JP4365058B2

JP4365058B2 - Railroad track inspection method and apparatus

Info

Publication number: JP4365058B2
Application number: JP2001302485A
Authority: JP
Inventors: 憲明木村; 恭二土井; 康成森
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2001-09-28
Publication date: 2009-11-18
Anticipated expiration: 2021-09-28
Also published as: JP2003107169A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は線路盤下を検査方法および装置に係り、軌道上を走行始動しながら線路盤下の空洞などの有無をリアルタイムに検査するに好適な方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道路線は基盤を構成している路盤に軌道を形成しており、軌道は路盤上に形成された道床と、この上に間隔を置いて設置された枕木にレールを敷設して形成される。車輌の走行路はレールによって規制されているため、鉄道路線ではバラストを敷き詰めた道床の締め固め作業が行われている。
【０００３】
ところで、路盤となっている地下の内部に空洞があると、路面の陥没などにより大きな事故につながる可能性がある。このため、地下空洞の有無を予め検知することが事故回避の観点から望ましい。このような観点から、地中レーダを用いて線路盤下の空洞検査をすることが考えられる。地中レーダを用いて検査する方法は、送信アンテナ一つと受信アンテナ一つを組み合わせた地中レーダで計測するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、現状では地中レーダなどを用いて精度よく検査することができない。線路面にある枕木は土に比べて電波を通し難いコンクリート製がほとんどで、更に悪いことには、その中には鉄筋が入っており、この部分に電波を透過させて地中の計測は困難であるからである。
【０００５】
すなわち、図６（１）に示したように、１つの送信アンテナ５２と１つの受信アンテナ５４とを備えた地中レーダ５０を、矢印５６のようにレール（鉄道軌道）５８に沿って移動させ、同図（２）に示したように、送信アンテナ５２から送信電波６０を地中６２に放射して地中６２に存在する空洞６４を探査する場合、空洞６４がレール５８を支持、固定している枕木６６の下方に存在すると、例えば受信アンテナ５４が空洞６４の上方に位置する枕木６６の上を通過するときに、送信電波６０の空洞６４からの反射波６８が枕木６６の下面で地中側に反射され、反射波６８が受信アンテナ５４に入射せず、空洞６４を検出することができない。
【０００６】
また、送信アンテナ５２が枕木６６を通過するときには、送信アンテナ５２から発射した送信電波６０が枕木６６によって反射され、送信電波６０が地中６２に放射されず、空洞６４を検出することができない。すなわち、レール５８に沿ってアンテナ５２、５４を走査すると、得られる映像は、枕木６６の下方部分が遮蔽されたものとなり、これから地中６２の構造を認識するのは困難であった。
【０００７】
本発明は、第１に、線路面下にある空洞などを検知するために最適のマルチパス方式地中レーダシステムを提供することを目的とする。
また、第２にはアンテナシステムがどの位置にあっても一部の経路は枕木の影響を受けない様にできるシステムを提供することを目的としている。
また、第３に、枕木の影響を大きく軽減した画像を取得することができるシステムを得ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る線路盤下検査方法は、鉄道軌道に沿って送信アンテナ素子列と受信アンテナ素子列を配列したアレイアンテナを軌道走行移動させつつ、前記アレイアンテナの移動単位毎に複数の送信アンテナ素子を切り替えながら電波を線路盤下に向けて発射するとともに、個々の送信アンテナ素子からの送信毎に複数の受信アンテナ素子で切替受信させる作業を繰り返すことにより、前記アレイアンテナの進行方向、送受信距離および時間のパラメータによるパルスエコーデータを生成し、線路盤下の２次元断面映像を生成して検知をなすように構成したものである。
【０００９】
また、本発明に係る線路盤下検査装置は、鉄道軌道の走行体に前記軌道に沿って送信アンテナ素子列と受信アンテナ素子列を配列したアレイアンテナを有し、送信アンテナ素子群を素子単位で切り替える送信アンテナ切替手段と受信アンテナ素子群を素子単位で切り替える受信アンテナ切替手段とを有し、前記送信アンテナ切替手段による切替処理毎に選択された送信アンテナ素子からの発射された電波の反射波を複数の受信アンテナ素子で同時に受信する処理を前記送信アンテナ素子単位で切替処理する信号を送出する制御手段を有し、前記受信アンテナ素子での受信信号から線路盤下の二次元画像データを求める演算手段と、この演算手段による画像データを入力して線路盤下の二次元映像を表示する画像表示手段とを有してなるものである。
【００１０】
【作用】
上記のごとくなっている本発明は、複数の送信アンテナ素子有す得る送信アンテナ素子列と複数の受信アンテナ素子を有する受信アンテナ素子列とを鉄道軌道に沿って移動させ、送信アンテナ素子列の各送信アンテナ素子を順次切り替えて電波を放射し、受信アンテナ素子列の各受信アンテナ素子によってその反射波を受信するようになっているため、一部の送信アンテナ素子または一部の受信アンテナ素子が枕木の上方に存在したとしても、他の送信アンテナ素子によって地中に電波を放射することができ、また他の受信アンテナ素子によってその反射波を受信することができるため、枕木の下方に空洞などが存在している場合であっても、枕木の影響をあまり受けずに空洞などを確実に検出することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明に係る線路盤下検査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。なお、以下の実施形態においては、線路盤下の空洞検査に適用した場合について説明する。
【００１２】
本実施形態に係る線路盤下検査装置である空洞検査装置は、図１（２）に示すように、線路盤下の地中にある空洞６４などを検知するための装置である。装置の全体構成は、図１（１）に示すようなブロック図で表せられる。この空洞検査装置１は、レーダ本体１０とアレイアンテナ３４とを備えている。そして、アレイアンテナ３４は、送信アンテナ素子列１８と受信アンテナ素子列２０とからなっている。そして、レーダ本体１０は、送信部と受信部とからなり、送信部は発振器１２、方向性結合器１４、増幅器１６を介して送信アンテナ素子列１８に出力し、受信部は受信アンテナ素子列２０により受信された反射波を増幅器２２で増幅し、ミキサ２４、フィルタ２６を介して必要な受信信号を求めるように構成されている。
【００１３】
送信アンテナ素子列１８は、ｎ個の受信アンテナ素子１８ｉ（ｉ＝１、２、３、………、ｎ）を一列に並べて構成してある。また、受信アンテナ素子列２０は、ｎ個の受信アンテナ素子２０ｉ（ｉ＝１、２、３、………、ｎ）を一列に並べて構成してある。そして、送信アンテナ素子１８ｉと受信アンテナ素子２０ｉとが隣り合わせに並んだアレイ構造となっており、これらのアンテナ素子１８ｉ、２０ｉが送信・受信対としてその全ての組合せが選ばれるようにしている。
【００１４】
送信・受信対としてその全ての組合せを選ぶ処理を行なわせるため、送信アンテナ切替器（ＳＰＮＴ切替器）２８と受信アンテナ切替器（ＳＰＮＴ切替器）３０が設けられており、送信アンテナ切替器２８により選択された送信アンテナ素子１８ｉにより検出用電波４２を地中６２に放射し、当該選択された一つの送信アンテナ素子１８ｉによる送信中に全ての受信アンテナ素子２０ｉが反射波４４を受信するように前記受信アンテナ切替器３０で受信アンテナ素子２０ｉを切り替えるとともに、全ての受信アンテナ２０ｉによる受信作業が終了した後に、送信アンテナ素子１８ｉ(ｉ＝１、２、３、……、ｎ)を隣接する次の送信アンテナ素子１８（ｉ＋１）に切り替えるようにしている。この切替制御は、レーダ本体１０の統括制御をなすシステム制御回路３２のスイッチング回路により行なわせる。
【００１５】
ここで、前記送信アンテナ素子列１８と受信アンテナ素子列２０からなるアレイアンテナ３４は、鉄道軌道（レール）３６に沿って送信アンテナ素子１８ｉと受信アンテナ素子列２０ｉとが配列してあって、これを軌道走行移動させるようにしている。アレイアンテナ３４は、アンテナ素子１８ｉ、２０ｉの送受信面を線路盤下に向けるように台車（図示せず）に搭載し、これらが一体で図１（２）の矢印Ａのように軌道敷設方向へ移動することで計測すべき軌道ラインに沿った線路盤下方領域をカバーする。この場合、アンテナ素子１８ｉ、２０ｉの配列間隔は、図１（１）に示してあるように、レール３６を支えている枕木３８の間隔より小さくなるように設定するとともに、アレイアンテナ３４の全体長さは複数の枕木３８に跨るような長さとなるように設定すればよい。
【００１６】
なお、図１（２）においては、送信アンテナ素子列１８の送信アンテナ素子１８ｉと、受信アンテナ素子列２０の受信アンテナそし２０ｉとを便宜的に一列に配置して示してある。
【００１７】
このようなアレイアンテナ３４を素子配列方向（軌道方向）に沿って移動させつつ、前記アンテナ切替器２８、３０で送信・受信対としてその全ての組合せを選ぶ処理を行なわせることにより、それぞれの中から一つずつ選ばれた任意の一対について、パルスエコーデータが得られるようになっている。発振器１２の出力周波数は、実施形態の場合、１００ＭＨｚ〜１．５ＧＨｚ程度までの広帯域で、ベースバンドパルスが得られるようになっている。あるいは、この範囲の周波数を順に発生させるＦＭＣＷ方式を用いても良い（この場合には、周波数→時間にフーリエ変換を用いる）。ＦＭＣＷ方式の場合のアンテナ素子切替タイミングとレーダの動作タイミングを図２に示す。なお、図２においては、理解を容易にするため、送信アンテナ素子１８ｉと、受信アンテナ素子２０ｉとを交互に、かつ同一直線上に配置している。
【００１８】
空洞検査装置１のシステム制御回路３２は、図示しない距離センサの出力信号に基づいて、アレイアンテナ３４が矢印Ａのように移動すると、所定の移動距離ごとに進行方向トリガパルスａを出力するようになっている。そして、システム制御回路３２は、図２に詳細を示したように、進行方向トリガパルスａの１パルスにつき、全ての送信アンテナ素子１８ｎを順次切り替える信号ｂを送信アンテナ切替器２８に出力する。また、システム制御回路３２は、各送信アンテナ切替信号ｂの１パルスにつき、全ての受信アンテナ素子２０ｎを順次切り替える信号ｃを受信アンテナ切替器３０に出力する。さらに、システム制御回路３２は、各受信アンテナ切替信号ｃに同期して発振器１２を制御し、発振器１２が出力する送信信号の周波数を山形に変化させる。
【００１９】
システム制御回路３２は入力された計測信号とともに、各トリガ信号、送信周波数切替え信号とともに、解析処理部４０にデータ転送をなすようにしている。解析処理部４０には、次のようなセンサ画像処理ソフトウェアが搭載されている。図３において、アレイアンテナ３４のアンテナ素子１８ｉ、２０ｉは、アレイアンテナ３４の進行方向となるｙ軸方向に配列されている。検出用電波４２の送信点をＰ₁（ｘ，ｙ₁，ｚ）、受信点をＰ₂（ｘ，ｙ₂，ｚ），反射点をＱ（ｘ，η，ζ）とするとき、電波の経路はＰ₁→Ｑ→Ｐ₂となる。Ｙ−Ｚ断面の映像を求めるには次のような方法を用いればよい。
【００２０】
すなわち、アレイアンテナ３４が移動した結果得られる全データの中から点Ｑを通る伝播経路の全てについて伝播時間を考慮した遅延時間補正をした後、重ね合わせればよい。レーダ受信信号φは、電波の減衰がなければ次のように書ける。
【数１】

【００２１】
ここで、ｒ_i，ｔ_i、，ｗ（ｔ）はそれぞれ反射係数、電波の反射点までの往復時間及びレーダパルス波形である。物体中の各反射点までの距離に対応して時間の遅延ｔ_iがある。ここで反射係数は図３のη，ζに依存している。このような時系列データがｙ₁，ｙ₂の自由度に対応した数だけ計測される。像を再構成するためには、図３において、先ずＰ₁，Ｐ₂とＱとを選択する。この選択には、枕木３８の下方の空洞６４を検出するため、レール３６の敷設方向であるＹ方向と直交した方向のＸ方向の変化を無視し、４つの独立変数（ｙ₁，ｙ₂，η，ζ）に対応した４自由度がある。この変数の組一つにつきレーダの時系列データψ（ｔ）が対応している。電波の伝播パス（Ｐ₁→Ｑ→Ｐ₂）に対応した計測時系列波形ψ（ｔ）からＱ点での反射振幅を、この伝播に要する所要時間を計算して求め、点Ｑに割当てる。上記の４つの独立変数ににつきこの操作を実施し、各点へ割当てられた数値を各点ごとに加算すると像が再構成できる。
【００２２】
そこで、送信アンテナ素子の位置を（ｘ，ｙ₁，ｚ）、受信アンテナ素子の位置を（ｘ，ｙ₂，ｚ）、媒体中（地中）の点Ｑ（空洞６４の位置）を（ｘ，η，ζ）とすると、
【数２】

【数３】

【００２３】
また、Ｐ₁→Ｑ→Ｐ₂の伝播時間ｔ_P1→_Q→_P2は、
【数４】

となる。ここでｃは電波の物質中の速度である。
【００２４】
このとき点Ｑへ割当てられる値Ωは、
【数５】

となる。２次元画像を得るには、ｙ₁，ｙ₂に関して総和し、２次元映像関数をΦ（η，ζ）とすると、
【数６】

を求めればよい。
【００２５】
上記構成の空洞検査装置１により、空洞検査のシミュレーションを行なった。このシミュレーションにおいては、地中の７０ｃｍの深さに空洞に代えて被検査物体を埋め込んでおき、地表面に５０ｃｍの間隔で枕木３８を配置し、地表面から１０ｃｍの高さにアンテナ走査ラインを設定した。枕木３８は、通常に市販されているコンクリート製のものを使用した。そして、空洞検査のシミュレーションに先立って枕木３８による電波の透過性を調べた。図４は、その結果を送・受信アンテナがｘ方向に並んだシングルペア方式（送・受１対のアンテナを持つレーダ）に対して示したものである。
【００２６】
図４の横軸は、アンテナを移動させる方向に平行配置した複数の枕木３８の内の、任意の１つの中心を原点とした距離（単位ｃｍ）を示し、縦軸は電波の透過強度を示していて、電波が完全に透過している場合を「１」、完全に遮蔽されている場合を「０」としている。図から明らかなように、５０ｃｍ間隔で配置した枕木３８の存在するところで、電波が枕木３８によって完全に遮蔽されることがわかる。
【００２７】
図５は、上記のように枕木と被検査物体を配置した空洞検査シミュレーションの結果を示したもにである。この図５は、アンテナ素子をそれぞれ７つ（素子間隔２５ｃｍ）有する送信アンテナ素子列１８と受信アンテナ素子列２０とからなるアレイアンテナ３４を用いてシミュレーションの結果を示している。そして、図５は、枕木３８のある場合の、シングルペア方式と、マルチパス方式レーダとの検出反射振幅（反射波強度）を枕木３８の無い場合と比較したものである。
【００２８】
なお、図５の横軸は埋設した被検査物体からの距離（単位ｃｍ）を示し、縦軸は電波の反射は強度を示していて、枕木の存在しないときの最大反射波強度を「１」としている。そして、図５の曲線αは枕木３８を設置しないときの反射波強度であり、曲線βは送受信アンテナ素子をそれぞれ７つずつ設けたマルチパス方式による反射波強度を示し、曲線γはシングルペア方式による反射波強度を示している。図５から明らかなように、マルチパルス方式の場合、曲線Ｂに示したように、反射波の検出振幅に大きな落ち込みがないことが解る。
【００２９】
地中レーダの場合には、通常Ｂモードと呼ばれる断面図（横軸をセンサの進行方向、縦軸を深さ方向として表示）を用いて、オペレータが地中の構造を判断する。上記のことが、どのようにＢモード画像に影響するかが図から明らかであり、マルチパス方式では、常にいずれかの送受信アンテナ素子１８ｉ、２０ｉのペアでデータが得られ、データの欠損が無い良好なデータが得られることが解る。従って、線路盤下の鮮明な画像を得ることができる。これに対して、従来の地中レーダのようなシングルペア方式では、曲線Ｃに示したように、枕木３８の存在する位置においてデータの欠損が生じ、枕木３８の下方に空洞６４が存在する場合、検出することができない。
【００３０】
このように、本実施形態の空洞検査装置１は、線路盤下の空洞などの検査に有効と思われるマルチパス方式地中レーダシステムを採用することにより、通常のシングルペア方式の地中レーダでは線路盤上にある枕木３８により、レーダのデータに欠損ができるのに対してこの課題が解決できる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、鉄道軌道に沿って送信アンテナ素子列と受信アンテナ素子列を配列したアレイアンテナを軌道走行移動させつつ、前記アレイアンテナの移動単位毎に複数の送信アンテナ素子を切り替えながら電波を線路盤下に向けて発射するとともに、個々の送信アンテナ素子からの送信毎に複数の受信アンテナ素子で切替受信させる作業を繰り返すことにより、前記アレイアンテナの進行方向、送受信距離および時間のパラメータによるパルスエコーデータを生成し、このデータから線路盤下の２次元断面映像を生成して空洞検知をなすようにしたので、アンテナシステムがどの位置にあっても線路盤下にある空洞などを枕木の影響を受けることなく検知することができ、検出空洞部分を高速表示することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係る線路盤下検査装置の構成を示す説明図である。
【図２】アンテナ素子の切替タイミングの説明図である。
【図３】本実施形態に係る画像再生処理の説明図である。
【図４】枕木に対する電波の透過試験の結果を示す図である。
【図５】実施形態に係る装置による空洞検査シミュレーションの結果を示す明図である。
【図６】従来の地中レーダによる空洞検査方法の説明図である。
【符号の説明】
１………空洞検査装置、１０………レーダ本体、１２………発振器、１４………方向性結合器、１８………送信アンテナ素子列、１８ｉ………送信アンテナ素子、２０………受信アンテナ素子列、２０ｉ………受信アンテナ素子、２４………ミキサ、２６………フィルタ、２８………送信アンテナ切替器、３０………受信アンテナ切替器、３２………システム制御回路、３４………アレイアンテナ、３６………レール、３８………枕木、４０………解析処理部。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an inspection method and apparatus under a track board, and more particularly to a method and apparatus suitable for checking in real time the presence or absence of a cavity or the like under a track board while starting running on a track.
[0002]
[Prior art]
The railway line forms a track on the roadbed constituting the base, and the track is formed by laying rails on a roadbed formed on the roadbed and sleepers placed on the roadbed at intervals. Since the road of the vehicle is regulated by rails, the road bed is packed with ballast on the railway lines.
[0003]
By the way, if there is a hollow inside the basement that is the roadbed, it may lead to a major accident due to the depression of the road surface. For this reason, it is desirable from a viewpoint of accident avoidance to detect the presence or absence of an underground cavity beforehand. From such a viewpoint, it is conceivable to perform a cavity inspection under the railroad track using a ground penetrating radar. An inspection method using a ground penetrating radar is one that uses a ground penetrating radar that combines one transmitting antenna and one receiving antenna.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, at present, it cannot be inspected accurately using a ground penetrating radar or the like. The sleepers on the track surface are mostly made of concrete, which makes it difficult for radio waves to pass through compared to soil. To make matters worse, there are rebars inside, making it difficult to measure underground by transmitting radio waves through this part. Because.
[0005]
That is, as shown in FIG. 6 (1), the ground radar 50 having one transmitting antenna 52 and one receiving antenna 54 is moved along a rail (railway track) 58 as indicated by an arrow 56. As shown in FIG. 2B, when the radio wave 60 is radiated from the transmitting antenna 52 to the underground 62 to search the cavity 64 existing in the underground 62, the cavity 64 supports and fixes the rail 58. For example, when the receiving antenna 54 passes over the sleeper 66 positioned above the cavity 64, the reflected wave 68 of the transmission radio wave 60 from the cavity 64 is grounded on the lower surface of the sleeper 66. The reflected wave 68 is reflected to the inside, and the reflected wave 68 does not enter the receiving antenna 54, and the cavity 64 cannot be detected.
[0006]
When the transmission antenna 52 passes through the sleeper 66, the transmission radio wave 60 emitted from the transmission antenna 52 is reflected by the sleeper 66, and the transmission radio wave 60 is not radiated to the ground 62, and the cavity 64 cannot be detected. That is, when the

antennas

52 and 54 are scanned along the rail 58, the obtained image is such that the lower part of the sleeper 66 is shielded, and it is difficult to recognize the structure of the underground 62 from this.
[0007]
A first object of the present invention is to provide an optimum multipath ground penetrating radar system for detecting a cavity under a track surface.
A second object of the present invention is to provide a system capable of preventing some paths from being affected by sleepers regardless of the position of the antenna system.
A third object of the present invention is to obtain a system that can acquire an image that greatly reduces the influence of sleepers.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the inspection method under the railroad track according to the present invention moves the array antenna while moving the array antenna in which the transmitting antenna element array and the receiving antenna element array are arranged along the railroad track. The array is generated by emitting radio waves toward the bottom of the track board while switching a plurality of transmission antenna elements for each unit, and repeating the operation of switching reception by a plurality of reception antenna elements for each transmission from each transmission antenna element. Pulse echo data is generated based on parameters of the antenna traveling direction, transmission / reception distance, and time, and a two-dimensional cross-sectional image below the track board is generated for detection.
[0009]
Further, the track board inspection apparatus according to the present invention has an array antenna in which a transmitting antenna element array and a receiving antenna element array are arranged along the track on a traveling body of a railroad track, and the transmitting antenna element group is element-by-element. A transmission antenna switching means for switching and a reception antenna switching means for switching a group of reception antenna elements in units of elements, and a reflected wave of a radio wave emitted from a transmission antenna element selected for each switching process by the transmission antenna switching means. Computation for obtaining a two-dimensional image data under the track board from a received signal at the receiving antenna element, having a control means for sending a signal for switching the processing to be received simultaneously by a plurality of receiving antenna elements for each transmitting antenna element Means, and image display means for inputting the image data from the calculation means and displaying a two-dimensional image under the track board. That.
[0010]
[Action]
In the present invention as described above, a transmission antenna element array that can have a plurality of transmission antenna elements and a reception antenna element array that has a plurality of reception antenna elements are moved along the railroad track. Since the transmitting antenna elements are sequentially switched to radiate radio waves and the reflected waves are received by the receiving antenna elements in the receiving antenna element array, some of the transmitting antenna elements or some of the receiving antenna elements are sleepers. Even if it exists above, the other transmitting antenna element can radiate radio waves into the ground, and the other receiving antenna element can receive the reflected wave. Even if it exists, it is possible to reliably detect a cavity or the like without being affected by sleepers.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A specific embodiment of a track board inspection apparatus according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. In the following embodiments, a case where the present invention is applied to a cavity inspection under a track board will be described.
[0012]
As shown in FIG. 1 (2), the cavity inspection apparatus which is an inspection apparatus under the track board according to the present embodiment is an apparatus for detecting a cavity 64 or the like in the ground under the track board. The overall configuration of the apparatus can be represented by a block diagram as shown in FIG. The cavity inspection apparatus 1 includes a radar main body 10 and an array antenna 34. The array antenna 34 includes a transmission antenna element array 18 and a reception antenna element array 20. The radar main body 10 includes a transmission unit and a reception unit. The transmission unit outputs to the transmission antenna element array 18 via the oscillator 12, the directional coupler 14, and the amplifier 16, and the reception unit receives the reception antenna element array 20. Is amplified by an amplifier 22 and a necessary received signal is obtained via a mixer 24 and a filter 26.
[0013]
The transmitting antenna element array 18 is configured by arranging n receiving antenna elements 18i (i = 1, 2, 3,..., N) in a line. The receiving antenna element array 20 is configured by arranging n receiving antenna elements 20i (i = 1, 2, 3,..., N) in a line. The transmitting antenna element 18i and the receiving antenna element 20i are arrayed side by side, and the antenna elements 18i and 20i are all selected as a transmission / reception pair.
[0014]
A transmission antenna switch (SPNT switch) 28 and a receive antenna switch (SPNT switch) 30 are provided to perform a process of selecting all the combinations as a transmission / reception pair. The detection radio wave 42 is radiated to the ground 62 by the selected transmission antenna element 18i, and all the reception antenna elements 20i receive the reflected wave 44 during transmission by the selected transmission antenna element 18i. The reception antenna switch 20 switches the reception antenna element 20i, and after the reception work by all the reception antennas 20i is completed, the transmission antenna element 18i (i = 1, 2, 3,..., N) is adjacent to the next. The transmission antenna element 18 (i + 1) is switched. This switching control is performed by the switching circuit of the system control circuit 32 that performs overall control of the radar main body 10.
[0015]
Here, the array antenna 34 composed of the transmission antenna element array 18 and the reception antenna element array 20 includes a transmission antenna element 18i and a reception antenna element array 20i arranged along a railroad track (rail) 36. Is moving in orbit. The array antenna 34 is mounted on a carriage (not shown) so that the transmission / reception surfaces of the antenna elements 18i and 20i face the track board, and these are integrated into the track laying direction as indicated by an arrow A in FIG. The area below the track board along the track line to be measured is covered by moving. In this case, as shown in FIG. 1A, the arrangement interval of the antenna elements 18i and 20i is set to be smaller than the interval of the sleepers 38 supporting the rail 36, and the entire length of the array antenna 34 is set. The length may be set so as to extend over a plurality of sleepers 38.
[0016]
In FIG. 1B, the transmitting antenna element 18i of the transmitting antenna element array 18 and the receiving antenna 20i of the receiving antenna element array 20 are shown in a line for convenience.
[0017]
By moving the array antenna 34 along the element arrangement direction (orbital direction) and causing the

antenna switchers

28 and 30 to select all combinations as transmission / reception pairs, Pulse echo data can be obtained for an arbitrary pair selected one by one. In the case of the embodiment, the output frequency of the oscillator 12 is a wide band from about 100 MHz to 1.5 GHz so that a baseband pulse can be obtained. Or you may use the FMCW system which generates the frequency of this range in order (In this case, a Fourier transformation is used for a frequency-> time). FIG. 2 shows antenna element switching timing and radar operation timing in the case of the FMCW system. In FIG. 2, in order to facilitate understanding, the transmitting antenna elements 18i and the receiving antenna elements 20i are alternately arranged on the same straight line.
[0018]
The system control circuit 32 of the cavity inspection apparatus 1 outputs a traveling direction trigger pulse a for each predetermined movement distance when the array antenna 34 moves as indicated by an arrow A based on an output signal of a distance sensor (not shown). It has become. As shown in detail in FIG. 2, the system control circuit 32 outputs a signal b for sequentially switching all the transmission antenna elements 18 n to the transmission antenna switch 28 for one pulse of the traveling direction trigger pulse a. Further, the system control circuit 32 outputs a signal c for sequentially switching all the reception antenna elements 20n to the reception antenna switch 30 for each pulse of each transmission antenna switching signal b. Further, the system control circuit 32 controls the oscillator 12 in synchronization with each reception antenna switching signal c, and changes the frequency of the transmission signal output from the oscillator 12 into a mountain shape.
[0019]
The system control circuit 32 performs data transfer to the analysis processing unit 40 together with each trigger signal and transmission frequency switching signal together with the input measurement signal. The analysis processing unit 40 includes the following sensor image processing software. In FIG. 3, the antenna elements 18 i and 20 i of the array antenna 34 are arranged in the y-axis direction that is the traveling direction of the array antenna 34. When the transmission point of the detection radio wave 42 is P ₁ (x, y ₁ , z), the reception point is P ₂ (x, y ₂ , z), and the reflection point is Q (x, η, ζ), The route is P ₁ → Q → P ₂ . The following method may be used to obtain an image of the YZ section.
[0020]
That is, all the propagation data passing through the point Q out of all the data obtained as a result of the movement of the array antenna 34 is corrected after delay time correction considering the propagation time, and then superposed. The radar reception signal φ can be written as follows if there is no radio wave attenuation.
[Expression 1]

[0021]
Here, r _i , t _i , and w (t) are a reflection coefficient, a round-trip time to a radio wave reflection point, and a radar pulse waveform, respectively. There is a time delay t _i corresponding to the distance to each reflection point in the object. Here, the reflection coefficient depends on η and ζ in FIG. The number of such time series data corresponding to the degrees of freedom of y ₁ and y ₂ is measured. In order to reconstruct the image, P ₁ , P ₂ and Q are first selected in FIG. In this selection, in order to detect the cavity 64 below the sleeper 38, the change in the X direction in the direction perpendicular to the Y direction, which is the laying direction of the rail 36, is ignored, and four independent variables (y ₁ , y ₂ , There are four degrees of freedom corresponding to η, ζ). Radar time series data ψ (t) corresponds to each set of variables. The reflection amplitude at the point Q is calculated from the measurement time series waveform ψ (t) corresponding to the radio wave propagation path (P ₁ → Q → P ₂ ) by calculating the time required for this propagation and assigned to the point Q. By performing this operation for the above four independent variables and adding the numerical values assigned to each point for each point, the image can be reconstructed.
[0022]
Therefore, the position of the transmitting antenna element is (x, y ₁ , z), the position of the receiving antenna element is (x, y ₂ , z), and the point Q (the position of the cavity 64) in the medium (underground) is (x , Η, ζ)
[Expression 2]

[Equation 3]

[0023]
The propagation time t _P1 → _Q → _P2 of P ₁ → Q → P ₂ is
[Expression 4]

It becomes. Here, c is the velocity in the radio wave substance.
[0024]
The value Ω assigned to the point Q at this time is
[Equation 5]

It becomes. To obtain a two-dimensional image, summing up y ₁ and y _{2 and} letting the two-dimensional video function be Φ (η, ζ),
[Formula 6]

You can ask for.
[0025]
A cavity inspection simulation was performed by the cavity inspection apparatus 1 having the above configuration. In this simulation, an object to be inspected is buried instead of a cavity at a depth of 70 cm in the ground, sleepers 38 are arranged at an interval of 50 cm on the ground surface, and an antenna scanning line is placed at a height of 10 cm from the ground surface. Set. The sleepers 38 were made of concrete that is usually commercially available. Prior to the cavity inspection simulation, the radio wave transmission through the sleepers 38 was examined. FIG. 4 shows the results for a single pair system (radar having a pair of antennas for transmission and reception) in which transmission and reception antennas are arranged in the x direction.
[0026]
The horizontal axis in FIG. 4 indicates the distance (unit: cm) with an arbitrary one center among the plurality of sleepers 38 arranged in parallel in the direction in which the antenna is moved, and the vertical axis indicates the radio wave transmission intensity. In this case, the case where the radio wave is completely transmitted is “1”, and the case where the radio wave is completely shielded is “0”. As is apparent from the figure, it can be seen that radio waves are completely shielded by the sleepers 38 where the sleepers 38 arranged at intervals of 50 cm exist.
[0027]
FIG. 5 shows the result of the cavity inspection simulation in which the sleepers and the object to be inspected are arranged as described above. FIG. 5 shows the result of simulation using an array antenna 34 composed of a transmitting antenna element array 18 and a receiving antenna element array 20 each having seven antenna elements (element spacing 25 cm). FIG. 5 compares the detected reflection amplitude (reflected wave intensity) between the single pair method and the multipath radar when the sleeper 38 is present, compared with the case where the sleeper 38 is not present.
[0028]
The horizontal axis in FIG. 5 indicates the distance (unit: cm) from the buried object to be inspected, and the vertical axis indicates the intensity of radio wave reflection. The maximum reflected wave intensity when there is no sleeper is “1”. It is said. 5 represents the reflected wave intensity when the sleepers 38 are not installed, the curve β represents the reflected wave intensity by the multipath system in which seven transmitting / receiving antenna elements are provided, and the curve γ is the single pair system. The reflected wave intensity by is shown. As apparent from FIG. 5, in the case of the multi-pulse method, as shown by the curve B, it can be seen that there is no significant drop in the detection amplitude of the reflected wave.
[0029]
In the case of a ground penetrating radar, an operator determines the structure in the ground using a cross-sectional view (usually indicated as B mode, with the horizontal axis indicating the direction of travel of the sensor and the vertical axis indicating the depth direction). It is clear from the figure how the above affects the B-mode image. In the multipath method, data is always obtained by any pair of the transmitting and receiving antenna elements 18i and 20i, and there is no data loss. It can be seen that good data can be obtained. Therefore, a clear image under the track board can be obtained. On the other hand, in a single-pair method such as a conventional ground penetrating radar, data loss occurs at a position where the sleeper 38 exists as shown by a curve C, and a cavity 64 exists below the sleeper 38. Can not be detected.
[0030]
As described above, the cavity inspection apparatus 1 according to the present embodiment employs a multipath ground penetrating radar system that is considered to be effective for inspecting a cavity under the railroad track. The sleepers 38 on the track board can solve the problem while the radar data can be lost.
[0031]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, a plurality of transmission antenna elements are arranged for each moving unit of the array antenna while moving the array antenna in which the transmission antenna element array and the reception antenna element array are arranged along the railway track. The radio waves are emitted toward the bottom of the track board while switching, and by repeating the operation of switching and receiving with a plurality of receiving antenna elements for each transmission from each transmitting antenna element, the traveling direction, transmission / reception distance and time of the array antenna Since the pulse echo data is generated with the parameters, and the two-dimensional cross-sectional image under the track board is generated from this data to detect the cavity, the cavity under the track board etc. Can be detected without being affected by sleepers, and the detection cavity can be displayed at high speed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a configuration of a track board inspection apparatus according to an embodiment.
FIG. 2 is an explanatory diagram of antenna element switching timing.
FIG. 3 is an explanatory diagram of an image reproduction process according to the present embodiment.
FIG. 4 is a diagram showing the results of a radio wave transmission test with respect to sleepers.
FIG. 5 is a clear diagram showing a result of a cavity inspection simulation by the apparatus according to the embodiment.
FIG. 6 is an explanatory diagram of a conventional cavity inspection method using a ground penetrating radar.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ......... Cavity inspection apparatus, 10 ......... Radar body, 12 ......... Oscillator, 14 .... Directional coupler, 18 .... Transmission antenna element row, 18i ......... Transmission antenna element, 20 ... ... Receiving antenna element row, 20i ......... Receiving antenna element, 24 ......... Mixer, 26 ......... Filter, 28 ......... Transmitting antenna switch, 30 ......... Receiving antenna switch, 32 ......... System control Circuit, 34 ... Array antenna, 36 ... Rail, 38 ... Sleeper, 40 ... Analysis processing section.

Claims

While moving the array antenna arrayed with the transmitting antenna element array and the receiving antenna element array along the railroad track, moving the track toward the bottom of the track board while switching a plurality of transmitting antenna elements for each unit of movement of the array antenna While firing, by repeating the work of switching and receiving with a plurality of receiving antenna elements for each transmission from each transmitting antenna element, to generate pulse echo data by the parameters of the traveling direction of the array antenna, the transmission / reception distance and time, A method for inspecting under the railroad track, wherein a detection is performed by generating a two-dimensional cross-sectional image under the railroad track from this data.

A traveling body of a railroad track has an array antenna in which a transmission antenna element array and a reception antenna element array are arranged along the track, and the transmission antenna switching means for switching the transmission antenna element group element by element and the reception antenna element group by element element Receiving antenna switching means for switching at the same time, and receiving a reflected wave of a radio wave emitted from a transmission antenna element selected for each switching process by the transmission antenna switching means simultaneously or sequentially by a plurality of receiving antenna elements. Control means for transmitting a signal to be switched in units of the transmission antenna elements, calculation means for obtaining two-dimensional image data under the track board from the reception signal at the reception antenna element, and image data by the calculation means are input And an image display means for displaying a two-dimensional image under the track board.