JP4376391B2 - 地中探査レーダ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地中に埋設されたたとえば管などの地中埋設物の位置を探査する際に、電磁波を放射および受信するために用いられる地中探査レーダ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
地中埋設物を探査するための先行技術は、地表面から土壌中に電磁波を放射する送信アンテナと、地中埋設物による反射波を受信する受信アンテナとを備え、送信アンテナから電磁波を放射した後、受信アンテナで地中埋設物による反射波を受信するまでの時間に対応した地中埋設物の深さを検出する。このような用途に用いられるアンテナとしては、従来では、単一の送信アンテナと単一の受信アンテナとが対を成して配置されて構成される。
【０００３】
このような先行技術では、地中埋設物の位置を正確に検出するために、埋設物が埋設されている土壌の表面を、走査する位置を、走査方向に垂直にずらしながら、複数回走査して探査する必要がある。したがって地中埋設物の位置を迅速に探査することができない。またその走査方向に垂直な位置を正確に把握できなければ、埋設位置を正確に検出することができないという問題もある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、地中埋設物の位置を迅速に、しかも正確に検出することができるようにした地中探査レーダ装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、土壌１２の表面に沿って走査方向２０に移動する地中探査レーダ装置において、
（ａ）地中探査レーダ用アンテナ１であって、
（ａ１）アンテナハウジング２であって、
導電性材料から成り、
電気的に接地され、
底板２５と、
底板２５に連なり、走査方向２０に垂直な前後の側壁２７，２８と、
底板２５と前後の側壁２７，２８とに連なり、走査方向２０に平行な左右の端壁３１，３２とによって、
下方の土壌に臨んで開放した収納空間３を形成し、
収納空間３を、走査方向２０の前後に仕切る第１仕切り壁８と、
収納空間３の第１仕切り壁８よりも走査方向２０前方で、第１部分収納空間４ａを形成する左右一対の第２仕切り壁１００ａと、
収納空間３の第１仕切り壁８よりも走査方向２０後方で、走査方向２０に垂直な方向に左右に仕切り、第１部分収納空間４ａと平行に延びる第２および第３部分収納空間４ｃ，４ｄを形成する第３仕切り壁１００ｃとを有するアンテナハウジング２と、
（ａ２）同一構造を有する第１〜第３アンテナ素子１ａ，１ｃ，１ｄであって、
（ａ２−１）第１アンテナ素子１ａは、
第１部分収納空間４ａ内で、
共通な一直線上に軸線を有して細長く延び、相互の近接した各一端部を第１給電点３６ａとする一対の第１導体５ａ，６ａと、
第１導体５ａ，６ａの相互の離間した各他端部と各第２仕切り壁１００ａとの間にそれぞれ介在される第１インピーダンス素子３９ａ，４０ａとを有し、
（ａ２−２）第２アンテナ素子１ｃは、
第２部分収納空間４ｃ内で、
共通な一直線上に軸線を有して細長く延び、相互の近接した各一端部を第２給電点３６ｃとする一対の第２導体５ｃ，６ｃと、
第２導体５ｃ，６ｃの相互の離間した各他端部ならびに一方の端壁３１および第３仕切り壁１００ｃの間にそれぞれ介在される第２インピーダンス素子３９ｃ，４０ｃとを有し、
（ａ２−３）第３アンテナ素子１ｄは、
第３部分収納空間４ｄ内で、
共通な一直線上に軸線を有して細長く延び、相互の近接した各一端部を第３給電点３６ｄとする一対の第３導体５ｄ，６ｄと、
第３導体５ｄ，６ｄの相互の離間した各他端部ならびに他方の端壁３２および第３仕切り壁１００ｃとの間にそれぞれ介在される第３インピーダンス素子４０ｄ，３９ｄとを有し、
（ａ２−４）第１〜第３部分収納空間４ａ，４ｃ，４ｄには、誘電体１０がそれぞれ充填され、
第１〜第３導体５ａ，６ａ；５ｃ，６ｃ；５ｄ，６ｄは、金属製直円筒状の管であり、
使用される送信信号の周波数の波長をλとするとき、長さλ／２に選ばれ、
第１導体５ａ，６ａならびに第２および第３導体５ｃ，６ｃ；５ｄ，６ｄは、一水平面内で相互に平行であり、
第１給電点３６ａに関して第２および第３給電点３６ｃ，３６ｄは、走査方向２０に垂直な方向に距離（Ｌ１，Ｌ２）λ／２だけ左右にずれて配置され、
第１〜第３インピーダンス素子３９ａ，４０ａ；３９ｃ，４０ｃ；３９ｄ，４０ｄのインピーダンスは、受信信号のリンギングを抑制する値に選ばれる地中探査レーダ用アンテナ１と、
（ｂ）第１〜第３アンテナ素子１ａ，１ｃ，１ｄにパルス状送信信号を一定の時間Ｗ１で切換えて時間順次的にそれぞれ与えて駆動するとともに、反射波の受信信号をパルス状送信信号を与えたアンテナ素子１ａ，１ｃ，１ｄと同じアンテナ素子１ａ，１ｃ，１ｄによって受信して導出するアンテナ駆動手段１６，１７，６１，６７，７１〜７３と、
（ｃ）第１〜第３アンテナ素子１ａ，１ｃ，１ｄ毎の送信信号と受信信号との各時間差ΔＷ１〜ΔＷ３に対応する地中埋設物の距離を演算し、その距離に基づいて、地中埋設物の位置を検出する演算手段１８とを含むことを特徴とする地中探査レーダ装置である。
【０００６】
本発明に従えば、図１２および図１３に関連して後述されるように、送受信兼用の複数の各アンテナ素子から、パルス状送信信号が土壌に放射され、地中埋設物によって反射された反射波を、そのパルス状送信信号が与えられたアンテナ素子によって受信し、これらのアンテナ素子は、走査方向２０に垂直な方向（図１２の左右方向）に相互にずれて配置される。このことにより、従来の一対の送受信アンテナの組合せしか持たないシステムに比べ、たとえば図１２の場合のように３つのアンテナ素子の組合せの方が１回の走査で３倍のライン数を走査方向２０に探査することになり、１回の走査で広い範囲にわたって、効率的に作業を行うことができることになる。
【０００７】
【０００８】
【０００９】
【００１０】
【００１１】
【００１２】
【００１３】
【００１４】
【００１５】
【００１６】
【００１７】
【００１８】
【００１９】
【００２０】
【００２１】
【００２２】
【００２３】
【００２５】
【００２７】
本発明に従えば、アンテナ素子の給電点が走査方向２０に垂直な方向にずれており、したがって分解能を向上して地中埋設物の位置を検出することができる。
【００２８】
【００２９】
【００３１】
本発明に従えば、図１２および図１３のように、送受信のためにアンテナ素子を兼用し、パルス状送信信号を与えたアンテナ素子からの地中埋設物による反射波を受信し、地中埋設物の位置を迅速にかつ正確に検出して探査すること可能になる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の参考例の地中探査レーダ用アンテナ１の底面図である。この地中探査レーダ用アンテナ１は、土壌に電磁波を放射する単一の送信アンテナ素子１ａと、地中埋設物による反射波を受信する複数（たとえば３つ）の受信アンテナ素子１ｂ，１ｃ，１ｄとを有する。なお、図１は図解を容易にするため、後述の図２および図３に示される誘電体１０ａ〜１０ｄを省略して示されている。
【００３３】
図２は、図１の切断面線ＩＩ−ＩＩから見た断面図である。図３は、図１の切断面線ＩＩＩ−ＩＩＩから見た断面図である。地中探査レーダ用アンテナ１は、アンテナハウジング２と、このアンテナハウジング２に設けられる単一の送信アンテナ素子１ａと３つの受信アンテナ素子１ｂ〜１ｄとを含む。アンテナハウジング２は、下方（図１の紙面の上方、図２および図３の下方）の土壌に臨んで開放した収納空間３を有する。この収納空間３は、仕切り壁７〜９によって走査方向２０に垂直な方向（図1、および後述の図１２の左右方向に平行に延びる部分収納空間４ａ〜４ｄに仕切られている。各部分収納空間４ａ〜４ｄには、送信アンテナ素子１ａおよび受信アンテナ素子１ｂ〜１ｄをそれぞれ構成する合計４組の各対を成す導体５ａ，６ａ；５ｂ，６ｂ；５ｃ，６ｃ；５ｄ，６ｄと、これらの部分収納空間４ａ〜４ｄにそれぞれ充填される誘電体１０ａ〜１０ｄと、さらに抵抗などのインピーダンス素子３９ａ，４０ａ；３９ｂ，４０ｂ；３９ｃ，４０ｃ；３９ｄ，４０ｄとが収納される。参照符の添え字ａ〜ｄを省略して、総括的に数字だけで示すことがある。
【００３４】
図４は、図１、図２および図３に示される地中探査レーダ用アンテナ１が用いられる地中探査レーダ装置１１の全体の電気的構成を示すブロック図である。土壌１２には、ガスなどの流体を輸送する鋼管などの地中埋設物体である管１３が埋設される。地上では、この管１３の探査を行うために、送信アンテナ素子１ａから電磁波が参照符１４で示されるように土壌１２に向けて放射される。送信アンテナ素子１ａから放射された電磁波１４は、地中埋設管１３によって反射され、その反射波１５は、受信アンテナ素子１ｂ〜１ｄによって受信される。
【００３５】
送信アンテナ素子１ａには、送信回路１６から、たとえば中心周波数が１００ＭＨｚ〜７００ＭＨｚの図５（１）に示される波形を有する複数のパルス状送信信号５４が時間順次的に与えられる。受信アンテナ素子１ｂ〜１ｄは、管１３による反射波１５ｂ〜１５ｄを受信する。これらの受信アンテナ素子１ｂ〜１ｄの各出力は、切換え回路６１を介して受信回路１７に与える。図５（２）は、受信アンテナ素子１ｂによって受信された受信信号１５ｂが、切換え回路６１を介して受信回路１７に与えられる画像を示す。図５（３）は、受信アンテナ素子１ｃによって受信された受信信号１５ｃが切換え回路６１を介して受信回路１７に与えられる画像を示す。図５（４）は、受信アンテナ素子１ｄによって受信された受信信号１５ｄが切換え回路６１を介して受信回路１７に与えられる画像を示す。切換え回路６１はこのように、送信回路１６からの電磁波５４が放射される周期Ｗ１毎に、受信アンテナ素子１ｂ〜１ｄの各出力を順次的に切換えて受信回路１７に与える。この受信信号１５ｂ〜１５ｄは、送信アンテナ素子１ａによる電磁波の放射直後の第１信号成分５５と、その第１信号成分５５の受信後に得られる管１３の反射による第２信号成分５６とを含む。第１信号成分５５は、送信アンテナ素子１ａから、受信アンテナ素子１ｂ〜１ｄに直接に伝搬した直接波と、送信アンテナ素子１ａから土壌１２の地表面で反射して受信アンテナ素子１ｂ〜１ｄによって受信された地表面の反射波とを含む。
【００３６】
送信アンテナ素子１ａに図５（１）に示されるパルス状送信信号５４が与えられ、これによって電磁波が土壌１２に向けて放射される。受信アンテナ素子１ｂによって図５（２）で示される受信信号に含まれる第２信号成分５６ｂが得られるまでの時間差ΔＷ１は、管１３のアンテナ１からの距離に対応し、したがって土壌１２の管１３の深さに対応する。処理回路１８は、マイグレーション処理を用いるなどして演算し、管１３の深さおよび走査方向における距離Ｘ1を求めるようにしてもよい。土壌１２の地表面上を、移動体１９が導体５，６の長手方向（図１の左右方向）に垂直な走査方向（図１の上下方向）である矢符２０で示されるように移動し、管１３を地表面で横切ることによって、管１３を含む土壌１２の鉛直面内での断面の原画像を図５（２）〜図５（４）のごとく得ることができ、表示手段２１で表示することができる。同様にして受信アンテナ素子１ｃ，１ｄによる管１３の第２信号成分５６ｃ，５６ｄの時間差ΔＷ２，ΔＷ３によって、管１３の深さ、走査方向における距離Ｘ2，Ｘ3をそれぞれ検出することができる。
【００３７】
表示手段２１は、たとえば液晶または陰極線管などによって実現される。処理回路１８には、キーボードなどの入力手段２２が接続され、また前記画像などをストアするメモリ２３が接続される。移動体１９には車輪が設けられ、土壌１２の地表面を走行することができる。この移動体１９の移動量を移動距離測定手段によって測定し、各移動位置毎に地中埋設管１３の深さを検出することによって、前述のように土壌１２の断面画像を得ることができる。
【００３８】
再び図１、図２および図３を参照して、アンテナハウジング２は、底板２５と、底板２５に連なり導体５，６と平行に延びる走査方向２０に垂直な前後の両側壁２７，２８と、さらに側壁２７，２８に連なり、導体５，６の軸線に垂直に延びる走査方向２０に平行な左右の両端壁３１，３２とを含む。これらの底板２５と側壁２７，２８と各端壁３１，３２と仕切り壁７〜９，１００ａ〜１００ｄとは、電気的に接地される。送信アンテナ素子１ａ内の部分収納空間４ａ内で、一対の導体５ａ，６ａは、共通な一直線３３上にそれぞれ軸線を有して延びる。導体５ａ，６ａの近接した各一端部３４ａ，３５ａは、給電点３６ａに接続される。導体５ａ，６ａの他端部３７ａ，３８ａは、インピーダンス素子３９ａ，４０ａを介して端壁３１，３２にそれぞれ接続される。仕切り壁１００ａは、収納空間３の仕切り壁８よりも走査方向２０前方（図１、および後述の図１２の上方）で、左右一対設けられて、部分収納空間４ａを形成する。仕切り壁１００ｃは、収納空間３の仕切り壁８よりも走査方向２０後方（図１、および後述の図１２の下方）で、走査方向２０に垂直な方向に左右に仕切り、部分収納空間４ａと平行に延びる部分収納空間４ｃ，４ｄを形成する。
【００３９】
受信アンテナ素子１ｂ，１ｃ，１ｄもまた、同様な構成を有し、各アンテナ素子１ａ〜１ｄを構成する一対の導体５，６の軸線は、それらの導体５，６の長手方向に垂直（図１の上下方向）にずれており、かつ一水平面内で相互に平行である。導体５，６は同一形状を有し、その軸線方向の長さは同一である。各アンテナ素子１ａ〜１ｄの導体５，６は、使用される送信信号の周波数の波長をλとするとき、λ／２に選ばれる。これらの導体５，６の長手方向（すなわち走査方向２０に垂直な方向）に沿って、送信アンテナ素子１ａと受信アンテナ素子１ｂとは同一位置にあり、受信アンテナ素子１ｃ，１ｄは、導体５，６の長さの距離λ／２だけ相互にずれて配置される。すなわち給電点３６ａ，３６ｂは、導体５，６の長手方向に同一位置にあり、給電点３６ｃ，３６ｄは、λ／２ずつずれて配置される。
【００４０】
したがって一対の送信アンテナ素子１ａと受信アンテナ素子１ｂとの各給電点３６ａ，３６ｂ間を結ぶ線分の中点（すなわち見掛けの送受信点）６３ａは、図１の直線６３上にあり、したがってこれらの送受信アンテナ素子１ａ，１ｂによる探査領域は、直線６３の図１における左右両側に拡がる。一対の送信アンテナ素子１ａと受信アンテナ素子１ｃとの各給電点３６ａ，３６ｃ間を結ぶ線分の中点（すなわち見掛けの送受信点）６４ａは、図１の直線６４上にあり、したがってこれらの送受信アンテナ素子１ａ，１ｃによる探査領域は、直線６４の左右両側に拡がる。また同様にして一対の送信アンテナ素子１ａと受信アンテナ素子１ｄとの各給電点３６ａ，３６ｄ間を結ぶ線分の中点（すなわち見掛けの送受信点）６５ａは、図１の直線６５上にあり、したがってこれらの送受信アンテナ素子１ａ，１ｄによる探査範囲は、直線６５の左右に拡がる。このようにして各受信アンテナ素子１ｂ〜１ｄからの受信信号によって管１３の位置を、一度にできるだけ高い分解能で探査することができるようになる。すなわち各受信アンテナ素子１ｂ〜１ｄによって検出された深さおよび走査方向の距離は、位置６３，６４，６５からの深さ、平面位置とみなして管１３の３次元位置を知ることができるようになる。
【００４１】
収納空間３を構成する各部分収納空間４ａ〜４ｄには、発泡スチロールなどの誘電体１０が充填される。こうして導体５，６は、底板２５と開放端４２との間で、誘電体１０によって保持される。
【００４２】
本発明の参考例では、誘電体１０の導体６に関して底板２５側の厚みｄ１と、開放端４２側の厚みｄ２とは、たとえば等しく、ｄ１＝ｄ２＝約２ｃｍであり、したがって誘電体１０の全体の厚みは、約４ｃｍである。たとえば導体５，６の長さＬ５＝Ｌ６＝約１６ｃｍである。たとえばアンテナハウジング２の導体５，６の軸線方向の長さＬ２１＝３８ｃｍであり、導体５，６の軸線に垂直方向の長さＬ２２＝２６ｃｍであってもよい。
【００４３】
導体５，６は、銅などの金属製である直円筒体の管である。この導体５，６の外径５ｍｍφであり、肉厚１ｍｍであってもよい。導体５，６が直円筒状であるので、断面２次モーメントが大きく、強度が向上され、外力によって変形することが防がれる。
【００４４】
図１〜図３に示される地中探査レーダ用アンテナ１は、先行技術であるボータイアンテナに比べて構成が細長い形状であるので、小形化され得る。
【００４５】
図６は、図１〜図５に示される本発明の参考例における処理回路１８の動作を説明するためのフローチャートである。ステップａ１からステップａ２に移り、ｉ＝１とし、次のステップａ３に移る。送信回路１６は、送信アンテナ素子１ａに、前述の図５（１）に示されるパルス状送信信号５４を、一定の周期で与える。切換え回路６１は、各送信信号５４毎に、時間Ｗ１ずつ、受信アンテナ素子１ｂ〜１ｄからの出力を切換えて受信回路１７に与える。ステップａ４では、送信信号５４が送信されてから受信信号５６ｂが受信されるまでの時間ΔＷ１に反射信号を持つ画像が、処理回路１８で演算される。
【００４６】
ステップａ５では、ｉを１だけインクリメントし、再びステップａ３に戻る。このような動作を繰返し、受信アンテナ素子１ｃ，１ｄによって検出される時間ΔＷ２，ΔＷ３を、処理回路１８で演算する。こうして受信アンテナ素子１ｂ〜１ｄからの出力によって、時間ΔＷ１〜ΔＷ３を演算した後、ステップａ６からステップａ６１に移り、移動体１９の走査が終了していれば、ステップａ７に移り、管１３の３次元の位置を演算して求める。前記走査が終了していなければ、ステップａ６１からステップａ２に戻り、再び他の走査位置での時間差ΔＷ１〜ΔＷ３の値も計測し、メモリ２３に蓄積する。
【００４７】
図７は、本発明の他の参考例の地中探査レーダ用アンテナ１が用いられる地中探査レーダ装置１１の全体の電気的構成を示すブロック図である。この参考例は、前述の図１〜図６に示される参考例に類似し、対応する部分には同一の参照符を付す。注目すべきはこの参考例では、地中探査レーダ用アンテナにおいて、単一の受信アンテナ素子１ａと、複数（この参考例ではたとえば３）の送信アンテナ素子１ｂ〜１ｄとが用いられる。これらの各送信アンテナ素子１ｂ〜１ｄには、送信回路１６から切換え回路６７を介して、図８（１）〜図８（３）にそれぞれ示されるパルス状送信信号５４ｂ〜５４ｄが時間順次的にそれぞれ与えられる。これによって各送信アンテナ素子１ｂ〜１ｄからは電磁波１４ｂ〜１４ｄが放射される。
【００４８】
管１３による反射波１５は、共通の受信アンテナ素子１ａで受信され、受信信号が受信回路１７に与えられる。管１３の反射波による受信信号５６ａ１〜５６ａ３が検出されるまでの各送信信号５４ｂ〜５４ｄの放射からの時間ΔＷ１〜ΔＷ３は、処理回路１８において前述と同様にして検出される。これによって各時間ΔＷ１〜ΔＷ３に対応した各送信アンテナ素子１ｂ〜１ｄに対応する深さを検出し、したがって管１３の３次元の位置を検出することができる。そのほかの構成と動作は、前述の図１〜図６の参考例と同様である。
【００４９】
図９は、本発明の他の参考例の地中探査レーダ用アンテナ１の底面図である。この参考例は、前述の図１に示される地中探査レーダ用アンテナ１に対応する。単一の送信アンテナ素子１ａと複数（たとえば３）の受信アンテナ素子１ｂ〜１ｄとがアンテナハウジング２内の収納空間３の部分収納空間４ａ〜４ｃに収納される。これらの各アンテナ素子１ａ〜１ｄは、導体５，６の長手方向（図９の左右方向）に垂直（図９の上下方向）にずれて配置されている。送信アンテナ素子１ａと受信アンテナ素子１ｂとの導体５，６の長手方向の位置は一致しており、部分収納空間４ａ，４ｂにそれぞれ配置される。残りの２つの受信アンテナ素子１ｃ，１ｄは、導体５，６の長手方向に、使用される周波数の波長λとするとき、λ／２だけ、送信アンテナ素子１ａの給電点３６ａに関して図９の左右にずれて配置される。すなわち、図９の地中探査レーダ用アンテナ１の左右の中央位置に関してアンテナ素子１ｃ，１ｄの給電点３６ｃ，３６ｄは、距離Ｌ１，Ｌ２を隔てて配置され、Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌ５＝Ｌ６＝λ／２に選ばれる。
【００５０】
このような構成によってもまた、前述の図１〜図６に関連して前述した本発明の参考例と同様に、良好な分解能で、地中埋設物の探査を行うことができる。本発明の他の参考例では、前述の図７および図８の参考例と同様に、図９の地中探査レーダ用アンテナ１において、単一の受信アンテナ素子１ａと複数の送信アンテナ素子１ｂ〜１ｄを用いるようにしてもよい。
【００５１】
本発明の他の参考例では、複数のアンテナ素子が、導体５，６の長手方向に上述の各参考例とは異なる態様で、たとえば図１０のように送受一対の組が、配置されて構成されてもよい。図１０の参考例は、前述の図９の参考例に類似し、受信アンテナ素子１ａと送信アンテナ素子１ｂとが対を成し、受信アンテナ素子１ｃ１と送信アンテナ素子１ｃ２とが対を成し、受信アンテナ素子１ｄ１と送信アンテナ素子１ｄ２とが対を成し、このようにして複数（たとえば３）の組みを成す送受一対のアンテナ素子１ａ，１ｂ；１ｃ１，１ｃ２；１ｄ１，１ｄ２を用いて、走査方向２０の移動による探査を行う。アンテナ素子１ａ，１ｂの給電点３６ａ，３６ｂは、走査方向２０に垂直な方向（図１０の左右方向）に関して中央位置に設けられ、アンテナ素子１ｃ１，１ｃ２の給電点３６ｃ１，３６ｃ２は、図１０の右方に中央から距離Ｌ１だけ隔てられ、またアンテナ素子１ｂ１，１ｂ２の給電点３６ｄ１，３６ｄ２は、中央位置から図１０の左方に距離Ｌ２だけ隔てて配置される。用いられる周波数信号の波長をλとするとき、Ｌ１＝Ｌ２＝λ／２である。アンテナ素子１ｃ１，１ｃ２；１ｄ１，１ｄ２は、導体５ｃ１，６ｃ１；５ｃ２，６ｃ２：５ｂ１，６ｂ１；５ｄ２，６ｄ２を有する。図１０の参考例のそのほかの構成は、前述の図７〜図９の参考例に類似する。
【００５２】
図１１は、図１０に示される地中探査レーダ用アンテナ１が用いられる地中探査レーダ装置１１の全体の電気的構成を示すブロック図である。送信回路１６からは切換え回路６７を介して送信アンテナ素子１ｂ，１ｃ２，１ｄ２に、前述の図８（１）〜図８（３）にそれぞれ示されるパルス状送信信号を切換えて与え、地中埋設物による反射波を、受信アンテナ１ａ，１ｃ１，１ｄ１から切換え回路６１を介して受信回路１７に与える。切換え回路６７，６１は同期してスイッチング状態が切換わり、対を成す送受信アンテナ素子１ａ，１ｂ；１ｃ１，１ｃ２；１ｄ１，１ｄ２が用いられて、地中埋設物の探査が行われる。そのほかの構成と動作は、前述の参考例と同様である。
【００５３】
図１２は、本発明の実施の一形態の地中探査レーダ用アンテナ１の底面図である。送受信兼用の複数のアンテナ素子１ａ，１ｃ，１ｄが配置される。図１２の実施の形態は、前述の図１０および図１１の参考例に類似する。注目すべきはこの実施の形態では、アンテナ素子１ａ，１ｃ，１ｄは送信および受信を兼用する。アンテナ素子１ａに図８（１）の送信信号を与え、地中埋設物による反射波を、同一のアンテナ素子１ａで受信する。同様にしてアンテナ素子１ｃ，１ｂには、図８（２）および図８（３）にそれぞれ示される送信信号を与え、地中埋設物による反射波を、同一のアンテナ素子１ｃ，１ｄによってそれぞれ受信する。
そのほかの構成は、前述の参考例と同様である。すなわち部分収納空間４ａ，４ｃ，４ｄには、誘電体１０がそれぞれが充填される。アンテナ素子１ａは、部分収納空間４ａ内で、共通な一直線上に軸線を有して細長く延び、相互の近接した各一端部を給電点３６ａとする一対の導体５ａ，６ａと、導体５ａ，６ａの相互の離間した各他端部と各仕切り壁１００ａとの間にそれぞれ介在されるインピーダンス素子３９ａ，４０ａとを有する。アンテナ素子１ｃは、部分収納空間４ｃ内で、共通な一直線上に軸線を有して細長く延び、相互の近接した各一端部を給電点３６ｃとする一対の導体５ｃ，６ｃと、導体５ｃ，６ｃの相互の離間した各他端部ならびに一方の端壁３１および仕切り壁１００ｃの間にそれぞれ介在されるインピーダンス素子３９ｃ，４０ｃとを有する。アンテナ素子１ｄは、部分収納空間４ｄ内で、共通な一直線上に軸線を有して細長く延び、相互の近接した各一端部を給電点３６ｄとする一対の導体５ｄ，６ｄと、導体５ｄ，６ｄの相互の離間した各他端部ならびに他方の端壁３２および仕切り壁１００ｃとの間にそれぞれ介在されるインピーダンス素子４０ｄ，３９ｄとを有する。導体５ａ，６ａ；５ｃ，６ｃ；５ｄ，６ｄは、使用される送信信号の周波数の波長をλとするとき、長さλ／２に選ばれる。導体５ａ，６ａと、導体５ｃ，６ｃ；５ｄ，６ｄとは、一水平面内で相互に平行である。給電点３６ａに関して給電点３６ｃ，３６ｄは、走査方向２０に垂直な方向に距離（Ｌ１，Ｌ２）λ／２だけ左右にずれて配置される。インピーダンス素子３９ａ，４０ａ；３９ｃ，４０ｃ；３９ｄ，４０ｄのインピーダンスは、受信信号のリンギングを抑制する値に選ばれる。
【００５４】
図１３は、図１２に示される地中探査レーダ用アンテナ１を用いる地中探査レーダ装置１１の全体の電気的構成を示すブロック図である。送信回路１６からのパルス状送信信号は、切換え回路６７から方向性結合器７１，７２，７３をそれぞれ経て、アンテナ素子１ａ，１ｃ，１ｄにそれぞれ与えられ、電磁波が地中に放射される。地中埋設物による反射波は、これらのアンテナ素子１ａ，１ｃ，１ｄから方向性結合器７１，７２，７３を経て、前述の切換え回路６７と同期的に切換え動作するもう１つの切換え回路６１を経て受信回路１７に与えられる。方向性結合器７１，７２，７３は、たとえばサーキュレータなどによって実現することができる。そのほかの構成と動作は、前述の参考例と同様である。
本発明の参考例を述べる。
（１）土壌に臨んで配置され、パルス状送信信号が与えられる単一の送信アンテナ素子と、土壌に臨んで送信アンテナ素子とともにほぼ一平面内に配置される複数の受信アンテナ素子であって、各受信アンテナ素子は、走査方向に垂直な方向に相互にずれて配置され、送信アンテナ素子から放射されたパルス状送信信号が地中埋設物によって反射された反射波を受信する受信アンテナ素子とを含むことを特徴とする地中探査レーダ用アンテナ。
図１〜図６および図９に関連して前述されているように、単一の送信アンテナ素子から、パルス状送信信号が土壌に放射され、地中埋設物によって反射された反射波を、複数の受信アンテナ素子によって受信し、これらの受信アンテナ素子は、送信アンテナ素子とともにほぼ同一平面内に配置され、各受信アンテナ素子は、走査方向２０に垂直な方向に相互にずれて配置される。したがって一対の送信アンテナと受信アンテナとの各給電点間を結ぶ線分の直線の中点（見掛けの送受信点）６３，６４，６５（図１参照）が走査方向２０に垂直な方向（図１の左右方向）に相互にずれることになる。このことにより、従来の一対の送受信アンテナの組合せしか持たないシステムに比べ、たとえば図１の場合のように三対の送受信アンテナの組合せの方が１回の走査で３倍のライン数を走査方向２０に探査することになり、効率的に作業を行うことができることになる。
（２）土壌に臨んでほぼ一平面内で走査方向に垂直な方向に相互にずれて配置され、相互に異なるパルス状送信信号がそれぞれ与えられる複数の送信アンテナ素子と、土壌に臨んで、前記一平面内に配置され、各送信アンテナ素子から放射されたパルス状送信信号が地中埋設物によって反射された反射波を、受信する単一の受信アンテナ素子とを含むことを特徴とする地中探査レーダ用アンテナ。
図７および図８に関連して前述されているように、複数の送信アンテナ素子と単一の受信アンテナ素子とを含み、各送信アンテナ素子は、土壌に臨んでほぼ一平面内で相互にずれて配置され、これらの各送信アンテナ素子には、時間的に相互にずれて異なるパルス状送信信号がそれぞれ順次的に与えられる。単一の受信アンテナ素子は、送信アンテナ素子が配置される前記一平面内に同様に配置され、各送信アンテナ素子から放射されて地中埋設物によって反射された反射波を共通に受信する。したがって図１の例で述べたような効果が同様に得られる。
（３）複数組の対を成す送信アンテナと受信アンテナとを含み、各組の一対の送信アンテナと受信アンテナとは、土壌に臨んで、走査方向に垂直な方向に同一位置にあり、しかも各組毎に走査方向に垂直な方向にずれて配置され、各組の送信アンテナに、パルス状送信信号が時間的にずれて、与えられ 、 パルス状送信信号が与えられた送信アンテナと対を成す受信アンテナによって、地中埋設物によって反射された反射波を受信することを特徴とする地中探査レーダ用アンテナ。
前述の図１０および図１１に示されるように、一対の送信および受信アンテナの組が複数、備えられ、一対の送信および受信アンテナは、走査方向２０に垂直な方向（図１０の左右方向）に同一位置にあり、しかも各組は、走査方向２０に垂直な方向（図１０の左右方向）にずれて配置される。各組の送信アンテナに、図８に示されるようなパルス状送信信号が時間的にずれて与えられ、その走査パルス状送信信号が与えられた送信アンテナと対を成す組みの受信アンテナによって、地中埋設物による反射波を受信する。こうして１回の走査で広い範囲にわたって前述と同様に探査することができ、効率的に作業を行うことができることになる。
（４）送信アンテナ素子と受信アンテナ素子とは、土壌に臨んで開放した収納空間を有し、その収納空間が、複数の平行に延びる部分収納空間に仕切られている導電性材料から成るアンテナハウジングの前記各部分収納空間内にそれぞれ設けられ、各部分収納空間内で、共通な一直線上に軸線を有して細長く延び、相互の近接した各一端部を給電点とする一対の導体と、導体の相互の離間した各他端部とアンテナハウジングとの間に介在されるインピーダンス素子とを含むことを特徴とする地中探査レーダ用アンテナ。
たとえば本件出願人による特願平１１−８０６１９記載のように、導電性アンテナハウジングの土壌に臨んで開放した収納空間は、複数の平行な部分収納空間に仕切られており、各部分収納空間には、送信アンテナ素子と受信アンテナ素子とが収納される。これらの送信アンテナ素子と受信アンテナ素子とは、ダイポールアンテナであって、軸線方向に順次的に隣接して配置される一対の導体を含み、これらの導体の相互に近接した一端部を給電点とし、この給電点にパルス状送信信号を与え、電磁波を発生し、地中埋設物、たとえば管などによって反射された反射波は、受信され、給電点から受信信号として導出される。各アンテナ素子の導体の相互の離間した各他端部は、ハウジングとの間に、インピーダンス素子、たとえば抵抗などを介して接続される。
アンテナハウジングは、たとえばアルミニウムなどの金属製板が組合わされて構成されてもよいけれども、金属箔が電気絶縁性材料から成る板の表面に付着されて形成されてもよい。この地中探査レーダ用アンテナは、比較的広帯域であり、指向性が優れており、さらに導体とアンテナハウジングとによる干渉を防いで土壌とは反対側に放射される電磁界の悪影響を、抑圧することができる。このアンテナは、構成が簡単であり、製造が容易であり、小形化が可能であるなどの優れた効果を達成することができる。さらに得られる受信信号には振動波形が含まれず、リンギングを充分に抑制することができる。
ボータイアンテナなどに関連してフェライトなどの磁性材料を用いる必要なしに、不要な電磁波の放射を抑制し、導体とアンテナハウジングとの間の電磁波の干渉を防ぐことができるようになる。
アンテナハウジング内には、誘電体が充填される。これによって、ハウジングの収納空間内に誘電体、たとえば電気絶縁性材料である発泡スチロールなどを充填し、これによってアンテナ効率を向上することができるとともに、導体を支持することができる。アンテナハウジングの収納空間には、誘電体が充填されず、空気が存在する構成であってもよい。
導体は、導線であってもよいけれども、導体を金属製とし、たとえば直円筒状などの管とすることによって、断面２次モーメントを向上し、強度を向上し、導体を直線状に正確に保つことができるようになる。
アンテナ素子に接続されて装荷されるインピーダンス素子の抵抗などのインピーダンスが、地中埋設物による反射波を正確に検出する地中探査のための最適値に選ばれる。したがってアンテナ素子などの構成および地中探査されるべき土壌の比誘電率などに拘わらず、地中埋設物体の反射波を常に正確に検出することができるようになる。インピーダンス素子のインピーダンスを適切に選ぶことによって、受信アンテナ素子から導出される受信信号のリンギング波形を抑制することができる。
送信アンテナ素子および受信アンテナ素子をそれぞれ構成する一対の各導体は、その長手方向に同一長さを有し、これらの一対の導体によって構成されるアンテナ素子の全体の長さは、使用される送信信号および受信信号の周波数の波長λにほぼ等しく選ばれる。各導体の長さは、ほぼλ／２に選ばれる。導体の長さは、そのほかの値に選ばれてもよい。
広帯域であって指向性に優れ、しかもたとえばボータイアンテナなどに比べて構成を小形化することができ、またフェライトなどの磁性材料を必要とすることなく、不所望な電磁波の発生を抑制することができる地中探査レーダ用アンテナが実現される。さらに反射波のリンギングを抑制することができる。これによって地中埋設物の分解能をさらに向上することができる。
（５）送信アンテナ素子と受信アンテナ素子とは、同一構造を有し 、 各受信アンテナ素子の給電点が、受信アンテナ素子相互に、導体の長手方向に、導体の長さだけ、ずれて配置され、送信アンテナ素子の給電点は、或る１つの受信アンテナ素子の給電点と、導体の長手方向に一致していることを特徴とする地中探査レーダ用アンテナ。
（６）送信アンテナ素子と受信アンテナ素子とは、同一構造を有し 、 各送信アンテナ素子の給電点が、送信アンテナ素子相互に、導体の長手方向に、導体の長さだけ、ずれて配置され、受信アンテナ素子の給電点は、或る１つの送信アンテナ素子の給電点と、導体の長手方向に一致していることを特徴とする地中探査レーダ用アンテナ。
複数の受信アンテナ素子または複数の送信アンテナ素子は、これらのアンテナ素子を構成する給電点が、導体の長手方向に、その導体の長さだけ、ずれて配置され、これによって複数の受信または送信アンテナ素子の配置によって一度に得られる地中埋設物の位置を検出する導体の長手方向に沿う分解能を向上することができる。複数の受信または送信アンテナ素子のうちの１つは、単一の送信または受信アンテナ素子と、それらの給電点が導体の長手方向に一致して配置され、したがって本件アンテナの導体の長手方向に垂直な方向の長さをできるだけ短くして、小形化することができる。複数の受信または送信の各アンテナ素子は、導体の長手方向に上述のようにずれて配置されてもよいけれども、本発明の実施の他の形態では、導体の長手方向に垂直な方向にずれて配置されてもよく、このような構成によっても、地中埋設物の位置を、分解能を向上して、検出することができる。
（７）全ての各組の送信アンテナ素子と受信アンテナ素子とは、同一構造を有し、土壌に臨んで開放した収納空間を有し、その収納空間が、複数の平行に延びる部分収納空間に仕切られている導電性材料から成るアンテナハウジングの前記各部分収納空間内にそれぞれ設けられ、各部分収納空間内で、共通な一直線上に軸線を有して細長く延び、相互の近接した各一端部を給電点とする一対の導体と、導体の相互の離間した各他端部とアンテナハウジングとの間に介在されるインピーダンス素子とを含み、各組の対を成す送信アンテナ素子および受信アンテナ素子の給電点は、導体の長手方向に一致しており、各組毎に給電点が、導体の長手方向に、導体の長さだけ、ずれて配置されていることを特徴とする地中探査レーダ用アンテナ。
図１０および図１１のように一対の送信および受信アンテナから成る組が、複数設けられ、前述と同様に分解能を向上することができる。
（８）前記地中探査レーダ用アンテナと、送信アンテナ素子にパルス状送信信号を与えて駆動するとともに、反射波の受信信号を各受信アンテナ素子によって受信して導出するアンテナ駆動手段と、送信信号と受信信号との各時間差に対応する地中埋設物の距離を演算し、その距離に基づいて、地中埋設物の位置を検出する演算手段とを含むことを特徴とする地中探査レーダ装置。
図１〜図１１にように、複数の受信アンテナ素子または複数の送信アンテナ素子が、ずれて配置されることによって、地中探査レーダ用アンテナを地表に配置して、地中埋設物の位置を迅速にかつ正確に検出して探査することが可能になる。
複数の受信アンテナ素子または複数の送信アンテナ素子の給電点は、それらのアンテナ素子を構成する導体の長さだけ、導体の長手方向にずれて配置され、こうして分解能を向上して、地中埋設物の検出を行うことができる。
単一の送信アンテナ素子の給電点は複数の受信アンテナ素子のうちの１つの給電点と一致しており、または単一の受信アンテナ素子の給電点は、複数の送信アンテナ素子のうちの１つの給電点と一致しており、こうして本件地中探査レーダ用アンテナの全体の構成をできるだけ小形化し、しかも地中埋設物の距離、したがって位置を、迅速にかつ正確に検出することができる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、第１〜第３アンテナ素子１ａ，１ｃ，１ｄによって、地中埋設物の距離、したがって位置を迅速にかつ正確に検出して地中埋設物の探査を行うことができる。したがって本件地中探査レーダ用アンテナを、走査方向に対して垂直にずらして複数回走査する作業を行う必要がなく、地中埋設物の探査の作業が容易になる。
【００５６】
【００５７】
【００５８】
【００５９】
第１〜第３の各アンテナ素子は、送信および受信に兼用され、これによって構成が大型化されるとともに、これらの各アンテナ素子は、走査方向に垂直な方向に相互にずれて配置されるので、分解能を向上し、地中埋設物の検出を迅速および正確に行うことができるようになる。
【００６０】
本発明によれば、広帯域であって指向性に優れ、しかも構成を小型化することができ、さらに不所望な電磁波の発生を抑制することができる地中探査レーダ用アンテナが実現され、さらに反射波のリンギングを抑制することができる。これによって地中埋設物の分解能をさらに向上することができる。
【００６１】
本発明によれば、地中探査レーダ用アンテナをアンテナ駆動手段によって駆動し、送信信号と受信信号との間の各時間差に対応する地中埋設物までの距離、したがってその地中までの位置を演算手段によって迅速にかつ正確に検出することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の参考例の地中探査レーダ用アンテナ１の底面図である。
【図２】 図１の切断面線ＩＩ−ＩＩから見た断面図である。
【図３】 図１の切断面線ＩＩＩ−ＩＩＩから見た断面図である。
【図４】 図１、図２および図３に示される地中探査レーダ用アンテナ１が用いられる地中探査レーダ装置１１の全体の電気的構成を示すブロック図である。
【図５】 送信回路１６の送信信号５４および受信回路１７の受信信号５５ｂ〜５５ｄ，５６ｂ〜５６ｄの各画像を示す図であり、図５（１）は送信回路１６から送信アンテナ素子１ａに与えられる送信信号を示し、図５（２）は受信アンテナ素子１ｂから受信回路１７に与えられる受信画像を示し、図５（３）は受信アンテナ素子１ｃから受信回路１７に与えられる受信画像を示し、図５（４）は受信アンテナ素子１ｄから受信回路１７に与えられる受信画像を示す。
【図６】 図１〜図５に示される本発明の参考例における処理回路１８の動作を説明するためのフローチャートである。
【図７】 本発明の他の参考例の地中探査レーダ用アンテナ１が用いられる地中探査レーダ装置１１の全体の電気的構成を示すブロック図である。
【図８】 送信回路１６の送信信号５４ｂ〜５４ｄおよび受信回路１７の受信信号５５ａ１〜５５ａ３，５６ａ１〜５６ａ３の各波形を示す図であり、図８（１）は送信回路１６から送信アンテナ素子１ｂに与えられる送信信号を示し、図８（２）は送信回路１６から送信アンテナ素子１ｃに与えられる送信信号を示し、図８（３）は送信回路１６から送信アンテナ素子１ｄに与えられる送信信号を示す。
【図９】 本発明の他の参考例の地中探査レーダ用アンテナ１の底面図である。
【図１０】 本発明のさらに他の参考例の地中探査レーダ用アンテナ１の底面図である。
【図１１】 図１０に示される地中探査レーダ用アンテナ１が用いられる地中探査レーダ装置１１の全体の電気的構成を示すブロック図である。
【図１２】 本発明の実施の一形態の地中探査レーダ用アンテナ１の底面図である。
【図１３】 図１２に示される地中探査レーダ用アンテナ１が用いれらる地中探査レーダ装置１１の全体の電気的構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 地中探査レーダ用アンテナ
１ａ〜１ｄ，１ｃ１，１ｃ２，１ｄ１，１ｄ２ アンテナ素子
２ アンテナハウジング
３ 収納空間
４ａ〜４ｄ 部分収納空間
５ａ〜５ｄ，６ａ〜６ｄ 導体
１０ａ〜１０ｄ 誘電体
３４ａ〜３４ｄ，３５ａ〜３５ｄ 一端部
３６ａ〜３６ｄ 給電点
３７ａ〜３７ｄ，３８ａ〜３８ｄ 他端部
３９ａ〜３９ｄ，４０ａ〜４０ｄ インピーダンス素子
【発明の属する技術分野】
本発明は、地中に埋設されたたとえば管などの地中埋設物の位置を探査する際に、電磁波を放射および受信するために用いられる地中探査レーダ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
地中埋設物を探査するための先行技術は、地表面から土壌中に電磁波を放射する送信アンテナと、地中埋設物による反射波を受信する受信アンテナとを備え、送信アンテナから電磁波を放射した後、受信アンテナで地中埋設物による反射波を受信するまでの時間に対応した地中埋設物の深さを検出する。このような用途に用いられるアンテナとしては、従来では、単一の送信アンテナと単一の受信アンテナとが対を成して配置されて構成される。
【０００３】
このような先行技術では、地中埋設物の位置を正確に検出するために、埋設物が埋設されている土壌の表面を、走査する位置を、走査方向に垂直にずらしながら、複数回走査して探査する必要がある。したがって地中埋設物の位置を迅速に探査することができない。またその走査方向に垂直な位置を正確に把握できなければ、埋設位置を正確に検出することができないという問題もある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、地中埋設物の位置を迅速に、しかも正確に検出することができるようにした地中探査レーダ装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、土壌１２の表面に沿って走査方向２０に移動する地中探査レーダ装置において、
（ａ）地中探査レーダ用アンテナ１であって、
（ａ１）アンテナハウジング２であって、
導電性材料から成り、
電気的に接地され、
底板２５と、
底板２５に連なり、走査方向２０に垂直な前後の側壁２７，２８と、
底板２５と前後の側壁２７，２８とに連なり、走査方向２０に平行な左右の端壁３１，３２とによって、
下方の土壌に臨んで開放した収納空間３を形成し、
収納空間３を、走査方向２０の前後に仕切る第１仕切り壁８と、
収納空間３の第１仕切り壁８よりも走査方向２０前方で、第１部分収納空間４ａを形成する左右一対の第２仕切り壁１００ａと、
収納空間３の第１仕切り壁８よりも走査方向２０後方で、走査方向２０に垂直な方向に左右に仕切り、第１部分収納空間４ａと平行に延びる第２および第３部分収納空間４ｃ，４ｄを形成する第３仕切り壁１００ｃとを有するアンテナハウジング２と、
（ａ２）同一構造を有する第１〜第３アンテナ素子１ａ，１ｃ，１ｄであって、
（ａ２−１）第１アンテナ素子１ａは、
第１部分収納空間４ａ内で、
共通な一直線上に軸線を有して細長く延び、相互の近接した各一端部を第１給電点３６ａとする一対の第１導体５ａ，６ａと、
第１導体５ａ，６ａの相互の離間した各他端部と各第２仕切り壁１００ａとの間にそれぞれ介在される第１インピーダンス素子３９ａ，４０ａとを有し、
（ａ２−２）第２アンテナ素子１ｃは、
第２部分収納空間４ｃ内で、
共通な一直線上に軸線を有して細長く延び、相互の近接した各一端部を第２給電点３６ｃとする一対の第２導体５ｃ，６ｃと、
第２導体５ｃ，６ｃの相互の離間した各他端部ならびに一方の端壁３１および第３仕切り壁１００ｃの間にそれぞれ介在される第２インピーダンス素子３９ｃ，４０ｃとを有し、
（ａ２−３）第３アンテナ素子１ｄは、
第３部分収納空間４ｄ内で、
共通な一直線上に軸線を有して細長く延び、相互の近接した各一端部を第３給電点３６ｄとする一対の第３導体５ｄ，６ｄと、
第３導体５ｄ，６ｄの相互の離間した各他端部ならびに他方の端壁３２および第３仕切り壁１００ｃとの間にそれぞれ介在される第３インピーダンス素子４０ｄ，３９ｄとを有し、
（ａ２−４）第１〜第３部分収納空間４ａ，４ｃ，４ｄには、誘電体１０がそれぞれ充填され、
第１〜第３導体５ａ，６ａ；５ｃ，６ｃ；５ｄ，６ｄは、金属製直円筒状の管であり、
使用される送信信号の周波数の波長をλとするとき、長さλ／２に選ばれ、
第１導体５ａ，６ａならびに第２および第３導体５ｃ，６ｃ；５ｄ，６ｄは、一水平面内で相互に平行であり、
第１給電点３６ａに関して第２および第３給電点３６ｃ，３６ｄは、走査方向２０に垂直な方向に距離（Ｌ１，Ｌ２）λ／２だけ左右にずれて配置され、
第１〜第３インピーダンス素子３９ａ，４０ａ；３９ｃ，４０ｃ；３９ｄ，４０ｄのインピーダンスは、受信信号のリンギングを抑制する値に選ばれる地中探査レーダ用アンテナ１と、
（ｂ）第１〜第３アンテナ素子１ａ，１ｃ，１ｄにパルス状送信信号を一定の時間Ｗ１で切換えて時間順次的にそれぞれ与えて駆動するとともに、反射波の受信信号をパルス状送信信号を与えたアンテナ素子１ａ，１ｃ，１ｄと同じアンテナ素子１ａ，１ｃ，１ｄによって受信して導出するアンテナ駆動手段１６，１７，６１，６７，７１〜７３と、
（ｃ）第１〜第３アンテナ素子１ａ，１ｃ，１ｄ毎の送信信号と受信信号との各時間差ΔＷ１〜ΔＷ３に対応する地中埋設物の距離を演算し、その距離に基づいて、地中埋設物の位置を検出する演算手段１８とを含むことを特徴とする地中探査レーダ装置である。
【０００６】
本発明に従えば、図１２および図１３に関連して後述されるように、送受信兼用の複数の各アンテナ素子から、パルス状送信信号が土壌に放射され、地中埋設物によって反射された反射波を、そのパルス状送信信号が与えられたアンテナ素子によって受信し、これらのアンテナ素子は、走査方向２０に垂直な方向（図１２の左右方向）に相互にずれて配置される。このことにより、従来の一対の送受信アンテナの組合せしか持たないシステムに比べ、たとえば図１２の場合のように３つのアンテナ素子の組合せの方が１回の走査で３倍のライン数を走査方向２０に探査することになり、１回の走査で広い範囲にわたって、効率的に作業を行うことができることになる。
【０００７】
【０００８】
【０００９】
【００１０】
【００１１】
【００１２】
【００１３】
【００１４】
【００１５】
【００１６】
【００１７】
【００１８】
【００１９】
【００２０】
【００２１】
【００２２】
【００２３】
【００２５】
【００２７】
本発明に従えば、アンテナ素子の給電点が走査方向２０に垂直な方向にずれており、したがって分解能を向上して地中埋設物の位置を検出することができる。
【００２８】
【００２９】
【００３１】
本発明に従えば、図１２および図１３のように、送受信のためにアンテナ素子を兼用し、パルス状送信信号を与えたアンテナ素子からの地中埋設物による反射波を受信し、地中埋設物の位置を迅速にかつ正確に検出して探査すること可能になる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の参考例の地中探査レーダ用アンテナ１の底面図である。この地中探査レーダ用アンテナ１は、土壌に電磁波を放射する単一の送信アンテナ素子１ａと、地中埋設物による反射波を受信する複数（たとえば３つ）の受信アンテナ素子１ｂ，１ｃ，１ｄとを有する。なお、図１は図解を容易にするため、後述の図２および図３に示される誘電体１０ａ〜１０ｄを省略して示されている。
【００３３】
図２は、図１の切断面線ＩＩ−ＩＩから見た断面図である。図３は、図１の切断面線ＩＩＩ−ＩＩＩから見た断面図である。地中探査レーダ用アンテナ１は、アンテナハウジング２と、このアンテナハウジング２に設けられる単一の送信アンテナ素子１ａと３つの受信アンテナ素子１ｂ〜１ｄとを含む。アンテナハウジング２は、下方（図１の紙面の上方、図２および図３の下方）の土壌に臨んで開放した収納空間３を有する。この収納空間３は、仕切り壁７〜９によって走査方向２０に垂直な方向（図1、および後述の図１２の左右方向に平行に延びる部分収納空間４ａ〜４ｄに仕切られている。各部分収納空間４ａ〜４ｄには、送信アンテナ素子１ａおよび受信アンテナ素子１ｂ〜１ｄをそれぞれ構成する合計４組の各対を成す導体５ａ，６ａ；５ｂ，６ｂ；５ｃ，６ｃ；５ｄ，６ｄと、これらの部分収納空間４ａ〜４ｄにそれぞれ充填される誘電体１０ａ〜１０ｄと、さらに抵抗などのインピーダンス素子３９ａ，４０ａ；３９ｂ，４０ｂ；３９ｃ，４０ｃ；３９ｄ，４０ｄとが収納される。参照符の添え字ａ〜ｄを省略して、総括的に数字だけで示すことがある。
【００３４】
図４は、図１、図２および図３に示される地中探査レーダ用アンテナ１が用いられる地中探査レーダ装置１１の全体の電気的構成を示すブロック図である。土壌１２には、ガスなどの流体を輸送する鋼管などの地中埋設物体である管１３が埋設される。地上では、この管１３の探査を行うために、送信アンテナ素子１ａから電磁波が参照符１４で示されるように土壌１２に向けて放射される。送信アンテナ素子１ａから放射された電磁波１４は、地中埋設管１３によって反射され、その反射波１５は、受信アンテナ素子１ｂ〜１ｄによって受信される。
【００３５】
送信アンテナ素子１ａには、送信回路１６から、たとえば中心周波数が１００ＭＨｚ〜７００ＭＨｚの図５（１）に示される波形を有する複数のパルス状送信信号５４が時間順次的に与えられる。受信アンテナ素子１ｂ〜１ｄは、管１３による反射波１５ｂ〜１５ｄを受信する。これらの受信アンテナ素子１ｂ〜１ｄの各出力は、切換え回路６１を介して受信回路１７に与える。図５（２）は、受信アンテナ素子１ｂによって受信された受信信号１５ｂが、切換え回路６１を介して受信回路１７に与えられる画像を示す。図５（３）は、受信アンテナ素子１ｃによって受信された受信信号１５ｃが切換え回路６１を介して受信回路１７に与えられる画像を示す。図５（４）は、受信アンテナ素子１ｄによって受信された受信信号１５ｄが切換え回路６１を介して受信回路１７に与えられる画像を示す。切換え回路６１はこのように、送信回路１６からの電磁波５４が放射される周期Ｗ１毎に、受信アンテナ素子１ｂ〜１ｄの各出力を順次的に切換えて受信回路１７に与える。この受信信号１５ｂ〜１５ｄは、送信アンテナ素子１ａによる電磁波の放射直後の第１信号成分５５と、その第１信号成分５５の受信後に得られる管１３の反射による第２信号成分５６とを含む。第１信号成分５５は、送信アンテナ素子１ａから、受信アンテナ素子１ｂ〜１ｄに直接に伝搬した直接波と、送信アンテナ素子１ａから土壌１２の地表面で反射して受信アンテナ素子１ｂ〜１ｄによって受信された地表面の反射波とを含む。
【００３６】
送信アンテナ素子１ａに図５（１）に示されるパルス状送信信号５４が与えられ、これによって電磁波が土壌１２に向けて放射される。受信アンテナ素子１ｂによって図５（２）で示される受信信号に含まれる第２信号成分５６ｂが得られるまでの時間差ΔＷ１は、管１３のアンテナ１からの距離に対応し、したがって土壌１２の管１３の深さに対応する。処理回路１８は、マイグレーション処理を用いるなどして演算し、管１３の深さおよび走査方向における距離Ｘ1を求めるようにしてもよい。土壌１２の地表面上を、移動体１９が導体５，６の長手方向（図１の左右方向）に垂直な走査方向（図１の上下方向）である矢符２０で示されるように移動し、管１３を地表面で横切ることによって、管１３を含む土壌１２の鉛直面内での断面の原画像を図５（２）〜図５（４）のごとく得ることができ、表示手段２１で表示することができる。同様にして受信アンテナ素子１ｃ，１ｄによる管１３の第２信号成分５６ｃ，５６ｄの時間差ΔＷ２，ΔＷ３によって、管１３の深さ、走査方向における距離Ｘ2，Ｘ3をそれぞれ検出することができる。
【００３７】
表示手段２１は、たとえば液晶または陰極線管などによって実現される。処理回路１８には、キーボードなどの入力手段２２が接続され、また前記画像などをストアするメモリ２３が接続される。移動体１９には車輪が設けられ、土壌１２の地表面を走行することができる。この移動体１９の移動量を移動距離測定手段によって測定し、各移動位置毎に地中埋設管１３の深さを検出することによって、前述のように土壌１２の断面画像を得ることができる。
【００３８】
再び図１、図２および図３を参照して、アンテナハウジング２は、底板２５と、底板２５に連なり導体５，６と平行に延びる走査方向２０に垂直な前後の両側壁２７，２８と、さらに側壁２７，２８に連なり、導体５，６の軸線に垂直に延びる走査方向２０に平行な左右の両端壁３１，３２とを含む。これらの底板２５と側壁２７，２８と各端壁３１，３２と仕切り壁７〜９，１００ａ〜１００ｄとは、電気的に接地される。送信アンテナ素子１ａ内の部分収納空間４ａ内で、一対の導体５ａ，６ａは、共通な一直線３３上にそれぞれ軸線を有して延びる。導体５ａ，６ａの近接した各一端部３４ａ，３５ａは、給電点３６ａに接続される。導体５ａ，６ａの他端部３７ａ，３８ａは、インピーダンス素子３９ａ，４０ａを介して端壁３１，３２にそれぞれ接続される。仕切り壁１００ａは、収納空間３の仕切り壁８よりも走査方向２０前方（図１、および後述の図１２の上方）で、左右一対設けられて、部分収納空間４ａを形成する。仕切り壁１００ｃは、収納空間３の仕切り壁８よりも走査方向２０後方（図１、および後述の図１２の下方）で、走査方向２０に垂直な方向に左右に仕切り、部分収納空間４ａと平行に延びる部分収納空間４ｃ，４ｄを形成する。
【００３９】
受信アンテナ素子１ｂ，１ｃ，１ｄもまた、同様な構成を有し、各アンテナ素子１ａ〜１ｄを構成する一対の導体５，６の軸線は、それらの導体５，６の長手方向に垂直（図１の上下方向）にずれており、かつ一水平面内で相互に平行である。導体５，６は同一形状を有し、その軸線方向の長さは同一である。各アンテナ素子１ａ〜１ｄの導体５，６は、使用される送信信号の周波数の波長をλとするとき、λ／２に選ばれる。これらの導体５，６の長手方向（すなわち走査方向２０に垂直な方向）に沿って、送信アンテナ素子１ａと受信アンテナ素子１ｂとは同一位置にあり、受信アンテナ素子１ｃ，１ｄは、導体５，６の長さの距離λ／２だけ相互にずれて配置される。すなわち給電点３６ａ，３６ｂは、導体５，６の長手方向に同一位置にあり、給電点３６ｃ，３６ｄは、λ／２ずつずれて配置される。
【００４０】
したがって一対の送信アンテナ素子１ａと受信アンテナ素子１ｂとの各給電点３６ａ，３６ｂ間を結ぶ線分の中点（すなわち見掛けの送受信点）６３ａは、図１の直線６３上にあり、したがってこれらの送受信アンテナ素子１ａ，１ｂによる探査領域は、直線６３の図１における左右両側に拡がる。一対の送信アンテナ素子１ａと受信アンテナ素子１ｃとの各給電点３６ａ，３６ｃ間を結ぶ線分の中点（すなわち見掛けの送受信点）６４ａは、図１の直線６４上にあり、したがってこれらの送受信アンテナ素子１ａ，１ｃによる探査領域は、直線６４の左右両側に拡がる。また同様にして一対の送信アンテナ素子１ａと受信アンテナ素子１ｄとの各給電点３６ａ，３６ｄ間を結ぶ線分の中点（すなわち見掛けの送受信点）６５ａは、図１の直線６５上にあり、したがってこれらの送受信アンテナ素子１ａ，１ｄによる探査範囲は、直線６５の左右に拡がる。このようにして各受信アンテナ素子１ｂ〜１ｄからの受信信号によって管１３の位置を、一度にできるだけ高い分解能で探査することができるようになる。すなわち各受信アンテナ素子１ｂ〜１ｄによって検出された深さおよび走査方向の距離は、位置６３，６４，６５からの深さ、平面位置とみなして管１３の３次元位置を知ることができるようになる。
【００４１】
収納空間３を構成する各部分収納空間４ａ〜４ｄには、発泡スチロールなどの誘電体１０が充填される。こうして導体５，６は、底板２５と開放端４２との間で、誘電体１０によって保持される。
【００４２】
本発明の参考例では、誘電体１０の導体６に関して底板２５側の厚みｄ１と、開放端４２側の厚みｄ２とは、たとえば等しく、ｄ１＝ｄ２＝約２ｃｍであり、したがって誘電体１０の全体の厚みは、約４ｃｍである。たとえば導体５，６の長さＬ５＝Ｌ６＝約１６ｃｍである。たとえばアンテナハウジング２の導体５，６の軸線方向の長さＬ２１＝３８ｃｍであり、導体５，６の軸線に垂直方向の長さＬ２２＝２６ｃｍであってもよい。
【００４３】
導体５，６は、銅などの金属製である直円筒体の管である。この導体５，６の外径５ｍｍφであり、肉厚１ｍｍであってもよい。導体５，６が直円筒状であるので、断面２次モーメントが大きく、強度が向上され、外力によって変形することが防がれる。
【００４４】
図１〜図３に示される地中探査レーダ用アンテナ１は、先行技術であるボータイアンテナに比べて構成が細長い形状であるので、小形化され得る。
【００４５】
図６は、図１〜図５に示される本発明の参考例における処理回路１８の動作を説明するためのフローチャートである。ステップａ１からステップａ２に移り、ｉ＝１とし、次のステップａ３に移る。送信回路１６は、送信アンテナ素子１ａに、前述の図５（１）に示されるパルス状送信信号５４を、一定の周期で与える。切換え回路６１は、各送信信号５４毎に、時間Ｗ１ずつ、受信アンテナ素子１ｂ〜１ｄからの出力を切換えて受信回路１７に与える。ステップａ４では、送信信号５４が送信されてから受信信号５６ｂが受信されるまでの時間ΔＷ１に反射信号を持つ画像が、処理回路１８で演算される。
【００４６】
ステップａ５では、ｉを１だけインクリメントし、再びステップａ３に戻る。このような動作を繰返し、受信アンテナ素子１ｃ，１ｄによって検出される時間ΔＷ２，ΔＷ３を、処理回路１８で演算する。こうして受信アンテナ素子１ｂ〜１ｄからの出力によって、時間ΔＷ１〜ΔＷ３を演算した後、ステップａ６からステップａ６１に移り、移動体１９の走査が終了していれば、ステップａ７に移り、管１３の３次元の位置を演算して求める。前記走査が終了していなければ、ステップａ６１からステップａ２に戻り、再び他の走査位置での時間差ΔＷ１〜ΔＷ３の値も計測し、メモリ２３に蓄積する。
【００４７】
図７は、本発明の他の参考例の地中探査レーダ用アンテナ１が用いられる地中探査レーダ装置１１の全体の電気的構成を示すブロック図である。この参考例は、前述の図１〜図６に示される参考例に類似し、対応する部分には同一の参照符を付す。注目すべきはこの参考例では、地中探査レーダ用アンテナにおいて、単一の受信アンテナ素子１ａと、複数（この参考例ではたとえば３）の送信アンテナ素子１ｂ〜１ｄとが用いられる。これらの各送信アンテナ素子１ｂ〜１ｄには、送信回路１６から切換え回路６７を介して、図８（１）〜図８（３）にそれぞれ示されるパルス状送信信号５４ｂ〜５４ｄが時間順次的にそれぞれ与えられる。これによって各送信アンテナ素子１ｂ〜１ｄからは電磁波１４ｂ〜１４ｄが放射される。
【００４８】
管１３による反射波１５は、共通の受信アンテナ素子１ａで受信され、受信信号が受信回路１７に与えられる。管１３の反射波による受信信号５６ａ１〜５６ａ３が検出されるまでの各送信信号５４ｂ〜５４ｄの放射からの時間ΔＷ１〜ΔＷ３は、処理回路１８において前述と同様にして検出される。これによって各時間ΔＷ１〜ΔＷ３に対応した各送信アンテナ素子１ｂ〜１ｄに対応する深さを検出し、したがって管１３の３次元の位置を検出することができる。そのほかの構成と動作は、前述の図１〜図６の参考例と同様である。
【００４９】
図９は、本発明の他の参考例の地中探査レーダ用アンテナ１の底面図である。この参考例は、前述の図１に示される地中探査レーダ用アンテナ１に対応する。単一の送信アンテナ素子１ａと複数（たとえば３）の受信アンテナ素子１ｂ〜１ｄとがアンテナハウジング２内の収納空間３の部分収納空間４ａ〜４ｃに収納される。これらの各アンテナ素子１ａ〜１ｄは、導体５，６の長手方向（図９の左右方向）に垂直（図９の上下方向）にずれて配置されている。送信アンテナ素子１ａと受信アンテナ素子１ｂとの導体５，６の長手方向の位置は一致しており、部分収納空間４ａ，４ｂにそれぞれ配置される。残りの２つの受信アンテナ素子１ｃ，１ｄは、導体５，６の長手方向に、使用される周波数の波長λとするとき、λ／２だけ、送信アンテナ素子１ａの給電点３６ａに関して図９の左右にずれて配置される。すなわち、図９の地中探査レーダ用アンテナ１の左右の中央位置に関してアンテナ素子１ｃ，１ｄの給電点３６ｃ，３６ｄは、距離Ｌ１，Ｌ２を隔てて配置され、Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌ５＝Ｌ６＝λ／２に選ばれる。
【００５０】
このような構成によってもまた、前述の図１〜図６に関連して前述した本発明の参考例と同様に、良好な分解能で、地中埋設物の探査を行うことができる。本発明の他の参考例では、前述の図７および図８の参考例と同様に、図９の地中探査レーダ用アンテナ１において、単一の受信アンテナ素子１ａと複数の送信アンテナ素子１ｂ〜１ｄを用いるようにしてもよい。
【００５１】
本発明の他の参考例では、複数のアンテナ素子が、導体５，６の長手方向に上述の各参考例とは異なる態様で、たとえば図１０のように送受一対の組が、配置されて構成されてもよい。図１０の参考例は、前述の図９の参考例に類似し、受信アンテナ素子１ａと送信アンテナ素子１ｂとが対を成し、受信アンテナ素子１ｃ１と送信アンテナ素子１ｃ２とが対を成し、受信アンテナ素子１ｄ１と送信アンテナ素子１ｄ２とが対を成し、このようにして複数（たとえば３）の組みを成す送受一対のアンテナ素子１ａ，１ｂ；１ｃ１，１ｃ２；１ｄ１，１ｄ２を用いて、走査方向２０の移動による探査を行う。アンテナ素子１ａ，１ｂの給電点３６ａ，３６ｂは、走査方向２０に垂直な方向（図１０の左右方向）に関して中央位置に設けられ、アンテナ素子１ｃ１，１ｃ２の給電点３６ｃ１，３６ｃ２は、図１０の右方に中央から距離Ｌ１だけ隔てられ、またアンテナ素子１ｂ１，１ｂ２の給電点３６ｄ１，３６ｄ２は、中央位置から図１０の左方に距離Ｌ２だけ隔てて配置される。用いられる周波数信号の波長をλとするとき、Ｌ１＝Ｌ２＝λ／２である。アンテナ素子１ｃ１，１ｃ２；１ｄ１，１ｄ２は、導体５ｃ１，６ｃ１；５ｃ２，６ｃ２：５ｂ１，６ｂ１；５ｄ２，６ｄ２を有する。図１０の参考例のそのほかの構成は、前述の図７〜図９の参考例に類似する。
【００５２】
図１１は、図１０に示される地中探査レーダ用アンテナ１が用いられる地中探査レーダ装置１１の全体の電気的構成を示すブロック図である。送信回路１６からは切換え回路６７を介して送信アンテナ素子１ｂ，１ｃ２，１ｄ２に、前述の図８（１）〜図８（３）にそれぞれ示されるパルス状送信信号を切換えて与え、地中埋設物による反射波を、受信アンテナ１ａ，１ｃ１，１ｄ１から切換え回路６１を介して受信回路１７に与える。切換え回路６７，６１は同期してスイッチング状態が切換わり、対を成す送受信アンテナ素子１ａ，１ｂ；１ｃ１，１ｃ２；１ｄ１，１ｄ２が用いられて、地中埋設物の探査が行われる。そのほかの構成と動作は、前述の参考例と同様である。
【００５３】
図１２は、本発明の実施の一形態の地中探査レーダ用アンテナ１の底面図である。送受信兼用の複数のアンテナ素子１ａ，１ｃ，１ｄが配置される。図１２の実施の形態は、前述の図１０および図１１の参考例に類似する。注目すべきはこの実施の形態では、アンテナ素子１ａ，１ｃ，１ｄは送信および受信を兼用する。アンテナ素子１ａに図８（１）の送信信号を与え、地中埋設物による反射波を、同一のアンテナ素子１ａで受信する。同様にしてアンテナ素子１ｃ，１ｂには、図８（２）および図８（３）にそれぞれ示される送信信号を与え、地中埋設物による反射波を、同一のアンテナ素子１ｃ，１ｄによってそれぞれ受信する。
そのほかの構成は、前述の参考例と同様である。すなわち部分収納空間４ａ，４ｃ，４ｄには、誘電体１０がそれぞれが充填される。アンテナ素子１ａは、部分収納空間４ａ内で、共通な一直線上に軸線を有して細長く延び、相互の近接した各一端部を給電点３６ａとする一対の導体５ａ，６ａと、導体５ａ，６ａの相互の離間した各他端部と各仕切り壁１００ａとの間にそれぞれ介在されるインピーダンス素子３９ａ，４０ａとを有する。アンテナ素子１ｃは、部分収納空間４ｃ内で、共通な一直線上に軸線を有して細長く延び、相互の近接した各一端部を給電点３６ｃとする一対の導体５ｃ，６ｃと、導体５ｃ，６ｃの相互の離間した各他端部ならびに一方の端壁３１および仕切り壁１００ｃの間にそれぞれ介在されるインピーダンス素子３９ｃ，４０ｃとを有する。アンテナ素子１ｄは、部分収納空間４ｄ内で、共通な一直線上に軸線を有して細長く延び、相互の近接した各一端部を給電点３６ｄとする一対の導体５ｄ，６ｄと、導体５ｄ，６ｄの相互の離間した各他端部ならびに他方の端壁３２および仕切り壁１００ｃとの間にそれぞれ介在されるインピーダンス素子４０ｄ，３９ｄとを有する。導体５ａ，６ａ；５ｃ，６ｃ；５ｄ，６ｄは、使用される送信信号の周波数の波長をλとするとき、長さλ／２に選ばれる。導体５ａ，６ａと、導体５ｃ，６ｃ；５ｄ，６ｄとは、一水平面内で相互に平行である。給電点３６ａに関して給電点３６ｃ，３６ｄは、走査方向２０に垂直な方向に距離（Ｌ１，Ｌ２）λ／２だけ左右にずれて配置される。インピーダンス素子３９ａ，４０ａ；３９ｃ，４０ｃ；３９ｄ，４０ｄのインピーダンスは、受信信号のリンギングを抑制する値に選ばれる。
【００５４】
図１３は、図１２に示される地中探査レーダ用アンテナ１を用いる地中探査レーダ装置１１の全体の電気的構成を示すブロック図である。送信回路１６からのパルス状送信信号は、切換え回路６７から方向性結合器７１，７２，７３をそれぞれ経て、アンテナ素子１ａ，１ｃ，１ｄにそれぞれ与えられ、電磁波が地中に放射される。地中埋設物による反射波は、これらのアンテナ素子１ａ，１ｃ，１ｄから方向性結合器７１，７２，７３を経て、前述の切換え回路６７と同期的に切換え動作するもう１つの切換え回路６１を経て受信回路１７に与えられる。方向性結合器７１，７２，７３は、たとえばサーキュレータなどによって実現することができる。そのほかの構成と動作は、前述の参考例と同様である。
本発明の参考例を述べる。
（１）土壌に臨んで配置され、パルス状送信信号が与えられる単一の送信アンテナ素子と、土壌に臨んで送信アンテナ素子とともにほぼ一平面内に配置される複数の受信アンテナ素子であって、各受信アンテナ素子は、走査方向に垂直な方向に相互にずれて配置され、送信アンテナ素子から放射されたパルス状送信信号が地中埋設物によって反射された反射波を受信する受信アンテナ素子とを含むことを特徴とする地中探査レーダ用アンテナ。
図１〜図６および図９に関連して前述されているように、単一の送信アンテナ素子から、パルス状送信信号が土壌に放射され、地中埋設物によって反射された反射波を、複数の受信アンテナ素子によって受信し、これらの受信アンテナ素子は、送信アンテナ素子とともにほぼ同一平面内に配置され、各受信アンテナ素子は、走査方向２０に垂直な方向に相互にずれて配置される。したがって一対の送信アンテナと受信アンテナとの各給電点間を結ぶ線分の直線の中点（見掛けの送受信点）６３，６４，６５（図１参照）が走査方向２０に垂直な方向（図１の左右方向）に相互にずれることになる。このことにより、従来の一対の送受信アンテナの組合せしか持たないシステムに比べ、たとえば図１の場合のように三対の送受信アンテナの組合せの方が１回の走査で３倍のライン数を走査方向２０に探査することになり、効率的に作業を行うことができることになる。
（２）土壌に臨んでほぼ一平面内で走査方向に垂直な方向に相互にずれて配置され、相互に異なるパルス状送信信号がそれぞれ与えられる複数の送信アンテナ素子と、土壌に臨んで、前記一平面内に配置され、各送信アンテナ素子から放射されたパルス状送信信号が地中埋設物によって反射された反射波を、受信する単一の受信アンテナ素子とを含むことを特徴とする地中探査レーダ用アンテナ。
図７および図８に関連して前述されているように、複数の送信アンテナ素子と単一の受信アンテナ素子とを含み、各送信アンテナ素子は、土壌に臨んでほぼ一平面内で相互にずれて配置され、これらの各送信アンテナ素子には、時間的に相互にずれて異なるパルス状送信信号がそれぞれ順次的に与えられる。単一の受信アンテナ素子は、送信アンテナ素子が配置される前記一平面内に同様に配置され、各送信アンテナ素子から放射されて地中埋設物によって反射された反射波を共通に受信する。したがって図１の例で述べたような効果が同様に得られる。
（３）複数組の対を成す送信アンテナと受信アンテナとを含み、各組の一対の送信アンテナと受信アンテナとは、土壌に臨んで、走査方向に垂直な方向に同一位置にあり、しかも各組毎に走査方向に垂直な方向にずれて配置され、各組の送信アンテナに、パルス状送信信号が時間的にずれて、与えられ 、 パルス状送信信号が与えられた送信アンテナと対を成す受信アンテナによって、地中埋設物によって反射された反射波を受信することを特徴とする地中探査レーダ用アンテナ。
前述の図１０および図１１に示されるように、一対の送信および受信アンテナの組が複数、備えられ、一対の送信および受信アンテナは、走査方向２０に垂直な方向（図１０の左右方向）に同一位置にあり、しかも各組は、走査方向２０に垂直な方向（図１０の左右方向）にずれて配置される。各組の送信アンテナに、図８に示されるようなパルス状送信信号が時間的にずれて与えられ、その走査パルス状送信信号が与えられた送信アンテナと対を成す組みの受信アンテナによって、地中埋設物による反射波を受信する。こうして１回の走査で広い範囲にわたって前述と同様に探査することができ、効率的に作業を行うことができることになる。
（４）送信アンテナ素子と受信アンテナ素子とは、土壌に臨んで開放した収納空間を有し、その収納空間が、複数の平行に延びる部分収納空間に仕切られている導電性材料から成るアンテナハウジングの前記各部分収納空間内にそれぞれ設けられ、各部分収納空間内で、共通な一直線上に軸線を有して細長く延び、相互の近接した各一端部を給電点とする一対の導体と、導体の相互の離間した各他端部とアンテナハウジングとの間に介在されるインピーダンス素子とを含むことを特徴とする地中探査レーダ用アンテナ。
たとえば本件出願人による特願平１１−８０６１９記載のように、導電性アンテナハウジングの土壌に臨んで開放した収納空間は、複数の平行な部分収納空間に仕切られており、各部分収納空間には、送信アンテナ素子と受信アンテナ素子とが収納される。これらの送信アンテナ素子と受信アンテナ素子とは、ダイポールアンテナであって、軸線方向に順次的に隣接して配置される一対の導体を含み、これらの導体の相互に近接した一端部を給電点とし、この給電点にパルス状送信信号を与え、電磁波を発生し、地中埋設物、たとえば管などによって反射された反射波は、受信され、給電点から受信信号として導出される。各アンテナ素子の導体の相互の離間した各他端部は、ハウジングとの間に、インピーダンス素子、たとえば抵抗などを介して接続される。
アンテナハウジングは、たとえばアルミニウムなどの金属製板が組合わされて構成されてもよいけれども、金属箔が電気絶縁性材料から成る板の表面に付着されて形成されてもよい。この地中探査レーダ用アンテナは、比較的広帯域であり、指向性が優れており、さらに導体とアンテナハウジングとによる干渉を防いで土壌とは反対側に放射される電磁界の悪影響を、抑圧することができる。このアンテナは、構成が簡単であり、製造が容易であり、小形化が可能であるなどの優れた効果を達成することができる。さらに得られる受信信号には振動波形が含まれず、リンギングを充分に抑制することができる。
ボータイアンテナなどに関連してフェライトなどの磁性材料を用いる必要なしに、不要な電磁波の放射を抑制し、導体とアンテナハウジングとの間の電磁波の干渉を防ぐことができるようになる。
アンテナハウジング内には、誘電体が充填される。これによって、ハウジングの収納空間内に誘電体、たとえば電気絶縁性材料である発泡スチロールなどを充填し、これによってアンテナ効率を向上することができるとともに、導体を支持することができる。アンテナハウジングの収納空間には、誘電体が充填されず、空気が存在する構成であってもよい。
導体は、導線であってもよいけれども、導体を金属製とし、たとえば直円筒状などの管とすることによって、断面２次モーメントを向上し、強度を向上し、導体を直線状に正確に保つことができるようになる。
アンテナ素子に接続されて装荷されるインピーダンス素子の抵抗などのインピーダンスが、地中埋設物による反射波を正確に検出する地中探査のための最適値に選ばれる。したがってアンテナ素子などの構成および地中探査されるべき土壌の比誘電率などに拘わらず、地中埋設物体の反射波を常に正確に検出することができるようになる。インピーダンス素子のインピーダンスを適切に選ぶことによって、受信アンテナ素子から導出される受信信号のリンギング波形を抑制することができる。
送信アンテナ素子および受信アンテナ素子をそれぞれ構成する一対の各導体は、その長手方向に同一長さを有し、これらの一対の導体によって構成されるアンテナ素子の全体の長さは、使用される送信信号および受信信号の周波数の波長λにほぼ等しく選ばれる。各導体の長さは、ほぼλ／２に選ばれる。導体の長さは、そのほかの値に選ばれてもよい。
広帯域であって指向性に優れ、しかもたとえばボータイアンテナなどに比べて構成を小形化することができ、またフェライトなどの磁性材料を必要とすることなく、不所望な電磁波の発生を抑制することができる地中探査レーダ用アンテナが実現される。さらに反射波のリンギングを抑制することができる。これによって地中埋設物の分解能をさらに向上することができる。
（５）送信アンテナ素子と受信アンテナ素子とは、同一構造を有し 、 各受信アンテナ素子の給電点が、受信アンテナ素子相互に、導体の長手方向に、導体の長さだけ、ずれて配置され、送信アンテナ素子の給電点は、或る１つの受信アンテナ素子の給電点と、導体の長手方向に一致していることを特徴とする地中探査レーダ用アンテナ。
（６）送信アンテナ素子と受信アンテナ素子とは、同一構造を有し 、 各送信アンテナ素子の給電点が、送信アンテナ素子相互に、導体の長手方向に、導体の長さだけ、ずれて配置され、受信アンテナ素子の給電点は、或る１つの送信アンテナ素子の給電点と、導体の長手方向に一致していることを特徴とする地中探査レーダ用アンテナ。
複数の受信アンテナ素子または複数の送信アンテナ素子は、これらのアンテナ素子を構成する給電点が、導体の長手方向に、その導体の長さだけ、ずれて配置され、これによって複数の受信または送信アンテナ素子の配置によって一度に得られる地中埋設物の位置を検出する導体の長手方向に沿う分解能を向上することができる。複数の受信または送信アンテナ素子のうちの１つは、単一の送信または受信アンテナ素子と、それらの給電点が導体の長手方向に一致して配置され、したがって本件アンテナの導体の長手方向に垂直な方向の長さをできるだけ短くして、小形化することができる。複数の受信または送信の各アンテナ素子は、導体の長手方向に上述のようにずれて配置されてもよいけれども、本発明の実施の他の形態では、導体の長手方向に垂直な方向にずれて配置されてもよく、このような構成によっても、地中埋設物の位置を、分解能を向上して、検出することができる。
（７）全ての各組の送信アンテナ素子と受信アンテナ素子とは、同一構造を有し、土壌に臨んで開放した収納空間を有し、その収納空間が、複数の平行に延びる部分収納空間に仕切られている導電性材料から成るアンテナハウジングの前記各部分収納空間内にそれぞれ設けられ、各部分収納空間内で、共通な一直線上に軸線を有して細長く延び、相互の近接した各一端部を給電点とする一対の導体と、導体の相互の離間した各他端部とアンテナハウジングとの間に介在されるインピーダンス素子とを含み、各組の対を成す送信アンテナ素子および受信アンテナ素子の給電点は、導体の長手方向に一致しており、各組毎に給電点が、導体の長手方向に、導体の長さだけ、ずれて配置されていることを特徴とする地中探査レーダ用アンテナ。
図１０および図１１のように一対の送信および受信アンテナから成る組が、複数設けられ、前述と同様に分解能を向上することができる。
（８）前記地中探査レーダ用アンテナと、送信アンテナ素子にパルス状送信信号を与えて駆動するとともに、反射波の受信信号を各受信アンテナ素子によって受信して導出するアンテナ駆動手段と、送信信号と受信信号との各時間差に対応する地中埋設物の距離を演算し、その距離に基づいて、地中埋設物の位置を検出する演算手段とを含むことを特徴とする地中探査レーダ装置。
図１〜図１１にように、複数の受信アンテナ素子または複数の送信アンテナ素子が、ずれて配置されることによって、地中探査レーダ用アンテナを地表に配置して、地中埋設物の位置を迅速にかつ正確に検出して探査することが可能になる。
複数の受信アンテナ素子または複数の送信アンテナ素子の給電点は、それらのアンテナ素子を構成する導体の長さだけ、導体の長手方向にずれて配置され、こうして分解能を向上して、地中埋設物の検出を行うことができる。
単一の送信アンテナ素子の給電点は複数の受信アンテナ素子のうちの１つの給電点と一致しており、または単一の受信アンテナ素子の給電点は、複数の送信アンテナ素子のうちの１つの給電点と一致しており、こうして本件地中探査レーダ用アンテナの全体の構成をできるだけ小形化し、しかも地中埋設物の距離、したがって位置を、迅速にかつ正確に検出することができる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、第１〜第３アンテナ素子１ａ，１ｃ，１ｄによって、地中埋設物の距離、したがって位置を迅速にかつ正確に検出して地中埋設物の探査を行うことができる。したがって本件地中探査レーダ用アンテナを、走査方向に対して垂直にずらして複数回走査する作業を行う必要がなく、地中埋設物の探査の作業が容易になる。
【００５６】
【００５７】
【００５８】
【００５９】
第１〜第３の各アンテナ素子は、送信および受信に兼用され、これによって構成が大型化されるとともに、これらの各アンテナ素子は、走査方向に垂直な方向に相互にずれて配置されるので、分解能を向上し、地中埋設物の検出を迅速および正確に行うことができるようになる。
【００６０】
本発明によれば、広帯域であって指向性に優れ、しかも構成を小型化することができ、さらに不所望な電磁波の発生を抑制することができる地中探査レーダ用アンテナが実現され、さらに反射波のリンギングを抑制することができる。これによって地中埋設物の分解能をさらに向上することができる。
【００６１】
本発明によれば、地中探査レーダ用アンテナをアンテナ駆動手段によって駆動し、送信信号と受信信号との間の各時間差に対応する地中埋設物までの距離、したがってその地中までの位置を演算手段によって迅速にかつ正確に検出することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の参考例の地中探査レーダ用アンテナ１の底面図である。
【図２】 図１の切断面線ＩＩ−ＩＩから見た断面図である。
【図３】 図１の切断面線ＩＩＩ−ＩＩＩから見た断面図である。
【図４】 図１、図２および図３に示される地中探査レーダ用アンテナ１が用いられる地中探査レーダ装置１１の全体の電気的構成を示すブロック図である。
【図５】 送信回路１６の送信信号５４および受信回路１７の受信信号５５ｂ〜５５ｄ，５６ｂ〜５６ｄの各画像を示す図であり、図５（１）は送信回路１６から送信アンテナ素子１ａに与えられる送信信号を示し、図５（２）は受信アンテナ素子１ｂから受信回路１７に与えられる受信画像を示し、図５（３）は受信アンテナ素子１ｃから受信回路１７に与えられる受信画像を示し、図５（４）は受信アンテナ素子１ｄから受信回路１７に与えられる受信画像を示す。
【図６】 図１〜図５に示される本発明の参考例における処理回路１８の動作を説明するためのフローチャートである。
【図７】 本発明の他の参考例の地中探査レーダ用アンテナ１が用いられる地中探査レーダ装置１１の全体の電気的構成を示すブロック図である。
【図８】 送信回路１６の送信信号５４ｂ〜５４ｄおよび受信回路１７の受信信号５５ａ１〜５５ａ３，５６ａ１〜５６ａ３の各波形を示す図であり、図８（１）は送信回路１６から送信アンテナ素子１ｂに与えられる送信信号を示し、図８（２）は送信回路１６から送信アンテナ素子１ｃに与えられる送信信号を示し、図８（３）は送信回路１６から送信アンテナ素子１ｄに与えられる送信信号を示す。
【図９】 本発明の他の参考例の地中探査レーダ用アンテナ１の底面図である。
【図１０】 本発明のさらに他の参考例の地中探査レーダ用アンテナ１の底面図である。
【図１１】 図１０に示される地中探査レーダ用アンテナ１が用いられる地中探査レーダ装置１１の全体の電気的構成を示すブロック図である。
【図１２】 本発明の実施の一形態の地中探査レーダ用アンテナ１の底面図である。
【図１３】 図１２に示される地中探査レーダ用アンテナ１が用いれらる地中探査レーダ装置１１の全体の電気的構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 地中探査レーダ用アンテナ
１ａ〜１ｄ，１ｃ１，１ｃ２，１ｄ１，１ｄ２ アンテナ素子
２ アンテナハウジング
３ 収納空間
４ａ〜４ｄ 部分収納空間
５ａ〜５ｄ，６ａ〜６ｄ 導体
１０ａ〜１０ｄ 誘電体
３４ａ〜３４ｄ，３５ａ〜３５ｄ 一端部
３６ａ〜３６ｄ 給電点
３７ａ〜３７ｄ，３８ａ〜３８ｄ 他端部
３９ａ〜３９ｄ，４０ａ〜４０ｄ インピーダンス素子
Claims (1)
- 土壌１２の表面に沿って走査方向２０に移動する地中探査レーダ装置において、
（ａ）地中探査レーダ用アンテナ１であって、
（ａ１）アンテナハウジング２であって、
導電性材料から成り、
電気的に接地され、
底板２５と、
底板２５に連なり、走査方向２０に垂直な前後の側壁２７，２８と、
底板２５と前後の側壁２７，２８とに連なり、走査方向２０に平行な左右の端壁３１，３２とによって、
下方の土壌に臨んで開放した収納空間３を形成し、
収納空間３を、走査方向２０の前後に仕切る第１仕切り壁８と、
収納空間３の第１仕切り壁８よりも走査方向２０前方で、第１部分収納空間４ａを形成する左右一対の第２仕切り壁１００ａと、
収納空間３の第１仕切り壁８よりも走査方向２０後方で、走査方向２０に垂直な方向に左右に仕切り、第１部分収納空間４ａと平行に延びる第２および第３部分収納空間４ｃ，４ｄを形成する第３仕切り壁１００ｃとを有するアンテナハウジング２と、
（ａ２）同一構造を有する第１〜第３アンテナ素子１ａ，１ｃ，１ｄであって、
（ａ２−１）第１アンテナ素子１ａは、
第１部分収納空間４ａ内で、
共通な一直線上に軸線を有して細長く延び、相互の近接した各一端部を第１給電点３６ａとする一対の第１導体５ａ，６ａと、
第１導体５ａ，６ａの相互の離間した各他端部と各第２仕切り壁１００ａとの間にそれぞれ介在される第１インピーダンス素子３９ａ，４０ａとを有し、
（ａ２−２）第２アンテナ素子１ｃは、
第２部分収納空間４ｃ内で、
共通な一直線上に軸線を有して細長く延び、相互の近接した各一端部を第２給電点３６ｃとする一対の第２導体５ｃ，６ｃと、
第２導体５ｃ，６ｃの相互の離間した各他端部ならびに一方の端壁３１および第３仕切り壁１００ｃの間にそれぞれ介在される第２インピーダンス素子３９ｃ，４０ｃとを有し、
（ａ２−３）第３アンテナ素子１ｄは、
第３部分収納空間４ｄ内で、
共通な一直線上に軸線を有して細長く延び、相互の近接した各一端部を第３給電点３６ｄとする一対の第３導体５ｄ，６ｄと、
第３導体５ｄ，６ｄの相互の離間した各他端部ならびに他方の端壁３２および第３仕切り壁１００ｃとの間にそれぞれ介在される第３インピーダンス素子４０ｄ，３９ｄとを有し、
（ａ２−４）第１〜第３部分収納空間４ａ，４ｃ，４ｄには、誘電体１０がそれぞれ充填され、
第１〜第３導体５ａ，６ａ；５ｃ，６ｃ；５ｄ，６ｄは、金属製直円筒状の管であり、
使用される送信信号の周波数の波長をλとするとき、長さλ／２に選ばれ、
第１導体５ａ，６ａならびに第２および第３導体５ｃ，６ｃ；５ｄ，６ｄは、一水平面内で相互に平行であり、
第１給電点３６ａに関して第２および第３給電点３６ｃ，３６ｄは、走査方向２０に垂直な方向に距離（Ｌ１，Ｌ２）λ／２だけ左右にずれて配置され、
第１〜第３インピーダンス素子３９ａ，４０ａ；３９ｃ，４０ｃ；３９ｄ，４０ｄのインピーダンスは、受信信号のリンギングを抑制する値に選ばれる地中探査レーダ用アンテナ１と、
（ｂ）第１〜第３アンテナ素子１ａ，１ｃ，１ｄにパルス状送信信号を一定の時間Ｗ１で切換えて時間順次的にそれぞれ与えて駆動するとともに、反射波の受信信号をパルス状送信信号を与えたアンテナ素子１ａ，１ｃ，１ｄと同じアンテナ素子１ａ，１ｃ，１ｄによって受信して導出するアンテナ駆動手段１６，１７，６１，６７，７１〜７３と、
（ｃ）第１〜第３アンテナ素子１ａ，１ｃ，１ｄ毎の送信信号と受信信号との各時間差ΔＷ１〜ΔＷ３に対応する地中埋設物の距離を演算し、その距離に基づいて、地中埋設物の位置を検出する演算手段１８とを含むことを特徴とする地中探査レーダ装置。
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