JP2023057645A - 地中レーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高速移動時のレーダ信号と探査位置の整合性を確保できる地中レーダ装置を提供する。【解決手段】地中レーダ装置は、探査用の電磁波を地中に送信する送信機１９，２１，２２と、地中で反射した電磁波を受信する受信機２３，２４と、受信機から出力されるＡスコープ信号を処理する処理装置１０とを備える。処理装置は、受信機からＡスコープ信号を所定の時間間隔で連続的に取得してサンプリングし、サンプリングした各データに対して位置情報を付与し、これら位置情報をもとにＡスコープ信号を再構成する、ことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、地中に電磁波を照射して反射波を計測し、埋設物や内部構造物を探査する地中レーダ装置に関する。

従来、地中レーダ装置の受信回路方式として、サンプラー方式が多く用いられている（例えば特許文献１参照）。この方式では、短時間のパルス性もしくはバースト性のレーダ受信信号を時間伸長した相似波形として受信する。

サンプラー方式は、サンプリング点数と参照信号の繰り返し時間間隔によって、１回のＡスコープ信号（地点計測情報）の取得が決まる。例えば、実時間で１００ｎｓのレーダ信号を１ｎｓ間隔で１００点サンプリングしようとすると、参照信号の繰り返し時間間隔が１μｓの場合、「１００ｎｓ／１ｎｓ×１μｓ＝１００μｓ」の時間を要する。また、Ａスコープ信号の取得を行うタイミングは、レーダの移動距離に応じたトリガによるものが一般的である。

特開２０２０－０２４１６３号公報

ところで、通常、１回のＡスコープ信号の取得動作Ｔａは、レーダの移動トリガ発生間隔Ｔｄに対して十分に短く時間設計される（Ｔａ＜Ｔｄ）。
しかし、参照信号の繰り返し時間は、レーダの出力電力や受信感度に影響するため、設定の自由度が比較的低い。その上、例えばレーダを車載して走行するなど、レーダの移動トリガ発生間隔が短くなるにつれて、「Ｔａ＞Ｔｄ」となる場合が生じ得る。

この場合、次の２通りの動作が考えられる。第１は、Ａスコープ信号の取得中に次の移動トリガが入力された時点で、それ以降のサンプリングを中断して、Ａスコープの取得を最初のサンプリングから行うことである。第２はＡスコープ信号の取得中に、次の移動トリガが入力された場合でも、Ａスコープ信号の取得を継続し、当該のトリガを無効とすることである。
何れにしても探査データの欠損が発生し、Ｂスコープデータの生成に不都合が生じることになる。

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、高速移動時のレーダ信号と探査位置の整合性を確保できる地中レーダ装置を提供することにある。

本発明の一態様に係る地中レーダ装置は、探査用の電磁波を地中に送信する送信機と、地中で反射した電磁波を受信する受信機と、前記受信機から出力されるＡスコープ信号を処理する処理装置とを備え、前記処理装置は、前記受信機からＡスコープ信号を所定の時間間隔で連続的に取得してサンプリングし、サンプリングした各データに対して位置情報を付与し、これら位置情報をもとにＡスコープ信号を再構成する、ことを特徴とする。

本発明では、Ａスコープ信号のサンプリングデータの1点ごとにレーダの移動と位置に関する情報を付与し、それをもとに所望の位置におけるＡスコープ信号を再構成するので、Ａスコープ信号のサンプリングデータ取得時間と、移動距離によるトリガ時間間隔の大小関係に依らず、欠損のない探査データ（Ｂスコープデータ）の生成が可能となる。
従って、本発明によれば、高速移動時のレーダ信号と探査位置の整合性を確保できる地中レーダ装置を提供できる。

本発明の第１実施形態に係る地中レーダ装置の概略構成を示すブロック図である。 図１における再構成処理部の動作を示すフローチャートである。 図１に示す地中レーダ装置におけるサンプリング点の位置情報と深度との関係を示す模式図である。 地中レーダの移動速度が超過した場合のサンプリング点の位置情報と深度との関係を参考例として示す模式図である。 図１に示す地中レーダ装置の動作について説明するための模式図である。 図１に示す地中レーダ装置の動作の変形例について説明するための模式図である。 本発明の第２実施形態に係る地中レーダ装置の概略構成を示すブロック図である。 図７に示す地中レーダ装置の動作について説明するための模式図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る地中レーダ装置の概略構成を示している。この地中レーダ装置は、車輪や駆動機構を持った台車などの移動体に搭載されて、移動しつつ地中探査を行うものである。

すなわち、処理装置１０は、位置情報処理部１１、タイミング制御部１２、相関処理部１３、Ａ／Ｄ処理部１４及び再構成処理部１５等を備えている。具体的には、例えば地中探査用のプログラムを搭載したパーソナルコンピュータで構成され、ユーザは計測結果を表示部１６によって観察できるとともに、各種計測パラメータの設定、信号処理に関する条件設定、計測結果の表示のためのデータ処理方法の選択等を、入力部１７の操作で指示可能になっている。

位置情報取得部１８は、ＧＰＳ受信機（あるいはエンコーダ）、速度計、加速度計等を備えており、測定点である探査位置を計測して位置情報として位置情報処理部１１に出力する。位置情報処理部１１は、この位置情報を処理してタイミング制御部１２に出力する。タイミング制御部１２は、Ｔｘ信号発生部１９及びＬｏ信号発生部（参照信号発生部）２０の動作タイミングを、位置情報に基づいて制御する。

Ｔｘ信号発生部１９で発生された送信信号は、送信アンプ部２１に入力されて増幅され、送信アンテナ２２から地中に送信される。Ｔｘ信号発生部１９、送信アンプ部２１及び送信アンテナ２２は、探査用の電磁波の送信機として働く。地中からの反射波は、受信アンテナ２３で受信され、受信信号が受信アンプ部２４で増幅される。受信アンテナ２３と受信アンプ部２４は、地中で反射した電磁波を受信する受信機の一部として機能する。

この受信アンプ部２４で増幅された受信信号とＬｏ信号発生部２０で発生された参照信号はそれぞれ、相関処理部１３に入力されて相関が取られる。相関処理部１３の出力は、Ａ／Ｄ処理部１４に入力されてアナログ／デジタル変換され、サンプリング信号として再構成処理部１５に入力される。この再構成処理部１５には、タイミング制御部１２から出力される位置情報が入力されており、取得したサンプリング信号と位置情報を照合して再構成処理されたＡスコープ信号（地点計測情報）が表示部１６に表示されるようになっている。

Ａスコープ信号は、特定測定点での探査によって得た検出信号の受信強度を、電波の送信から受信までに経過した遅延時間又は反射時間の関数として表した波形パターンである。また、Ｂスコープデータ（経路断面計測情報）は、検出信号の受信強度を、遅延時間と移動距離との関数で表したチャートである。具体的には、Ａスコープ信号は、検出信号の強度分布を、一方の軸を反射時間（又は深さ方向の距離）とし他方の軸を信号強度として表した強度波形である。また、Ｂスコープデータは、移動体の移動経路に沿った多数の測定点で収集した検出信号の強度分布を、一方の軸を反射時間（又は深さ方向の距離）とし、他方の軸を経路方向の距離として、２軸方向の位置の関数として２次元的強度分布として表示する２次元画像データである。

図２は、図１における再構成処理部１５の動作を示すもので、レーダの１ラインを生成するフローチャートである。再構成処理部１５は、Ａ／Ｄ処理部１４から出力されるサンプリング信号を取得し（ステップＳ１）、タイミング制御部１２から出力される位置情報と照合する（ステップＳ２）。
次のステップＳ３で、既定のサンプリング数を取得したか否か判定し、取得したと判定されるとＡスコープ構成処理を実施する（ステップＳ４）。

一方、ステップＳ３で、既定のサンプリング数を取得ていないと判定されると、位置情報が変化したか否か判定し（ステップＳ５）、位置情報が変化したと判定された場合には、不足分の構成に必要なサンプリング数を取得したか否か判定する（ステップＳ６）。
そして、必要なサンプリング数を取得したと判定されると、ステップＳ４に移動してＡスコープ構成処理を実行する。ステップＳ５で位置情報が変化していないと判定された場合、ステップＳ６で必要なサンプリング数を取得していないと判定された場合には、ステップＳ１に戻ってサンプリング信号の取得を行う。

図３は、上述したような地中レーダ装置におけるサンプリング点の位置情報と深度との関係を示している。ここで、○印はサンプリング点であり、一点鎖線で囲んだサンプリング群をＡスコープと呼ぶ。これらサンプリング群には、位置情報が紐付いている。地中レーダ装置は移動しているので、サンプリングの最初と最後で位置情報のずれがあるが、この誤差は非常に小さいものなので無視するものとする。

地中レーダ装置が所定間隔移動すると、タイミング制御部１２からトリガを発生し、このトリガに連動してＡスコープを測定する。地中レーダ装置が横方向の矢印で示すように移動すると、トリガから順次深度が深くなるサンプリング群（Ａスコープ）が得られる。

図４は、地中レーダの移動速度が超過した場合のサンプリングの位置情報と深度との関係を参考例として示している。「位置＝１」の測定が終了する前に、「位置＝２」のトリガが発生すると、×印で示すように「位置＝１」の測定が中断され、正常なデータを取得することができない。

そこで、本発明においては、地中レーダ装置の移動によるトリガとは無関係に、Ａスコープ信号取得のサンプリング動作を連続的に行うようにしている。各サンプリング点のデータに対し、地中レーダ装置の移動（位置）に関する情報を付与し、サンプリングデータ単位で地中レーダ装置の位置を結びつける。そして、Ｂスコープデータ生成時において必要となる位置間隔に応じて、サンプリング点に付与された情報をもとにＡスコープ信号を再構成する。

この際、求める地中レーダ装置の位置に結びつけられたサンプリングデータが不足している場合には、その隣接する前後位置に結びつけられたサンプリングデータから必要なデータを補間して生成する。

図５は、図１に示した地中レーダ装置の動作を説明するための模式図であり、上述した説明の具体例を示している。まず、暫定のＡスコープ信号を一定時間間隔で連続的に取得する。このとき、各サンプリング点に対して位置情報を付与しておく。その後、各サンプリング点に紐づけられた位置情報をもとに最終的なＡスコープ信号を再構成する。

地中レーダ装置が矢印方向に移動するとトリガが発生し、このトリガとは無関係にＡスコープ信号取得のサンプリング動作が連続的に実行される。すなわち、時刻ｔ１にトリガが発生するとサンプリング群１が取得され、時刻ｔ２にトリガが発生するとサンプリング群２が取得され、時刻ｔ３にトリガが発生するとサンプリング群３が取得される。同様に、時刻ｔ４にトリガが発生するとサンプリング群４が取得され、時刻ｔ５にトリガが発生するとサンプリング群５が取得される。

そして、二点鎖線で示す「位置＝２」のサンプリング群を中心にＡスコープ信号を生成する。「位置＝２」のサンプリングだけでＡスコープ信号を生成できない場合は、周辺からデータを補間（または推定）する。図５では、破線で囲んで示すサンプリング点ＳＰ１とＳＰ２のデータが欠損するので、周辺のサンプリング点からデータを補間または推定する。そして、各サンプリング点の位置情報をもとにＡスコープ信号を再構成する。

このように、サンプラー方式を用いる地中レーダ装置において、Ａスコープ信号のサンプリングデータの１点ごとにレーダの移動と位置に関する情報を付与し、それをもとに所望の位置におけるＡスコープ信号を再構成することによって、Ａスコープのサンプリングデータ取得時間と、移動距離によるトリガ時間間隔の大小関係に依らず、欠損のない探査データ（Ｂスコープデータ）の生成が可能となる。
従って、本発明によれば、高速移動時のレーダ信号と探査位置の整合性を確保できる。

＜変形例＞
図６は、図１に示す地中レーダ装置の動作の変形例を示している。本変形例が上述した例と異なるのは、Ａスコープのサンプリング群を、時間軸（深度軸）に対して時系列ではなくランダムに行う点にある。これは、サンプリング点の欠損が一律とならないようにすることで、補間部の精度低下を抑制するためである。
但し、一定の取得時間内において取得されるデータは、サンプリング点に対して一律とする。

すなわち、一点鎖線で囲んで示すように、Ａスコープ（「時間＝１」、「時間＝２」、「時間＝３」、…）のサンプリングを深度順ではなく、ランダムに実行する。そして、二点鎖線で囲んで示すように、「位置＝２」のサンプリング点を中心にＡスコープ信号を生成する。「位置＝２」のサンプリングだけでＡスコープを生成できない場合は、周辺からデータを補間（または推定）する。

図６では、サンプリング点ＳＰ３とＳＰ４のデータが欠損するので、周辺のサンプリング点からデータを補間または推定し、各サンプリング点の位置情報をもとにＡスコープ信号を再構成する。
図示しないが、「位置＝３」、「位置＝４」のサンプリングもランダムに実行することで、データの欠損位置が分散し、補間位置が同じ深さに集中するのを抑制できる。これによって、補間性能を向上させることができる。

［第２実施形態］
図７は、本発明の第２実施形態に係る地中レーダ装置の概略構成を示しており、サンプリング点の異なる複数系統の受信回路を設けたものである。処理装置１０’は、位置情報処理部１１、タイミング制御部１２、相関処理部１３－１、Ａ／Ｄ処理部１４－１、相関処理部１３－２、Ａ／Ｄ処理部１４－２及び再構成処理部１５等を備えている。具体的には、第１実施形態と同様に、例えば地中探査用のプログラムを搭載したパーソナルコンピュータで構成され、ユーザは計測結果を表示部１６によって観察できるとともに、各種計測パラメータの設定、信号処理に関する条件設定、計測結果の表示のためのデータ処理方法の選択等を、入力部１７の操作で指示可能になっている。

位置情報取得部１８は、ＧＰＳ受信機（あるいはエンコーダ）、速度計、加速度計等を備えており、測定点である探査位置を計測して位置情報として位置情報処理部１１に出力する。位置情報処理部１１は、この位置情報を処理してタイミング制御部１２に出力する。タイミング制御部１２は、Ｔｘ信号発生部１９、Ｌｏ信号発生部（参照信号発生部）２０－１、及びＬｏ信号発生部（参照信号発生部）２０－２の動作タイミングを、位置情報に基づいて制御する。

Ｔｘ信号発生部１９で発生された送信信号は、送信アンプ部２１に入力されて増幅され、送信アンテナ２２から地中に送信される。Ｔｘ信号発生部１９、送信アンプ部２１及び送信アンテナ２２は、探査用の電磁波の送信機として働く。地中からの反射波は、受信アンテナ２３で受信され、受信信号が受信アンプ部２４で増幅される。受信アンテナ２３と受信アンプ部２４は、地中で反射した電磁波を受信する受信機の一部として機能する。

この受信アンプ部２４で増幅された受信信号は、相関処理部１３－１と相関処理部１３－２に入力される。相関処理部１３－１では、受信アンプ部２４から入力された受信信号とＬｏ信号発生部２０－１から入力された参照信号との相関が取られる。相関処理部１３－２では、受信アンプ部２４から入力された受信信号とＬｏ信号発生部２０－２から入力された参照信号との相関が取られる。このように、本第２実施形態では、サンプリング点の異なる複数の受信系（第１、第２の処理経路）を設けている。

相関処理部１３－１の出力は、Ａ／Ｄ処理部１４－１に入力されてアナログ／デジタル変換され、サンプリング信号として再構成処理部１５に入力される。また、相関処理部１３－２の出力は、Ａ／Ｄ処理部１４－２に入力されてアナログ／デジタル変換され、サンプリング信号として再構成処理部１５に入力される。再構成処理部１５には、タイミング制御部１２から出力される位置情報が入力されており、取得したサンプリング信号と位置情報を照合して再構成処理されたＡスコープ信号が表示部１６に表示されるようになっている。

図８は、図７に示す地中レーダ装置の動作について説明するための模式図である。本第２実施形態では、深度が異なる２系統のサンプリング回路を設け、それぞれの系統のサンプリングを行っている。
このように、サンプリング回路を２経路有する地中レーダ装置においても、各サンプリングに位置情報を設けることで適切なデータ生成と再構成が可能となる。

本第２実施形態によれば、高速移動時のレーダ信号と探査位置の整合性を確保できるだけでなく、Ａスコープのサンプリングデータ取得時間と、移動距離によるトリガ時間間隔の大小関係に依らず、欠損のない探査データ（Ｂスコープデータ）の生成が可能となる。
なお、系統ごとサンプリング点の分割は、時間軸（深度軸）でまとまって分割されてもよいし、交互にずらした分割としてもよい。

以上の第１、第２実施形態と変形例で説明された回路構成や動作手順等については、本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものに過ぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

１０，１０’…処理装置、１１…位置情報処理部、１２…タイミング制御部、１３，１３－１，１３－２…相関処理部、１４，１４－１，１４－２…Ａ／Ｄ処理部、１５…再構成処理部、１６…表示部、１７…入力部、１８…位置情報取得部、１９…Ｔｘ信号発生部、２０，２０－１，２０－２…Ｌｏ信号発生部（参照信号発生部）、２１…送信アンプ部、２２…送信アンテナ、２３…受信アンテナ、２４…受信アンプ部

Claims (6)

1. 探査用の電磁波を地中に送信する送信機と、地中で反射した電磁波を受信する受信機と、前記受信機から出力されるＡスコープ信号を処理する処理装置とを備え、
   前記処理装置は、前記受信機からＡスコープ信号を所定の時間間隔で連続的に取得してサンプリングし、サンプリングした各データに対して位置情報を付与し、これら位置情報をもとにＡスコープ信号を再構成する、ことを特徴とする地中レーダ装置。
2. 前記処理装置は、位置情報をトリガにしてＡスコープ信号を時系列にサンプリングする、ことを特徴とする請求項１に記載の地中レーダ装置。
3. 前記処理装置は、位置情報をトリガにしてＡスコープ信号をランダムにサンプリングする、ことを特徴とする請求項１に記載の地中レーダ装置。
4. 前記処理装置は、前記位置情報をトリガにしたサンプリングが終了する前に、次の位置情報によるＡスコープ信号取得のトリガが発生した場合に、欠損したサンプリングデータを周辺のサンプリングデータから補間または推定する、ことを特徴とする請求項２又は３に記載の地中レーダ装置。
5. 前記処理装置は、前記位置情報をトリガにしてＡスコープ信号を第１、第２の処理経路でサンプリングする、ことを特徴とする請求項１に記載の地中レーダ装置。
6. 前記探査用の電磁波に対応する参照信号を発生する参照信号発生部と、
   前記送信機及び前記参照信号発生部の動作タイミングを、位置情報に基づいて制御するタイミング制御部とを更に備え、
   前記処理装置は、前記受信機からのＡスコープ信号と前記参照信号発生部からの参照信号との相関を処理する相関処理部と、この相関処理部の出力信号をアナログ／デジタル変換するＡ／Ｄ処理部と、このＡ／Ｄ処理部から出力されるサンプリング信号と前記タイミング制御部から出力されるタイミング信号とに基づいて、前記Ａスコープ信号を再構成する再構成処理部とを備える、ことを特徴とする請求項１に記載の地中レーダ装置。

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