DE3787474T2

DE3787474T2 - Gerät zur aufspürung von in der erde eingebetteten materialien.

Info

Publication number: DE3787474T2
Application number: DE87907522T
Authority: DE
Inventors: Yukinori Katayama
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1986-11-17
Filing date: 1987-11-11
Publication date: 1994-01-13
Anticipated expiration: 2007-11-12
Also published as: EP0331728B1; EP0331728A4; EP0331728A1; DE3787474D1; WO1988004063A1; US4951055A

Description

Gerät zum Orten von in der Erde befindlichen Materialien

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gerät zum Orten von in der Erde befindlichen Materialien, das von einem Punkt auf der Erdoberfläche aus elektromagnetische Wellen auf in der Erde eingebettete Gaszufuhrleitungen, Wasserzufuhrleitungen, verschiedene Arten von Kabel usw. ausstrahlt und ein Wellenecho empfängt, das von dem eingebetteten Material reflektiert wird, um die Position (einschließlich einer Tiefe) des eingebetteten Materials auf der Basis der Anzeige des auf einer Anzeigeeinheit angezeigten empfangenen Echos zu messen.
Herkömmlicherweise ist ein Radargerät zum Aufspüren von in der Erde eingebetteten Materialien bekannt, das von einem auf einem bewegbaren Fahrzeug angebrachten Sender aus elektromagnetische Wellen zur Erde hin ausstrahlt und ein Echo der von einem in der Erde eingebetteten Material reflektierten Wellen durch einen an dem bewegbaren Fahrzeug angebrachten Empfänger empfängt, um die Position und Tiefe des eingebetteten Materials zu ermitteln
Dieser Radardetektor für in der Erde befindliches Material ermittelt die Tiefen-Richtungsposition eines eingebetteten Materialobjekts durch Berechnen der folgenden Gleichung.
Z = (Vg·tE)/2 (1),
wobei tE die Umlaufausbreitungszeit der elektromagnetischen Radarwellen anzeigt, Vg die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen und Z die Tiefe eines eingebetteten Objekts von der Erdoberfläche aus.
In diesem Zusammenhang ist bekannt, daß die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der spezifischen Dielektrizitätskonstante &epsi;re des Erdbodens variiert und die folgende Gleichung erfüllt.
Vg=C/ &epsi;re (2),
wobei C die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit im Vakuum angibt.
Um demnach die Tiefe Z eines eingebetteten Objektes exakt ermitteln zu können, ist es erforderlich, zuvor die spezifische Dielektrizitätskonstante &epsi;re des Erdbodens zu kennen.
Aus diesem Grunde ist ein KSD-3AM-Bodenuntersuchungs gerät (hergestellt durch Koden Seisakusho) entwickelt worden, das die Ausbreitungsgeschwindigkeit Vg auf der Basis eines geschätzten Wertes der spezifischen Dielektrizitätskonstante &epsi;re der zu messenden Bodenart, wie beispielsweise sandiger Boden oder Ackerboden, abschätzt und die Tiefe eines in der Erde befindlichen Objekts auf der Basis der geschätzten Ausbreitungsgeschwindigkeit mißt. Es ist ferner ein Verfahren vorgeschlagen worden, bei dem tatsächlich eine Bodenprobe entnommen wird, die spezifische Dielektrizitätskonstante &epsi;re der Bodenprobe gemessen und die Tiefe eines im Boden befindlichen Objekts auf der Grundlage des gemessenen Wertes ermittelt wird (The 24-th SICE Science Lecture Meeting 1505, "A Research Of Underground Exploration Radar-No. 2").
Bei dem früheren Verfahren zum Schätzen der spezifischen Dielektrizitätskonstante &epsi;re wird das folgende Verhältnis erfüllt:
ΔVg/Vg = -(1/2)·(Δ&epsi;re/&epsi;re) (3),
wobei ΔVg eine Veränderung in der Wellenausbreitungsgeschwindigkeit Vg in bezug auf eine Veränderung Δ&epsi;re bei der spezifischen Dielektrizitätskonstante &epsi;re anzeigt. Wenn daher ein Schätzfehler der spezifischen Dielektrizitätskonstante &epsi;re ±20% ist, beläuft sich ein Fehler in der Wellenausbreitungsgeschwindigkeit Vg auf ±10%, was dazu führt, daß ein Ermittlungsfehler bei der Tiefe auch bei ±10% liegt. In diesem Fall ist es natürlich unmöglich, eine ausreichende Meßgenauigkeit zu erzielen.
Andererseits liefert das zuletztgenannte Verfahren des tatsächlichen Messens der spezifischen Dielektrizitätskonstante &epsi;re eine hohe Ermittlungsgenauigkeit, stellt jedoch eine höhere Kostenbelastung dar, da ein separates Instrument zum Messen der spezifischen Dielektrizitätskonstante bereitgehalten werden muß. Wenn ferner die Bodenfläche mit Asphalt oder ähnlichem Material bedeckt ist, ist dieses Verfahren in seinem Nutzen begrenzt, da es schwierig wird, eine Bodenprobe zu nehmen.
JP-A-59 145 978 offenbart ein Radarsuchsystem für in der Erde befindliche Objekte, bei dem ein Schnittpunkt von Suchstellen durch zwei Gruppen von Richt-Sende- und - Empfangsantennen gewonnen wird, die unter Einhaltung eines vorgeschriebenen Intervalls bewegt und abwechselnd angetrieben werden.
JP-A-60 207 085 offenbart ein Verfahren und ein System zum Aufspüren eines Objekts unter Verwendung einer Funkwelle, die von einer Antenne zu dem auf zuspürenden Objekt ausgestrahlt wird. Eine von dem Objekt reflektierte Echowelle der Radiowelle wird von der Antenne empfangen. Auf der Grundlage der Echo-Differenz zwischen der gesendeten Wellenform und der empfangenen Wellenform wird das Objektmaterial diskriminierend identifiziert. Das Objekt wird als Bild auf einer Anzeigeeinheit angezeigt.
Ferner ist in einer Veröffentlichung von The Institute of Electronics and Communication Engineerings of Japan unter dem Titel "Underground Radar System", Juni, 1983, Band. J66-B, Nr. 6, S. 713-720, ein Verfahren offenbart, bei dem die Ausbreitungsgeschwindigkeit Vg auf der Grundlage der von einem in der Erde befindlichen Objekt reflektierten Wellen geschätzt und die Tiefe Z des Objekts auf der Basis des geschätzten Wertes der Ausbreitungsgeschwindigkeit ermittelt wird. Dieses Verfahren ist vorteilhaft dahingehend, daß die Position eines unter einer Bitumendecke befindlichen Objekts ermittelt werden kann, jedoch von Nachteil dahingehend, daß es lange dauert, das Ermittlungsergebnis zu bekommen, da das Verfahren komplizierte Berechnungen, darunter Matrixberechnungen, erfordert.
Unter diesen Umständen ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gerät zum Orten von in der Erde befindlichen Materialien zu schaffen, das innerhalb kurzer Zeit unter allen Bedingungen genau die Position eines in der Erde eingebetteten Materials ermitteln kann.
Nach der vorliegenden Erfindung wird ein Gerät zum Aufspüren von in der Erde eingebetteten Materialien geschaffen, das von einem auf einem bewegbaren Fahrzeug angebrachten Sender aus elektromagnetische Wellen zum Boden aussendet, die von einem in der Erde befindlichen Objekt reflektierten Wellen mittels eines an dem bewegbaren Fahrzeug angebrachten Empfängers empfängt und eine Position des eingelagerten Objekts auf der Grundlage einer Ausbreitungszeit der reflektierten Wellen ermittelt;
mit:
einer Einrichtung zum Anzeigen von Echobildern des eingebetteten Objekts auf einer Koordinatenanzeige, wobei die Koordinaten die Tiefenrichtung des eingebetteten Materials bzw. die Bewegungsrichtung des bewegbaren Fahrzeuges repräsentieren;
einer ersten Einrichtung zum Erzeugen eines hyperbolischen Echobildes und zum Bewirken der Anzeige des hyperbolischen Echobildes auf der Anzeigeeinrichtung auf der Basis der Ausbreitungszeit der reflektierten Wellen, die erhalten wird, wenn das bewegbare Fahrzeug um eine vorbestimmte Entfernung bewegt wird, während von dem auf dem bewegbaren Fahrzeug angebrachten Sender elektromagnetische Wellen aus gesandt werden; gekennzeichnet durch
eine zweite Einrichtung zum Erzeugen eines hyperbolischen Falschechobildes, das als Parameter zum Bestimmen der unterirdischen Ausbreitungsgeschwindigkeit einen Koeffizienten a aufweist, wodurch das Bestimmen der Entfernungsinformationen ermöglicht und die Anzeige des Falschechobildes auf der Anzeigeeinrichtung bewirkt wird;
eine dritte Einrichtung zum Erhalten einer Scheitelpunktposition des Falschechobildes (Hyperbel) auf der Grundlage einer Operation, bei der die Anzeigeposition des Falschechobildes angepaßt wird, bis das hyperbolische Echobild und das hyperbolische Falschechobild auf der Anzeigeeinrichtung eine identische Position aufweisen;
eine vierte Einrichtung zum Erhalten des Koeffizienten zum Umsetzen der unterirdischen Ausbreitungsgeschwindigkeit in die Entfernungsinformationen auf der Basis einer Operation, bei der das Falschechobild (Hyperbel) maßstäblich mittels des Parameters derart angepaßt wird, bis das hyperbolische Echobild und das hyperbolische Falschechobild eine identische Form aufweisen, wobei durch den resultierenden Wert des Koeffizienten die Ausbreitungsgeschwindigkeit bestimmbar ist, und
eine fünfte Einrichtung zum Erhalten der Position des eingebetteten Objekts durch Korrigieren der Koordinaten der mittels der dritten Einrichtung erhaltenen Scheitelpunktposition des Falschechobildes unter Verwendung des mittels der vierten Einrichtung erhaltenen Koeffizienten
Das bedeutet, wenn elektromagnetische Wellen von mehreren Punkten auf der Erdoberfläche über einem in der Erde befindlichen Material ausgesandt werden, beschreibt ein auf der Basis der Daten der Ausbreitungszeiten der reflektierten Wellen an den jeweiligen Punkten erzeugtes Echobild als Ergebnis der Ausdehnung der gesandten elektromagnetischen Wellen eine Hyperbel. Es wird eine Operation ausgeführt, bei der über das Echobild ein Falschechobild überlappend gelegt wird, das auf dem gleichen Koordinatensystem liegt und das aus einem ähnlichen hyperbolischen Bild besteht. Wenn die beiden Echobilder überlappend aufeinandergelegt werden, können als Ergebnis die Koordinaten der Scheitelpunktposition des Echobildes sowie die Ausdehnung von dessen Öffnung, d. h. der Koiffizient zum Umwandeln der Entfernungsdaten der Ausbreitungsgeschwindigkeit der ausgesandten Wellen in der Erde anhand der Daten des Falschechobildes bestimmt werden.
Somit kann nach der Bestimmung der Koordinaten der Scheitelpunktposition und des Umsetzungskoeffizienten die Position des betreffenden eingelagerten Materials durch richtiges Korrigieren der Koordinatendaten unter Verwendung des Koeffizienten ermittelt werden.
Fig. 1 ist ein ein erstes Ausführungsbeispiel eines Gerätes zur Aufspürung von in der Erde befindlichen Materialien nach der vorliegenden Erfindung zeigendes Blockdiagramm;
Fig. 2 ist eine Einzelheiten eines Anzeigebildschirms einer bei dem Gerät des gleichen Ausführungsbeispiels verwendeten Anzeigeeinheit;
Fig. 3 zeigt Kurvenschaubilder zum Erläutern eines hyperbolischen Echobildes;
Fig. 4 zeigt Kurvenschaubilder zum Erläutern der Art des überlappenden Legens eines Falschechobildes auf ein Echobild des eingelagerten Materials;
Fig. 5 ist eine ein Zeitverhältnis zwischen gesandten und empfangenen elektromagnetischen Wellen zeigende Zeittafel;
Fig. 6 ist ein Kurvenschaubild, das im einzelnen ein positionsmäßiges Verhältnis zeigt, wenn das Falschechobild überlappend auf das Echobild des eingelagerten Materials gelegt wird;
Fig. 7 ist eine Zeittafel, die eine herkömmliche Signalverarbeitungstechnik zeigt, die bei der empfangenen elektromagnetischen Welle (empfangenes Signal) angewandt wird;
Fig. 8 ist ein ein zweites Ausführungsbeispiel des Gerätes zum Aufspüren von in der Erde eingebetteten Materialien nach der vorliegenden Erfindung zeigendes Blockdiagramm;
Fig. 9 ist ein Kurvenschaubild, das eine Eingangs/Ausgangs-Charakteristik einer bei dem Gerät des Ausführungsbeispiels von Fig. 8 verwendeten logarithmischen Schaltung zeigt;
Fig. 10, 11 und 12 sind Zeittafeln, die jeweils verschiedene Operationsbeispiele des Gerätes eines gleichen Ausführungsbeispiels zeigen;
Fig. 13 ist ein ein drittes Ausführungsbeispiel des Gerätes zum Aufspüren von in der Erde befindlichen Materialien nach der vorliegenden Erfindung zeigendes Blockdiagramm; und
Fig. 14 ist eine Zeittafel, die ein Operationsbeispiel des Gerätes des Ausführungsbeispiels von Fig. 13 zeigt.

Beste Art zum Ausführen der Erfindung

In Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines Gerätes zum Aufspüren von in der Erde befindlichen Materialien nach der vorliegenden Erfindung gezeigt, das grob in ein bewegbares Fahrzeug 1 und ein Körperteil 2 unterteilt ist. Das bewegbare Fahrzeug 1 weist auf: eine Sendeschaltung 11 und eine Ausstrahlungsantenne 12 zum Aussenden elektromagnetischer Wellen in Richtung auf ein im Boden befindliches Zielmaterial TG, eine Empfängerschaltung 14 und eine Empfangsantenne 13 zum Empfangen eines Echos der auf dem Ziel TG reflektierten Wellen und einen Entfernungssensor 50 zum Erzeugen eines einzelnen Impulssignals immer dann, wenn das bewegbare Fahrzeug 1 sich um eine Entfernungseinheit bewegt. Das Körperteil 2 weist eine arithmetische Einheit 100 auf, um ein Echobild des Ziels TG auf der Basis des von dem Entfernungssensor 50 erhaltenen Impulssignals und eines Ausgangssignals der das reflektierte Echo empfangenden Empfängerschaltung 14 zu erzeugen, sowie eine Anzeigeeinheit 90 zum Anzeigen des gebildeten Echobildes.
In Fig. 2 ist eine Draufsicht eines detaillierten Anzeigebildschirms der Anzeigeeinheit 90, mit einem ersten Anzeigeabschnitt 91 zum Anzeigen eines Echobildes EP des eingebetteten Zielmaterials TG und einem später zu erläuternden Pseudo- oder Falschechobild DM, einem zweiten Anzeigeabschnitt 92 zum Anzeigen von Abbildungen von Positionsänderungstastern, bei deren Tastbetätigung die Anzeigeposition des Falschechobildes DM in horizontaler und vertikaler Richtung verschoben wird, und einem dritten Anzeigeabschnitt 93 zum Anzeigen von Abbildungen von Ausdehnungsdaten-Eingabetastern, bei deren Tastbetätigung die Hyperbelöffnung des Falschechobildes DM variabel ausgedehnt wird. Über den gesamten Anzeigebildschirm der Anzeigeeinheit 90 ist ein (nicht dargestelltes) transparentes Berührungsfeld angebracht, das die Positionen der den Tastbetätigungen ausgesetzten Tastschalter ermittelt, das heißt, die Betätigungen der Positionsänderungstaster und der Ausdehnungsdaten-Eingabetaster feststellt.
Mittels der oben beschriebenen Anordnung beschreibt das Echobild EP des eingebetteten Zielobjektes TG eine solche Hyperbel wie in Fig. 2 gezeigt, wenn elektromagnetische Wellen von der Antenne 12 durch die Sendeschaltung 11 gesandt werden, während das bewegbare Fahrzeug 1 sich entlang der Bodenfläche bewegt.
Im einzelnen sei erst angenommen, daß, wie in Fig. 3(a) gezeigt, X eine Koordinatenachse bezeichnet, die eine Fahrzeugbewegungsentfernungsrichtung zeigt, wenn das bewegbare Fahrzeug sich entlang der Bodenfläche bewegt, Y eine Koordinatenachse bezeichnet, die eine Tiefenentfernungsrichtung von der Bodenfläche in die Erde zeigt, und das Ziel TG an einem Koordinatenpunkt C (XO, ZO) liegt. Wenn sich dann die Sende- und Empfangsantennen 12 und 13 an einem Punkt B unmittelbar über dem Punkt C befinden, kann das eingebettete Zielmaterial als ein Echobild in einer einer Entfernung zwischen den Punkten B und C entsprechenden Tiefe (ZO) beobachtet werden.
Selbst wenn die Sende- und Empfangsantennen 12 und 13 zu einem Punkt A bewegt werden, der in nach links von der unmittelbar darüberliegenden Position B des Zieles verschoben ist, kann das Echobild des eingebetteten Zielobjekts TG beobachtet werden, weil sich die gesandten elektromagnetischen Wellen mit einer Ausdehnung divergierend ausbreiten. In diesem Fall kann das Echobild an einem Punkt D beobachtet werden, der einer Tiefe {(X- XO)² + ZO²}1/2 entspricht, die gleich der Entfernung zwischen den Punkten A und C ist. Demnach wird bei Bewegung des bewegbaren Fahrzeuges 1 der Ort des Punktes D (X,Z), das heißt das Echobild EP des eingebetteten Zielobjekts TG, eine solche Hyperbel, wie sie durch die folgende Gleichung ausgedrückt ist.
Z = = {(X-XO)² + ZO²}1/2 = (4)
Es sei angenommen, daß tE eine Umlaufzeit der elektromagnetischen Wellen von dem Aussenden der Wellen von der Sendeantenne 12 aus bis zu deren Empfang an der Empfangsantenne 13 darstellt; dann weist die Umlaufzeit tE in bezug auf die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit Vg und die Tiefe Z des Zieles TG die folgende Beziehung auf.
Z = (Vg·tE)/2 (5)
Also wird die folgende Beziehung entsprechend den Gleichungen (4) und (5) erfüllt.
{(X-XO)² + (Vg·t0/2)²}1/2 = (Vg·tE)/2 (6),
wobei tO eine Zeitspanne darstellt, die erforderlich ist, bis die Wellen sich ausbreiten und an dem Punkt C ankommen, und wobei tO und Vg jeweils Unbekannte sind (tE stellt eine Zeitspanne dar, die erforderlich ist, bis sich die Wellen ausbreiten und an einem Meßpunkt, wie dem Punkt A, ankommen).
Währenddessen werden das Falschechobild DM und das Echobild EP des eingebetteten Zielmaterials TG, die auf dem Anzeigeabschnitt 91 der Anzeigeeinheit 90 angezeigt sind, im gleichen Koordinatensystem ausgedrückt. Fig. 3(b) zeigt das repräsentative Falschechobild DM in einem solchen Koordinatensystem, das aus einer horizontalen Achse X besteht, die die Bewegungsentfernung des Fahrzeuges 1 anzeigt, und einer vertikalen Achse t, die die Zeit anzeigt. Mit anderen Worten, das Echobild des Ziels TG wird durch die Zeitachse t ausgedrückt, die von der Tiefen-Richtungsentfernungsachse Z abgeleitet wird.
Nunmehr sei angenommen, daß, wenn das eine vorbestimmte Ausdehnung aufweisende Falschechobild DM auf dem Anzeigeabschnitt 91, wie in Fig. 4(a) gezeigt, an einer beliebigen Position angezeigt wird und der Bediener die Ausgangsposition (XO, tO) und einen Ausdehnungskoeffizienten a durch seine Betätigung der Taster der Anzeigeabschnitte 92 und 93 zum überlappenden Legen des Falschechobildes DM auf das Echobild EP des Zieles TG verändert, erfüllt das Falschechobild DM die folgende Gleichung in dem X-t-Koordinatensystem.
{(X-XO)² + (α·tO)² }1/2 = a·tE (7)
Ein Vergleich zwischen den Gleichungen (6) und (7) in bezug auf ihre Koeffizienten führt zu der folgenden Gleichung:
Vg = 2α (8)
In diesem Fall gibt der Punkt (XO, tO) den Scheitelpunkt- Koordinatenpunkt des Falschechobildes DM an, dessen Koordinaten dazu bestimmt sind, durch Befehlsschalter des Anzeigeabschnittes 92 vergrößert oder verkleinert zu werden. Ferner gibt der Faktor α die öffnungsweite des Falschechobildes DM an, die durch die Tastbetätigungen des Bedieners an den angezeigten Tastschaltern des Anzeigeabschnittes 93 variiert wird, derart, daß sie vergrößert wird, wenn eine Vergrößerung der Öffnung erwünscht ist, und verkleinert wird, wenn eine Verkleinerung der Öffnung erwünscht wird.
Wenn dementsprechend die beiden Echobilder EP und DM durch das Überlagern der beiden Echobilder EP und DM gemäß Fig. 4(b) übereinandergelegt sind, können die Koordinaten der Ausgangsposition des Echobildes EP des eingebetteten Zielmaterials TG als Koordinaten (XO, tO) erhalten werden. Die Ausdehnung der hyperbolischen Öffnung kann auch als der Ausdehnungswert α des Falschechobildes DM erhalten werden. Als Ergebnis kann die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit Vg entsprechend der Gleichung (8) bestimmt werden, und durch Berechnen der Gleichung (5) unter Verwendung der erhaltenen Werte Vg und tO (die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit an dem unmittelbar darüberliegenden Punkt B des Zieles TG) können die Ausgangspositionskoordinaten des Echobildes EP des in der Erde befindlichen Zielobjektes TG, d. h. die Tiefe Z, leicht erhalten werden.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel des Gerätes wird die Tiefe Z des eingebetteten Zielobjektes TG durch das zuvor erwähnte Prinzip ermittelt, wozu es erforderlich ist, erst das Echobild EP des Zielobjektes TG auf der Anzeigeeinheit 90 (der erste Anzeigeabschnitt 91) anzuzeigen. Die Anzeige des Echobildes EP wird in der nachfolgend bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beschriebenen Weise ausgeführt.
Ein oszilliertes, elektromagnetisches Wellenimpulssignal breitet sich, nachdem es von der Sendeantenne 12 durch die Sendeschaltung 11 ausgestrahlt worden ist, in der Erde aus, wird von der Oberfläche des in der Erde befindlichen Zielobjektes TG reflektiert, breitet sich wieder in der Erde aus, erreicht die Empfangsantenne 13 und wird dann an der Empfangsantenne 14 empfangen. Bei dem Gerät dieses Ausführungsbeispiels wird das vorerwähnte Wellenimpulssignal von der Sendeantenne 12 durch die Sendeschaltung 11 in Intervallen einer vorbestimmten Zeit T gesandt, während der ein an der Empfangsschaltung 14 beobachtetes Signal in Intervallen einer anderen vorbestimmten Zeit Ta abgetastet wird, um jedesmal (zu Intervallen der Zeit T, wobei T Tα·nα ist) eine Folge von nα Daten zu erhalten. Bei dem vorliegenden Gerät sind diese Datenfolgen zuvor, abhängig von dem Signalpegel, nach Farben gruppiert, so daß diese na Daten auf dem ersten Anzeigeabschnitt 91 in jeweils verschiedenen Farben angezeigt und in der Signalpegelordnung in Richtung der Zeitachse (in vertikaler Richtung) des Anzeigeabschnitts 91 angeordnet werden. Die Anzeige-Zeitgebung der Daten in der Richtung der Zeitachse ist in dem Fall, wo eine Bewegung des bewegbaren Fahrzeuges 1 um eine vorbestimmte Entfernung Lβ die Erzeugung eines einzelnen Impulssignals verursacht, durch die Entfernungsauflösung des Entfernungssensors 50 bestimmt, d. h. durch den Wert von Lβ. Das zuerst von der Sendeschaltung 11 nach Erzeugung eines Impulses von dem Entfernungssensor 50 oszillierte Wellenimpulssignal wird durch einen Betrag angezeigt, der einer Datenfolge in der Richtung der Zeitachse entspricht, und anschließend werden jedesmal, wenn das bewegbare Fahrzeug 1 um eine Entfernung Lβ bewegt wird, die Daten (Echodaten), die nβ-Folgen entsprechen, derart angezeigt, daß eine derartige Datenanzeige in Richtung der Zeitachse sequentiell in Richtung der Entfernungsachse X abgetastet wird.
Nachdem das Echobild EP auf diese Weise angezeigt worden ist, wird das Falschechobild DM an einer korrekten Position auf dem Anzeigeabschnitt 91 durch die arithmetische Einheit 100 erzeugt und angezeigt, und zur gleichen Zeit werden ferner die Bilder der Positionsbewegungsschalter und Ausdehnungsdateneingabeschalter auf den jeweiligen Anzeigeabschnitten 92 und 93 angezeigt.
Wenn unter dieser Bedingung der Bediener die Positionsänderungstaster derart bedient, daß das Falschechobild DM überlappend auf die bereits oben erklärte Art auf das Echobild EP gelegt wird, d. h. jedesmal, wenn er die jeweiligen Positionsänderungstaster, die mit "→", "↓", "→" und "←" markiert sind, betätigt, wird dadurch die arithmetische Einheit 100 veranlaßt, eine vorbestimmte Vergrößerung oder Verkleinerung gegenüber den ursprünglichen Anzeigepositionskoordinaten (xs, ts) des Falschechobildes DM in seinem ursprünglichen Anzeigezustand für seine Erneuerung zu liefern. Auf ähnliche Weise bewirkt auch die Betätigung der Ausdehnungsdateneingabeschalter durch den Bediener, daß die arithmetische Einheit 100 eine vorbestimmte Vergrößerung oder Verkleinerung gegenüber dem ursprünglichen Ausdehnungskoeffizienten αs des Falschechobildes DM in dessen ursprünglichem Anzeigezustand für seine Erneuerung liefert. Und ein neues Falschechobild DM, das auf den neuen Werten xs', ts' und αs' basiert, wird für jede Erneuerung entsprechend der Gleichung (7) erzeugt (durch Ersetzen dieser Werte xs', ts' und αs' und dann auf dem Anzeigeabschnitt 91 angezeigt.
Als Ergebnis wird dann, wenn das Falschechobild DM vollständig auf dem Echobild EP des in der Erde befindlichen Objekts überlappt, das aktuelle αs', durch α in der Gleichung (8) ersetzt, um die Ausbreitungsgeschwindigkeit Vg zu berechnen. Dann wird die Berechnung der Gleichung (5) ausgeführt, um die Tiefe Z auf der Basis einer Kombination der so erhaltenen Ausbreitungsgeschwindigkeit Vg und der Wellenausbreitungszeit tE an der Meßposition, die dem Scheitelpunkt des Falschechobildes DM entspricht, zu erhalten.
Da der Wert der Vergrößerung oder Verringerung bei der αs', Erneuerung mit einem Faktor seines Quadrates arbeitet, wie aus der Gleichung (7) hervorgeht, wird angenommen, daß der Wert αs', abrupt variiert und die Erneuerungsoperation schwierig wird. Um dies zu vermeiden, ist die Vergrößerung oder Verringerung bei αs derart eingestellt, daß sie um einen Faktor aus dessen Quadratwurzel erneuert wird, wie bei der folgenden Gleichung, was dazu führt, daß eine Veränderung bei αs abgemildert und eine hohe Bedienfreundlichkeit realisiert werden kann.
αs' = as + K α, oder as' = K α (K: Konstante)
Ferner braucht die Vergrößerung oder Verringerung bei xs', ts' oder αs' zu der Zeit der Überlagerung des Falschechobildes DM auf das Echobild EP nicht konstant zu sein. D.h., wenn das Falschechobild DM weit weg von dem Echobild EO angezeigt wird, erfolgt eine bedeutende Vergrößerung oder Verringerung, wenn jedoch das Bild DM in Annäherung an das Bild EP innerhalb eines vorbestimmten Entfernungsbereichs angezeigt wird, ist diese klein, wodurch die Bedienerfreundlichkeit weiter erhöht wird.
Bei dem obigen Ausführungsbeispiel wird das Falschechobild DM entsprechend der Gleichung (7) erzeugt und diese Gleichung besagt, daß eine Veränderung bei t&sub0; auch zu einer Veränderung in der Ausdehnung der Hyperbel führt. Wenn jedoch das folgende Verfahren angewandt wird, kann lediglich die Translationsbewegung des Bildes DM in vertikaler Richtung (Richtung der Zeitachse) ohne Veränderung der Ausdehnung der Hyperbel erzielt werden.
Zur Vereinfachung der Erklärung ergibt das Quadrieren beider Seiten der Gleichung (7) die folgende Gleichung (9), die äquivalent zu der Gleichung (7) ist.
(x-x&sub0;)² + (α·t&sub0;)² = (α·tE)² (9)
Das Neuschreiben der Gleichung (9) unter Verwendung von α·t&sub0;=D und t&sub1;=0 führt zu der folgenden Gleichung (10).
(x-x&sub0;)² + D² = α²,(tE-t&sub1;)² (10)
Als Ergebnis kann lediglich die Translationsbewegung des Falschechobildes DM in die vertikalen Richtungen ohne jegliche Veränderung der Ausdehnung erreicht werden, wenn t&sub1; und x&sub0; durch die vergrößerten oder verringerten Werte M und N erneuert werden und das Falschechobild DM derart erzeugt wird, daß daraus folgt:
in bezug auf die Positionsbewegungsschalter:
t&sub1;←t&sub1;-M wenn der Tastschalter "↑" betätigt wird
t&sub1;←t&sub1;+M wenn der Tastschalter "↓" betätigt wird
x&sub0;←x&sub0;-N wenn der Tastschalter "←" betätigt wird
x&sub0;←x&sub0;+N wenn der Tastschalter "→" betätigt wird
In bezug auf die Ausdehnungsdateneingabeschalter: wenn der Tastschalter "←→" betätigt wird,
α←α+F (α)
t&sub0;←t&sub0;+t&sub1;
t&sub1;←0
D←α·t&sub0;
wenn der Tastschalter "→←" betätigt wird,
α←α + F(α)
t&sub0;←t&sub0; + t&sub1;
t&sub1;←0
D←α·t&sub0;
F(α) ist eine Funktion in bezug auf α.
Obwohl das vorliegende Ausführungsbeispiel derart angeordnet ist, daß die Position und Ausdehnung des Falschechobildes DM durch die Betätigung des Berührungsfeldes durch den Bediener verändert wird, kann eine derartige Veränderung der Position und Ausdehnung durch die Verwendung solcher Eingabeeinrichtungen wie mechanische Kontaktschalter, eine Tastatur oder einen Joystick realisiert werden.
Es sei angenommen, daß durch ein derartiges Ermittlungsgerät, beispielsweise auf die Erzeugung eines solchen Sendeauslösesignals gemäß Fig. 5(a) hin, und zwar, wenn ein derartiges Sendeimpulssignal (Elektromagnetwellenimpulssignal) gemäß Fig. 5(b) erzeugt und dann in die Erde gesandt worden ist, das Gerät ein solches reflektiertes Echosignal, wie in Fig. 5(c) gezeigt, von einem in der Erde befindlichen Zielobjekt empfängt, und zwar eine Zeit tE nach der Aussendung des Sendeimpulssignales. Dann bestätigt das Gerät das Vorhandensein des in der Erde befindlichen Zielobjektes TG auf der Basis des Empfangs des reflektierten Echosignals und mißt gleichzeitig die Tiefe des Zieles TG unter der Erdoberfläche auf der Basis der Wellenausbreitungszeit tE.
Daher ist zum Erhalten der genauen Tiefe des eingebetteten Zielobjektes bei einem derartigen Ermittlungsgerät die genaue Identifizierung der Wellenausbreitungszeit tE und entsprechend die genaue Extraktion eines Vorderflankenabschnitts (in Fig. 5(c) mit P bezeichnet) des reflektierten Echosignals als ein direktes Maß der Wellenausbreitungszeit tE unerläßlich.
Im Hinblick darauf ist das Gerät des vorliegenden Ausführungsbeispiels derart angeordnet, daß beim Sichtbarmachen des vorerwähnten empfangenen reflektierten Echosignals auf der Anzeigeeinheit das reflektierte Echosignal korrekt quantisiert und dann entsprechend dem Echopegel als Vorverarbeitung eingeordnet wird (bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel entsprechend der Farbe, jedoch ist auch eine Einordnung nach der Helligkeit o. dgl. möglich), wodurch die Verbesserung der Sichtbarkeit des anzuzeigenden Echobildes EP realisiert wird. In der Praxis wird jedoch angenommen, daß die Anzeigefarbe des Echobildes EP entsprechend dem Vorderflankenabschnitt des reflektierten Echosignals nicht ausreichend verändert werden kann. Um dies zu vermeiden, wird bei dem Gerät des vorliegenden Ausführungsbeispiels vorzugsweise das Falschechobild DM derart auf das Echobild EP gelegt, daß das Bild DM, wie in Fig. 6 gezeigt, an seiner unteren Linie auf der oberen Linie des Echobildes EP überlappend liegt.
Beim Ausführen der vorerwähnten Vorverarbeitungen war es zur allgemeinen Praxis geworden, ein derartiges Empfangssignal (reflektiertes Echosignal) zu quantisieren und, wie in Fig. 7(a) gezeigt, in ein solches digitales Signal, wie beispielsweise in Fig. 7(b) gezeigt, umzusetzen. Es war jedoch unmöglich, den vorerwähnten Vorderflankenabschnitt P des reflektierten Echosignals lediglich unter Anwendung einer solchen Analog-Digital (A/D)-Umsetzungsverarbeitung ausreichend zu betonen, und selbst wenn die vorerwähnte Vorverarbeitung anschließend zu dessen Anzeige durchgeführt wird, war es schwierig, die ausreichende Sichtbarmachung des Echovorderflankenabschnitts P zu gewährleisten. Dies hat schließlich dazu geführt, daß ein Teil des reflektierten Echosignals, der einen hohen Amplitudenpegel aufweist und stärker sichtbar ist, d. h. ein Teil Q&sub1; oder Q&sub7; in Fig. 7, fälschlicherweise als Echovorderflankenabschnitt erkannt wurde, wodurch die genaue Identifizierung der Wellenausbreitungszeit tE verhindert wurde.
Wie in der früher erwähnten Veröffentlichung des Institutes of Electronics and Communication Engineerings of Japan unter dem Titel "Underground Radar System" (Juni, 1983, Band J66-B, Nr. 6, S. 713-720) beschrieben, ist es bekannt, daß der Amplitudenpegel des reflektierten Echosignals umso niedriger ist, je tiefer (weiter weg) das Ziel sich befindet. Dies bedeutet, daß selbst ein identisches Ziel stark unterschiedliche Amplitudenpegel von von dem Ziel reflektierten Echosignalen liefern kann, wenn das Ziel in unterschiedlichen Tiefen eingelagert ist oder von der Radareinheit an verschiedenen Positionen ausgemacht wird.
Aus diesem Grunde ist es in dem Fall, in dem beispielsweise mehrere reflektierte Echosignale mit verschiedenen Amplitudenpegeln von einem einzigen Ziel erhalten werden, schwierig, visuell wahrzunehmen, daß sich all diese Echosignale auf das gleiche Ziel beziehen, und wenn das Ziel sich an einer tieferen (weiter entfernten) Position befindet und der Amplitudenpegel des reflektierten Echosignals abnimmt, wird es noch schwieriger, den Vorderflankenabschnitt P des reflektierten Echosignals herauszulesen, was dazu führt, daß die genaue Identifizierung der Wellenausbreitungszeit tE schwieriger wird als im zuvor erwähnten Fall.
Zweite und dritte Ausführungsbeispiele, die nachfolgend beschrieben werden, basieren auf dem obigen ersten Ausführungsbeispiel und sind auf Ermittlungsgeräte gerichtet, die das Erkennen eines Vorderflankenabschnitts bei einem derartigen reflektierten Echosignal erleichtern und so die genaue Bestimmung der Wellenausbreitungszeit unter allen Bedingungen ermöglichen.
In Fig. 8 erst als zweites Ausführungsbeispiel gezeigt ist ein Gerät zum Aufspüren eingebetteter Objekte, das ein Empfangsdemodulationssignal des reflektierten Echosignals logarithmisch in ein logarithmisches Demodulationssignal umsetzt und optisch ein Echobild auf einer Anzeigeeinheit als das Echobild EP anzeigt, das dem Logarithmusdemodulationssignal entspricht.
Auch bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel ist beabsichtigt, wie in dem ersten Ausführungsbeispiel von Fig. 1, es auf einem geeigneten bewegbaren Fahrzeug anzubringen, um das Senden und Übertragen elektromagnetischer Wellen durchzuführen, während sich das Fahrzeug auf der Erdoberfläche bewegt, unter der ein Ziel eingelagert ist, um so ein zweidimensionales Querschnittsbild des Zieles anzuzeigen.
Bei dem Gerät des zweiten Ausführungsbeispiels von Fig. 8 oszilliert eine Triggerschaltung 10 zum Erzeugen eines Triggerimpulses in konstanten Intervallen, und eine Sendeschaltung 11 erzeugt und verstärkt einen vorbestimmten Radarimpuls synchron mit der Oszillation des Triggerimpulses und führt den Radarimpuls einer Sendeantenne 12 zu, von der elektromagnetische Wellen zum Boden ausgestrahlt werden.
Wenn ein derartiges eingebettetes Zielobjekt wie ein Rohr im Boden vorhanden ist, dann werden die ausgestrahlten Wellen auf dem Ziel reflektiert und die reflektierten Echowellen werden von einer Empfangsantenne 13 empfangen und von dort an eine Empfangsschaltung 14 übertragen. Dieses empfangene Signal (reflektierte Echosignal) wird an einem Rf-Verstärker 15 verstärkt und dann zu einem Rf/Lf-(Funk- oder Hochfrequenz/Niedrigfrequenz)-Umsetzer 20 gesandt, um in ein vorbestimmtes Niederfrequenzsignal umgesetzt zu werden.
Das so in das Niedrigfrequenzsignal umgesetzte empfangene Signal wird ferner Multiplikatoren 31a und 31b mit einer Verstärkung von (+1) und (-1) zugeführt, um mit den betreffenden Konstanten multipliziert und anschließend einer Schalteinrichtung 32 zugeführt zu werden.
Das so in das Niedrigfrequenzsignal umgesetzte empfangene Signal wird ferner an eine Positiv/Negativ-Beurteilungsschaltung 30 angelegt, die wiederum ein Positiv/- Negativ-Beurteilungssignal für das empfangene Signal erzeugt und es zu der Schalteinrichtung 32 und einer (später zu erläuternden) weiteren Schalteinrichtung 36 sendet, so daß es als Umschaltsignal verwendet werden kann.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Schalteinrichtung 32 derart angeordnet, daß sie selektiv ein Ausgangssignal des (-1)-fach-Multiplikators 31b ausgibt, wenn die Positiv/Negativ-Beurteilungsschaltung 30 ein negatives Beurteilungssignal erzeugt, und ein Ausgangssignal des (+1)-fach-Multiplikators 31a ausgibt, wenn die Schaltung 30 ein positives Beurteilungssignal erzeugt. Als Ergebnis erzeugt eine Kombination aus dieser Positiv/Negativ-Beurteilungsschaltung 30, den Multiplikatoren 31a und 31b und-der Schalteinrichtung 32 einen Absolutwert des empfangenen Signals.
Das so erhaltene Absolutwert-Signal des empfangenen Signals wird dann einer logarithmische Schaltung 33 zugeführt, um dort einer logarithmischen Verarbeitung unterzogen zu werden, die auf einem solchen logarithmischen Verlauf basiert, wie beispielsweise in Fig. 9 gezeigt ist. Eine derartige logarithmische Schaltung 33 kann einen Dioden oder Transistoren verwendenden bekannten Logarithmusumsetzer (Logarithmusverstärker) aufweisen. Ein in Fig. 9 gegebener Parameter F kann entsprechend der Basis des Logarithmus des Kurvenverlaufs variiert und praktisch auf einen so kleinen Wert eingestellt werden, der solche unnötigen Komponenten wie Rauschen abschneidet und die ansteigende Verzögerung des Ausgangssignals minimieren kann.
Durch derartige Absolutwert-Verarbeitung und logarithmische Verarbeitung wird ein solches empfangenes Signal mit relativ hohem Amplitudenpegel, wie beispielsweise in Fig. 10(a) gezeigt, zu einem Signal mit einer solchen Wellenform verändert, wie in Fig. 10(b) gezeigt; bzw. ein solches empfangenes Signal von mittlerem Amplitudenpegel, wie beispielsweise in Fig. 11(a) gezeigt, wird zu einem Signal mit einer solchen Wellenform verändert, wie in Fig. 11(b) gezeigt; bzw. ein solches empfangenes Signal, wie beispielsweise in Fig. 12(a) gezeigt, wird zu einem Signal mit einer solchen Wellenform verändert, wie in Fig. 12(b) gezeigt.
Das empfangene Signal mit derart veränderter Wellenform wird dann von der logarithmischen Schaltung 33 zu einer Aufteil- bzw. Trennschaltung 34 gesandt, um dort getrennt zu werden auf der Basis von oberen und unteren Grenzwerten E1 und E2, die derart eingestellt sind, daß sie das folgende Verhältnis erfüllen.
0 ≤ (unterer Grenzwert E2) < (oberer Grenzwert E1) (11)
Die Trennschaltung 34 kann eine bekannte Grenz- oder Begrenzerschaltung aufweisen, die derart wirkt, daß sie das Eingangssignal bis zu dem unteren Grenzwert E2 erhöht, wenn das Eingangssignal geringer als die untere Grenze E2 ist, und das Eingangssignal bis zu dem oberen Grenzwert EI verringert, wenn es größer ist als die obere Grenze E1.
Bei dem Gerät des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist der untere Grenzwert E2 derart eingestellt, daß er "0" ist, während der obere Grenzwert E1 derart eingestellt ist, daß es ein Wert unter dem Maximum des Eingabeumfangs eines A/D-Umsetzers 37 (der später erläutert wird) ist, wie in Fig. 10(b), Fig. 11(b) oder Fig. 12(b) gezeigt. In diesem Fall zeigt sich der Einfluß des oberen Grenzwertes EI während der obigen Trennoperation in Form der Sättigung der empfangenen Daten, ein Zustand, der in Fig. 10(b) dargestellt ist. In ähnlicher Weise zeigt sich der Einfluß des unteren Grenzwertes E2 während der Trennoperation in Form der Diskontinuität des logarithmisch umgesetzten Signals im Bereich seines Nullpegels in der gleichen Zeichnung. Ein derartiges Phänomen ist bemerkenswert, insbesondere, wenn das empfangene Signal eine geringe Amplitude aufweist (vergl. Fig. 12(b)).
Als nächstes wird das so getrennte Signal zu Multiplikatoren 35a und 35b mit einer Verstärkung, wie bei den vorerwähnten Multiplikatoren 31a und 31b, von (+1) bzw. (-1) gesandt, um mit den jeweiligen Konstanten multipliziert und dann der zweiten Schalteinrichtung 36 zugeführt zu werden. Der Schalter 36 wird, wie die erste Schalteinrichtung 32, steuerbar auf der Basis des Beurteilungsausgangs der Positiv/Negativ-Beurteilungsschaltung 30 geschaltet. Im einzelnen gibt der Schalter 36 selektiv ein Ausgangssignal des (-1)-fach-Multiplikators 35b aus, wenn die Positiv/Negativ-Beurteilungsschaltung 30 ein negatives Beurteilungssignal erzeugt bzw. ein Ausgangssignal des (+1)-fach-Multiplikators 35a, wenn die Beurteilungsschaltung ein positives Beurteilungssignal erzeugt. Das heißt, dies führt dazu, daß das der (-1)-fachen Multiplikation und dann der Absolutwert- Verarbeitung ausgesetzte empfangene Signal wieder einer (-1)-fachen Multiplikation ausgesetzt ist und zu dem ursprünglichen Vorzeichen zurückgeführt wird.
Wie die empfangenen Signale mit den drei Arten von Amplitudenpegeln zu dem ursprünglichen Vorzeichen zurückgeführt werden, ist in Fig. 10(c) bzw. Fig. 11(c) bzw. Fig. 12(c) dargestellt.
Das so einer sogenannten falsch-logarithmischen Verarbeitung ausgesetzte empfangene Signal ist schließlich an einem A/D-Umsetzer 37 vorbestimmten Abtast- und Quantisieroperationen ausgesetzt und wird dann einem Schreibsteuergerät 70 für einen Anzeigespeicher in Form eines solchen digitalen Signales, wie in Fig. 10(d), Fig. 11(d) oder Fig. 12(d) entsprechend jeder der drei Arten von empfangenen Signalen zugeführt.
Währenddessen wird das Triggersignal, das von der Triggerschaltung 10 erzeugt wird, der Sendeschaltung 11 zugeführt, um die Wellensignalsendezeitsteuerung der Sendeschaltung 11 zu bestimmen; während das Triggersignal auch an den Rf/Lf-Umsetzer 20 angelegt wird, um in ein zweites Niedrigfrequenzsignal umgesetzt zu werden. (Der Umsetzer 20 empfängt auch die an dem Rf-Verstärker 15 verstärkte empfangene Signal und setzt es in das vorerwähnte erste Niedrigfrequenzsignal um.) Das in das zweite Niedrigfrequenzsignal umgesetzte Triggersignal wird in einen Vertikalsynchronisiersignalgenerator 40 eingegeben, der wiederum ein Vertikalsynchronisiersignal erzeugt, das die vertikal gerichtete Koordinate des zweidimensionalen Querschnittsanzeigebildes des betreffenden Zieles anzeigt. Und das Vertikalsynchronisiersignal wird ebenfalls dem Anzeigespeicher-Schreibsteuergerät 70 zugeführt.
Wie schon zuvor erwähnt, wird der Entfernungssensor 50 verwendet, um einen einzelnen Impuls immer dann auszugeben, wenn das bewegbare Fahrzeug und so das darauf getragene Gerät sich um eine vorbestimmte Entfernung bewegen. Ein Ausgangsimpuls oder Entfernungsmeßsigual des Sensors 50 wird einem Horizontalsynchronisiersignalgenerator 60 zugeführt, der wiederum ein die horizontal gerichtete Koordinate des zweidimensionalen Querschnittsanzeigebildes des betreffenden Zieles anzeigendes Horizontalsynchronisiersignal erzeugt. Von dem Horizontalsynchronisiersignalgenerator 60 wird das Horizontalsynchronisiersignal ebenfalls dem Anzeigespeicher- Schreibsteuergerät 70 zugeführt.
So empfängt das Anzeigespeicher-Schreibsteuergerät 70 die Daten der zweidimensionalen Koordinaten, die von dem Vertikalsynchronisiersignalgenerator 40 und dem Horizontalsynchronisiersignalgenerator 60 erzeugt und zugeführt worden sind, sowie die Daten des digitalisierten Signals des empfangenen, von dem A/D-Umsetzer zugeführten Signals, um an den obigen zweidimensionalen Koordinaten angezeigt zu werden.
Das Anzeigespeicher-Schreibsteuergerät 70 funktioniert derart, daß es Schreibsteuerung über den Anzeigespeicher für die obigen Daten des empfangenen Signals auf der Basis der zuvor erwähnten Vertikal- und Horizontalsynchronisiersignale durchführt. Im einzelnen wird das Steuergerät 70 betrieben, um die Werte der im Verhältnis zu den Vertikal- und Horizontalsynchronisiersignalen erhaltenen Koordinaten in dem Anzeigespeicher 71 sequentiell umzusetzen und die vorerwähnten digitalen Daten des empfangenen Signales sequentiell an eine durch die konvertierten Adreßwerte bestimmte Adresse zu schreiben.
Ein Anzeigesignalgenerator 80 führt die vorerwähnte Einordnungsoperation nach Farbe, Helligkeit oder dgl. entsprechend dem Wert der empfangenen Signaldaten aus, um ein Anzeigesignal für die Anzeigeeinheit 90 zu erzeugen (vergl. Fig. 2). Im einzelnen wird der Generator 80 derart betrieben, daß er beispielsweise eine zweidimensionale Rasterabtastoperation durchführt, während er sequentiell den in dem Anzeigespeicher 71 geschriebenen Inhalt (die Daten des empfangenen Signals) ausliest, um so das den entsprechenden Rang auf der Anzeigeeinheit 90 anzeigende Anzeigesignal anzuzeigen.
Das so auf der Anzeigeeinheit 90 angezeigte Bild (Echobild EP) wird ein solches Signal von digital umgesetzter Wellenform, das einen Vorderflankenabschnitt P' aufweist, der dem betonten Vorderflankenabschnitt P eines empfangenen Signals (reflektierten Echosignals) entspricht und das in seiner Konturensichtbarkeit ausgezeichnet ist, wie auch aus Fig. 10(d), Fig. 11(d) oder Fig. 12(d) des Gerätes des vorliegenden Ausführungsbeispiels hervorgeht.
Nunmehr erfolgt die Erläuterung des dritten Ausführungsbeispiels.
Bezugnehmend auf Fig. 13, ist als drittes Ausführungsbeispiel ein Gerät zum Aufspüren eingebetteter Objekte gezeigt, das das Demodulationssignal des reflektierten Echosignals differenziert und auf einer Anzeigeeinheit ein dem differenzierten Demodulationssignal entsprechendes Echobild optisch anzeigt.
Selbst bei dem dritten Ausführungsbeispiel, wie bei dem Gerät des ersten Ausführungsbeispiels von Fig. 1, wird beabsichtigt, daß das Gerät des dritten Ausführungsbeispiels auf einem geeigneten bewegbaren Fahrzeug angebracht ist, so daß das Gerät Sende- und Empfangsoperationen von elektromagnetischen Wellen durchführt, während des auf dem Fahrzeug getragene Gerät auf der Bodenfläche bewegt wird, unter der ein Zielobjekt eingebettet ist, um so das zweidimensionale Querschnittsbild des betreffenden Zieles anzuzeigen.
Bei dem Gerät des dritten Ausführungsbeispiels von Fig. 13 oszilliert die Triggerschaltung 10, um in konstanten Intervallen einen Triggerimpuls zu erzeugen, und die Sendeschaltung 11 erzeugt und verstärkt ein vorbestimmtes Radarimpulssignal synchron mit der Oszillierung des Triggerimpulses und führt es der Sendeantenne 12 zu, von der das Radarimpulssignal, wie bereits oben erwähnt, zum Boden hin gestrahlt wird.
In dem Fall, in dem ein solches, unter der Erde eingebettetes Zielobjekt, wie beispielsweise ein Rohr, vorhanden ist, werden die elektromagnetischen Wellen des ausgestrahlten Radarimpulssignals auf dem Ziel reflektiert und die Echowellen werden an der Empfangsantenne 13 empfangen und dann von dort als ein empfangenes Signal zu der Empfangsschaltung 14 gesandt. Das empfangene Signal (reflektiertes Echosignal) wird bis zu einem vorbestimmten Pegel an dem Rf-Verstärker 15 verstärkt und dann zu dem Rf/Lf-(Funk- oder Hochfrequenz/Niedrigfrequenz)-Umsetzer 20 gesandt, um dort zu einem vorbestimmten Niedrigfrequenzsignal umgesetzt zu werden. Die Anordnung des Gerätes ist bis zu dieser Stufe im wesentlichen die gleiche wie bei dem Gerät des vorigen zweiten Ausführungsbeispiels.
Das so in das Niedrigfrequenzsignal umgesetzte empfangene Signal wird ferner an eine Differenzierschaltung 300 angelegt, um dort einer Differenzieroperation unterzogen zu werden. Die Differenzierschaltung 300 kann eine bekannte Schaltung aufweisen, die Kondensatoren oder dergleichen verwendet.
Durch die Differenzieroperation wird ein solches empfangenes Signal (reflektiertes Echosignal), wie beispielsweise in Fig. 14(a) gezeigt, in bezug auf die Wellenform in ein solches Signal umgewandelt, wie beispielsweise in Fig. 14(b) gezeigt. Als Ergebnis wird der Vorderflankenabschnitt P der Echosignalwellenform in einem solchen maximalen Ausmaß verstärkt, das es dem maximalen Amplitudenpegel der Wellenform entspricht.
Das so differenzierte empfangene Signal wird dann zu dem A/D-Umsetzer 37 gesandt, um dort vorbestimmten Abtast- und Quantisieroperationen unterzogen zu werden, so daß ein derartiges differenziertes Signal, wie in Fig. 14(b) gezeigt, in ein solches digitales Signal umgesetzt wird, wie beispielsweise in Fig. 14(c) gezeigt, und das digitale Signal wird der Anzeigespeicher-Schreibsteuerschaltung 70 zugeführt.
Andererseits wird das an der Triggerschaltung 10 erzeugte Triggersignal zu der Sendeschaltung 11 gesandt, um die Sendezeitgebung der Sendeschaltung 11 zu bestimmen, und auch zu dem Rf/Lf-Umsetzer 20, um dort in ein anderen Niedrigfrequenzsignal umgesetzt zu werden, ähnlich dem Niedrigfrequenzsignal, in das das an dem Rf-Verstärker 15 verstärkte empfangene Signal an dem Umsetzer 20 umgesetzt wird. Das in das Niedrigfrequenzsignal umgesetzte Triggersignal wird dem Vertikalsynchronisiersignalgenerator 40 zugeführt, der ein eine vertikal gerichtete Koordinate des zweidimensionalen Querschnittsanzeigebildes des betreffenden Zieles anzeigendes Vertikalsynchronisiersignal erzeugt. Und das Vertikalsynchronisiersignal wird ferner dem Anzeigespeicherschreibsteuergerät 70 zugeführt.
Der Entfernungssensor 50 gibt einen einzelnen Impuls jedesmal dann aus, wenn das bewegbare Fahrzeug und somit das darauf angebrachte Gerät um eine vorbestimmte Entfernung bewegt werden. Ein Ausgangsimpuls oder Entfernungsmeßsignal des Sensors 50 wird dem Horizontalsynchronisiersignalgenerator 60 zugeführt, der ein eine horizontal gerichtete Koordinate des zweidimensionalen Querschnittsanzeigebildes des betreffenden Zieles anzeigendes Horizontalsynchronisiersignal erzeugt. Das an dem Horizontalsynchronisiersignalgenerator 60 erzeugte Horizontalsynchronisiersignal wird ebenfalls dem Anzeigespeicherschreibsteuergerät 70 zugeführt.
Auf diese Weise empfängt das Anzeigespeicherschreibsteuergerät 70 die Daten der zweidimensionalen Koordinaten, die durch die Vertikal- und Horizontalsynchronisiersignalgeneratoren 40 und 60 erzeugt worden sind, sowie die Daten des empfangenen Signals, das durch den A/D-Umsetzer digitalisiert worden ist und das an einer Position der zweidimensionalen Koordinaten anzuzeigen ist.
Wie bei dem vorigen Ausführungsbeispiel wird das Anzeigespeicherschreibsteuerungsgerät 70 verwendet, um seine Schreibsteuerung über den Anzeigespeicher 71 der zuvor erwähnten Daten des empfangenen Signals auf der Basis der Vertikal- und Horizontalsynchronisiersignale durchzuführen. Im einzelnen wird das Steuergerät 70 betrieben, um die im Verhältnis zu den Vertikal- und Horizontalsynchronisiersignalen erhaltenen Werte der Koordinaten in dem Anzeigespeicher 71 sequentiell in Adreßwerte umzusetzen und die vorerwähnten digitalen Daten des empfangenen Signals sequentiell an eine durch die umgesetzten Adreßwerte bestimmte Adresse zu schreiben.
Ebenfalls wie in dem vorigen Ausführungsbeispiel führt der Anzeigesignalgenerator 80 die zuvorerwähnten Einordnungsoperationen nach Farbe, Licht oder dergleichen entsprechend dem Wert des empfangenen Signals durch, um ein Anzeigesignal für die Anzeigeeinheit 90 zu erhalten (vergl. Fig. 2). Im einzelnen wird der Generator 80 betrieben, um beispielsweise eine zweidimensionale Rasterabtastoperation durchzuführen, während er sequentiell den in dem Anzeigespeicher 71 geschriebenen Inhalt (die Daten des empfangenen Signals) ausliest, um dadurch das den entsprechenden Rang auf der Anzeigeeinheit 90 anzeigende Anzeigesignal anzuzeigen.
Das so auf der Anzeigeeinheit 90 angezeigte Bild (Echobild EP) wird ein solches Signal von digital umgesetzter Wellenform, das einen Vorderflankenabschnitt P' (dieser Abschnitt selbst entspricht einem deutlich sichtbaren Teil Q) aufweist, der dem betonten Vorderflankenabschnitt P eines empfangenen Signals (reflektierten Echosignals) entspricht und der in seiner Konturensichtbarkeit ausgezeichnet ist, wie auch aus Fig. 14(c) des Gerätes des vorigen Ausführungsbeispiels hervorgeht.
Auf diese Weise kann in Entsprechung mit den Geräten der vorhergehenden zweiten und dritten Ausführungsbeispiele der Vorderflankenabschnitt (P, P') des reflektierten Echosignals wünschenswert betont werden, ungeachtet der Größe des Amplitudenpegels des reflektierten Echosignals, und so kann die Sichtbarkeit des hyperbolischen Echosignalbildes verbessert werden. Außerdem können bei diesen Geräten des zweiten und dritten Ausführungsbeispiels die hyperbolischen Daten des Echobildes EP, die bisher nur im Falle der Verwendung von einem solchen Mehrfachton wie 256 oder mehr Tönen ausgedrückt werden konnten, nun unter Verwendung einer geringeren Anzahl von Tönen, wie beispielsweise nur ungefähr 8 Töne, genügend zum Ausdruck gebracht werden. Wenn dementsprechend die Anordnung des Gerätes des zweiten oder dritten Ausführungsbeispiels in der arithmetischen Einheit 100 (Fig. 1) des Gerätes des ersten Ausführungsbeispiels verwendet wird, kann ein Gerät zum Aufspüren eingelagerter Materialien realisiert werden, das sich durch seine Genauigkeit, Bedienfreundlichkeit und Wirtschaftlichkeit auszeichnet.
Obwohl das empfangene Signal (reflektierte Echosignal) in der Stufe seines analogen Signals bei dem Gerät des vorhergehenden zweiten Ausführungsbeispiels einer logarithmischen Operation unterzogen worden ist, ist davon auszugehen, daß das analoge Signal in ein digitales Signal umgesetzt werden kann, ohne einer derartigen logarithmischen Operation unterzogen zu werden, und dann kann das digitale Signal der logarithmischen Operation unterzogen werden. Dies kann leicht realisiert werden durch Verwendung eines logarithmischen Umsetzer-ROM oder einem ähnlichen Element, das ein solches Eingangs/Ausgangs-Merkmal aufweist wie in Fig. 9 gezeigt.
Selbst bei dem Gerät des vorhergehenden dritten Ausführungsbeispiels ist es selbstverständlich möglich, das empfangene Signal (reflektierte Echosignal) in ein digitales Signal umzusetzen, ohne es einer A/D-Umsetzung zu unterziehen, und dann das umgesetzte digitale Signal einer Differenzieroperation zu unterziehen, obwohl das empfangene Signal auf der Stufe seines analogen Signals differenziert worden ist. In dem vorigen Fall kann dies durch Durchführen einer Differenzieroperation erreicht werden, um eine Differenz zwischen zwei kontinuierlichen Datenwerten zu erhalten. In dem Fall, wo diese Differenzieroperation durchgeführt wird, beispielsweise in einem Computer, können die folgenden Techniken (a) und (b) angewandt werden.
(a) Die Differenzieroperation wird tatsächlich ausgeführt.
(b) Die Ergebnisse der Differenzieroperation werden zunächst in Form einer Tabelle gespeichert und später werden kontinuierliche Datenwerte aus der Tabelle wiedergewonnen.
Und selbst wenn es gewünscht ist, die Differenzieroperation unter Verwendung einer Hardware-Schaltung vom digitalen Typ auszuführen, können die folgenden Techniken (c) und (d) verwendet werden.
(c) Eine Subtraktionsschaltung wird zum tatsächlichen Durchführen der Differenzieroperation verwendet.
(d) Die Ergebnisse der Differenzieroperation werden zuvor in einem solchen Speicherelement wie einem ROM oder RAM gespeichert und der Inhalt des Speichers wird aus dem Speicher gelesen auf der Basis der Speicheradresse kontinuierlicher Datenwerte.

Industrielle Anwendbarkeit

Wie durch das Vorhergehende offenbart wird, werden gemäß der vorliegenden Erfindung sowohl die Position des Echobildes eines eingebetteten Objekts als auch die Ausdehnung der Öffnung des hyperbolischen Echobildes durch überlappendes Auflegen des Falschechobildes auf das Echobild des Objektes ermittelt und die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit im Erdboden wird auf der Basis der ermittelten Werte berechnet, um so die Position des eingebetteten Objektes zu ermitteln. Als Ergebnis kann die Notwendigkeit für ein Instrument zum Messen der spezifischen Dielektrizitätskonstante des Erdbodens entfallen, wodurch die Anordnung des Gerätes kostengünstig wird, und sogar die Position eines unter einer Bitumendecke eingebetteten Objekts kann genau ermittelt werden. Ferner ermöglicht das Nichtverwenden des Schätzwertes für die spezifische Dielektrizitätskonstante des Erdbodens das Eliminieren eines auf einem Schätzfehler basierenden Fehlers bei der Positionsermittlung, so daß eine sehr genaue Positionsermittlung realisiert wird. Da außerdem die Notwendigkeit für komplizierte Operationen, Matrixberechnungen eingeschlossen, entfällt, kann das Positionsermittlungsergebnis innerhalb kurzer Zeit erzielt werden.

Claims

1. Gerät zum Orten eines in der Erde befindlichen Objektes (TG),

mit einem auf einem bewegbaren Fahrzeug (1) angebrachten Sender, der elektromagnetische Wellen zum Boden sendet,

mit einem auf dem bewegbaren Fahrzeug (1) angebrachten Empfänger, der von dem in der Erde befindlichen Objekt (TG) reflektierte Wellen empfängt, wobei eine Position des eingebetteten Objektes (TG) auf der Basis einer Ausbreitungszeit (te) der reflektierten Wellen ermittelt wird;

mit einer Einrichtung (90) zum Anzeigen von Echobildern des eingebetteten Objektes (TG) auf einer Koordinatenanzeige, wobei die Koordinaten die Tiefenrichtung des eingebetteten Materials (TG) bzw. die Bewegungsrichtung des bewegbaren Fahrzeuges (1) repräsentieren; und

mit einer ersten Einrichtung zum Erzeugen eines hyperbolischen Echobildes (EP) und zum Bewirken der Anzeige des hyperbolischen Echobildes (EP) auf der Anzeigeeinrichtung (90) auf der Basis der Ausbreitungszeit der reflektierten Wellen, die erhalten wird, wenn das bewegbare Fahrzeug (1) um eine vorbestimmte Entfernung bewegt wird, während von dem auf dem bewegbaren Fahrzeug (1) angebrachten Sender elektromagnetische Wellen ausgesandt werden;

gekennzeichnet durch

eine zweite Einrichtung zum Erzeugen eines hyperbolischen Falschechobildes (DM), das als Parameter zum Bestimmen der unterirdischen Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Welle einen Koeffizienten (a) aufweist, wodurch das Bestimmen der Entfernungsinformationen ermöglicht und die Anzeige des Falschechobildes auf der Anzeigeeinrichtung bewirkt wird;

eine dritte Einrichtung zum Erhalten einer Scheitelpunktposition des Falschechobildes (Hyperbel) auf der Grundlage einer Operation, bei der die Anzeigeposition des Falschechobildes angepaßt wird, bis das hyperbolische Echobild (EP) und das hyperbolische Falschechobild (DM) auf der Anzeigeeinrichtung (90) eine identische Position aufweisen;

eine vierte Einrichtung zum Erhalten des Koeffizienten zum Umsetzen der unterirdischen Ausbreitungsgeschwindigkeit in die Entfernungsinformationen auf der Basis einer Operation, bei der das Falschechobild (DM) (Hyperbel) maßstäblich mittels des Parameters derart angepaßt wird, bis das hyperbolische Echobild (EP) und das hyperbolische Falschechobild (DM) eine identische Form aufweisen, wobei durch den resultierenden Wert des Koeffizienten die Ausbreitungsgeschwindigkeit bestimmbar ist, und

eine fünfte Einrichtung zum Erhalten der Position des eingebetteten Objektes (TG) durch Korrigieren der Koordinaten der mittels der dritten Einrichtung erhaltenen Scheitelpunktposition des Falschechobildes (DM) unter Verwendung des mittels der vierten Einrichtung erhaltenen Koeffizienten (a).

2. Gerät zum Orten eines eingebetteten Objektes (TG) nach Anspruch 1, bei dem die erste Einrichtung eine Einrichtung aufweist, die ein Demodulationssignal eines empfangenen Signals der reflektierten Wellen einer logarithmischen Umsetzung unterzieht, derart, daß auf der Anzeigeeinrichtung (90) ein Echobild angezeigt wird, das der der logarithmischen Umsetzung unterzogenen Demodulation entspricht.

3. Gerät zum Orten eines eingebetteten Objektes nach Anspruch 1, bei dem die erste Einrichtung eine Einrichtung aufweist, die ein Demodulationssignal eines empfangenen Signals der reflektierten Wellen einer Differenzieroperation unterzieht, derart, daß auf der Anzeigeeinrichtung (90) ein Echobild angezeigt wird, das der der Differenzieroperation unterzogenen Demodulation entspricht.