JP2916834B2 - 任意曲線探査機能付地中レーダ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、地中埋設物を地上か
ら探査する任意曲線探査機能付地中レーダに関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来、地中の埋設物を探査する方法とし
て各種の方法が提案されているが、基本的には電磁波ま
たは超音波等のパルス波を地中に放射し、埋設物から反
射されてきた反射波を検出する方法によっている。

【０００３】この装置は台車に地中レーダ装置を乗せ移
動しながら地中に向けて電波を発射することによって、
地中に不連続な部分、例えば地層の境あるいは埋設物等
があると、その境界から電波が反射されてくるので、反
射電波を検出することによって地中の状態を知ることが
できる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらこのよう
な従来の装置は任意に場所を移動したときの位置情報を
検出する機能がないので、台車の移動は直線状に行わな
ければならず、例えばマンホールの周囲の埋設物を探査
するようなときは、そのマンホールを含む平面を何度も
何度も行き来して必要な情報を収集する必要があり、非
常に長い時間を要するという課題を有していた。

【０００５】本発明はこのような状況に鑑みてなされた
もので、左右の車輪の回転数差情報を知ることによっ
て、移動地点の座標情報を得ることができる装置を提供
するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るため本発明は、台車の左右にそれぞれ設けられ互いに
独立して回転する第１および第２の車輪と、第１の車輪
回転数に対応した数ｎ_Ａのパルスを発生する第１のパル
ス発生装置と、第２の車輪回転数に対応した数ｎ_Ｂのパ
ルスを発生する第２のパルス発生装置と、第１のパルス
発生装置から発生するパルスと第２のパルス発生装置か
ら発生するパルスの差ｎ_Ｂ−ｎ_Ａを検出する発生パルス
数差検出手段と、第１のパルス数発生装置から発生する
パルス数と発生パルス数差検出手段出力とから静止系座
標位置を求める位置座標演算手段とを備えるものであ
る。

【０００７】位置座標演算手段は、第１のパルス発生装
置から発生するパルス数ｎ_A と、発生パルス数差検出手
段の出力ｎ_B −ｎ_A と、左右の車輪の車輪間隔ｌとか
ら、単位移動距離当たりの台車の曲率ｋを算出する。次
に、この曲率ｋに基づいて、静止系座標基準位置から第
１の車輪へ向かうベクトルをベクトルＸ、第１の車輪の
軌跡に沿った移動距離をＳ、そのときの第１の車輪の単
位接線ベクトルをベクトルｔ、第１の車輪から第２の車
輪へ向かう単位法線ベクトルをベクトルｎとした場合に
得られる微分方程式を数値演算する。そして、得られた
各ベクトルＸ，ｎ，ｔに基づいて、静止系座標基準位置
から台車の重心位置までのベクトルを算出することによ
り、台車の静止系座標位置を算出するようにしたもので
ある。

【０００８】

【作用】台車の左右の車輪の回転数差を求めることによ
って台車の回転情報を知ることができ、その回転情報と
一方の車輪の回転数とから移動距離および進行角度を知
ることができ、これから移動座標が刻々と計算できる。

【０００９】

【実施例】図１は本発明の一実施例を示すブロック図で
あり、図示しないアンテナおよびレーダ装置が乗せられ
た台車の位置座標検出部分を示している。図１におい
て、台車の左側車輪には、その回転数に応じたパルス数
を発生する左車輪用ロータリーエンコーダ（第１のパル
ス発生装置）１が設けられ、右側車輪にその回転数に応
じたパルス数を発生する右側車輪用ロータリーエンコー
ダ（第２のパルス発生装置）２が設けられ、一方がアッ
プダウンカウンタ３（発生パルス数差検出手段）のアッ
プカウント信号入力端子に、他方がダウンカント信号入
力端子に接続されている。

【００１０】双方のロータリーエンコーダの一方、この
例では右側車輪用ロータリーエンコーダ２の出力と、ア
ップダウンカウンタ３の出力信号が信号処理器（位置座
標演算手段）４に接続され、供給される２種類の信号に
基づいて絶対位置座標が演算されるようになっている。

【００１１】このように構成された装置において台車を
押してアンテナを移動させると左右の車輪に取り付けら
れたロータリーエンコーダ１、２からパルスが発生す
る。台車が直線上を移動しているときは左右のロータリ
ーエンコーダから発生するパルス数が同一であるためア
ップダウンカウンタ３は出力信号が変化しない。しか
し、カーブして計測を行うと右側車輪の回転数と左側車
輪の回転数が異なるので、アップダウンカウンタ３はそ
の差に対応し、また右または左方向の何れにカーブした
かに対応した出力信号を発生する。

【００１２】信号処理器４では右車輪用ロータリーエン
コーダ２の出力パルスとアップダウンカウンタ３の出力
信号とから、トラバースピッチΔｘ、両輪のトレッド１
より実際に移動した軌跡を求めることができる。

【００１３】次に、移動軌跡の求め方について説明す
る。図２に示すように正三角形ＡＢＣの各頂点の位置に
車輪が取り付けてあり、アンテナ部の中心をＧ、車輪す
なわちＡ，Ｂの軌跡をそれぞれ曲線１、２とする。静止
系基準位置ＯからＡ（第１の車輪）に向かうベクトルを
ベクトルＸとすると、ΔＡＢＣ（すなわちアンテナ部）
の中心（重心）Ｇの軌跡は、次のように決まる。

【００１４】曲線１のＡ点での単位接線ベクトルをベク
トルｔ（以下、ベクトル変数について、数式および図面
ではアッパースコア記号を用いてベクトル表記するが、
本文ではアッパースコア記号を用いたベクトル表記を省
略する）、単位法線ベクトルをベクトルｎ（Ａ→Ｂの方
向）とすると（１）式が成立する。

【００１５】

【数３】

【００１６】ここで、Ｓは曲線１に沿った長さ（移動距
離）を表し、ｋは曲率である。この曲率ｋが以下のよう
にＡ、Ｂに取り付けた車輪の回転の差に関係する。Ｂ点
の位置ベクトルをベクトルＹとし、ＡＢ＝１とすると
（２）式のようになり、これをＳで微分すると（３）式
のようになる。

【００１７】

【数４】

【００１８】

【数５】

【００１９】曲線２に沿った長さをＳ’とするとＡ，Ｂ
点の車輪は平行であることから（４）式のようになる。

【００２０】

【数６】

【００２１】（３）式を用いると（５）式のようにな
る。

【００２２】

【数７】

【００２３】ΔＳをＡ，Ｂにおける車輪の移動距離の差
とするとＳ’＝Ｓ＋ΔＳであるから（５）式から（６）
式が求まる。

【００２４】

【数８】

【００２５】（６）式の左辺は車輪Ａが単位長さ進むと
きの車輪Ｂと車輪Ａの移動距離の差であって、直ちにロ
ータリーエンコーダの出力パルス数ｎ_Ａ、ｎ_Ｂ（車輪
Ａ，Ｂのロータリーエンコーダが出したパルス数を
ｎ_Ａ、ｎ_Ｂとする）と結び付けることができ（７）式が
求まる。

【００２６】

【数９】

【００２７】（６）式（あるいは（７）式）から曲率が
求まるので、（１）式の微分方程式は数値的に積分でき
る。

【００２８】

【数１０】

【００２９】重心Ｇの軌跡は（９）式によって求めるこ
とができる。

【００３０】

【数１１】

【００３１】以上により、アンテナ部の中心Ｇの軌跡お
よびその静止系、すなわち基準座標系（ｘ−ｙ系）に対
する回転量θ（ｘ軸とベクトルのなす角）が求まる。こ
の角度差θを後述する（１６）式に適用すれば、ｘ−ｙ
系での散乱行列を求めることができる。

【００３２】こうしてカーブした曲線上で計測しても、
常に静止系に対するデータに変換可能であるので、埋設
管の絶対的な方向が求まる。

【００３３】この装置をレーダに取り付け、レーダ信号
と同時に処理を行えば、図３に示すように、地中の情報
と動いた軌跡の両方を同時に表示することができる。図
３の左側の表示は地中の状態、右側の表示は移動軌跡を
示している。

【００３４】以上の説明は本発明の要旨であるが、この
装置はカーブしたコースに沿って台車を移動させても位
置座標を知ることができる。地中埋設物に沿って探査を
行うような場合、カーブしながら探査を行うことが多い
ので、このような用途に特に効力を発揮する。地中埋設
物に沿って探査を行うには座標回転を行いながら探査を
行うものが適しており、以下このことについて説明す
る。

【００３５】図４はこの装置に使用するアンテナの構成
を示す平面図である。同図において、７〜９は三角状の
金属板をエレメントとし、その頂点を対向させることで
構成したダイポールアンテナであり、それぞれのダイポ
ールアンテナは矢印で示す偏波面を有し、アンテナ外の
点Ａを中心としてその偏波面が図のように１２０度ずつ
ずらせて回転した状態で配設されている。

【００３６】図５はこのアンテナを介して電波を送受信
するレーダ装置である。同図において１、２はロータリ
ーエンコーダであり、所定距離走行する度に図６（ａ）
に示すような距離パルスを発生するようになっている。
１１はツインエンコーダ回路（図１のアップダウンカウ
ンタ３および信号処理器４からなる）、１２は全体の制
御を行うレーダコントローラ、１３は電波を送信する送
信回路である。

【００３７】また、１４は地中からの反射波を受信する
受信回路、２５はレーダコントローラ１２と受信回路１
４の双方から供給された信号をもとに所定の信号処理を
行い地中埋設物に関する情報を収集する信号処理器、１
６はアンテナ７〜９のうち、後述する方法で一つを送信
回路１３に、他の一つを受信回路１４に接続する偏波切
換回路、２０および２１は車輪である。

【００３８】このように構成された装置の動作は次の通
りである。この装置の走行に伴い、車輪２０、２１に取
り付けたロータリーエンコーダ１，２が図６（ａ）に示
すような距離パルスを発生する。

【００３９】距離パルスは、ツインエンコーダ回路１１
を介してレーダコントローラ１２に供給され、その周期
Ｔがある値より長い条件のもとに、その周期の間に図６
（ｂ）に示すように３つの偏波切換用パルスを順次発生
させる。このパルスは偏波切換回路１６に供給され、偏
波切換回路１６は表１に示すように、アンテナ７〜９の
うち一つを受信用、他の一つを送信用とするように、２
つのアンテナを順次選択する。

【００４０】

【表１】

【００４１】表１において送信用および受信用アンテナ
は相互に逆になっても良い。また、送信用に用いなかっ
た他の２つのアンテナを同時に用いてその２つの信号を
合成しても良い。したがって切換パルスが発生する都
度、送信アンテナと受信アンテナが切換えられる。

【００４２】レーダコントローラ１２は切換パルスが発
生してから所定時間だけ図６（ｃ）に示すように送信回
路１３を制御して電波を送信させる。そして電波の送信
と同時に受信回路１４を制御して、所定時間だけ受信回
路１４を動作させる。この送信および受信の時間は次の
切換パルスが発生するまでの時間より短く設定されてい
る。

【００４３】このように送信の偏波が１２０度おきに回
転し、受信の偏波もこれと１２０度の位相差をもって１
２０度おきに回転するので、あらゆる方向に電波が送出
されまたあらゆる方向から反射波が受信されることにな
る。したがって、従来のものは偏波方向が固定されてい
たので埋設方向によっては検出が難しい場合があった
が、この装置は偏波方向が刻々と変わるので、どのよう
な埋設方向の埋設物でも検出することができる。

【００４４】受信回路１４で受信された信号とツインエ
ンコーダ回路１１からの信号はレーダコントローラ１
２、電気／光変換ユニット２２、光ファイバケーブル２
３、光／電気変換ユニット２４を介して信号処理器２５
に供給され、距離に対応する埋設物の情報が検出され
る。このように受信アンテナから得られる信号をそのま
ま利用しても、偏波方向が回転するので所望の目的を達
成することができるが、信号処理器１５で以下のように
散乱行列を求めることによって、更に効率の良い検出が
行える。

【００４５】地表面に直交するｘ，ｙ軸を想定するとレ
ーダの送信および受信信号は次の散乱行列の関係にあ
る。なお、以下に記載する式１０〜１６中で、アッパー
スコア記号を付したものは行列、アッパースコア記号の
付していないものはスカラ量を表している。

【００４６】

【数１２】

【００４７】ここで、ｉ，ｊはＸまたはｙ方向の成分で
あり、（１０）式は（１１）式のように展開できる。

【００４８】

【数１３】

【００４９】ここで、Ｓ_１１はｘ方向偏波の電波を出し
ｘ方向偏波の反射波を検出した成分、Ｓ_１２はｘ方向偏
波の電波を出しｙ方向偏波の反射波を検出した成分、Ｓ
_２１はｙ方向偏波の電波を出しｘ方向偏波の反射波を検
出した成分、Ｓ_２２はｙ方向偏波の電波を出しｙ方向偏
波の反射波を検出した成分である。

【００５０】このうち、Ｓ_１１からＳ_２２の成分はレー
ダ受信信号から求める必要がある。煩雑になるのでその
誘導課程の記載は省略するが、結論としてモード１、
２、３におけるレーダ受信信号をそれぞれｆ_１（ｔ）、
ｆ_２（ｔ）、ｆ_３（ｔ）とすると信号処理器２５によっ
て（１２）式から（１５）式の演算を行えば良い。

【００５１】

【数１４】

【００５２】このようにして求められた散乱行列の各成
分のうち送信と受信電波の偏波方向が同じであるＳ_１１
（ｔ）、Ｓ_２２（ｔ）は地中において埋設物が特定方向
成分を持たないもの、すなわち地層または空洞のように
全方向成分を有するものの測定に適している。また、送
信と受信電波の偏波方向が直交するＳ_１２（ｔ）、Ｓ
_２１（ｔ）は地中における埋設物が特定の方向成分を有
するもの、すなわち埋設管のようなものの測定に適して
いる。

【００５３】埋設管を調査する場合、埋設管はどのよう
な方向に埋設されているか不定であり、例えば送信電波
の偏波方向と埋設管の埋設方向が直交するような状態で
は送信された電波が埋設管から反射しないので、反射波
を検出することができない。また、送信電波の偏波方向
と埋設管の埋設方向が平行な場合、受信電波の偏波方向
が電波受信方向が反射波と直交するのでやはり反射波を
検出することができない。

【００５４】このためには、電波の偏波方向と埋設管の
埋設方向を４５度に保てば受信レベルは最大値が得られ
ることになる。したがって、散乱行列を座標変換させれ
ば良い。すなわち、 （１６）式の演算をすれば良い。

【００５５】

【数１５】

【００５６】このように、受信した散乱ベクトルデータ
を任意の角度θだけ回転させたデータを得ることによっ
て埋設管の埋設方向に関わらず受信データを得ることが
できる。したがって、測定するときは埋設管の埋設方向
を考慮すること無く受信データを収集し、解析時に角度
θを変えながら得られる信号が最大となるような角度を
探せば、Ｓ／Ｎ比の良い信号が得られる。

【００５７】

【発明の効果】以上説明したように本発明は左右の車輪
回転数情報に基づいて位置座標を知ることができるよう
にしたので、任意の移動経路を取ることができ、効率良
い地中埋設物の探査が行えるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例の構成を示すブロック図で
ある。

【図２】 移動軌跡の計算方法を説明するための図であ
る。

【図３】 本発明を適用した装置の表示画面の一例を示
す図である。

【図４】 アンテナの配列状態を示す図である。

【図５】 レーダ装置全体の構成を示すブロック図であ
る。

【図６】 各部の波形を示す図である。

【符号の説明】

１、２…ロータリーエンコーダ、３…アップダウンカウ
ンタ、４…信号処理器（位置座標演算手段）、１１…ロ
ータリーエンコーダ、１２…レーダコントローラ、１３
…送信回路、１４…受信回路、１５…信号処理器、１６
…偏波切換回路

フロントページの続き (72)発明者 熊澤 孝夫 愛知県名古屋市緑区大高町字北関山20番 地の１ 中部電力株式会社電力技術研究 所内 (72)発明者 木村 憲明 岡山県玉野市玉原３丁目16番１号 三井 造船株式会社玉野研究所内 (72)発明者 村沢 観治 岡山県玉野市玉原３丁目16番１号 三井 造船株式会社玉野研究所内 (72)発明者 上牟田 千尋 岡山県玉野市玉原３丁目16番１号 三井 造船株式会社玉野研究所内 (72)発明者 小西 益生 岡山県玉野市玉原３丁目16番１号 三井 造船株式会社玉野研究所内 (56)参考文献 特開 昭63−142284（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−304312（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−16267（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−107916（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−132489（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 台車に送信アンテナを乗せて移動させな
   がら地中に電波を送信し、地中から反射されてくる信号
   により地中の状態を検出する地中埋設物探査レーダにお
   いて、 台車の左右にそれぞれ設けられ互いに独立して回転する
   第１および第２の車輪と、 第１の車輪回転数に対応した数ｎ_A のパルスを発生する
   第１のパルス発生装置と、 第２の車輪回転数に対応した数ｎ_B のパルスを発生する
   第２のパルス発生装置と、 第１のパルス発生装置から発生するパルスと第２のパル
   ス発生装置から発生するパルスの差ｎ_B −ｎ_A を検出す
   る発生パルス数差検出手段と、 第１のパルス数発生装置から発生するパルス数と発生パ
   ルス数差検出手段出力とから静止系座標位置を求める位
   置座標演算手段とを備え、 位置座標演算手段は、 第１のパルス発生装置から発生するパルス数ｎ_A と、発
   生パルス数差検出手段の出力ｎ_B −ｎ_A と、左右の車輪
   の車輪間隔ｌとから、単位移動距離当たりの台車の曲率
   ｋを、 【数１】 により算出し、 この曲率ｋに基づいて、静止系座標基準位置から第１の
   車輪へ向かうベクトルをベクトルＸ、第１の車輪の軌跡
   に沿った移動距離をＳ、そのときの第１の車輪の単位接
   線ベクトルをベクトルｔ、第１の車輪から第２の車輪へ
   向かう単位法線ベクトルをベクトルｎとした場合に得ら
   れる微分方程式、 【数２】 を数値演算し、 得られた各ベクトルＸ，ｎ，ｔに基づいて、静止系座標
   基準位置から台車の重心位置までのベクトルを算出する
   ことにより、台車の静止系座標位置を算出することを特
   徴とする任意曲線探査機能付地中レーダ。