JP4332760B2 - 地中探査方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は地中探査方法および地中レーダ装置に係り、特に広帯域周波数探査をなすことにより探査精度を向上させることができる地中探査方法および地中レーダ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
地中に埋設されている配管や地下構造物を地上から計測する手段として地中レーダ装置が知られている。従来の地中探査をなす地中レーダは、電磁波のパルス波を送信アンテナを介して地中に放射し、地中埋設物からの反射波を受信アンテナを介して検出する構成となっている。従来の地中レーダに用いられるアンテナは放射しようとする電波の周波数により一義的に決定されるアンテナ長のものが用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、１台のレーダを使用して地中の深い地点に存在する物体を検出するのと同時に、浅い地点に存在する小さな物体を同時に検出するためには、広帯域の電磁波を放射することが要請されるが、従来の地中レーダ装置では、固定長アンテナを用いているため、広帯域での検出をなすためには、複数種のアンテナを配備するか、電気的にアンテナ長を分断できる構造のアンテナを採用する以外に方法がなかった。しかし、前者の複数種のアンテナを用いることは実用的でないという問題がある。また、地中レーダ装置では、地面とアンテナを接近させて使用することから、アンテナと地面間の不定容量も存在するので、遮断周波数を決定することが困難となってしまい、高周波領域での上述したアンテナを電気的に分断する後者の手法も採用することができなかった。
【０００４】
本発明は、上記従来の問題点に着目し、地中埋設物を検出するのに、検出精度を向上するとともに、１台のレーダで深い地点の埋設物体も、浅い地点の埋設物体も確実に検出することができるように広帯域周波数電波の放射を可能とした地中探査方法および地中レーダ装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る地中探査方法は、第１に、発振回路からの発振信号により送信アンテナを介して地中に信号波を送信し、地中からの反射波を受信アンテナを介して受信回路に入力し、地中内部を探査する地中探査方法において、前記送受信アンテナは多段分割されたアンテナエレメント間をダイオードと抵抗の並列回路により接続し、前記抵抗は給電側を最大抵抗値としてアンテナ先端側に順次抵抗値を低く設定しておき、前記発振回路からの発振周波数を変更しつつ当該発振周波数に共振するアンテナ有効長が得られるバイアス電圧の発生信号を送出し、前記アンテナの給電側に接続されたバイアス電圧発生器によりバイアス電圧を連続的に変更することにより広帯域周波数探査をなすことを特徴としている。
【０００６】
第２には、発振回路からの発振信号により送信アンテナを介して地中に信号波を送信し、地中からの反射波を受信アンテナを介して受信回路に入力し、地中内部を探査する地中探査方法において、前記送受信アンテナは多段分割されたアンテナエレメント間をダイオードと抵抗の並列回路により接続し、前記抵抗は給電側を最大抵抗値としてアンテナ先端側に順次抵抗値を低く設定しておき、前記アンテナの給電側に接続されたバイアス電圧発生器によりバイアス電圧を変更して広帯域整合となるバイアス電圧に固定させて半導体アンテナ作用により地中探査をなすことを特徴とするものである。
【０００７】
また、本発明に係る地中レーダは、発振回路からの発振信号により送信アンテナを介して地中に信号波を送信し、地中からの反射波を受信アンテナを介して受信回路に入力し、地中内部を探査する地中レーダにおいて、前記送受信アンテナは多段分割されたアンテナエレメント間をダイオードと抵抗の並列回路により接続し、前記抵抗は給電側を最大抵抗値としてアンテナ先端側に順次抵抗値を低く設定して構成し、前記アンテナの給電側にバイアス電圧発生器を接続するとともに、前記発振回路からの発振周波数を変更しつつ当該発振周波数に共振するアンテナ有効長が得られるバイアス電圧の発生信号を送出するチューニング電圧発生器を前記バイアス電圧発生器に接続したことを特徴としている。
【０００８】
【作用】
上記構成によれば、アンテナエレメントはダイオードと抵抗による並列回路によって直列に接続されており、これに可変直流電源によりアンテナにバイアス電圧を印加する。エレメント間に印加する分圧は抵抗値によって決定され、アンテナ給電側から先端に至るにしたがって抵抗値が減少しているため、分圧は給電側で大きく、先端に至るにしたがって小さくなる。一方、各並列回路で電流はダイオードと抵抗により分流し、ダイオードに流れる電流値が抵抗によって調整されており、ダイオードへの分流電流値はアンテナ給電側から先端に向かって配置された並列回路の順に小さくなるようになっている。したがって、前記バイアス電圧発生器を調整することにより、各ダイオードが導通状態になる箇所を選定することができ、これによってダイオードはスイッチング素子として働き、アンテナの有効長を任意に変えることができる。
【０００９】
このため、アンテナの給電側に接続されたバイアス電圧発生器によりバイアス電圧を連続的に変更することにより広帯域周波数探査をなすことができる。特にバイアス電圧発生器はチューニング電圧発生器により発振周波数を調整し、この発振周波数を適正に変更することによりバイアス電圧の連続可変が可能となり、広帯域探査が可能となるのである。あるいは、簡易的にはアンテナの給電側に接続されたバイアス電圧発生器によりバイアス電圧を変更して広帯域整合をなして半導体アンテナ作用により地中探査をなことができ、アンテナによる受信が広帯域にて可能となる。
【００１０】
このようなことから、上記可変長アンテナを使用することにより周波数帯域が拡大でき、したがって、本アンテナ用いた地中探査レーダ装置では、得られるパルスエコーがシャープなものとなり、固定長アンテナの場合と比較すると、分解能が向上するとともに、埋設物の深度の如何に拘らず的確に埋設物の探査が可能となっている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る地中探査方法および地中レーダ装置の具体的実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は実施形態に係る地中レーダ装置の構成を示すブロック図である。この地中レーダ装置は、送信アンテナ１０Ａから地中に向けて電波を発射し、地中に埋設されているターゲットから反射されて戻ってくる電波を受信アンテナ１０Ｂにて受信することにより、ターゲットの検出をなすものである。したがって、地中レーダ装置は、基本的に、電波の出入口であるアンテナ１０（１０Ａ、１０Ｂ）に接続された発振回路２０と、受信回路３０を有し、また、これらの回路の統轄処理をなす信号処理回路４０を有している。
【００１２】
まず、この地中レーダ装置に用いる各アンテナ１０は、可変長アンテナとして構成されており、図１に送信アンテナ１０Ａ側の右半部を拡大してその詳細を示している。受信アンテナ１０Ｂも同様に構成されているが、簡略的に示している。このアンテナは多段に分割されたエレメント１２₁、１２₂、……１２_N（実施形態では６エレメント、Ｎ＝６）からなっている。このエレメント１２は隣接するエレメントとの間をダイオードＤ（Ｄ₁、Ｄ₂、……Ｄ_N）と抵抗Ｒ（Ｒ₁、Ｒ₂、……Ｒ_N）の並列回路１４（１４₁、１４₂、……１４_N）によって接続されており、したがってアンテナ１０は複数のエレメント１２とその間に介在された並列回路１４との直列回路を構成している。
【００１３】
このようなアンテナ１０における前記並列回路１４の各ダイオードＤは同一の特性をもつものが用いられているが、各抵抗Ｒは、アンテナ給電部１６側から先端に至る各並列回路１４₁、１４₂、……１４_N毎に、順次抵抗値が小さくなるようにし、給電部１６側の並列回路１４₁で最大値、先端側の並列回路１４_Nで最小値となるように設定されている。すなわち、Ｒ₁＞Ｒ₂＞Ｒ₃＞……＞Ｒ_Nとして構成されているのである。
【００１４】
また、アンテナ１０には、アンテナエレメント１２と並列回路１４からなる直列回路に直流電流を供給すべく、アンテナ給電部１６側にバイアス電圧発生器５０を接続している。このバイアス電圧発生器５０は、後述するように、アンテナへのバイアス電圧を可変供給できるようになっており、バイアス電圧Ｖ₀を任意に調整可能となっている。
【００１５】
なお、前記バイアス電圧発生器５０と初段アンテナエレメント１２₁との間に高周波遮断器としてのＲＦ回路１８を接続し、また、アンテナ給電部１６と初段アンテナエレメント１２₁との間にコンデンサからなる直流遮断器１９を介装している。
【００１６】
上記構成の可変長アンテナでは、バイアス電圧発生器５０によりバイアス電圧Ｖ₀を加える。このとき、給電側からｍ番目のダイオードＤ_mにかかる電圧Ｖ_mは、並列抵抗値をＲ_mとすると、次式のようになる。
【数１】

【００１７】
ここで、Ｒ₁＞Ｒ₂＞Ｒ₃＞……＞Ｒ_Nであるから、Ｖ₁＞Ｖ₂＞Ｖ₃＞……＞Ｖ_Nとなる。
ダイオードＤは全て順方向に接続されているため、バイアス電圧Ｖ₀をゼロから増加していくと、まず初段ダイオードＤ₁に最も高い電圧Ｖ₁が印加され、その結果、Ｄ₁は導通状態となる。
【００１８】
Ｄ₁が導通状態となると、これに並列な抵抗Ｒ₁は無視でき、したがって残りのダイオードＤ₂、Ｄ₃、……Ｄ_Nに加わる電圧は、
【数２】

となる。
【００１９】
ここで、Ｒ₂＞Ｒ₃＞……＞Ｒ_Nであるから、Ｖ₂＞Ｖ₃＞……＞Ｖ_Nとなり、次に２段目のダイオードＤ₂に最も高い電圧Ｖ₂が印加される。バイアス電圧Ｖ₀を更に増加することにより、当該ダイオードＤ₂が導通状態となるのである。
【００２０】
ここで、バイアス電圧発生器５０によるバイアス電圧の調整は、発振回路２０から供給される発振周波数に対応したアンテナ有効長となるように、電圧制御型チューニング電圧発生器６０により周波数に連動させている。チューニング電圧発生器６０は電圧をチューニングすることによりと発振回路２０の発振器を制御して発振周波数を変更させるとともに、バイアス電圧発生器５０に対し、発振器発振周波数に共振するアンテナ有効長が得られるバイアス電圧の発生信号を送出するようにしている。バイアス電圧発生器５０とチューニング電圧発生器６０の特性図を図２（１）、（２）に示す。
【００２１】
したがって、チューニング電圧発生器６０とバイアス電圧発生器５０とにより、例えばバイアス電圧Ｖ₀の増加制御を順次行うことにより、残りのダイオードＤ₃、Ｄ₄、……Ｄ_Nを順次導通状態とさせることができ、これにより、アンテナ１０の有効長を発振周波数に対応して変化させることができる。アンテナ１０の有効長が変るために、周知のように共振周波数も変化し、図３に示すように、放射可能な電波の周波数範囲を拡大することができ、アンテナ全体の帯域は従来のダイポールアンテナに比較して拡大するのである。
【００２２】
したがって、上記例によれば、バイアス電圧Ｖ₀がゼロの場合には全ダイオードＤは非導通状態となり、アンテナ長は最短となって共振周波数は最も高くなる。並列回路１４の抵抗Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒ₃……Ｒ_Nを、Ｒ₁＞Ｒ₂＞Ｒ₃＞……＞Ｒ_Nという条件下に設定しつつ、抵抗値を適切に選択すると、バイアス電圧Ｖ₀の増加に伴い、ダイオードＤが給電部１６側から順次導通状態となり、有効アンテナ長が増大する。すなわち、共振周波数を順次低くすることができる。
【００２３】
このようなことから、当該可変長アンテナ１０を使用することにより周波数帯域が拡大でき、したがって、本アンテナ１０を用いた地中探査レーダ装置では、得られるパルスエコーが図４に示しているようにシャープなものとなり、固定長アンテナの場合と比較すると、分解能が向上する。
【００２４】
これは次のような理由による。地中探査レーダは、図１および図５（１）に示すように、発振回路２０と受信回路３０を対として地中内に電波を放射し、埋設物からの反射波を検出して埋設物の距離Ｚを、
【数３】

として求める。Ｃは電波の媒体中の伝播速度、Δｔは伝播遅延時間である。そして、レーダ装置を移動させ、アンテナにより電波の送受をなすが、図５（２）に示しているように、アンテナから放射される電波の無指向性により埋設物が管である場合にはその映像は次式のように双曲線となる。
【数４】

【００２５】
ところで、ＦＭＣＷレーダにおける信号処理の流れは、概略図６に示す構成となっている。ある周波数に対するデータと周波数帯域を変えた周波数データを入手し、これをフーリエ変換して時間領域データとして求め、パルスイメージとして出力するようにしている。いま、周波数ｘに対する信号ｆ(x)とし、簡単のために、ｆ(x)＝α（一定）とする。
【００２６】
時間領域のデータＦ(t)は以下の式で表される。
【数５】

ここで、この物理的意味を考えると、上式のωは時間ｔであることが理解できる。すなわち、周波数領域の関数のフーリエ変換＝時間領域の関数である。
【００２７】
したがって、上式は次式と等価である。
【数６】

これを図示すると、図７のようになり、関数Ｆ(t)は周波数掃引幅ａが大きくなる程、波形がシャープになることが理解できる。
【００２８】
このようなことから、当該可変長アンテナ１０を使用することにより地中探査レーダの周波数帯域が拡大でき、これによって得られるパルスエコーが図４に示しているようにシャープになって分解能を向上させることができるのである。
【００２９】
図８は図４のパルスエコーに基づいて地中の断面図を表示（Ｂモード表示）したものであり、式４に示したように、双曲線の出力が得られている。同図左が固定長アンテナの場合、右が実施形態の可変長アンテナ１０の場合を示している。この図から理解できるように、地中内の探査対象の埋設管の形状が明瞭になり、分解能の向上効果が明らかである。
【００３０】
この種のレーダに用いている固定長アンテナでは周波数帯域が狭帯域であったため、深い地点に存在する物体を検出できるレーダでは、浅い地点に存在する小さな物体の検出は非常に困難であった。これに対し、本実施形態に係る可変長アンテナ１０を地中レーダに適用することによって、１台のレーダを使用して地中の深い地点に存在する物体を検出するのと同時に、浅い地点に存在する小さな物体を同時に検出することが可能となる利点が得られる。
【００３１】
次に、上記実施形態では、発振周波数に応じてアンテナ１０の有効長を切替るようにチューニング電圧によりバイアス電圧の制御をなしているが、これは簡易調整により単一の広帯域アンテナとして用いることができる。上述したように、アンテナ１０はアンテナエレメント１２とダイオードＤ、抵抗Ｒとにより結合した構成となっているが、バイアス電圧を変更することにより広帯域整合させることができる。バイアス電圧発生器５０によりバイアス電圧Ｖ₀を増加調整すると、アンテナエレメント１２間のダイオードＤ、抵抗Ｒ部分が半導通状態となり、一種の抵抗装荷アンテナとして作用する。放射強度は低下するが、発振周波数帯域を拡大することができる。このときの周波数と放射強度の関係を図３に破線で示す。実際の探査には当該方法を用いる方が簡易となって便利である。これにより、アンテナ１０の共振周波数帯域を拡大することができるので、放射可能な電波の周波数範囲を拡大することができ、アンテナ全体の帯域は従来のダイポールアンテナに比較して拡大するのである。
【００３２】
なお、上記実施形態ではダイポールアンテナ構造を用いた例を示したが、これに代えてボウタイアンテナに適用することもできる。ボウタイアンテナは通常のダイポールアンテナに比較して、広帯域であるとともに、アンテナ面積が大きいため感度が高く、また、平面状アンテナであるために指向性が線状ダイポールアンテナに比べて良好であるという特徴がある。ボウタイアンテナに本発明を適用する場合には、図９に示すように、中央部から多分割されたアンテナエレメント間をダイオードＤと抵抗Ｒの並列回路によって接続すればよい。この場合においても、前記抵抗Ｒは中央の給電側を最大抵抗値としてアンテナ先端側に順次抵抗値を低く設定し、給電側にバイアス電圧発生器を接続することはいうまでもない。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、送受信アンテナは多段分割されたアンテナエレメント間をダイオードと抵抗の並列回路により接続し、前記抵抗は給電側を最大抵抗値としてアンテナ先端側に順次抵抗値を低く設定して構成し、前記アンテナの給電側にバイアス電圧発生器を接続するとともに、チューニング電圧発生器を前記バイアス電圧発生器に接続した装置構成となし、バイアス電圧を連続的に変更することにより、あるいは単独のバイアス電圧発生器によりバイアス電圧を変更して広帯域整合をなして半導体アンテナ作用により地中探査をなすようにしたので、検出精度を向上するとともに、埋設箇所の深度に拘らず１台のレーダを使用して地中の深い地点に存在する物体を検出するのと同時に、浅い地点に存在する小さな物体を同時に検出することが可能になる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係る地中レーダ装置の構成ブロック図である。
【図２】バイアス電圧発生器とチューニング電圧発生器の特性図である。
【図３】同アンテナによる放射電波の周波数帯域の説明図である。
【図４】同アンテナを地中レーダに適用した場合の反射パルスエコーと従来の固定長アンテナによる反射パルスエコーの比較図である。
【図５】地中探査レーダの基本原理の説明図である。
【図６】レーダの信号処理の概略構成図である。
【図７】時間領域関数のグラフである。
【図８】図３のエコーのＢモード映像である。
【図９】ボウタイアンテナへ本発明を適用した構成図である。
【符号の説明】
１０ 可変長アンテナ
１２ アンテナエレメント
１４ 並列回路
１６ アンテナ給電部
１８ ＲＦ回路
１９ 直流遮断器
２０ 発振回路
３０ 受信回路
４０ 信号処理回路
５０ バイアス電圧発生器
６０ チューング電圧発生器

Claims (1)

1. 発振回路からの発振信号により送信アンテナを介して地中に信号波を送信し、地中からの反射波を受信アンテナを介して受信回路に入力し、地中内部を探査する地中探査方法において、前記送受信アンテナは多段分割されたアンテナエレメント間をダイオードと抵抗の並列回路により接続し、前記抵抗は給電側を最大抵抗値としてアンテナ先端側に順次抵抗値を低く設定しておき、前記アンテナの給電側に接続されたバイアス電圧発生器によりバイアス電圧を変更して広帯域整合となるバイアス電圧に固定させて半導体アンテナ作用により地中探査をなすことを特徴とする地中探査方法。

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