JP2939575B2 - 地中レーダ装置 - Google Patents
地中レーダ装置Info
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- JP2939575B2 JP2939575B2 JP23108394A JP23108394A JP2939575B2 JP 2939575 B2 JP2939575 B2 JP 2939575B2 JP 23108394 A JP23108394 A JP 23108394A JP 23108394 A JP23108394 A JP 23108394A JP 2939575 B2 JP2939575 B2 JP 2939575B2
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- cutter head
- transmitting antenna
- transmitting
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- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
- Excavating Of Shafts Or Tunnels (AREA)
- Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、地中を掘削する掘削機
のカッターヘッド前方における掘削障害物を検出する地
中レーダ装置に関するものである。
のカッターヘッド前方における掘削障害物を検出する地
中レーダ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】一般に、都市部で地中にトンネルを掘る
場合、建築物の下を掘らねばならないこと、都市部では
交通量が多いことから道路下の工事であっても露天掘り
を行うと交通渋滞を引き起こしやすい等の理由によっ
て、カッターヘッドによって掘削した残土をその掘削し
たトンネルを通して排出するシールド工法と呼ばれる工
事を行うことが多くなっている。この場合、掘削する土
質が粘土質のものあるいはこれに近いものであるうちは
問題ないが、例えば、掘削中にカッターヘッドが岩盤、
あるいは地中に埋め込まれたコンクリートのような硬質
のものに突き当たるとカッターヘッドの掘削歯が破損し
てしまう。掘削歯が破損するとシールド工法を採用して
ることから、復旧作業が行いにくいために、その復旧に
は時間がかかり、その間は工事が止まってしまい、工期
が遅れてしまう。そこでカッターヘッドにレーダアンテ
ナを取り付け、そこから電波を放射して地中の状態を検
出し、前方に掘削の障害となるものがないか否かを探査
し、障害物が発見されれば例えばカッターヘッドの前方
に作業員が出て、その障害物を除去し、掘削歯が損傷し
ないような対策をとっている。
場合、建築物の下を掘らねばならないこと、都市部では
交通量が多いことから道路下の工事であっても露天掘り
を行うと交通渋滞を引き起こしやすい等の理由によっ
て、カッターヘッドによって掘削した残土をその掘削し
たトンネルを通して排出するシールド工法と呼ばれる工
事を行うことが多くなっている。この場合、掘削する土
質が粘土質のものあるいはこれに近いものであるうちは
問題ないが、例えば、掘削中にカッターヘッドが岩盤、
あるいは地中に埋め込まれたコンクリートのような硬質
のものに突き当たるとカッターヘッドの掘削歯が破損し
てしまう。掘削歯が破損するとシールド工法を採用して
ることから、復旧作業が行いにくいために、その復旧に
は時間がかかり、その間は工事が止まってしまい、工期
が遅れてしまう。そこでカッターヘッドにレーダアンテ
ナを取り付け、そこから電波を放射して地中の状態を検
出し、前方に掘削の障害となるものがないか否かを探査
し、障害物が発見されれば例えばカッターヘッドの前方
に作業員が出て、その障害物を除去し、掘削歯が損傷し
ないような対策をとっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら地中レー
ダは構造上、例えば３００ＭＨｚ程度の高い周波数しか
使用できないので、電波の減衰が多く、カッターヘッド
より１〜２メートル程度以上前方の状態は探査できな
い。ところで現在の掘削機の掘削速度は１日あたり数メ
ートル程度であるため、障害物のあることが判明した場
合、その時点から障害物を取り除くために人夫の手配を
行うことになり、その手配は少なくとも１日程度を要す
るので、人夫の調達ができるまでには障害物の位置まで
掘削が進んでしまう。このためその日はそこで工事が止
まってしまい工期が遅れてしまう。
ダは構造上、例えば３００ＭＨｚ程度の高い周波数しか
使用できないので、電波の減衰が多く、カッターヘッド
より１〜２メートル程度以上前方の状態は探査できな
い。ところで現在の掘削機の掘削速度は１日あたり数メ
ートル程度であるため、障害物のあることが判明した場
合、その時点から障害物を取り除くために人夫の手配を
行うことになり、その手配は少なくとも１日程度を要す
るので、人夫の調達ができるまでには障害物の位置まで
掘削が進んでしまう。このためその日はそこで工事が止
まってしまい工期が遅れてしまう。
【０００４】このような無駄時間をなくすには障害物が
あることをできる限り早い時期に探査できればよい。こ
のように遠方まで探査するには周波数の低い電波を使用
すれば良い。ところが、そのような電波を発射するため
にはアンテナの形状が大きくなってしまう。アンテナは
掘削面に直接押しつけられると破損してしまうので、カ
ッターヘッドに埋め込んだ状態で取り付けられる。この
ような取り付けを行うと形状の大きなアンテナを使用し
た場合に、今度はカッターヘッドの強度が弱くなってし
まうので、あまり大きなアンテナを使用できず、結局使
用する電波の周波数はあまり低くできないことになり、
探査できる距離にも限界があった。本発明はこのような
状況に鑑みてなされたもので、障害物をできるだけ早い
時期に検出するようにしたものである。
あることをできる限り早い時期に探査できればよい。こ
のように遠方まで探査するには周波数の低い電波を使用
すれば良い。ところが、そのような電波を発射するため
にはアンテナの形状が大きくなってしまう。アンテナは
掘削面に直接押しつけられると破損してしまうので、カ
ッターヘッドに埋め込んだ状態で取り付けられる。この
ような取り付けを行うと形状の大きなアンテナを使用し
た場合に、今度はカッターヘッドの強度が弱くなってし
まうので、あまり大きなアンテナを使用できず、結局使
用する電波の周波数はあまり低くできないことになり、
探査できる距離にも限界があった。本発明はこのような
状況に鑑みてなされたもので、障害物をできるだけ早い
時期に検出するようにしたものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るために請求項１の発明は、カッタヘッド掘削面内にお
ける直径上で、かつその掘削面の一方および他方の周縁
部に取り付けた第１および第２のアンテナ素子からなる
送信アンテナ組と、送信用アンテナ組と同一構造をと
り、カッタ−ヘッド切削面中央部を軸として送信用アン
テナ組に対して所定角度で回転した位置に配設し、送信
用アンテナ組から送出された信号の反射波を受信する第
１および第２のアンテナ素子からなる受信アンテナ組
と、カッタ−ヘッドの少なくとも３つの回転位置から得
られた受信デ−タを所定の基準で演算し散乱行列要素を
求める信号処理部とを備え、送信用アンテナ組から送出
する信号はカッタ−ヘッドの直径を半波長とする高周波
信号をほぼ中心の周波数として含む周波数帯としたもの
である。請求項２の発明は、請求項１の発明において、
カッタ−ヘッドの所定位置に設けた第３の送信用アンテ
ナと、第３の送信用アンテナによる偏波面と偏波面が直
交する第３の受信用アンテナとを接近させて設けたもの
である。請求項３の発明は請求項２の発明において、受
信アンテナ組で得られ信号処理部で処理された情報を表
示する遠方用表示装置と、第３の受信アンテナで得られ
た情報を表示する近傍用表示装置とを備えたものであ
る。
るために請求項１の発明は、カッタヘッド掘削面内にお
ける直径上で、かつその掘削面の一方および他方の周縁
部に取り付けた第１および第２のアンテナ素子からなる
送信アンテナ組と、送信用アンテナ組と同一構造をと
り、カッタ−ヘッド切削面中央部を軸として送信用アン
テナ組に対して所定角度で回転した位置に配設し、送信
用アンテナ組から送出された信号の反射波を受信する第
１および第２のアンテナ素子からなる受信アンテナ組
と、カッタ−ヘッドの少なくとも３つの回転位置から得
られた受信デ−タを所定の基準で演算し散乱行列要素を
求める信号処理部とを備え、送信用アンテナ組から送出
する信号はカッタ−ヘッドの直径を半波長とする高周波
信号をほぼ中心の周波数として含む周波数帯としたもの
である。請求項２の発明は、請求項１の発明において、
カッタ−ヘッドの所定位置に設けた第３の送信用アンテ
ナと、第３の送信用アンテナによる偏波面と偏波面が直
交する第３の受信用アンテナとを接近させて設けたもの
である。請求項３の発明は請求項２の発明において、受
信アンテナ組で得られ信号処理部で処理された情報を表
示する遠方用表示装置と、第３の受信アンテナで得られ
た情報を表示する近傍用表示装置とを備えたものであ
る。
【０００６】
【作用】請求項１の発明は、第１の送信アンテナおよび
第２の送信アンテナがカッターヘッドの直径を半波長と
する信号を含む周波数帯の信号によって逆位相で駆動さ
れることによって、カッターヘッドに定在波が発生す
る。この定在波はカッターヘッドの直径がほぼ半波長と
なる周波数となり、その周波数の電波が強調されて送出
されるので、低い周波数の電波を使用したのと等価な結
果が得られる。送信用アンテナ組から送信された電波に
よる地中の遠方目標物からの反射波が受信用アンテナ組
で受信され、その受信された情報が３つ以上の回転位置
から得られた受信信号を所定の基準で演算し、散乱行列
要素が求められる。請求項２の発明は請求項１の発明に
おいて、第３の送信用アンテナから送信された電波によ
る地中の近傍目標位置からの反射波が第３の受信用アン
テナによって受信される。請求項３の発明は、請求項２
の発明において、受信アンテナ組で得られ信号処理部で
処理された情報が遠方用表示装置で表示され、第３の受
信アンテナで得られた情報が近傍用表示装置で表示され
る。
第２の送信アンテナがカッターヘッドの直径を半波長と
する信号を含む周波数帯の信号によって逆位相で駆動さ
れることによって、カッターヘッドに定在波が発生す
る。この定在波はカッターヘッドの直径がほぼ半波長と
なる周波数となり、その周波数の電波が強調されて送出
されるので、低い周波数の電波を使用したのと等価な結
果が得られる。送信用アンテナ組から送信された電波に
よる地中の遠方目標物からの反射波が受信用アンテナ組
で受信され、その受信された情報が３つ以上の回転位置
から得られた受信信号を所定の基準で演算し、散乱行列
要素が求められる。請求項２の発明は請求項１の発明に
おいて、第３の送信用アンテナから送信された電波によ
る地中の近傍目標位置からの反射波が第３の受信用アン
テナによって受信される。請求項３の発明は、請求項２
の発明において、受信アンテナ組で得られ信号処理部で
処理された情報が遠方用表示装置で表示され、第３の受
信アンテナで得られた情報が近傍用表示装置で表示され
る。
【０００７】
【実施例】図１は本発明を適用して構成したアンテナの
取り付け状態を示す図であり、図１（ａ）はカッターヘ
ッド１の掘削面を正面から見た図であり、平面かつ円形
の掘削面の周縁部付近の適宜な位置に第１の送信アンテ
ナ２が設けられ、カッタヘッド１の中心部を通過する直
径上、すなわち中心部を挟んだ反対側の周縁部に第２の
送信アンテナ３が設けられ、これら送信アンテナ２およ
び３で送信アンテナ組を構成している。この送信アンテ
ナ組に対して中心部を軸として所定の角度α回転した位
置にカッターヘッド１に同様の状態に取り付けられた第
１の受信アンテナ４と第２の受信アンテナ５からなる受
信アンテナ組が配置されている。また、これらとは別の
所定の位置に第３の送信アンテナ６が設けられ、その送
信アンテナ６と接近した位置でかつその送信アンテナ６
と偏波面が直交する第３の受信アンテナ７が取り付けら
れている。そして、送信アンテナ２と３の送信アンテナ
組と、受信アンテナ４と５の受信アンテナ組は遠方用ア
ンテナを構成し、送信アンテナ６と受信アンテナ７は近
傍用アンテナを構成している。図１（ｂ）は各アンテナ
が取り付けられている部分を図１（ａ）の左側面方向か
ら見た側面図であり、各アンテナは掘削面から若干内側
に取り付けられ、このカッターヘッド１が中心軸回りに
回転したときでも、これらのアンテナは直接地山からの
圧力がかからないようになっている。
取り付け状態を示す図であり、図１（ａ）はカッターヘ
ッド１の掘削面を正面から見た図であり、平面かつ円形
の掘削面の周縁部付近の適宜な位置に第１の送信アンテ
ナ２が設けられ、カッタヘッド１の中心部を通過する直
径上、すなわち中心部を挟んだ反対側の周縁部に第２の
送信アンテナ３が設けられ、これら送信アンテナ２およ
び３で送信アンテナ組を構成している。この送信アンテ
ナ組に対して中心部を軸として所定の角度α回転した位
置にカッターヘッド１に同様の状態に取り付けられた第
１の受信アンテナ４と第２の受信アンテナ５からなる受
信アンテナ組が配置されている。また、これらとは別の
所定の位置に第３の送信アンテナ６が設けられ、その送
信アンテナ６と接近した位置でかつその送信アンテナ６
と偏波面が直交する第３の受信アンテナ７が取り付けら
れている。そして、送信アンテナ２と３の送信アンテナ
組と、受信アンテナ４と５の受信アンテナ組は遠方用ア
ンテナを構成し、送信アンテナ６と受信アンテナ７は近
傍用アンテナを構成している。図１（ｂ）は各アンテナ
が取り付けられている部分を図１（ａ）の左側面方向か
ら見た側面図であり、各アンテナは掘削面から若干内側
に取り付けられ、このカッターヘッド１が中心軸回りに
回転したときでも、これらのアンテナは直接地山からの
圧力がかからないようになっている。
【０００８】図２はこの装置全体の構成を示すブロック
図であり、送信用アンテナ２と３が１８０°ハイブリッ
ド回路８によって結合され、受信アンテナ４と５が１８
０°ハイブリッド回路９によって結合されている。１８
０°ハイブリッド回路８は入力信号を２分岐し、一方は
位相を変えることなく出力し、他方はそれと逆位相の信
号を出力するものである。ハイブリッド回路９は一方の
受信アンテナの信号はそのままの位相で取り込み、他方
の受信アンテナの位相は逆位相として取り込み両者を合
成するものである。
図であり、送信用アンテナ２と３が１８０°ハイブリッ
ド回路８によって結合され、受信アンテナ４と５が１８
０°ハイブリッド回路９によって結合されている。１８
０°ハイブリッド回路８は入力信号を２分岐し、一方は
位相を変えることなく出力し、他方はそれと逆位相の信
号を出力するものである。ハイブリッド回路９は一方の
受信アンテナの信号はそのままの位相で取り込み、他方
の受信アンテナの位相は逆位相として取り込み両者を合
成するものである。
【０００９】送信アンテナ２、３に供給する信号と送信
アンテナ６に供給する信号は送信用アンテナ切換器１０
によって切り換えられ、受信アンテナ４、５から出力さ
れる信号と受信アンテナ７から出力される信号は受信用
アンテナ切換器１１によって切り換えられるようになっ
ている。送信用アンテナ切換器１０および受信用アンテ
ナ切換器１１に入出力する信号線はロータリジョイント
１２を介して送信回路１３、受信回路１４、レーダコン
トローラ１５に接続されるようになっている。なお、破
線で示した信号線はアンテナ切換器１０、１１に供給す
る切換制御用の信号である。
アンテナ６に供給する信号は送信用アンテナ切換器１０
によって切り換えられ、受信アンテナ４、５から出力さ
れる信号と受信アンテナ７から出力される信号は受信用
アンテナ切換器１１によって切り換えられるようになっ
ている。送信用アンテナ切換器１０および受信用アンテ
ナ切換器１１に入出力する信号線はロータリジョイント
１２を介して送信回路１３、受信回路１４、レーダコン
トローラ１５に接続されるようになっている。なお、破
線で示した信号線はアンテナ切換器１０、１１に供給す
る切換制御用の信号である。
【００１０】カッターヘッド１が所定角度、回転する毎
にロータリーエンコーダからパルスが出力されるように
なっており、そのパルスがレーダコントローラ１５に供
給されている。レーダコントローラ１５はそのパルスに
基づいて近傍用の送信アンテナ６に対しては例えばカッ
ターヘッド１が１０°回転する度に電波を送信し、受信
アンテナ７で障害物からの反射波を受信し、一方、遠方
用の送信アンテナ２、３に対しては例えばカッタヘッド
１が１２０°回転する度に電波を送信および受信するよ
うに制御している。この制御に基づいて送信回路１３は
図３に示すように、近傍用の送信アンテナ６には一例と
して６００ＭＨｚ程度までの周波数の信号を供給し、遠
方用の送信アンテナ２、３にカッターヘッドの直径を半
波長とする周波数を中心とし、一例として１５０ＭＨｚ
程度までの周波数の信号を供給するようになっている。
また、破線で示す信号線を介して近傍用のアンテナと、
遠方用のアンテナを切り換える信号も出力するようにな
っている。
にロータリーエンコーダからパルスが出力されるように
なっており、そのパルスがレーダコントローラ１５に供
給されている。レーダコントローラ１５はそのパルスに
基づいて近傍用の送信アンテナ６に対しては例えばカッ
ターヘッド１が１０°回転する度に電波を送信し、受信
アンテナ７で障害物からの反射波を受信し、一方、遠方
用の送信アンテナ２、３に対しては例えばカッタヘッド
１が１２０°回転する度に電波を送信および受信するよ
うに制御している。この制御に基づいて送信回路１３は
図３に示すように、近傍用の送信アンテナ６には一例と
して６００ＭＨｚ程度までの周波数の信号を供給し、遠
方用の送信アンテナ２、３にカッターヘッドの直径を半
波長とする周波数を中心とし、一例として１５０ＭＨｚ
程度までの周波数の信号を供給するようになっている。
また、破線で示す信号線を介して近傍用のアンテナと、
遠方用のアンテナを切り換える信号も出力するようにな
っている。
【００１１】レーダコントローラ１５から出力された信
号は信号処理用コンピュータ１６によって解析され、そ
の信号はデータ収録装置１７に記録され、結果はディス
プレイ１８、カラープリンタ１９で表示されるようにな
っている。そして、近傍用受信アンテナ７から得られる
信号はディスプレイ１８に例えば円グラフ表示、その他
適宜な方法で近傍の障害物を表示し、遠方用受信アンテ
ナ４、５から得られる信号は、信号処理コンピュータ１
６によって散乱行列に基づくベクトル処理を行い、遠方
の障害物を検知して、ディスプレイ１８に表示するよう
になっている。
号は信号処理用コンピュータ１６によって解析され、そ
の信号はデータ収録装置１７に記録され、結果はディス
プレイ１８、カラープリンタ１９で表示されるようにな
っている。そして、近傍用受信アンテナ７から得られる
信号はディスプレイ１８に例えば円グラフ表示、その他
適宜な方法で近傍の障害物を表示し、遠方用受信アンテ
ナ４、５から得られる信号は、信号処理コンピュータ１
６によって散乱行列に基づくベクトル処理を行い、遠方
の障害物を検知して、ディスプレイ１８に表示するよう
になっている。
【００１２】近傍用送信アンテナ６、７からは６００Ｍ
Ｈｚ程度までの周波数の電波が発射される。この電波は
地山２０の表面近くで発射するので、地山の表面からの
強い反射波が受信アンテナ７に到達する。しかし、地山
表面は探査の対象ではないので、そこからの反射波は極
力影響を与えないことが望ましい。このため、送信用ア
ンテナ６と受信用アンテナ７とは偏波面が直交するよう
に配置し、地山表面での反射波は極力検出しないように
している。しかし、地山内の障害物は地山表面とは異な
りその反射面の向きが不定であるため、地山内の障害物
からの反射波は近傍用受信アンテナ７で受信される。
Ｈｚ程度までの周波数の電波が発射される。この電波は
地山２０の表面近くで発射するので、地山の表面からの
強い反射波が受信アンテナ７に到達する。しかし、地山
表面は探査の対象ではないので、そこからの反射波は極
力影響を与えないことが望ましい。このため、送信用ア
ンテナ６と受信用アンテナ７とは偏波面が直交するよう
に配置し、地山表面での反射波は極力検出しないように
している。しかし、地山内の障害物は地山表面とは異な
りその反射面の向きが不定であるため、地山内の障害物
からの反射波は近傍用受信アンテナ７で受信される。
【００１３】遠方用送信アンテナ２、３に供給される電
波の周波数は前述したようにカッターヘッド１の直径を
半波長とする周波数を中心とするように設定され、かつ
送信アンテナ２に供給する電波の位相と、送信アンテナ
３に供給する電波の位相が逆になるようにしている。こ
のため、送信アンテナ２、３自体は形状が小さいので供
給される信号の周波数には共振しないが、送信アンテナ
２、３からなる送信アンテナ組はその電波に共振する。
カッターヘッド１全体が送信アンテナになったことに相
当し、送信回路１３から見れば送出した信号の周波数に
共振するアンテナが取り付けられたと同じことになる。
受信アンテナ組についても同様に、受信アンテナ４、５
で受信される反射波の位相が逆になるように混合してい
るため、カッターヘッド１全体が受信アンテナになった
ことに相当する。この周波数はカッターヘッド１の直径
によって変わるが、概ね１５０ＭＨｚ程度の周波数であ
り、その周波数の電波が地山内の目標物に向けて発射さ
れる。これにより図３に示すように、近傍用の６００Ｍ
Ｈｚ程度の周波数付近と、遠方用の１５０ＭＨｚ程度の
周波数付近の２つの部分において目標物からの反射波が
得られる。この周波数で探査した場合に、近傍用は約１
ｍ程度先の目標物が検出でき、遠方用はカッターヘッド
直径の１．５倍程度先の目標物、すなわち１０ｍ程度先
の目標物が検出できる。
波の周波数は前述したようにカッターヘッド１の直径を
半波長とする周波数を中心とするように設定され、かつ
送信アンテナ２に供給する電波の位相と、送信アンテナ
３に供給する電波の位相が逆になるようにしている。こ
のため、送信アンテナ２、３自体は形状が小さいので供
給される信号の周波数には共振しないが、送信アンテナ
２、３からなる送信アンテナ組はその電波に共振する。
カッターヘッド１全体が送信アンテナになったことに相
当し、送信回路１３から見れば送出した信号の周波数に
共振するアンテナが取り付けられたと同じことになる。
受信アンテナ組についても同様に、受信アンテナ４、５
で受信される反射波の位相が逆になるように混合してい
るため、カッターヘッド１全体が受信アンテナになった
ことに相当する。この周波数はカッターヘッド１の直径
によって変わるが、概ね１５０ＭＨｚ程度の周波数であ
り、その周波数の電波が地山内の目標物に向けて発射さ
れる。これにより図３に示すように、近傍用の６００Ｍ
Ｈｚ程度の周波数付近と、遠方用の１５０ＭＨｚ程度の
周波数付近の２つの部分において目標物からの反射波が
得られる。この周波数で探査した場合に、近傍用は約１
ｍ程度先の目標物が検出でき、遠方用はカッターヘッド
直径の１．５倍程度先の目標物、すなわち１０ｍ程度先
の目標物が検出できる。
【００１４】近傍用は前述したように送信した電波の反
射波を受信して、そのまま表示しているが、遠方用は次
に述べるベクトル信号処理を行い、必要な信号成分を抽
出する。図４に示すように、送信アンテナ２、３で構成
される送信アンテナ組をＴ、受信アンテナ４、５で構成
される受信アンテナ組をＲとし、送信アンテナ組Ｔと受
信アンテナ組Ｒのなす角度をα、カッターヘッド１の回
転角度（電波を送受信するときの回転位置）をθi とす
るとカッターヘッド１が３６０／Ｎ（但し、Ｎ≧３）度
回転する毎に受信アンテナ組Ｒで受信される反射波ｆ
i(t)は次のようになる。
射波を受信して、そのまま表示しているが、遠方用は次
に述べるベクトル信号処理を行い、必要な信号成分を抽
出する。図４に示すように、送信アンテナ２、３で構成
される送信アンテナ組をＴ、受信アンテナ４、５で構成
される受信アンテナ組をＲとし、送信アンテナ組Ｔと受
信アンテナ組Ｒのなす角度をα、カッターヘッド１の回
転角度（電波を送受信するときの回転位置）をθi とす
るとカッターヘッド１が３６０／Ｎ（但し、Ｎ≧３）度
回転する毎に受信アンテナ組Ｒで受信される反射波ｆ
i(t)は次のようになる。
【数１】
【００１５】ここでθi は基準角度より送信アンテナ組
への角度、αは送信アンテナ組と受信アンテナ組のなす
角度、θ0 は初期角度であり、Ｎ≧３として次の式で表
される。 θi ＝３６０゜／Ｎ×ｉ＋θ0 またＳXXはＸ偏波モード、ＳYYはＹ偏波モード、ＳXYは
クロスダイポールモードの散乱行列成分である。
への角度、αは送信アンテナ組と受信アンテナ組のなす
角度、θ0 は初期角度であり、Ｎ≧３として次の式で表
される。 θi ＝３６０゜／Ｎ×ｉ＋θ0 またＳXXはＸ偏波モード、ＳYYはＹ偏波モード、ＳXYは
クロスダイポールモードの散乱行列成分である。
【００１６】３６０°／Ｎ回転する度に計測された反射
波形をｆi(t)とし、１回転分のデータをまとめると次の
ようになる。 Ａ・ｘ＝ｂ ・・・・（２） ここで各緒元は次の通りである。
波形をｆi(t)とし、１回転分のデータをまとめると次の
ようになる。 Ａ・ｘ＝ｂ ・・・・（２） ここで各緒元は次の通りである。
【数２】 （２）式は未知数が３個で、計測されたデータの数｛す
なわち式の数がＮ（Ｎ≧３）｝であることから最小２乗
法によりその式を解くと次のようになる。 ｘ＝（ＡtＡ）ー1Ａtｂ ・・・・（３） ここで添字ｔは転置行列を逆数は逆行列を表している。
散乱行列のうちＳXX，ＳYY（送受信を行う偏波の方向が
同じ方向）等の平行モードは地層や空洞等のように全方
向成分を有するものの測定に適しており、送信と受信の
偏波方向が直交するＳXY（クロスモード）では方向性を
有するものの測定に適している。
なわち式の数がＮ（Ｎ≧３）｝であることから最小２乗
法によりその式を解くと次のようになる。 ｘ＝（ＡtＡ）ー1Ａtｂ ・・・・（３） ここで添字ｔは転置行列を逆数は逆行列を表している。
散乱行列のうちＳXX，ＳYY（送受信を行う偏波の方向が
同じ方向）等の平行モードは地層や空洞等のように全方
向成分を有するものの測定に適しており、送信と受信の
偏波方向が直交するＳXY（クロスモード）では方向性を
有するものの測定に適している。
【００１７】ところで、（３）式は２階のテンソル成分
であるので、任意の回転した系に対しては次のように座
標変換できる。 ｛ｘ’｝＝｛Ｔ｝t｛ｘ｝｛Ｔ｝ ・・・・（４）
であるので、任意の回転した系に対しては次のように座
標変換できる。 ｛ｘ’｝＝｛Ｔ｝t｛ｘ｝｛Ｔ｝ ・・・・（４）
【００１８】（４）式は次のように表される。
【数３】 （ＳXY＋ＳYY）／２は主として全方向性を有するもので
あり、残りの成分は方向性を有するため、前方障害物を
検知するには角度θを入力して（５）式の出力を表示す
るか、次の（６）式の表示を行えばよい。
あり、残りの成分は方向性を有するため、前方障害物を
検知するには角度θを入力して（５）式の出力を表示す
るか、次の（６）式の表示を行えばよい。
【数４】
【００１９】（６）式は平面層からの反射が少なく、何
等かの障害物が前方にある場合には表示できる手法であ
る。一方、（ＳXX＋ＳYY）／２の反射の大きさは主とし
てカッターヘッドから地山での反射であるため、地質の
変化を捉える場合にはこの表示を行えばよい。以上の実
施例はデータの数が３つ以上であるから最小２乗法によ
り散乱行列を求めたが、前例のように、カッターヘッド
の１回転で３カ所からのみデータが得られるときは直接
散乱行列を求めればよい。このように、散乱行列要素Ｓ
XX，ＳYY，ＳXYを求めることによって遠方の障害物を検
出することができる。
等かの障害物が前方にある場合には表示できる手法であ
る。一方、（ＳXX＋ＳYY）／２の反射の大きさは主とし
てカッターヘッドから地山での反射であるため、地質の
変化を捉える場合にはこの表示を行えばよい。以上の実
施例はデータの数が３つ以上であるから最小２乗法によ
り散乱行列を求めたが、前例のように、カッターヘッド
の１回転で３カ所からのみデータが得られるときは直接
散乱行列を求めればよい。このように、散乱行列要素Ｓ
XX，ＳYY，ＳXYを求めることによって遠方の障害物を検
出することができる。
【００２０】このようにして障害物がどの角度にあるか
がわかる。また、前述の式は時間の関数であることか
ら、障害物までの距離は反射波が帰ってくるまでの時間
から求められる。
がわかる。また、前述の式は時間の関数であることか
ら、障害物までの距離は反射波が帰ってくるまでの時間
から求められる。
【００２１】
【発明の効果】以上説明したように第１の発明はカッタ
ーヘッドの直径上の一方の周縁部および他方の周縁部に
設けた送信アンテナ組および同一構造でその送信アンテ
ナ組と所定の角度で交差させて受信アンテナ組を設け、
送信アンテナ組にカッターヘッドの直径を半波長とする
信号を供給したので、送信アンテナ組において送信アン
テナ単体よりも低い周波数で共振し、遠方の障害物が探
査できる。そしてカッタヘッドの３つの以上の回転位置
から得られるデータを散乱成分に分けて解析することに
よって障害物をより顕著に検知できるという効果を有す
る。第２の発明は所定位置に偏波面を交差させた状態で
送受信アンテナを設けたので、地山表面からの反射波に
妨害されることなく、地中の障害物からの反射波を検知
できるという効果を有する。第３の発明は遠方の障害物
と近傍の障害物が共に表示するようにしたので、その表
示を見ながら作業を進めることができるという効果を有
する。
ーヘッドの直径上の一方の周縁部および他方の周縁部に
設けた送信アンテナ組および同一構造でその送信アンテ
ナ組と所定の角度で交差させて受信アンテナ組を設け、
送信アンテナ組にカッターヘッドの直径を半波長とする
信号を供給したので、送信アンテナ組において送信アン
テナ単体よりも低い周波数で共振し、遠方の障害物が探
査できる。そしてカッタヘッドの３つの以上の回転位置
から得られるデータを散乱成分に分けて解析することに
よって障害物をより顕著に検知できるという効果を有す
る。第２の発明は所定位置に偏波面を交差させた状態で
送受信アンテナを設けたので、地山表面からの反射波に
妨害されることなく、地中の障害物からの反射波を検知
できるという効果を有する。第３の発明は遠方の障害物
と近傍の障害物が共に表示するようにしたので、その表
示を見ながら作業を進めることができるという効果を有
する。
【図１】 アンテナの取り付け状態を示す図である。
【図２】 装置全体の構成を示すブロック図である。
【図３】 近傍用の電波の利得と、遠方用の電波の利得
を示す図である。
を示す図である。
【図４】 送信アンテナ組と受信アンテナ組の関係を示
す図である。
す図である。
１…カッターヘッド、２，３，６…送信アンテナ、４，
５，７…受信アンテナ、８，９…１８０°度ハイブリッ
ド回路、１０，１１…アンテナ切換器、１３…送信回
路、１４…受信回路、１６…信号処理用コンピュータ。
５，７…受信アンテナ、８，９…１８０°度ハイブリッ
ド回路、１０，１１…アンテナ切換器、１３…送信回
路、１４…受信回路、１６…信号処理用コンピュータ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 坂本 義行 岡山県玉野市玉３丁目１番１号 三井造 船株式会社 玉野事業所内 (56)参考文献 特開 平７−43462（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−43461（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01S 7/03 E21D 9/06 301 G01S 13/88 G01V 3/12
Claims (3)
- 【請求項１】 地中を掘削するカッタ−ヘッド前方にお
ける掘削障害物を監視する地中レ−ダ装置において、 カッタヘッド掘削面内の中心を含む直径上でかつその掘
削面の一方および他方の周縁部にそれぞれ設けた第１お
よび第２のアンテナ素子からなる送信アンテナ組と、 前記一方の送信アンテナと前記他方の送信アンテナへ相
互に逆位相となる信号を供給する１８０°ハイブリッド
回路と、 前記送信用アンテナ組と同一構造をとり前記カッタ−ヘ
ッド切削面中心部を軸として前記送信用アンテナ組に対
して所定角度で回転した位置に配設し前記送信用アンテ
ナ組から送出された信号の反射波を受信する第１および
第２のアンテナ素子からなる受信アンテナ組と、 一方の受信アンテナと他方の受信アンテナで受信した信
号を相互に逆位相で合成する１８０°ハイブリッド回路
と、 前記カッタ−ヘッドの少なくとも３つの回転位置から得
られた受信デ−タを所定の基準で演算し散乱行列要素を
求める信号処理部とを備え、 前記送信用アンテナ組から送出する信号は前記カッタ−
ヘッドの直径を半波長とする高周波信号をほぼ中心の周
波数として含む周波数帯であることを特徴とする地中レ
−ダ装置。 - 【請求項２】 請求項１において、 カッタ−ヘッドの所定位置に設けた第３の送信用アンテ
ナと、 前記第３の送信用アンテナによる偏波面と偏波面が直交
する第３の受信用アンテナとを接近させて設けたことを
特徴とする地中レ−ダ装置。 - 【請求項３】 請求項２において、 受信アンテナ組で得られ信号処理部で処理された情報を
表示する遠方用表示装置と、 第３の受信アンテナで得られた情報を表示する近傍用表
示装置とを備えたことを特徴とする地中レーダ装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23108394A JP2939575B2 (ja) | 1994-09-27 | 1994-09-27 | 地中レーダ装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23108394A JP2939575B2 (ja) | 1994-09-27 | 1994-09-27 | 地中レーダ装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0894737A JPH0894737A (ja) | 1996-04-12 |
| JP2939575B2 true JP2939575B2 (ja) | 1999-08-25 |
Family
ID=16918025
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23108394A Expired - Fee Related JP2939575B2 (ja) | 1994-09-27 | 1994-09-27 | 地中レーダ装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2939575B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2468734B (en) | 2008-01-18 | 2012-08-08 | Halliburton Energy Serv Inc | Em-guided drilling relative to an existing borehole |
| CN110792447B (zh) * | 2019-11-14 | 2020-11-06 | 山东大学 | 盾构搭载刀盘、有害气体富存区盾构隧道施工装置及方法 |
-
1994
- 1994-09-27 JP JP23108394A patent/JP2939575B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0894737A (ja) | 1996-04-12 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
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