中監視方法であって、
前記計測判断回路に、前記差分値が前記含水量閾値を超えたときの時間と予め設定されている土中の音速との積を求め、この値を水分帯深さとして出力させる手順を含むことを特徴とする土中監視方法。
The soil monitoring method according to any one of claims 7 to 8,
Including a procedure for obtaining a product of a time when the difference value exceeds the moisture content threshold value and a preset sound velocity in the soil, and outputting the value as a moisture zone depth in the measurement judgment circuit. Underground monitoring method characterized by
請求項7乃至9のいずれか1項に記載の土中監視方法であって、
前記計測判断回路に、前記差分値が前記含水量閾値より大きくなり、その後に当該含水量閾値より小さくなったときの時間と予め設定されている土中の音速との積を求め、この値を水分帯深さの幅として出力させる手順を含むことを特徴とする土中監視方法。
The soil monitoring method according to any one of claims 7 to 9,
In the measurement judgment circuit, the product of the time when the difference value becomes larger than the water content threshold value and then becomes smaller than the water content threshold value and the preset sound speed in the soil is obtained, and this value is obtained. A soil monitoring method characterized by including a procedure for outputting as a width of a moisture zone depth.
請求項7乃至10のいずれか1項に記載の土中監視方法であって、
前記含水量監視処理の終期は、前記残響音の終期から所定時間継続した時点であることを特徴とする土中監視方法。
The soil monitoring method according to any one of claims 7 to 10,
The end of the water content monitoring process is a point in time that continues for a predetermined time from the end of the reverberant sound.
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