JP3635597B2 - 地山崩壊検知装置及びその表示方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シールド掘削機の地中レーダによる地山崩壊検知装置に関し、特には地山の位置を分かり易く表示する地山崩壊検知装置及びその表示方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シールド掘削機で地中を掘削する際には、掘削機周囲の地山が崩れていないかを検知して安全を確認する必要がある。このために、シールド掘削機においては、地山崩壊検知装置を搭載することが一般的となっている。この地山崩壊検知装置は、掘削機に装着されたレーダから地中に放射した電磁波の地山表面による反射波を受信し、この反射波の受信までの時間を計測することにより地山表面の位置を検知している。そして、地山表面の位置が通常の時よりも掘削機から大きく離れているときに、地山の崩壊と判断させるものである。
【０００３】
このような地山崩壊検知装置として、例えば特開平３−２５９７７１号公報に記載された小型レーダの反射信号処理装置を使用したものがある。図１２及び図１３は、同公報の小型レーダの反射信号処理装置に基づいて構成された地山崩壊検知装置を説明する構成ブロック図及び受信波形の説明図であり、以下同図に従って説明する。
図１２において、従来の反射信号処理装置はシールド掘削機６０のカッタヘッド６１の近傍に設けられた小型レーダのアンテナ部２０と、アンテナ部から入力した受信信号を処理して表示又はプリント出力等を行なう表示部１０とを備えている。表示部１０は通常はシールド掘削機６０から離れた場所、例えば地上等に設置されるので、この小型レーダの反射信号処理装置のアンテナ部２０と表示部１０との間は、各指令信号等の通信のために通信ケーブル６によって接続されている。
【０００４】
アンテナ部２０に備えられたアンテナ２１は、一対の送信アンテナ２４と受信アンテナ２６とで構成されており、シールド掘削機６０の外周面に設けられている。送信アンテナ２４から地山に向かって放射された電磁波２２は地山表面で反射され、この反射波２３が受信アンテナ２６によって受信されるようになっている。送受信装置２５はアンテナ２１による送受信を制御するものであり、パルス的に電磁波２２を送信アンテナ２４から放射させ、そして、受信アンテナ２６によって受信された上記反射波２３を入力して処理し、表示部１０へ通信ケーブル６を介して送信する。また、アンテナ部２０にはシールド掘削機６０の掘進距離Ｌを検出する掘進距離検出器２７が設けられている。この掘進距離検出器２７は、例えば、シールド掘削機６０を掘進方向に押し出すための推進ジャッキ２９のストロークを検出するセンサ等で構成されている。掘進距離検出器２７の検出信号は距離測定装置２８に入力されて処理され、掘進距離データが送受信装置２５及び通信ケーブル６を介して表示部１０へ送信される。
【０００５】
また、表示部１０は演算処理装置１１と記憶装置１２と表示装置１３とプリンタ１４とを備えている。演算処理装置１１はコンピュータで構成されており、反射波２３の受信信号を通信ケーブルを介して入力し、この入力した受信信号データに基づいて所定の処理を行って地山までの距離を算出し、この算出した距離を表示装置１３やプリンタ１４等に出力したり、また記憶装置１２に書き込んだりしている。また、記憶装置１２には、上記受信信号データに基づいて反射波２３の受信時間を算出するための閾値等も記憶されている。
【０００６】
次に、上記構成における作用を説明する。
図１３は、演算処理装置１１が入力した反射波の受信信号のＡスコープ表示を表している。同図において、縦軸は電磁波２２を放射してから反射波２３を受信するまでの受信時間を表し、横軸は受信信号の大きさ、すなわち受信波の強度を表している。通常、受信信号の中には、地山からの反射波２３の他に、送信アンテナ２４から受信アンテナ２６に直接入射されるダイレクト波が雑音信号として含まれている。図１３はそのことを示しており、図１３（１）、（２）はそれぞれダイレクト波、及び地山からの反射波２３を、また図１３（３）は両方の信号が合成されて計測された実際の受信信号を表している。したがって、この受信信号から地山までの距離を算出するには、受信信号から上記ダイレクト波の信号を除去した後の反射波を用いて算出する必要がある。
【０００７】
一般的に上記ダイレクト波が、放射開始直後で、かつ地山からの反射波２３より以前に受信されることはよく知られている。よって、演算処理装置１１は、放射開始後の一定時間は受信信号をマスクし、この間の受信信号の強度を０として入力している。次に、上記一定時間の経過以降の受信信号に対して所定時間毎にＡ／Ｄ変換して入力し、記憶装置１２に予め記憶されている閾値より上記入力データが大きくなったときに受信信号強度のピークを検出する。そして、このピーク値が受信された時間を記憶装置１２に記憶しておく。このピーク値受信時間を地山からの反射波の受信時間とみなしているが、この受信時間と電磁波の伝搬速度とから地山までの距離を算出することができる。これによって、反射波の受信時間を地山までの距離に対応させることが可能となる。なお、上記においては、放射開始後の一定時間だけ受信信号の強度を０として入力し、この一定時間経過以降の受信信号に対してＡ／Ｄ変換して入力しているが、これに限定されずに、例えば、放射開始の最初から受信信号をＡ／Ｄ変換してこれを記憶し、この記憶した受信データに対して、放射開始後の一定時間に対応するデータ部分を０としてマスクする方法でもよい。
【０００８】
また、演算処理装置１１は、距離測定装置２８からの掘進距離データを入力し、シールド掘削機６０が所定距離だけ掘進する毎に、上記のようにして入力した受信信号データを表示装置１３に出力する。図１４は表示装置１３における表示方法の説明図であり、同図の（１）は受信信号データの階調表示を示し、（２）は階調表示によるＢスコープ表示を示している。これで分かるように、受信信号データの振幅（受信波の強度に相当する）は数段階、例えば１６段階に分けられていて、この段階に応じた白黒濃淡による階調表示が行われる。この結果、表示装置１３には、図１４（２）に示すような白黒濃淡によるＢスコープ表示が行われる。同図において、縦軸は図１３の縦軸と同様に反射波２３の受信時間を表し、横軸は上記掘進距離を表している。このＢスコープ表示によって、地山からの反射波の受信時間を示している所には白黒濃淡が強く表示されると共に、掘進距離が更新されるに従って（横軸方向に）その強い濃淡部が連続的に表示される。この強い濃淡部の形状が掘進方向に沿った地山の形状に相当するものであり、よって、オペレータはこの地山の形状から崩壊の有無を判定することが可能となっている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、地山崩壊検知においては、正常な掘削時にはアンテナ２１から地山までの距離が非常に接近している（例えば、２〜４cm）ので、ダイレクト波と地山からの本来の反射波とが近接して受信されることが多い。したがって、この受信信号に基づいてＢスコープ表示を行った場合には、従来の白黒濃淡の表示では地山からの反射波とダイレクト波との区別が困難となり、地山の形状が分かり難くなっている。また、ダイレクト波と地山からの本来の反射波とがお互いを打ち消すように重なって受信される場合もあり、このときは受信信号のピーク値が本来より小さくなってしまい、予め記憶されている閾値よりこのピーク値が小さくなることも多い。このため、この受信信号に基づいてＢスコープ表示を行っても、地山の形状が正確に表示されないことになり、地山崩壊の検知が困難になるという問題が生じている。
【００１０】
また、従来は、前述のようにダイレクト波を除去するために、電磁波放射後の一定時間は受信アンテナ２６からの受信信号をマスクしている。したがって、上記のようにダイレクト波と本来の反射波のピークとが非常に近接して重なり合っている場合には、本来の反射波の信号もマスクされてしまうこともある。よって、マスク時間以降に入力された受信信号に基づいてピークを検出しても、これが本来の反射波のピークとならない可能性がある。この結果、同様に地山の形状が正確に表示されないという問題が生じる。
【００１１】
本発明は、上記の問題点に着目してなされたものであり、地山からの反射波を正確に受信できると共に、地山形状を分かり易く表示できる地山崩壊検知装置及びその表示方法を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、シールド掘削機に設けられたアンテナにより地山に向けて電磁波を放射すると共に、放射した電磁波をアンテナのケースを介して直接受信したダイレクト波と、地山からの反射波とが合成された受信波とを受信する送受信装置と、送受信装置からこの受信波を入力し、受信波に基づいて放射から受信までの時間を算出して地山までの距離を求め、この距離の表示信号を出力する演算処理装置と、この表示信号によって地山の位置を表示する表示装置とを備えた地山崩壊検知装置において、上記演算処理装置は、上記入力した受信波の波形データを記憶する受信波記憶部と、上記ダイレクト波の波形を予め記憶するダイレクト波記憶部と、記憶したダイレクト波形を、その１番目のピークの振幅値が、上記受信波の１番目のピークの振幅値と略一致するように較正すると共に、記憶したダイレクト波形を、その１番目のピークの受信時間が上記受信波の１番目のピークのピーク時間に略一致するように較正するダイレクト波較正部と、上記受信波形と較正したダイレクト波形との差分波形を求める反射波検出部と、上記差分波形が最大振幅を有する受信時間を求める受信時間算出部と、上記受信時間及び使用中の掘削水に対応する電磁波の伝搬速度値に基づいて地山までの距離を演算し、表示装置に出力する表示処理部とを備え、上記表示装置は、上記地山までの距離を、シールド掘削機の進行に合わせてグラフ表示している。
【００１３】
また、請求項２に記載の発明は、シールド掘削機に設けられたアンテナにより地山に向けて電磁波を放射すると共に、放射した電磁波をアンテナのケースを介して直接受信したダイレクト波と、地山からの反射波とが合成された受信波とを受信し、この受信波の受信時間に基づいて地山までの距離を求めてこの距離を表示する地山崩壊検知装置の表示方法において、上記ダイレクト波の波形を予め記憶しておき、記憶したダイレクト波形を、その１番目のピークの振幅値が、上記受信波の１番目のピークの振幅値と略一致するように較正すると共に、記憶したダイレクト波形を、その１番目のピークの受信時間が上記受信波の１番目のピークのピーク時間に略一致するように較正し、上記受信波形と較正したダイレクト波形との差分波形を求め、上記差分波形が最大振幅を有する受信時間及び使用中の掘削水に対応する電磁波の伝搬速度値に基づいて地山までの距離を演算し、上記地山までの距離を、シールド掘削機の進行に合わせてグラフ表示している。
【００１４】
また、ダイレクト波の波形を参照波形として予め記憶しておき、このダイレクト波形と実際に受信した受信波の波形とを比較し、受信波の中のダイレクト波と地山からの反射波とを検出して特定する。この特定した受信ダイレクト波及び反射波の位置（受信時間に相当する）を探査画像中に表示し、オペレータに掘進機外周面及び地山の形状を知らせるようにしてもよい。これにより、ダイレクト波の影響を確実に除去して地山からの反射波を特定することが容易となり、またオペレータは地山の形状を見て地山崩壊の有無を精度良く判別することが可能となる。
【００１５】
また、実際に受信した受信波の１番目のピークＰを検出し、このピーク振幅値と前記記憶したダイレクト波形の１番目のピークの振幅値が等しくなるようにダイレクト波の振幅値を等倍して較正する。また、記憶したダイレクト波形の１番目のピークの受信時間が上記ピークＰのピーク時間Ｔに一致するように、記憶したダイレクト波形の時間軸を較正する。そして、この較正したダイレクト波形を受信ダイレクト波形として上記受信波形から差分をとるようにしてもよい。これによって、受信ダイレクト波及び地山からの反射波を特定することができる。したがって、ダイレクト波の影響を確実に除去して地山からの反射波を特定することが容易となり、またオペレータは地山の形状を見て地山崩壊の有無を精度良く判別することが可能となる。
【００１６】
また、受信波記憶部５１はダイレクト波データを参照波形として予め記憶しておき、またダイレクト波記憶部５２は実際に受信した受信波データを記憶し、ピーク検出部５３はこの受信波データから一番目のピークＰの振幅値を検出する。次に、ダイレクト波較正部５４は、このピーク振幅値と上記記憶したダイレクト波形の１番目のピークの振幅値とが等しくなるようにダイレクト波の振幅値を等倍して較正する。また、記憶したダイレクト波形の１番目のピークの受信時間が上記ピークＰのピーク時間Ｔに一致するように、記憶したダイレクト波形の時間軸を較正する。そして、反射波検出部５５はこの較正したダイレクト波形を受信ダイレクト波形として上記受信波形から差分をとるようにしてもよい。これによって、受信波の中のダイレクト波と地山からの反射波とを検出して特定する。さらに、受信時間算出部５６はこの特定した受信ダイレクト波及び反射波の各受信時間を算出し、表示処理部５７は各受信時間に基づいてこの受信ダイレクト波及び反射波の位置を探査画像中に表示する。これにより、オペレータは掘進機外周面位置及び地山の形状が容易に分かる。したがって、ダイレクト波の影響を確実に除去して地山からの反射波を特定することが容易となり、またオペレータは地山の形状を見て地山崩壊の有無を精度良く判別することが可能となる。
【００１７】
また、前記特定された反射波及びダイレクト波のそれぞれの受信時間を表示する際に、背景部の白黒濃淡表示と比べて識別可能な表示、例えばカラー表示やマーク表示等を行なってもよい。これにより、地山や掘進機外周面の位置が容易に認識できる。したがって、地山形状が簡単に分かり、地山崩壊の有無が精度良く判別可能となる。
【００１８】
また、通常、反射波の振幅は対象物までの距離、すなわち受信時間に応じて減少するので、反射波の受信時間を算出するための反射波信号の閾値を受信時間に応じて減少させてもよい。これによって、精度良く受信時間を算出でき、正確な地山までの距離を検出できる。
【００１９】
また、掘進機が使用している掘削水の種類により掘削水中の伝搬速度値は異なるので、受信時間に基づいて地山までの距離を精度良く算出するには、使用中の掘削水に対応した伝搬速度値に基づいて算出する必要がある。ここでは、使用する掘削水に対応して異なる伝搬速度値を予め記憶しておき、これによって地山までの距離を算出しているので、正確な距離が検出できる。よって、地山崩壊を精度良く検知可能となる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照しながら実施形態を詳述する。
図１に、本発明に係わる地山崩壊検知装置の構成ブロック図を示している。同図において、前述の図１２と同じ構成には同一の符号を付して説明を省き、ここでは、従来の図１２と異なる構成についてのみ説明する。
演算処理装置５０は例えばマイクロコンピュータ等を中心にしたコンピュータシステムで構成されており、送受信装置２５からの受信波信号を通信ケーブル６を介して入力し、所定の処理の後、表示装置１５に地山形状をカラー表示するように表示指令を出力する。表示装置１５は、カラー表示が可能な例えばＣＲＴ装置や液晶表示器等で構成されており、またグラフィック表示及び文字表示が可能になっていて、演算処理装置５０からの表示指令に従って表示する。
【００２５】
図２は本発明に係わる演算処理装置５０の機能構成ブロック図を表しており、以下に同図に基づいて詳細に説明する。
受信波記憶部５１は、入力した受信波信号を時間的にサンプリングしてＡ／Ｄ変換し、この受信波データを記憶装置１２の所定のエリアに記憶する。また、ダイレクト波記憶部５２は、基準となるダイレクト波の受信波データを予め参照データとして記憶しておく。ピーク検出部５３は、受信波記憶部５１が記憶した受信波データの振幅ピーク値及びその位置（受信時間に対応）を検出する。そして、ダイレクト波較正部５４は、ピーク検出部５３が検出した振幅ピーク値及びその位置を基準にして、ダイレクト波記憶部５２のダイレクト波受信波データの大きさ（振幅値）及び位置を較正する。さらに、反射波検出部５５は、受信波記憶部５１の上記受信波データと、ダイレクト波較正部５４によって較正されたダイレクト波受信波データとを比較し、差分をとることにより、地山からの反射波２３を検出して特定する。次に、受信時間算出部５６は、ダイレクト波受信データ及び反射波受信データに基づいて、それぞれダイレクト波受信時間及び反射波受信時間を算出する。そして、表示処理部５７は、この算出されたダイレクト波受信時間及び反射波受信時間に対応する位置をＢスコープでカラー表示させる表示指令を表示装置１５に出力する。
【００２６】
ここで、上記の各機能構成部について詳述する。
受信波記憶部５１は、受信波データの入力処理及び記憶を以下のように行っている。一般的な地中レーダによる地山崩壊検知装置では、反射波２３の振幅ピーク（以後、単にピークと言う）の受信時間によって地山までの距離を算出しているので、このピークを検出することが重要となる。ところが、受信波のピークの位置（時間軸に相当する）が計測される時間幅Ｔは、通常、数nsec〜１００nsec程度と非常に短くなっている。したがって、その間の振幅変化を連続的に計測することは、例えばＡ／Ｄ変換器の処理速度等に制約されて、非常に困難となっている。このため、次のように振幅をサンプリングして一つの受信波データを得ることによって、時間的な問題を回避している。
図３及び図４は、この受信波のサンプリング方法を示している。図３（１）に示すように、送信アンテナ２４から所定時間幅のパルス波を送信してから時間ｔ後に１回のみ、受信波信号の振幅をサンプリングする。そして、次のパルス波が送信された時には、図３（２）、（３）のように、上記時間ｔを所定時間Δｔずつ遅らせてサンプリングすることを繰り返す。このとき、計測時間幅Ｔの間に所定回数、例えば１０００回だけこのようなサンプリングを繰り返すことにより、時間軸方向に１０００個の離散的なデータとして一つの受信波形が得られる。図４は、この結果得られた受信波形の例を表している。
【００２７】
上記各回のパルス波を送信する時間間隔を例えば１μsec と短時間にすれば、仮に１０００回のサンプリングを行って一つの受信波データを得る場合には、全ての受信波データの入力を１msecで終了することができる。通常、このような時間の間にシールド掘削機６０の掘進に伴ってアンテナ２１が移動する距離は殆ど零であると考えられるので、上記受信波データは固定地点での探査データと考えても差し支えない。さらに、演算処理装置５０の演算速度が高速であって、上記の受信波データ入力処理に時間的に余裕があれば、移動距離が零とみなせる時間以内で各サンプリング時間において受信波データをＮ回（Ｎ＞２）入力し、この受信波データのＮ回の平均値を求めることにより、受信時のノイズの影響を除去することも可能である。
【００２８】
入力した受信波データの中には、地山からの本来の反射波２３の他に、種々の雑音波が含まれていて、ダイレクト波もその雑音波の一種である。受信波データから本来の反射波データを得るためには、受信波データの中からダイレクト波データを除去する必要がある。ダイレクト波は、主に、送信アンテナ２４から放射された電磁波２２がアンテナ２１の図示しないケース内を伝搬して受信アンテナ２６によって直接受信された波である。よって、一般的に、上記ケースの構造が決まれば、このダイレクト波の波形は一定となる。そこで、この波形を予め計測して参照波形として記憶しておき、実際の受信波データとこの記憶したダイレクト波データとを比較することによって、反射波データを抽出することを行っている。ダイレクト波記憶部５２は、このためにダイレクト波データを予め記憶しておくものである。
【００２９】
ところで、入力されるダイレクト波の波形は上記のように一定であるが、その振幅は送受信装置２５内の図示しない受信回路における受信感度によって異なる。この受信感度は伝搬媒質（例えば泥水、泥しょう等）の違いによって計測毎に変更されるので、異なる伝搬媒質間では受信波形の振幅は異なって来る。そこで、上記の記憶しているダイレクト波データを読み出す際に、その振幅及び受信時間を受信波データを使って補正しており、この補正は受信波のピーク値及びその位置を基準としている。ピーク検出部５３は、このために受信波データのピークを検出しており、以下のようにしてピーク検出を行なう。
【００３０】
図５はピーク検出の方法を説明する図であり、同図において、縦軸は反射波の受信時間軸を表し、横軸は受信波の振幅（強度）を表す。ここで、何も受信波が入力されていないときの受信レベルを振幅の零点とする。ダイレクト波は入力される受信波の中でも一番目にピークを生じるものであると考えられるので、まず、受信波データの１番目のピークを検出することを考える。そこで、この１番目のピークＰ1 （ダイレクト波）検出のための第一の閾値Ａを予め決めておく。さて、受信波記憶部５１に記憶されている受信波データに対し、計測開始時間から順番に振幅がこの閾値Ａを越えていないかを調べていく。そして、最初に閾値Ａを越えてから、次に振幅がプラス（＋）側からマイナス（−）側に変化する、すなわち振幅が零点とクロスするまでの間の振幅の最大値を１番目のピークＰ1 とする。なお、この１番目のピークＰ1 が計測される時間は、まだ地山からの反射波が計測されない領域である。
【００３１】
次に、ダイレクト波較正部５４は、上記で検出された１番目のピークＰ1 を基準にして、記憶されているダイレクト波データ（以後、これを参照波データと言う）の振幅を較正すると共に、時間軸も調整する。すなわち、図６に示すように、１番目のピークＰ1 が計測された時間をダイレクト波のピーク時間Ｔd1とし、参照波データの１番目のピークの時間がこのピーク時間Ｔd1と一致するように、参照波データを時間軸方向に移動させる。さらに、参照波データの１番目のピークの振幅が受信波データのダイレクト波の１番目のピークＰ1 の振幅値ＡＭ1 と等しくなるように、各参照波データの振幅を同比率で増減する。この較正された参照波データが、以後の受信波処理に使用される。
【００３２】
反射波検出部５５は、受信波データからダイレクト波データを除去して反射波を算出している。図７は、このときの波形を表している。図７（１）の受信波データと、図７（２）のダイレクト波較正部５４で較正された上記参照波データとの差分をとることにより、ダイレクト波の影響の無い、図７（３）で示す本来の反射波データを求めることが可能である。
【００３３】
次に、受信時間算出部５６は、上記で求めた反射波データ及びダイレクト波データ（すなわち、較正された参照波データ）に基づいて、反射波及びダイレクト波の受信時間を算出する。図８はこの算出方法を説明する図であり、上記で求めた反射波データによる波形が示されている。ここで、地山からの反射波を検知するために振幅の第２の閾値Ｂを予め決めておく。なお、この閾値Ｂはプラス側又はマイナス側のいずれか一方に設ければよく、地山からの反射波データの中で最も振幅の大きいピークがある方に設ける。最も振幅の大きいピークがどちら側になるかは、送受信アンテナへの給電の極性、送受信アンテナと送信パルス波の周波数特性、電波伝搬媒質、反射対象の材質や形状などによって決まる。しかし、シールド掘削機における地山崩壊検知装置の場合には、伝搬媒質は泥水又は泥しょうであり、反射対象は土に限られいる。よって、このときの反射波形を予め計測しておけば、閾値Ｂをどちら側に設定すればよいかは決定できる。また、この閾値Ｂは一定値であってもよいし、反射波の減衰を考慮して、図８のように例えば指数関数的に受信時間が遅くなるに従って減少するようにしてもよい。
【００３４】
いま、上記閾値Ｂをプラス側に設定したとする。受信時間算出部５６は、ダイレクト波較正部５４で較正された上記のダイレクト波のピーク時間Ｔd1から、時間の遅くなる方向（時間軸ｔの増加方向）に順番に、反射波データの振幅が閾値Ｂを越えていないか調べていく。そして、閾値Ｂを越えたのち、次に振幅が零点とクロスしたときに、閾値Ｂを越えてから零点とクロスするまでの範囲におけるピークＰ2 を検出し、このピークＰ2 の振幅最大値ＡＭ2 とその時間Ｔj2を記憶しておく。さらに、時間軸の増加方向に振幅が閾値を越えていないか調べていき、越えた場合は、上記の処理を繰り返して行ない、他のピークＰ3 、Ｐ4 …Ｐn 等の振幅最大値ＡＭn とその時間Ｔjn検出する。この処理は、反射波検出部５５で求めた反射波データの最後まで行なう。次に、上記において記憶された振幅最大値ＡＭn （ただし、ＡＭ1 は除く) の中で、最も大きい値を有するピークＰm （ただし、Ｐ1 は除く) を地山からの反射波と特定する。
【００３５】
そして、これまでの検出結果に基づいて、地山からの反射波及びダイレクト波の受信時間を算出する。このとき、特定した反射波の受信時間Ｔj は、ピークＰm を受信したピーク時間Ｔjmとしてもよいし、あるいは、ピーク時間Ｔjm以降で、最初に振幅が零点をクロスした時間Ｔcmとしてもよい。例えば、図８においてはピークＰm はＰ2 であり、このピーク時間Ｔj2以降で最初に振幅が零点をクロスした時間ＴcmはＴc2であるので、反射波の受信時間Ｔj はＴj2又はＴc2とすることができる。同様にして、ダイレクト波の受信時間Ｔd をダイレクト波のピーク時間Ｔd1としてもよいし、あるいは、ピーク時間Ｔd1以降で、最初に振幅が零点をクロスした時間としてもよい。
【００３６】
次に、表示処理部５７は、現在の掘進距離Ｌn における地山及びシールド掘削機６０外周面の位置を表示する指令を表示装置１５に出力する。すなわち、電磁波２２の伝搬速度Ｖとの関係を表す数式「Ｔj ＝Ｙ／Ｖ」に基づいて、地山からの反射波の受信時間Ｔj は地山までの距離Ｙに対応している。また、ダイレクト波の受信時間Ｔd は距離が零の反射対象からの反射波と考えられるので、上記同様にダイレクト波の受信時間Ｔd はシールド掘削機６０外周面の位置に対応することになる。
【００３７】
図９は、各掘進距離Ｌn 毎に計測された地山までの距離及びシールド掘削機６０外周面の位置を表示装置１５に表示した例を示している。同表示において、横軸は掘進距離を表し、縦軸は距離（すなわち、受信波データの受信時間に対応する）を表している。この表示の際、各掘進距離Ｌn 毎に計測された受信波データはこれまで説明したように処理され、この処理データを例えば１６階調の白黒濃淡画像データに変換し、掘進距離軸に直交するライン画像として表示する。このとき、地山の位置及びシールド掘削機の外周面の位置の判別を容易にするために、上記受信時間Ｔj 及び受信時間Ｔd に対応するデータは白黒以外のカラーで表示される。同図において、Ｇは地山のカラー表示であり、Ｋはシールド掘削機の外周面のカラー表示である。このカラー表示によって、地山までの距離表示と合わせて、シールド掘削機６０と地山との間の形状がこの探査画像上に明確に表されるので、地山形状の識別が容易となる。
【００３８】
また、図１０は、このカラー表示の際に地山の形状等の表示を見易くするための方法を示している。すなわち、受信時間Ｔj 及び受信時間Ｔd に対応するデータ部分の１ドットのみのカラー表示では、線が細くなって分かりにくいなる。したがって、受信時間Ｔj 及び受信時間Ｔd に対応するデータの時間軸方向の前後数ドットも同時にカラー表示するようにしている。なお、同図においては時間軸方向の前後１ドットを同時にカラー表示した例を示しているが、これに限定されず、画面のサイズ等との関連で分かり易い表示となるドット数にすることができる。そして、この際に１ラインの受信波データの結果だけでカラー表示するのではなく、それ以前の複数ラインの処理の結果を参照してカラー表示するか否かの判断を行っている。すなわち、それ以前の所定数ラインの受信時間Ｔj に対応するドットが、今回のラインで受信時間Ｔj に対応すると判断されたドットを中心にした所定の時間範囲Ｔ0 内に入っている場合には、地山からの反射波が連続して受信されていると判断する。このときにのみ、受信時間Ｔj に対応すると判断された上記ドットをカラー表示する。この処理によって、単発的に発生するノイズを地山と誤ってカラー表示することを防止している。ここで、単発のノイズとしては、受信波データを通信する際の通信エラー、伝搬媒質（泥水、泥しょう）の不均質部分からの反射波等がある。
【００３９】
ところで、電磁波２２の伝搬速度Ｖは伝搬媒質によって大きく異なるが、本シールド掘削機６０の地山崩壊検知装置では前述したように伝搬媒質が泥水又は泥しょうに限られている。したがって、例えば、泥水型のシールド掘削機の場合は伝搬速度ＶとしてＶ１を、また泥しょう型のシールド掘削機の場合はＶ２を選択できるようにすることにより、地山までの距離を正確に求めることができる。このようにして求めた距離を上記の地山形状及びシールド掘削機６０の外周面位置の線表示と共に探査画像中に表示することにより、さらにオペレータに分かり易い表示となる。
【００４０】
なお、図９の表示画面において、掘進距離が増えて白黒濃淡表示が画面の右端まで行ったときには、白黒濃淡表示、及び地山とダイレクト波（シールド掘削機６０の外周面）のカラー表示を左側に１ライン又は複数ラインだけスクロールする。このとき、左端側の画像は消去するようにする。これにより、右端に画像の表示スペースを作り、白黒濃淡表示及びカラー表示を続けることができる。
また、埋設するセグメントの１リング分の掘進を終了したときには、白黒濃淡画像の縦方向（掘進距離軸に直交する方向）にカラー（受信時間Ｔj や受信時間Ｔd の色と異なる色とした方が好ましい）で１ラインを表示し、リングの切り替わり位置を分かり易くしている。このとき、１リング分の掘進終了の判断は、例えば以下のように行なう。
1)１リングの予定掘進距離の内、例えば９０％以上を掘進した後で、掘進開始指令がオフ（掘進停止）となった時。
2)掘進開始指令がオフとなった後で、推進ジャッキ２９のストローク長がある値以上に短くなった時。
そして、１リング分が終了した時点で、このリングの受信波データ、受信時間Ｔj 、Ｔd をそれぞれ記憶装置１２に保存する。
【００４１】
次に、図１１に基づいて、本実施形態における演算処理装置５０の処理フローチャートを説明する。ここで、各ステップ番号にはＳを付して示している。
Ｓ１において、受信波記憶部５１は掘進開始信号がオンか否かを判定し、オンのときはＳ２に進み、そうでないときはオンするまでＳ１を繰り返す。ここで、この掘進開始信号はシールド掘削機６０の制御装置（図示せず）がカッタヘッド６１を回転させながら掘進しているときに出力するものであり、掘進中はオンのままとする。そして、Ｓ２で、受信波記憶部５１は送受信装置２５から受信波データを入力し、これを記憶装置１２に記憶する。このときの受信波データは、前述のように所定回数のサンプリングを繰り返すことによって一つの受信波形として得られる。次に、受信波記憶部５１は、Ｓ３において掘進距離検出器２７が検出した掘進距離Ｌn を距離測定装置２８を介して入力し、Ｓ４でこの掘進距離Ｌn が前回より所定距離だけ長いか否かを判断する。すなわち、前回の受信波データの処理時に対して所定距離以上掘進したかを判断している。そして、掘進距離Ｌn が前回より所定距離だけ長いときは、Ｓ５に進んでこれ以降の受信波データの処理を行ない、そうでないときは、Ｓ２に戻って処理を繰り返す。
【００４２】
Ｓ５では、ピーク検出部５３は受信波データの１番目のピークＰ1 を検出し、このピークＰ1 の振幅値ＡＭ1 及びピーク時間Ｔd1を算出する。次に、Ｓ６においてダイレクト波較正部５４は、前述の方法によって、ダイレクト波記憶部５２に記憶されている参照波データの各振幅値を上記算出した振幅値ＡＭ1 を基準にして較正する。同時に、ダイレクト波の受信時間Ｔd をピーク時間Ｔd1を基準にして較正する。そして、Ｓ７で、反射波検出部５５は受信波データと上記較正された参照波データとの差分をとることにより、反射波データを求めている。次に、受信時間算出部５６は、Ｓ８でこの反射波データに基づいてピークを検出して反射波を特定すると共に、Ｓ９で反射波の受信時間Ｔj 及びダイレクト波の受信時間Ｔd を算出する。そして、表示処理部５７は、Ｓ１０で受信時間Ｔj に連続性があるか否かを判断し、連続性があるときはＳ１１で受信波データを白黒濃淡表示すると共に、受信時間Ｔj 及び受信時間Ｔd に対応する部分をカラー表示する。さらに、Ｓ１２でこの受信時間の差（＝Ｔj −Ｔd ）により地山までの距離を求めて表示装置１５に表示し、Ｓ１４に進む。なお、上記Ｓ１０において連続性が無いときは、Ｓ１３で受信波データを白黒濃淡のみで表示した後、Ｓ１４に進む。
【００４３】
次に、表示処理部５７は、Ｓ１４で次のライン表示が表示装置１５の画面よりはみ出るか否かを判断し、はみ出るときはＳ１５で画面を左側にスクロールしてＳ１６に進み、そうでないときは直接Ｓ１６に進む。この後、Ｓ１６で掘進開始信号がオンか否かを判断し、オンのときはＳ２に戻ってこれ以降の処理を繰り返し、オフのときはＳ１７でリング切り替わりのカラーライン表示を行った後、Ｓ１に戻って最初の処理から繰り返す。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる地山崩壊検知装置の構成ブロック図である。
【図２】本発明に係わる演算処理装置の機能構成ブロック図である。
【図３】本発明に係わる受信波記憶部の受信波サンプリング方法を示す。
【図４】本発明に係わる受信波サンプリング方法による受信波形の例を示す。
【図５】本発明に係わるピーク検出方法の説明図である。
【図６】本発明に係わる参照波データの較正方法の説明図である。
【図７】本発明に係わる反射波検出方法の説明図である。
【図８】本発明に係わる受信時間の算出方法の説明図である。
【図９】本発明に係わる地山形状の表示例を示す図である。
【図１０】本発明に係わる地山形状等のカラー表示の方法を説明する図である。
【図１１】本実施形態の演算処理装置の処理フローチャート例を示す。
【図１２】従来技術に係わる地山崩壊検知装置の構成ブロック図である。
【図１３】従来技術に係わる地山崩壊検知装置の受信波形の説明図である。
【図１４】受信信号データの白黒濃淡による多階調表示とＢスコープ表示例を表す。
【符号の説明】
６…通信ケーブル、１０…表示部、１１…演算処理装置、１２…記憶装置、１３、１５…表示装置、１４…プリンタ、２０…アンテナ部、２１…アンテナ、２２…電磁波、２３…反射波、２４…送信アンテナ、２５…送受信装置、２６…受信アンテナ、２７…掘進距離検出器、２８…距離測定装置、２９…推進ジャッキ、５０…演算処理装置、５１…受信波記憶部、５２…ダイレクト波記憶部、５３…ピーク検出部、５４…ダイレクト波較正部、５５…反射波検出部、５６…受信時間算出部、５７…表示処理部、６０…シールド掘削機、６１…カッタヘッド。
【発明の属する技術分野】
本発明は、シールド掘削機の地中レーダによる地山崩壊検知装置に関し、特には地山の位置を分かり易く表示する地山崩壊検知装置及びその表示方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シールド掘削機で地中を掘削する際には、掘削機周囲の地山が崩れていないかを検知して安全を確認する必要がある。このために、シールド掘削機においては、地山崩壊検知装置を搭載することが一般的となっている。この地山崩壊検知装置は、掘削機に装着されたレーダから地中に放射した電磁波の地山表面による反射波を受信し、この反射波の受信までの時間を計測することにより地山表面の位置を検知している。そして、地山表面の位置が通常の時よりも掘削機から大きく離れているときに、地山の崩壊と判断させるものである。
【０００３】
このような地山崩壊検知装置として、例えば特開平３−２５９７７１号公報に記載された小型レーダの反射信号処理装置を使用したものがある。図１２及び図１３は、同公報の小型レーダの反射信号処理装置に基づいて構成された地山崩壊検知装置を説明する構成ブロック図及び受信波形の説明図であり、以下同図に従って説明する。
図１２において、従来の反射信号処理装置はシールド掘削機６０のカッタヘッド６１の近傍に設けられた小型レーダのアンテナ部２０と、アンテナ部から入力した受信信号を処理して表示又はプリント出力等を行なう表示部１０とを備えている。表示部１０は通常はシールド掘削機６０から離れた場所、例えば地上等に設置されるので、この小型レーダの反射信号処理装置のアンテナ部２０と表示部１０との間は、各指令信号等の通信のために通信ケーブル６によって接続されている。
【０００４】
アンテナ部２０に備えられたアンテナ２１は、一対の送信アンテナ２４と受信アンテナ２６とで構成されており、シールド掘削機６０の外周面に設けられている。送信アンテナ２４から地山に向かって放射された電磁波２２は地山表面で反射され、この反射波２３が受信アンテナ２６によって受信されるようになっている。送受信装置２５はアンテナ２１による送受信を制御するものであり、パルス的に電磁波２２を送信アンテナ２４から放射させ、そして、受信アンテナ２６によって受信された上記反射波２３を入力して処理し、表示部１０へ通信ケーブル６を介して送信する。また、アンテナ部２０にはシールド掘削機６０の掘進距離Ｌを検出する掘進距離検出器２７が設けられている。この掘進距離検出器２７は、例えば、シールド掘削機６０を掘進方向に押し出すための推進ジャッキ２９のストロークを検出するセンサ等で構成されている。掘進距離検出器２７の検出信号は距離測定装置２８に入力されて処理され、掘進距離データが送受信装置２５及び通信ケーブル６を介して表示部１０へ送信される。
【０００５】
また、表示部１０は演算処理装置１１と記憶装置１２と表示装置１３とプリンタ１４とを備えている。演算処理装置１１はコンピュータで構成されており、反射波２３の受信信号を通信ケーブルを介して入力し、この入力した受信信号データに基づいて所定の処理を行って地山までの距離を算出し、この算出した距離を表示装置１３やプリンタ１４等に出力したり、また記憶装置１２に書き込んだりしている。また、記憶装置１２には、上記受信信号データに基づいて反射波２３の受信時間を算出するための閾値等も記憶されている。
【０００６】
次に、上記構成における作用を説明する。
図１３は、演算処理装置１１が入力した反射波の受信信号のＡスコープ表示を表している。同図において、縦軸は電磁波２２を放射してから反射波２３を受信するまでの受信時間を表し、横軸は受信信号の大きさ、すなわち受信波の強度を表している。通常、受信信号の中には、地山からの反射波２３の他に、送信アンテナ２４から受信アンテナ２６に直接入射されるダイレクト波が雑音信号として含まれている。図１３はそのことを示しており、図１３（１）、（２）はそれぞれダイレクト波、及び地山からの反射波２３を、また図１３（３）は両方の信号が合成されて計測された実際の受信信号を表している。したがって、この受信信号から地山までの距離を算出するには、受信信号から上記ダイレクト波の信号を除去した後の反射波を用いて算出する必要がある。
【０００７】
一般的に上記ダイレクト波が、放射開始直後で、かつ地山からの反射波２３より以前に受信されることはよく知られている。よって、演算処理装置１１は、放射開始後の一定時間は受信信号をマスクし、この間の受信信号の強度を０として入力している。次に、上記一定時間の経過以降の受信信号に対して所定時間毎にＡ／Ｄ変換して入力し、記憶装置１２に予め記憶されている閾値より上記入力データが大きくなったときに受信信号強度のピークを検出する。そして、このピーク値が受信された時間を記憶装置１２に記憶しておく。このピーク値受信時間を地山からの反射波の受信時間とみなしているが、この受信時間と電磁波の伝搬速度とから地山までの距離を算出することができる。これによって、反射波の受信時間を地山までの距離に対応させることが可能となる。なお、上記においては、放射開始後の一定時間だけ受信信号の強度を０として入力し、この一定時間経過以降の受信信号に対してＡ／Ｄ変換して入力しているが、これに限定されずに、例えば、放射開始の最初から受信信号をＡ／Ｄ変換してこれを記憶し、この記憶した受信データに対して、放射開始後の一定時間に対応するデータ部分を０としてマスクする方法でもよい。
【０００８】
また、演算処理装置１１は、距離測定装置２８からの掘進距離データを入力し、シールド掘削機６０が所定距離だけ掘進する毎に、上記のようにして入力した受信信号データを表示装置１３に出力する。図１４は表示装置１３における表示方法の説明図であり、同図の（１）は受信信号データの階調表示を示し、（２）は階調表示によるＢスコープ表示を示している。これで分かるように、受信信号データの振幅（受信波の強度に相当する）は数段階、例えば１６段階に分けられていて、この段階に応じた白黒濃淡による階調表示が行われる。この結果、表示装置１３には、図１４（２）に示すような白黒濃淡によるＢスコープ表示が行われる。同図において、縦軸は図１３の縦軸と同様に反射波２３の受信時間を表し、横軸は上記掘進距離を表している。このＢスコープ表示によって、地山からの反射波の受信時間を示している所には白黒濃淡が強く表示されると共に、掘進距離が更新されるに従って（横軸方向に）その強い濃淡部が連続的に表示される。この強い濃淡部の形状が掘進方向に沿った地山の形状に相当するものであり、よって、オペレータはこの地山の形状から崩壊の有無を判定することが可能となっている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、地山崩壊検知においては、正常な掘削時にはアンテナ２１から地山までの距離が非常に接近している（例えば、２〜４cm）ので、ダイレクト波と地山からの本来の反射波とが近接して受信されることが多い。したがって、この受信信号に基づいてＢスコープ表示を行った場合には、従来の白黒濃淡の表示では地山からの反射波とダイレクト波との区別が困難となり、地山の形状が分かり難くなっている。また、ダイレクト波と地山からの本来の反射波とがお互いを打ち消すように重なって受信される場合もあり、このときは受信信号のピーク値が本来より小さくなってしまい、予め記憶されている閾値よりこのピーク値が小さくなることも多い。このため、この受信信号に基づいてＢスコープ表示を行っても、地山の形状が正確に表示されないことになり、地山崩壊の検知が困難になるという問題が生じている。
【００１０】
また、従来は、前述のようにダイレクト波を除去するために、電磁波放射後の一定時間は受信アンテナ２６からの受信信号をマスクしている。したがって、上記のようにダイレクト波と本来の反射波のピークとが非常に近接して重なり合っている場合には、本来の反射波の信号もマスクされてしまうこともある。よって、マスク時間以降に入力された受信信号に基づいてピークを検出しても、これが本来の反射波のピークとならない可能性がある。この結果、同様に地山の形状が正確に表示されないという問題が生じる。
【００１１】
本発明は、上記の問題点に着目してなされたものであり、地山からの反射波を正確に受信できると共に、地山形状を分かり易く表示できる地山崩壊検知装置及びその表示方法を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、シールド掘削機に設けられたアンテナにより地山に向けて電磁波を放射すると共に、放射した電磁波をアンテナのケースを介して直接受信したダイレクト波と、地山からの反射波とが合成された受信波とを受信する送受信装置と、送受信装置からこの受信波を入力し、受信波に基づいて放射から受信までの時間を算出して地山までの距離を求め、この距離の表示信号を出力する演算処理装置と、この表示信号によって地山の位置を表示する表示装置とを備えた地山崩壊検知装置において、上記演算処理装置は、上記入力した受信波の波形データを記憶する受信波記憶部と、上記ダイレクト波の波形を予め記憶するダイレクト波記憶部と、記憶したダイレクト波形を、その１番目のピークの振幅値が、上記受信波の１番目のピークの振幅値と略一致するように較正すると共に、記憶したダイレクト波形を、その１番目のピークの受信時間が上記受信波の１番目のピークのピーク時間に略一致するように較正するダイレクト波較正部と、上記受信波形と較正したダイレクト波形との差分波形を求める反射波検出部と、上記差分波形が最大振幅を有する受信時間を求める受信時間算出部と、上記受信時間及び使用中の掘削水に対応する電磁波の伝搬速度値に基づいて地山までの距離を演算し、表示装置に出力する表示処理部とを備え、上記表示装置は、上記地山までの距離を、シールド掘削機の進行に合わせてグラフ表示している。
【００１３】
また、請求項２に記載の発明は、シールド掘削機に設けられたアンテナにより地山に向けて電磁波を放射すると共に、放射した電磁波をアンテナのケースを介して直接受信したダイレクト波と、地山からの反射波とが合成された受信波とを受信し、この受信波の受信時間に基づいて地山までの距離を求めてこの距離を表示する地山崩壊検知装置の表示方法において、上記ダイレクト波の波形を予め記憶しておき、記憶したダイレクト波形を、その１番目のピークの振幅値が、上記受信波の１番目のピークの振幅値と略一致するように較正すると共に、記憶したダイレクト波形を、その１番目のピークの受信時間が上記受信波の１番目のピークのピーク時間に略一致するように較正し、上記受信波形と較正したダイレクト波形との差分波形を求め、上記差分波形が最大振幅を有する受信時間及び使用中の掘削水に対応する電磁波の伝搬速度値に基づいて地山までの距離を演算し、上記地山までの距離を、シールド掘削機の進行に合わせてグラフ表示している。
【００１４】
また、ダイレクト波の波形を参照波形として予め記憶しておき、このダイレクト波形と実際に受信した受信波の波形とを比較し、受信波の中のダイレクト波と地山からの反射波とを検出して特定する。この特定した受信ダイレクト波及び反射波の位置（受信時間に相当する）を探査画像中に表示し、オペレータに掘進機外周面及び地山の形状を知らせるようにしてもよい。これにより、ダイレクト波の影響を確実に除去して地山からの反射波を特定することが容易となり、またオペレータは地山の形状を見て地山崩壊の有無を精度良く判別することが可能となる。
【００１５】
また、実際に受信した受信波の１番目のピークＰを検出し、このピーク振幅値と前記記憶したダイレクト波形の１番目のピークの振幅値が等しくなるようにダイレクト波の振幅値を等倍して較正する。また、記憶したダイレクト波形の１番目のピークの受信時間が上記ピークＰのピーク時間Ｔに一致するように、記憶したダイレクト波形の時間軸を較正する。そして、この較正したダイレクト波形を受信ダイレクト波形として上記受信波形から差分をとるようにしてもよい。これによって、受信ダイレクト波及び地山からの反射波を特定することができる。したがって、ダイレクト波の影響を確実に除去して地山からの反射波を特定することが容易となり、またオペレータは地山の形状を見て地山崩壊の有無を精度良く判別することが可能となる。
【００１６】
また、受信波記憶部５１はダイレクト波データを参照波形として予め記憶しておき、またダイレクト波記憶部５２は実際に受信した受信波データを記憶し、ピーク検出部５３はこの受信波データから一番目のピークＰの振幅値を検出する。次に、ダイレクト波較正部５４は、このピーク振幅値と上記記憶したダイレクト波形の１番目のピークの振幅値とが等しくなるようにダイレクト波の振幅値を等倍して較正する。また、記憶したダイレクト波形の１番目のピークの受信時間が上記ピークＰのピーク時間Ｔに一致するように、記憶したダイレクト波形の時間軸を較正する。そして、反射波検出部５５はこの較正したダイレクト波形を受信ダイレクト波形として上記受信波形から差分をとるようにしてもよい。これによって、受信波の中のダイレクト波と地山からの反射波とを検出して特定する。さらに、受信時間算出部５６はこの特定した受信ダイレクト波及び反射波の各受信時間を算出し、表示処理部５７は各受信時間に基づいてこの受信ダイレクト波及び反射波の位置を探査画像中に表示する。これにより、オペレータは掘進機外周面位置及び地山の形状が容易に分かる。したがって、ダイレクト波の影響を確実に除去して地山からの反射波を特定することが容易となり、またオペレータは地山の形状を見て地山崩壊の有無を精度良く判別することが可能となる。
【００１７】
また、前記特定された反射波及びダイレクト波のそれぞれの受信時間を表示する際に、背景部の白黒濃淡表示と比べて識別可能な表示、例えばカラー表示やマーク表示等を行なってもよい。これにより、地山や掘進機外周面の位置が容易に認識できる。したがって、地山形状が簡単に分かり、地山崩壊の有無が精度良く判別可能となる。
【００１８】
また、通常、反射波の振幅は対象物までの距離、すなわち受信時間に応じて減少するので、反射波の受信時間を算出するための反射波信号の閾値を受信時間に応じて減少させてもよい。これによって、精度良く受信時間を算出でき、正確な地山までの距離を検出できる。
【００１９】
また、掘進機が使用している掘削水の種類により掘削水中の伝搬速度値は異なるので、受信時間に基づいて地山までの距離を精度良く算出するには、使用中の掘削水に対応した伝搬速度値に基づいて算出する必要がある。ここでは、使用する掘削水に対応して異なる伝搬速度値を予め記憶しておき、これによって地山までの距離を算出しているので、正確な距離が検出できる。よって、地山崩壊を精度良く検知可能となる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照しながら実施形態を詳述する。
図１に、本発明に係わる地山崩壊検知装置の構成ブロック図を示している。同図において、前述の図１２と同じ構成には同一の符号を付して説明を省き、ここでは、従来の図１２と異なる構成についてのみ説明する。
演算処理装置５０は例えばマイクロコンピュータ等を中心にしたコンピュータシステムで構成されており、送受信装置２５からの受信波信号を通信ケーブル６を介して入力し、所定の処理の後、表示装置１５に地山形状をカラー表示するように表示指令を出力する。表示装置１５は、カラー表示が可能な例えばＣＲＴ装置や液晶表示器等で構成されており、またグラフィック表示及び文字表示が可能になっていて、演算処理装置５０からの表示指令に従って表示する。
【００２５】
図２は本発明に係わる演算処理装置５０の機能構成ブロック図を表しており、以下に同図に基づいて詳細に説明する。
受信波記憶部５１は、入力した受信波信号を時間的にサンプリングしてＡ／Ｄ変換し、この受信波データを記憶装置１２の所定のエリアに記憶する。また、ダイレクト波記憶部５２は、基準となるダイレクト波の受信波データを予め参照データとして記憶しておく。ピーク検出部５３は、受信波記憶部５１が記憶した受信波データの振幅ピーク値及びその位置（受信時間に対応）を検出する。そして、ダイレクト波較正部５４は、ピーク検出部５３が検出した振幅ピーク値及びその位置を基準にして、ダイレクト波記憶部５２のダイレクト波受信波データの大きさ（振幅値）及び位置を較正する。さらに、反射波検出部５５は、受信波記憶部５１の上記受信波データと、ダイレクト波較正部５４によって較正されたダイレクト波受信波データとを比較し、差分をとることにより、地山からの反射波２３を検出して特定する。次に、受信時間算出部５６は、ダイレクト波受信データ及び反射波受信データに基づいて、それぞれダイレクト波受信時間及び反射波受信時間を算出する。そして、表示処理部５７は、この算出されたダイレクト波受信時間及び反射波受信時間に対応する位置をＢスコープでカラー表示させる表示指令を表示装置１５に出力する。
【００２６】
ここで、上記の各機能構成部について詳述する。
受信波記憶部５１は、受信波データの入力処理及び記憶を以下のように行っている。一般的な地中レーダによる地山崩壊検知装置では、反射波２３の振幅ピーク（以後、単にピークと言う）の受信時間によって地山までの距離を算出しているので、このピークを検出することが重要となる。ところが、受信波のピークの位置（時間軸に相当する）が計測される時間幅Ｔは、通常、数nsec〜１００nsec程度と非常に短くなっている。したがって、その間の振幅変化を連続的に計測することは、例えばＡ／Ｄ変換器の処理速度等に制約されて、非常に困難となっている。このため、次のように振幅をサンプリングして一つの受信波データを得ることによって、時間的な問題を回避している。
図３及び図４は、この受信波のサンプリング方法を示している。図３（１）に示すように、送信アンテナ２４から所定時間幅のパルス波を送信してから時間ｔ後に１回のみ、受信波信号の振幅をサンプリングする。そして、次のパルス波が送信された時には、図３（２）、（３）のように、上記時間ｔを所定時間Δｔずつ遅らせてサンプリングすることを繰り返す。このとき、計測時間幅Ｔの間に所定回数、例えば１０００回だけこのようなサンプリングを繰り返すことにより、時間軸方向に１０００個の離散的なデータとして一つの受信波形が得られる。図４は、この結果得られた受信波形の例を表している。
【００２７】
上記各回のパルス波を送信する時間間隔を例えば１μsec と短時間にすれば、仮に１０００回のサンプリングを行って一つの受信波データを得る場合には、全ての受信波データの入力を１msecで終了することができる。通常、このような時間の間にシールド掘削機６０の掘進に伴ってアンテナ２１が移動する距離は殆ど零であると考えられるので、上記受信波データは固定地点での探査データと考えても差し支えない。さらに、演算処理装置５０の演算速度が高速であって、上記の受信波データ入力処理に時間的に余裕があれば、移動距離が零とみなせる時間以内で各サンプリング時間において受信波データをＮ回（Ｎ＞２）入力し、この受信波データのＮ回の平均値を求めることにより、受信時のノイズの影響を除去することも可能である。
【００２８】
入力した受信波データの中には、地山からの本来の反射波２３の他に、種々の雑音波が含まれていて、ダイレクト波もその雑音波の一種である。受信波データから本来の反射波データを得るためには、受信波データの中からダイレクト波データを除去する必要がある。ダイレクト波は、主に、送信アンテナ２４から放射された電磁波２２がアンテナ２１の図示しないケース内を伝搬して受信アンテナ２６によって直接受信された波である。よって、一般的に、上記ケースの構造が決まれば、このダイレクト波の波形は一定となる。そこで、この波形を予め計測して参照波形として記憶しておき、実際の受信波データとこの記憶したダイレクト波データとを比較することによって、反射波データを抽出することを行っている。ダイレクト波記憶部５２は、このためにダイレクト波データを予め記憶しておくものである。
【００２９】
ところで、入力されるダイレクト波の波形は上記のように一定であるが、その振幅は送受信装置２５内の図示しない受信回路における受信感度によって異なる。この受信感度は伝搬媒質（例えば泥水、泥しょう等）の違いによって計測毎に変更されるので、異なる伝搬媒質間では受信波形の振幅は異なって来る。そこで、上記の記憶しているダイレクト波データを読み出す際に、その振幅及び受信時間を受信波データを使って補正しており、この補正は受信波のピーク値及びその位置を基準としている。ピーク検出部５３は、このために受信波データのピークを検出しており、以下のようにしてピーク検出を行なう。
【００３０】
図５はピーク検出の方法を説明する図であり、同図において、縦軸は反射波の受信時間軸を表し、横軸は受信波の振幅（強度）を表す。ここで、何も受信波が入力されていないときの受信レベルを振幅の零点とする。ダイレクト波は入力される受信波の中でも一番目にピークを生じるものであると考えられるので、まず、受信波データの１番目のピークを検出することを考える。そこで、この１番目のピークＰ1 （ダイレクト波）検出のための第一の閾値Ａを予め決めておく。さて、受信波記憶部５１に記憶されている受信波データに対し、計測開始時間から順番に振幅がこの閾値Ａを越えていないかを調べていく。そして、最初に閾値Ａを越えてから、次に振幅がプラス（＋）側からマイナス（−）側に変化する、すなわち振幅が零点とクロスするまでの間の振幅の最大値を１番目のピークＰ1 とする。なお、この１番目のピークＰ1 が計測される時間は、まだ地山からの反射波が計測されない領域である。
【００３１】
次に、ダイレクト波較正部５４は、上記で検出された１番目のピークＰ1 を基準にして、記憶されているダイレクト波データ（以後、これを参照波データと言う）の振幅を較正すると共に、時間軸も調整する。すなわち、図６に示すように、１番目のピークＰ1 が計測された時間をダイレクト波のピーク時間Ｔd1とし、参照波データの１番目のピークの時間がこのピーク時間Ｔd1と一致するように、参照波データを時間軸方向に移動させる。さらに、参照波データの１番目のピークの振幅が受信波データのダイレクト波の１番目のピークＰ1 の振幅値ＡＭ1 と等しくなるように、各参照波データの振幅を同比率で増減する。この較正された参照波データが、以後の受信波処理に使用される。
【００３２】
反射波検出部５５は、受信波データからダイレクト波データを除去して反射波を算出している。図７は、このときの波形を表している。図７（１）の受信波データと、図７（２）のダイレクト波較正部５４で較正された上記参照波データとの差分をとることにより、ダイレクト波の影響の無い、図７（３）で示す本来の反射波データを求めることが可能である。
【００３３】
次に、受信時間算出部５６は、上記で求めた反射波データ及びダイレクト波データ（すなわち、較正された参照波データ）に基づいて、反射波及びダイレクト波の受信時間を算出する。図８はこの算出方法を説明する図であり、上記で求めた反射波データによる波形が示されている。ここで、地山からの反射波を検知するために振幅の第２の閾値Ｂを予め決めておく。なお、この閾値Ｂはプラス側又はマイナス側のいずれか一方に設ければよく、地山からの反射波データの中で最も振幅の大きいピークがある方に設ける。最も振幅の大きいピークがどちら側になるかは、送受信アンテナへの給電の極性、送受信アンテナと送信パルス波の周波数特性、電波伝搬媒質、反射対象の材質や形状などによって決まる。しかし、シールド掘削機における地山崩壊検知装置の場合には、伝搬媒質は泥水又は泥しょうであり、反射対象は土に限られいる。よって、このときの反射波形を予め計測しておけば、閾値Ｂをどちら側に設定すればよいかは決定できる。また、この閾値Ｂは一定値であってもよいし、反射波の減衰を考慮して、図８のように例えば指数関数的に受信時間が遅くなるに従って減少するようにしてもよい。
【００３４】
いま、上記閾値Ｂをプラス側に設定したとする。受信時間算出部５６は、ダイレクト波較正部５４で較正された上記のダイレクト波のピーク時間Ｔd1から、時間の遅くなる方向（時間軸ｔの増加方向）に順番に、反射波データの振幅が閾値Ｂを越えていないか調べていく。そして、閾値Ｂを越えたのち、次に振幅が零点とクロスしたときに、閾値Ｂを越えてから零点とクロスするまでの範囲におけるピークＰ2 を検出し、このピークＰ2 の振幅最大値ＡＭ2 とその時間Ｔj2を記憶しておく。さらに、時間軸の増加方向に振幅が閾値を越えていないか調べていき、越えた場合は、上記の処理を繰り返して行ない、他のピークＰ3 、Ｐ4 …Ｐn 等の振幅最大値ＡＭn とその時間Ｔjn検出する。この処理は、反射波検出部５５で求めた反射波データの最後まで行なう。次に、上記において記憶された振幅最大値ＡＭn （ただし、ＡＭ1 は除く) の中で、最も大きい値を有するピークＰm （ただし、Ｐ1 は除く) を地山からの反射波と特定する。
【００３５】
そして、これまでの検出結果に基づいて、地山からの反射波及びダイレクト波の受信時間を算出する。このとき、特定した反射波の受信時間Ｔj は、ピークＰm を受信したピーク時間Ｔjmとしてもよいし、あるいは、ピーク時間Ｔjm以降で、最初に振幅が零点をクロスした時間Ｔcmとしてもよい。例えば、図８においてはピークＰm はＰ2 であり、このピーク時間Ｔj2以降で最初に振幅が零点をクロスした時間ＴcmはＴc2であるので、反射波の受信時間Ｔj はＴj2又はＴc2とすることができる。同様にして、ダイレクト波の受信時間Ｔd をダイレクト波のピーク時間Ｔd1としてもよいし、あるいは、ピーク時間Ｔd1以降で、最初に振幅が零点をクロスした時間としてもよい。
【００３６】
次に、表示処理部５７は、現在の掘進距離Ｌn における地山及びシールド掘削機６０外周面の位置を表示する指令を表示装置１５に出力する。すなわち、電磁波２２の伝搬速度Ｖとの関係を表す数式「Ｔj ＝Ｙ／Ｖ」に基づいて、地山からの反射波の受信時間Ｔj は地山までの距離Ｙに対応している。また、ダイレクト波の受信時間Ｔd は距離が零の反射対象からの反射波と考えられるので、上記同様にダイレクト波の受信時間Ｔd はシールド掘削機６０外周面の位置に対応することになる。
【００３７】
図９は、各掘進距離Ｌn 毎に計測された地山までの距離及びシールド掘削機６０外周面の位置を表示装置１５に表示した例を示している。同表示において、横軸は掘進距離を表し、縦軸は距離（すなわち、受信波データの受信時間に対応する）を表している。この表示の際、各掘進距離Ｌn 毎に計測された受信波データはこれまで説明したように処理され、この処理データを例えば１６階調の白黒濃淡画像データに変換し、掘進距離軸に直交するライン画像として表示する。このとき、地山の位置及びシールド掘削機の外周面の位置の判別を容易にするために、上記受信時間Ｔj 及び受信時間Ｔd に対応するデータは白黒以外のカラーで表示される。同図において、Ｇは地山のカラー表示であり、Ｋはシールド掘削機の外周面のカラー表示である。このカラー表示によって、地山までの距離表示と合わせて、シールド掘削機６０と地山との間の形状がこの探査画像上に明確に表されるので、地山形状の識別が容易となる。
【００３８】
また、図１０は、このカラー表示の際に地山の形状等の表示を見易くするための方法を示している。すなわち、受信時間Ｔj 及び受信時間Ｔd に対応するデータ部分の１ドットのみのカラー表示では、線が細くなって分かりにくいなる。したがって、受信時間Ｔj 及び受信時間Ｔd に対応するデータの時間軸方向の前後数ドットも同時にカラー表示するようにしている。なお、同図においては時間軸方向の前後１ドットを同時にカラー表示した例を示しているが、これに限定されず、画面のサイズ等との関連で分かり易い表示となるドット数にすることができる。そして、この際に１ラインの受信波データの結果だけでカラー表示するのではなく、それ以前の複数ラインの処理の結果を参照してカラー表示するか否かの判断を行っている。すなわち、それ以前の所定数ラインの受信時間Ｔj に対応するドットが、今回のラインで受信時間Ｔj に対応すると判断されたドットを中心にした所定の時間範囲Ｔ0 内に入っている場合には、地山からの反射波が連続して受信されていると判断する。このときにのみ、受信時間Ｔj に対応すると判断された上記ドットをカラー表示する。この処理によって、単発的に発生するノイズを地山と誤ってカラー表示することを防止している。ここで、単発のノイズとしては、受信波データを通信する際の通信エラー、伝搬媒質（泥水、泥しょう）の不均質部分からの反射波等がある。
【００３９】
ところで、電磁波２２の伝搬速度Ｖは伝搬媒質によって大きく異なるが、本シールド掘削機６０の地山崩壊検知装置では前述したように伝搬媒質が泥水又は泥しょうに限られている。したがって、例えば、泥水型のシールド掘削機の場合は伝搬速度ＶとしてＶ１を、また泥しょう型のシールド掘削機の場合はＶ２を選択できるようにすることにより、地山までの距離を正確に求めることができる。このようにして求めた距離を上記の地山形状及びシールド掘削機６０の外周面位置の線表示と共に探査画像中に表示することにより、さらにオペレータに分かり易い表示となる。
【００４０】
なお、図９の表示画面において、掘進距離が増えて白黒濃淡表示が画面の右端まで行ったときには、白黒濃淡表示、及び地山とダイレクト波（シールド掘削機６０の外周面）のカラー表示を左側に１ライン又は複数ラインだけスクロールする。このとき、左端側の画像は消去するようにする。これにより、右端に画像の表示スペースを作り、白黒濃淡表示及びカラー表示を続けることができる。
また、埋設するセグメントの１リング分の掘進を終了したときには、白黒濃淡画像の縦方向（掘進距離軸に直交する方向）にカラー（受信時間Ｔj や受信時間Ｔd の色と異なる色とした方が好ましい）で１ラインを表示し、リングの切り替わり位置を分かり易くしている。このとき、１リング分の掘進終了の判断は、例えば以下のように行なう。
1)１リングの予定掘進距離の内、例えば９０％以上を掘進した後で、掘進開始指令がオフ（掘進停止）となった時。
2)掘進開始指令がオフとなった後で、推進ジャッキ２９のストローク長がある値以上に短くなった時。
そして、１リング分が終了した時点で、このリングの受信波データ、受信時間Ｔj 、Ｔd をそれぞれ記憶装置１２に保存する。
【００４１】
次に、図１１に基づいて、本実施形態における演算処理装置５０の処理フローチャートを説明する。ここで、各ステップ番号にはＳを付して示している。
Ｓ１において、受信波記憶部５１は掘進開始信号がオンか否かを判定し、オンのときはＳ２に進み、そうでないときはオンするまでＳ１を繰り返す。ここで、この掘進開始信号はシールド掘削機６０の制御装置（図示せず）がカッタヘッド６１を回転させながら掘進しているときに出力するものであり、掘進中はオンのままとする。そして、Ｓ２で、受信波記憶部５１は送受信装置２５から受信波データを入力し、これを記憶装置１２に記憶する。このときの受信波データは、前述のように所定回数のサンプリングを繰り返すことによって一つの受信波形として得られる。次に、受信波記憶部５１は、Ｓ３において掘進距離検出器２７が検出した掘進距離Ｌn を距離測定装置２８を介して入力し、Ｓ４でこの掘進距離Ｌn が前回より所定距離だけ長いか否かを判断する。すなわち、前回の受信波データの処理時に対して所定距離以上掘進したかを判断している。そして、掘進距離Ｌn が前回より所定距離だけ長いときは、Ｓ５に進んでこれ以降の受信波データの処理を行ない、そうでないときは、Ｓ２に戻って処理を繰り返す。
【００４２】
Ｓ５では、ピーク検出部５３は受信波データの１番目のピークＰ1 を検出し、このピークＰ1 の振幅値ＡＭ1 及びピーク時間Ｔd1を算出する。次に、Ｓ６においてダイレクト波較正部５４は、前述の方法によって、ダイレクト波記憶部５２に記憶されている参照波データの各振幅値を上記算出した振幅値ＡＭ1 を基準にして較正する。同時に、ダイレクト波の受信時間Ｔd をピーク時間Ｔd1を基準にして較正する。そして、Ｓ７で、反射波検出部５５は受信波データと上記較正された参照波データとの差分をとることにより、反射波データを求めている。次に、受信時間算出部５６は、Ｓ８でこの反射波データに基づいてピークを検出して反射波を特定すると共に、Ｓ９で反射波の受信時間Ｔj 及びダイレクト波の受信時間Ｔd を算出する。そして、表示処理部５７は、Ｓ１０で受信時間Ｔj に連続性があるか否かを判断し、連続性があるときはＳ１１で受信波データを白黒濃淡表示すると共に、受信時間Ｔj 及び受信時間Ｔd に対応する部分をカラー表示する。さらに、Ｓ１２でこの受信時間の差（＝Ｔj −Ｔd ）により地山までの距離を求めて表示装置１５に表示し、Ｓ１４に進む。なお、上記Ｓ１０において連続性が無いときは、Ｓ１３で受信波データを白黒濃淡のみで表示した後、Ｓ１４に進む。
【００４３】
次に、表示処理部５７は、Ｓ１４で次のライン表示が表示装置１５の画面よりはみ出るか否かを判断し、はみ出るときはＳ１５で画面を左側にスクロールしてＳ１６に進み、そうでないときは直接Ｓ１６に進む。この後、Ｓ１６で掘進開始信号がオンか否かを判断し、オンのときはＳ２に戻ってこれ以降の処理を繰り返し、オフのときはＳ１７でリング切り替わりのカラーライン表示を行った後、Ｓ１に戻って最初の処理から繰り返す。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる地山崩壊検知装置の構成ブロック図である。
【図２】本発明に係わる演算処理装置の機能構成ブロック図である。
【図３】本発明に係わる受信波記憶部の受信波サンプリング方法を示す。
【図４】本発明に係わる受信波サンプリング方法による受信波形の例を示す。
【図５】本発明に係わるピーク検出方法の説明図である。
【図６】本発明に係わる参照波データの較正方法の説明図である。
【図７】本発明に係わる反射波検出方法の説明図である。
【図８】本発明に係わる受信時間の算出方法の説明図である。
【図９】本発明に係わる地山形状の表示例を示す図である。
【図１０】本発明に係わる地山形状等のカラー表示の方法を説明する図である。
【図１１】本実施形態の演算処理装置の処理フローチャート例を示す。
【図１２】従来技術に係わる地山崩壊検知装置の構成ブロック図である。
【図１３】従来技術に係わる地山崩壊検知装置の受信波形の説明図である。
【図１４】受信信号データの白黒濃淡による多階調表示とＢスコープ表示例を表す。
【符号の説明】
６…通信ケーブル、１０…表示部、１１…演算処理装置、１２…記憶装置、１３、１５…表示装置、１４…プリンタ、２０…アンテナ部、２１…アンテナ、２２…電磁波、２３…反射波、２４…送信アンテナ、２５…送受信装置、２６…受信アンテナ、２７…掘進距離検出器、２８…距離測定装置、２９…推進ジャッキ、５０…演算処理装置、５１…受信波記憶部、５２…ダイレクト波記憶部、５３…ピーク検出部、５４…ダイレクト波較正部、５５…反射波検出部、５６…受信時間算出部、５７…表示処理部、６０…シールド掘削機、６１…カッタヘッド。
Claims (2)
- シールド掘削機(60)に設けられたアンテナ(21)により地山に向けて電磁波(22)を放射すると共に、放射した電磁波(22)をアンテナ(21)のケースを介して直接受信したダイレクト波と、地山からの反射波(23)とが合成された受信波とを受信する送受信装置(25)と、
送受信装置(25)からこの受信波を入力し、受信波に基づいて放射から受信までの時間を算出して地山までの距離を求め、この距離の表示信号を出力する演算処理装置(11)と、
この表示信号によって地山の位置を表示する表示装置(15)とを備えた地山崩壊検知装置において、
上記演算処理装置(11)は、
上記入力した受信波の波形データを記憶する受信波記憶部(51)と、
上記ダイレクト波の波形を予め記憶するダイレクト波記憶部(51)と、
記憶したダイレクト波形を、その１番目のピークの振幅値が、上記受信波の１番目のピークの振幅値と略一致するように較正すると共に、記憶したダイレクト波形を、その１番目のピークの受信時間が上記受信波の１番目のピークのピーク時間に略一致するように較正するダイレクト波較正部 (54) と、
上記受信波形と較正したダイレクト波形との差分波形を求める反射波検出部 (55) と、
上記差分波形が最大振幅を有する受信時間を求める受信時間算出部 (56) と、
上記受信時間及び使用中の掘削水に対応する電磁波の伝搬速度値に基づいて地山までの距離を演算し、表示装置 (15) に出力する表示処理部 (57) とを備え、
上記表示装置 (15) は、上記地山までの距離を、シールド掘削機 (60) の進行に合わせてグラフ表示することを特徴とする地山崩壊検知装置の表示装置。 - シールド掘削機(60)に設けられたアンテナ(21)により地山に向けて電磁波(22)を放射すると共に、
放射した電磁波(22)をアンテナ(21)のケースを介して直接受信したダイレクト波と、地山からの反射波(23)とが合成された受信波とを受信し、
この受信波の受信時間に基づいて地山までの距離を求めてこの距離を表示する地山崩壊検知装置の表示方法において、
上記ダイレクト波の波形を予め記憶しておき、
記憶したダイレクト波形を、その１番目のピークの振幅値が、上記受信波の１番目のピークの振幅値と略一致するように較正すると共に、
記憶したダイレクト波形を、その１番目のピークの受信時間が上記受信波の１番目のピークのピーク時間に略一致するように較正し、
上記受信波形と較正したダイレクト波形との差分波形を求め、
上記差分波形が最大振幅を有する受信時間及び使用中の掘削水に対応する電磁波の伝搬速度値に基づいて地山までの距離を演算し、
上記地山までの距離を、シールド掘削機 (60) の進行に合わせてグラフ表示することを特徴とする地山崩壊検知装置の表示方法。
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