JP3552203B2

JP3552203B2 - 埋設物探知方法及び埋設物探知装置

Info

Publication number: JP3552203B2
Application number: JP25621299A
Authority: JP
Inventors: 治義久野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-09-09
Filing date: 1999-09-09
Publication date: 2004-08-11
Anticipated expiration: 2019-09-09
Also published as: JP2001083256A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地中に埋設された地雷等の物体を探知する埋設物探知方法及び埋設物探知装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、地雷等の埋設物探知方式としては、赤外線、電磁誘導、地中レーダなど、いくつかの方法が提案されている。
【０００３】
例えば、比較的浅く埋められている対戦車地雷は、周囲との温度差から、赤外線方式で高い確率で検出できる。金属材料が多用されている地雷は、電磁誘導を用いる金属探知器で検出される。地中レーダは、元来、地中のパイプなどの検出を行うのに用いられるが、地雷探知への応用が考えられている。
【０００４】
しかしながら、赤外線方式では、対象が小型であったり、埋設位置が草むらであったり、地中深くに埋設していたりすると、検出が非常に困難になる。また、電磁誘導方式では、プラスチック地雷のように金属材料の使用が少なかったり、地中に金属片が多大に埋まっていたりすると、高感度の金属探知器を用いても対象物の特定が非常に困難になる。さらに、地中レーダ方式では、解像度が低く、検出物体の形状識別が困難である。また、赤外線方式を除き、いずれの方式も目標物の上方地表面に計測器を接触する必要があり、対象が地雷の場合には非常に危険を伴う。
【０００５】
世界中の生活圏に数億個単位の地雷が埋められており、開発途上国では農作地に埋められた地雷のために農業生産ができない状況にある。田畑にある小型地雷を農業に差し支えない深さまで検出する方法及び装置の開発が強く要望されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように従来の埋設物探知方法及び埋設物探知装置では、小型の地雷等の埋設物を精度よくかつ安全に検出することが困難であった。
【０００７】
本発明は上記の問題を解決するためになされたもので、金属、非金属製にかかわらず、小型の埋設物を精度よく、しかも対象物が地雷であっても安全に検出することのできる地中埋設物探知方法及び埋設物探知装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明に係る埋設物探知方法は、探知領域の周辺の複数箇所に音波送信器と音波受信器をそれぞれ設置し、各音波送信器から送信される音波を前記複数の音波受信器で受信して、それぞれの受信信号を２値化し、全受信信号を合成し画像処理することで、埋設物の形状と位置を推定することを特徴とする。
【０００９】
この方法において、前記複数の音波受信器をさらに地中上下方向に複数箇所設置し、前記画像処理で３次元処理することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る埋設物探知装置は、それぞれ探知領域の周辺の複数箇所に埋設され、音波送受信手段が探知領域内に向けて取着された複数の埋設棒と、前記複数の埋設棒を支持する支持具と、前記複数の埋設棒に取着されている音波送受信手段から順に音波を発生させる送信手段と、この手段で順に送信される音波を他の埋設棒の音波送受信手段で受信する受信手段と、この受信手段により各埋設棒の音波送受信手段から出力される受信信号を２値化して音波到達の有無に対応した信号を生成する信号処理手段と、この信号処理手段で得られた各音波送受信器からの２値化信号を合成し画像処理して、前記探知領域内に存在する埋設物の形状と位置を表示する表示手段とを具備して構成される。
【００１１】
上記構成において、前記複数の埋設棒に、それぞれ地中埋設部分の上下方向複数箇所に音波送受信手段を取着しておき、前記送信手段及び受信手段は、前記埋設棒に上下方向に取着された複数の音波送受信手段から順に音波を発生させ、前記音波受信手段で各埋設棒に上下方向に取着された複数の音波送受信手段でそれぞれ受信するものとし、前記信号処理手段及び表示手段は、前記受信手段で得られる各受信信号を２値化して３次元画像処理を施すことで、３次元立体画像と３次元位置を表示することを特徴とする。
【００１２】
ここで、前記送信手段及び受信手段は、前記埋設棒それぞれに前記上下方向に取着された複数の音波送受信手段から互いに異なるコードで変調された音波を同時に送信させ、受信時にコード別に復調するようにしたことを特徴とする。
【００１３】
さらに、前記複数の埋設棒は、それぞれ地中内で軸周りに回転可能であり、その一つを前記音波送受信手段が前記探知領域の外側に向くように回転させて、当該埋設棒に取着されている音波送受信手段から音波を発生させ、その反射波を受信することで、探知領域外の埋設物の存在を検出する領域外埋設物概略位置検出手段を備えることを特徴とする。
【００１４】
さらに、前記受信手段で得られる各受信信号から埋設物の透過率または散乱の度合を計測し、その計測結果から埋設物の形状を推定することを特徴とする。
【００１５】
さらに、予め探知しようとする複数種の埋設物の形状をデータベース化しておき、前記表示手段で表示される埋設物の形状を前記データベース化された形状と比較し、その比較結果から探知された埋設物を特定することを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１７】
図１は本発明に係る埋設物探知装置の構成を示すものである。尚、ここでは説明を簡単にするため、２平方メートル、深さ５０ｃｍ以内に埋設される地雷を探知する場合を考える。
【００１８】
この装置は、全体としてセンサＡ、信号処理装置Ｂ及び表示装置Ｃからなる。
【００１９】
センサＡは、鋼鉄製のパイプを直径３００ｃｍのリング状に形成した支持輪１１に、３０ｃｍ間隔で３１本のプラスチック製の埋設棒１２を垂直に取り付けて固定したものである。各埋設棒１２は、図２に取り出して示すように、少なくとも先端部から５０〜６０ｃｍ程度が地中に埋め込まれる。このため、先端部には、上からの力で地面に入り易いように、先の尖った金属棒１３が装着される。また、埋設棒１２の埋設部分の上下端部２箇所には、支持輪１１の内側全域に向けて超音波を送信し、その範囲からの超音波を受信する一対の超音波送受信器１４ａ、１４ｂが取り付けられる。埋設棒１２は中空構造をなし、超音波送受信器１４ａ、１４ｂの配線材は、図示しないが、埋設棒１２、支持輪１１の空洞を通して、支持輪１１の所定の箇所から引き出され、信号処理装置Ｂに接続される。
【００２０】
信号処理装置Ｂは、図３に示すように、各埋設棒（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３１）１２からの一対の超音波送受信器１４ａ、１４ｂは、それぞれ互いに連動する切換スイッチ１５ａ、１５ｂにより一対の超音波発信源１６ａ、１６ｂと増幅器１７ａ、１７ｂとに選択的に接続される。超音波発信源１６ａ、１６ｂは互いに異なるコードで変調された超音波を発生し、切換スイッチ１５ａ、１５ｂに接続された一対の超音波送受信器１４ａ、１４ｂへ送出するものである。
【００２１】
ここで、各埋設棒１２に対応する一対の切換スイッチ１５ａ、１５ｂは、共にソレノイド１８を通じて３１接点のロータリースイッチ１９の一端子に接続されており、ロータリースイッチ１９により選択されると、超音波発信源１６ａ、１６ｂ側に接続されることになる。ロータリースイッチ１９は切換制御器２０により２秒毎に巡回的に切り換えられる。切換制御器２０の切換時間はタイマー２１からのタイミング信号によって管理される。
【００２２】
また、上記超音波発信源１６ａ、１６ｂは、タイマー２１からのタイミング信号（切換制御器２０へのタイミング信号と同期する）により、１秒間隔で交互に駆動される。このため、ロータリースイッチ１９により選択された埋設棒１２の超音波送受信器１４ａ、１４ｂは、ロータリースイッチ１９により選択されると、最初の１秒は地中上側の超音波送受信器１４ａから超音波発信源１６ａの出力が送出され、次の１秒は地中下側の超音波送受信器１４ｂから超音波発信源１６ｂの出力が送出される。
【００２３】
上記ロータリースイッチ１９によって選択されていない埋設棒１２の一対の超音波送受信器１４ａ、１４ｂは受信状態となっている。各送受信器１４ａ、１４ｂの受信出力は、それぞれ切換スイッチ１５ａ、１５ｂを介して、増幅器１７ａ、１７ｂで増幅され、２値化処理器２２ａ、２２ｂで２値化された後、記憶装置２３に供給される。この記憶装置２３は、２値化処理器２２ａの出力が与えられる一対の記憶部２３１ａ、２３２ａと２値化処理器２２ｂの出力が与えられる一対の記憶部２３１ｂ、２３２ｂを備え、タイマー２１からのタイミング信号（切換制御器２０へのタイミング信号と同期する）に基づいて最初の１秒間は記憶部２３１ａ、２３１ｂのみをアクティブ状態とし、次の１秒間は記憶部２３２ａ、２３２ｂのみをアクティブ状態とする。すなわち、記憶部２３１ａ、２３１ｂには、地中上側の超音波送受信器１４ａから送出された超音波の受信信号２値化出力が格納され、記憶部２３２ａ、２３２ｂには、地中下側の超音波送受信器１４ｂから送出された超音波の受信信号２値化出力が格納される。
【００２４】
上記埋設棒１２毎の記憶装置２３に格納された２値化データはロータリースイッチ１９の１走査毎に読み出され、表示装置Ｃの画像処理部２４に送られる。この画像処理部２４は、３１系統からの２値化データを３次元処理し、輝度変調を施して画像信号を生成するもので、この画像信号はディスプレイ２５に送られ、立体的に画像表示される。
【００２５】
上記構成において、図４及び図５を参照してその動作を説明する。
【００２６】
まず、上記センサＡの支持輪１１を、小型のシャベル車の先端に取り付け、比較的柔らかい畑や田に押し入れて、埋設棒１２を５０〜６０ｃｍほど埋め込む。このとき、埋設棒１２が地雷に当たって爆発するおそれがあるが、作業者は防護車両内にいるため、危険性はない。また、埋設棒１２は偶々地雷の爆発により破損してしまうが、その交換は容易である。
【００２７】
信号処理装置Ｂ及び表示装置Ｃは上記シャベル車に搭載しておく。センサＡを設置後、ケーブルによって車両内の信号処理装置Ｂに接続する。尚、この間の接続において、無線技術を利用してもかまわない。
【００２８】
電源投入により探知処理を開始すると、初期設定によりロータリースイッチ１９の選択切換によって、２秒間、第１埋設棒１２の一対の超音波送受信器１４ａ、１４ｂがそれぞれ超音波発信源１６ａ、１６ｂに接続される。最初の１秒間は超音波発信源１６ａから第１コードで変調された超音波信号が地中で上側に位置する超音波送受信器１４ａに送られ、次の１秒間は超音波発信源１６ｂから第２コードで変調された超音波信号が地中で下側に位置する超音波送受信器１４ｂに送られ、それぞれ支持輪１１によって定まる探知領域内に向けて送出される。
【００２９】
このとき、第２〜第３１埋設棒１２に設けられた超音波送受信器１４ａ、１４ｂは、それぞれ第１、第２コード変調超音波の受信状態となる。この様子を平面的に見ると、図４に示すようになる。また、深さ方向に見た場合、最初の１秒間は、図５（ａ）に示すように、地中上側の超音波送受信器１４ａの送信出力を他の埋設棒１２の上下両方の送受信器１４ａ、１４ｂで受信し、次の１秒間は、図５（ｂ）に示すように、地中下側の超音波送受信器１４ｂの送信出力を他の埋設棒１２の上下両方の送受信器１４ａ、１４ｂで受信することになる。
【００３０】
ここで、図４及び図５（ａ）、（ｂ）に示すように、探知領域内に埋設物が存在すると、その領域内に送出された超音波は、その一部が埋設物によって遮蔽されるため、埋設物の影となる超音波送受信器１４ａ、１４ｂには到達せず、影の領域に入らなかった送受信器のみが受信可能である。埋設物に当たった超音波は埋設物によってほぼ吸収されるため、その反射波レベルは送信波に比して十分低いものとなっている。物体透過型の処理方式では、物体の透過量から物質を推定することが可能である。
【００３１】
土の密度により、波長は空中の１／２〜１の間にあり、１０ｃｍの物体を見るには５ｃｍの分解能が必要となる。このとき、５ｃｍの波長、すなわち１７ｋＨｚの超音波を使用すればよい。分解能を上げるには、さらに送信周波数を上げればよい。３ｍ程度の距離ならば、減衰は１０ｄＢ以下と考えられるので、通常市販の送受信器で十分である。また、音速が地中で８００ｍであるとすれば、最大探知距離３ｍでは３．７５ｍｓとなり、１秒あれば十分受信処理が可能である。
【００３２】
第２〜第３１埋設棒の超音波送受信器１４ａ、１４ｂの受信信号は、それぞれ増幅器１７ａ、１７ｂで増幅された後、２値化処理器２２ａ、２２ｂで２値化され、最初の１秒間の２値化データ（地中上側の送受信器１４ａから送信された信号の受信データ）は記憶装置２３の記憶部２３１ａ、２３１ｂに格納され、次の１秒間の２値化データ（地中下側の送受信器１４ｂから送信された信号の受信データ）は記憶装置２３の記憶部２３２ａ、２３２ｂに格納される。
【００３３】
探知開始の２秒後、ロータリースイッチ１９の選択切換によって、２秒間、第２埋設棒１２の一対の超音波送受信器１４ａ、１４ｂがそれぞれ超音波発信源１６ａ、１６ｂに接続され、第１埋設棒が選択された場合と同じ処理がなされ、以後、順次第３１埋設棒まで同様の信号処理がなされる。
【００３４】
すなわち、受信処理においては、各受信信号を増幅して２値化し、タイマー機能によって地中上側受信と下側受信とに振り分ける。したがって、上側受信信号は、例えば第１埋設棒から送信されたとすれば、第２から第３１までの受信信号の列となる。下側受信においても同様であるから、それぞれ３０個のデータが２秒ごとに送信点を変えて３１個あり、上下受信点で６２個のデータが得られる。さらに、送信点を１秒ごとに上下に切り換えることで、１分以内に１２８個のデータが得られ、３１個の記憶装置２３に格納される。
【００３５】
上記記憶装置２３に格納された受信データを、１走査ごとに画像処理部２４に送り、各受信点の２値化データを輝度変調し、走査線上に並べ、補間処理することで、３次元画像を生成してディスプレイ２５に表示する。
【００３６】
具体的に説明すると、送信された音響エネルギーは、送信点から見て物体で隠れる受信点では受信されない。しだかって、画像処理において、送信点から受信点に走査線が動くようにすれば、その上で輝度変調された明るい線は物体方向を除いて光ることになる。これを送信点ごとに繰り返せば、物体部分は周囲より黒く写り、物体像ができる。これを少なくとも４面作成することで、物体の３次元的形状を表示することができ、その形状から物体が地雷であるか否かを推定することが可能となる。
【００３７】
物体の透過率や散乱を考慮に入れ、物体形状をさらに詳細に推定すると、よりいっそう精度を向上させることができる。この技術は、現在、Ｘ線ＣＴスキャン装置で行っている透過率を測定する方法が利用できる。さらに、既知の各種地雷等の形状をデータベース化し、順次比較して最も似ていると思われるものを選択すれば、効率よく埋設物が何であるか識別することができる。
【００３８】
上記構成による埋設物探知装置を用いれば、現状では例えば２メートル平方を調べるのに１日かかると云われていた作業が、識別処理を含めて数分で７平方メートル程度を探索することが可能となる。土壌の硬さが柔らかく、地雷数量が少量と予測される場合には、支持輪１１の直径をさらに広くすれば、より効率よく探知作業を行うことができる。
【００３９】
尚、上記構成においては、１地点の探知作業終了後、センサＡを隣接領域に埋め込む場合、埋設棒が地雷に当たってしまうおそれがある。そこで、一回目は例外として、次に移動させる方向にある埋設棒１２を支持輪１１の外側に向け、その超音波送受信器１４ａまたは１４ｂから超音波を送信し、その反射波を受信計測することで、次の探知領域における埋設物の存在を検知することができる。この処理により物体が認識されれば、その距離、方向を求めることも埋設棒１２の回転で可能である。
【００４０】
以上述べた寸法、使用周波数、範囲、深さ等のパラメータは、実際の運用において適宜変更してもよいことは勿論である。また、上記実施形態では、埋設棒を円形配列としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、探知領域を特定できるならば、どのような形状であってもよい。
【００４１】
また、上記実施形態では、１つの埋設棒に２個の超音波送受信器を設けるようにしたが、３個以上とすれば、さらに地中上下方向の解像度を上げることができる。また、地中上下の超音波送信を時分割するようにしたが、超音波発信源の発信出力がコード変調されていることを利用して、受信時にコード別に復調するようにすれば、地中上下の送受信器から同時に送信することができるので、探知処理時間をさらに短縮することが可能となる。また、超音波送受信器は、送受別体のものであってもよい。この場合、送信器数と受信器数が異なってもよい。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、金属、非金属製にかかわらず、小型の埋設物を精度よく、しかも対象物が地雷であっても安全に検出することのできる地中埋設物探知方法及び埋設物探知装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る埋設物探知装置の一実施形態の構成を示すブロック図。
【図２】同実施形態のセンサに用いられる埋設棒の具体的な構造を示す図。
【図３】同実施形態の具体的な回路構成を示すブロック図。
【図４】同実施形態において、一つの送信点から送出された超音波が探知領域周辺に配置した受信点に到達する様子を示す図。
【図５】同実施形態において、地中上下に配置した送信点からそれぞれ地中上下に配置された受信点に到達する様子を示す図。
【符号の説明】
Ａ…センサ
Ｂ…信号処理装置
Ｃ…表示装置
１１…支持輪
１２…埋設棒
１３…金属棒
１４ａ、１４ｂ…超音波送受信器
１５ａ、１５ｂ…切換スイッチ
１６ａ、１６ｂ…超音波発信源
１７ａ、１７ｂ…増幅器
１８…ソレノイド
１９…ロータリースイッチ
２０…切換制御器
２１…タイマー
２２ａ、２２ｂ…２値化処理器
２３…記憶装置
２３１ａ、２３２ａ、２３１ｂ、２３２ｂ…記憶部
２４…画像処理装置
２５…ディスプレイ

Claims

探知領域の周辺に複数の音波送信器及び複数の音波受信器をそれぞれ埋設し、さらに前記音波受信器については地中上下方向に複数箇所設置し、
前記複数の音波送信器に順に前記複数の音波受信器に向けて単一波長の音波を送信させ、前記複数の音波受信器で各音波送信器の送信音波を受信するものとし、
前記複数の音波受信器それぞれの受信信号を２値化して前記送信音波それぞれの到達の有無を判別し、前記複数の音波送信器及び音波受信器と位置関係に基づいて各音波受信器の２値化信号を合成して３次元で画像処理し、この画像処理結果に基づいて前記探知領域内に存在する埋設物の形状と位置を３次元表示することを特徴とする埋設物探知方法。
探知領域の周辺に埋設され、互いに単一波長の音波を送受信する音波送受信手段を備える複数の埋設棒と、
前記複数の埋設棒を支持する支持具と、
前記複数の埋設棒それぞれの音波送受信手段から順に音波を発生させる送信制御手段と、
この手段で順に送信される音波を他の埋設棒の音波送受信手段で受信させる受信制御手段と、
この受信制御手段により各埋設棒の音波送受信手段から出力される受信信号を２値化して音波到達の有無に対応した信号を生成し、前記複数の埋設棒それぞれの位置に基づいて各音波送受信手段からの２値化信号を合成し画像処理する信号処理手段と、
前記画像処理結果に基づいて前記探知領域内に存在する埋設物の形状と位置を表示する表示手段とを具備し、
前記複数の埋設棒に、それぞれ地中埋設部分の上下方向複数箇所に音波送受信手段を取着しておき、
前記送信制御手段及び受信制御手段は、前記埋設棒に上下方向に取着された複数の音波送受信手段から順に音波を発生させ、前記音波受信手段で各埋設棒に上下方向に取着された複数の音波送受信手段でそれぞれ受信させるものとし、
前記信号処理手段及び表示手段は、前記複数の音波送受信手段で得られる各受信信号を２値化して３次元画像処理を施すことで、３次元立体画像と３次元位置を表示することを特徴とする埋設物探知装置。
前記送信制御手段及び受信制御手段は、前記埋設棒それぞれに前記上下方向に取着された複数の音波送受信手段から互いに異なるコードで変調された音波を同時に送信させ、受信時にコード別に復調するようにしたことを特徴とする請求項２記載の埋設物探知装置。
さらに、前記複数の埋設棒は、それぞれ地中内で軸周りに回転可能であり、その一つを前記音波送受信手段が前記探知領域の外側に向くように回転させて、当該埋設棒に取着されている音波送受信手段から音波を発生させ、その反射波を受信することで、探知領域外の埋設物の存在を検出する領域外埋設物概略位置検出手段を備えることを特徴とする請求項２記載の埋設物探知装置。
さらに、前記複数の音波送受信手段で得られる各受信信号から埋設物の透過率または散乱の度合を計測し、その計測結果から埋設物の形状を推定することを特徴とする請求項２記載の埋設物探知装置。
さらに、予め探知しようとする複数種の埋設物の形状をデータベース化しておき、前記表示手段で表示される埋設物の形状を前記データベース化された形状と比較し、その比較結果から探知された埋設物を特定することを特徴とする請求項２記載の埋設物探知装置。