JP5710289B2 - 地中レーダ装置 - Google Patents

Description

本発明は、地中の埋設物を探査するための地中レーダ装置に関し、特に、浅層から深層まで広範囲に埋設物の探査が可能な地中レーダ装置に関する。

地中レーダ装置として、例えば特許文献１に記載されたものがある。この地中レーダ装置は、地上に設置した地中レーダ装置の電磁波送信部の送信アンテナから地中に向かって電磁波を発射し、地中の埋設物からの反射波を地中レーダ装置の電磁波受信部の受信アンテナで受信することにより、地中の埋設物を探査するものである。

特許第３０３９５０９号公報

ところで、現状の地中レーダ装置は、深層の埋設物を検出するため、高出力化が容易で、土壌への透過率が良い０〜３００ＭＨｚの周波数成分を主成分とするパルス幅３ｎｓ程度の信号を送信波として用いている。このような送信波を用いた場合、深度が５０〜２５０ｃｍ程度の埋設物は検出できるが、深度が１０ｃｍ程度の浅層の埋設物は、送信アンテナから直接受信アンテナに伝搬する電磁波及び地表面からの反射波（以下、これら電磁波及び反射波を直達波と称す）の影響により検出が難しいという問題がある。即ち、地中レーダ装置の測定結果は、直達波と地中の埋設物からの反射波とが時間差をもって受信され、受信波形はこれらが重畳されたものが現れる。この場合、直達波の信号レベルは埋設物からの反射波の信号レベルに比べて極めて大きいため、直達波における各周波数成分のレベル不均一に起因して直達波のリンギングが時間的に長引くと、浅層の埋設物からの反射波が直達波のリンギング部分で埋もれてしまうため、浅層の埋設物の検出が難しい。

本発明は上記問題点に着目してなされたもので、直達波のリンギングを抑制して浅層の埋設物でも確実に探査できる地中レーダ装置を提供することを目的とする。

このため、本発明は、電磁波送信部から地中に向けて電磁波を送出し、電磁波受信部で前記電磁波に基づく反射波を受信し、前記電磁波受信部の受信信号に基づいて地中に埋設された埋設物を探知する地中レーダ装置において、前記受信信号を複数の周波数成分の信号に分解する信号分解部と、前記受信信号における、電磁波送信部から直接受信される電磁波及び地表面からの反射波による直達波受信期間では前記信号分解部で分解生成された各信号成分に対して信号レベルを均一化するよう個別に感度調整量を設定してＳＴＣ処理を行い、その後の受信期間では低周波信号成分に対して時間経過と共に感度調整量が増大するよう、又は／及び、高周波信号成分に対して時間経過と共に感度調整量が減少するよう感度調整量を設定してＳＴＣ処理を行うＳＴＣ処理部と、該ＳＴＣ処理部で処理された前記各信号成分を合成して合成受信信号を生成する信号合成部と、を備え、前記信号合成部で生成した合成受信信号に基づいて前記埋設物を探知する構成とすることを特徴とする。

かかる構成では、電磁波送信部から地中に向けて送出した電磁波の反射波が電磁波受信部で受信されると、信号分解部は受信信号を複数の周波数成分の信号に分解する。ＳＴＣ処理部は、受信信号における電磁波送信部から直接受信される電磁波及び地表面からの反射波による直達波受信期間では分解生成された各信号成分に対して信号レベルを均一化するよう個別に感度調整量を設定してＳＴＣ処理を行い、その後の受信期間では低周波信号成分に対して時間経過と共に感度調整量が増大するよう、又は／及び、高周波信号成分に対して時間経過と共に感度調整量が減少するよう感度調整量を設定してＳＴＣ処理を行う。信号合成部はＳＴＣ処理部で処理された各信号成分を合成して合成受信信号を生成する。この生成された合成受信信号に基づいて埋設物を探査する。これにより、合成受信信号においては直達波におけるリンギングを抑制でき、ランダムノイズの影響も抑制できるようになる。

本発明の地中レーダ装置によれば、直達波における各周波数成分のレベル不均一に起因する直達波のリンギングを抑制できるので、浅層の埋設物からの反射波が直達波のリンギングで埋もれることがない。従って、浅層の埋設物からの反射波を見落とすことなく検出できる。また、受信信号のリンギング期間以後の受信期間では低周波信号成分に対して時間経過と共に感度調整量が増大するよう、又は／及び、高周波信号成分に対して時間経過と共に感度調整量が減少するよう感度調整量を設定したＳＴＣ処理により、埋設物からの反射信号強度の強い信号成分を強調するようにしてランダムノイズの影響を抑制するので、深層の埋設物からの反射波も容易に検出できる。従って、高出力化が容易で、土壌への透過率が良い０〜３００ＭＨｚの周波数成分を主成分とするパルス幅３ｎｓ程度の信号を送信波として用いて、浅層から深層まで広範囲に埋設物の探査が可能となる。

本発明に係る地中レーダ装置の第１実施形態を示す構成図。 第１実施形態の分解、ＳＴＣ処理、合成の各動作による信号波形変化の説明図。 受信アンテナで受信される受信信号の周波数分布の一例を示す図。 本発明に係る地中レーダ装置の第２実施形態を示す構成図。 本発明に係る地中レーダ装置の第３実施形態を示す構成図。 本発明に係る地中レーダ装置の第４実施形態を示す構成図。 本発明に係る地中レーダ装置の第５実施形態を示す構成図。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る地中レーダ装置の第１実施形態を示す構成図である。
図１において、本実施形態の地中レーダ装置１は、筐体２内に、電磁波送信部３と、電磁波受信部４と、信号分解部としてのウェーブレット変換器５と、ＳＴＣ処理部６と、信号合成部としての逆ウェーブレット変換器７と、Ａ／Ｄ変換器８と、信号処理部９とを備える。

前記電磁波送信部３は、地中に向けて例えばチャープ波やＦＭ−ＣＷ波等の電磁波を送出するもので、電磁波送信信号を発生する送信器１１と、該送信器１１からの送信信号を地中に向けて送出する送信アンテナ１２と、受信信号の相関処理用のローカル信号を送信するローカル信号送信器１３と、を備える。ローカル信号送信器１３は、電磁波送信部３の送信タイミングに同期して電磁波送信信号と同じ信号をローカル信号として発生する。

前記電磁波受信部４は、送信アンテナ１２から送信された送信信号に基づく電磁波を受信して受信信号を出力するもので、直達波や地中の埋設物１０等からの反射波を受信する受信アンテナ２１と、該受信アンテナ２１からの受信信号と前記ローカル信号とを相互相関処理する相関器２２と、を備える。相関器２２は、受信アンテナ２１からの信号をＡ／Ｄ変換８で処理可能な速度のアナログ信号に変換する。尚、前述の直達波とは、送信アンテナ１２から直接受信アンテナ２１に伝搬する電波及び地表面からの反射波を示す。

前記ウェーブレット変換器５は、受信信号を時間周波数領域の信号に分解することで、受信信号を複数の周波数成分（又は周波数帯域成分）の信号に分解する。

前記ＳＴＣ処理部６は、ウェーブレット変換器５で分解された複数の周波数成分信号の受信感度調整量を時間に応じて増大する感度時間調整（Sensitivity Time Control）処理を行うもので、分解する周波数成分数に対応するｎ個（ｎ≧１）の増幅器を備えて構成される。前記ＳＴＣ処理部６は、受信信号における直達波の受信期間ではウェーブレット変換器５で分解生成された各周波数信号成分に対して各周波数信号成分の信号レベルを均一化するよう個別に感度調整量を設定してＳＴＣ処理を行い、その後の受信期間では、例えば低周波信号成分に対して時間経過と共に感度調整量が増大するよう感度調整量を設定して埋設物からの反射信号強度の強い信号成分を強調するようなＳＴＣ処理を行う。

前記逆ウェーブレット変換器７は、ＳＴＣ処理部で個別にＳＴＣ処理された各周波数信号成分を合成して合成受信信号を生成する。

前記Ａ／Ｄ変換器８は、逆ウェーブレット変換器７から出力されたアナログの合成受信信号を所定のサンプリング周期でサンプリングしてディジタル信号に変換する。

前記信号処理部９は、Ａ／Ｄ変換器８からのディジタル信号を処理して探査結果を画面表示するもので、入力するディジタル信号データに基づいて、横軸を時間、縦軸を受信強度としたＡスコープ用の表示データや、横軸を地中レーダ装置１の移動距離、縦軸を反射時間（電磁波送信から反射受信までの経過時間）としたＢスコープ用の２次元画像データを生成するデータ処理部３１と、データ処理部３１で生成された各データに基づいてＡスコープやＢスコープによる探査結果を表示するディスプレイ３２とを備え、例えばパーソナルコンピュータである。

次に、本実施形態の地中レーダ装置１による埋設物１０の探査動作について説明する。
この地中レーダ装置１を、例えば台車に載置して探査領域内を一方向に移動させながら電磁波送信部３の送信器１１から発生させた電磁波送信信号を送信アンテナ１２から真下の地中に向けて電磁波を放射し、その反射波を電磁波受信部４の受信アンテナ２１で受信して受信信号データを収集し、収集した受信信号データに基づいて探査結果をＡスコープ表示又はＢスコープ表示して地中内の埋設物を探査する。尚、筐体２に直接車輪を取付けて地中レーダ装置１を移動可能な構成としてもよい。また、信号処理部９を筐体２に対して電気的に接続可能な外部装置として構成してもよい。

受信アンテナ２１で受信した受信信号は、相関器２２で送信器１１の送信タイミングに同期してローカル信号送信器１３から発生したローカル信号で相互相関処理され、後段のＡ／Ｄ変換８で処理可能な速度のアナログ信号に変換され、ウェーブレット変換器５に入力する。ウェーブレット変換器５に入力する受信信号は、直達波の受信信号と地中の埋設物からの反射波の受信信号とが時間差をもって存在し、これら受信信号に更に機器の熱雑音や外来ノイズに起因するランダムノイズ成分が重畳された信号となっている。このため、図２の最上段に示すように、受信初期は直達波の受信により信号レベルが高い。そして、浅層の埋設物１０の場合、直達波の受信と埋設物１０の反射波の受信時間差が僅かとなり、受信信号に含まれる各周波数成分のレベルの不均一に起因して直達波のリンギング期間が長引くと、直達波のリンギング期間が埋設物１０の反射波の受信と重なり、直達波のリンギングの信号レベルが埋設物１０の反射波の信号レベルより高い場合には、図２に示すように、直達波のリンギング部分で埋設物１０の反射波が埋もれてしまう。尚、図２では、説明を判り易くするため、直達波による受信信号成分（図中、鎖線で示す）と埋設物１０の反射波による受信信号成分（図中、点線で示す）とランダムノイズによる受信信号成分（図中、実線で示す）をそれぞれ分離して示してあるが、実際の受信信号波形は、これらが重畳された波形となっている。

ウェーブレット変換器５では、入力した受信信号を複数の周波数成分信号に分解する。本実施形態では、図２に示すように低周波数成分（図中、左側）と高周波数成分（図中、右側）に分解する。ウェーブレット変換器５で生成された低周波数成分信号と高周波数成分信号は、ＳＴＣ処理部６に入力する。本実施形態の場合、ウェーブレット変換器５で分解する周波数成分信号が、低周波数成分と高周波数成分の２つであり、ＳＴＣ処理部６は、分解する信号成分数に対応して２つの増幅器６₁、６₂を備える構成である。

ＳＴＣ処理部６は、直達波受信期間において低周波数成分信号と高周波数成分信号のそれぞれに対して両周波数成分の信号レベルが均一になるよう個別に各増幅器６₁、６₂の感度調整量を設定してＳＴＣ処理を行う。図３に示すように高周波数成分の信号レベルが低い場合、例えば、図３の点線で示すように高周波数成分の信号レベルを低周波数成分の信号レベルと同じになるよう高周波数成分の感度調整量を高く設定して両周波数成分の信号レベルを均一化する。尚、低周波数成分の信号レベルを高周波数成分の信号レベルと同じになるよう低周波数成分の感度調整量を低く設定して両周波数成分の信号レベルを均一化するようにしてもよい。図２の右側の図に点線で示す直達波受信期間に対応する感度調整領域後の受信期間では、両周波数成分信号の埋設物からの反射信号強度が強いと思われる低周波数成分の信号レベルを強調するよう、低周波信号成分に対して時間経過と共に感度調整量が増大するよう感度調整量を設定してＳＴＣ処理を行い、深層の埋設物からの反射波の受信感度を高めるようにする。尚、高周波数成分の信号レベルを低くするよう、高周波信号成分に対して時間経過と共に感度調整量が減少するよう感度調整量を設定するＳＴＣ処理を行い、ランダムノイズ成分を軽減させることで、相対的に受信感度を高めるようにしても良い。また、低周波数成分の信号レベルを強調すると共に高周波数成分の信号レベルを抑制するよう低周波数成分と高周波数成分の両方について感度調整量を設定してＳＴＣ処理を行うようにしてもよい。

ここで、直達波受信期間に対応する感度調整領域の設定は、予め探査領域の受信信号データを収集し、その収集した受信信号データの解析結果に基づいて直達波受信時間を決定して設定するようにすればよい。これにより、感度調整領域として感度調整する感度調整時間を予め設定し、その設定時間が経過するまではリンギング低減のための個別の感度調整を行い、設定時間経過後は、低周波信号成分に対して時間経過と共に感度調整量が増大するよう感度調整量を設定して埋設物からの反射信号強度の強い周波数成分を強調するＳＴＣ処理を行う。

ＳＴＣ処理部６からの感度調整した両周波数成分信号は、逆ウェーブレット変換器７で合成する。このアナログの合成受信信号は、Ａ／Ｄ変換器８で所定のサンプリング周期でサンプリングしてディジタル信号に変換し、信号処理部９のデータ処理部３１で処理され、操作者の指示入力によりディスプレイ３２にＡスコープやＢスコープの表示形態で表示される。

かかる本実施形態の構成によれば、図２の最下段に示すように、直達波のリンギング期間が短く、浅層の埋設物の反射波がリンギング期間で埋もれることなく明確に現れるＡスコープによる受信信号波形が得られる。これにより、高出力化が容易で、土壌への透過率が良い０〜３００ＭＨｚの周波数成分を主成分とするパルス幅３ｎｓ程度の信号を送信波として用いて、浅層から深層まで広範囲に埋設物を探査することができる。

尚、本実施形態では、受信信号を低周波数成分と高周波数成分の２の周波数成分信号に分割する例で説明したが、分割する周波数成分数が多ければ多い程、合成受信信号の周波数成分の信号レベルをより一層均一化することができ、リンギング期間の短縮化及び所望の反射信号の強調が図れる。

図４〜図６は、本発明に係る地中レーダ装置の第２〜第４実施形態を示す構成図である。尚、第１実施形態と同一要素には同一符号を付してある。
図４の第２実施形態は、Ａ／Ｄ変換器８と信号処理部９との間に、ウェーブレット変換器５、ＳＴＣ処理部６及び逆ウェーブレット変換器７を設け、Ａ／Ｄ変換器８でディジタル信号に変換した受信信号に対して、第１実施形態と同様に受信信号の分解、ＳＴＣ及び合成の各処理を行う構成である。

図５の第３実施形態は、パーソナルコンピュータからなる信号処理部９内に、合成受信信号生成部３３を設け、この合成受信信号生成部３３で受信信号の分解、ＳＴＣ及び合成の各処理をソフトウエアで処理して合成受信信号を生成する構成であり、合成受信信号生成部３３が、第１実施形態におけるウェーブレット変換器５、ＳＴＣ処理部６及び逆ウェーブレット変換器７の機能を備える。

図６の第４実施形態は、電磁波受信部４の受信アンテナ２１と相関器２２との間に、ウェーブレット変換器５、ＳＴＣ処理部６及び逆ウェーブレット変換器７を設け、受信アンテナ２１から出力される受信信号に対して、第１実施形態と同様に受信信号の分解、ＳＴＣ及び合成の各処理を行う構成である。

上述した第２〜第４実施形態は、分解、ＳＴＣ及び合成の各処理を行う箇所が第１実施形態と異なるだけで、地中レーダ装置１内の各部における信号の処理動作は第１実施形態と同じであり、その作用効果についても同様である。

図７は、本発明に係る地中レーダ装置の第５実施形態を示す構成図である。
図７において、本実施形態の地中レーダ装置１は、ウェーブレット変換器５に代えて、送信信号に含まれる周波数成分を複数に分割したそれぞれの周波数成分からなるローカル信号を発生する複数のローカル信号送信機１３₁〜１３_nを備えるローカル信号送信機群１３と、各ローカル信号送信機１３₁〜１３_nから送信されるそれぞれのローカル信号と受信アンテナ２１からの受信信号との相互相関処理を行う複数の相関器２２₁〜２２_nを備える相関器群２２とを設ける構成である。

かかる構成の地中レーダ装置１では、各相関器２２₁〜２２_nにより対応する各ローカル信号送信機１３₁〜１３_nの発生する周波数成分信号と相関を持つ周波数成分信号を受信信号から抽出することで、受信信号を複数の周波数成分信号に分割している。その後は、各相関器２２₁〜２２_nの分割した周波数成分信号に対して第１実施形態と同様のＳＴＣ処理部６によるＳＴＣ処理、逆ウェーブレット変換器７による合成受信信号の生成を実行し、信号処理部９による信号処理を経てディスプレイ３２にＡスコープやＢスコープの表示形態で表示される。

かかる第５実施形態でも、第１〜第４実施形態と同様、高出力化が容易で、土壌への透過率が良い０〜３００ＭＨｚの周波数成分を主成分とするパルス幅３ｎｓ程度の信号を送信波として用いて、浅層から深層まで広範囲に埋設物を探査することができる。

尚、上述の第１、第２及び第４実施形態において、ウェーブレット変換器を用いて受信信号を複数の周波数成分信号に分解したが、ウェーブレット変換器の代わりに通過周波数帯域を異ならせた複数の帯域通過フィルタを設け、これら帯域通過フィルタで受信信号を複数の周波数成分信号に分解するよう構成してもよい。

１ 地中レーダ装置
３ 電磁波送信部
４ 電磁波受信部
５ ウェーブレット変換器
６ ＳＴＣ処理部
７ 逆ウェーブレット変換器
９ 信号処理部
１１ 送信機
１２ 送信アンテナ
１３ ローカル信号送信機（群）
２１ 受信アンテナ
２２ 相関器（群）
３３ 合成受信信号生成部

Claims (5)

1. 電磁波送信部から地中に向けて電磁波を送出し、電磁波受信部で前記電磁波に基づく反射波を受信し、前記電磁波受信部の受信信号に基づいて地中に埋設された埋設物を探査する地中レーダ装置において、
   前記受信信号を複数の周波数成分の信号に分解する信号分解部と、
   前記受信信号における、電磁波送信部から直接受信される電磁波及び地表面からの反射波による直達波受信期間では前記信号分解部で分解生成された各信号成分に対して信号レベルを均一化するよう個別に感度調整量を設定してＳＴＣ処理を行い、その後の受信期間では低周波信号成分に対して時間経過と共に感度調整量が増大するよう、又は／及び、高周波信号成分に対して時間経過と共に感度調整量が減少するよう感度調整量を設定してＳＴＣ処理を行うＳＴＣ処理部と、
   該ＳＴＣ処理部で処理された前記各信号成分を合成して合成受信信号を生成する信号合成部と、
   を備え、
   前記信号合成部で生成した合成受信信号に基づいて前記埋設物を探査する構成としたことを特徴とする地中レーダ装置。
2. 前記信号分解部は、ウェーブレット変換を用いて前記受信信号を前記複数の周波数成分の信号に分解する構成とした請求項１に記載の地中レーダ装置。
3. 前記信号分解部は、通過周波数帯域を互いに異ならせた複数の帯域通過フィルタを用いて前記受信信号を前記複数の周波数成分の信号に分解する構成とした請求項１に記載の地中レーダ装置。
4. 前記信号分解部は、前記電磁波送信部の電磁波送信信号と同期する相互相関処理用で前記複数の周波数成分のローカル信号と前記受信信号との相互相関処理によって受信信号を前記複数の周波数成分の信号に分解する構成とした請求項１に記載の地中レーダ装置。
5. 前記信号合成部は、逆ウェーブレット変換を用いて前記ＳＴＣ処理部で処理された前記各信号成分を合成する構成とした請求項１又は２に記載の地中レーダ装置。