JP4344050B2 - 媒体中の物体の探査方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は媒体中の物体をレーダーで探査する方法に関し、特に、レーダー波を送受信ユニットから界面を経て媒体中に放射し、媒体中で反射されたレーダー信号を検出し、その検出信号について信号処理及び信号評価を行う探査方法に関するものである。
【０００２】
【背景技術】
レーダー装置を測量に使用することは既知である。また、建造物や構造物の壁に埋設された金属、プラスチック等の物体をレーダー原理に基づいて探査することは、ディー・ジェー・ダニエルス、「表面浸透型レーダー」、ＩＥＥプレス発行（１９９６年）、に記載されている。現在、市販されているレーダー装置は、いずれも、得られた測定データの「イメージ」をユーザに対して表示するためのイメージ処理に基づいている。既知のレーダー装置は比較的大型で高価であり、工事現場等において日常的な機材として簡便に使用できるものではない。イメージデータを得るためには、手動で又は機械的に制御される走査プロセスにおいて、アンテナユニットを移動させて多量の測定データを採取する必要がある。米国特許第５５４１６０５号及び同第５５４３７９９号明細書には、壁に埋設された物体を探査するための比較的小型のレーダー装置が開示されているが、その場合には走査プロセスで得られたデータが全く用いられないか、少なくとも最適には用いられていない。さらに、米国特許第５５１２８３４号明細書には金属製又は非金属製の物体を探査するための電磁センサが開示されているが、この場合には限定された特定のパラメータについての信号評価しか行えない。
【０００３】
レーダー装置としては、パルスレーダー及び段階付周波数型のレーダーを使用することが可能であるが、例示として前者の作動原理を図３について説明する。パルスレーダーにおいては、タイマで制御されるパルス発生器１により、その長さ又は周期が１ｎｓ未満である非常に短いパルスを連続的に発生する。このパルスを送信アンテナ２により電磁波として、探査すべき媒体（例えばコンクリート）中に放射する。誘電率の変化する位置、例えばコンクリートと鉄筋の界面及びコンクリートとプラスチック配管の界面等において、電磁波は反射される。この反射波を受信アンテナ３により受信し、走査制御回路７で時間的に制御可能な高周波増幅器４によって増幅し、帯域リミッタ８を経てサンプル・ホールド回路５に供給した後、Ａ／Ｄ変換器６によりディジタル処理を行い、引続いて所要の信号処理を行う。上述した回路全体、又は少なくとも送受信アンテナ２，３は、手持ち式の構造ユニットとして構成されている。送受信アンテナ２，３を探査すべき媒体上で移動させ、反射波の持続時間及び振幅につき、走査位置に依存してグラフィック処理を行う。このようなプロセスについては、例えば、ヨット・フーゲンシュミット、「道路工事及び保守におけるジオレーダー」、ＥＭＰＡレポート（１１０／１０）、Ｎｏ．ＦＥ １６０６１７、９／９３−１１／９３頁、に記載されている。したがって、パルスレーダーの取扱いに習熟した技術者はそのグラフィックイメージに基づいて、探査すべき媒体中の異物の存否を判定することが可能である。その詳細については、前掲論文：「表面浸透型レーダー」に記載されている。
【０００４】
従来技術の実用に際しての基本的な難点は、レーダー装置の使用者が大面積領域に亙る走査プロセスを綿密に、しかも連続的に実行することにより、どの位置で媒体中の異物に由来する反射信号が発生しているかを特定する必要がある点である。得られたイメージを分析するためには、相応の習熟と技術的な基礎理解力とが必要である。さらに、従来のレーダー装置は、前述したとおり、空間的に大型で高価である。
【０００５】
【発明の課題】
したがって、本発明が解決しようとする課題は、レーダー原理に基づく改良された探査方法及び装置を提案することにより、コンクリート、レンガ、石膏、モルタル又は木材等の固体媒体や、空気、ガス、粘性流体等の「軟質」の媒体中に存在する金属製物体、プラスチック製物体等の位置をより簡便に探査可能とすることである。特に、本発明は、従来必要とされていた走査プロセス、すなわち探査対象の表面領域における壁面上でのアンテナユニットの連続移動の必要性を緩和しようとするものである。
【０００６】
【課題の解決手段】
このような課題を解決するため、本発明は、媒体中の物体をレーダーで探査するに当たり、レーダー波を送受信ユニットから界面を経て媒体中に放射し、媒体中で反射されたレーダー信号を検出し、その検出信号について信号処理及び信号評価を行う探査方法において、送受信ユニットを位置決めした状態で、検出すべき物体の特徴を、ディジタル化された検出信号を使用する所定のアルゴリズムに基づいて判別し、そのアルゴリズムは、所定の比較値に対する信号形態の差異を検知すると共に所定の閾値に対する信号評価を行うものであることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の特に好適な実施形態は、従属請求項に記載したとおりである。
【０００８】
パルスレーダーを使用する場合を例示として説明すると、本発明の基本概念は、送信アンテナに非常に短いパルスを励起して、電磁波を、周波数領域における異なる振幅及び位相をもって種々の送信方向に放射する点にある。送受信アンテナから所定の観測角度において媒体中の物体による反射波が検出されると、その反射波はアンテナ直下の直接反射波とは異なる信号形態を呈する。本発明による信号処理は、その詳細について後述するとおり、異なる振幅及び／又は位相をもって電磁波を放射することにより、反射波の信号形態を適切に区別することが可能である。
【０００９】
本発明の上述した基本概念は、段階付周波数型のレーダーを使用する場合でも同様である。この場合には、上述した利点に加え、評価対象としての信号のＳ／Ｎ比をより向上することが可能である。
【００１０】
【実施の形態】
以下、本発明を図示の実施形態について更に詳述する。
【００１１】
図1のフローチャートは、図３のデータ出力端における出力信号についての信号処理方法を示すものである。ステップＳ１において信号を読取り、ステップＳ２においてディジタル・バンドパスフィルタ処理が施された後、ステップＳ３において有意な反射が存在するか否かを判別する。所要に応じて、ステップＳ４で探査すべき媒体における特定の物性、例えば比誘電率ε_ｒの近似値を求める。比誘電率ε_ｒは、湿ったレンガやコンクリートにおける値が、乾燥した媒体における値よりも通常は高いのが、当業者の常識である。
【００１２】
ちなみに、周波数スペクトルの変更により比誘電率ε_ｒの近似値を求める手法の基本原理については、アイ・ジェー・パラダッツ外、「コンクリートにおけるレーダーンテナの結合効果」、論文集「土木工学における非破壊検査」、ＮＤＴ−ＣＥ‘９７、第１巻、２３７−２４５頁に記載されている。
【００１３】
比誘電率ε_ｒの近似値を求めた後、その近似値を使用してステップＳ５で次式により経過時間を算出し、これに基づいて媒体中における探査すべき物体の深度決定を行う。
ｖ＝ｃ／√ε_ｒ
（ただし、ｃは光速である。）
【００１４】
さらに、本発明においては、ステップＳ６で後述する時間領域又は周波数領域での信号処理を行うと共に、ステップＳ７で特別な信号分析を行って探査した物体の特徴を決定する。最後に、ステップＳ８で、供給された特徴（比較値Ｖ）に対して信号分析値を比較し、その特徴は、予め設定されている走査位置について事前に決定しておくものである。その比較結果に基づき、物体がアンテナの下方に存在するか否か、すなわち、例えば壁の開口領域における禁止箇所に存在するか否か、又はアンテナから角度的に離れた位置に存在するか否かを判定することが可能である。
【００１５】
次に、本発明において適用することのできる信号処理方法の詳細につき、より具体的に説明する。
【００１６】
フーリエ変換法による信号処理
アンテナ走査位置Ｏ（図４及び図５を参照。）で各種の補強鉄筋やプラスチック配管等の、存在する可能性のある物体について参照走査を実行する。走査間隔は、ある実施例では合計１０２４の走査点を含むものとする。また、走査時間は、例えば２ｎｓ〜２０ｎｓとする。図６に示す曲線ａは、その参照走査の結果を示す。周波数分析法、特に、カー・デー・カムマイヤー外著「ディジタル信号処理」、ベー・ゲー・トイブナー発行（１９９８年）、３２３−３２６頁に記載されているフーリエ変換法（ウェルチ法）により、周波数領域で信号のパワースペクトル密度ＬＳＤを周波数領域で解析し（図７の曲線ａ参照）、そのパワースペクトル密度ＬＳＤを参照スペクトルとする。参照スペクトルの平均スペクトルについても解析を行う。図６の横軸方向に計測されたディジタル値（サンプル）の数、本例では１０２４のサンプル数を示し、これは１２ｎｓの走査時間に対応するものである。縦軸方向には信号強度ＬＳＢを示し、その単位は観測量（電圧値又は電流値）を２^ｎで除したものであり、ここにｎはＡ／Ｄ変換器の分解能である。
【００１７】
この段階で、壁上の任意の位置において走査を実行することが可能である。この走査で同様に１０２４の測定値を得ることによりパワースペクトル密度を求めることができ、例えばその際にもフーリエ変換法（ウェルチ法）を用いることが可能である。この場合に用いる分析法は、参照走査段階で用いる方法と同一とするのが特に好適である。
【００１８】
ステップ７及び８において、例えば走査位置＋３（図4及び図５を参照。）での走査により得られた信号の振幅スペクトルを、走査位置Ｏで得られた参照スペクトルと相関分析法により比較する。次に、相関分析法により得られた値を閾値と比較する。この閾値は例えば図８では０．９８として表されている。閾値を超える相関係数ｋは、物体Ｈが禁止された角度範囲内に存在することを意味している。他方、閾値よりも小さい相関係数ｋは、アンテナユニット２が物体Ｈの上方には存在しないことを意味するものである。
【００１９】
自己回帰モデルによる信号処理
時間領域での走査プロセスにより得られた信号から、次の式１に示す自己回帰モデル（ＡＲモデル）を生成する。
【数１】

このＡＲモデルは、パラメトリックスペクトル評価法の範疇に属するものである。さらに、生成されたＡＲモデルから周波数従属性を抽出する。このように算出された係数ａ_ｖは、式１におけるｚ平面（ディジタル信号の変換表示である）内での関数Ｈ（ｚ）のポールに相当する。このポールは、次式によりｓ平面内で表され、ここにｓ＝σ＋ｊωはアナログ信号のフーリエ変換表示又はラプラス変換表示である。
【数２】

この表示において、異なる減衰量σ又は異なる周波数ωによりポール位置が確定され、アンテナの下方における物体の存否を判別することが可能である。さらに、物体がいかなる素材のものであるかも、明確に検知することが可能である。
【００２０】
図２に示すｓ平面内での表示においては、多数の補強鉄筋Iのポール位置を菱形プロットで、プラスチック配管Ｐの反射を矩形プロットで、さらに、アンテナ軸線から所定の角度で離間した物体Ｈの反射を星型プロットで、それぞれ表す。この表示から明らかなように、補強鉄筋Iはω_１からω_２までの周波数領域内におけるσ_１からσ_２までの減衰として、また、プラスチック配管Ｐはω_１からω_３までの周波数領域内におけるσ_１からσ_２までの減衰として、それぞれ特徴付けられる。そのような反射が認められない箇所は、σ_２における低い減衰量により特定可能である。鉄及びプラスチックによる反射波形態の差異を一層明瞭に識別可能とするため、走査プロセスを異なる検出位置で、好適には互いに９０°シフトさせた指向特性の下で実行するのが望ましい。しかし、より単純な指向特性を有するアンテナを使用する場合であっても、物体がアンテナ下方のどの角度位置で、どれだけ離れた箇所に存在するかを特定することが可能である。
【００２１】
上述したＡＲモデルに基づく信号処理手法についても、前掲論文：「ディジタル信号処理」に記載されている。
【００２２】
上述した何れの方法も、時間的に離散した信号のスペクトルを予測するための手法であり、僅かなデータ量であっても極めて良好な探査結果が得られる利点を有している。
【００２３】
ウェルチ法では、時間領域で離散した信号を、互いに重なる部分領域内で分析する。これらの部分領域は所定の窓機能によって評価され、それぞれのピリオドグラムが決定される。この部分的ピリオドグラムから、パワースペクトル密度のウェルチ予測値を得るものである。
【００２４】
フーリエ変換でバックアップされたウェルチ法の利点は、窓機能で評価した部分的な評価結果の重ね合わせにより、必要とされるデータ量を大幅に削減し得ることである。また、周波数分解能も、部分的な評価結果の長さ選択及び重ね合わせにより適切に調整可能であり、データ量が直接的な影響を及ぼすものではない。さらに、ウェルチ法は、従来のピリオドグラム（窓機能及び重ね合わせを適用しないパワースペクトル密度ＬＳＤ）と対比して、より高い周波数分解能を達成し得る利点を有するものである。
【００２５】
ＡＲモデルをスペクトル予測に適用する際には、時間領域で離散した信号から帰納的差分方程式によりパラメータａ_ｖを求め、このパラメータを用いて式１で表されるフィルタ機能のポールを確定し、かつｓ平面内で評価可能とする。したがって、ＡＲモデルは、帯域幅の大きな基本周波数を有する信号を処理するのに特に好適である。
【００２６】
パラメータモデルでバックアップされたスペクトル推定法は、非常に少ないデータ量でも良好な周波数分解能を実現できる点で有利である。
【００２７】
（ウェーブレット分析法による信号処理）
ウェーブレット分析法は、時間／尺度／振幅の三次元座標系で信号を生成することを基本としている。この方法の利点は、「窓機能」を周波数に適合させ、低域の周波数に対しては広い窓を、広域の周波数に対しては狭い窓を設定することである。ウェーブレット分析法によるスペクトル推定の手法については、ディー・イー・ニューランド、「ランダム振動のスペクトル及びウェーブレット分析」、ロングマングループ発行、に記載されている。
【００２８】
レーダー測定データ分析を改善するため、上述した三種類の評価方法を組み合わせることも可能である。
【００２９】
上述した信号処理方法は、パルスレーダーのみならず、他の形式のレーダーによっても実行可能である。例えば、段階付周波数型のレーダーを使用する場合には、前述した利点に加え、より良好なＳ／Ｎ比を達成することが可能である。
【００３０】
より良好なＳ／Ｎ比を達成することは、より深い位置に存在する物体を探査する上で特に重要であるが、そのために本発明では１箇所の測定位置について多数回、例えば１２８回の測定を行い、その測定データの平均値を用いて引き続く信号処理を実行することができる。
【００３１】
上述したところから明らかなとおり、本発明は、各種の媒体、例えば壁に埋設された金属製又は非金属製の物体をレーダー原理に基づいて探査可能とするものであり、イメージ形成を必要とせず、小型で経済的なユニットでも埋設物体を確実に探査することができ、使い勝手を大幅に改善すると共に使用に際して特殊な専門知識が必要とされない等の利点を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による探査方法における信号処理を示すフローチャートである。
【図２】 所定の信号処理アルゴリズムに基づく信号評価の結果を示すグラフである。
【図３】 従来パルスレーダー装置におけるハードウェア構成を例示するブロック線図である。
【図４】 比較値を得るための走査位置Ｏにおける送受信アンテナユニットの位置決め方法を説明するための略図である。
【図５】 図４と同様な略図である。
【図６】 時間領域における２箇所の反射信号を示すグラフである。
【図７】 図６の信号を時間領域で示すグラフである。
【図８】 探査すべき物体を含む走査窓に係る、図６及び図７の曲線の相関分析結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１ パルス発生器
２ 送信アンテナ
３ 受信アンテナ
４ 高周波増幅器
５ サンプル・ホールド回路
６ Ａ／Ｄ変換器
７ 走査制御回路
８ 帯域リミッタ

Claims (16)

1. 媒体中の物体をレーダーで探査する方法であって、
   送受信ユニットを位置決めした状態で、前記送受信ユニットの送信アンテナから超短パルスを励起して、周波数領域における異なる振幅及び位相のレーダー波を生じさせ、該レーダー波を異なる周波数帯域で種々の送信方向に界面を経て媒体中に放射するステップと、
   前記送受信ユニットによって媒体中で反射されたレーダー信号を検出するステップと、
   その反射されたレーダー信号をディジタル化し、ディジタル化したレーダー信号の信号形態と、前記送受信ユニットの基準位置に対応する時間及び周波数依存性の所定の比較値との差異を確定することにより信号処理及び信号評価を行い、前記送受信ユニットの主放射方向に対する任意の位置にある物体を特定するステップと、
   時間領域及び／又は周波数領域にて前記ディジタル化したレーダー信号と前記所定の比較値との当該比較によって、探査した該物体の特徴を判別するステップと、
   を含むことを特徴とする探査方法。
2. 請求項１記載の探査方法において、供給される前記所定の比較値に対する信号形態の差異を、前記基準位置で検出された予め設定されている信号により確定することを特徴とする探査方法。
3. 請求項１又は２に記載の探査方法において、レーダー波を、少なくとも１個の送信アンテナから異なる周波数帯域をもって媒体中に放射することを特徴とする探査方法。
4. 請求項３記載の探査方法において、検出した当該レーダー信号を時間領域内における多数の時点についての走査プロセスに際して信号処理してパワースペクトル密度を確定し、そのパワースペクトル密度を、供給される基準スペクトルに対して相関分析法により分析し、得られた相関値を所定の相関係数と比較することを特徴とする探査方法。
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載の探査方法において、走査プロセスを異なる検出位置で、好適には互いに９０°シフトさせた指向特性の下で実行することを特徴とする探査方法。
6. 請求項３又は５に記載の探査方法において、信号処理をフーリエ変換処理として実行することを特徴とする探査方法。
7. 請求項１，２又は５に記載の探査方法において、検出すべき物体の特徴を判別するための信号処理を、ｚ平面内又はｓ平面内への変換表示、ポール位置の確定、並びに当該ポール位置での減衰量（δ）及び／又は周波数（ω）の、所定値との比較を含む自己回帰モデルに基づくアルゴリズムで実行することを特徴とする探査方法。
8. 請求項２，３又は５に記載の探査方法において、検出すべき物体の特徴を判別するための信号処理を、ウェーブレット信号分析法に基づくアルゴリズムで実行することを特徴とする探査方法。
9. 請求項１〜８の何れか一項に記載の探査方法において、信号評価に先立ち、予め求められている媒体の誘電率と、送受信信号間の遅延時間とにより、観察された反射層の深度を相関分析法に基づいて決定することを特徴とする探査方法。
10. 請求項１〜９の何れか一項に記載の探査方法において、信号評価の対象となる信号のＳ／Ｎ比を向上するため、１箇所の測定位置で多数回の走査プロセスを実行し、得られた信号の平均値を求め、その平均値に基づいて信号評価を行うことを特徴とする探査方法。
11. 請求項１０記載の探査方法において、信号評価の対象となる検出信号に、深度に応じた増幅処理及び／又はフィルタ処理を施すことを特徴とする探査方法。
12. 請求項１〜１１の何れか一項に記載の探査方法において、パルスレーダーを使用することを特徴とする探査方法。
13. 請求項１〜１１の何れか一項に記載の探査方法において、段階付周波数型のレーダーを使用することを特徴とする探査方法。
14. 請求項１〜１３の何れか一項に記載の探査方法において、該方法を適用して、コンクリート、レンガ、石膏、モルタル又は木材等の、壁面で画成された固体媒体中の物体を検出することを特徴とする探査方法。
15. 請求項１〜１４の何れか一項に記載の探査方法を実施するための電磁センサであって、コンクリート、レンガ、石膏、モルタル又は木材等の、壁面で画成された固体媒体中の物体を検出するものであることを特徴とする電磁センサ。
16. 請求項１〜１４の何れか一項に記載の探査方法を実施するものであることを特徴とする位置センサ。

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