JP2003090885A - 地中レーダ用アンテナ装置 - Google Patents
地中レーダ用アンテナ装置Info
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- JP2003090885A JP2003090885A JP2001284349A JP2001284349A JP2003090885A JP 2003090885 A JP2003090885 A JP 2003090885A JP 2001284349 A JP2001284349 A JP 2001284349A JP 2001284349 A JP2001284349 A JP 2001284349A JP 2003090885 A JP2003090885 A JP 2003090885A
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- antenna
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- Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
- Aerials With Secondary Devices (AREA)
- Details Of Aerials (AREA)
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】地中掘削機の先端部分のドリルヘッド(P) の推
進方向に死角を持たない地中レーダ用アンテナ装置を提
供する。 【解決手段】本発明の地中レーダ用アンテナ装置は、1
対の三角形状の金属板をそれぞれの頂点を対向させて配
置した構造のダイポールアンテナ(AT)を用いている。そ
して、このダイポールアンテナは、最低次の共振周波数
の数分の１以下の低周波数成分を主体とするパルス状の
信号で励振することにより、アンテナの法線ｎから角度
θだけ傾いたドリルヘッドの推進方向に電波を放射し、
この方向からの反射波を受信するように構成されてい
る。
進方向に死角を持たない地中レーダ用アンテナ装置を提
供する。 【解決手段】本発明の地中レーダ用アンテナ装置は、1
対の三角形状の金属板をそれぞれの頂点を対向させて配
置した構造のダイポールアンテナ(AT)を用いている。そ
して、このダイポールアンテナは、最低次の共振周波数
の数分の１以下の低周波数成分を主体とするパルス状の
信号で励振することにより、アンテナの法線ｎから角度
θだけ傾いたドリルヘッドの推進方向に電波を放射し、
この方向からの反射波を受信するように構成されてい
る。
Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】本発明は、シールドマシンな
どと称される地中掘削機に取付けられる地中レーダ用の
アンテナ装置に関するものであり、特に、指向性を正面
方向から傾けることにより障害物探知のための死角を低
減した地中レーダ用アンテナ装置に関するものである。
どと称される地中掘削機に取付けられる地中レーダ用の
アンテナ装置に関するものであり、特に、指向性を正面
方向から傾けることにより障害物探知のための死角を低
減した地中レーダ用アンテナ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、地上からの開削を行うことなく地
中にトンネルを形成する非開削工法としてシールド掘削
工法が知られている。このようなシールド掘削工法に使
用されるシールド掘削機の一般的なものは、その内部で
人が作業できる程度に大型であり、その掘削速度も毎分
10ｃｍ程度と低速である。このようなシールド掘削機に
は、その先端の掘削用回転刃の裏側に前方監視用の地中
レーダ装置が設置される（特開平８ー２７８３７１号公
報等）。また、地質の変化を監視する目的などでシール
ド掘削機の側周面に地中レーダ装置が設置される場合も
ある（特公平４ー３２９１９号公報等）。
中にトンネルを形成する非開削工法としてシールド掘削
工法が知られている。このようなシールド掘削工法に使
用されるシールド掘削機の一般的なものは、その内部で
人が作業できる程度に大型であり、その掘削速度も毎分
10ｃｍ程度と低速である。このようなシールド掘削機に
は、その先端の掘削用回転刃の裏側に前方監視用の地中
レーダ装置が設置される（特開平８ー２７８３７１号公
報等）。また、地質の変化を監視する目的などでシール
ド掘削機の側周面に地中レーダ装置が設置される場合も
ある（特公平４ー３２９１９号公報等）。
【０００３】最近、超小型のシールド掘削工法として、
水平ボーリング工法あるいは非開削ドリリング工法など
と称されるものが開発されている。この工法は、ボーリ
ングロッドなどと称される継ぎ足しによって延長される
可撓性の長尺体の先端に、掘削刃の付いた直径80ｍｍ〜
100 ｍｍ程度のドリルヘッドを取付け、地上に設置した
駆動装置から上記ボーリングロッドを介してその先端に
取付けたドリルヘッドに回転力と推進力とを伝達するこ
とにより地中に小径のトンネルを形成する工法である。
水平ボーリング工法あるいは非開削ドリリング工法など
と称されるものが開発されている。この工法は、ボーリ
ングロッドなどと称される継ぎ足しによって延長される
可撓性の長尺体の先端に、掘削刃の付いた直径80ｍｍ〜
100 ｍｍ程度のドリルヘッドを取付け、地上に設置した
駆動装置から上記ボーリングロッドを介してその先端に
取付けたドリルヘッドに回転力と推進力とを伝達するこ
とにより地中に小径のトンネルを形成する工法である。
【０００４】この水平ボーリング工法を図７を参照して
説明する。まず、図７（Ａ）に示すように、地上に駆動
装置Ｒが設置され、この駆動装置Ｒに可撓性を有する一
定長の細長いボーリングロッドＱが継ぎ足しによって延
長され、このボーリングロッドＱの先端にドリルヘッド
Ｐが取付けられる。このドリルヘッドＰを立坑から地中
に進入させ、駆動装置ＲからボーリングロッドＱを介し
て回転力と推進力をドリルヘッドＰに伝達することによ
って次の立坑との間に直径が80ｍｍ〜100 ｍｍの小径の
トンネルが形成される。引き続き、図７（Ｂ）に示すよ
うに、ボーリングロッドＱの先端からドリルヘッドＰが
取り外され、代わりにバックリーマと称される直径が20
0 ｍｍ程度の掘削体Ｓと、敷設対象のケーブルＴの先端
とが取付けられたのち、このボーリングロッドＱが後退
せしめられる。これに伴い、バックリーマによるトンネ
ルの径の拡大と、この径が拡大されたトンネル内へのケ
ーブルＴの敷設が行われる。
説明する。まず、図７（Ａ）に示すように、地上に駆動
装置Ｒが設置され、この駆動装置Ｒに可撓性を有する一
定長の細長いボーリングロッドＱが継ぎ足しによって延
長され、このボーリングロッドＱの先端にドリルヘッド
Ｐが取付けられる。このドリルヘッドＰを立坑から地中
に進入させ、駆動装置ＲからボーリングロッドＱを介し
て回転力と推進力をドリルヘッドＰに伝達することによ
って次の立坑との間に直径が80ｍｍ〜100 ｍｍの小径の
トンネルが形成される。引き続き、図７（Ｂ）に示すよ
うに、ボーリングロッドＱの先端からドリルヘッドＰが
取り外され、代わりにバックリーマと称される直径が20
0 ｍｍ程度の掘削体Ｓと、敷設対象のケーブルＴの先端
とが取付けられたのち、このボーリングロッドＱが後退
せしめられる。これに伴い、バックリーマによるトンネ
ルの径の拡大と、この径が拡大されたトンネル内へのケ
ーブルＴの敷設が行われる。
【０００５】上記従来の水平ボーリング工法では、トン
ネルの形成に先立って、地中のガス管、水道管、電力ケ
ーブル等の既設の設備の埋設状況を地図などを参照して
把握したり、あるいは、地上から地中レーダ装置を操作
することによって探査したりするという事前調査が行わ
れる。このような事前調査に際し、地上で操作される地
中レーダ装置の詳細については、実公平３ー５５１２２
号公報などに開示されている。そして、既設の埋設物へ
の接触を回避できるようなトンネルの形成ルートが決定
される。
ネルの形成に先立って、地中のガス管、水道管、電力ケ
ーブル等の既設の設備の埋設状況を地図などを参照して
把握したり、あるいは、地上から地中レーダ装置を操作
することによって探査したりするという事前調査が行わ
れる。このような事前調査に際し、地上で操作される地
中レーダ装置の詳細については、実公平３ー５５１２２
号公報などに開示されている。そして、既設の埋設物へ
の接触を回避できるようなトンネルの形成ルートが決定
される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、実際に
は、上述したような地上操作の地中レーダによる既設の
地中埋設設備の位置検出誤差や、トンネル形成時のルー
ト選択に関する制御誤差などのために、ドリルヘッドま
たはバックリーマが地中の埋設物に衝突し、あるいは接
近し過ぎてしまい、トンネルの形成のやり直しが必要に
なる場合が往々にして生じる。
は、上述したような地上操作の地中レーダによる既設の
地中埋設設備の位置検出誤差や、トンネル形成時のルー
ト選択に関する制御誤差などのために、ドリルヘッドま
たはバックリーマが地中の埋設物に衝突し、あるいは接
近し過ぎてしまい、トンネルの形成のやり直しが必要に
なる場合が往々にして生じる。
【０００７】特に問題になるのは、図７（Ａ）に例示す
るように、埋設物Ｏの存在が小径のトンネルの形成には
何ら支障を及ぼさないが、図７（Ｂ）に例示するよう
に、バックリーマを用いた大径のトンネルの形成に支障
を及ぼすという場合である。何故ならば、この場合、全
作業を小径のトンネルの形成からやり直すことが必要に
なり、全作業の労力と時間が大幅にかさむからである。
るように、埋設物Ｏの存在が小径のトンネルの形成には
何ら支障を及ぼさないが、図７（Ｂ）に例示するよう
に、バックリーマを用いた大径のトンネルの形成に支障
を及ぼすという場合である。何故ならば、この場合、全
作業を小径のトンネルの形成からやり直すことが必要に
なり、全作業の労力と時間が大幅にかさむからである。
【０００８】上記水平ボーリング工法では、一般的なシ
ールド掘削機に比べてドリルヘッドの寸法が桁違いに小
さいため、これに地中レーダ用アンテナ装置を取付ける
には、まず、その大幅な小型化が必要になる。更に、ド
リルヘッドに地中レーダ用アンテナを取付ける際に生ず
る第２の問題点は、図８に示すように、ドリルヘッドＰ
の先端に取付けられる細長い矩形板状の掘削刃ＢＬがド
リルヘッドＰの回転軸Ｚに対して大な傾斜角をもって取
付けられているという点である。
ールド掘削機に比べてドリルヘッドの寸法が桁違いに小
さいため、これに地中レーダ用アンテナ装置を取付ける
には、まず、その大幅な小型化が必要になる。更に、ド
リルヘッドに地中レーダ用アンテナを取付ける際に生ず
る第２の問題点は、図８に示すように、ドリルヘッドＰ
の先端に取付けられる細長い矩形板状の掘削刃ＢＬがド
リルヘッドＰの回転軸Ｚに対して大な傾斜角をもって取
付けられているという点である。
【０００９】すなわち、掘削刃ＢＬの裏側に、地中アン
テナ装置の送信アンテナＴＸと受信アンテナＲＸとを取
付けることによって斜線で示した両アンテナによる放射
パターンの重なり合った部分の地中の障害物の検出が可
能になる。この斜線を付して示すアンテナ対による検出
可能領域ＤＡは、図８（Ａ）に例示する位置では上を向
いており、同図（Ｂ）に例示する位置では下を向いてい
る。すなわち、斜線を付した検出可能領域ＤＡはドリル
ヘッドＰの回転と推進とに伴って螺旋状に回転し推進さ
れることになる。この結果、図８（Ａ）の位置では先端
部の下方が検出できず、図８（Ｂ）の位置では先端部の
上方が検出できないという具合に、ドリルヘッドＰの先
端部分の極く近傍で検出の死角が生ずる。特に、ドリル
ヘッドＰの進行方向については、常に検出の死角が生じ
る。
テナ装置の送信アンテナＴＸと受信アンテナＲＸとを取
付けることによって斜線で示した両アンテナによる放射
パターンの重なり合った部分の地中の障害物の検出が可
能になる。この斜線を付して示すアンテナ対による検出
可能領域ＤＡは、図８（Ａ）に例示する位置では上を向
いており、同図（Ｂ）に例示する位置では下を向いてい
る。すなわち、斜線を付した検出可能領域ＤＡはドリル
ヘッドＰの回転と推進とに伴って螺旋状に回転し推進さ
れることになる。この結果、図８（Ａ）の位置では先端
部の下方が検出できず、図８（Ｂ）の位置では先端部の
上方が検出できないという具合に、ドリルヘッドＰの先
端部分の極く近傍で検出の死角が生ずる。特に、ドリル
ヘッドＰの進行方向については、常に検出の死角が生じ
る。
【００１０】上記死角を小さくするには、図８（Ｃ）に
示すように、送信アンテナＴＸと受信アンテナＲＸの取
付け面をドリルヘッドＰの回転軸Ｚに対して直交させれ
ばよい。しかしながら、そのようにすると、アンテナＴ
Ｘ，ＲＸが先端部分からかなり後退してしまい、掘削刃
ＢＬの位置で電波がかなり広がってしまう。このため、
電波を通過させるために金属性の掘削刃ＢＬに設けなけ
ればならない誘電体の窓の寸法が大きくなり、掘削刃Ｂ
Ｌが弱くなってしまうという問題がある。
示すように、送信アンテナＴＸと受信アンテナＲＸの取
付け面をドリルヘッドＰの回転軸Ｚに対して直交させれ
ばよい。しかしながら、そのようにすると、アンテナＴ
Ｘ，ＲＸが先端部分からかなり後退してしまい、掘削刃
ＢＬの位置で電波がかなり広がってしまう。このため、
電波を通過させるために金属性の掘削刃ＢＬに設けなけ
ればならない誘電体の窓の寸法が大きくなり、掘削刃Ｂ
Ｌが弱くなってしまうという問題がある。
【００１１】また、図８（Ｃ）の構成においては、電波
のかなりの部分がドリルヘッドＰの先端部分の内部に放
射されるため、内壁面を電波吸収体で覆わなければなら
ない。さらに、送信アンテナＴＸ、受信アンテナＲＸと
誘電体窓との間を誘電体窓と同一の誘電率の材料で満た
すことが必要になる。このため、送信アンテナＴＸと受
信アンテナＲＸの取付け面をある程度の限界、例えば、
図８（Ｄ）に例示する程度の限界を越えて傾けることが
できず、依然として死角が残ってしまう。
のかなりの部分がドリルヘッドＰの先端部分の内部に放
射されるため、内壁面を電波吸収体で覆わなければなら
ない。さらに、送信アンテナＴＸ、受信アンテナＲＸと
誘電体窓との間を誘電体窓と同一の誘電率の材料で満た
すことが必要になる。このため、送信アンテナＴＸと受
信アンテナＲＸの取付け面をある程度の限界、例えば、
図８（Ｄ）に例示する程度の限界を越えて傾けることが
できず、依然として死角が残ってしまう。
【００１２】この死角は、この種の非開削ドリリング工
法の掘削機の掘進速度が、毎秒３０ｃｍもの大きな値で
あることにもよる。すなわち、回転軸の上方や下方を向
いた電波ビームが行う螺旋運動に着目すると、非開削ド
リリング工法の掘削機では、ビームの旋回運動のピッチ
が大きく、その分死角が大きくなる。
法の掘削機の掘進速度が、毎秒３０ｃｍもの大きな値で
あることにもよる。すなわち、回転軸の上方や下方を向
いた電波ビームが行う螺旋運動に着目すると、非開削ド
リリング工法の掘削機では、ビームの旋回運動のピッチ
が大きく、その分死角が大きくなる。
【００１３】従って、本発明の一つの目的は、地中掘削
機の先端部分のドリルヘッドの推進方向に死角を持たな
い地中レーダ用アンテナ装置を提供することにある。
機の先端部分のドリルヘッドの推進方向に死角を持たな
い地中レーダ用アンテナ装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】上記従来技術の課題を解
決する本発明の地中レーダ用アンテナ装置は、１対の三
角形状の金属板をそれぞれの頂点を対向させて配置した
構造のダイポールアンテナを用いたものである。そし
て、このダイポールアンテナは、最低次の共振周波数の
数分の１以下の低周波数成分を主体とするパルス状の信
号で励振することにより、アンテナの法線から傾いたド
リルヘッドの推進方向に電波を放射し、この方向からの
反射波を受信するように構成されている。
決する本発明の地中レーダ用アンテナ装置は、１対の三
角形状の金属板をそれぞれの頂点を対向させて配置した
構造のダイポールアンテナを用いたものである。そし
て、このダイポールアンテナは、最低次の共振周波数の
数分の１以下の低周波数成分を主体とするパルス状の信
号で励振することにより、アンテナの法線から傾いたド
リルヘッドの推進方向に電波を放射し、この方向からの
反射波を受信するように構成されている。
【００１５】
【発明の実施の態様】本発明の好適な実施の態様によれ
ば、上記ダイポールアンテナは地中掘削機の先端部分に
おいて回転軸に対し傾いた状態で取付けられた金属製の
掘削刃の中心部分に取り付けられている。
ば、上記ダイポールアンテナは地中掘削機の先端部分に
おいて回転軸に対し傾いた状態で取付けられた金属製の
掘削刃の中心部分に取り付けられている。
【００１６】本発明の他の好適な実施の態様によれば、
ダイポールアンテナは、内壁面が電波吸収体で覆われた
金属製筐体の開放端面に設置されることにより、正面方
向への指向性を実現している。
ダイポールアンテナは、内壁面が電波吸収体で覆われた
金属製筐体の開放端面に設置されることにより、正面方
向への指向性を実現している。
【００１７】本発明のさらに他の好適な実施の態様によ
れば、金属製筐体の内壁面の電波吸収体は、この金属製
筐体の開放端面に向けて厚みが減少せしめられることに
より、金属窓の存在による感度の周波数依存性を促進す
るように構成されている。
れば、金属製筐体の内壁面の電波吸収体は、この金属製
筐体の開放端面に向けて厚みが減少せしめられることに
より、金属窓の存在による感度の周波数依存性を促進す
るように構成されている。
【００１８】本発明のさらに他の好適な実施の態様によ
れば、１対の三角形状の金属板は金属製筐体の開放端面
を覆う誘電体板の裏面に保持されることにより、誘電体
板がダイポールアンテナを形成する金属板を保持する機
能と電磁波の入出力の窓の機能とを兼ね備えるように構
成されている。また、このダイポールアンテナは送信専
用アンテナと受信専用アンテナとが隣接して配置される
ことにより、送受共用とする場合の高速の切り替えを不
要とするように構成されている。
れば、１対の三角形状の金属板は金属製筐体の開放端面
を覆う誘電体板の裏面に保持されることにより、誘電体
板がダイポールアンテナを形成する金属板を保持する機
能と電磁波の入出力の窓の機能とを兼ね備えるように構
成されている。また、このダイポールアンテナは送信専
用アンテナと受信専用アンテナとが隣接して配置される
ことにより、送受共用とする場合の高速の切り替えを不
要とするように構成されている。
【００１９】
【実施例】図２は、本発明の一実施例の地中レーダ装置
が装着される水平ボーリング工法のドリルヘッドの外観
を示す斜視図である。このドリルヘッドＰは、地上に設
置される駆動装置（図示せず）に連結される可撓性のボ
ーリングロッドの先端部に取付けられる。このドリルヘ
ッドＰの先端部分には、掘削刃ＢＬが装着され、この掘
削刃ＢＬの中心部分に本実施例の地中レーダ装置を構成
する誘電体板ＤＰが嵌め込み固定される。
が装着される水平ボーリング工法のドリルヘッドの外観
を示す斜視図である。このドリルヘッドＰは、地上に設
置される駆動装置（図示せず）に連結される可撓性のボ
ーリングロッドの先端部に取付けられる。このドリルヘ
ッドＰの先端部分には、掘削刃ＢＬが装着され、この掘
削刃ＢＬの中心部分に本実施例の地中レーダ装置を構成
する誘電体板ＤＰが嵌め込み固定される。
【００２０】この実施例の地中アンテナの構成を、図１
に示す。図１において、（Ａ）は誘電体板ＤＰを透視し
た状態で示す正面図、（Ｂ）は（Ａ）中のＢ−Ｂ' 断面
図、（Ｃ）は（Ａ）中のＣ−Ｃ' 断面図である。
に示す。図１において、（Ａ）は誘電体板ＤＰを透視し
た状態で示す正面図、（Ｂ）は（Ａ）中のＢ−Ｂ' 断面
図、（Ｃ）は（Ａ）中のＣ−Ｃ' 断面図である。
【００２１】この実施例の地中レーダ用アンテナ装置は
送信用アンテナと受信用アンテナとが互いに分離して形
成された送受分離型であり、左右の一方が送信専用アン
テナ、他方が受信専用アンテナである。送信専用、受信
専用の各アンテナは、１対の三角形の金属板ＭＰを、そ
れぞれの頂角を対向させながら多少離間させて誘電体板
ＤＰ上に配置した平面型のダイポールアンテナから構成
されている。この種の地中レーダ用アンテナ装置として
使用される平面型のダイポールアンテナの構成と動作の
一層詳細な内容に関しては、必要に応じて、本出願人が
先に出願した特許出願（特開平１０ー２００３０号公報
など）を参照されたい。
送信用アンテナと受信用アンテナとが互いに分離して形
成された送受分離型であり、左右の一方が送信専用アン
テナ、他方が受信専用アンテナである。送信専用、受信
専用の各アンテナは、１対の三角形の金属板ＭＰを、そ
れぞれの頂角を対向させながら多少離間させて誘電体板
ＤＰ上に配置した平面型のダイポールアンテナから構成
されている。この種の地中レーダ用アンテナ装置として
使用される平面型のダイポールアンテナの構成と動作の
一層詳細な内容に関しては、必要に応じて、本出願人が
先に出願した特許出願（特開平１０ー２００３０号公報
など）を参照されたい。
【００２２】この実施例では、各金属板ＭＰの底辺の長
さは約２８ｍｍ、高さが約３１ｍｍ、頂角の角度が約４
６°である。各金属板ＭＰの頂点には給電線Ｆの先端部
が接続されている。ダイポールアンテナの背後の金属製
筐体によって囲まれた壁面はフェライトなどを素材とす
る電波吸収体Ｓによって囲まれている。送信および受信
専用の各ダイポールアンテナは誘電体板ＤＰ上に形成さ
れている。この誘電体板ＤＰは金属筐体ＭＢの開放端面
を液密性を保って閉じることにより開放端面の電磁波の
入出力の窓としても機能する。
さは約２８ｍｍ、高さが約３１ｍｍ、頂角の角度が約４
６°である。各金属板ＭＰの頂点には給電線Ｆの先端部
が接続されている。ダイポールアンテナの背後の金属製
筐体によって囲まれた壁面はフェライトなどを素材とす
る電波吸収体Ｓによって囲まれている。送信および受信
専用の各ダイポールアンテナは誘電体板ＤＰ上に形成さ
れている。この誘電体板ＤＰは金属筐体ＭＢの開放端面
を液密性を保って閉じることにより開放端面の電磁波の
入出力の窓としても機能する。
【００２３】送信専用のダイポールアンテナから放射さ
れる電磁波のうち後方に放射される成分は電波吸収体に
よって吸収される。放射された電磁波のうち前方に伝搬
する成分は、誘電体板ＤＰを通してドリルヘッドの前方
の地中に放射される。この放射された電磁波は探査対象
の地中の障害物などによって反射されてドリルヘッドの
方向に戻り、受信専用のダイポールアンテナに受信され
る。
れる電磁波のうち後方に放射される成分は電波吸収体に
よって吸収される。放射された電磁波のうち前方に伝搬
する成分は、誘電体板ＤＰを通してドリルヘッドの前方
の地中に放射される。この放射された電磁波は探査対象
の地中の障害物などによって反射されてドリルヘッドの
方向に戻り、受信専用のダイポールアンテナに受信され
る。
【００２４】従来、この種の地中アンテナ装置で使用す
るダイポールアンテナについては、各金属板ＭＰの三角
形の頂点近傍の低インピーダンスの給電点に節が出現
し、各三角形の底辺付近の高インピーダンスの箇所にそ
れぞれ逆極性の腹が出現するような励振が行われてき
た。すなわち、パルス状の送信信号に含まれる主要周波
数成分については、ダイポールアンテナの全長にわたっ
てほぼ半波長の電圧の定在波が出現するように励振され
てきた。パルス状の送信信号の半値幅をＴ、周波数スペ
クトルの主要成分をｆ、真空中の電波の速度をｃ0 、地
中の比誘電率をεs、電磁波の地中における波長をλと
おくと、 λ＝ｃ0 ／（ｆ√εs ）＝ｃ0 ２Ｔ／√εs ・・・（１） となる。
るダイポールアンテナについては、各金属板ＭＰの三角
形の頂点近傍の低インピーダンスの給電点に節が出現
し、各三角形の底辺付近の高インピーダンスの箇所にそ
れぞれ逆極性の腹が出現するような励振が行われてき
た。すなわち、パルス状の送信信号に含まれる主要周波
数成分については、ダイポールアンテナの全長にわたっ
てほぼ半波長の電圧の定在波が出現するように励振され
てきた。パルス状の送信信号の半値幅をＴ、周波数スペ
クトルの主要成分をｆ、真空中の電波の速度をｃ0 、地
中の比誘電率をεs、電磁波の地中における波長をλと
おくと、 λ＝ｃ0 ／（ｆ√εs ）＝ｃ0 ２Ｔ／√εs ・・・（１） となる。
【００２５】ここで、地中の誘電率は土壌の含水率に左
右されるが、通常の含水率では概ね20乃至40の範囲とな
る。従って、√εs は概ね4.5 から6.5 の範囲となる。
この√εs を上記下限値と上限値との中間の値の5.5 と
すれば、比誘電率5.5 の地中の電磁波の波長をダイポー
ルアンテナの全長62ｍｍにほぼ等しい値にするにはｆは
ほぼ１GHz 、半値幅Ｔはほぼ 0.5ｎsec となる。
右されるが、通常の含水率では概ね20乃至40の範囲とな
る。従って、√εs は概ね4.5 から6.5 の範囲となる。
この√εs を上記下限値と上限値との中間の値の5.5 と
すれば、比誘電率5.5 の地中の電磁波の波長をダイポー
ルアンテナの全長62ｍｍにほぼ等しい値にするにはｆは
ほぼ１GHz 、半値幅Ｔはほぼ 0.5ｎsec となる。
【００２６】図３は、送信専用のダイポールアンテナに
供給されるパルス状の送信信号の波形（Ａ）と、その周
波数スペクトル（Ｂ）を示す特性図である。この送信信
号については、その電圧のピーク値が半分に低下する波
形の半値幅が 0.5ｎsec に設定されている。従来の地中
アンテナ装置では、上記（１）式に従って、半値幅が0.
5ｎsec のパルス状の送信信号を供給することにより、
ダイポールアンテナの全長にわたって半波長の定在波が
出現する最低次の共振を実現させていた。図３（Ｂ）の
横軸は左端が１kHz 、一目盛りが250 MHz である。従っ
て、横軸の右端が約2.5 GHz 、中央部が約1.25GHz であ
る。図４は、送信信号の半値幅を図３の場合の３倍の1.
5 ｎsec に設定したときの信号波形（Ａ）と、その周波
数スペクトル（Ｂ）である。横軸の目盛りは図３（Ｂ）
の場合と同じである。
供給されるパルス状の送信信号の波形（Ａ）と、その周
波数スペクトル（Ｂ）を示す特性図である。この送信信
号については、その電圧のピーク値が半分に低下する波
形の半値幅が 0.5ｎsec に設定されている。従来の地中
アンテナ装置では、上記（１）式に従って、半値幅が0.
5ｎsec のパルス状の送信信号を供給することにより、
ダイポールアンテナの全長にわたって半波長の定在波が
出現する最低次の共振を実現させていた。図３（Ｂ）の
横軸は左端が１kHz 、一目盛りが250 MHz である。従っ
て、横軸の右端が約2.5 GHz 、中央部が約1.25GHz であ
る。図４は、送信信号の半値幅を図３の場合の３倍の1.
5 ｎsec に設定したときの信号波形（Ａ）と、その周波
数スペクトル（Ｂ）である。横軸の目盛りは図３（Ｂ）
の場合と同じである。
【００２７】図５は、図１の構造のダイポールアンテナ
における送受折り返しの総合の指向特性を示す実験デー
タである。この実験データは、水槽中に図１のダイポー
ルアンテナを設置し、送信専用アンテナから電磁波を送
信し、このアンテナの前方所定距離の種々の方向におい
て水槽中に設置した円柱形状の導体で送信電磁波の反射
波を発生させ、この反射波を受信専用アンテナで受信し
た場合の受信信号のレベルを測定し、上記導体の設置方
向と受信信号のレベルとの関係をプロットしたものであ
る。水槽を使用したのは、比誘電率８０の水によって地
中の高い誘電率の状態を模擬するためである。
における送受折り返しの総合の指向特性を示す実験デー
タである。この実験データは、水槽中に図１のダイポー
ルアンテナを設置し、送信専用アンテナから電磁波を送
信し、このアンテナの前方所定距離の種々の方向におい
て水槽中に設置した円柱形状の導体で送信電磁波の反射
波を発生させ、この反射波を受信専用アンテナで受信し
た場合の受信信号のレベルを測定し、上記導体の設置方
向と受信信号のレベルとの関係をプロットしたものであ
る。水槽を使用したのは、比誘電率８０の水によって地
中の高い誘電率の状態を模擬するためである。
【００２８】図５で、白抜きの三角印( △ )はパルス状
の送信信号の半値幅が0.5nsec の場合の実験データ、バ
ツ印( × )は送信信号の半値幅が1.5 nsecの場合の実験
データ、塗りつぶしの四角は送信信号の半値幅が３nsec
の場合の実験データである。これら三つのデータは、正
面０°の方向の受信レベルが相互に一致するように規格
化されている。従来設定してきたように、送信パルスの
半値幅を0.5nsec とした場合、送受総合のアンテナの指
向性は、正面０°の方向で最大となる。これに対して、
送信パルスの半値幅を従来の３倍の1.5nsec と、６倍の
３nsecとに設定した場合、正面０°の方向の送受信の感
度よりも３０°乃至４０°の範囲の方向の送受総合の感
度の方が電圧の値で1.5 倍程度大きくなることが判明す
る。
の送信信号の半値幅が0.5nsec の場合の実験データ、バ
ツ印( × )は送信信号の半値幅が1.5 nsecの場合の実験
データ、塗りつぶしの四角は送信信号の半値幅が３nsec
の場合の実験データである。これら三つのデータは、正
面０°の方向の受信レベルが相互に一致するように規格
化されている。従来設定してきたように、送信パルスの
半値幅を0.5nsec とした場合、送受総合のアンテナの指
向性は、正面０°の方向で最大となる。これに対して、
送信パルスの半値幅を従来の３倍の1.5nsec と、６倍の
３nsecとに設定した場合、正面０°の方向の送受信の感
度よりも３０°乃至４０°の範囲の方向の送受総合の感
度の方が電圧の値で1.5 倍程度大きくなることが判明す
る。
【００２９】このように、従来の 0.5ｎsec よりも３倍
や６倍という大きな半値幅の送信信号を送信させること
により、正面方向から30乃至40°傾いた方向に最高の送
受総合の感度を出現させることががきる。この結果、図
６に例示するように、アンテナの送受総合の最大感度の
方向が、アンテナの法線ｎ（０°）の方向から角度θ
（30°乃至40°）だけずれることにより、一点鎖線で示
すドリルヘッドＰの進行方向に接近することを意味す
る。この結果、地中レーダ用アンテナ装置の死角が減少
する。
や６倍という大きな半値幅の送信信号を送信させること
により、正面方向から30乃至40°傾いた方向に最高の送
受総合の感度を出現させることががきる。この結果、図
６に例示するように、アンテナの送受総合の最大感度の
方向が、アンテナの法線ｎ（０°）の方向から角度θ
（30°乃至40°）だけずれることにより、一点鎖線で示
すドリルヘッドＰの進行方向に接近することを意味す
る。この結果、地中レーダ用アンテナ装置の死角が減少
する。
【００３０】また、従来は、電波吸収体Ｓを金属筐体の
開放端面に至るまで同一の厚みで覆っていた。この実施
例では、図１（Ｂ）と（Ｃ）とに示すように、電波吸収
体Ｓの厚みを開放端面に向けて次第に減少させることに
よりテーパー形状を設定している。この結果、開放端面
の近傍では金属筐体の側面が前方の地中に放射される電
波に対してその通路を仕切る導体の窓として機能する。
この結果、パルス状の送信信号の主要周波数成分を最低
時の共振周波数の数分の１以下に低下させたことにとも
ない、窓の開口寸法が狭められたと等価の結果となり、
この地中レーダ用アンテナ装置で最大感度が出現する方
向の正面からのずれ角度が一層増大されるものと考えら
れる。
開放端面に至るまで同一の厚みで覆っていた。この実施
例では、図１（Ｂ）と（Ｃ）とに示すように、電波吸収
体Ｓの厚みを開放端面に向けて次第に減少させることに
よりテーパー形状を設定している。この結果、開放端面
の近傍では金属筐体の側面が前方の地中に放射される電
波に対してその通路を仕切る導体の窓として機能する。
この結果、パルス状の送信信号の主要周波数成分を最低
時の共振周波数の数分の１以下に低下させたことにとも
ない、窓の開口寸法が狭められたと等価の結果となり、
この地中レーダ用アンテナ装置で最大感度が出現する方
向の正面からのずれ角度が一層増大されるものと考えら
れる。
【００３１】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明の地
中レーダ用アンテナ装置を構成するダイポールアンテナ
は、共振周波数の数分の１以下の低周波数成分を主体と
するパルス信号で励振される構成であるから、アンテナ
の法線から傾いたドリルヘッドの推進方向に電磁波を放
射し、この方向からの反射波を受信することが可能にな
り、死角が低減されるという効果が奏される。
中レーダ用アンテナ装置を構成するダイポールアンテナ
は、共振周波数の数分の１以下の低周波数成分を主体と
するパルス信号で励振される構成であるから、アンテナ
の法線から傾いたドリルヘッドの推進方向に電磁波を放
射し、この方向からの反射波を受信することが可能にな
り、死角が低減されるという効果が奏される。
【００３２】本発明の好適な実施の態様によれば、金属
製筐体の内壁面の電波吸収体は、この金属製筐体の開放
端面に向けて厚みが減少せしめられることにより、金属
窓の存在による感度の周波数依存性が促進される。
製筐体の内壁面の電波吸収体は、この金属製筐体の開放
端面に向けて厚みが減少せしめられることにより、金属
窓の存在による感度の周波数依存性が促進される。
【図１】本発明の一実施例の地中レーダ用アンテナ装置
を構成を示す正面図（Ａ）およびそのＢ−Ｂ' 断面図
（Ｂ）と、Ｃ−Ｃ' 断面図（Ｃ）である。
を構成を示す正面図（Ａ）およびそのＢ−Ｂ' 断面図
（Ｂ）と、Ｃ−Ｃ' 断面図（Ｃ）である。
【図２】上記実施例の地中レーダ用アンテナ装置が設置
されるドリルヘッドの斜視図である。
されるドリルヘッドの斜視図である。
【図３】パルス状の送信信号の波形（Ａ）の一例とその
周波数スペクトル（Ｂ）を示す特性図である。
周波数スペクトル（Ｂ）を示す特性図である。
【図４】図３の場合とは半値幅の異なる他のパルス状の
送信信号の波形（Ａ）の一例とその周波数スペクトル
（Ｂ）を示す特性図である。
送信信号の波形（Ａ）の一例とその周波数スペクトル
（Ｂ）を示す特性図である。
【図５】半値幅の異なる３種類の送信信号に対するアン
テナの送受総合の感度の実験データを示す特性図であ
る。
テナの送受総合の感度の実験データを示す特性図であ
る。
【図６】送受総合の最大感度の方向をアンテナの法線方
向から傾けることによってドリルヘッドの推進方向に接
近させるという本発明の効果を説明するための概念図で
ある。
向から傾けることによってドリルヘッドの推進方向に接
近させるという本発明の効果を説明するための概念図で
ある。
【図７】水平ボーリング工法を説明するための断面でで
ある。
ある。
【図８】上記水平ボーリング工法に使用するドリルヘッ
ドの問題点である死角の発生を説明するための断面図で
ある。
ドの問題点である死角の発生を説明するための断面図で
ある。
ＭＰ ダイポールアンテナを構成する２個の金属板
ＤＰ ダイポールアンテナの保持とレードームの液密
性の窓とを兼ねる誘電体板。 Ｓ フェライトなどを素材とする電波吸収体 ＢＬ 掘削刃 Ｐ ドリルヘッド Ｑ ボーリングロッド Ｒ 地上に設置される駆動装置 Ｏ 探索対象の地中の埋設物 Ｔ ケーブル
性の窓とを兼ねる誘電体板。 Ｓ フェライトなどを素材とする電波吸収体 ＢＬ 掘削刃 Ｐ ドリルヘッド Ｑ ボーリングロッド Ｒ 地上に設置される駆動装置 Ｏ 探索対象の地中の埋設物 Ｔ ケーブル
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考）
Ｈ０１Ｑ 17/00 Ｈ０１Ｑ 17/00
Claims (6)
- 【請求項１】１対の三角形状の金属板をそれぞれの頂点
を対向させて配置した平面型のダイポールアンテナを用
いた地中レーダ用アンテナ装置において、 前記ダイポールアンテナは、最低次の共振周波数の数分
の一以下の低周波数成分を主体とするパルス状の信号を
送信し、反射波を受信することを特徴とする地中レーダ
用アンテナ装置。 - 【請求項２】請求項１において、 前記ダイポールアンテナは、地中掘削機の先端部分にお
いて推進方向に対して傾いた状態で取付けられた金属製
の掘削刃の中心部分に取り付けられたことを特徴とする
地中レーダ用アンテナ装置。 - 【請求項３】請求項１と２のそれぞれにおいて、 前記ダイポールアンテナは、内壁面が電波吸収体で覆わ
れた金属製筐体の開放端面に設置されたことを特徴とす
る地中レーダ用アンテナ装置。 - 【請求項４】請求項１乃至３のそれぞれにおいて、 前記金属製筐体の内壁面の電波吸収体は、この金属製筐
体の開放端面に向けて厚みが減少せしめられたことを特
徴とする地中レーダ用アンテナ装置。 - 【請求項５】請求項１乃至４のそれぞれにおいて、 前記ダイポールアンテナの１対の三角形状の金属板のそ
れぞれは、前記金属製筐体の前記開放端面を覆う誘電体
板の裏面に保持されたことを特徴とする地中レーダ用ア
ンテナ装置。 - 【請求項６】請求項１乃至５のそれぞれにおいて、 前記ダイポールアンテナは、送信専用アンテナと受信専
用アンテナとが隣接して配置されたことを特徴とする地
中レーダ用アンテナ装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001284349A JP2003090885A (ja) | 2001-09-19 | 2001-09-19 | 地中レーダ用アンテナ装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001284349A JP2003090885A (ja) | 2001-09-19 | 2001-09-19 | 地中レーダ用アンテナ装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003090885A true JP2003090885A (ja) | 2003-03-28 |
Family
ID=19107685
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001284349A Pending JP2003090885A (ja) | 2001-09-19 | 2001-09-19 | 地中レーダ用アンテナ装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003090885A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2017511875A (ja) * | 2014-01-30 | 2017-04-27 | スリーディ−レーダー アクティーゼルスカブ３Ｄ−Ｒａｄａｒ Ａｓ | 地中レーダー用アンテナシステム |
| JP6397151B1 (ja) * | 2018-04-26 | 2018-09-26 | 藤井 健之 | 地盤調査方法 |
| EP4246134A4 (en) * | 2020-11-12 | 2024-10-02 | Sony Group Corp | SENSOR DEVICE |
-
2001
- 2001-09-19 JP JP2001284349A patent/JP2003090885A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2017511875A (ja) * | 2014-01-30 | 2017-04-27 | スリーディ−レーダー アクティーゼルスカブ３Ｄ−Ｒａｄａｒ Ａｓ | 地中レーダー用アンテナシステム |
| JP6397151B1 (ja) * | 2018-04-26 | 2018-09-26 | 藤井 健之 | 地盤調査方法 |
| JP2019190165A (ja) * | 2018-04-26 | 2019-10-31 | 藤井 健之 | 地盤調査方法 |
| EP4246134A4 (en) * | 2020-11-12 | 2024-10-02 | Sony Group Corp | SENSOR DEVICE |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20041220 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20050301 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20050420 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20050531 |