JP2779552B2 - タイム・ドメイン反射測定システムにおいて明瞭な大きい振幅のタイミング・マーカーを発生させるための装置及び方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 1.技術分野 本発明は、概略的には、水分又は他の液体含有量を計
測するべく物質中に挿入された伝達ライン、即ちプロー
ブに沿うRFパルスの伝播速度の測定、あるいは、容器内
の物質レベルの計測、あるいは物質の誘電率の測定に用
いられるタイム・ドメイン反射測定システム（以下、
「TDR」という。）に関するものである。より具体的に
は、本発明は、自動化された電子的処理、計測及び表示
システムによるのと同様に目視観測及び手動法のいずれ
によっても容易に識別可能かつ計測可能な１又はそれ以
上の明瞭で大きな振幅のタイミング・マーカーを設定す
るための、少なくとも１つの、かつ好ましくは２又はそ
れ以上の遠隔操作可能な能動的で通常オープンの可変イ
ンピーダンス装置が用いられる改良された伝達ライン・
プローブ及び／又はプローブ・アダプターに関するので
ある。

より具体的には、かつ１つの好ましい実施例において
は、本発明−−−土壌化学、水分学、農業、苗床の分
野、及び類似の土壌／水分環境において特に有利な、し
かしこれ以外のものを排除するものではない使用法を見
出す発明−−−は、単に例示するならば、プローブに沿
って選択され、既知の間隔をあけられた、X1,X2・・・X
nにおいて、水分感知プローブを規定する平行な伝達ラ
インを相互連結する少なくとも一つのかつ好ましくはｎ
対（ここで“n"はあらゆる所望の整数）のPINダイオー
ドのような、受動的でなく能動的な可変インピーダンス
装置を含む方法及び装置に関している。このように配置
する結果として、いずれかの所与の可変インピーダンス
装置、即ちダイオードがその導電状態にバイアスされる
と、その結果生じる電気的な短絡が電気的不連続部を生
成する。この電気的不連続部は、明瞭で振幅が大きく、
容易に識別かつ計測可能なタイミング・マーカーTnを設
定するTDR機器に大きな振幅の反射を伝達するのに役立
つ。しかしながら、この可変インピーダンス装置即ちダ
イオードが非導電状態、即ち、オープン状態にバイアス
されると、電磁パルスは、伝達ラインの本来のインピー
ダンス特性に本質的に起因する減衰を除き、変化なく伝
達ラインを伝播してゆく。

別言すれば、プローブに取付けられた遠隔操作される
能動的な可変インピーダンス装置は、伝達ラインにおい
て短絡された電気的不連続部を生成するべく導電状態に
バイアスされると、この可変インピーダンス装置が配置
された上記プローブに沿う特定の点X1,X2・・・Xnにお
いてそれぞれ発生させられる反射T1,T2・・・Tnの振
幅、即ち上記反射の検知性及び計測性を著しく高めるの
に役立つ。

所望の反射の有効振幅を著しく増大させ、同様に、例
えば不適合かつ安価な電気部品に起因して生じる背景雑
音及び例えば層をなした土壌の層の境界からの偽の反射
のようなその他の偽の不連続点を著しく低減及び／又は
消失させるようにして、波形計算技術を含む差動検出装
置及び方法を用いれば、本願発明は特に有利に使用する
ことができる。

可変インピーダンス装置を用いるプローブは、質問信
号を受ける事ができ、かつ、従前のTDR装置を用いた差
動検知技術を用いることができる。あるいは、他の重要
な側面において、本発明は１又はそれ以上の正確なタイ
ミング・マーカT1,T1・・・Tnにおいて信号を処理する
ための同期検出技術を用いることができる。この場合、
上記のような信号は短絡可能なダイオードあるいは同様
な短絡可能な可変インピーダンス装置からのプローブ反
射を表しており、遠隔的に短絡可能なダイオードのON/O
FF変調が行える。

他の実施例では、プローブが遠隔的に短絡可能なイン
ピーダンス装置の機能を備えていない場合や、プローブ
が単に単一の遠隔的に短絡可能なインピーダンス装置を
備えている場合において、反射を選択処理することがで
きる。本発明は、最初と２番目のプリセット時間遅延
T_A,T_Bを設定し、振幅が反射波の勾配に比例するサンプ
ル・アンド・ホールド回路からの矩形波出力信号を発生
させるように二つのプリセット遅延回路間を素早く切り
換えることにより、時間遅延変調を行うことができる。
この信号は次に、同期検出技術を用いて処理される。苗
床に見られるような比較的均質な土壌を扱う場合、時間
T2での伝達ライン／プローブの端部における自然反射が
特に大きくかつ歪みがないことから、上記のような装置
は特に有用である。

後述されるように、本発明は、特に農業の分野あるい
は土壌化学及び水分学に関する分野において特に有利な
応用が見出されることから、土壌の水分含有量の検知及
び計測、並びテスト中の土壌媒質の水分分布を与えるた
めのTDRシステムとの関連において説明される。しかし
ながら、後述することからわかるように、本発明は、土
壌水分含有量の計測及び／又は水分分布の生成に限定さ
れるものではなく、むしろ、テスト中の媒体が、例えば
土や砂あるいはこれに類するもの−−例えば穀物−−以
外の粒状の及び／又は微粒子状の物質を含んでおり、し
かも体積含有量が問題となる液体が水以外の−−例えば
アルコールあるいはこれに類するものである環境におけ
る有益な応用をも見出しうることが当業者に理解されよ
う。さらには、貯蔵容器内の液体の水位や乾いた粒状固
体のレベルを計測したり、あるいはプローブがその中を
延入するどのような固体物質の誘電率Ｋを測定するのに
も本発明を用いうることが当業者に理解されよう。した
がって、「土壌」、「水」、「水分」といった用語は、
本明細書及び添付の特許請求の範囲において非限定的な
意味で用いられており、かつ、単に記述的な目的で用い
られていることが理解されよう。

2.背景技術 もちろん、当業者は、DTR装置及び方法が、これには
限定されないが土壌含有水分量の計測及び類似の物質の
液体含有量の計測を含む広い範囲の異なる応用において
長年にわたって広く用いられてきたことを認識していよ
う。このようなシステムは次のような原理に基づいてい
る。水の誘電率Ｋが約80−−例えば23℃において78.9−
−である一方、種々の物質の誘電率は既知であり、かつ
著しく低い−−例えば殆ど乾燥した土壌固形物の誘電率
は約２から約５の範囲である−−ことから、土壌又は他
の物質資料の誘電率の測定が、土壌の水分含有率あるい
は他の物質の水分含有率あるいはその他の誘電特性のた
めの優れた基準を与えるという原理に基づいている。そ
して、水分を含んだ土壌の資料やその他の水分を含んだ
物質の資料についての見掛け誘電率Kaがテストされる特
定の資料中に延出するRF伝達ラインを電磁波が通る時の
電磁波の伝播速度Ｖに直接関係があることも又知られて
いるので、TDRシステムは伝達ライン上の既知の間隔を
あけられた２点X1,X2での電気的な不連続部からの反射
の到達時間T1,T2を計測する際、既知の長さの伝達ライ
ンに沿って伝播する立ち上がり時間の速い電磁パルスを
提供するように設計されてきた。これにおいて、例え
ば、X1は同軸接続ケーブルが伝達ラインプローブに接続
されている空気／物質境界面を表し、X2は伝達ラインプ
ローブの遠方端を表している。これにより、電磁波の伝
播速度Ｖが計算でき、したがって、テストされ、伝達ラ
インプローブがその中に延出している物質の見掛けの誘
電率Kaが計算できる。このように計算された見掛けの誘
電率Kaは、問題としている誘電率とみることができる
か、又は、テスト物質の水分（又は他の液体）含有率を
直接的に示しているということもできる。

TDRシステムが例えば電気通信の分野のような農業以
外の分野において数十年間知られ、かつ使用されてきて
いる一方、TDRシステムの農業分野への応用、及び土壌
の水分含有率及び／又は水分の分布計測における使用の
ための応用は、1960年代後半から1970年代初めにかけて
真剣に研究され始めた。それ以前は、土壌水分含有量の
測定のためにより広く用いられたシステム及び／又は装
置は、単に例を上げれば、（ｉ）中性子変調又は分散、
（ii）中性子プローブ、（iii）ガンマ線減衰、（iv）
重力法及び温度重力法、（ｖ）漫漏法、（vi）張力計、
（vii）石膏ブロック法が含まれていた。これらの従来
法及びその使用において本来的に生じる欠点の幾つか
は、文献に説明が成されている。しかしながら、そのよ
うな既に知られた欠点にもかかわらず、このような従来
法は、TDRシステムを用いた設計、開発及び実験的な作
業が進展してきたのにともなって当分野で利用され続け
てきた。例えば土壌水分含有率の計測のためのTDRシス
テムの使用には、公知の従来システムに対して次に単に
例示するような多くの利点がある。

（ｉ）空間分解能に優れている。

（ii）土壌表面近くの計測ができる。

（iii）優れた多重通信能力がある。

（iv）土壌の破壊をほんのわずかとしながら現場におい
て迅速に計測が行える可能性がある、及び、 （ｖ）体積水分含有量の測定が大部分ではないにせよ多
くの土壌環境について土壌のタイプや塩分とは実質的に
独立したものとなる。

土壌の評価における著しい作業及びタイムドメイン反
射測定法を用いた様々な農業上の応用が過去において行
われ、かつ広く報告されてきた。このような作業の過程
で、幾つかの改良されかつ優れた伝達ラインあるいは伝
達プローブの形態が開発されてきた。

水分を含んだ土壌における伝達ライン即ち伝達プロー
ブに沿って伝達する場合の電磁波の伝播速度Ｖの測定
は、TDR土壌水分計測法の基礎となる。したがって、土
壌水分含有量の計測のための典型的な例では、距離X2−
X1（ここでX2は伝達ラインの端部を表し、X1は、例えば
同軸ケーブル／伝達ラインの境界を表す）によって分割
されたラインに沿う二つの既知の点X1,X2において物理
的な不連続点をもつ伝達ライン、即ちプローブが土壌中
に埋設される。点X1における不連続部からの反射がTDR
装置に到達する時間はT1で表すことができる一方、点X2
における不連続部からの反射がTDR装置に到達する時間
は、T2で表すことができる。したがって、伝播速度Ｖ
は、 この伝播速度Ｖは、通常、見掛けの誘電率の式を使っ
て空間での光の速さ（ｃ）に対して標準化される。

〔２〕 Ka＝（c/V）^２ そして、（ｃ）は既知の量であり、かつ伝播速度Ｖ
は、測定可能な量であるから、プローブをとりまく物質
の掛けの誘電率Kaは、例えば、テスト物質の水分含有量
の直接表示を与えるために計算され得る。水の誘電率Ｋ
と、最も乾燥した土壌固形物のそれとの間には大きな差
があるゆえに、水分を含んだ土壌の見掛けの誘電率Kaが
水の飽和度が上がるにつれて実質的に変化するという理
由のために、このようなことが可能なのである。

しかしながら、TDR計測システムにおいてこれまで遭
遇した最も重大な問題の１つは、T1,T2,X1,及びX2の実
際の値が極めて厳格であるという事実、及び、比較的小
さな誤差でさえ、テスト物質の見掛けの誘電率Kaの計算
において大きな誤差となりうるという事実にある。TDR
システムが容器中の物質レベルや液体の分布、あるいは
テスト物質の液体含有量を測定するために用いられる場
合、見掛け上の誘電率Kaの計算における誤差は、もちろ
ん、最終的な計算結果において重大な誤差を生じる結果
となる。

TDR装置に用いるための基本的なプローブの最低性能
及び設計基準には、例えば次のものが含まれる。

（ｉ）T1及びT2での反射の素早い立ち上がり時間、 （ii）得ることができる最大の振幅、即ち同軸連結ケー
ブルの閉塞していない端部からの反射の振幅の少なくと
も90％である、T1及びT2についての反射の振幅、 （iii）最小の電磁波の受信、 （iv）最小のコスト 受動的要素のみを用いるプローブは、上述の基準に適
合することができない。

点X1又はその近傍に反動要素又はインピーダンス変化
のような受動的な要素を付加することによってT1での反
射の振幅を増大させることができることが分かってい
る。１つの公知の従来例システムでは、例えば、同軸ケ
ーブルとの境界に隣接して、２本の平行なプローブ伝達
ラインの前端部にハンダ付けされた反対方向の２つの受
動ダイオードが用いられている。このようなアプローチ
はしかしながら、T1反射を生成するとともにT2反射の振
幅を著しく減少させる２つの受動ダイオードによって誘
発されるX1でのエネルギーロスのために、極めて制限さ
れることがわかっている。上記T2反射の振幅の著しい減
少は、上記のロスが２回、即ち、１回目は電磁波が同軸
ケーブル／伝達ラインを伝播するとき、そして、２回目
は点X2からの反射が伝達ライン／同軸ケーブルを通して
TDR装置に向かって通過するときに起こる。このような
問題は、減じられた高周波数伝達特性をもつ長い接続ケ
ーブル−−例えば長さにおいて100mあるいはそれ以上に
及ぶケーブル−−を使用することによって悪化させられ
る。

その結果として、このようなTDRシステムではケーブ
ル長さが制限され、かつ、弱いT2反射を検出するために
極めて高価な高性能TDR装置及び波形処理装置が必要と
なる。しかしながら、高価な高性能システムを用いて
も、弱いT2反射は、誤ったデータを発生しうるし、かつ
しばしばそのようになる。

ストリップ状のラインプローブあるいは伝達ライン−
−即ち、印刷回路基板上に形成された平行な導体ストリ
ップによって規定される概して１部材、ブレード状の一
体プローブ−−を用いることが説明されてきており、こ
れにおいて、２つの平行な導体ストリップは、ラインの
特有インピーダンスを減じるために絶縁材料で覆われる
というものである。

TDRシステムを用いた実験により、同軸ケーブルと２
つの導体プローブとの間のインピーダンスの不適合によ
り計測に誤差原因を招来することが明らかになった。し
たがって、上記のようなインピーダンス不適合を補償す
るためにバルン変成器を使用することが提案されてき
た。しかしながら、バルン変成器を用いることは、単に
システムのコストを著しく押し上げるのみならず、更
に、バルン変成器それ自体誤差問題の原因ともなる。

３又は４本ロッドのプローブ−−プローブと中間接続
同軸ケーブルとの間のインピーダンス不適合を最小にす
るべく形成されているという点において従前のプローブ
に対して著しく改善されているプローブ−−を用いる場
合、T2反射が土壌中の物理的及び／又は水分層によって
著しく低減され得るということがわかっている。したが
って、伝達ラインのインピーダンス特性を変化させるこ
のような層による不連続点によって反射がその振幅にお
いて減じられ、かつ、そのような層を成した不連続点に
おける伝送ラインインピーダンスの変化によって引き起
こされる中間反射は、望ましくない背景ノイズとなる。
このような背景ノイズは読み取り不良を引き起こし得る
のみならず、さらには、真のT2反射に融合して著しい遅
延誤差を生じさせる。実際のところ、多層化された土壌
については、T2反射はどのような従前から用いられてき
た検出／測定システムによっても検知不能となる。

多数セグメントによるプローブが説明されてきてお
り、これにおいては、伝達ラインは、たとえば、プロー
ブに用いられる中実真鍮ロッドの直径を選択された点に
おいて変更することにより、あるいは銀塗装によって被
覆されるとともに銅テープによってつながれた間隔をあ
けられた領域をもつ中実ポリスチレンで形成された伝達
ラインを採用することによって、ラインに沿う既知の位
置において電気的不連続点、及びこれによって変更され
るインピーダンス特性を生じさせるように設計される。
しかしながら、電気的不連続点からの中間反射は、伝達
ライン端部からの小さな自然反射に対してさえ振幅にお
いて小さくなり、その結果、信号／雑音比は、従前のT2
反射よりも低くさえなってしまう。このようなタイプの
プローブの現場での使用は、文献においてあまり報告さ
れてきてはいない。

コンピュータ制御によるTDRシステムは、多数の土壌
水分含有量計測を異なった場所において所定時間間隔で
行うための、かつ、層状化された土壌媒質とともに用い
るための、従来技術において説明されてきた自動化され
かつ多重送信型のTDRシステムもまた説明されてきた。
他の例では、土壌水分含有量は、手動制御のTDRシステ
ムで測定されてきている。

土壌水分含有量計測に関する一般的なTDR及び特定のT
DRの応用について、文献及び特許の双方にこれまで膨大
な報告がなされてきているにもかかわらず、現場で使用
可能な商業的に入手しうるシステムを含むTDR土壌水分
含有量計測システムをうまく装備するには、単に例を上
げるならば次のような多くの実用上の及び／又はコスト
に関する制限に悩まされ続けてきたことがわかってい
る。

（ｉ）従来のTDR機器、特に高性能TDR機器が複雑かつ高
コストであること、 （ii）比較的微弱な所望の反射の検出及び正確な計測及
び／又はこのような所望の反射の背景雑音からの判別に
おける困難性、 （iii）ほとんどの従前のTDRシステムが本来的に有する
信号／雑音比の低さ、 （iv）層状化された及び／又は高塩分土壌の土壌水分含
有量計測に信頼性がないこと、 （ｖ）伝達ラインが本質的にもつ信号減衰、そのために
長いケーブルの使用が妨げられ、それによって計測場所
が制限されたり、比較的広い土地の計測のために多重TD
Rシステムが必要となること、かつ、 （vi）単一の垂直プローブを用いた信頼性のある水分分
布の測定が不可能であること。

発明の概要 報告された従来技術のTDR法及び装置が本来的に有す
る上述したような実用上の及び／又はコストに関する制
限及び欠点は、本発明によって克服された。すなわち本
発明は受動的ではなくて能動的な遠隔操作しうる可変イ
ンピーダンス装置、単に例を上げればプローブの有効長
に沿って選ばれた既知の間隔をおいた点X1,X2・・Xnに
おいて平行な伝達ライン導体を相互連結する少なくとも
一対の、好ましくはｎ対（ここでｎは全ての所望の整
数）の短絡ダイオードを協働させる。このような配置の
結果として、可変インピーダンス装置を能動化すること
によって−−例えば、既知の選択された点Xnにおいて伝
達ラインを短絡するべく所与のダイオードDnを導通状態
にバイアスすることにより−−生じる各不連続点で発生
する反射は、それらが比較的大きな振幅を有するととも
に明瞭な信号となるということで特徴づけられる。要す
るに、これらの目的は、伝達されるパルスの振幅を増大
させる必要なく、むしろ容易に識別できる振幅と極性を
もつ明瞭なタイミング・マーカーT1,T1・・・Tnを設定
することができる遠隔操作可能な能動的要素をもったプ
ローブを採用することによって達成される。

より具体的には、本発明は、プローブ又はプローブア
ダプターに取付けられた遠隔操作される能動的な可変イ
ンピーダンス装置を採用して、T1,T2・・・Tn反射の振
幅を著しく増大させ、そしてそのためにそれらの反射の
検知可能性及び計測可能性を著しく高めている。遠隔操
作されるスイッチあるいは短絡ダイオードのような遠隔
操作される能動的な可変インピーダンス装置を用いる場
合、いずれかの所与の可変インピーダンス装置が伝達ラ
インを短絡させるべく導電状態とされると、強い負の反
射Tnが点Xnから反射し、このインピーダンス装置が遠隔
的に非導電状態にバイアスされると、回路は伝達ライン
の固有インピーダンス特性の結果としての本質的な減衰
を除いては変化することなしに、点Xnを通って電磁パル
スが伝達ラインを伝播するのを許容する。

プローブは、遠隔操作可能な可変インピーダンス装置
がこのプローブに沿って空気／土壌境界あるいはその他
の空気／物質境界、又は、境界とプローブ端、又は他の
間隔をあけて選択された点X1,X2・・・Xnを正確に規定
するように形づくられる。２つのダイオードあるいはそ
の他の可変インピーダンス装置が用いられる場合、それ
らは極性を逆にして組み込まれる。その結果、バイアス
挿入ネットワークが正の電圧出力を発生すると、例えば
点X1におけるダイオードD1がX1において伝達ラインを短
絡するべく導通状態となり、バイアス挿入ネットワーク
が負の電圧出力を発生すると、点X2におけるダイオード
D2が点X2において伝達ラインを短絡するべく導通状態と
なる。そして、バイアス挿入ネットワークが0Vの出力を
発生させると、ダイオードD1及びD2の双方がオープン状
態に維持され、不連続点が存在しなかったかのように伝
達パルス及び反射の伝播が許容される。

一対以上のダイオードあるいは他の可変インピーダン
ス装置が用いられる場合、プローブは、各部分境界に配
置されたダイオードをもつ多部分プローブとして形成さ
れる。このような配置では、ダイオードが第２及び付加
的な対のダイオード位置、−−即ち、ダイオード対D1/D
4・・・Dn−3/Dn−２のための別個上の制御ワイヤをも
って伝達ラインにAC接続されている必要がある。

本発明は、複数の別々の水分感知伝達ラインをその間
で相互接続するケーブルを用いて直列に連結することに
よって、かつ、直列に連結された伝達ラインの最初と最
後にダイオードD1及びD2を配置することにより、プロー
ブを平均化をプローブとして形成することができる。

他の重要な側面では、本発明は、第１及び第２の正確
なタイミング・マーカーT1,T2での信号処理のための同
期検知技術の使用を可能にしている。上記タイミング・
マーカーT1,T2での信号は、（ｉ）遠隔的に短絡可能な
ダイオードのON/OFF変調をするための、短絡可能なダイ
オード、あるいは同種の短絡可能な可変インピーダンス
装置、又は（ii）第１及び第２の時間遅延T_A,T_Bにおい
て、明瞭な反射を設定し、その反射の勾配に比例した振
幅をもつ矩形波を発生させる−−即ち時間遅延変調−−
を行うようにあらかじめセットされた時間遅延回路間を
高速で切り換えることができる可変時間遅延機構、のい
ずれかから発せられたプローブ反射を表している。

別言すれば、本発明の一般的な目的は、正確性、信頼
性及び大きさによって、したがってその観測可能性と計
測可能性によって特徴づけられる比較的大きな振幅で明
瞭なタイミング・マーカーT1,T1・・・Tnを生成するた
めの改良されたTDR方法及び装置を提供することであ
り、このような方法及び装置は、費用効率が高く、しか
も従来のTDRシステムの費用の数分の１で提供可能であ
る。

少なくとも一つの遠隔操作される能動的な可変インピ
ーダンス装置、かつ好ましくは１対又はそれ以上の対の
遠隔操作される能動的な可変インピーダンス装置、を採
用することによって従来技術のプローブに対して特徴づ
けられた改良されたプローブ及び／又はアダプターを提
供することも本発明の重要な目的である。

上記可変インピーダンス装置は、伝達ライン中に瞬間
的な短絡を達成するべく選択的に及び／又は順次的に導
通状態となることができ、これによって信頼性があり、
観測可能でありかつ測定可能なタイミング・マーカーと
しての役割をする比較的大きな振幅の反射Tnを発生させ
るための電気的不連続点を生成する。

これに関連して、TDRシステム内で用いるためのプロ
ーブ及び／又はプローブアダプターを提供することも本
発明の目的であり、これにおいて、伝達ラインプローブ
及び／又はアダプターには、正確なタイミング・マーカ
ーを設定するための、及びあらかじめ設定されかつ既知
の間隔をあけた点X1,X2・・・Xnにおいて、かつ正確に
計測された時間T1,T2・・・Tnにおいて最大振幅の反射
を提供するための差動検出装置及び方法を容易に採用す
ることができる、遠隔操作可能な能動的な可変インピー
ダンス装置が設けられる。

本発明のその他の重要な目的においては、本発明は、
波形減算技術を容易に用いることができる。この技術
は、例えば、不適合かつ安価な構成物についてしばしば
見られる見せ掛けの反射に対してシステムをより寛大な
ものとし、これによって、より単純で、したがって、よ
り安価なTDR機器を用いてシステムを設計することが可
能となる。さらに、波形減算技術は又、例えば層状化さ
れた土壌からの不要な反射及びこれに類する不要な不連
続点の反射に起因する背景雑音を低減するのに有用であ
る。

著しく大きなTn反射のために安価なケーブル及び多重
伝送装置の使用を可能とするTDRシステムを提供するこ
とは、本発明にかかる目的である。このようなTDRシス
テムは又、より長いケーブルの使用を可能とし、そのた
めにカバーしうる範囲が広くなり、これらは全てシステ
ム全体のコストを著しく低減する結果となる。

本発明のより詳細な目的は、ｎの遠隔操作可能で能動
的な短絡ダイオード（ここでｎは全ての所望の整数）に
よって規定されるｎのあらかじめ設定された正確かつ既
知のタイミング・マーカーにおいて、ｎの反射を信頼性
よく検知する能力によって特徴づけられるTDRシステム
を提供することである。信号／雑音比での著しい改善に
よって特徴づけられるTDRシステムを提供することも又
本発明の目的である。この目的を達成するため、本発明
は、正確なタイミング・マーカーを設定するための、か
つ次の結果をもたらす差動検知技術と組合せて使用する
ことができる。遠隔的に操作しうる、能動的な可変イン
ピーダンス装置−−たとえばダイオードを採用してい
る。（ｉ）所望の信号反射の有効振幅の増大、（ii）背
景雑音の著しい低減、及び（iii）信号／雑音比の著し
い改善。差動検知技術の１つの例は、波形減算技術であ
り、全ての背景雑音を実質的に消失させることができる
技術である。

各目的を達成した結果、塩分を含んだあるいは層状化
された土壌の体積水分含有量の正確な測定を行うことが
可能である。さらには、少なくとも100mのオーダーに及
ぶ長さをもつ比較的長い同軸の相互接続ケーブルを用い
て土壌水分含有量及び／又は他の物質の液体含有量の正
確かつ信頼性ある計測を行うこと、及び、反射信号が25
00対１のオーダーに及ぶ比率で減じられた場合でさえ、
所望の反射信号の到達時間を正確に検出することが可能
である。土壌水分及び／又は他の物質の液体含有量の迅
速かつ信頼性ある計測は、手動又は自動化された処理、
読み取り技術並びに装置のいずれかを用いて広い範囲の
作動条件にわたって達成される。加えて、容器内の物質
レベルの正確かつ信頼性ある計測が可能であり、同様に
土壌、粒状物、微粒状物質、固形物質、あるいはこれに
類するものを含む試験中の種々の材料の誘電率Ｋを計測
することができる。さらには、多重伝送技術を用いて複
数の伝達ラインプローブを用いることができ、これにお
いて、同軸状のスイッチ装置が個々のプローブと、プロ
ーブにおける切替え可能な可変インピーダンス装置を選
択的に導通状態又は非導通状態とするために用いられる
バイアス挿入ネットワークとの間に介装される。

図面の説明 本発明のその他の目的及び利点は、以下の詳細な説明
を読むことにより、かつ添付図面を参照することによ
り、より容易に理解されよう。

図１は、高度に図式化され、概略化された一部断面分
解ブロック線図であり、単に例をあげれば、土壌環境の
ようなテスト物質中の水分含有量の計測のための典型的
な従来技術システムを示しており、かつ、従来から商業
的に入手可能な在庫から手に入るタイム・ドメイン反射
計と、テスト物質中に挿入するための２本の間隔をあけ
られた平行状のロッド型導体をもつ従前のプローブとを
組合せている。

図２は、高度に図式化された一部を断面分解概要図で
あり、テスト物質中に挿入するための３本の間隔をあけ
られた平行な導体を採用する、改良された形態の従来技
術プローブを表しており、このような改良されたプロー
ブもまた、図１に描かれた全体的なテストシステムとと
もに用いるのに適している。

図３は、電圧対時間のプロット図であり、図１に示さ
れる従来技術の計測システムを図１又は図２のいずれか
に示されるタイプの従前のプローブとともに用いて発生
させられる、代表的なタイプの反射波形を表している。

図４は、高度に図式化された、一部断面概要分解ブロ
ック線図であり、図１に示される従来技術システムと似
通っている。やはり、従前の同軸ケーブルの形態をもつ
適当なRFケーブルによって二股状プローブに接続され
た、従前の商業的に入手可能な在庫からすぐに手に入る
タイム・ドメイン反射計が用いられている。しかし、こ
こでは、（ｉ）プローブには遠隔操作可能な通常オープ
ンすなわち、非導電状態の一対の可変インピーダンス装
置−−例えばダイオード−−が選択的にタイミング・マ
ーカーを設定するために設けられていること、（ii）図
示された回路が可変インピーダンス装置の遠隔制御を可
能とする適当なバイアス挿入ネットワークを含んでいる
こと、において本発明を具体化する特徴を含む全体シス
テムが表されている。

図５は、図３に示されるのと実質的に同じ電圧対時間
プロット図であり、やはり、図４に描かれたシステムを
用い、かつ２本の可変インピーダンス装置即ちダイオー
ドが共にオープン状態であるときの層状化された土壌に
よって通常生成されるタイプの代表的な反射波形を表し
ている。

図5Aは、図５に示されるものと同様の電圧対時間プロ
ット図であるが、ここでは、空気／土壌境界に最も近い
位置においてプローブ上の可変インピーダンス装置が導
電状態に遠隔的にバイアスされる一方、第２の可変イン
ピーダンス装置がオープン状態を維持し、これによって
第１のタイミング・マーカーT1を設定するように２本の
平行なプローブ導体が互いに短絡している場合に現れる
代表的な反射波形を示している。

図5Bは、図５及び図5Aに示されるのと同様のプロット
図であるが、ここでは、プローブの遠方端に最も近い位
置における第２の可変インピーダンス装置が導電状態に
遠隔的にバイアスされる一方、第１の可変インピーダン
ス装置がオープン状態を維持し、これによって、第２の
タイミング・マーカーT2を設定するように２本の平行な
プローブ導体が互いに短絡している場合に生じる代表的
な反射波形を表している。

図６は、図５のオープン状態の波形から図5A及び図5B
の短絡状態での波形を減算した場合に得られる波形を表
すプロット図であり、（ｉ）可変インピーダンス装置の
短絡以前の背景雑音が消失していること、（ii）信号／
雑音比が改善されていること、及び（iii）０ラインの
交点において設定された最良かつ正確なタイミング・マ
ーカーT1,T2、及び正方向の傾斜による最適に適合する
真っ直ぐなラインが与えられていること、を表してい
る。

図７は、本発明の特徴を具体化する第１のプローブの
図式化されたブロック線概要図であり、ここでは、適当
なRFケーブルに接続された二股状のダイオードプローブ
を表している。

図８は、図７に示されるものと同様の図であるが、こ
こでは、３本の間隔をあけられた平行なプローブ導体及
び３つの遠隔操作可能な短絡ダイオードを採用する、本
発明の特徴を具体化する第２のプローブを描いている。

図９は、図７に示されるのと同様の図であるが、本発
明の特徴を具体化する第３のプローブを描いており、こ
こでは、２本の間隔をあけられた平行なプローブ導体を
採用するが、単一の遠隔操作可能な短絡ダイオードのみ
を採用している。

図10は、図８に示されるのと同様の図であり、ここで
は、３本の間隔をあけられた平行なプローブ導体を含
み、単一の遠隔操作可能な短絡ダイオードのみを含むプ
ローブによって本発明の特徴を具体化する第４のプロー
ブを描いている。

図11は、図７ないし図10と同様の図であるが、ここで
は、長状で一体品であり、概して空腔部がない、銃剣型
のプローブであって、（ｉ）２つの間隔をあけられた長
状のプレート状導体、（ii）誘電体又は他の適当な非導
体材料で形成された中心の一体スペーサ、及び（iii）
第１及び第２のタイミング・マーカーを設定するための
一対の間隔をあけられた遠隔操作可能な短絡ダイオード
を採用する本発明の第５の実施例を一部断面において示
している。

図12は、図11のプローブの断面図であって、ここで
は、実質的に図11の12−12線に沿って断面が取られてい
る。

図13は、詳細化された概略形態における分解拡大平面
図であり、ここでは、二つの間隔をあけられたステンレ
ス鋼の導体と中間の鋳造エポキシの誘電体スペーサとを
接着して互いに一体的なすなわち１部材の銃剣型プロー
ブを形成する配置を表しており、このプローブは、ステ
ンレス鋼導体に対してその反対の端部の近傍で電気的に
接続される間隔をあけられ遠隔操作可能な一対の短絡ダ
イオードをもっている。

図14及び図15は、図13の14−14線及び15−15線にそれ
ぞれ実質的に沿って断面を取られた断面図であり、ここ
では、ステンレス鋼導体とエポキシスペーサとが互いに
剛であって安定な構造となるように採用された構造の詳
細を表している。

図16及び図17は、図13においてそれぞれ実質的に16−
16及び17−17に沿って断面を取られた断面図であり、こ
こでは、２つの遠隔操作可能な短絡ダイオードの電気的
結合を表している。

図18は、図13の一部と同様の分断平面図であり、ここ
では、鋳造樹脂エポキシの誘電材料を用いて２つの間隔
をあけられたステンレス鋼導体を互いに接合するための
代替的な配置を表している。

図19は、一部断面分断平面図であり、ここでは図１に
示されるタイプの従前の二股状プローブの間隔をあけら
れた導体に摺動可能に取付けられ、かつ係合するように
適合されたスペード状固体部材を描いており、このよう
な取付け固定部材は、（ｉ）２つの間隔をあけられた平
行な導体、（ii）誘電体又は他の適当な非導体材料で形
成された中央の一体スペーサ、及び、（iii）一方のプ
ローブ導体を他方に対して選択的に短絡させるための誘
電材料内に埋設された遠隔操作可能な短絡ダイオード、
を含んでいる。

図20は、図19に示された組み立てられたプローブ及び
スペード状固定部材の断面図であり、図９の線20−20に
実質的に沿って断面を取られている。

図21は、苗床あるいはこれに類するものにおいて平均
化プローブとして用いるに適した遠隔操作可能な短絡ダ
イオードプローブを示す分断模式図である。

図22は、図４と同様の、高度に図式化された一部断面
の概要分断ブロック線図であり、ここでは、（ｉ）図11
及び図12に示されるような銃剣型プローブのいずれかの
ダイオードをオープン状態から短絡状態に繰り返し切り
換えるための回路図、（ii）時間Ｔにおけるダイオード
オープンでの反射が生じるサンプル・アンド・ホールド
回路の出力の振幅と、時間Ｔにおけるダイオード短絡時
の反射から生じるサンプル・アンド・ホールド回路の振
幅との差を検出することができ、全体としての装置が図
６に示されるのと同様の差の関数を直接計測することが
できる、低周波数同期検出信号処理回路、及び、（ii
i）単一の電子ユニットに能動的と同様に受動的にタイ
ミング・マーカーを計測させることができるように、タ
イム・ドメイン反射器の繰り返し速度をもって時間遅延
を同期的に変調することにより、波形微分を行えるよう
にするための遅延変調能力、を採用する改良された形態
のタイム・ドメイン反射器の電子回路を表している。

図23は、図22においてブロック形態で示されている２
分割回路及びダイオード駆動回路において用いられてい
る回路構成要素を描いている。

図24及び図25は、図22に示される同期検知回路を用い
て行われる波形微分を表すプロット図である。

図26は、図式化された一部断面概要分断ブロック線図
であり、本発明の特徴を具体化する、長状で中実であ
り、水を通さずしかも一体の、二つの導体をもつ銃剣型
プローブを描いており、ここでは、多数対の遠隔操作可
能な短絡ダイオードであってこれらが多部分銃剣型プロ
ーブを規定するものを表している。

図27及び図27Bは、横方向に並べて結合してみた場
合、図４と幾分似た高度に図式化された概要ブロック線
図を含んでおり、ここでは、図22に示される修正された
形態のタイム・ドメイン反射器の電子回路に図26の多部
分銃剣型プローブを結合するために用いられる模範的な
電気回路を表している。

本発明は様々な修正及び代替的な形態が許される一
方、その特定の実施例は、例示の方法によって図におい
て示され、かつ本明細書において詳しく説明する。しか
しながら、本発明は開示された特定の形態に限定するこ
とを意図するものではなく、逆に、添付の請求の範囲で
表される本発明の精神及び範囲内に含まれる全ての修
正、均等物及び／又は代替物を包含することが理解され
るべきである。

詳細な説明 図面において、まず図１〜図３を参照する。図１にお
いて、50で包括的に示され従来のTDRシステムは、ブロ
ックと線により極めて概略的に表されている。ここで示
されているように、図１に描かれているTDRシステム50
の基本的な構成要素は、（ｉ）51で包括的に示される従
来のTDRユニット、（ii）検査対象の土壌あるいは他の
媒体（図示せず）に挿入される、包括的に52で包括的に
示された水分感知用プローブ、（iii）プローブ52をTDR
ユニット51に接続する、包括的に54で示された同軸ケー
ブルを含んでいる。

ここでは概略的に表されている従来のTDRユニット51
は、オレゴン州のビーバートン（Beaverton）にあるテ
クトロニクス社（Tektoronix Corp.）から供給される、
在庫からすぐに入手可能な1502B型TDRユニット機を含ん
でいる。当業者が理解するように、かかる従来のTDRユ
ニットは次のようなものを採用している。即ち、（ｉ）
およそ200ピコ秒前後の立ち上がり時間の速いパルスを
発生させるためのパルス発生器56と、反射信号をサンプ
ル取りするためのサンプル・アンド・ホールド回路58
と、遅延ユニット59とを含むRFセクション、（ii）信号
処理部60、（iii）デジタルディスプレイ61である。従
来のプローブ52は、一対の平行な導体62、64から成る２
導体型プローブであり、これら導体は、直径約3.18mm
（0.125インチ）で、一端にて絶縁性の支持部あるいは
台65に取付けられたステンレス鋼ロッドで形成するのが
好ましい。同軸ケーブル54は、（ｉ）一端にてパルス発
生器／サンプル・アンド・ホールド回路、即ち56/58に
つながり、他端にてプローブの一対の導体のうちの１本
〔ここでは導体62〕につながっている中央導体66と、
（ii）プローブの導体64に接続されるとともに、アース
されている同軸ケーブル外被68とで構成される。

図２において、若干変形されているが、完全に従来技
術に属する３導体型のプローブ69が示されている。ここ
に示されるように、プローブ69は、中央の棒状のステン
レス鋼製導体70と、その外側に間隔をあけて平行に配置
された棒状の一対のステンレス鋼製導体71、72を有して
いる。この構成において、同軸ケーブル54の中央導体66
は、プローブの中央のステンレス鋼製導体70とつながっ
ており、同軸ケーブル外被69は、外側のステンレス鋼製
導体71、72とつながっている。このように、プローブの
導体70、71、72の配列は、典型的な同軸ケーブルの構造
にうまく適合し、それによりケーブル／プローブ界面に
おける同軸ケーブル54とプローブ69との間のインピーダ
ンス不調和を最小限に止めている。

作動状態において、図１の従来のTDRユニット51は、
比較的立ち上がり時間の速い〔例えば、およそ200ピコ
秒の〕ステップ・パルスを発生させ、同軸ケーブル54を
伝わり、そして検査対象の土壌や他の媒体（図示せず）
に挿入されたプローブ導体62、64（図１）又は70、71、
72（図２）によって形成された伝達ラインに沿って伝播
される。各パルス波の先端がプローブ導体62、64（図
１）又は70、71、72（図２）の末端に到達すると、その
伝達ラインの末端から反射され、その反射信号が伝達ラ
インであるプローブ／同軸ケーブル62、64/54又は70−7
2/54を逆走し、TDRのサンプル−アンド−ホールド回路5
8へと伝わる。次に、TDRユニット51は、反射波の波形75
を計測し、それにより問題となる各反射の到着時間Tnを
測定することができる。

典型的で且つ全く従来どおりの反射の波形が、図３の
75に示されている。当業者であれば、次のことを理解す
るであろう。即ち、一連の反射によって形成される反射
波形75は、時間T2にTDRユニット51に到着するプローブ
導体の末端からの反射や、時間T1にTDRユニット51に到
着する空気／土壌界面からの反射のみならず、更には、
例えば同軸ケーブル／プローブ界面54/52（69）からの
反射のように、時間T1に到着する空気／土壌界面からの
反射に時間的に一致するか又は近い他の種々な反射や、
例えば地層の層間界面及び／又はその他の絶縁不連続が
原因となってプローブの長手方向の電気的に不連続性に
より発生する、時間T1とT2の中間にあるその他の偽の反
射も含まれており、これら全てが望ましくない背景雑音
の原因となる。また、土壌中の塩の存在〔いわゆる“塩
分土壌”の状態〕は、時間T2にTDRユニット51に到着す
るプローブ導体の末端からの所望の反射を減衰させる。
即ち、土壌中の塩分の存在は、固有の反射の振幅を減少
させ、背景雑音との識別をより困難にさせる。

以上に述べられたような形式の従来のTDRシステムを
使用する際の諸問題は、所望の２つの特定の反射〔即
ち、時間T1に到着する空気／土壌界面からの反射及び時
間T2に到着するプローブ導体の末端からの反射〕の到着
時間を表す測定データの精度及び信頼性に直接関連し、
そしてそれら所望の２つの反射を関係のない反射信号群
から正確に識別することに直接関連している。図３にお
いて、所望の２つの反射がTDRユニット51に到着する問
題の時間〔即ち、時間T1及びT2〕は、せいぜい、波形上
のどの２点が実際関係のある特定の到達時間T1、T2に対
応する２つの反射（即ち、空気／土壌界面からの反射及
びプローブの末端からの反射）であるかについて、波形
75の観測された形状と観測者の判断に基づく大雑把な近
似値を表すに過ぎない。もちろん、もし観測者が所望す
る真の反射ではなく、１個又は２個の偽の反射に対応す
る波形75上の１点又は２点をたまたま選んだ場合には、
その選ばれた偽の反射に対応する特定の到達時間Tnは、
電磁パルスの伝播速度Ｖの計算に誤差を生じさせること
になる。

要するに、図１〜３に示されたタイプの従来のTDRシ
ステムでは、所望の２つの反射が発生されるプローブ上
の２点及びそれらの反射の到達時間T1、T2をどのように
決定したとしても、非常に高度なソフトウェアとそれに
付随する多大なコストアップを伴うことなしに、伝播速
度Ｖの計算を正確で重大な誤差なしに行うことは極めて
困難である。立ち上がり時間の速いステップ・パルスを
形成する波の前縁の伝播速度Ｖは、所望の反射が発生す
る２つの点の正確な位置X1、X2及びそれらの反射がTDR
ユニット51に戻って来る正確な到着時間T1、T2によって
決まるので〔前述の方程式［１］を参照〕、上記のよう
な計算により得られるのは、せいぜい伝播速度Ｖ、従っ
て検査媒体の見掛け誘電率Kaの大雑把な近似値を表すに
すぎない。しかし、不幸な事に、所望の反射を背景雑音
を含む偽の反射から識別したり、そのような所望の反射
の発生位置及びその反射信号のTDR測器への到着時間を
決定する際における精度と正確さの欠如のために、重大
な誤差が従来生じていたし、現在も生じ続けている。

本発明の重要な側面の１つに従って、図１に示した従
来のTDRシステム50を、時間T1、T2・・・Tnにおいて波
形反射を確実に発生させるよう改良する。即ち、（ｉ）
明瞭で、（ii）容易に観測及び計測が可能な振幅と極性
を有し、（iii）他の関係のない背景反射と即座に識別
可能で、（iv）プローブの長手方向に沿って固定、既知
且つ予め正確に設定された点X1、X2・・・Xnで発生し、
（ｖ）正確なタイミング・マーカーT1、T2・・Tnにおい
て、所望され且つ瞬時に観測することができる反射を発
生させるのである。これを実現するため、図４に最も良
く示されるように、包括的に51で示された図１と同一の
従来のTDRモデル1502Bは、図１に示したものと同一の同
軸ケーブル54を介して、本発明の特徴を具体化したプロ
ーブ52′に接続されている。このプローブは、間隔をあ
けて平行な一対の導体62、64を有しており、同軸ケーブ
ルは、前述したのと同様に、一端がプローブ52′に接続
され、他端がTDRユニット51に接続されている。しかし
ながら、本実施例では、プローブ52′は反対方向の一対
の可変インピーダンス素子76、78を備えており、これら
可変インピーダンス素子は、遠隔で操作可能で且つ通常
はオープンの状態であり、既知で且つ予め正確に選定さ
れた固定の２点X1、X2において、両プローブ導体62、64
を横切って電気的に接続している。それらの２点X1、X2
は、予め正確に設定され且つ既知であるので、伝播パル
スや反射波が通る距離〔即ち、２（X2−X1）〕は、その
特定のプローブの伝達ラインに関する電磁パルスの伝播
速度Ｖのその後の全ての計算において、正確な量であ
る。そこで、決定されるべき唯一の変数は、T1、T2とな
る。ここで示されている本発明の実施例では、遠隔操作
が可能な可変インピーダンス素子76、78は、それぞれ反
対方向のPINダイオードD1、D2で構成される。

可変インピーダンス素子76、78〔例えば、PINダイオ
ードD1及びD2〕のうちの１個、しかも１個だけを選択的
に導通させて、プローブ導体62、64間を点X1又は点X2で
選択的に電気的な短絡させ、もってこれら正確に既知の
２点からの反射に対応する正確なタイミング・マーカー
T1、T2を設定するのに役立つ明瞭な反射を発生させるた
めに、図４に示されたTDRシステム50′では、更に同軸
ケーブル54の途中に、79で包括的に示される適当なバイ
アス印加用ネットワークを介装し、可変インピーダンス
素子76、78に選択的に順方向バイアスを印加して導通さ
せるようにしている。この目的の為に、本実施例のバイ
アス印加用ネットワーク79は、概略的に電池として示さ
れた電源を含んでいる。この電池の正極端子82は遠隔操
作可能な一対の並列スイッチS1、S2の陽極入力端子82、
84につながっており、陰極端子85は同スイッチS1、S2の
陰極入力端子86、88につながっている。スイッチS1及び
S2は、適当なスイッチ・コントローラー89を用いて手動
で操作するようにしてもよいし、或いはそれに代えて、
それらスイッチをTDRユニット51から発せられる信号
（図示せず）により電子的にコントロールするようにし
てもよいし、或いは、必要に応じ、スイッチS1、S2及び
TDRユニット51の両方を適当なコンピューター（図示せ
ず）により自動的且つ遠隔でコントロールすることも可
能である。

いずれにせよ、スイッチS1、S2が図４の実線位置にあ
るときは、可変インピーダンス素子76、78〔例えば、ダ
イオードD1、D2〕は、電池80又は他の電源から与えられ
るバイアス電圧から電気的に分離されている。従って、
両方の可変インピーダンス素子76、78〔例えばダイオー
ドD1、D2〕は、オープン、即ち非導通状態のままであ
る。その結果、同軸ケーブル54を伝播し、伝達ラインで
あるプローブ52′を通過する電磁パルスは、上記素子に
よって、本質的に影響を受けることはない。

他方、もしスイッチS1、S2がスイッチ・コントローラ
ー89の作用で、図４の破線位置に移動すれば、電源80の
陽極端子81は、直列に並んだ抵抗R1、R2を介して、同軸
ケーブル54の中央導体66に、そしてそこからプローブ導
体62へと接続される。一方、電源80の陰極端子85は、同
軸ケーブル外被68に、そしてそこからプローブ導体64へ
と接続される。この結果、可変インピーダンス素子76
（ダイオードD1）が順方向バイアスにより導通状態にな
り、一時的に点X1でプローブ導体62、64間が短絡状態に
なる。

最後に、スイッチS1、S2がスイッチ・コントローラー
89の作用によって、図４の点線位置に移動した場合、電
源80の陽極端子81は、同軸ケーブル外被68、そしてそこ
からプローブ導体64に接続される。一方、電源の陰極端
子85は、直列に並んだ抵抗R1、R2を経て、同軸ケーブル
54の中央導体66、そしてそこからプローブ導体62に接続
される。こうして、可変インピーダンス素子78〔例え
ば、ダイオードD2〕が順方向バイアスにより導通状態に
なり、プローブ導体62、64間を点X2で短絡させる。

TDRユニットを、スイッチ切替や直流電圧による損傷
から守るため、バイアス印加用ネットワーク79には、抵
抗R1（実施例の回路では47オームの抵抗）、抵抗R2（22
0オーム）、直流阻止用コンデンサC1（0.047マイクロフ
ァラッド）、コンデンサC2（1.0マイクロファラッド）
及びバイパスコンデンサC2（0.01マイクロファラッド）
による過渡フィルターが設けられている。バイアス印加
抵抗R2とバイパスコンデンサC3を用いるとともに、リー
ド長さを短くすることにより、所望の立ち上がり時間の
速い電磁ステップパルスを確実に発生させることができ
る。

ここで図５、図5A及び5Bを、図４と併せて考慮する。
まず図５において、図３と同一の典型的な波形75は、図
４のスイッチS1、S2が図の実線位置におかれ、その結
果、遠隔操作可能で且つ通常はオープン状態の可変イン
ピーダンス素子76、78〔例えばダイオードD1とD2〕がと
もにオープンで非導通という条件に対応している。この
ような状態では、繰返し起こる一連の立ち上がり時間の
速い電磁パルスは、点X1又はX2のいずれかにおいても、
人為的に誘導された大きな不連続部に何ら感応すること
なく、同軸ケーブル54及び伝達ラインプローブ52′を伝
播して行く。従って、そのようなパルスは、ケーブル／
プローブ界面54/52′、空気／土壌界面、及び導体62、6
4の先端といった各点から一連の反射を発生させるとと
もに、例えば、土壌中の地層間境界面や、検査対象媒体
の絶縁不連続部によって発生する一連の付随的且つ中間
的反射をも発生させ、そのような中間的反射の全てが不
要な背景雑音を構成する。要するに、図５に描かれた波
形75は、電磁パルスが土壌や又は他の検査対象媒体中に
挿入された伝達ラインプローブに沿って伝播される時に
発生する。全ての意味のある反射を表示することによっ
て得られる波形の代表的な型である。

図5Aにおいて、スイッチS1、S2が図４の破線の位置に
移り、それにより可変インピーダンス素子76（例えば、
ダイオードD1）が導通状態になり、プローブ導体62、64
間が一時的にショートした場合の波形75が描かれてい
る。この状態では、急角度で負方向に下降する斜線75a
で示されたような振幅の大きな反射が発生し、可変イン
ピーダンス素子76（ダイオードD1）が導通状態になる時
に、点X1でショートした不連続部からの反射の到着時間
における正確なタイミング・マーカーT1を発生させる。

次に、図5Bにおいて、スイッチS1、S2が図４に示され
た点線位置に移った時の典型的な波形75が描かれてい
る。この場合、プローブ導体62、64間が点X2で一時的に
ショートするよう可変インピーダンス素子78（例えばダ
イオードD2）が一時的に導通状態になっている。この結
果、急角度で下降する斜線75bに表されたような大きな
振幅の反射を発生させ、それにより可変インピーダンス
素子78（例えばダイオードD2）が導通状態になった時
に、点X2でショートした不連続部からの反射の到着時間
において第２番目の正確なタイミング・マーカーT2を発
生させる。

例えば図４に51で示されたような、従来のテクトロニ
クス社の1502B型TDRに取入れられている電気的な信号処
理機能を使って、図5A及び5Bに描かれているショート時
の波形を、図５に示すオープンの時の波形から容易に差
し引くことができる。それにより、図６に見られるよう
な、２本の正方向に上昇する斜めの曲線90及び91で表さ
れた差引波形が得られ、時間軸と正方向の上昇曲線90、
91のそれぞれの最適合直線との交点に設定された、明確
で分かり易く、計測し易い正確なタイミング・マーカー
T1、T2が得られる。図６を図５、5A及び5Bと比べれば、
次のことが分かる。即ち、このような波形差引処理を利
用すれば、明確で、わかりやすく、計測しやすい正確な
タイミング・マーカーT1、T2を得るのに役立つばかりで
なく、更に、その処理によって実質的に全ての不要な背
景ノイズを消去すこともでき、本発明で改善された信号
対ノイズ比を更に高めることができる。

図４に示された従来のTDRユニット51に用いられてい
る特定の信号処理回路は、本発明のいかなる要素にもな
っておらず、完全に従来技術に属するものあり、ここで
詳細に述べる必要がないということは、当業者なら勿論
理解するであろう。例えば、従来のテクトロニクス1502
型TDRユニットの回路の詳細や操作について更に説明を
求めたい人は、製造会社であるオレゴン州ビーバートン
のテクトロニクス社から入手可能な技術資料や製品仕様
書を参照されたい。更に、テクトノニクス1502B型TDRユ
ニット以外に、市場にて入手可能な他の従来のTDRユニ
ットも用いることができるものである。

上記構成の展開として、PINダイオードのようなｎ個
の通常オープン型可変インピーダンス素子を、例えば２
導体型プローブの導体における固定、既知且つ正確な位
置の点Xn（ｎは所望の任意の整数）に固定して、そのよ
うな各素子を選択的且つ一時的に導通させて、正確に既
知の各点Xnで一方のプローブ導体を他方にショートさ
せ、それによって、明確で正確で且つ容易に認識・計測
することのできるタイミング・マーカーTnを得ることが
できる。そして、そこでの特徴は、X1、X2・・・Xn2及
びT1、T1・・・Tnの全ての計測値が正確であることであ
る。その結果、プローブを通過する電磁パルスの伝播速
度Ｖは、上記方程式〔１〕を解くことにより、高い精度
で計算することができ、それによって、特定の検査対象
物質の見掛け誘電率Kaは、上記方程式〔２〕のKaを解く
ことで容易に求められる。これらのことは、全て前述の
とおりである。

以上、プローブ52′と従来のTDRユニット51とを相互
接続するために従来の同軸ケーブル54を採用したTDRシ
ステム50′（図４）との関連で本発明を説明したが、適
切なRF伝達特性を有している限り、採用された特定タイ
プのケーブルが本発明にとって重要でないことは当業者
なら理解できるであろう。しかしながら、ケーブルが、
特に（但し、限定的ではなく）ケーブルテレビ産業用の
設計された75オームのRG−６型同軸ケーブルを用いる
と、比較的長い接続伝送ケーブル〔例えば、長さが100
メートル近くまで伸びているケーブル〕を必要とするよ
うな場合においては、非常に好都合な結果が得られる点
に留意すべきである。そのような同軸ケーブルは、他の
今までのRF伝送ケーブルと比べて安価で入手できるが、
その比較的に低い価格にもかかわらず、優れた機能特性
を発揮することがわかった。実際、確認されたその機能
特性は、より高価なケーブルで得られるものより優れて
いた。

本発明を実施するに際しては、プローブが用いられる
特定の用途に応じて、種々な種類のプローブを用いるこ
とが適切であることがわかってきた。例えば、図４及び
７において、プローブ52′（図４）とプローブ92（図
７）はともに、当該技術分野において、“２ロッド型プ
ローブ”とか“２ワイヤー型プローブ”と呼ばれてきた
ものである、間隔をあけて平行な２本の導体を有してい
る。このような２ロッド型又は２ワイヤー型プローブ
は、従来技術において、同軸ケーブルとプローブの間の
インピーダンスの不適合の問題を最小限にする目的で、
典型的には平衡不平衡変成器（balun transformer）と
組合せて用いられてきたタイプのものである。

しかしながら、遠隔操作可能な通常オープン型の可変
インピーダンス素子〔例えば、１対のPINダイオードD
1、D2〕を従来の２ロッド型又は２ワイヤー型プローブ
とともに用いた場合には、明確で、比較的大きな振幅
の、そして容易に認識且つ測定可能なタイミング・マー
カーT1、T2を発生できることがわかった。すなわち、か
かるタイミング・マーカーT1、T2は、その正確と信頼性
の高さによって特徴づけられ、そして平衡不平衡変成器
や他のいかなるタイプのインピーダンスマッチング用ト
ランスファーマー等を用いることなく、（ｉ）所望の電
気的不連続部がプローブに沿って位置する正確な点X1、
X2・・・Xn、及び（ii）所望の反射の正確な到着時間T
1、T2・・・Tnを測定することを可能にする。

図４のプローブ52′を図７のプローブ92と比べると、
プローブ52′では、空気／土壌界面又はその他の空気／
物質界面境界、或いはそれに非常に近接する位置に通常
は設けられるペース状支持部65を構成する絶縁物質中に
ダイオードD1が埋め込まれているのに対し、図７に示さ
れたプローブ92では、同軸ケーブル／プローブ界面54/9
2により近い位置にダイオードD1が設けられる点を除
き、両プローブは、実質的に同じであることが分かる。
しかしながら、ある特定された点Xnで起きた反射に関す
る時間の遅れとダイオードDnの実際の位置で起きた反射
に関する時間の遅れの差が小さく、一定で且つ、それが
既知であれば、いかなるダイオードDnも点Xnに正確に位
置させる必要がないことが分かった。従って、図７の実
施例に示すように、ダイオードD1を空気／土壌界面にあ
る所望位置X1から短い距離Ａだけずらして位置させた上
で、ダイオードD1を順方向バイアスにより導通状態にし
たときの反射の到着時間T1を補正する測定を行い、一定
で小さい位置の差Ａを補うことが可能である。このよう
な補正は、単に短絡用バー（図示せず）を位置X1に配置
し、その位置に短絡用バーを配置した場合の時間の遅れ
の読みを、ダイオードD1が導通状態になったときに示さ
れる時間の遅れ読みと比較し、そしてタイミング・マー
カーT1を、その算出された小さな時間の差に合うように
調整することで行える。

図８において、やはり本発明の実施例に係る別のプロ
ーブ94が示されている。このプローブ94は典型的な同軸
ケーブルのインピーダンス特性に更に近づけることので
きる３ロッド型プローブである。図示のように、プロー
ブ94は、絶縁性のベース部材65、同軸ケーブル54の中心
導体66に接続された中央プローブ導体95、及びその中央
プローブ導体の両側に平行に配置された一対の外側プロ
ーブ導体96、98を含んでおり、外側プローブ導体96、98
は同軸ケーブルの外被68につながっている。本例では３
個の可変インピーダンス素子が採用されている。即ち、
（ｉ）同軸ケーブル／プローブ界面54/94の近傍、即ち
空気／土壌界面（図示せず）の近傍において同軸ケーブ
ル54の中心導体66を同軸ケーブル外被68に接続する働き
をする、ここでは通常オープン型のPINダイオードD1の
形態である１個の可変インピーダンス素子、及び（ii）
外側プローブ導体96、98の先端をそれぞれ中央プローブ
導体95の先端に接続する一対の通常オープン型のPINダ
イオードD2、D2′である。

このように構成したプローブ94（図８）を図４のプロ
ーブ52′の代わりに用いた場合、スイッチS1、S2が図４
の実線位置になったとき、全てのダイオードD1、D2、D
2′がオープンになり、非導通状態のままとなる。しか
しながら、スイッチS1、S2が図４の破線位置に移動した
ときには、正のバイアス電圧が直列に並んだ抵抗R1、R2
及び同軸ケーブル54の中心導体66を経由して、中央プロ
ーブ導体95に印加されて、ダイオードD1を導通させ、空
気／媒体界面の近傍で一時的な短絡状態を起こし、第１
のタイミング・マーカーT1を形成する。スイッチS1、S2
が図４の点線位置に移ったときは、正のバイアス電圧が
同軸ケーブル外被68を経由して外側プローブ導体96、98
に印加され、ダイオードD2、D2′を導通状態にし、プロ
ーブの伝導体の末端近くの点X2において、外側プローブ
導体96、98を中央プローブ導体95にショートさせ、それ
により第２のタイミング・マーカーT2を前述したのと同
様の方法で発生させる。

検査対象物質が比較的均質である一定の試験媒体を扱
う場合〔例えば苗床等の土壌水分含有量の測定〕では、
プローブの末端か又はその近傍でショートさせられた電
気的な不連続部を形成する受動的又は能動的な物理的装
置がなくても、伝達ライン末端からの自然反射（natura
l reflection）T2は、典型的に大きく、ひずみがないと
いうことがわかっている。従って、図７及び８に示す２
ロッド型又は３ロッド型プローブを用いる場合、プロー
ブの末端からの自然反射によりタイミング・マーカーT2
を形成するための明確で検出且つ測定可能な反射が得ら
れるので、プローブの末端又はその近傍に可変インピー
ダンス素子を設ける必要は実際上ない。従って、空気／
媒体界面の近傍でにおいて、タイミング・マーカーT1を
発生させることのできる単一の可変インピーダンス素子
〔例えば、単一のダイオードD1〕をのみを採用した２ロ
ッド型又は３ロッド型プローブは、そのような均質な検
査対象媒体に使用するのに完全に満足のいくものであり
且つ許容できるものであることが分っている。そのよう
なただ単一のPINダイオードD1を持つ２ロッド型及び３
ロッド型プローブの例が図９（２ロッド型プローブ9
2′）及び図10（３ロッド型プローブ94′）に示されて
いる。図９及び10の92′、94′に示されたようなプロー
ブを用いる場合、ダイオードD1を一時的に導通状態にさ
せることにより、タイミング・マーカーT1を設定する第
１の明確な反射が発生し、一方、第２のタイミング・マ
ーカーT2は、プローブ末端からの自然反射に形成され
る。

次に図11及び12にには、本発明の特徴を具体化した別
の２ロッド型プローブが示されている。プローブは、包
括的に99で表されており、“細長線状”プローブとも呼
ぶことのできるような、単一に統合された隙間のないブ
レード状の銃剣型プローブの形態である。ここに示すよ
うに、プローブ99は、図12のように矩形断面をした、細
長くて偏平な一対の導体100、101を含み、その２本の導
体100、101は、その内側すなわち中央の絶縁スペーサ10
2によって隔てられ且つ一体接合されている。反射の方
向を向き、通常オープン状態で且つ遠隔操作可能なPIN
ダイオードD1、D2又は他の適当な可変インピーダンス素
子が、プローブ99の両端近傍において絶縁体102に埋め
込まれており、点X1、X2のそれぞれにおいて、各ダイオ
ードは、導体100、101に電気的に接続されている。

図11に例示されているプローブ99では、導体100、101
と中間の絶縁スペーサ102の末端は、104で示されたよう
に、尖ったプローブ端部を有する形態をしており、プロ
ーブ99が土壌や他の検査対象物質に対してをひどく損傷
することなく容易に挿入できるようになっている。図11
及び12に示す銃剣型プローブ99は、偏平な棒状で矩形断
面のステンレス鋼製ストックの形態をした導電性ロッド
100、101を有しているが、その導体は別の形態、例えば
楕円形、丸形、ナイフ刃状、チャンネル状等をとること
も可能である。しかしながら、その導体は、加工困難な
ステンレス鋼製とするのが好ましいので、図示のよう
に、単に偏平な棒状のストックの形態とすれば、効果的
であることが分かっている。

本発明を実施するにあたっては、例えば図11及び12に
描かれているような細長線状の銃剣型プローブ99の絶縁
スペーサ102（又は図４及び７〜10に示されるプローブ
のベース支持部65）を形成するのに用いられる非導電性
の絶縁物質としては、加工の容易性、耐衝撃性、耐久
性、絶縁特性、密封性、及び／又は封入されるPINダイ
オードなどの電気部品の安全性や硬化時の低収縮特性の
観点から適当なものが選ばれる。種々な絶縁性のエポキ
シ物質が、この目的に適うものであるが、カナダ、ブリ
ティッシュコロンビア、バーナビー（Burnaby,British
Columbia,Canada）のインダストリアル・フォーミュレ
イター・オブ・カナダ社（Industrial Formulators of
Canada Ltd.）のSEALTONIC（同社の商標）エポキシ樹
脂、製品No.21AC−7Vを用いた場合に優れた結果が得ら
れるものであり、この特殊なエポキシ材は、電子産業向
けに開発されたものであり、液体樹脂と液体硬化剤から
成る２種類の液体の化合物からできている。この樹脂と
硬化剤を、樹脂２部に対して硬化剤１部の割合で完全に
混合すると、得られる液体エポキシ混合物は、20℃（68
゜F）で約60分間流動性があり、加工ができる状態を保
つ。このエポキシ材の硬化時間は、20℃（68゜F）で約4
8時間であり、65℃（150゜F）で約１時間である。得ら
れる絶縁性のエポキシ物質は、非多孔性で、耐水性、耐
薬性を有し、高い耐衝撃性のある物質であり、硬化時の
収縮が0.5％以下で、本発明に用いるのに特に適してい
ることが分かった。

しかしながら、残念なことに、プローブ導体がステン
レス鋼で構成されている場合〔例えば、図11及び12に示
された銃剣型プローブ99の導体100、101のように〕、ス
テンレス鋼の導体100、101と絶縁スペーサ102との間に
十分で且つ耐久性のある結合を実現するのは困難である
ことが分かった。しかしながら、この問題は、（ｉ）図
13〜17及び（ii）図18で概略的に示されるのと同様の接
合技術を用いることで容易に解決出来る。

本発明のこの側面によれば、ステンレス鋼又はそれに
類似の溶接可能な導電性材料でできたフレキシブルな長
状ワイヤを波状に形成し、各ステンレス鋼製導体100、1
01の内面106、108に対し点109において、例えば溶接に
より接合する。これにより相互に対面する、完全に一体
の導体／ワイヤ組立体100/105、101/105が形成され、そ
の組立体においてワイヤ105は、それが溶接されるそれ
ぞれの導体100、101に対して長手方向に間隔をあけた位
置において離間している。また、プローブ99の両端にお
いて、２対のコネクターピン又はタブ110が、その各々
の一端近傍でプローブ導体100、101の内面106、108に溶
接されている。各対のタブ110の遊端は、一対の反射方
向のダイオードD1、D2（図16、17）のそれぞれのリード
に半田接合されており、それらダイオードD1、D2は、プ
ローブ導体100、101の間でその両端近傍において両者間
に挿入された一対の小型回路基板111のそれぞれに搭載
されている。

このように構成された組立体は、（ｉ）間隔をあけた
ステンレス鋼製導体100、101、（ii）その内面106、108
に溶接された波状のワイヤ105、（iii）PINダイオードD
1、D2が搭載され、ステンレス鋼製導体100、101の両端
付近に溶接されたコネクターピン又はタブ110を持つ回
路基板からなっており、この組立体を、例えば図11や12
に示す銃剣型プローブの最終の所望形状を定める適当な
モールド（図示せず）に入れられる。次いで、十分に混
合された樹脂と硬化剤からなる液体エポキシ材が、液体
の状態でそのモールドに流し込まれる。そのモールド内
では、エポキシ材が、相互に離間したステンレス鋼製導
体100、101間に形成されキャビティーを完全に満たし、
波状のワイヤ105とダイオードD1、D2が搭載された回路
基板111とを完全に包み込む。その結果、このエポキシ
材が完全に硬化すると、得られるプローブは、単一且つ
一体的で間隙のないプローブ99となり、そのプローブ
は、（ｉ）離間した導体100、101、（ii）その導体の内
面106、108に溶接固定されたワイヤ105の作用で、所定
位置にしっかりと固着された絶縁スペーサ102、（iii）
硬化した絶縁物質に完全に埋め込まれ、それによって保
護され、同時に112の位置で直接導体に接合されている
コネクターピン又はタブ110を介して電気的に導体100、
101につながっているダイオードD1、D2から構成されて
いる。

図18において、間隔のあいたステンレス鋼製導体10
0、101とその間の絶縁スペーサ102との間を確実で耐久
性のあるよう結合するための別の技術が示されている。
この構成では、Ｖ字状の切込み等が、導体100、101の内
面106、108に沿って間隔をあけて形成されている。その
結果、組立体〔図13、16及び17に示すのと同じ回路基板
及びダイオード（図18では示さず）を含む〕を適当なモ
ールド（図示せず）の中に入れ、液状のエポキシ材を導
体100、101間のキャビティーに注ぎ込むと、その液状エ
ポキシがＶ字状切込み114内に充満する。従って、硬化
後において、絶縁スペーサ102を形成する一体の固化エ
ポキシ材は切込み114内に横方向に突入し、導体100、10
1が絶縁スペーサ102から分離するのを防止する。

当業者なら勿論理解できるように、図18に示す構成
は、プローブの平面において構成部品の分離を防ぐた
め、導体100、101と絶縁スペーサ102の間の改善された
より強固な結合を提供するが、その構成は、プローブの
面に対して垂直又はある角度で衝撃や他の力が加わった
場合には、結合の十分な強化にはならない。このことが
問題となる場合には、導体の内面106、108に、連続状又
は断続状の長手溝（図示せず）を設けることも可能であ
る。その結果、導体100、101の間のキャビティーに液状
エポキシを注ぎ込むと、その溝にエポキシが入り込み、
硬化後において、強度のある改善された結合をもたらす
凹凸ジョイント（図示せず）を形成し、各部分を分離さ
せるようにプローブの面に垂直又はある角度で加えられ
る衝撃や他の力に抵抗する。

本質的に同じ結果を生む別の構造を設計及び／又は製
作することも可能であることは当業者なら勿論認識でき
るであろう。例えば、図示はしないが、矩形断面をした
ステンレス鋼製棒材から構成されたプローブ導体100、1
01は、Ｃ字状の網目ワイヤ編成体等を用いて、チャンネ
ル状とすることも可能である〔例えば、Ｃ字状の断面を
した導体〕。

次に、図19及び20において、本発明の特徴を具体化し
ているアダプター（取り付け具）が142で包括的に表さ
れている。同図に示すように、アダプター142は、従来
の２ロッド型又は２ワイヤ型のプローブの離間された平
行なロッド状導体144、145上に摺動取付けするように設
計されている。当業者なら以下の説明より分かるよう
に、アダプター142は、必要に応じ、３ロッド型又は３
ワイヤ型のプローブでも使えるように設計・構成するこ
とも可能である。

より詳細に説明すると、図19及び20に示したアダプタ
ー142は、比較的短く、薄くて偏平な銃剣型の装置であ
り、その伸長長さはプローブ導体144、145の長さよりも
短い。アダプター142は、比較的短い組立体であり、
（ｉ）図20に最もよく表われているように、管状の部分
149、150とそれに対して接線方向に延びるフランジ15
1、152とを有する略ｄ字状の断面の、相互に間隔をあけ
て平行な一対の導体146と148、（ii）中央の絶縁スペー
サ154、及び（iii）小型回路基板上に搭載された単一の
ダイオードDnを含んでいる。ダイオードDnは、フランジ
151、152に溶接され且つダイオードDnのリードに半田接
続されたコネクターピン又はタブを介して、管状導体の
フランジ151、152を横断状に接続している。そのダイオ
ードは、絶縁スペーサ154に埋め込まれており、図４の7
9で示したような適当なバイアス印加用ネットワークに
より、ダイオードDnが一時的に導通状態になった場合
に、入れ子状導体144/146を入れ子状導体145/148にショ
ートさせる。図19が最もよく示すように、アダプター14
2が土壌や他の多孔性媒体に対し過度に荒らすことなく
容易に挿入できるように、管状導体146、148及びそれぞ
れのフランジ151、152、並びに絶縁スペーサ154は、先
端156が鋭く尖るよう形成されている。

使用に際し、アダプター142はプローブ導体144、145
に摺動状に嵌合される。この結果、プローブ導体は管状
導体部分149、150に入れ子状密に受容され、それによっ
て良好な電気的接触が得られる。アダプターは、プロー
ブ導体144、145の末端近傍に取り付けて、遠隔操作可能
で且つ短絡可能な電気的不連続部をプローブの末端近傍
に形成してもよい。また、アダプターをプローブ導体14
4、145に沿って移動させ、空気／媒体界面又は同軸ケー
ブル／プローブ界面の近傍に位置させて、その位置に遠
隔操作可能で且つ短絡可能な電気的不連続部を形成して
もよい。さらに、プローブの有効長を変化させるため
に、アダプターをプローブ導体144、145に沿って任意の
位置に配置してもよい。さらにまた、それぞれ反対方向
を向いたダイオードD1、D2（図示せず）を持つ２個のア
ダプター142をプローブ導体144、145の長手方向に間隔
をあけた２点に取付けて、従来の固定長さの２ロッド型
プローブを、有効長がどのようにでも望みどおりに設定
できる２ダイオード型で且つ２ロッド型のプローブに変
えることもできる。上記のいずれの構成においても、ア
ダプターは、プローブ導体144、145に対し所望の位置
で、導電性のある適当な止めねじ158、159（図19）によ
って強固に固定するのが好ましい。この止めねじは、ア
ダプターを所望位置に固定するだけではなく、アダプタ
ーとプローブ導体の間の電気的な接触が確実に行われる
ようにする役割を果たしている。

次に、図21において、160で包括的に表された典型的
な苗床の平均水分量を測定するのに本発明を用いられる
場合が示されている。同図に示すように、発泡スチロー
ル製（Styrofoam）ブロックに短間隔で形成された複数
の個別の楔形の植込用穴164に詰込まれた土又はその他
の適当な植樹用混合物162に複数の苗木161が植えられて
いる。より具体的に説明すると、この図には詳しくは表
われていないが、再植林の分野の当業者なら理解できる
ように、苗床は一般的に図21に示すような複数の発泡ス
チロール製ブロック165を用いており、各ブロックに
は、例えばＸ方向に10列でＹ方向に10列の合計100個の
複数の楔形の植込用穴164が極めて短間隔で縦横の列状
に形成されている。勿論、発泡スチロールブロック165
に形成される植込用穴の数そのものは重要ではなく、苗
床ごとによって大きく異なる。通常、複数のそのような
発泡スチロールブロック165が、温室やその他の気候が
管理された苗床設備においてテーブル上に支持される。

本発明の成立以前において、任意の発泡スチロールブ
ロック165に形成された複数の植込用穴に入ったバッチ
ごとの植樹用の混合土162における平均水分含有量を測
定するのに用いられた代表的な方法は、そのブロックを
取り外してその重さを計り、その重さを、所定の平均水
分量を持つ植樹用混合土の入ったブロックの重さと比べ
るというものであった。この一般的な方法は、時間と労
力がかかりすぎるだけでなく、特に、苗床のブロック16
5が密に配置され、中央のブロックが通路から遠くて、
作業者が都合良く近づけないような場合には、非効果的
でもあることが多い。本発明では、複数の水分感知用プ
ローブを直列に配置して、166で包括的に示すシリーズ
平均化用プローブとすることによって、この欠点を解消
する。そのプローブは、例えば、（ｉ）一列の全ての植
込用穴164、（ii）複数の隣接又は離間した列の植込用
穴164、又は（iii）任意の１個若しくは１群のブロック
165の全ての若しくは任意の植込用穴にある植樹用混合
物の平均水分含有量をするように容易に構成できる。

本発明の上記側面によれば、例示のシリーズ平均化用
プローブ166では、間隔をあけた複数の２ロッド型又は
３ロッド型プローブ168₁、168₂、168₃−168m（ｍは、１
より大きい整数）を含んでいる。その２ロッド型又は３
ロッド型プローブ168m（図21にはそれのロッド即ち伝導
体の１本しか見えてない）は、典型的に直径2.38mm（3/
32インチ）のステンレス鋼製溶接ロッド等で形成されて
いる。各ロッドの長さは、各植込用の穴164の深さより
も若干長くなっており、各ローブ168mが各植込用穴164
に装填された土又はその他の適当な植樹用混合物162を
斜めに貫通できるようにしている。また、プローブ導体
は、植込用穴164の頂部側の若干上方を延びるととも
に、穴164の底部側の若干下方を延びている。

複数のプローブ168₁、168₂・・・169mを接続してシリ
ーズ平均化プローブ166とするために、169、170で包括
的に表されるフレキシブルな複数の底部コネクタ及び頂
部コネクタが設けられている。各コネクタは、それぞれ
外側のフレキシブルな筒状の絶縁部材171と、長さが短
い内部のRF伝達ライン172と、伝達ライン172の両端にお
いて、フレキシブルな筒状の部材171に対して水分不透
過の密封状態に永久固定された一対の内蔵カプラー174
とを含んでいる。この構成において、伝達ライン172の
端部のカプラー174は、２本の隣接するプローブの突出
端部に摺動可能に嵌合できる。従って、例えばフレキシ
ブルな底部コネクタ169はプローブ168₁、168₂の下部突
出端部に摺動可能に係合でき、フレキシブルな頂部コネ
クタ170はプローブ168₂、168₃の上部突出端部に摺動可
能に係合できるようになっており、これにより、絶縁さ
れた短いRF伝達ライン172によって相互連結され且つ相
互に間隔をあけた２ロッド型又は３ロッド型プローブ16
8₁、168₂・・・168mからなるシリーズ平均化用プローブ
166を構成している。図21には示していないが、当業者
なら理解できるように、下部及び底部コネクタ169、170
は、任意の適当な方法、例えば止めネジやクランプ等を
用いてプローブ168₁、168₂・・・168mの外方突出端部に
固定することもできる。

シリーズ平均化用プローブ166を完成させるために、
一端にあるプローブ〔例えば、プローブ168₁〕の上端
は、適当な絶縁性の支持ベース175に取り付けられてい
る。その支持ベースの内部には、PINダイオードD1（図2
1には示されないが、図４のダイオードD1について説明
したものと実質的に同じ構成）のような、遠隔操作可能
で且つ通常オープン状態である能動的な第１の可変イン
ピーダンス素子が埋設されており、プローブ168₁の導体
の上端は前述したのと同様の態様で同軸ケーブル54に電
気的に接続されている。

同様に、包括的に142で示され、図19及び20との関係
で述べられたものと同一である銃剣型アダプターを、一
連の水分感知用プローブ168mの最後の導体の遊端部に摺
動可能に取付けてもよい。それにより、PINダイオードD
1（図21には示されないが、図４のダイオードD1につい
て説明したものと実質的に同じ構成）のような、遠隔操
作可能で且つ通常オープン状態である能動的な第２の可
変インピーダンス素子をシリーズ平均化用プローブ166
の末端に接続することができる。

上記構成の結果、苗床の作業者は、温室や又は他の苗
床の施設内にあるシリーズ平均化用プローブ166を、適
当なバイアス印加用ネットワーク79と従来のマルチプレ
ックス装置を用いて図４の51で示されたようなTDR装置
につなぐだけでよい。中間の伝達ライン172は、短く且
つ既知の一定の長さを有しており、しかも絶縁部材171
と端部のカプラー174とによって水分から隔離されてい
るので、それら伝達ラインはシリーズ平均化用プローブ
166の末端にある銃剣型アダプター142において一時的に
短絡させられたダイオードDnからの反射によって発生す
るタイミング・マーカーT2の決定に際し、一定の既知の
遅れを生じさせる。従って、シリーズ平均化用プローブ
166を伝わる電磁パルスの伝播速度を速度を測定すれ
ば、そのシリーズ平均化用プローブ166が貫通して延び
ているところの楔形穴164に入れられた土又は他の植樹
用混合物162の全てについて、バッチごとに平均の見掛
け誘電率Kaを計算することが可能となる。

実際、この構成によれば、通路から遠くて、苗床の作
業者が通常近付きにくい楔形穴164にある土又は他の植
樹用混合物162についても、その平均水分含有量を容易
に且つ高い信頼性で正確に測定することができる。例え
ば、１本又はそれ以上のシリーズ平均化用プローブ166
を含む発泡スチロールブロック165が、苗床の作業者が
通る通路のすぐそばに隣接して配置されているような場
合では、各プローブ166において絶縁性の支持部材175に
埋設又は近接配置されたダイオードD1を含む端部を、通
路の近傍でそれ平行に配置された発泡スチロールブロッ
ク165の縁部の方を向くように配置すれば足る。

一方、１本又はそれ以上のシリーズ平均化用プローブ
166が通路から離れた１個又は複数の発泡スチロールブ
ロック165に位置している場合〔例えば、苗床が出入り
用通路によって周囲を区切られた10×10列の発泡スチロ
ールブロック165を持つような配列では、周囲の36個の
ブロック165のみが出入り用通路に直接接していること
になり、内側の8X8列に置かれた内部の64個の発泡スチ
ロールブロック165は出入り用通路から離れることにな
り、従ってそれら内部のブロックは、作業者が水分を測
定するに際しては、内側になればなるほどよけいに近付
きにくくなる〕、新しく植えられた苗木の入った発泡ス
チロールブロック165を最初に支持テーブル、プラット
フォーム又は他の苗床の作業台（図示せず）上に載せる
際に、短い伝達ライン54をそのような近付き難い各シリ
ーズ平均化用プローブ166から最も近い出入り用通路ま
で延ばすようにするだけでよい。このようにすれば、作
業者は、それぞれ図４の51及び79で示されたようなTDR
側器とバイアス印加用ネットワークを移動式台車に載
せ、台車を通路に沿って移動させることにより、多数の
シリーズ平均化用プローブ166及び／又はそれらに接続
された短い伝達ライン54の全て又は任意に選択されたも
のに順次接続することができる。これに代わる方法とし
ては、前述したように、通路に対して隣接するか或いは
離れているかに関係なく、多数のシリーズ平均化用プロ
ーブ166を、完全に従来技術に属するマルチプレックス
装置を介して、固定のTDR装置51及びバイアス印加用ネ
ットワーク79に一定の既知長さのRF伝達ライン54により
接続することも可能である。

本発明の他の重要な側面は、図22〜25を参照して行う
以下の説明により最もよく理解されよう。同図には、本
発明の特徴を具体化した電子TDR装置の別の実施例が示
されており、同装置は、図22において包括的に180にて
表されており、以下の構成要素を含んでいる。即ち、
（ｉ）包括的に181で表されたダイオード制御セクショ
ンは、２個のダイオードを持つ銃剣型プローブ〔例え
ば、図11、12及び22で99にて示すようなプローブ〕にお
ける各ダイオードD1又はD2をオープン状態とショート状
態の間を繰返し切り換えることを可能にする。（ii）包
括的に182で示されたRFセクションは、パルス発生器18
4、サンプル・アンド・ホールド回路185及び可変遅延回
路186を含んでいる。（iii）包括的に188で示される低
周波同期検知セクションは、信号処理回路で構成され、
この信号処理回路は、（ａ）反復速度発生器189、
（ｂ）RFセクション182のサンブル−アンド−ホールド
回路185からの出力信号を受けるべく直列に接続されたA
C増幅器190、フィルター191、AC増幅器192、アナログ・
マルチプライアー194、及びローパス・フィルター195、
（ｃ）以下で更に詳しく述べる方法で、ダイオード制御
部181からの矩形波出力パルスをアナログ・マルチプラ
イアーに結合するための遅延回路196及びAC結合型バッ
ファ増幅器198、を含んでいる。

図22に略図で描かれている各々のブロックの中の回
路、即ち、ブロック184（パルス発生器）、ブロック185
（サンプル・アンド・ホールド回路）、ブロック186
（可変遅延回路）、ブロック189（反復速度発生器）、
ブロック190及び192（AC増幅器）、ブロック191（フィ
ルター）、ブロック194（アナログ・マルチプライア
ー）、ブロック195（ローパス；フィルター）、ブロッ
ク196（ディレイ回路）、及びブロック198（交流バッフ
ァ増幅器）は、完全に従来技術に属するもので、個々の
設計者や所望の用途、及び／又は所望の結果に応じて広
く変更できる選択事項又は回路設計事項である。従っ
て、そのような構成部分としての各ブロックに用いられ
ている特定の回路の詳細については、ここで詳しく説明
する必要はない。

図22に示す例示的な回路では、同期検知セクション18
8を構成成している信号処理回路は、ダイオードがオー
プンのときに時間Ｔにおける反射から生じるサンプル・
アンド・ホールド回路185からの出力の振幅と、ダイオ
ードがショートしているときに時間Ｔにおける反射から
生じるサンプル・アンド・ホールド回路185からの出力
の振幅の差を直接検知することが可能であり、TDR装置1
80全体は、図６に示したのと同様の差関数を直接測定す
ることができる。RFセクション182の可変遅延回路186へ
の遅延変調入力199〔即ち、可変遅延回路186を、第１の
遅延時間T_Aと第２の遅延時間T_Bとの間で、す早く交互に
切換えるための入力回路（図示せず）〕は、反復速度発
生器189によって設定されたTDRの反復速度と同期して遅
延時間を変調することによって、波形の微分を可能にす
る。その結果、本発明の特徴を具体化した単一の改良型
電子TDR装置180は、能動的なタイミング・マーカーばか
りでなく、受動的なタイミング・マーカーも検知するこ
とができる。

上記特徴を有する本発明の実施にあたっては、図22及
び23を併せて参照すれば最もよく理解できるように、プ
ローブ99（図22）のダイオードD1、D2を、オープン状態
とショート状態との間で選択的に切換えるための手段が
設けられている。この目的のために、ダイオード制御セ
クション181は、ダイオード駆動回路200と２分割回路20
1とを備えている。図23に示す例示的な回路構成では、
２分割回路201は双安定フリップ・フロップ回路202を含
んでおり、このフリップ・フロップ回路は、その入力端
子Ｃにおいて、反復速度発生器189（図22）からパルス
発生器184、可変遅延回路186及び２分割回路201のそれ
ぞれに出力される矩形波パルス204の形態であるクロッ
ク信号を受ける。このクロックパルス204は、ゼロ・ボ
ルト（0V）からプラス５ボルト（＋5V）の間を変動す
る。入力クロック信号又はパルス204は、フリップ・フ
ロップ回路の入力端子Ｄにある信号をその出力端子Ｑに
複製する働きをする。例えば、入力端子Ｄが低レベル
〔即ち、ゼロ・ボルト（0V）〕であるときは、クロック
端子Ｃに入力された矩形波パルス信号204により、入力
端子Ｄにあるゼロ・ボルト（0V）の低信号が出力端子Ｑ
にて出力されるとともに、高信号レベル〔即ちプラス５
ボルト（＋5V）〕が、フリップ・フロップ回路202の出
力端子Ｑに生じ、その高出力信号が入力端子Ｄに反射さ
れる。

従って、反復速度発生器189から入力される次のクロ
ック信号204は、入力端子Ｄにあるプラス５ボルト（＋5
V）の高入力信号を出力端子Ｑに転送させるとともに、
フリップ・フロップ回路202の出力端子Ｑにおいて低信
号、即ちゼロ・ボルト（0V）信号を生じさせ、それを入
力端子Ｄに反射させる。要するに、反復速度発生器189
から順次入力されるクロック信号により、Ｑの出力信号
レベルが交互にゼロ・ボルト（0V）とプラス５ボルト
（＋5V）に変化し、その結果、フリップ・フロップ回路
202の出力端子Ｑにおいて、クロック入力端子Ｃに入力
される入力信号の２分の１の数の立ち上がりパルスを生
じさせる。即ち、フリップ・フロップ回路の出力端子Ｑ
において、反復速度発生器189から供給される入力クロ
ックパルス204の周波数の２分の１（1/2）の周波数を持
つ一連の矩形波パルス205が発生する。

0Vから＋5Vの間で変化する、双安定フリップ・フロッ
プ回路202の出力端子Ｑからの各矩形波パルス信号205
は、同期検知セクション188の遅延回路196及びダイオー
ド制御セクション181のダイオード駆動回路200の双方に
供給される。図23に示すように、例示のダイオード駆動
回路200は、以下のものを含む。（ｉ）トランジスター
・スイッチ206。（ii）下部の正入力端子209と上部の負
入力端子210とを備える演算増幅器208、及び抵抗Rx、R
y、Rz〔ここで、RxはRyと等価で、Rzと等価又は略等価
とした（本発明の実施例では３個の抵抗は全て10Kであ
る）〕。（iii）プローブ99（図22）の２個のダイオー
ドD1、D2のうちの１個を選択的に切換えを可能とするた
めの正／負ダイオード駆動切換スイッチ89。

以上の要素の配列は、次のようになっている。即ち、
正／負ダイオード駆動切換スイッチ89が、図23に示す実
線の位置、即ち負ダイオード駆動位置にあるとき、トラ
ンジスタースイッチ206がオンになり、オペレーショナ
ル増幅器208の正入力端子209がアースされる。この状態
では、２分割回路201から出力される正方向の矩形波の
パルス205は、負入力端子210を介してオペレーショナル
増幅器208に入力される。その結果、正方向の矩形波入
力信号205は、オペレーショナル増幅器208〔正入力端子
209がアースされている場合、全体でマイナス１（−
１）の利得となる〕によって反転させられ、ゼロ・ボル
ト（0V）からマイナス５ボルト（−5V）の間で変化する
一連の負方向の矩形波出力信号211が、オペレーション
増幅器208から出力される。

上記状態において、オペレーション増幅器208から出
力された負方向の矩形波パルス信号211は、バイアス印
加用ネットワーク79′（図22）に供給され、そしてそこ
から、制御線212a、直列の電流制限用抵抗R2及び制御線
212bを経て、同軸ケーブルの中央導体66及びプローブ99
の導体100へと伝達される。しかしながら、（ｉ）電流
制限用の抵抗R2の存在、及び（ii）ダイオードD2の電流
／電圧特性により、制限線212bの電圧は、図22の213に
示されるように、ゼロ・ボルト（0V）とおよそマイナス
10分の７ボルト（−0.7V）の間を振動するため、ダイオ
ード駆動回路200から制御線212aを経て出力される信号
のレベルがゼロ・ボルト（0V）とマイナス5V（−5V）の
間で振動するに従い、ダイオードD2はオープンとショー
トの状態の間で切り換わる。

他方、正／負ダイオード駆動選択スイッチ89が、図23
の点線の位置、即ち負ダイオード駆動位置になった場
合、トランジスタ・スイッチ206はオフになり、演算増
幅器208は正入力端子209を経由する下側の経路に沿って
プラス２（＋２）の利得を示すようになる反面、上側の
経路は、依然マイナス１（−１）の利得を伴って信号20
5を増幅する。従って、この作動状態における演算増幅
器208の全利得は、プラス１（＋１）となる。その結
果、演算増幅器208は、フリップ・フロップ回路202から
出力される正方向の矩形波パルス205を、反転させるこ
となくゼロ・ボルト（0V）からプラス５ボルト（＋5V）
の間で変動する一連の正方向の矩形波パルス信号214と
して通過させる。正方向の矩形波出力パルス信号214
は、バイアス印加用ネットワーク79′（図22）を経由
し、さらに制御線212a及び直列の電流制限用抵抗R2を経
由して、同軸ケーブルの中央導体66及びプローブ99の導
体100に接続された制御線212bへと供給される。そし
て、（ｉ）電流制限用の抵抗R2の作用、及び（ii）ダイ
オードD1の電流／電圧特性により、制限線212bの電圧
は、図22の215に示されるように、ゼロ・ボルト（0V）
とおよそプラス10分の７ボルト（＋0.7V）の間を振動
し、ダイオード駆動回路200から制御線212aを経て出力
される信号のレベルがゼロ・ボルト（0V）とマイナス5V
（−5V）の間で振動するに従い、ダイオードD1はオープ
ンとショートの状態の間で切り換わる。

当業者なら理解できるように、正／負ダイオード駆動
切換スイッチ89（図22及び23）は、所望の任意の方法に
より作動させることができる。例えば、スイッチ89は、
装置180（図22）のオペレータによって手動操作でき
る。或いは、スイッチ89を電気機械方式又は適当な電子
制御用回路（図示せず）によって操作してもよいし、本
発明の特徴を具体化した改良実施例に係る電子式TDR装
置180全体の動作を制御するのに用いられるコンピュー
ターやマイコン等によって操作してもよい。

上記において、図22及び23に示す改良型実施例に係る
TDR装置180のダイオード制御セクション181の動作を説
明し、同セクションが、ダイオードD1、D2をオープンと
ショートの状態の間で選択的に切換える目的のために、
一連の負方向の矩形波パルス213又は正方向の矩形波パ
ルス215を、バイアス印加用ネットワーク79′及び制御
線212bを介して、プローブ99（図22）へ送る働きをする
ということが理解できた。以上を念頭において、同期検
知セクションを含む改良型実施例のTDRシステム180の全
体の動作について説明する。以下の説明が進むに従い、
ゼロ・ボルト（0V）からプラス５ボルト（＋5V）の間で
変動する正方向の矩形波パルス214は、ダイオードD1を
オープン状態〔例えば、図23に示されたダイオード駆動
回路200から出力された一連のパルス214の信号レベルが
ある時点でゼロボルト（0V）であり、従って制御線212b
での信号レベルもゼロ・ボルト（0V）である場合〕と、
ショート状態〔例えば、ダイオード駆動回路200から出
力された一連のパルス214の信号レベルがある時点でプ
ラス５ボルト（＋5V）であり、従って制御線212bでの信
号レベルが約プラス7/10ボルト（＋0.7V）である場合〕
との間で切換えるために用いられることが理解されるで
あろう。

同様に、ゼロ・ボルト（0V）からマイナス５ボルト
（−5V）の間で変動する負方向の矩形波パルス211は、
ダイオードD2をオープン状態〔例えば、図23に示された
ダイオード駆動回路200から出力された一連のパルス211
の信号レベルがある時点でゼロボルト（0V）であり、従
って制御線212bでの信号レベルもゼロ・ボルト（0V）で
ある場合〕と、ショート状態〔例えば、一連のパルス21
1の信号レベルがある時点でマイナス５ボルト（−5V）
であり、従って制御線212bでの信号レベルが約マイナス
7/10ボルト（−0.7V）である場合〕との間で切換えるた
めに用いられる。

作動中において、反復速度発生器189及びパルス発生
器184（図22）は、立ち上がり時間の速い一連のステッ
プ・パルス（200〜500ピコ秒）を一定の反復速度で発生
させ、このパルスが同軸ケーブル54を伝って、分析され
る土壌あるいは他の物質中に挿入された伝達ラインプロ
ーブ99に伝播される。そのようなパルスは、先に説明さ
れたような状態で、例えば、空気／プローブ界面、プロ
ーブの末端、ダイオードD1、D2がショートしたときに形
成される不連続部、及び／又は例えば検査対象物質の水
分特性における不連続部のような他の不連続部からの反
射を生じさせ、その反射が同軸ケーブル54を伝播して、
サンプル・アンド・ホールド回路185によって連続的に
サンプル取りされる。

例えば、10,000メガサイクルの周波数帯のオシロスコ
ープ（図示せず）を用いた場合、サンプル・アンド・ホ
ールド回路185の入力に現れる代表的な波形は、やはり
図５、5A及び5Bに示されている。いま、両方のダイオー
ドD1、D2がオープン状態、即ち、ダイオード制御セクシ
ョン181から出力される信号レベルが瞬間的にゼロ・ボ
ルト（0V）になると仮定すると、パルス発生器184に始
まり同軸ケーブル／伝達ラインプローブ54/99を伝播す
る立ち上がり時間の速いパルスからの反射は、例えば図
５において75で表されたような波形を生じさせる。他
方、ダイオードD1がショートした場合、即ち、ダイオー
ド制御セクション181から出力されるパルスの信号レベ
ルがプラス５ボルト（＋5V）で且つ制御線212bでの信号
レベルがプラス7/10ボルト（＋0.7V）である場合、波形
75は、図5Aに示すように、時間T1において急な負方向へ
の斜線75aを示すことになる。そして、ダイオードD2が
ショートした場合、即ち、ダイオード制御セクション18
1から出力されるパルスの信号レベルがマイナス５ボル
ト（−5V）であり且つ制御線212bでの信号レベルがマイ
ナス7/10ボルト（−0.7V）である場合、波形75は、図5B
で示すように、時間T2において急な負方向の斜線75bを
示す。

ダイオード駆動回路200の作用により、時間Tnで、サ
ンプル・アンド・ホールド回路185にサンプル取りされ
た反射の振幅は、図５に示すダイオードがオープンのと
きの反射75と図5A又は5Bに示すダイオードがショートし
たときの波形75a又は75bとの間を繰返し交互に入れ替わ
る。従って、サンプル・アンド・ホールド回路185から
の出力は矩形波パルス216であり、その矩形波の周波数
は、反復速度発生器189から出力される矩形波パルス204
の周波数の1/2である。一方、矩形波パルス216の振幅
は、時間Ｔにおいてダイオードがオープンのときの反射
から生じるサンプルアンドホールド回路185の出力の振
幅と、時間Ｔにおいてダイオードがショートしたときの
反射から生じるサンプル・アンド・ホールド回路の出力
の振幅との差に比例している。このサンプル・アンド・
ホールド回路185から出力される矩形波信号216は、弱く
て、しかもスイッチ切換時の過渡電流や他の不要なノイ
ズによって幾分不明瞭になりがちである。そこで、その
信号を、AC増幅器190、フィルター191及びAC増幅器192
に通過させると、フィルター191が、大きな過渡電流や
ある程度のノイズ除去して、信号対ノイズ比を改善す
る。AC増幅器192は、その信号からあらゆるDC成分を除
去する。

このように増幅され且つフィルターされた、AC増幅器
192からのノイズ含有矩形波出力信号217は、次にアナロ
グ・マルチプライヤー194に供給される。このアナログ
・マルチプライアー194への第２の入力は、２分割回路2
01から出力された２分の１（1/2）周波数の矩形波パル
ス205である。そのパルス205は、遅延回路196を一旦通
り、DC（直流）成分を取除く働きをするAC結合バッファ
増幅器198から正方向の矩形波パルス218として出力され
る。この信号218は、当業者に“同期検知参照信号”と
して一般に知られている。この同期検知参照信号218の
周波数は、AC（交流）増幅器192から出力されるノイズ
含有矩形波信号217の周波数と同じである。AC結合バッ
ファ増幅器198の極性及び遅延回路196の遅延特性は、ア
ナログ・マルチプライヤー194への２つの入力信号217、
218が同位相になるように調節されている。

アナログ・マルチプライヤー194及びローパス・フィ
ルター195は、理想的なフィルター／検知器のように機
能し、アナログ・マルチプライヤー194に入力されるノ
イズ含有矩形波信号217の振幅を、DC出力信号Ｖ（Ｔ）
に変換する。そのDC出力信号は、図６でそれぞれ点T1
（ダイオードD1が交互にショート状態とオープン状態に
なる場合）とT2（ダイオードD2が交互にショート状態と
オープン状態になる場合）の位置において、正方向の斜
線90、91として示された差の関数を表している。このア
ナログマルチプライヤー194とローパスフィルター（低
域フィルター）195は信号対ノイズ比の更も改善する作
用も行う。信号対ノイズ比の改善の度合いは、ローパス
フィルター195の平滑化（積分）時間に比例する。ロー
パスフィルターの積分時間は、典型的には、ノイズ含有
矩形波パルス217の50サイクル〜200サイクルに等しくな
るよう設定されている。

当業者なら認識できるよに、サンプル・アンド・ホー
ルド回路185からの出力は、当該サンプル・アンド・ホ
ールド回路内部のホールド・コンデンサ（図示せず）の
放電特性のために、実際には、減衰状の矩形波（droopi
ng square wave）になるかもしれない。この場合、フィ
ルター191を第２のサンプル・アンド・ホールド回路
（図示せず）と置換して、減衰状の矩形波を真の矩形波
217に変換するのが有利である。

図22との関係で上記に説明した同期検知システムは、
遠隔短絡機能のないプローブとともに用いても有利であ
る。そのプローブは、例えば図11、12及び22に示したプ
ローブ99に類似のものであるが、遠隔操作可能な能動的
な短絡用ダイオードD1及び／又はD2が備っていない。或
いは、図９及び10に示したような、同軸ケーブル／プロ
ーブ界面54/92′、54/94′の近傍にただ１個の短絡用ダ
イオードD1を持つプローブとともに用いるのも有利であ
る。このような構成は、伝達ライン／プローブ端部から
の時間T2における自然反射が、大きく且つ歪みがない苗
床のような比較的均質な土壌に対して特に有効である。

この目的のために、遅延時間変調モードでの使用が望
まれるときは、先に説明した遠隔でショート可能なダイ
オードのオン／オフ変調と異なり、単に制御線212aをア
ースして、いずれかのダイオードD1又はD2の遠隔切換を
排除すれば足る。これを実現するために、ダイオード・
オン／オフ変調／遅延時間変調スイッチ219（図22）を
図の実線で示すダイオードオン／オフ変調位置から点線
で示す遅延時間変調位置に移動させ、負方向／正方向の
パルス211/214の流れを遮断するとともに、制御線212a
をアースする。同時に、例示のTDR装置180のRFセクショ
ンにおける可変遅延回路186（図22）を、反復速度発生
器189が設定した反復速度の半分（1/2）の速さで、第１
と第２の予設定遅延時間T_AとT_Bの間で交互に切り換える
〔この操作は、適当な既存の電子回路又はコンピュータ
による制御回路（図示せず）を用いて、可変遅延回路18
6内の２つの予設定遅延時間回路（図示せず）を切り換
えて適当な遅延時間変調入力を199にて供給することで
行う）。この場合、 及び、 〔４〕 Ｒ＝T_B−T_A が成立し、ここでの“r"は、反射パルスのおよその立ち
上がり時間である。

図24及び25にてグラフで示すように、上記の方法によ
り、サンプル・アンド・ホールド回路185の出力端か
ら、振幅が反射波の勾配に比例する矩形波216が発生
し、その結果、背景をノイズを減少させて、プローブ端
部からの通常は顕著で急勾配の自然反射に対する検知感
度を改善する。以上の方法は、実際上、例示の改良型電
子TDR装置180の同期検知セクション188において増幅及
び濾波を行う前に、反射波形を“微分”するものであ
る。

上述の同期検知技術は、経済上も実用上も重要であ
る。何故なら、RFセクション182と同期検知セクション1
88を備えるTDR装置180は、ダイオード制御セクション18
1が有るか否か、或いはそのダイオード制御セクション
が利用されるか否かに関係なく、自然反射、即ち消極的
（受動的）な反射のための要素を持つプローブとともに
効果的に用いることができ、しかも、遠隔操作でショー
トさせるダイオードやその他の同様の積極的（能動的）
要素がある場合には同期検知が必要となるからである。
より具体的にいうと、本発明の上記実施例は電子的設計
を一回だけ行えば〔例えば、本発明の特徴を具体化した
図22に示すような例示の改良型TDRシステム180の設
計〕、（ｉ）遠隔操作で短絡可能なダイオードのオン／
オフ変調、又は（ii）遅延時間変調のいずれかを用い
て、TDRシステムにおけるいかなる能動的又は受動的な
反射要素について遅延時間を測定することが可能とな
る。

本発明のもうひとつの重要な目的に従い、多セグメン
トプローブを構成すべく、一連に配列され、遠隔操作可
能で、反対方向を向いた複数対の可変インピーダンス素
子〔例えば、PINダイオード等〕を備えたプローブの設
計が提案される。この多セグメントプローブでは、反対
方向を向く各対のダイオードがプローブにおける隣接セ
グメント間の境界を形成している。この目的のために、
図26に最もよく示されるように、包括的に220で表され
る多セグメント銃剣型プローブは、偏平且つ長状で、相
互に間隔をあけて平行な一対の導体221、222を有してお
り、両導体は長方形の断面を有し、内部又は中央の不導
電性の絶縁スペーサ224によって離間され且つ一体的に
接合されている。

本実施例では、反対方向を向いた、通常オープンで且
つ遠隔操作可能な３対のPINダイオード〔即ちダイオー
ドペアD1/D2、ダイオードペアD3/D4、及びダイオードペ
アD5/D6〕又は他の適当な遠隔操作可能で且つ能動的な
可変インピーダンス素子が、プローブの長手方向に略等
間隔で絶縁スペーサ224の内部に埋設されており（但
し、所望に応じて、ダイオードペアを不等間隔に設けて
よいことは当業者なら理解できよう）、各ダイオードは
プローブ導体221、222に接続されている。図26におい
て、ダイオードペアD1/D2を形成するダイオードD1、D2
及びダイオードペアD3/D4を形成するダイオードD3、D4
は、全て抵抗ＲとコンデンサＣとで形成されるRF結合ネ
ットワークを利用して、プローブ導体221、222に電気的
に接続される反面、ダイオードペアD5/D6を形成するダ
イオードD5、D6は、RF結合ネットワークを用いることな
く、先に図13〜17との関連で述べたのと全く同じ方法で
プローブ導体221、222に直接電気的に接続されている。

既に説明したいくつかのプローブ〔例えば、図11ない
し17に示すプローブ99〕の場合のように、絶縁スペーサ
224は、プローブ220が土や他の検査対象媒体に対して大
きな損傷を伴うことなく容易に挿入できるように、比較
的鋭く尖ったプローブ先端225を備えているのが好まし
い。

液状の絶縁材料を離間した平行な導体221、222間の隙
間に注入するに先立ち、ダイオードペアD1/D2及びD3/D
4、抵抗ＲとコンデンサＣから成るRF結合ネットワー
ク、並びにダイオードペアD5・D6を小型回路基板（図示
しないが、図13、16及び17に示す基板111と同様）に搭
載した上で、プローブ導体221、222間に適切に位置させ
て、図13〜17に示すプローブ99との関係で既に説明した
方法で、両導体に対し電気接続するのが好ましい。21と
222に電気的に接続する。本実施例では、ダイオードペ
アD1/D2及びD3/D4、並びにそれに付属するRF結合ネット
ワークは、それぞれ別の制御線に電気的に接続されてい
る。即ち、例えばダイオードペアD1/D2及び抵抗Ｒとコ
ンデンサＣから成る付属のRF結合ネットワークは、プロ
ーブ220の外側にある端子228で終る制御線226に電気的
に接続されている反面、ダイオードペアD3/D4及びその
付属のRF結合ネットワークは、プローブ220の外側の端
子230で終わる別の独立した制御線229に電気的に接続さ
れている。

本発明のこの特徴に従って、各抵抗Ｒは、それぞれ別
個の可変インピーダンス素子〔即ち、プローブ導体221
とそれに付属する制御線226、229との間にあるダイオー
ドD1〜D4〕に並列に接続されており、オープン状態に切
り換わったときに可変インピーダンス素子に残存する荷
電を放電する。各コンデンサＣは、それぞれ別個の可変
インピーダンス素子D1〜D4とプローブ導体222との間で
直列に接続され、両者間に高周波短絡回路を形成する。
従って、可変インピーダンス素子D1〜D4は、それに直列
に接続された付属のコンデンサＣを介して、プローブ導
体221、222にAC結合されている。

以下の説明が進むに従い当業者に明らかとなるよう
に、本発明の特徴を具体化した図26に示すタイプの多セ
グメントプローブは、何も特定のプローブ導体の構造に
限られるものではない。例えば、プローブ導体は、断面
矩形の棒材で構成する必要はない。また、かかるプロー
ブは、３個のセグメント構成する３対の可変インピーダ
ンス素子を用いたものにも限定されるものでもない。む
しろ、本発明に従って構成される多セグメントプローブ
は、２対、３対、４対、或いはそれ以上の対の、長手方
向に離間した反対方向のダイオード又は他の可変インピ
ーダンス素子を用いることが可能である。但し、少なく
とも第２、第３、及びそれに続く各対のダイオードD1/D
2〜Dn−3/Dn−２に対し個別の制御線が設けられること
を条件とする。さらに、別の構成として、図示はしてい
ないが、ダイオードペアD5/D6も含む全てのダイオード
ペアに対して別々に制御線を設けるとともに、抵抗Ｒと
コンデンサＣから成るRF結合ネットワーク採用すること
も可能であり、このような構成は、塩分含む土壌でプロ
ーブを用いようとする場合に特に有効であることが分か
っている。

一旦、ダイオードペアD1/D2〜Dn−1/Dn（ここでの
“n"は、４に等しいか、４以上の全ての偶数の整数で、
例えば、“n"は、“4"、“6"、“8"等に等しい）、第２
番目とそれ以降の各ダイオードペアに対するRF結合ネッ
トワーク、並びに第２番目とそれ以降の各ダイオードペ
アに対する制御線226、229が、プローブ導体間に適正に
配置され且つそれらの導体に電気的に接続されると、液
状の絶縁物質をこれら要素間のキャビティーに流し込
み、例えば図13〜17又は図18との関係で既に説明したい
ずれかの所望の固着方法を実行する。絶縁物質が硬化し
た後に、ダイオードD1〜D6、抵抗ＲとコンデンサＣで形
成されるRF結合ネットワーク、及び制御線226、229は、
絶縁スペーサ224内に強固に埋設され且つそれによって
保護される一方、制御線226、229はプローブの外側に引
き出されて端子228、230にて集結する。

本発明の上記側面を実施する当たっては、図26に示す
例示の多セグメント型長状プローブ220は、任意の適切
なTDR装置〔例えば、図４に示す従来型のTDR装置51や図
22に示す本発明の特徴を具体化した改良型TDR装置180〕
に、（ｉ）同軸ケーブル54、及び（ii）図27Aで包括的
に231にて表される改良型バイアス印加用ネットワーク
を介して接続される。便宜上、ここではプローブ220
が、図22に関して既に述べたTDR装置180と構成及び作動
様式が同一であるTDR装置180（図27B）に接続したもの
として示している。

しかしながら、この実施例では、正／負ダイオード駆
動切換スイッチ89（図示23及び27B）は、どれか特定の
ダイオードを選ぶようには機能しない。むしろ、同スイ
ッチは正ダイオードD1、D3、D5又は負ダイオードD2、D
4、D6のいずれかを選ぶように機能する。即ち、導体22
2、226又は229な正電圧がかかったときに、順方向にバ
イアスされ導通する奇数番目のダイオードである正ダイ
オードD1、D3、D5、又は導体222、226、229に負電圧を
かかると、順方向にバイアスされ導通する偶数番目のダ
イオードである負ダイオードD2、D4、D6のいずれかを選
択するのである。負ダイオードが選ばれた場合には、正
／負ダイオード駆動切換スイッチ89は、図23の実線位置
にもたらされ、既述の態様にてダイオード制御セクショ
ン181から負方向の矩形波出力パルス211が生じて、負ダ
イオードD2、D4、D6の１つを選択的に活性化させる。逆
に、スイッチ89を図23の点線位置にもたらすと、正方向
の矩形波出力パルス214がダイオード制御セクション181
から出力され、正ダイオードD1、D3、D5の１つが選択的
に活性化される。

図27Aにおいて、例示したバイアス印加用231は、
（ｉ）第１の一対の組みになったスイッチS3（ダイオー
ドペアD1/D2を選択するか、ダイオードペアD3/D4又はD5
/D6の一方を選択するためのもの）及びS4（ダイオード
ペアD1/D2をアースするか、ダイオードペアD3/D4又はD5
/D6の一方をアースするためのもの）に接続された第１
のダイオード選択スイッチ89′、（ii）第２の一対の組
みになったスイッチS5（ダイオードペアD3/D4又はダイ
オードペアD5/D6を選択するためのもの）及びS6（ダイ
オードペアD3/D4又はダイオードペアD5/D6をアースする
ためのもの）に接続された第２のダイオード選択スイッ
チ89″を含んでいる。スイッチS3、S4の端子T3、T4′
は、制御線226a、電流制限用抵抗Ra及び制御線226bを介
して、プローブ220のダイオードペアD1/D2に対応する制
御線226に接続されている。一方、スイッチS5、S6の端
子T5、T6′は、制御線229a、電流制限用抵抗Rb及び制御
線229bを介して、ダイオードペアD3/D4に対応する制限
線229に接続されている。

動作との関係で構成を説明すると、次のとおりであ
る。いま、（ｉ）正／負ダイオード駆動切換スイッチ89
（図23及び27B）が正ダイオードD1、D3、D5のうちの一
個を選ぶように位置していると仮定し（即ち、そのスイ
ッチ89が図23の点線位置にあり、TDR装置180のダイオー
ド制御セクション181から正方向の矩形波出力パルス214
を発生させると仮定し）、更に（ii）ダイオード選択ス
イッチ89′、89″（図27A）が、図の実線位置にあると
仮定すると、回路の初期状態では、ダイオードD1がオー
プン状態とショート状態との間で交互に切り換わり、他
の全てのダイオードD2〜D6がオープンなまま保持され
る。この状態では、TDR装置180（図27B）のダイオード
制御セクション181から出力される正方向の矩形波パル
ス214が、スイッチS3、その端子T3、制御線226a及び電
流制御用抵抗Raを経て制御線226bに伝達され、更にそこ
から端子228及び制御線226へと伝えられる一方、制御線
229a、229b、229は、スイッチ／端子S4/T4、スイッチ／
端子S5/T5及び電流制限用抵抗Rbを経てアースされてい
る。同時に、プローブの伝導体222に接続された同軸ケ
ーブル54の中心導体66は、スイッチ／端子S6/T6、制御
線232a、電流制限用抵抗Rc及び制御線232bを介してアー
スされている。制御線229、229a、229b及び制御線232
a、232bは、アースされているので、ダイオード制御セ
クション181（図27B）から出力されたパルスは、それが
正方向のパルス214であるか又は負方向のパルス211であ
るかに関係なく、ダイオードD3〜D6のいずれもバイアス
して導通状態にすることはできず、それゆえ、ダイオー
ドD3〜D6はオープン状態のままとなる。

ダイオード制御セクション181（図27B）から出力され
た正方向の矩形波パルス214が、制御線226a（図27a）を
伝わると、制御線226aでの信号レベルはゼロボルト（0
V）と約プラス５ボルト（＋5V）の間を振動する。しか
しながら、（ｉ）電流制限用抵抗Raの作用、及び（ii）
ダイオードD1の電流／電圧特性により、制御線226b及び
制御線226での信号レベルは、図27Aの234で示すよう
に、ゼロ・ボルト（0V）と約プラス7/10ボルト（0.7V）
の間で振動し、正のダイオードD1が、制御線226aでの信
号レベルがゼロボルト（0V）のときのオープン状態と制
限線226aでの信号レベルがプラス５ボルト（＋5V）のと
きのショート状態との間で切換わる。一方、制限線226
上に生じるプラス7/10ボルト（＋0.7V）のパルス信号の
レベルは、負のダイオードD2を導通状態させるには十分
でなく、従って曲のダイオードD2はオープンのままであ
る。

次に、ダイオード選択スイッチ89′、89″（図27A）
は図示の実線の位置のままであるが、正／負ダイオード
駆動選択スイッチ89（図23及び27B）が図23に示す実線
位置に移動した場合、TDR装置180のダイオード制御セク
ション181から一連の負方向の矩形波パルス211がダイオ
ード駆動回路200に出力される。ダイオード選択スイッ
チ89′、89″はそのままであるので、制御線229a、229
b、229及び制限線232a、232bは全てアースされたままで
あり、ダイオードD3〜D6は依然としてオープンのままで
ある。しかしながら、この動作状態では、スイッチ／端
子S3/T3を介して制御線226aを伝播される負方向の矩形
波パルス211の信号レベルは、ゼロ・ボルト（0V）とマ
イナス５ボルト（−5V）の間で振動する。制御線226aで
の信号がゼロ・ボルト（0V）のときには、ダイオードD
1、D2は共にオープンの状態のままである。一方、制御
線226aでの信号レベルがマイナス５ボルト（−5V）に下
がったときには、電流制限用抵抗Raにより制御線226b、
226での電圧レベルが、図27Bの235に示されたように、
約マイナス7/10ボルト（−0.7V）にまで低下し、それに
より、負のダイオードD2が順方向にバイアスされて導通
し、ダイオードD2の位置でプローブ導体221、222間をシ
ョートさせる。しかしながら、制御線226でのマイナス7
/10ボルト（−0.7V）の信号レベルでは、反対方向を向
いた正のダイオードD1を導通状態にすることはできない
ので、正のダイオードD1はオープンの状態のままであ
る。

次に、（ｉ）正／負ダイオード駆動切換スイッチ89
（図23及び27B）が図23の点線位置にあり、ダイオード
駆動回路200に一連の正方向の矩形波パルス214が出力さ
れる状態になっており、（ii）ダイオード選択スイッチ
89′（図27A）が図の点線位置に移動し、（iii）ダイオ
ード選択スイッチ89″（図27A）は実線位置にとどまっ
ている場合、図27A及び27Bの回路は、ダイオードD3をオ
ープン状態とショート状態との間で切換えるような構成
となる。より具体的には、この状態では、（ａ）制御線
226aは、スイッチ／端子S4/T4′を経てアースされてお
り、これにより制御線226bを電流制限用抵抗Ra及び制御
線226を介してアースし、ダイオードD1/D2が導通状態に
ならないようにしており、（ｂ）制御線229aは、スイッ
チ／端子S3/T3′、及びスイッチ／端子S5/T5を介して、
TDR装置180のダイオード制御セクション181（図27B）か
らの出力側に直接つながっており、その結果、制御線22
9aでの電圧レベルは、ゼロボルト（0V）とプラス５ボル
ト（＋5V）の間を振動し、制御線229b、229の電圧は、
（ｉ）電流制限用抵抗Rbの作用、及び（ii）ダイオード
D3の電流／電圧特性によって、234に示されたようにゼ
ロ・ボルト（0V）と約プラス7/10ボルト（＋0.7V）の間
で振動し、もって正／負ダイオード駆動選択スイッチ89
（図23及び27A）の位置〔ここでは、ダイオード制御セ
クション181から正方向の矩形波パルス214を出力するべ
く、図23の点線位置にあると仮定している〕のみ依存し
て、ダイオードD3の切り換えを可能にしており、そして
（ｃ）制御線232aは、スイッチ／端子S6/T6を介してア
ースされたままで、その結果、制御線232bも、電流制限
用抵抗Rcを介してアースされたままであり、ダイオード
D5/D6が導通状態にならないよう、依然オープン状態を
維持する。

以上の状態においては、図27Aを参照すると最もよく
分かるように、制御線229aでの信号レベルがゼロ・ボル
ト（0V）とプラス５ボルト（＋5V）の間で振動すると、
制御線229b、229での信号レベルは、電流制限用抵抗Rb
の作用及びダイオードD3の電流／電圧特性により、ゼロ
・ボルト（0V）と約プラス7/10ボルト（＋0.7V）の間で
振動する。従って、両ダイオードD3、D4はともに、制御
線229での信号レベルがゼロ・ボルト（0V）であるとき
は、いつでもオープンの状態のままである。一方、制御
線229の信号レベルがプラス7/10ボルト（＋0.7V）にな
れば、正のダイオードD3は順方向バイアスにより導通状
態になり、プローブ導体221、222間がダイオードD3の箇
所でショートする。しかしながら、制御線229における
プラス7/10ボルト（＋0.7V）の信号レベルでは、反対方
向を向いた負のダイオードD4を導通状態にバイアスする
ことはできないので、負のダイオードD4はオープンのま
までいる。

今度は、正／負ダイオード駆動選択スイッチ89（図23
及び27B）が、図23に示された実線位置に移った場合、T
DR装置180のダイオード制御セクション181は、一連の負
方向の矩形波パルス211をバイアス印加用ネットワーク2
31に出力する。ここで、ダイオード選択スイッチ89′
（図27A）が図の点線位置にとどまり、ダイオード選択
スイッチ89″が図の実線位置にとどまると仮定すると、
TDR装置180（図27B）のダイオード制御セクション181か
らバイアス印加用ネットワーク231（図27A）に入力され
る負方向の矩形波パルス211は、スイッチ／端子S3/T3′
及びスイッチ／端子S5/T5を経て制御線229aへと伝播し
ていき、制御線229aの信号レベルがゼロ・ボルト（0V）
とマイナス５ボルト（−5V）の間で振動する。その結
果、制御線229b、229での信号レベルは、（ｉ）電流制
限用抵抗Rbの作用、及び（ii）ダイオードD4の電流／電
圧特性により、図27Aの235で表されたように、ゼロ・ボ
ルト（0V）と約マイナス7/10ボルト（−0.7V）の間を振
動することとなる。制御線229の信号レベルが、ゼロ・
ボルト（0V）であるときは、両方のダイオードD3、D4と
もオープンな状態のままであるが、制御線229の信号レ
ベルがマイナス7/10ボルト（−0.7V）まで下がると、ダ
イオードD4が導通状態に順方向バイアスされ、プローブ
導体221、222間がダイオードD4の位置でショートする。
しかし制御線229でのマイナス7/10ボルト（−0.7V）の
信号レベルでは、反対方向を向いた正のダイオードD3を
導通状態に順方向バイアスすることはできないので、正
のダイオードD3は依然オープンのままとどまる。

次に、ダイオード選択スイッチ89′と89″が両方とも
図27Aに示す点線位置に移った場合を考えると、制御線2
26aは、スイッチ／端子S4/T4′を介して依然アースされ
たままであり、従ってアースされている制御線226aに接
続されている制御線226b、226も電流制限用抵抗Raを介
してアースされたままとなり、ダイオードD1、D2がオー
プンな状態のままに保持されるしかしながら、今度は、
制御線229aも、スイッチ／端子QS′6/T6′を介してアー
スされることになり、そのため、アースされている制御
線229aに電流制限用抵抗Rb及び制御線229b、229を介し
て接続されるダイオードD3、D4もオープン状態に保持さ
れる。その結果、正／負ダイオード駆動切換スイッチ89
（図23及び27B）の位置のみに依存して、ダイオードD5/
D6のうちの一方がオープン状態とショート状態の間を切
り換わることになる。何故なら、同軸ケーブル54の中心
導体66が、今度は、スイッチ／端子S3/T3′、スイッチ
／端子S5/T5′、制御線232a、電流制限用抵抗Rc及び制
御線232bを介して、TDR装置180のダイオード制御セクシ
ョン181（図27B）に直結されることになるからである。

また、正／負ダイオード駆動切換スイッチ89が図23の
点線位置にある場合は、TDR測器180のダイオード制御セ
クション181から正方向の矩形波パルス214がダイオード
駆動回路200に出力される。その結果、制御線232aでの
信号レベルはゼロ・ボルト（0V）とプラス５ボルト（＋
5V）の間で振動する一方、制御線232bでの信号レベル
は、（ｉ）電流制限用抵抗Rc、及び（ii）ダイオード５
の電流／電圧特性により、図27Aの234に示すように、ゼ
ロ・ボルト（0V）と約プラス7/10ボルト（＋0.7V）の間
で振動する。制御線232bでの信号レベルがゼロ・ボルト
（0V）のときは、ダイオードD5、D6は両方ともオープン
状態であるが、制御線232bの信号レベルがプラス7/10ボ
ルト（＋0.7V）に上昇すると、正のダイオードD5は導通
状態に順方向バイアスされ、プローブ導体221、222間を
ダイオードD5の位置でショートさせる。しかし、導体22
2でのプラス7/10ボルト（＋0.7V）の信号レベルでは、
負のダイオードD6を導通状態に順方向バイアスさせ得な
いので、反対方向を向いている負のダイオードD6は、オ
ープン状態のままである。

最後に、正／負ダイオード駆動切換スイッチ89が図23
の実線位置に移った場合を考えると、TDR装置180のダイ
オード制御セクション181から負方向の矩形波パルスが
ダイオード駆動回路200に出力され、従って、この状態
では、その負方向の矩形波パルス211は、スイッチ／端
子S3/T3′及びスイッチ／端子S5/T4′を介して制御線23
2aに伝播され、その制御線をゼロ・ボルト（0V）とマイ
ナス５ボルト（−5V）との間で振動させる。その結果、
（ｉ）電流制限用抵抗Rc、及び（ii）ダイオードD6の電
流／電圧特性により、制御線232bでの信号レベルは、図
27Aの235で示されるように、ゼロ・ボルト（0V）と約マ
イナス7/10ボルト（−0.7V）の間を振動する。制御線23
2bでの信号レベルがゼロ・ボルト（0V）のときは、ダイ
オードD5、D6（図26）は共にオープンのままである。一
方、制御線232bの信号レベルが約マイナス7/10ボルト
（−0.7V）のときには、負のダイオードD6が導通状態に
順方向バイアスされ、プローブ導体221、222間をダイオ
ードD6の位置でショートさせる。一方、反対方向を向い
た正のダイオードD5は、負のパルスでは導通状態にバイ
アスされることはなく、オープンの状態のままでいる。

以上説明したように、図26に示す例示の多セグメント
プローブ220は、３対のダイオード、即ち、ダイオードD
1の位置からダイオードD2の位置までの範囲をもつ第１
のセグメントを形成するダイオードペアD1/D2、ダイオ
ードD3の位置からダイオードD4の位置までの範囲の第２
のセグメントを形成するダイオードペアD3/D4、及びダ
イオードD5の位置からダイオードD6の位置までの範囲の
第３のセグメントを形成するダイオードペアD5/D6（即
ち、ダイオードペアDn−1/Dnにおいて、ここでは“n"が
“6"である）を有する３−セグメントプローブとして機
能する。更に、以上の説明から、このようなプローブ22
0を用いたTDR装置180（図27A及び27B）を動作させるこ
とにより、６個の正確で明瞭なタイミング・マーカーT
1、T2・・・T6を、間隔をあけたダイオードD1、D2・・
・D6に対応する別個の６箇所にて発生させ得ることも理
解されよう。

しかしながら、６個の正確で明瞭なタイミング・マー
カーT1、T2・・・T6が間隔をあけた６箇所で発生される
のであるから、当業者なら理解できるように、図26に示
す多セグメントプローブ220は、必要に応じ、実際に
は、５−セグメントプローブとして機能させることも可
能である。即ち、（ｉ）ダイオードD1、D2によって区切
られ、その間の長さを持つ第１のセグメント、（ii）ダ
イオードD2、D3によって区切られ、その間の長さを持つ
第２のセグメント、（iii）ダイオードD3、D4によって
区切られ、その間の長さを持つ第３のセグメント、（i
v）ダイオードD4、D5によって区切られ、その間の長さ
を持つ第４のセグメント、及び（ｖ）ダイオードD5、D6
によって区切られ、その間の長さを持つ第６のセグメン
トである。

多セグメントプローブ220（図26及び27A）を５−セグ
メントプローブとして動作させる場合、次のことがが必
要となるだけである。即ち、（ｉ）既に説明した態様に
て、制御線226a、226b、226に正の電圧をかけて、ダイ
オードD1を迅速且つ反復的にオープン状態及びショート
状態にさせ、第１のダイミング・マーカーT1を設定す
る。（ii）制御線226a、226b、226に負の電圧をかけ
て、ダイオードD2を迅速且つ反復的にオープン状態及び
ショート状態にさせ、第２のタイミング・マーカーT2を
設定する。（iii）T1及びT2で得られた反射のデータを
処理して、ダイオードD1、D2によって形成された第１セ
グメントに沿うエネルギーパルスの伝播時間、即ちその
伝播速度を決定する。（iv）制御線229a、229b、229に
正の電圧をかけて、ダイオードD3を迅速且つ反復的にオ
ープン状態及びショート状態にさせ、第３のタイミング
・マーカーT3を設定する。そして、（ｖ）T2及びT3で得
られた反射のデータを処理して、ダイオードD2、D3によ
って形成されたプローブの第２セグメントに沿うエネル
ギーパルスの伝播時間、従って伝播速度を決定する。

更に、上述の同様の処理ステップを次のように繰り返
す。即ち、制御線229a、2291b、229に負の電圧を印加し
て、ダイオードD4を迅速且つ反復的にオープン状態及び
ショート状態にさせ、T4を設定し、次いでタイミング・
マーカーT3、T4で得られた反射のデータを処理して、ダ
イオードD3、D4で形成されたプローブの第３のセグメン
トに沿うエネルギーパルスの伝播速度を決定する。この
処理に続いて、制御線232a、232b、66、222に正の電圧
を印加して、ダイオードD5を反復的にオープン状態及び
ショート状態にさせ、第５のタイミング・マーカーT5を
設定し、次いでタイミング・マーカーT4、T5で得られた
反射のデータを処理して、ダイオードD4、D5で形成され
たプローブの第４のセグメントに沿うエネルギーパルス
の伝播速度を決定する。最後に、制御線232a、232b、66
および222に負の電圧を印加し、ダイオードD6を迅速且
つ反復的にオープン状態及びショート状態にさせて、T6
を設定し、次いでT5、T6で得られた反射のデータを処理
して、ダイオードD5、D6で形成されたプローブの第５の
セグメントに沿うエネルギーパルスの伝播速度を決定す
る。

要するに、最も広い意味においては、図26に示すよう
な多セグメントプローブ220は複数対のダイオードを含
み、隣り合うセグメント間の境界が単一のダイオードに
よって形成されることになる。従って、多セグメントプ
ローブはダイオードD1、D2・・・Dnによって構成され、
ここで“n"が“3"又はそれ以上の任意の整数であるもの
として定義される。言い換えれば、“n"が“3"の場合、
２−セグメントプローブはダイオードペアD1/D2、D2/D3
によって形成され、“n"が“4"の場合、３−セグメント
プローブがダイオードペアD1/D2、D2/D3及びD3/D4によ
って形成される、等々である。

これまでに説明したプローブ／同軸ケーブルの組合せ
体の種々の実施例では、同軸ケーブル54がプローブ導体
62、64（図４、７及び９）、95、96、98（図８及び1
0）、100、101（図11及び22）及び221、222（図26及び2
7A）に対し、そのプローブ導体の基端近傍、即ち空気／
プローブ界面の近傍で電気的に接続されたものとして示
されている。しかしながら、本発明は、そのような構成
に限定されるものではない。むしろ、図には示されては
いないが、当業者なら理解できるように、同軸ケーブル
54をプローブ導体に沿って長手方向に延ばし、プローブ
導体の基端と先端との間に任意の箇所において、それに
電気的に接続してもよい。但し、遠隔操作可能で通常オ
ープン状態の可変インピーダンス素子が、同軸ケーブル
／プローブ導体界面の近傍でプローブ導体間を横切るよ
うに接続され、正確で明瞭なタイミング・マーカーＴを
その界面にて発生できるようにすることが条件となる。

例えば、塩分を含む土壌を扱う場合〔実際それが、控
え目に塩分を含んだ土壌であっても〕、同軸ケーブル54
が細い同軸ケーブル（例えば、RG−174タイプのような
同軸ケーブル）であり、プローブ導体に対してその基端
と先端との間のほぼ真ん中の位置で電気的に接続されて
いる構成において、遠隔操作可能で通常オープン状態の
可変インピーダンス素子が、同軸ケーブルとプローブ導
体との界面にて、プローブ導体を横切るように接続され
ておれば、優れた結果が得られることが分かっている。
このような構成では、プローブ導体に沿って同軸ケーブ
ル／プローブ導体界面から、プローブの基端及び先端の
近傍に取り付けられた各可変インピーダンス素子に向か
って伝達される立上がり時間の速いパルスは、同軸ケー
ブルがプローブの基端に接続された場合のプローブの有
効長さの単に２分の１（1/2）の長さを伝わればよい。

当業者であれば理解できるように、正／負ダイオード
駆動切換スイッチ89（図23及び27B）及びダイオード選
択スイッチ89′、89″（図27A）を一方の位置から他方
へ移動させるために用いられる特定の手段は、本発明の
構成要素ではなく、電子回路設計に携わる当業者の能力
の範囲内に属する。従って、かかるスイッチは、必要な
らば、TDRシステム180のオペレータにより、手動で且つ
個別に操作してもかまわない。或いは、そのスイッチ
は、任意の適当な制御回路（図示せず）によって、電子
機械的又は電子的に制御することもできる。しかしなが
ら、なるべくなら、TDRシステム全体をコンピューター
制御するのが好ましく、この種のシステムでは、（ｉ）
正／負ダイオード駆動切換スイッチ89（図23及び27
B）、（ii）ダイオード選択スイッチ89′、89″（図27
A）、（iii）TDR装置180のRFセクション182にある可変
遅延回路186への入力Ｔ（図27B）、（iv）ダイオード・
オン／オフ変調／遅延時間変調スイッチ219、及び
（ｖ）TDRシステム180が、遠隔操作でショート可能なダ
イオードのオン／オフ変調モードではなく、遅延時間変
調モードで操作されている場合の遅延変調入力199等は
総合コンピュータ制御システム（図示せず）の中に含ま
れる１個以上の適当なマイクロプロセッサーチップで制
御される。更に、そのような総合コンピュータ制御シス
テムでは、ロー・パス・フィルター195（図27B）からの
出力Ｖ（Ｔ）は、A/Dコンバータ（図示せず）によって
サンプル取りし、コンピュータ制御に入力するのが好ま
しい。

図26、27A及び27Bに関する上記説明では、シンプルで
あるが、非常に効果的な長状の多セグメント銃剣型プロ
ーブ220（図26）とそのための制御システム（図23、27A
及び27B）とにより、隣接する複数対のダイオードペアD
1/D2・・・Dn−1/Dnにおける各ダイオードを、１度に１
個ずつ、オープンとショートの状態の間で選択的に切り
換えて、プローブにおいて隣接して直線状に並ぶ複数セ
グメントのうちの任意の１つを選択して、それについて
ダイオードのオン・オフ変調を遠隔操作で行えることを
述べた。このようなプローブは、分析対象である土壌又
は他の媒体の水分含有量及び／又は水分特性を、そのプ
ローブ220に沿う種々な深さで測定するのに非常に効果
的であることが証明された。また、そのような構成のプ
ローブにより、層状の検査対象媒体における２つ以上の
隣接層の水分特性を測定することが容易になる。更に、
本発明の特徴を具体化した多セグメントプローブは、地
中マルチプレクサー（depth multiplexer）として使う
こともできる。

要約すれば、以上の明細書を添付の図面及び後述の請
求の範囲を照合しつつ読めば理解できるように、ここに
開示した多くの方法、プローブ及び回路の実施例は、単
純性及び経済性を特徴としながらも、（ｉ）遠隔操作で
きる可変インピーダンス素子（例えばダイオード）のオ
ン／オフ変調、又は（ii）遅延時間変調のいずれかを用
いて、土壌及び広範囲にわたる他の検査対象媒体におけ
る水分含有量等を正確に測定するのに非常に効果的であ
る。いずれの場合でも、得られる信号のレベルは通常小
さくて、一般的には不要な背景ノイズにより少なくとも
部分的に不明確になるにもかかわらず、上記方法によれ
ば、正確且つ容易に同定できるタイミング・マーカーを
プローブの長手方向の既知の位置に容易に発生させ且つ
確認することができる。また、本発明は、従来の２ロッ
ド型、３ロッド型及び／又はその他の多ロッド型プロー
ブを用いることができ、既述のとおり、そのプローブは
本発明の特徴を具体化した銃剣型長状プローブであって
もよい。

フロントページの続き (73)特許権者 999999999 ジー．エス．ガベル コーポレイション カナダ、Ｖ８Ｚ ４Ｂ９ ブリティッシ ュ コロンビア、ヴィクトリア、グァン フォード アヴェニュー 4243、スイー ト 100 (72)発明者 フック、ウィリアム アール. カナダ、Ｖ０Ｒ ２Ｗ０ ブリティッシ ュ コロンビア、シャウニガン レイ ク、ボックス 10、イースト シャウニ ガン レイク ロード 2092 (56)参考文献 Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ. 66，Ｎｏ．２，ＰＰ．793−802 （1989) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01N 22/00 - 22/04

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】検査対象物質の水分含有量を計測するため
   に用いられるタイプのタイム・ドメイン反射計測装置と
   ともに用いるプローブであって、上記プローブを上記タ
   イム・ドメイン反射装置に連結するための第１及び第２
   導体をもつRFケーブルを採用するものであり、上記プロ
   ーブは、組合せにおいて次の要素を含む。 ａ）非導電性ベース部、 ｂ）上記ベース部に取付けられ、かつこれに対して直角
   に横方向に延びる第１の導電手段、 ｃ）上記ベース部に取付けられ、かつこれに対して直角
   に横方向に延びる第２導電手段であって、この第２導電
   手段は上記第１導電手段から間隔を開けられ、かつ平行
   に延びているもの、 ｄ）上記第１及び第２導電手段は有効長さＬの多導体プ
   ローブを規定していること、 ｅ）上記第１導電手段を上記RFケーブルの第１及び第２
   導体の一方に接続する手段、 ｆ）上記第２導体手段を上記RFケーブルの第１及び第２
   導体の他方に接続する手段、及び、 ｇ）上記プローブが検査対象物質に挿入された場合、短
   いエネルギパルスが上記第１及び第２導電手段を伝わる
   ときの上記エネルギパルスの伝播速度の計測において用
   いられるべき少なくとも一つの正確かつ明瞭なタイミン
   グ・マーカーの設定を可能とするために、上記プローブ
   の上記長さＬに沿う予め選択された少なくとも一つの点
   において、上記第１導電手段を上記第２導電手段に選択
   的に短絡させる手段。
2. 【請求項２】検査対象物質の水分含有量を測定するため
   の装置であって、この装置は組合せにおいて、 ａ）タイム・ドメイン反射計、 ｂ）間隔を開けられた“n"＋１個（ここで“n"は任意の
   整数）の平行状の導体を有する、物質に挿入可能な多導
   体RF伝達プローブ、 ｃ）ｉ）一端部において上記タイム・ドメイン反射計に
   接続されるとともに反射側端部において上記プローブの
   上記“n"＋１個の間隔を開けられた平行状の導体の一つ
   に接続された第１導体と、ii）接地されるとともに上記
   プローブの上記“n"＋１個の間隔を開けられた平行状の
   導体の残りのもののすべてに接続された第２導体とを有
   するRFケーブル、 ｄ）共通出力端子と、正電圧、負電圧及び０電圧出力端
   子とを有する電圧源であって、上記共通出力端子は上記
   RFケーブルの上記第２導体に接続されているもの、 ｅ）上記電圧源の上記正電圧、負電圧及び０電圧出力端
   子の一つを上記RFケーブルの上記第１導体に選択的に接
   続するためのスイッチ手段、 ｆ）上記スイッチ手段が上記正電圧出力端子を上記RFケ
   ーブルの上記第１導体に接続したとき、上記“n"＋１個
   のプローブの一端部近傍の第１の点において上記プロー
   ブの上記“n"＋１個の間隔を開けられた平行状の導体の
   上記の一つを上記プローブの上記“n"＋１個の間隔を開
   けられた平行状の導体の残りのもののすべてに接続する
   ための第１の可変インピーダンス手段、及び、 ｇ）上記スイッチ手段が上記負電圧出力端子を上記RFケ
   ーブルの上記第１導体に接続したとき、上記“n"＋１個
   のプローブの反対側端部近傍の第２の点において上記プ
   ローブの上記“n"＋１個の間隔を開けられた平行状の導
   体の上記残りのもののすべてを上記プローブの上記“n"
   ＋１個の間隔を開けられた平行状の導体の上記一つに接
   続するための第２の可変インピーダンス手段、 を含んでおり、これにより、上記電圧源の０電圧出力端
   子が上記RFケーブルの上記第１導体に接続されるとき、
   上記第１及び第２可変インピーダンス手段が非導通状態
   であり、上記電圧源の正電圧端子が上記RFケーブルの上
   記第１導体に接続されるとき、上記プローブの“n"＋１
   個の間隔を開けられた平行状の導体の上記一つを上記プ
   ローブの“n"＋１個の間隔を開けられた平行状の導体の
   残りのもののすべてに短絡させるように、上記第２の可
   変インピーダンス手段が非導通状態となって、かつ上記
   第１の可変インピーダンス手段が導通状態にバイアスさ
   れ、上記第１の点における不連続点及び第１のタイミン
   グ・マーカーを設定するようになり、かつ、上記電圧源
   の負電圧端子が上記RFケーブルの上記第１導体に接続さ
   れるとき、上記プローブの“n"＋１個の間隔を開けられ
   た平行状の導体の上記残りのもののすべてを上記プロー
   ブ“n"＋１個の間隔を開けられた平行状の導体の上記一
   つに短絡させるように、上記第１の可変インピーダンス
   手段が非導通状態であって、かつ上記第２の可変インピ
   ーダンス手段が導通状態にバイアスされ、上記第２の点
   における不連続点及び第２のタイミング・マーカーを設
   定するようになっている、物質の水分含有量の計測装
   置。
3. 【請求項３】RFケーブルによって多導体プローブに接続
   されたTDR装置を用いて検査対象物質の水分含有量を計
   測する方法であって、次のステップを含むもの。 ａ）検査対象物質中に上記プローブを挿入すること、 ｂ）一定の反復速度において急速に立ち上がる一連の時
   間パルスを発生させること、 ｃ）上記急速に立ち上がるパルスを上記RFケーブル及び
   検査対象物質中に延びる上記プローブ導体に沿って伝播
   させること、 ｄ）上記プローブ導体の長さに沿う少なくとも一つの既
   知の点において上記プローブ導体の一方を他方に遠隔的
   に短絡させ、上記点において人為的な不連続点を形成す
   るようにし、かつ、明瞭で正確なタイミング・マーカー
   T_nを規定する反射を生成すること、 ｅ）上記プローブ導体の長さに沿う不連続点で生成され
   た、上記プローブ導体からの反射を抽出すること、及び ｆ）ｉ）時間Ｔにおいて非短絡プローブ導体から発生す
   る上記抽出された出力信号の振幅と、ii）時間Ｔにおい
   て短絡プローブ導体から発生する上記抽出された出力信
   号の振幅との差に比例する、上記抽出された反射からの
   出力信号を生成すること。