JP4022352B2 - 複合型埋設物探査装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、金属探知センサと埋設物探査レーダセンサを複合的に備え、地中埋設物を地上から探査する複合型埋設物探査装置に係るものであって、特に人間が支持して移動しながら地雷探知を行う場合の複合型地雷探知器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
埋設物探査装置として、金属探知センサと埋設物探査レーダセンサが用いられている。金属探知センサは磁気的方式によるものが主流で、磁気を発受信するコイルを有している。一方埋設物探査レーダセンサは電磁波を発受信するアンテナを有している。金属探知センサは比較的深度の浅い部分の探査に適しており、一方埋設物探査レーダは比較的深度の深い部分の探査に適していることから、これらを複合的に用いる複合型埋設物探査装置が提案されている。
【０００３】
複合型埋設物探査装置としては、金属探知センサと埋設物レーダセンサを、同一平面上で相互の外周が抵触しないように並べて配置する並べ置き型と、両者の配設された平面が所定の間隔をとった上で平行になるように配置する縦置き型が考えられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記並べ置き型や縦置き型では、多くのスペースを必要とするため、特に人間が装置全体を支持して移動しながら地雷探知を行う場合の複合型地雷探知器にあっては運用が不便である。また２つのセンサの計測基準点がずれているため、計測結果に変換処理を施さない限り探査結果の統一に問題を生じる不都合がある。さらに一方のセンサから発振される磁気または電磁波が、他方のセンサに与える相互影響を無視できない。
【０００５】
本発明は、コンパクトで扱いやすく、探査結果の統一のための処理が不要で、しかも一方のセンサが他方のセンサに与える相互影響を取り除くことのできる複合型埋設物探査装置の提供を目的としている。
【０００６】
【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、本発明にかかる複合型埋設物探査装置は、埋設物探知レーダセンサのアンテナを金属探知センサの探知コイルと同一平面上であって当該探知コイルの中心側に配設した構成とした。また前記埋設物探知レーダセンサのアンテナは、その計測基準点が前記金属探知センサの探知コイルの計測基準点と一致するように配設することが望ましい。
【０００７】
さらに前記埋設物探知レーダセンサのアンテナは、その金属板エレメント部分に貫通するスリットを有する構成とした。また前記埋設物探知レーダセンサのアンテナは、それぞれ異なった偏波面を有するアンテナエレメントを複数個組み合わせてなる構成とした。
【０００８】
【作用】
上記構成によれば、同一平面上において埋設物探査レーダセンサのアンテナ全体が金属探知センサの探知コイルの内周に含まれることになり、装置がコンパクトになる。また従来の並べ置き型や縦置き型に比べて計測基準点のずれは小さくなり、計測基準点を一致させるための計測結果の変換処理はわずかで済むことになる。さらに構造上金属探知センサと埋設物探査レーダセンサの計測基準点を一致させれば、両方の計測結果に何ら変換処理を施すことなく、探査結果を統一することができる。
【０００９】
また、埋設物探査レーダセンサの金属板エレメント部分に貫通するスリットを設けることにより、金属探知センサの探知コイルによって有効に形成せらるべき磁束が、埋設物探査レーダセンサのアンテナによって妨げられるのを極力防止することができる。さらに、それぞれ異なった偏波面を有するアンテナエレメントを複数個組み合わせてなる埋設物探査レーダセンサ用アンテナは、偏波切換回路等を用いて使用するアンテナエレメントを順次切り替えることにより、偏波方向が刻々と変化する。このようにして順次選択されるアンテナエレメントから得られる計測結果につき信号処理器等を用いて散乱行列要素を求めれば、方向性のある物と、方向性のない物とを区別して検出することができる。埋設物探査レーダセンサのアンテナを金属探知センサの探知コイルの中心側に配置したことにより、アンテナにとって探知コイルは方向性のないものとなり、レーダセンサへの影響を極めて小さくするとともに、方向性のある埋設物と区別して検出できることになる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明に係る複合型埋設物探査装置の実施の形態を、人間が支持して移動しながら地雷探知を行う複合型地雷探知器に本発明を適用した場合につき、添付図面に従って詳細に説明する。図１はコイルおよびアンテナ部分の平面図、図２は全体図である。
【００１１】
図１では金属探知センサの探知コイル１０としてリング形状のコイルを用いている。人間が支持して移動しながら地雷探知を行う場合の地雷探知器に用いられることから、コイル１０の直径はあまり大型化せずφ２００〜２５０ｍｍが望ましい。コイル１０は周方向に電流が流れるように導電線を重ね巻きした上、その両端部が電源に接続できるように形成する。金属探知センサには、コイル１０以外に、電源、増幅器、計測結果の表示または記録装置などが必要である。
【００１２】
埋設物探査レーダセンサのアンテナ２０は、電磁波を送受信できる物を用いる必要がある。アンテナの形状は、第一に人間が装置全体を支持して移動しながら地雷探知を行う場合の地雷探知器に用いられること、第二にコイルの内周に全体を納める必要があること、第三に探知しようとする深さに対応した周波数を発生させる必要があることなどを総合的に考慮して決定する必要がある。図１に示した実施形態では埋設物探査レーダセンサのアンテナ２０として３素子型レーダセンサ用のアンテナであって、ボウタイアンテナを用いている。なお、埋設物探査レーダセンサには、アンテナ２０以外に電源、送波回路、受波回路、信号処理器、計測結果の表示または記録装置などが必要である。
【００１３】
埋設物探査レーダセンサのアンテナ２０は、金属探知センサの探知コイル１０と同一平面上に配置される。すなわち、アンテナ２０の計測基準点２０ａとコイル１０の計測基準点１０ａは地面と垂直方向に一致するように配置している。もっとも、完全に同一平面上になくても、アンテナ２０の計測基準点２０ａとコイル１０の計測基準点１０ａの地面と垂直方向のずれが、計測基準点を一致させるための処理を要しない程度であればよい。ここでいうアンテナ２０の計測基準点２０ａとは、アンテナから埋設物までの距離を計測する場合にアンテナ側の基準になる点のことである。一方コイル１０の計測基準点１０ａとはコイル中心である。
【００１４】
また、埋設物探査レーダセンサのアンテナ２０は、金属探知センサの探知コイル１０の中心側に配置される。すなわち、アンテナ２０の外周全体がコイル１０の内周に含まれるように配置する。なおアンテナ２０はコイル１０に固定部材１２によって接合されている。
【００１５】
さらに図１において、金属探知センサのコイル１０の計測基準点１０ａと埋設物探査レーダセンサのアンテナ２０の計測基準点２０ａは、平面的にももちろん完全に一致しなくても、計測基準点を一致させるための信号処理を要しない程度であれば多少のずれは許容される。
【００１６】
埋設物探査レーダセンサのアンテナ２０を構成する金属板エレメント２８には、複数のスリット３０が形成される。図１では三角形のエレメント２８の対向する頂点の近傍から、底辺に向かって末広がりとなるように、各エレメントにつき３つの貫通するスリットを設けた例を示している。スリットの形状はこれに限られず、アンテナの性能とコイルの磁束の確保のバランスを考慮した上で決定することができる。
【００１７】
図１の金属探知センサのコイル１０と埋設物探査レーダセンサのアンテナ２０のユニット４０は、図２において棒形状の本体２の下端に、その面が地面と平行になるようにして接合されている。人間による支持と移動が容易となるように、本体２は軽量でかつ単純な形状とするのが望ましい。人間は本体２の上端部を支持して、移動しながら地雷探知を行う。埋設物探査レーダセンサのアンテナ２０が、金属探知センサのコイル１０と同一平面上であってコイル１０の中心側に配設される構成をとっているため、装置全体がコンパクトになり操作性のよい地雷探知器が提供できる。
【００１８】
上記の如く構成した実施の形態に係る複合型地雷探知器１による地雷探知は、次のようにして行う。電源から金属探知センサのコイル１０に電流が供給されると、コイル１０が磁界を発生させる。これにより地中に埋設されている地雷の金属部分に誘導電流が発生し、この誘導電流によりその金属部分が磁界を発生させる。コイル１０はこの誘導電流により発生する磁界を感知して、増幅器を通して表示または記録を行い、地雷の有無を探知する。また電源から埋設物探査レーダセンサに電流が供給されると、アンテナ２０が電磁波を発生させる。地雷がこの電磁波を反射するのでアンテナ２０は反射波を感知し、信号処理をした後表示または記録を行い、地雷の位置を特定する。金属探知センサは地表から地下２０ｃｍ程度までの浅い領域の探知に適している。一方埋設物探査レーダセンサは地下１０ｃｍから１００ｃｍ程度までの領域の探査に適している。両センサを複合的に用いることにより、地表より地下１００ｃｍ程度までに埋設されている地雷を確実に発見することができる。
【００１９】
金属探知センサと埋設物探査レーダセンサは、相互に一方の影響を他方が受けるのを防止するため交互に探査を行う。もっともパルス発生器等を用いることにより２つのセンサの探査切換時間間隔は非常に短く設定され、装置全体の移動速度に比べて無視できる程度であることから、近似的に２つのセンサが同じ地点を探査していると評価することができる。加えて金属探知センサのコイル１０の計測基準点１０ａと埋設物探査レーダセンサのアンテナ２０の計測基準点２０ａが一致するように配置されているため、計測基準点を一致させるために計測結果に処理を施すことなく探査結果を統一的に利用することができる。
【００２０】
図３は図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。電源からコイル１０に電流が供給されると、コイル１０の断面の周囲を回るように磁束１４が発生する。しかしコイル１０の内周側には埋設物探査レーダセンサのアンテナ２０が配設されているため、磁束はアンテナ２０によって一部分断され、またアンテナの金属部分には誘導電流が発生し、コイル１０はこの誘導電流により生じる磁界を感知してしまうことになる。そこでアンテナ２０の金属板エレメント２８に複数の貫通するスリット３０を設けることにより、金属探知のための有効な磁束を発生させ、アンテナから生ずる磁界を極力低減させることができる。なお、磁束の有効な発生のためには磁気コイル内の貫通部分の面積をを極力大きくすることが必要であり、できるだけ直径の大きいコイルを用いたり、アンテナを小型化することが有効である。また、磁束密度の小さいコイルの中央部分にアンテナを配置することにより、磁束の有効な発生に対する悪影響を最小限におさえることができる。
【００２１】
なお、コイルの形状はリング形状に限らず任意の形状とすることができる。また埋設物探査レーダセンサのアンテナとしては、図４に示す一般のパルスレーダのアンテナ９０の他、図５に示す渦巻型アンテナ８０等を用いても、装置全体がコンパクト化できなおかつ探査結果を統一的に利用できる効果が得られる。さらに一般のパルスレーダのアンテナ９０を構成する金属板９２に貫通するスリット９４を設けた場合も、有効な磁束を発生させアンテナから生ずる磁界を極力低減させる効果が得られる。
【００２２】
次に、図１に示す３素子型レーダセンサ用のアンテナ２０の構成を説明する。アンテナ２０において、２２，２４，２６は三角形状の金属板２８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アンテナである。それぞれのアンテナは金属板２８の頂点が対向する方向に矢印３２，３４，３６で示す偏波面を有し、アンテナ外の点２０ａを中心としてその偏波面を１２０度ずつずらせた状態で配置されている。
【００２３】
図６には３素子型レーダ装置のシステムを示している。４４は偏波切換用パルスを発生し全体の制御を行うレーダコントローラ、４６は電磁波を送信する送波回路、４７は地中からの反射波を復調する受波回路、４８はアンテナ２２，２４，２６のうち、後述する方法で一つを送波回路４６に、他の一つを受波回路４７に接続する偏波切換装置、５０はレーダコントローラ４４と受波回路４７の双方から供給された信号をもとに散乱行列要素を求める演算を行う信号処理器である。
【００２４】
３素子型レーダ装置による埋設物探査は次のように行う。レーダコントローラ４４は３つの偏波切換パルスを順次発生させる。このパルスは偏波切換回路４８に供給され、偏波切換回路４８はアンテナ２２，２４，２６のうち２つのアンテナを順次選択し、一つを受信用、他の一つを送信用とする。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り換えられる。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１２０度おきに回転するので、あらゆる方向に電磁波が送信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。偏波方向が固定されていると埋設物の埋設方向によっては検出が難しい場合があるが、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。
【００２５】
受波回路４７で復調された反射波は信号処理器５０に供給され、信号処理器５０では以下のようにして散乱行列を求める演算を行う。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。
【数１】

ここでＳ₁₁はｘ方向偏波の電磁波を出しｘ方向偏波の反射波を検出した成分、Ｓ₁₂はｘ方向偏波の電磁波を出しｙ方向偏波の反射波を検出した成分、Ｓ₂₁はｙ方向偏波の電磁波を出しｘ方向偏波の反射波を検出した成分、Ｓ₂₂はｙ方向偏波の電磁波を出しｙ方向偏波の反射波を検出した成分である。このようにして求められた散乱行列の各成分のうち、送信と受信信号の偏波方向が同じであるＳ₁₁（ｔ）、Ｓ₂₂（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。また送信と受信信号の偏波方向が直交するＳ₁₂（ｔ）、Ｓ₂₁（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。
【００２６】
そしてアンテナ２０をコイル１０の中心側に配置することによって、アンテナ２０にとってコイル１０は全方向成分を有するものとなる。したがって上記の散乱行列を算出することにより、金属探知センサのコイル１０の影響を排除して、地雷に関する測定結果を得ることができるのである。
【００２７】
なお本発明に係る複合型埋設物探査装置は、本実施形態に示したような人間が支持して移動しながら地雷探知を行う場合の複合型地雷探知器以外に、遠隔操作により装置の動作または装置全体の移動を行わせる複合型地雷探知器に適用した場合にも本実施形態同様の効果を得ることができる。また、地雷以外の埋設物の探査装置に適用した場合も同様である。
【００２８】
上述した実施形態では、特に、埋設物探査レーダセンサのアンテナの金属板エレメント部分に貫通するスリットを設ける構成とすることにより、埋設物探査レーダセンサのアンテナが金属探知センサに与える影響を取り除くことができる。他方埋設物探査レーダセンサのアンテナは、それぞれ異なった偏波面を有するアンテナエレメントを複数個組み合わせてなる構成とすることにより、金属探知センサの探知コイルが埋設物探査レーダセンサに与える影響を取り除くことができる。結局、両方のセンサの相互影響を取り除くことの可能な複合型埋設物探査装置を提供することができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、埋設物探査レーダセンサのアンテナが金属探知センサの探知コイルと同一平面上であって探知コイルの中心側に含まれる構成としたので、装置がコンパクトになり、扱いやすい複合型埋設物探査装置が提供できる。また、金属探知センサの探知コイルと埋設物探査レーダセンサのアンテナの計測基準点を一致させる構成としたので、両方の計測結果に何ら変換処理を施すことなく探査結果を統一できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る複合型地雷探知器のコイルおよびアンテナ部分の平面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る複合型地雷探知器の全体図である。
【図３】図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図４】コイルおよび一般のパルスレーダセンサのアンテナ部分の平面図である。
【図５】コイルおよび渦巻型アンテナの平面図である。
【図６】埋設物探査レーダ装置の概略構成ブロック図である。
【符号の説明】
１………地雷探査器、２………本体、１０………コイル、
１０ａ………計測基準点、１４………磁束、２０………アンテナ、
２０ａ………計測基準点、２２，２４，２６………アンテナ、
２８………金属板エレメント、３０………スリット、
３２，３４，３６………偏波面、４０………コイルおよびアンテナ部分、
４２………埋設物探査レーダ装置、４４………レーダコントローラ、
４６………送信回路、４７………受信回路、４８………偏波切換回路、
５０………信号処理器、８０………渦巻型アンテナ、
９０………コイルおよび一般のパルスレーダのアンテナ、
９２………金属板エレメント、９４………スリット

Claims (4)

1. 埋設物探知レーダセンサのアンテナを金属探知センサの探知コイルと同一平面上であって当該探知コイルの中心側に配設したことを特徴とする複合型埋設物探査装置。
2. 前記埋設物探知レーダセンサのアンテナは、その計測基準点が前記金属探知センサの探知コイルの計測基準点と一致するように配設してあることを特徴とする請求項１に記載の複合型埋設物探査装置。
3. 前記埋設物探知レーダセンサのアンテナは、その金属板エレメント部分に貫通するスリットを有することを特徴とする請求項１または２に記載の複合型埋設物探査装置。
4. 前記埋設物探知レーダセンサのアンテナは、それぞれ異なった偏波面を有するアンテナエレメントを複数個組み合わせてなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１に記載の複合型埋設物探査装置。

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