JP2000171569A - 地中探査方法および地中レーダ装置 - Google Patents

地中探査方法および地中レーダ装置

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JP2000171569A
JP2000171569A JP10344686A JP34468698A JP2000171569A JP 2000171569 A JP2000171569 A JP 2000171569A JP 10344686 A JP10344686 A JP 10344686A JP 34468698 A JP34468698 A JP 34468698A JP 2000171569 A JP2000171569 A JP 2000171569A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 広帯域の電波を照射することにより広い深度
領域に埋設された地中埋設物の検出を可能にし、かつ検
出精度を向上させる。 【解決手段】 発振回路からの発振信号により送信アン
テナを介して地中に信号波を送信し、地中からの反射波
を受信アンテナを介して受信回路に入力し、地中内部を
探査する地中レーダである。前記送受信アンテナ１０
Ａ、１０Ｂは多段分割されたアンテナエレメント１２間
をダイオードＤと抵抗Ｒの並列回路により接続し、前記
抵抗Ｒは給電側を最大抵抗値としてアンテナ先端側に順
次抵抗値を低く設定して構成し、前記アンテナ１０の給
電側にバイアス電圧発生器５０を接続するとともに、チ
ューニング電圧発生器６０を前記バイアス電圧発生器に
接続した。バイアス電圧を連続的に変更することにより
広帯域周波数探査をなすことができる。あるいは、バイ
アス電圧を変更して広帯域整合となるバイアス電圧に固
定させて半導体アンテナ作用により地中探査をなす。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は地中探査方法および
地中レーダ装置に係り、特に広帯域周波数探査をなすこ
とにより探査精度を向上させることができる地中探査方
法および地中レーダ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】地中に埋設されている配管や地下構造物
を地上から計測する手段として地中レーダ装置が知られ
ている。従来の地中探査をなす地中レーダは、電磁波の
パルス波を送信アンテナを介して地中に放射し、地中埋
設物からの反射波を受信アンテナを介して検出する構成
となっている。従来の地中レーダに用いられるアンテナ
は放射しようとする電波の周波数により一義的に決定さ
れるアンテナ長のものが用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところが、１台のレー
ダを使用して地中の深い地点に存在する物体を検出する
のと同時に、浅い地点に存在する小さな物体を同時に検
出するためには、広帯域の電磁波を放射することが要請
されるが、従来の地中レーダ装置では、固定長アンテナ
を用いているため、広帯域での検出をなすためには、複
数種のアンテナを配備するか、電気的にアンテナ長を分
断できる構造のアンテナを採用する以外に方法がなかっ
た。しかし、前者の複数種のアンテナを用いることは実
用的でないという問題がある。また、地中レーダ装置で
は、地面とアンテナを接近させて使用することから、ア
ンテナと地面間の不定容量も存在するので、遮断周波数
を決定することが困難となってしまい、高周波領域での
上述したアンテナを電気的に分断する後者の手法も採用
することができなかった。
【０００４】本発明は、上記従来の問題点に着目し、地
中埋設物を検出するのに、検出精度を向上するととも
に、１台のレーダで深い地点の埋設物体も、浅い地点の
埋設物体も確実に検出することができるように広帯域周
波数電波の放射を可能とした地中探査方法および地中レ
ーダ装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る地中探査方法は、第１に、発振回路か
らの発振信号により送信アンテナを介して地中に信号波
を送信し、地中からの反射波を受信アンテナを介して受
信回路に入力し、地中内部を探査する地中探査方法にお
いて、前記送受信アンテナは多段分割されたアンテナエ
レメント間をダイオードと抵抗の並列回路により接続
し、前記抵抗は給電側を最大抵抗値としてアンテナ先端
側に順次抵抗値を低く設定しておき、前記アンテナの給
電側に接続されたバイアス電圧発生器によりバイアス電
圧を連続的に変更することにより広帯域周波数探査をな
すことを特徴としている。
【０００６】第２には、発振回路からの発振信号により
送信アンテナを介して地中に信号波を送信し、地中から
の反射波を受信アンテナを介して受信回路に入力し、地
中内部を探査する地中探査方法において、前記送受信ア
ンテナは多段分割されたアンテナエレメント間をダイオ
ードと抵抗の並列回路により接続し、前記抵抗は給電側
を最大抵抗値としてアンテナ先端側に順次抵抗値を低く
設定しておき、前記アンテナの給電側に接続されたバイ
アス電圧発生器によりバイアス電圧を変更して広帯域整
合となるバイアス電圧に固定させて半導体アンテナ作用
により地中探査をなすことを特徴とするものである。
【０００７】また、本発明に係る地中レーダは、発振回
路からの発振信号により送信アンテナを介して地中に信
号波を送信し、地中からの反射波を受信アンテナを介し
て受信回路に入力し、地中内部を探査する地中レーダに
おいて、前記送受信アンテナは多段分割されたアンテナ
エレメント間をダイオードと抵抗の並列回路により接続
し、前記抵抗は給電側を最大抵抗値としてアンテナ先端
側に順次抵抗値を低く設定して構成し、前記アンテナの
給電側にバイアス電圧発生器を接続するとともに、チュ
ーニング電圧発生器を前記バイアス電圧発生器に接続し
たことを特徴としている。
【０００８】
【作用】上記構成によれば、アンテナエレメントはダイ
オードと抵抗による並列回路によって直列に接続されて
おり、これに可変直流電源によりアンテナにバイアス電
圧を印加する。エレメント間に印加する分圧は抵抗値に
よって決定され、アンテナ給電側から先端に至るにした
がって抵抗値が減少しているため、分圧は給電側で大き
く、先端に至るにしたがって小さくなる。一方、各並列
回路で電流はダイオードと抵抗により分流し、ダイオー
ドに流れる電流値が抵抗によって調整されており、ダイ
オードへの分流電流値はアンテナ給電側から先端に向か
って配置された並列回路の順に小さくなるようになって
いる。したがって、前記バイアス電圧発生器を調整する
ことにより、各ダイオードが導通状態になる箇所を選定
することができ、これによってダイオードはスイッチン
グ素子として働き、アンテナの有効長を任意に変えるこ
とができる。
【０００９】このため、アンテナの給電側に接続された
バイアス電圧発生器によりバイアス電圧を連続的に変更
することにより広帯域周波数探査をなすことができる。
特にバイアス電圧発生器はチューニング電圧発生器によ
り発振周波数を調整し、この発振周波数を適正に変更す
ることによりバイアス電圧の連続可変が可能となり、広
帯域探査が可能となるのである。あるいは、簡易的には
アンテナの給電側に接続されたバイアス電圧発生器によ
りバイアス電圧を変更して広帯域整合をなして半導体ア
ンテナ作用により地中探査をなことができ、アンテナに
よる受信が広帯域にて可能となる。
【００１０】このようなことから、上記可変長アンテナ
を使用することにより周波数帯域が拡大でき、したがっ
て、本アンテナ用いた地中探査レーダ装置では、得られ
るパルスエコーがシャープなものとなり、固定長アンテ
ナの場合と比較すると、分解能が向上するとともに、埋
設物の深度の如何に拘らず的確に埋設物の探査が可能と
なっている。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下に、本発明に係る地中探査方
法および地中レーダ装置の具体的実施の形態を図面を参
照して詳細に説明する。図１は実施形態に係る地中レー
ダ装置の構成を示すブロック図である。この地中レーダ
装置は、送信アンテナ１０Ａから地中に向けて電波を発
射し、地中に埋設されているターゲットから反射されて
戻ってくる電波を受信アンテナ１０Ｂにて受信すること
により、ターゲットの検出をなすものである。したがっ
て、地中レーダ装置は、基本的に、電波の出入口である
アンテナ１０（１０Ａ、１０Ｂ）に接続された発振回路
２０と、受信回路３０を有し、また、これらの回路の統
轄処理をなす信号処理回路４０を有している。
【００１２】まず、この地中レーダ装置に用いる各アン
テナ１０は、可変長アンテナとして構成されており、図
１に送信アンテナ１０Ａ側の右半部を拡大してその詳細
を示している。受信アンテナ１０Ｂも同様に構成されて
いるが、簡略的に示している。このアンテナは多段に分
割されたエレメント１２1、１２2、……１２N（実施形
態では６エレメント、Ｎ＝６）からなっている。このエ
レメント１２は隣接するエレメントとの間をダイオード
Ｄ（Ｄ1、Ｄ2、……ＤN）と抵抗Ｒ（Ｒ1、Ｒ2、……
ＲN）の並列回路１４（１４1、１４2、……１４N）によ
って接続されており、したがってアンテナ１０は複数の
エレメント１２とその間に介在された並列回路１４との
直列回路を構成している。
【００１３】このようなアンテナ１０における前記並列
回路１４の各ダイオードＤは同一の特性をもつものが用
いられているが、各抵抗Ｒは、アンテナ給電部１６側か
ら先端に至る各並列回路１４1、１４2、……１４N毎
に、順次抵抗値が小さくなるようにし、給電部１６側の
並列回路１４1で最大値、先端側の並列回路１４Nで最小
値となるように設定されている。すなわち、Ｒ1＞Ｒ2＞
Ｒ3＞……＞ＲNとして構成されているのである。
【００１４】また、アンテナ１０には、アンテナエレメ
ント１２と並列回路１４からなる直列回路に直流電流を
供給すべく、アンテナ給電部１６側にバイアス電圧発生
器５０を接続している。このバイアス電圧発生器５０
は、後述するように、アンテナへのバイアス電圧を可変
供給できるようになっており、バイアス電圧Ｖ0を任意
に調整可能となっている。
【００１５】なお、前記バイアス電圧発生器５０と初段
アンテナエレメント１２1との間に高周波遮断器として
のＲＦ回路１８を接続し、また、アンテナ給電部１６と
初段アンテナエレメント１２1との間にコンデンサから
なる直流遮断器１９を介装している。
【００１６】上記構成の可変長アンテナでは、バイアス
電圧発生器５０によりバイアス電圧Ｖ0を加える。この
とき、給電側からｍ番目のダイオードＤmにかかる電圧
Ｖmは、並列抵抗値をＲmとすると、次式のようになる。
【数１】
【００１７】ここで、Ｒ1＞Ｒ2＞Ｒ3＞……＞ＲNである
から、Ｖ1＞Ｖ2＞Ｖ3＞……＞ＶNとなる。ダイオードＤ
は全て順方向に接続されているため、バイアス電圧Ｖ0
をゼロから増加していくと、まず初段ダイオードＤ1に
最も高い電圧Ｖ1が印加され、その結果、Ｄ1は導通状態
となる。
【００１８】Ｄ1が導通状態となると、これに並列な抵
抗Ｒ1は無視でき、したがって残りのダイオードＤ2、Ｄ
3、……ＤNに加わる電圧は、
【数２】 となる。
【００１９】ここで、Ｒ2＞Ｒ3＞……＞ＲNであるか
ら、Ｖ2＞Ｖ3＞……＞ＶNとなり、次に２段目のダイオ
ードＤ2に最も高い電圧Ｖ2が印加される。バイアス電圧
Ｖ0を更に増加することにより、当該ダイオードＤ2が導
通状態となるのである。
【００２０】ここで、バイアス電圧発生器５０によるバ
イアス電圧の調整は、発振回路２０から供給される発振
周波数に対応したアンテナ有効長となるように、電圧制
御型チューニング電圧発生器６０により周波数に連動さ
せている。チューニング電圧発生器６０は電圧をチュー
ニングすることによりと発振回路２０の発振器を制御し
て発振周波数を変更させるとともに、バイアス電圧発生
器５０に対し、発振器発振周波数に共振するアンテナ有
効長が得られるバイアス電圧の発生信号を送出するよう
にしている。バイアス電圧発生器５０とチューニング電
圧発生器６０の特性図を図２（１）、（２）に示す。
【００２１】したがって、チューニング電圧発生器６０
とバイアス電圧発生器５０とにより、例えばバイアス電
圧Ｖ0の増加制御を順次行うことにより、残りのダイオ
ードＤ3、Ｄ4、……ＤNを順次導通状態とさせることが
でき、これにより、アンテナ１０の有効長を発振周波数
に対応して変化させることができる。アンテナ１０の有
効長が変るために、周知のように共振周波数も変化し、
図３に示すように、放射可能な電波の周波数範囲を拡大
することができ、アンテナ全体の帯域は従来のダイポー
ルアンテナに比較して拡大するのである。
【００２２】したがって、上記例によれば、バイアス電
圧Ｖ0がゼロの場合には全ダイオードＤは非導通状態と
なり、アンテナ長は最短となって共振周波数は最も高く
なる。並列回路１４の抵抗Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3……ＲNを、Ｒ
1＞Ｒ2＞Ｒ3＞……＞ＲNという条件下に設定しつつ、抵
抗値を適切に選択すると、バイアス電圧Ｖ0の増加に伴
い、ダイオードＤが給電部１６側から順次導通状態とな
り、有効アンテナ長が増大する。すなわち、共振周波数
を順次低くすることができる。
【００２３】このようなことから、当該可変長アンテナ
１０を使用することにより周波数帯域が拡大でき、した
がって、本アンテナ１０を用いた地中探査レーダ装置で
は、得られるパルスエコーが図４に示しているようにシ
ャープなものとなり、固定長アンテナの場合と比較する
と、分解能が向上する。
【００２４】これは次のような理由による。地中探査レ
ーダは、図１および図５（１）に示すように、発振回路
２０と受信回路３０を対として地中内に電波を放射し、
埋設物からの反射波を検出して埋設物の距離Ｚを、
【数３】 として求める。Ｃは電波の媒体中の伝播速度、Δｔは伝
播遅延時間である。そして、レーダ装置を移動させ、ア
ンテナにより電波の送受をなすが、図５（２）に示して
いるように、アンテナから放射される電波の無指向性に
より埋設物が管である場合にはその映像は次式のように
双曲線となる。
【数４】
【００２５】ところで、ＦＭＣＷレーダにおける信号処
理の流れは、概略図６に示す構成となっている。ある周
波数に対するデータと周波数帯域を変えた周波数データ
を入手し、これをフーリエ変換して時間領域データとし
て求め、パルスイメージとして出力するようにしてい
る。いま、周波数ｘに対する信号ｆ(x)とし、簡単のた
めに、ｆ(x)＝α（一定）とする。
【００２６】時間領域のデータＦ(t)は以下の式で表さ
れる。
【数５】 ここで、この物理的意味を考えると、上式のωは時間ｔ
であることが理解できる。すなわち、周波数領域の関数
のフーリエ変換＝時間領域の関数である。
【００２７】したがって、上式は次式と等価である。
【数６】 これを図示すると、図７のようになり、関数Ｆ(t)は周
波数掃引幅ａが大きくなる程、波形がシャープになるこ
とが理解できる。
【００２８】このようなことから、当該可変長アンテナ
１０を使用することにより地中探査レーダの周波数帯域
が拡大でき、これによって得られるパルスエコーが図４
に示しているようにシャープになって分解能を向上させ
ることができるのである。
【００２９】図８は図４のパルスエコーに基づいて地中
の断面図を表示（Ｂモード表示）したものであり、式４
に示したように、双曲線の出力が得られている。同図左
が固定長アンテナの場合、右が実施形態の可変長アンテ
ナ１０の場合を示している。この図から理解できるよう
に、地中内の探査対象の埋設管の形状が明瞭になり、分
解能の向上効果が明らかである。
【００３０】この種のレーダに用いている固定長アンテ
ナでは周波数帯域が狭帯域であったため、深い地点に存
在する物体を検出できるレーダでは、浅い地点に存在す
る小さな物体の検出は非常に困難であった。これに対
し、本実施形態に係る可変長アンテナ１０を地中レーダ
に適用することによって、１台のレーダを使用して地中
の深い地点に存在する物体を検出するのと同時に、浅い
地点に存在する小さな物体を同時に検出することが可能
となる利点が得られる。
【００３１】次に、上記実施形態では、発振周波数に応
じてアンテナ１０の有効長を切替るようにチューニング
電圧によりバイアス電圧の制御をなしているが、これは
簡易調整により単一の広帯域アンテナとして用いること
ができる。上述したように、アンテナ１０はアンテナエ
レメント１２とダイオードＤ、抵抗Ｒとにより結合した
構成となっているが、バイアス電圧を変更することによ
り広帯域整合させることができる。バイアス電圧発生器
５０によりバイアス電圧Ｖ0を増加調整すると、アンテ
ナエレメント１２間のダイオードＤ、抵抗Ｒ部分が半導
通状態となり、一種の抵抗装荷アンテナとして作用す
る。放射強度は低下するが、発振周波数帯域を拡大する
ことができる。このときの周波数と放射強度の関係を図
３に破線で示す。実際の探査には当該方法を用いる方が
簡易となって便利である。これにより、アンテナ１０の
共振周波数帯域を拡大することができるので、放射可能
な電波の周波数範囲を拡大することができ、アンテナ全
体の帯域は従来のダイポールアンテナに比較して拡大す
るのである。
【００３２】なお、上記実施形態ではダイポールアンテ
ナ構造を用いた例を示したが、これに代えてボウタイア
ンテナに適用することもできる。ボウタイアンテナは通
常のダイポールアンテナに比較して、広帯域であるとと
もに、アンテナ面積が大きいため感度が高く、また、平
面状アンテナであるために指向性が線状ダイポールアン
テナに比べて良好であるという特徴がある。ボウタイア
ンテナに本発明を適用する場合には、図９に示すよう
に、中央部から多分割されたアンテナエレメント間をダ
イオードＤと抵抗Ｒの並列回路によって接続すればよ
い。この場合においても、前記抵抗Ｒは中央の給電側を
最大抵抗値としてアンテナ先端側に順次抵抗値を低く設
定し、給電側にバイアス電圧発生器を接続することはい
うまでもない。
【００３３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
送受信アンテナは多段分割されたアンテナエレメント間
をダイオードと抵抗の並列回路により接続し、前記抵抗
は給電側を最大抵抗値としてアンテナ先端側に順次抵抗
値を低く設定して構成し、前記アンテナの給電側にバイ
アス電圧発生器を接続するとともに、チューニング電圧
発生器を前記バイアス電圧発生器に接続した装置構成と
なし、バイアス電圧を連続的に変更することにより、あ
るいは単独のバイアス電圧発生器によりバイアス電圧を
変更して広帯域整合をなして半導体アンテナ作用により
地中探査をなすようにしたので、検出精度を向上すると
ともに、埋設箇所の深度に拘らず１台のレーダを使用し
て地中の深い地点に存在する物体を検出するのと同時
に、浅い地点に存在する小さな物体を同時に検出するこ
とが可能になる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係る地中レーダ装置の構成ブロック
図である。
【図２】バイアス電圧発生器とチューニング電圧発生器
の特性図である。
【図３】同アンテナによる放射電波の周波数帯域の説明
図である。
【図４】同アンテナを地中レーダに適用した場合の反射
パルスエコーと従来の固定長アンテナによる反射パルス
エコーの比較図である。
【図５】地中探査レーダの基本原理の説明図である。
【図６】レーダの信号処理の概略構成図である。
【図７】時間領域関数のグラフである。
【図８】図３のエコーのＢモード映像である。
【図９】ボウタイアンテナへ本発明を適用した構成図で
ある。
【符号の説明】
１０ 可変長アンテナ １２ アンテナエレメント １４ 並列回路 １６ アンテナ給電部 １８ ＲＦ回路 １９ 直流遮断器 ２０ 発振回路 ３０ 受信回路 ４０ 信号処理回路 ５０ バイアス電圧発生器 ６０ チューング電圧発生器
フロントページの続き (72)発明者 土井 恭二 岡山県玉野市玉３丁目１番１号 三井造船 株式会社玉野事業所内 (72)発明者 木村 憲明 岡山県玉野市玉３丁目１番１号 三井造船 株式会社玉野事業所内 (72)発明者 森 康成 岡山県玉野市玉３丁目１番１号 三井造船 株式会社玉野事業所内 Ｆターム(参考） 5J070 AB01 AB06 AD02 AD20 AE11 AH19 AH35 BG09

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 発振回路からの発振信号により送信アン
    テナを介して地中に信号波を送信し、地中からの反射波
    を受信アンテナを介して受信回路に入力し、地中内部を
    探査する地中探査方法において、前記送受信アンテナは
    多段分割されたアンテナエレメント間をダイオードと抵
    抗の並列回路により接続し、前記抵抗は給電側を最大抵
    抗値としてアンテナ先端側に順次抵抗値を低く設定して
    おき、前記アンテナの給電側に接続されたバイアス電圧
    発生器によりバイアス電圧を連続的に変更することによ
    り広帯域周波数探査をなすことを特徴とする地中探査方
    法。
  2. 【請求項２】 発振回路からの発振信号により送信アン
    テナを介して地中に信号波を送信し、地中からの反射波
    を受信アンテナを介して受信回路に入力し、地中内部を
    探査する地中探査方法において、前記送受信アンテナは
    多段分割されたアンテナエレメント間をダイオードと抵
    抗の並列回路により接続し、前記抵抗は給電側を最大抵
    抗値としてアンテナ先端側に順次抵抗値を低く設定して
    おき、前記アンテナの給電側に接続されたバイアス電圧
    発生器によりバイアス電圧を変更して広帯域整合となる
    バイアス電圧に固定させて半導体アンテナ作用により地
    中探査をなすことを特徴とする地中探査方法。
  3. 【請求項３】 発振回路からの発振信号により送信アン
    テナを介して地中に信号波を送信し、地中からの反射波
    を受信アンテナを介して受信回路に入力し、地中内部を
    探査する地中レーダにおいて、前記送受信アンテナは多
    段分割されたアンテナエレメント間をダイオードと抵抗
    の並列回路により接続し、前記抵抗は給電側を最大抵抗
    値としてアンテナ先端側に順次抵抗値を低く設定して構
    成し、前記アンテナの給電側にバイアス電圧発生器を接
    続するとともに、チューニング電圧発生器を前記バイア
    ス電圧発生器に接続したことを特徴とする地中レーダ装
    置。
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