JP3726022B2 - 非開削ドリリング工法用地中レーダ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非開削ドリリング工法に利用される地中レーダ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近、送配電線の地中埋設化の要請に応じて、電線収容のためのトンネルを地中に形成するための経済的な工法が必要になっている。従来、地上からの開削を行うことなく、地中に小径のトンネルを形成する安価な工法として非開削ドリリング工法が開発されてきた。
【０００３】
この非開削ドリリング工法によれば、ロッドと称される可撓性の長尺体の先端に直径５０〜６０ｍｍ程度の小径の掘削機が取付けられる。この掘削機の先端には掘削刃が斜めに取付けられている。そして地上に設置した回転・推進機構から回転力と推進力とをロッドを介して先端の掘削機に与えることにより、掘削機の先端に取付けられた掘削刃によって土砂の掘削が行われ、地中に小径のトンネルが形成される。掘削の進行に合わせてロッドの継ぎ足しが行われ、トンネルが前方に延長されてゆく。
【０００４】
上記工法によるトンネルは、通常、地表に対してほぼ水平に形成される。この小径のトンネルが完成すると、継ぎ足されたロッドの最先端に、掘削機に代わってバックリーマが取付けられる。そして、ロッドが後退せしめられながらバックリーマによる小径のトンネルの拡幅が行われ、最終的な直径のトンネルが形成される。この際問題になるのは、掘削機による小径のトンネルの形成時には障害にならなかったが、バックリーマによる拡幅時に障害になる障害物、例えば、ガス管や水道管などの地中埋設物などが存在するおそれがあることである。
【０００５】
バックリーマによる拡幅時に障害物の存在が発見されると、掘削機による小径のトンネルの形成から作業をやり直さなければならず、時間的にも労力的にも損失が大きい。そこで、掘削機による小径のトンネルの形成時に、掘削機の先端側に地中レーダ装置を取付けて障害物を検出し、この障害物からバックリーマによる拡幅に必要な所定距離だけ小径のトンネルを遠ざけるように掘削機の進路を変更するという対策が講じられている。
【０００６】
このような地中レーダ装置は、掘削刃の裏側に取付けられる場合（特開平８−２７８３７１号公報）や、掘削機の先端側の外周面に沿って複数のアンテナ素子が形成される場合（特開２０００−１４７１３７号公報）などがある。後者の場合、複数のアンテナ素子の指向性を合成することにより無指向性にした合成アンテナの形成も行われる。これらの地中レーダ装置で得られた受信信号は、掘削機からロッド内を通す（特開平２０００−２０４８８３号公報）か、あるいは、地中の無線伝送路を通して、地上に設置されている信号処理・画像表示装置まで転送される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の地中レーダ装置のうち、その受信信号をロッド内を通して地上の信号処理・表示装置まで転送するものは、着脱自在に結合される隣接ロッド間に地中レーダ装置の受信信号のための広帯域な伝送路を形成しなければならず、ロッドの製造費用がかさむという問題がある。また、地中レーダ装置の受信信号を地中の無線伝送路を通して地上の装置まで転送するものは、地中を伝播する電波の減衰が高周波ほど増大することから、高速の信号伝送が困難になり、受信信号の信号の処理と表示が毎秒数十ｃｍの掘進速度に追随できなくなるという問題がある。
【０００８】
従って、本発明の一つの目的は、ロッドの製造費用を過大にすることなく、しかも、信号の処理と表示が掘削機の掘進速度に追随できる非開削ドリリング工法用地中レーダ装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記従来技術の課題を解決する本発明に係わる非開削ドリリング工法用地中レーダ装置は、地中を回転しながらこの回転軸の方向に移動せしめられる地中掘削機の先端側の外周面に沿って複数のアンテナ素子が配置され、各アンテナ素子の特性が合成されることにより回転軸のまわりに無指向特性の合成アンテナが形成される非開削ドリリング工法の地中レーダ装置である。
【００１０】
そして、本第１の発明の地中レーダ装置は、上記合成アンテナの受信信号をＢスコープ表示したと想定した場合のＢスコープ表示画面において、その深度距離がアンテナ移動距離の所定長以上にわたって概ね単調に増加又は減少してゆき、かつ、前記深度距離の前記アンテナ移動距離に対する変化量が所定値以上であるときは、０の受信信号に反射物体からの反射波が含まれると推定し、その旨の通知信号を地上装置に送信する推定・通知手段を備える。これにより、広帯域の受信信号ではなく、推定・通知機能の追加によって大幅に圧縮された情報を地上の装置に送信するように構成されている。
【００１１】
本第２の発明の地中レーダ装置は、上記合成アンテナの受信信号をＢスコープ表示したと想定した場合の仮想的なＢスコープ表示画面において、その深度距離がアンテナ移動距離の所定長以上にわたって概ね単調に減少したのち増加してゆき、かつ、上記深度距離の上記アンテナ移動距離に対する変化量が所定値以上であるときは、この受信信号に反射物体からの反射波が含まれると推定し、その旨の通知信号を地上装置に送信する推定・通知手段を備えることにより、推定・通知機能の追加に基づき大幅に圧縮された情報を地上の装置に送信するように構成されている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の地中レーダ装置の好適な実施の形態によれば、上記推定を、上記仮想的なＢスコープ表示画面上の画素の配列状況に基づいて自動的に行うことにより、推定の確度を高めるように構成されている。
【００１３】
前記通知信号は、地中を無線により前記地上装置に送信されることを特徴とする非開削ドリリング工法用地中レーダ装置。
【００１４】
前記受信信号の受信は時間軸を拡大しながら行われることを特徴とする非開削ドリリング工法用地中レーダ装置。
【００１５】
【実施例】
図２は、本発明の一実施例の非開削ドリリング工法用地中レーダ装置を構成するアンテナの構成を掘削機との関係と共に示す図であり、（Ａ）は円筒形状の掘削機の構体を一部を除去して示す側面図、（Ｂ）は掘削機の軸に直交する面で切断して示す横断面図である。
【００１６】
円筒形状の掘削機Ｐに、地上に設置した動力装置から図示しないロッドを介して回転力と推進力とが伝達される。これによって掘削機Ｐが回転しながら前方に推進されると、その先端部分に固定された金属製の掘削刃ＢＬによって前方の土砂が削り取られ後方にトンネルが形成される。
【００１７】
掘削機Ｐの内部に、４個の送受信アンテナＡＴ１〜ＡＴ４が掘削機Ｐの円周方向に９０°の角度間隔を保って設置されている。各送受信アンテナは、掘削機Ｐの軸線方向にそって配置された送信専用のアンテナと受信専用のアンテナとから構成されている。４個の送受信アンテナＡＴ１〜ＡＴ４のそれぞれは、前方にのみパルス信号を送信し、前方の反射物体で生じた反射波のみを受信するという指向性を有する。掘削中は、４個の送受信アンテナＡＴ１〜ＡＴ４から同時にパルス信号を送信し、それぞれで受信した反射波を合成することにより、これらの送受信アンテナが仮想的な単一の無指向性の送受信アンテナＡＴとして機能せしめられる。
【００１８】
図３は、上記実施例の非開削ドリリング工法用地中レーダ装置の主要部の構成を示す機能ブロック図であり、１は送信トリガ発生回路、２は送信回路、３は送信アンテナ選択部、ＡＴＴ１〜ＡＴＴ４は送受信アンテナＡＴ１〜ＡＴ４を構成する送信専用アンテナ、ＡＴＲ１〜ＡＴＲ４は送受信アンテナＡＴ１〜ＡＴ４を構成する受信専用アンテナ、４は受信アンテナ選択部、５は受信回路、６はＡ／Ｄ変換回路、７は制御・データ処理部、８は送受信回路、ＡＴ０は送受信アンテナである。
【００１９】
制御・データ処理部７は、後述する地上からの指令に従って、送信アンテナ選択部３と受信アンテナ選択部４とに制御信号を送出することにより、この地中レーダ装置のアンテナ部分を仮想的な単一の無指向性の送受信アンテナとして機能させたり、複数個の指向性アンテナの群として機能させたりする。
【００２０】
通常の掘進作業中は、４個の送受信アンテナＡＴ１〜ＡＴ４は、仮想的な無指向性の送受信アンテナとして機能せしめられる。すなわち、送信アンテナ選択部３は、制御・データ処理部７の指令に基づき、送受信アンテナＡＴ１〜ＡＴ４を構成する送信専用アンテナＡＴＴ１〜ＡＴＴ４の全てを選択し、それぞれに送信回路２で発生された送信パルス信号を供給する。これにより、４個の送受信アンテナＡＴ１〜ＡＴ４から地中に一斉に送信パルス信号が出力される。同時に、受信アンテナ選択部４は、４個の送受信アンテナＡＴ１〜ＡＴ４の受信専用アンテナＡＴＲ１〜ＡＴＲ４の全てを受信回路５に接続する。この結果、送受信アンテナＡＴ１〜ＡＴ４の受信信号が受信回路５において合成される。
【００２１】
上記仮想的な単一の無指向性の送受信アンテナによって障害物が検出された場合には、一旦掘削機が後退せしめられ、後述する地上からの指令に従って、指向性の送受信アンテナＡＴ１〜ＡＴ４の中から適宜な一つが選択されたのち、掘削機を低速で前進せしめながら選択された一つの指向性の送受信アンテナを用いて障害物の探索が行われる。
【００２２】
図４は、仮想的な単一の無指向性の送受信アンテナＡＴの受信信号波形の一例を示している。上段の矩形状のパルス信号は、送信トリガ発生回路１で発生される一定周期の送信トリガ信号Ｔである。この送信トリガ信号Ｔに同期して送受回路２で送信パルス信号が発生され、無指向性の送受信アンテナＡＴからパルス状の信号が地中に送信される。この送信時点からある時間τだけ遅延して、受信信号Ｒが送受信アンテナＡＴに受信される。この受信信号Ｒは、前述したように、実際には４個の送受信アンテナＡＴ１〜ＡＴ４の受信専用アンテナの受信信号が合成されたものである。
【００２３】
上記送信トリガ信号Ｔから受信信号Ｒの出現時点までの遅延時間τは、送受信アンテナＡＴから地中に送信された電波が反射物体まで伝播し、反射波となって逆の経路をたどってこの送受信アンテナＡＴに受信されるまでの所要時間、すなわち、送信された電波が送受信アンテナＡＴと反射物体との間を往復するのに要した地中の伝播所要時間である。従って、この遅延時間τを電波の地中の伝播速度で除算し、１／２にすることにより、送受信アンテナＡＴから反射物体までの距離が算定される。
【００２４】
図４の受信信号を、その振幅を縦軸にし、経過時間を横軸にしてブラウン管に表示したものがＡスコープ表示画面である。これに対して、図４の受信信号Ｒの振幅を輝度信号に変換すると共に、時間軸を縦軸にし、アンテナの移動距離を横軸にしてブラウン管に表示したものがＢスコープ表示画面である。このＢスコープ表示は、図５に示すように、船舶が一定速度で移動しながら一定周期で超音波の信号を水底に向けて放射し、その反射波を含む受信信号をブラウン管上に表示してゆくのに適している。
【００２５】
すなわち、図５の例では、図６に示すように、水中の状況を良く反映する表示画面が得られるからである。このＢスコープ表示画面においては、縦軸は下向きに設定され、水面から測定した深度距離と称される。本実施例の非開削ドリリング工法用地中レーダ装置においては、反射物体の探知に上述したＢスコープ表示画面の概念が利用されている。
【００２６】
図７は、掘削機Ｐに取付けられた仮想的な単一の無指向性アンテナＡＴが、掘削の進行と共に図中の矢印の方向に、土中を前進していく場合を示している。通常、トンネルは地表にほぼ平行に形成されるため、仮想的な無指向性アンテナＡＴの進行経路も地表にほぼ平行となる。図７では、無指向性アンテナＡＴの進行経路の上方に、この進行経路を横切るように、ガス管や水道管などの埋設物Ｘが存在する場合を例示している。
【００２７】
この場合、無指向性アンテナＡＴの位置が図示のようにａ、ｂ、ｃ・・・と変化してゆくにつれて、無指向性アンテナＡＴと埋設物Ｘとの距離がＬａ，Ｌｂ，Ｌｃ・・・という具合に変化してゆく。これに伴い、受信信号に含まれる反射波の遅延時間τが減少してゆき、距離Ｌｃを最小値として再び増大に転じる。
【００２８】
図７に例示した地中の埋設物Ｘと無指向性アンテナの位置の変化の状況をＢスコープ表示画面にするものとすれば、図１に示すような仮想的なＢスコープ表示画面が得られる。図１に例示するような埋設物Ｘで発生した反射波の最初のピークの部分をアンテナの移動方向に連ねたものが像Ｕとして出現し、やや遅れて出現する次のピークの部分をアンテナの移動方向に連ねたものが画像Ｖとして出現する。あたかも、埋設物Ｘの真下において深度距離が最短であり、この点から前後に遠ざかるにつれて、深度距離が増大するかのように表示される。
【００２９】
図４の波形図において、送信トリガ信号Ｔの周期を約50ｎsec とすれば、探知可能な最遠地点は片道の伝播時間の上限値25ｎsec に対して、地中における電波の伝播速度を乗算した値となる。地中における電波の伝播速度は、真空中の伝播速度 3×108 m/sec を地中の土砂の比誘電率εs の平方根で除算した値となる。地中の土砂の比誘導率は、土砂の含水率の増加につれて増大し、10乃至100 程度の範囲にわたって変化する。この結果、探知可能な最遠距離は、土砂の含水率に応じて2.5 ｍから0.75ｍ程度の値となる。
【００３０】
パルス信号の地中への送信と反射信号の受信は、時間軸を拡大しながら行われる。この時間軸の拡大は、送信トリガ信号Ｔに同期して送信回路２から送信信号を一定周期で送信すると共に、受信回路５において、上記一定の送信タイミングに対して一定の微小量だけタイミングを累積的に遅延させながら受信信号をサンプリングしてゆくことによって行われる。この実施例では、時間軸の拡大倍率を104 に設定することにより、1 個のデータを得るために約５ｍsec かけて104 回のパルス信号の送信と受信とが反復される。このような時間軸の拡大による測定精度の改善については、必要に応じて、本出願人の先願に係わる特公平７−６９４２７号公報などを参照されたい。
【００３１】
Ａ／Ｄ変換回路５からは時間軸が１万倍に拡大され、ディジタル化された受信信号が出力される。この受信信号は、電波の往復に要する50ｎsec の時間軸上に等間隔で配列される500 個乃至1000個のサンプリング点から成っている。この受信信号に基づく図１のＢスコープ表示画面において、４ｍのアンテナ移動距離ごとに200 本のラインが横軸上に配列される。１ラインが２ｃｍの移動距離に対応する。
【００３２】
制御・データ処理部７は、Ａ／Ｄ変換回路６から受けた受信信号の各サンプリング点のレベルが所定値以上であれば“１”、所定値未満であれば“０”を割り当てることによって、受信信号を２値化する。この結果、図１の仮想的なＢスコープ表示画面は、図８に例示するような画素の配列に変換される。制御・データ処理部７は、図８に例示するような仮想的なＢスコープ表示画面上における斜め下方への画素の連結性を追跡してゆく。
【００３３】
この斜め下方への画素の連結性の追跡は、まず、右側のラインから最隣接の左側のラインについて行われる。この斜め下方への画素の連結性が検出されると、更に左側の最隣接ラインへと斜め下方への画素の連結性の検出が次々に継続される。このような隣接画素どうしの連結性の検出は、パターン認識などの画像処理の技術分野で利用される適宜な方法に従って行われる。このようにして、右上端の画素ａから斜め左下端の画素ｓまでの連結性が検出される。
【００３４】
制御・データ処理部７は、ライン方向への画素の連結個数からアンテナ移動距離方向への連続受信距離Δｄを算定し、この算定した連続受信距離が所定値以上であるか否かを判定する。Δｄが所定値以上であれば、次に、サンプリング点方向への画素の連結個数から深度方向への連続距離Δｚを算定し、これが所定値以上であるか否かを算定する。制御・データ処理部７は、算定した連続距離Δｚが所定値以上であれば、反射物体による反射波の存在を検出したと判定する。
【００３５】
仮想的な無指向性の送受信アンテナＡＴは、掘削機の回転軸の回りには無指向性を有するが、掘削機の進行方向、すなわち送受信アンテナＡＴの移動方向には指向性を有する。このため、図７の例において、送受信アンテナＡＴが埋設物体Ｘからある程度離れると、受信感度が雑音レベル以下となり受信不能となる。送受信アンテナＡＴの移動方向に対する指向性を前方と後方にそれぞれ４５°ずつと仮定し、図７の例で、送受信アンテナの位置ｅから見た埋設物Ｘの方向がちょうど後方45°であったとする。この場合、Le＝√２Lcとなる。
【００３６】
図８の画素ａと画素ｓとが、それぞれ図７の送受信アンテナＡＴの位置ｃとｅとで得られた反射波とすれば、画素ａとｓの深度距離の差ΔＺは、
ΔZ ＝Le−Lc＝（√２−１）Lc≒0.41Lc
となり、これから次式を得る。
ΔZ/Lc≒0.41
【００３７】
このように、送受信アンテナＡＴの移動方向への指向性を考慮し、この例では画素ｓの深度距離が画素ａの深度距離の√２になるように、ΔZ の値が設定される。Δｚの値が所定値未満の場合は、地表面や、掘削機の移動方向に延長される既知の地中埋設物からの反射波と推定され、通知は行われない。また、Δｄの値は適宜な値、例えば、Δｄ＝αLc（αは比例定数）という具合に設定される。
【００３８】
制御・データ処理部７は、反射物体を検出すると、送受信回路８と送受信アンテナＡＴ０とを介してその旨を通知する信号を地中に送信する。この地中に送信される通知信号はＦＭ信号であり、地中を伝播したのち地上に設置されている受信機に受信される。受信機に受信された通知信号は、復調され、ブザーによる警報音を発生させたり、画面表示されたりする。
【００３９】
この通知信号を受けた掘削機の操作者は、掘削機を一旦後退させたのち、送受信アンテナＡＴ１〜ＡＴ４の一つのみを選択する指令を地上の送受信機から送受信アンテナＡＴ０と送受信回路８とを介して制御・データ処理部７に送信する。この指令を受けた制御・データ処理部７は、指向性の送受信アンテナＡＴ１〜ＡＴ４の中から適宜な一つを選択する。この後、掘削機を低速で前進せしめながら選択された一つの指向性の送受信アンテナを用いて障害物の探索が行われる。
【００４０】
選択された送受信アンテナで受信された受信信号（Ａスコープ信号）は、Ａ／Ｄ変換回路６、制御・データ処理部７および送受信回路８を経て送受信アンテナＡＴ０から地中に送信され、地上の送受信機に受信される。この、指向性アンテナを用いた探索動作においては、掘削機、従って選択された一つの指向性アンテナが低速で前進せしめられることにより、地中の低速のデータ転送によってＡスコープ信号が掘削機の回転角度信号と共に地上の送受信装置に送信される。これを受信した地上の送受信装置では、Ａスコープ信号と掘削機の回転角度信号とを処理することにより地上の表示装置にＢスコープ表示を行う。操作者はこのＢスコープ表示を観察することにより障害物の位置を確認する。
【００４１】
以上、図７の場合において送受信アンテナが反射物体から離れていく場合を想定することにより、深度距離が所定値以上のアンテナの移動距離にわたって単調に増加してゆき、この増分が所定値以上であることをもって反射物体の存在を検出する構成を例示した。これとは逆に、図７の場合において送受信アンテナが反射物体に接近して行く場合を想定することにより、深度距離が所定値以上のアンテナの移動距離にわたって単調に減少してゆき、この減少分が所定値以上であることから反射物体の存在を検出する構成とすることもできる。この場合、地中掘削機を一旦後退させることなく、アンテナ素子の一つを選択し低速度で掘削機を前進させることにより反射物体の位置を検出する構成とすることができる。
【００４２】
あるいは、上記両者を組合せ、送受信アンテナが反射物体に接近し、以後離れていく場合を想定することにより、深度距離が所定値以上のアンテナの移動距離にわたって単調に増加したのち単調に減少してゆき、この増分や減少分が所定値以上であることをもって反射物体の存在を検出する構成とすることもできる。
【００４３】
また、仮想的なＢスコープ表示画面上における画素の配列の状況に基づき反射物体の存在を判定する構成を例示した。しかしながら、このような仮想的なＢスコープ表示画面の概念を利用することなく、単に受信信号中から検出した立ち上がり時点の遅延量がアンテナの移動方向に変化する様子から反射物体の存在を推定する構成を採用することもできる。
【００４４】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の非開削ドリリング工法用地中レーダ装置は、合成アンテナの受信信号をＢスコープ表示したと想定した場合の仮想的なＢスコープ表示画面において、その深度距離がアンテナ移動距離の所定長以上にわたって概ね単調に増加又は減少してゆき、かつ、前記深度距離の前記アンテナ移動距離に対する変化量が所定値以上であるときは、この受信信号に反射物体からの反射波が含まれると推定し、その旨の通知信号を地上装置に送信する推定・通知手段を備えているので、広帯域の受信信号ではなく、推定・通知機能の追加によって大幅に圧縮された情報を地上の装置に送信データきるという効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例の非開削ドリリング工法用地中レーダ装置の受信信号から作成される仮想的なＢスコープ表示画面の一部を例示する概念図である。
【図２】 上記実施例の地中レーダ装置のアンテナ部分の構成を掘削機と共に示す部分破開図（Ａ）と横断面図（Ｂ）である。
【図３】 上記実施例の地中レーダ装置の構成を示す機能ブロック図である。
【図４】 上記地中レーダ装置の送受信アンテナが受信する受信信号の波形を例示する図である。
【図５】 上記実施例で仮想的に利用されるＢスコープ表示に適した水中探査の様子を例示する概念図である。
【図６】 上記水中探査の結果Ｂスコープ表示画面を例示する概念図である。
【図７】 上記実施例の地中レーダ装置による地中埋設物の探索の様子を例示する概念図である。
【図８】 上記実施例の地中レーダ装置の量子化受信信号から作成される仮想的なＢスコープ表示画面の一部を例示する概念図である。
【符号の説明】
U,V 反射物体の像
P 地中掘削機
BL 掘削刃
AT0 送受信アンテナ
AT1 〜AT4 指向性の送受信アンテナ
ATT1〜ATT4 指向性の送受信アンテナの送信専用アンテナ
ATR1〜ATR4 指向性の送受信アンテナの受信専用アンテナ
１ 送信トリガ発生回路
２ 送信回路
５ 受信回路
７ 制御・データ処理部
【発明の属する技術分野】
本発明は、非開削ドリリング工法に利用される地中レーダ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近、送配電線の地中埋設化の要請に応じて、電線収容のためのトンネルを地中に形成するための経済的な工法が必要になっている。従来、地上からの開削を行うことなく、地中に小径のトンネルを形成する安価な工法として非開削ドリリング工法が開発されてきた。
【０００３】
この非開削ドリリング工法によれば、ロッドと称される可撓性の長尺体の先端に直径５０〜６０ｍｍ程度の小径の掘削機が取付けられる。この掘削機の先端には掘削刃が斜めに取付けられている。そして地上に設置した回転・推進機構から回転力と推進力とをロッドを介して先端の掘削機に与えることにより、掘削機の先端に取付けられた掘削刃によって土砂の掘削が行われ、地中に小径のトンネルが形成される。掘削の進行に合わせてロッドの継ぎ足しが行われ、トンネルが前方に延長されてゆく。
【０００４】
上記工法によるトンネルは、通常、地表に対してほぼ水平に形成される。この小径のトンネルが完成すると、継ぎ足されたロッドの最先端に、掘削機に代わってバックリーマが取付けられる。そして、ロッドが後退せしめられながらバックリーマによる小径のトンネルの拡幅が行われ、最終的な直径のトンネルが形成される。この際問題になるのは、掘削機による小径のトンネルの形成時には障害にならなかったが、バックリーマによる拡幅時に障害になる障害物、例えば、ガス管や水道管などの地中埋設物などが存在するおそれがあることである。
【０００５】
バックリーマによる拡幅時に障害物の存在が発見されると、掘削機による小径のトンネルの形成から作業をやり直さなければならず、時間的にも労力的にも損失が大きい。そこで、掘削機による小径のトンネルの形成時に、掘削機の先端側に地中レーダ装置を取付けて障害物を検出し、この障害物からバックリーマによる拡幅に必要な所定距離だけ小径のトンネルを遠ざけるように掘削機の進路を変更するという対策が講じられている。
【０００６】
このような地中レーダ装置は、掘削刃の裏側に取付けられる場合（特開平８−２７８３７１号公報）や、掘削機の先端側の外周面に沿って複数のアンテナ素子が形成される場合（特開２０００−１４７１３７号公報）などがある。後者の場合、複数のアンテナ素子の指向性を合成することにより無指向性にした合成アンテナの形成も行われる。これらの地中レーダ装置で得られた受信信号は、掘削機からロッド内を通す（特開平２０００−２０４８８３号公報）か、あるいは、地中の無線伝送路を通して、地上に設置されている信号処理・画像表示装置まで転送される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の地中レーダ装置のうち、その受信信号をロッド内を通して地上の信号処理・表示装置まで転送するものは、着脱自在に結合される隣接ロッド間に地中レーダ装置の受信信号のための広帯域な伝送路を形成しなければならず、ロッドの製造費用がかさむという問題がある。また、地中レーダ装置の受信信号を地中の無線伝送路を通して地上の装置まで転送するものは、地中を伝播する電波の減衰が高周波ほど増大することから、高速の信号伝送が困難になり、受信信号の信号の処理と表示が毎秒数十ｃｍの掘進速度に追随できなくなるという問題がある。
【０００８】
従って、本発明の一つの目的は、ロッドの製造費用を過大にすることなく、しかも、信号の処理と表示が掘削機の掘進速度に追随できる非開削ドリリング工法用地中レーダ装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記従来技術の課題を解決する本発明に係わる非開削ドリリング工法用地中レーダ装置は、地中を回転しながらこの回転軸の方向に移動せしめられる地中掘削機の先端側の外周面に沿って複数のアンテナ素子が配置され、各アンテナ素子の特性が合成されることにより回転軸のまわりに無指向特性の合成アンテナが形成される非開削ドリリング工法の地中レーダ装置である。
【００１０】
そして、本第１の発明の地中レーダ装置は、上記合成アンテナの受信信号をＢスコープ表示したと想定した場合のＢスコープ表示画面において、その深度距離がアンテナ移動距離の所定長以上にわたって概ね単調に増加又は減少してゆき、かつ、前記深度距離の前記アンテナ移動距離に対する変化量が所定値以上であるときは、０の受信信号に反射物体からの反射波が含まれると推定し、その旨の通知信号を地上装置に送信する推定・通知手段を備える。これにより、広帯域の受信信号ではなく、推定・通知機能の追加によって大幅に圧縮された情報を地上の装置に送信するように構成されている。
【００１１】
本第２の発明の地中レーダ装置は、上記合成アンテナの受信信号をＢスコープ表示したと想定した場合の仮想的なＢスコープ表示画面において、その深度距離がアンテナ移動距離の所定長以上にわたって概ね単調に減少したのち増加してゆき、かつ、上記深度距離の上記アンテナ移動距離に対する変化量が所定値以上であるときは、この受信信号に反射物体からの反射波が含まれると推定し、その旨の通知信号を地上装置に送信する推定・通知手段を備えることにより、推定・通知機能の追加に基づき大幅に圧縮された情報を地上の装置に送信するように構成されている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の地中レーダ装置の好適な実施の形態によれば、上記推定を、上記仮想的なＢスコープ表示画面上の画素の配列状況に基づいて自動的に行うことにより、推定の確度を高めるように構成されている。
【００１３】
前記通知信号は、地中を無線により前記地上装置に送信されることを特徴とする非開削ドリリング工法用地中レーダ装置。
【００１４】
前記受信信号の受信は時間軸を拡大しながら行われることを特徴とする非開削ドリリング工法用地中レーダ装置。
【００１５】
【実施例】
図２は、本発明の一実施例の非開削ドリリング工法用地中レーダ装置を構成するアンテナの構成を掘削機との関係と共に示す図であり、（Ａ）は円筒形状の掘削機の構体を一部を除去して示す側面図、（Ｂ）は掘削機の軸に直交する面で切断して示す横断面図である。
【００１６】
円筒形状の掘削機Ｐに、地上に設置した動力装置から図示しないロッドを介して回転力と推進力とが伝達される。これによって掘削機Ｐが回転しながら前方に推進されると、その先端部分に固定された金属製の掘削刃ＢＬによって前方の土砂が削り取られ後方にトンネルが形成される。
【００１７】
掘削機Ｐの内部に、４個の送受信アンテナＡＴ１〜ＡＴ４が掘削機Ｐの円周方向に９０°の角度間隔を保って設置されている。各送受信アンテナは、掘削機Ｐの軸線方向にそって配置された送信専用のアンテナと受信専用のアンテナとから構成されている。４個の送受信アンテナＡＴ１〜ＡＴ４のそれぞれは、前方にのみパルス信号を送信し、前方の反射物体で生じた反射波のみを受信するという指向性を有する。掘削中は、４個の送受信アンテナＡＴ１〜ＡＴ４から同時にパルス信号を送信し、それぞれで受信した反射波を合成することにより、これらの送受信アンテナが仮想的な単一の無指向性の送受信アンテナＡＴとして機能せしめられる。
【００１８】
図３は、上記実施例の非開削ドリリング工法用地中レーダ装置の主要部の構成を示す機能ブロック図であり、１は送信トリガ発生回路、２は送信回路、３は送信アンテナ選択部、ＡＴＴ１〜ＡＴＴ４は送受信アンテナＡＴ１〜ＡＴ４を構成する送信専用アンテナ、ＡＴＲ１〜ＡＴＲ４は送受信アンテナＡＴ１〜ＡＴ４を構成する受信専用アンテナ、４は受信アンテナ選択部、５は受信回路、６はＡ／Ｄ変換回路、７は制御・データ処理部、８は送受信回路、ＡＴ０は送受信アンテナである。
【００１９】
制御・データ処理部７は、後述する地上からの指令に従って、送信アンテナ選択部３と受信アンテナ選択部４とに制御信号を送出することにより、この地中レーダ装置のアンテナ部分を仮想的な単一の無指向性の送受信アンテナとして機能させたり、複数個の指向性アンテナの群として機能させたりする。
【００２０】
通常の掘進作業中は、４個の送受信アンテナＡＴ１〜ＡＴ４は、仮想的な無指向性の送受信アンテナとして機能せしめられる。すなわち、送信アンテナ選択部３は、制御・データ処理部７の指令に基づき、送受信アンテナＡＴ１〜ＡＴ４を構成する送信専用アンテナＡＴＴ１〜ＡＴＴ４の全てを選択し、それぞれに送信回路２で発生された送信パルス信号を供給する。これにより、４個の送受信アンテナＡＴ１〜ＡＴ４から地中に一斉に送信パルス信号が出力される。同時に、受信アンテナ選択部４は、４個の送受信アンテナＡＴ１〜ＡＴ４の受信専用アンテナＡＴＲ１〜ＡＴＲ４の全てを受信回路５に接続する。この結果、送受信アンテナＡＴ１〜ＡＴ４の受信信号が受信回路５において合成される。
【００２１】
上記仮想的な単一の無指向性の送受信アンテナによって障害物が検出された場合には、一旦掘削機が後退せしめられ、後述する地上からの指令に従って、指向性の送受信アンテナＡＴ１〜ＡＴ４の中から適宜な一つが選択されたのち、掘削機を低速で前進せしめながら選択された一つの指向性の送受信アンテナを用いて障害物の探索が行われる。
【００２２】
図４は、仮想的な単一の無指向性の送受信アンテナＡＴの受信信号波形の一例を示している。上段の矩形状のパルス信号は、送信トリガ発生回路１で発生される一定周期の送信トリガ信号Ｔである。この送信トリガ信号Ｔに同期して送受回路２で送信パルス信号が発生され、無指向性の送受信アンテナＡＴからパルス状の信号が地中に送信される。この送信時点からある時間τだけ遅延して、受信信号Ｒが送受信アンテナＡＴに受信される。この受信信号Ｒは、前述したように、実際には４個の送受信アンテナＡＴ１〜ＡＴ４の受信専用アンテナの受信信号が合成されたものである。
【００２３】
上記送信トリガ信号Ｔから受信信号Ｒの出現時点までの遅延時間τは、送受信アンテナＡＴから地中に送信された電波が反射物体まで伝播し、反射波となって逆の経路をたどってこの送受信アンテナＡＴに受信されるまでの所要時間、すなわち、送信された電波が送受信アンテナＡＴと反射物体との間を往復するのに要した地中の伝播所要時間である。従って、この遅延時間τを電波の地中の伝播速度で除算し、１／２にすることにより、送受信アンテナＡＴから反射物体までの距離が算定される。
【００２４】
図４の受信信号を、その振幅を縦軸にし、経過時間を横軸にしてブラウン管に表示したものがＡスコープ表示画面である。これに対して、図４の受信信号Ｒの振幅を輝度信号に変換すると共に、時間軸を縦軸にし、アンテナの移動距離を横軸にしてブラウン管に表示したものがＢスコープ表示画面である。このＢスコープ表示は、図５に示すように、船舶が一定速度で移動しながら一定周期で超音波の信号を水底に向けて放射し、その反射波を含む受信信号をブラウン管上に表示してゆくのに適している。
【００２５】
すなわち、図５の例では、図６に示すように、水中の状況を良く反映する表示画面が得られるからである。このＢスコープ表示画面においては、縦軸は下向きに設定され、水面から測定した深度距離と称される。本実施例の非開削ドリリング工法用地中レーダ装置においては、反射物体の探知に上述したＢスコープ表示画面の概念が利用されている。
【００２６】
図７は、掘削機Ｐに取付けられた仮想的な単一の無指向性アンテナＡＴが、掘削の進行と共に図中の矢印の方向に、土中を前進していく場合を示している。通常、トンネルは地表にほぼ平行に形成されるため、仮想的な無指向性アンテナＡＴの進行経路も地表にほぼ平行となる。図７では、無指向性アンテナＡＴの進行経路の上方に、この進行経路を横切るように、ガス管や水道管などの埋設物Ｘが存在する場合を例示している。
【００２７】
この場合、無指向性アンテナＡＴの位置が図示のようにａ、ｂ、ｃ・・・と変化してゆくにつれて、無指向性アンテナＡＴと埋設物Ｘとの距離がＬａ，Ｌｂ，Ｌｃ・・・という具合に変化してゆく。これに伴い、受信信号に含まれる反射波の遅延時間τが減少してゆき、距離Ｌｃを最小値として再び増大に転じる。
【００２８】
図７に例示した地中の埋設物Ｘと無指向性アンテナの位置の変化の状況をＢスコープ表示画面にするものとすれば、図１に示すような仮想的なＢスコープ表示画面が得られる。図１に例示するような埋設物Ｘで発生した反射波の最初のピークの部分をアンテナの移動方向に連ねたものが像Ｕとして出現し、やや遅れて出現する次のピークの部分をアンテナの移動方向に連ねたものが画像Ｖとして出現する。あたかも、埋設物Ｘの真下において深度距離が最短であり、この点から前後に遠ざかるにつれて、深度距離が増大するかのように表示される。
【００２９】
図４の波形図において、送信トリガ信号Ｔの周期を約50ｎsec とすれば、探知可能な最遠地点は片道の伝播時間の上限値25ｎsec に対して、地中における電波の伝播速度を乗算した値となる。地中における電波の伝播速度は、真空中の伝播速度 3×108 m/sec を地中の土砂の比誘電率εs の平方根で除算した値となる。地中の土砂の比誘導率は、土砂の含水率の増加につれて増大し、10乃至100 程度の範囲にわたって変化する。この結果、探知可能な最遠距離は、土砂の含水率に応じて2.5 ｍから0.75ｍ程度の値となる。
【００３０】
パルス信号の地中への送信と反射信号の受信は、時間軸を拡大しながら行われる。この時間軸の拡大は、送信トリガ信号Ｔに同期して送信回路２から送信信号を一定周期で送信すると共に、受信回路５において、上記一定の送信タイミングに対して一定の微小量だけタイミングを累積的に遅延させながら受信信号をサンプリングしてゆくことによって行われる。この実施例では、時間軸の拡大倍率を104 に設定することにより、1 個のデータを得るために約５ｍsec かけて104 回のパルス信号の送信と受信とが反復される。このような時間軸の拡大による測定精度の改善については、必要に応じて、本出願人の先願に係わる特公平７−６９４２７号公報などを参照されたい。
【００３１】
Ａ／Ｄ変換回路５からは時間軸が１万倍に拡大され、ディジタル化された受信信号が出力される。この受信信号は、電波の往復に要する50ｎsec の時間軸上に等間隔で配列される500 個乃至1000個のサンプリング点から成っている。この受信信号に基づく図１のＢスコープ表示画面において、４ｍのアンテナ移動距離ごとに200 本のラインが横軸上に配列される。１ラインが２ｃｍの移動距離に対応する。
【００３２】
制御・データ処理部７は、Ａ／Ｄ変換回路６から受けた受信信号の各サンプリング点のレベルが所定値以上であれば“１”、所定値未満であれば“０”を割り当てることによって、受信信号を２値化する。この結果、図１の仮想的なＢスコープ表示画面は、図８に例示するような画素の配列に変換される。制御・データ処理部７は、図８に例示するような仮想的なＢスコープ表示画面上における斜め下方への画素の連結性を追跡してゆく。
【００３３】
この斜め下方への画素の連結性の追跡は、まず、右側のラインから最隣接の左側のラインについて行われる。この斜め下方への画素の連結性が検出されると、更に左側の最隣接ラインへと斜め下方への画素の連結性の検出が次々に継続される。このような隣接画素どうしの連結性の検出は、パターン認識などの画像処理の技術分野で利用される適宜な方法に従って行われる。このようにして、右上端の画素ａから斜め左下端の画素ｓまでの連結性が検出される。
【００３４】
制御・データ処理部７は、ライン方向への画素の連結個数からアンテナ移動距離方向への連続受信距離Δｄを算定し、この算定した連続受信距離が所定値以上であるか否かを判定する。Δｄが所定値以上であれば、次に、サンプリング点方向への画素の連結個数から深度方向への連続距離Δｚを算定し、これが所定値以上であるか否かを算定する。制御・データ処理部７は、算定した連続距離Δｚが所定値以上であれば、反射物体による反射波の存在を検出したと判定する。
【００３５】
仮想的な無指向性の送受信アンテナＡＴは、掘削機の回転軸の回りには無指向性を有するが、掘削機の進行方向、すなわち送受信アンテナＡＴの移動方向には指向性を有する。このため、図７の例において、送受信アンテナＡＴが埋設物体Ｘからある程度離れると、受信感度が雑音レベル以下となり受信不能となる。送受信アンテナＡＴの移動方向に対する指向性を前方と後方にそれぞれ４５°ずつと仮定し、図７の例で、送受信アンテナの位置ｅから見た埋設物Ｘの方向がちょうど後方45°であったとする。この場合、Le＝√２Lcとなる。
【００３６】
図８の画素ａと画素ｓとが、それぞれ図７の送受信アンテナＡＴの位置ｃとｅとで得られた反射波とすれば、画素ａとｓの深度距離の差ΔＺは、
ΔZ ＝Le−Lc＝（√２−１）Lc≒0.41Lc
となり、これから次式を得る。
ΔZ/Lc≒0.41
【００３７】
このように、送受信アンテナＡＴの移動方向への指向性を考慮し、この例では画素ｓの深度距離が画素ａの深度距離の√２になるように、ΔZ の値が設定される。Δｚの値が所定値未満の場合は、地表面や、掘削機の移動方向に延長される既知の地中埋設物からの反射波と推定され、通知は行われない。また、Δｄの値は適宜な値、例えば、Δｄ＝αLc（αは比例定数）という具合に設定される。
【００３８】
制御・データ処理部７は、反射物体を検出すると、送受信回路８と送受信アンテナＡＴ０とを介してその旨を通知する信号を地中に送信する。この地中に送信される通知信号はＦＭ信号であり、地中を伝播したのち地上に設置されている受信機に受信される。受信機に受信された通知信号は、復調され、ブザーによる警報音を発生させたり、画面表示されたりする。
【００３９】
この通知信号を受けた掘削機の操作者は、掘削機を一旦後退させたのち、送受信アンテナＡＴ１〜ＡＴ４の一つのみを選択する指令を地上の送受信機から送受信アンテナＡＴ０と送受信回路８とを介して制御・データ処理部７に送信する。この指令を受けた制御・データ処理部７は、指向性の送受信アンテナＡＴ１〜ＡＴ４の中から適宜な一つを選択する。この後、掘削機を低速で前進せしめながら選択された一つの指向性の送受信アンテナを用いて障害物の探索が行われる。
【００４０】
選択された送受信アンテナで受信された受信信号（Ａスコープ信号）は、Ａ／Ｄ変換回路６、制御・データ処理部７および送受信回路８を経て送受信アンテナＡＴ０から地中に送信され、地上の送受信機に受信される。この、指向性アンテナを用いた探索動作においては、掘削機、従って選択された一つの指向性アンテナが低速で前進せしめられることにより、地中の低速のデータ転送によってＡスコープ信号が掘削機の回転角度信号と共に地上の送受信装置に送信される。これを受信した地上の送受信装置では、Ａスコープ信号と掘削機の回転角度信号とを処理することにより地上の表示装置にＢスコープ表示を行う。操作者はこのＢスコープ表示を観察することにより障害物の位置を確認する。
【００４１】
以上、図７の場合において送受信アンテナが反射物体から離れていく場合を想定することにより、深度距離が所定値以上のアンテナの移動距離にわたって単調に増加してゆき、この増分が所定値以上であることをもって反射物体の存在を検出する構成を例示した。これとは逆に、図７の場合において送受信アンテナが反射物体に接近して行く場合を想定することにより、深度距離が所定値以上のアンテナの移動距離にわたって単調に減少してゆき、この減少分が所定値以上であることから反射物体の存在を検出する構成とすることもできる。この場合、地中掘削機を一旦後退させることなく、アンテナ素子の一つを選択し低速度で掘削機を前進させることにより反射物体の位置を検出する構成とすることができる。
【００４２】
あるいは、上記両者を組合せ、送受信アンテナが反射物体に接近し、以後離れていく場合を想定することにより、深度距離が所定値以上のアンテナの移動距離にわたって単調に増加したのち単調に減少してゆき、この増分や減少分が所定値以上であることをもって反射物体の存在を検出する構成とすることもできる。
【００４３】
また、仮想的なＢスコープ表示画面上における画素の配列の状況に基づき反射物体の存在を判定する構成を例示した。しかしながら、このような仮想的なＢスコープ表示画面の概念を利用することなく、単に受信信号中から検出した立ち上がり時点の遅延量がアンテナの移動方向に変化する様子から反射物体の存在を推定する構成を採用することもできる。
【００４４】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の非開削ドリリング工法用地中レーダ装置は、合成アンテナの受信信号をＢスコープ表示したと想定した場合の仮想的なＢスコープ表示画面において、その深度距離がアンテナ移動距離の所定長以上にわたって概ね単調に増加又は減少してゆき、かつ、前記深度距離の前記アンテナ移動距離に対する変化量が所定値以上であるときは、この受信信号に反射物体からの反射波が含まれると推定し、その旨の通知信号を地上装置に送信する推定・通知手段を備えているので、広帯域の受信信号ではなく、推定・通知機能の追加によって大幅に圧縮された情報を地上の装置に送信データきるという効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例の非開削ドリリング工法用地中レーダ装置の受信信号から作成される仮想的なＢスコープ表示画面の一部を例示する概念図である。
【図２】 上記実施例の地中レーダ装置のアンテナ部分の構成を掘削機と共に示す部分破開図（Ａ）と横断面図（Ｂ）である。
【図３】 上記実施例の地中レーダ装置の構成を示す機能ブロック図である。
【図４】 上記地中レーダ装置の送受信アンテナが受信する受信信号の波形を例示する図である。
【図５】 上記実施例で仮想的に利用されるＢスコープ表示に適した水中探査の様子を例示する概念図である。
【図６】 上記水中探査の結果Ｂスコープ表示画面を例示する概念図である。
【図７】 上記実施例の地中レーダ装置による地中埋設物の探索の様子を例示する概念図である。
【図８】 上記実施例の地中レーダ装置の量子化受信信号から作成される仮想的なＢスコープ表示画面の一部を例示する概念図である。
【符号の説明】
U,V 反射物体の像
P 地中掘削機
BL 掘削刃
AT0 送受信アンテナ
AT1 〜AT4 指向性の送受信アンテナ
ATT1〜ATT4 指向性の送受信アンテナの送信専用アンテナ
ATR1〜ATR4 指向性の送受信アンテナの受信専用アンテナ
１ 送信トリガ発生回路
２ 送信回路
５ 受信回路
７ 制御・データ処理部
Claims (5)
- 地中を回転しながらこの回転軸の方向に移動せしめられる地中掘削機の先端側の外周面に沿って複数のアンテナ素子が配置され、各アンテナ素子の特性が合成されることにより前記回転軸のまわりに無指向特性の合成アンテナが形成される非開削ドリリング工法の地中レーダ装置において、
前記合成アンテナの受信信号をＢスコープ表示したと想定した場合の仮想的なＢスコープ表示画面において、その深度距離がアンテナ移動距離の所定長以上にわたって概ね単調に増加又は減少してゆき、かつ、前記深度距離の前記アンテナ移動距離に対する変化量が所定値以上であるときは、この受信信号に反射物体からの反射波が含まれると推定し、その旨の通知信号を地上装置に送信する推定・通知手段を備えたことを特徴とする非開削ドリリング工法用地中レーダ装置。 - 地中を回転しながらこの回転軸の方向に移動せしめられる地中掘削機の先端側の外周面に沿って複数のアンテナ素子が配置され、各アンテナ素子の特性が合成されることにより前記回転軸のまわりに無指向特性の合成アンテナが形成される非開削ドリリング工法の地中レーダ装置において、
前記合成アンテナの受信信号をＢスコープ表示したと想定した場合の仮想的なＢスコープ表示画面において、その深度距離がアンテナ移動距離の所定長以上にわたって概ね単調に減少したのち増加してゆき、かつ、前記深度距離の前記アンテナ移動距離に対する変化量が所定値以上であるときは、この受信信号に反射物体からの反射波が含まれると推定し、その旨の通知信号を地上装置に送信する推定・通知手段を備えたことを特徴とする非開削ドリリング工法用地中レーダ装置。 - 請求項１又は２のいずれかにおいて、
前記推定は、前記仮想的なＢスコープ表示画面上の画素の配列状況に基づいて自動的に行われることを特徴とする非開削ドリリング工法用地中レーダ装置。 - 請求項１乃至３のそれぞれにおいて、
前記通知信号は、地中を無線により前記地上装置に送信されることを特徴とする非開削ドリリング工法用地中レーダ装置。 - 請求項１乃至４のいずれかにおいて、
前記受信信号の受信は時間軸を拡大しながら行われることを特徴とする非開削ドリリング工法用地中レーダ装置。
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