JP6030642B2 - アンテナクロストークを用いる地中レーダ通信のためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

本開示は地中レーダと通信するためのシステム及び方法に関する。さらに詳しくは、本開示は埋設物の検出においてアンテナクロストークを利用する地中レーダ通信のためのシステム及び方法に関する。

多くの掘削工事が、十分に発展した、ユーティリティ密集地区で行われる。多くの都市圏における地中ユーティリティの密集は、貧弱な記録保管及び地表からの埋設ユーティリティの正確な位置突き止めの困難さとあいまって、機械的掘削中の不用意なユーティリティへの打撃を多く生じさせている。ユーティリティに打ち当たると、作業停止命令が出され、作業が遅延し、埋設ユーティリティに機械的損傷を生じさせ、訴訟、保険、ダウンタイム及び修復にともなう多大な費用が発生し得る。

本開示の一実施形態例にしたがえば、地中レーダと通信する方法が提供される。方法は、地中に進入するように構成された掘削具に結合された送信器及び検出器を提供する工程、送信器によって地中進入信号を送信する工程及び検出器によって地中進入信号からのクロストークを検出する工程を含む。方法はさらに、クロストークの特徴に基づいて地面に対する検出器及び送信器の少なくとも一方の位置を決定する工程を含む。

本開示の別の実施形態例にしたがえば、地中レーダと通信する方法が提供される。方法は掘削具及び掘削具に結合された検出システムを提供する工程を含む。検出システムは送信器及び受信器を備え、掘削具は地中に進入するように構成される。方法はさらに、送信器によって地中進入信号を送信する工程及び送信器と受信器の間の信号結合に基づいて地面に対する検出システムの位置を決定する工程を含む。方法はさらに、検出システムが地面と接していることが決定されると地中進入信号の強度を高める工程を含む。

本開示のまた別の実施形態例にしたがえば、地中レーダと通信する方法が提供される。方法は掘削具及び掘削具に結合された検出システムを提供する工程を含む。検出システムは送信器及び受信器を備え、地中に配された物体を検出するように構成される。方法はさらに、進入路をつくるために掘削具を用いて地中に進入する工程、送信器と物体の間で信号を通信する工程及び受信器によって信号のクロストークを識別する工程を含む。方法はさらに、信号のクロストークに基づいて地面の誘電特性を決定する工程を含む。

本開示のさらに別の実施形態例にしたがえば、車台、車台を支持するために配置された複数の走行装置及び、車台によって支持され、地中に進入するように構成された作業工具を備える、建設車輌が提供される。車輌はさらに、地中進入信号を送信するように構成された送信器及び地中進入信号からのクロストークを検出するように構成された検出器を含む検出システムを備える。送信器及び検出器は作業工具に取り付けられる。検出システムは、地中進入信号からのクロストークの特徴に基づいて、検出器及び送信器の少なくとも一方の地面に対する位置を決定するように構成される。

本開示の別の実施形態例にしたがえば、地中に配された物体を検出するように構成された検出器アセンブリが提供される。検出器アセンブリは内部領域を有するハウジング構造体を備える。検出器アセンブリはさらにハウジング構造体内の内部領域に配置されたアンテナを備える。アンテナは地中進入信号を通信するように構成される。誘電媒質がハウジング構造体の周りに成形される。ハウジング構造体及び誘電媒質は協働して、アンテナと地面の間の地中進入信号の通信中の信号減損を大きく低める。

本開示のまた別の実施形態例にしたがえば、地中レーダと通信する方法が提供される。方法は、作業工具、トランスデューサ及び、トランスデューサを受け入れるための内部領域を有する、ハウジング構造体を提供する工程を含む。方法はさらに、誘電媒質をハウジング構造体の周りに成形する工程、ハウジング構造体の内部領域内にトランスデューサを確実に固定する工程及びハウジング構造体とトランスデューサを作業工具に結合する工程を含む。方法はさらに、進入路をつくるために作業工具によって地中に進入する工程及び進入工程中にトランスデューサによって地中進入信号を通信する工程を含む。

添付図面とともになされる本開示の実施形態の以下の説明を参照することにより、本開示の上述及びその他の特徴が一層明らかになり、本開示自体が一層良く理解されるであろう。

図１は、ある地域を掘削している、地中に配された物体を検出するための地中レーダが掘削機バケットの先端に配置された掘削機を示す、掘削機の側面図である。 図２は、送信及び地中に配された物体の検出を行う送信アンテナ及び受信アンテナを備えるレーダを示す、地中レーダの略図である。 図３は、隠れ線で示される、封入されたトランシーバアンテナを含む、掘削機バケット歯先の一部の斜視図である。 図４は図３の封入アンテナの金属被覆層の平面図である。 図５は掘削機バケット上に取り付けられた図３のアンテナの図である。 図６Ａは、図２のアンテナによって検出された信号のグラフ表示であり、送信アンテナ及び受信アンテナは土からなる地面の上方に配置されている。 図６Ｂは、アンテナによって検出された信号を示す図６Ａと同様の図であり、送信アンテナ及び受信アンテナは地面に接していて、地中に配されたプラスチックパイプを示すピークが示されている。 図７Ａは、図３のアンテナによって検出された信号のグラフ表示であり、送信アンテナ及び受信アンテナは砂土からなる地面の上方に配置されていて、砂土内に物体はない。 図７Ｂは、アンテナによって検出された信号を示す図７Ａと同様の図であり、送信アンテナ及び受信アンテナは地面に接していて、砂土中に配されたスチールパイプを示すピークが示されている。 図８Ａは、図３のアンテナによって検出された信号のグラフ表示であり、送信アンテナ及び受信アンテナは砂土からなる地面の上方に配置されていて、砂土内に物体はない。 図８Ｂは、アンテナによって検出された信号を示す図８Ａと同様の図であり、送信アンテナ及び受信アンテナは地面に接していて、砂土中に配されたポリエチレンパイプを示すピークが示されている。 図９Ａは、図３のアンテナによって検出された信号のグラフ表示であり、土中に配された物体はない。 図９Ｂは、土中約６インチ（１５２ｍｍ）の深さに配されたスチールパイプによる検出信号のグラフ表示を示す、図９Ａと同様の図である。 図９Ｃは、土中約１０インチ（２５４ｍｍ）の深さに配されたスチールパイプによる検出信号のグラフ表示を示す、図９Ａと同様の図である。 図１０は、４つのディスコーンアンテナ及びビバルディアンテナを有する歯先を示す、一例のバケット歯先の斜視図である。 図１１は図１０のバケット歯先の端面図である。 図１２はディスコーンアンテナのアレイの端面図である。 図１３はディスコーンアンテナアレイの組合せの上面図である。 図１４はその上に取り付けられたディスコーンアンテナアレイを示す掘削機バケットの図である。 図１５Ａは地面に接して配置されたアンテナアレイの第１の検出器によって検出された信号のグラフ表示であり、２つの物体が地中に配されている。 図１５Ｂは、地面に接して配置されたアンテナアレイのトランシーバによって送信及び検出された信号のグラフ表示を示す、図１５Ａと同様の図であり、２つの物体が地中に配されている。 図１５Ｃは、地面に接して配置されたアンテナアレイの第２の検出器によって検出された信号のグラフ表示を示す、図１５Ａと同様の図であり、２つの物体が地中に配されている。 図１６Ａは図１５Ａ及び１５Ｂに示された信号の相互相関のグラフ表示である。 図１６Ｂは図１５Ａ及び１５Ｃに示された信号の相互相関のグラフ表示である。 図１６Ｃは図１５Ｂ及び１５Ｃに示された信号の相互相関のグラフ表示である。 図１７Ａは、図１５Ａと１５Ｂの相互相関信号に基づいて埋設物があり得る場所を示す、双極線の一例である。 図１７Ｂは、図１５Ａと１５Ｃの相互相関信号に基づいて埋設物があり得る場所を示す、双極線の一例である。 図１７Ｃは、図１５Ｂと１５Ｃの相互相関信号に基づいて埋設物があり得る場所を示す、双極線の一例である。 図１８は、２つの埋設物の推定位置を示す、重畳された図１７Ａ〜１７Ｃの双曲線の図である。 図１９Ａは図２の物体検出システムによって検出された信号のグラフ表示例であり、送信アンテナ及び受信アンテナは地面の上方に配置されている。 図１９Ｂは物体検出システムによって検出された信号を示す図１９後同様の図であり、送信アンテナ及び受信アンテナは地面に接して配置されている。

いくつかの図を通して、対応する参照数字は対応する要素を示す。本明細書に提示される例示は本開示の実施形態例を説明し、そのような例示はいかなる態様でも本開示の範囲を制限すると解されるべきではない。

以下に開示される実施形態は、網羅的であるつもりはなく、また以下の詳細な説明に開示される精確な形態に本開示を限定するつもりもない。むしろ、実施形態は当業者がその教示を利用できるように説明される。

車台１２及び、車台１２を支持し、地面１６の上で車台１２を推進する、無限軌道のような、複数の走行装置１４を備える、掘削機１０が図１に示される。掘削機１０はさらに、地面１６に進入して地面１６に溝、穴、竪坑またはその他の凹地２２を形成するように構成された作業工具またはバケット２０を支持するブーム１８を備える。掘削機１０はさらに、図２に示される、地面１６内の、ユーティリティパイプまたは電線のような、物体２６を検出するように構成された物体検出レーダシステム２４を備える。掘削機１０が図１に示され、本出願明細書に論じられるが、バックホー、ローダー、ブルドーザー、グレーダー及びその他の建設車輌のような他の建設車輌も物体検出システム２４を備えることができる。さらに、走行装置１４は無限軌道として示されるが、車輪のような他の走行装置を建設車輌１０に備えることができる。

物体検出レーダシステム２４のいくつかの要素はバケット２０上に取り付けられる。本開示の好ましい実施形態にしたがえば、検出システム２４はバケット２０上に取り付けられた送信器２８及び／または受信器／検出器３０を備える。例えば、図１に示される実施形態にしたがえば、送信器２８及び検出器３０はバケット２０の１つ以上の歯先３２に取り付けられる。送信器２８及び検出器３０は、ブルドーザーまたはグレーダーのブレード、ローダーまたはバックホーのバケットのような他の建設装置作業工具、あるいはその他の作業工具に取り付けることもできる。

送信器２８及び検出器３０が歯先３２に取り付けられていれば、送信器２８及び検出器３０は、凹地２２の掘削中、地面１６に直に接している。送信器２８及び検出器３０を地面１６に直に接して配することにより、トランスデューサと地面１６の間の地中進入信号の通信中の信号減損が低められる。

送信器２８は電磁波を発するように構成され、受信器３０は電磁波を検出するように構成される。一実施形態において、送信器２８及び検出器／受信器３０は超広帯域（ＵＷＢ）通信を利用する。図２に示されるように、検出システム２４は、Picosecond Pulse Labs社のGenerator Model 4500Dのような、信号発生器３４及び、テクトロニクス社のオシロスコープModel DSA8200のような、信号検出モニタ３６を備える。信号発生器３４は、地面１６内に地中進入信号を発し、またモニタ３６にトリガ信号を与える、送信器２８に信号を供給する。パイプのような、物体２６が地中進入信号を反射し、検出器が物体２６から反射された信号を検出する。モニタ３６は、視覚分析のため、反射信号の可視表示を提供する。検出器３０によって供給される信号を分析するため、プロセッサ３９を有するコンピュータ３７も用いることができる。

送信器２８及び検出器３０の一実施形態がビバルディ対蹠形アンテナとして図３に示される。送信器２８及び検出器３０のそれぞれはビバルディアンテナ４０及びアンテナ４０を封入する構体４２を有する。アンテナ４０は電磁波を検出して分析に用い得る信号に変換する電磁トランスデューサである。以下で論じられるように、他のタイプのアンテナ及び他のトランスデューサも本開示にしたがって用いられ得る。

アンテナ／トランスデューサ４０の作製後、アンテナ／トランスデューサ４０は、アンテナを囲む保護ケースまたは保護シールドを与えるための構体４２を形成する、１つ以上の材料内に収められる。図３に示されるように、構体４２は基端６６及び基端６６の逆側の切端６８を有する。切端６８は図に示されるように基端６６より広いが、他の構体４２の形状を与えることができる。構体４２の基端６６に結合されたケーブル４８がアンテナ４０と信号発生器３４（図２）の間の電気的接続を与える。図５に示されるように、切端６８は本明細書に説明されるような刃先５０を有する。

本開示の好ましい実施形態にしたがえば、図３の構体４２は高強度の誘電体でつくられる。誘電体材料は、構体４２の耐久性を高めるため、例えばマイクロファイバまたはナノファイバのような、ファイバによって強化することができる、ポリマー材料またはセラミック材料とすることができる。例えば、一実施形態にしたがえば、構体４２は誘電率がほぼ４の高弾性率ポリウレアでつくられる。他の材料の例には、硬質ポリウレタン、エポキシ樹脂、その他の熱可塑性または熱硬化性材料及びその他の非導電性材料がある。構体４２は耐久性及び／または耐摩耗性を高めるための材料で被覆することもできる。構体４２は隣接する導電性表面からアンテナ４０を絶縁して、信号漏れ、リンギングまたはその他の干渉を弱めるかまたは防止するために、炭素またはその他の電磁絶縁材料で被覆することもできる。誘電媒質は地面１６にほぼ等しい誘電率を有することが好ましい。本開示にしたがえば、誘電媒質は約１から約２０の範囲の誘電率を有するが、他の値を有することができる。一実施形態において、誘電媒質はアンテナ４０と地面１６の間の信号通信中の信号減損を低めるに役立つ。

一実施形態において、構体４２はアンテナ４０を受け入れるためのポケットを形成するため、インサートの周りに成形される。例えば、図３のインサート４９を見よ。インサート４９はアンテナ４０を受け入れる大きさにつくられた内部領域を有する。構体４２の誘電体をインサート４９の周りに成形した後、二次組立作業においてインサート４９の内部領域内にアンテナ４０を挿入することができる。あるいは、インサート４９の周りに構体４２を成形する前に、インサート４９内にアンテナ４０を確実に固定することができる。一例において、構体４２はインサート４９の周りに形成された注型ポリウレタンでつくられる。別のタイプの熱硬化性または熱可塑性材料及びプロセスをインサート４９の周りに構体４２を成形するために用いることができる。一実施形態において、インサート４９は構体４２と同様の誘電特性を有する高強度の誘電体からなる。一実施形態において、インサート４９はアンテナ４０を囲む高強度ハウジング構造体を与える硬質プラスチックまたはその他のポリマー材料からなる。アンテナ４０はインサート４９内に確実に固定される前にあらかじめ組み立てることができ、あるいはインサート４９内で組み立てることができる。インサート４９のような、インサート構造体は、図１０〜１１に示され、本明細書に説明されるディスコーンアンテナ４０'のような、別のタイプのアンテナまたはアンテナアレイを収めるために用いることができる。

図３及び４に示されるように、アンテナ４０は、上部及び下部接地プレート４４を接地プレート４４間に挟み込まれた導電性プレート４６とともに含む、３枚の材料プレートを有する。接地プレート４４の間に直接に配された導電性プレート４６の部分は図４に隠れ線で示される。導電性プレート４６は銅でつくられることが好ましいが、他の金属または他の導電材料でつくることもできる。誘電性／接地プレート４４は、エポキシ樹脂、セラミック、テフロン（登録商標）−ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）またはその他の材料でつくることができる。一実施形態において、図４に示されるようなアンテナ４０は長さが約１２５ｍｍ（５.２インチ）であり、高さが約４５ｍｍ（１.８インチ）である。

動作において、アンテナ／トランスデューサ４０及び構体４２は図５に示されるように歯先３２に取り付けられるか、そうではなくとも結合される。一実施形態において、構体４２を歯先３２に結合するため、シャンクマウントが用いられる。信号発生器３４からの信号がケーブル４８を介してアンテナ４０に供給される。掘削中、図１に示されるように、アンテナ４０及び構体４２は土及びその他の物質が掘り返されている間繰返して地面１６内に配置される。この結果、アンテナ４０は無限軌道１４の最低位置より下に配置されることが多い。さらに、アンテナ４０は、掘削作業中に掘削機１０によって形成される、凹地２２のような、進入地内に配置される。図１に示されるように、歯先３２が地面１６に進入する度に、送信器２８及び検出器３０のアンテナ４０は同時に地面１６内に配置される。一実施形態において、アンテナ４０はバケット２０のそれぞれの歯先３２に結合される。一実施形態において、送信器２８及びいくつかの検出器３０はバケット２０の歯先３２に結合される。

進入地内に配されている間、送信器２８及び検出器３０のアンテナ４０によって信号が送信され、検出される。アンテナ４０及び誘電体４２は歯先３２に搭載されているから、アンテナ４０及び誘電体４２は歯先３２の切端５０を定める構体４２の部分と協働して、歯先３２の切断素子を定める。したがって、物体２６は掘削と同時に検出される。さらに、構体４２及びアンテナ４０は進入地２２内に降ろされて、進入地２２の形成を補助することができるから、掘削開始前に物体２６を検出しようとしたいずれの場合よりも、物体２６はアンテナ４０に近づき、容易に検出される。一実施形態において、構体４２は、掘削中のアンテナ４０の保護のため、アンテナ４０と土の間に配置される。この結果、アンテナ４０によって送信及び受信される信号は、信号の送信及び反射信号の受信のそれぞれの間、アンテナ４０から及びアンテナ４０への途上において構体４２を通過する。

検出器３０からの出力の例が図６Ａ〜９Ｃに示される。図６Ａには、送信器２８及び検出器３０のアンテナ／トランスデューサ４０が地面１６の上方に配置され、アンテナ４０と地面１６が直接に接触していないときの、信号が示される。送信器２８のアンテナ４０と検出器３０のアンテナ４０の間のクロストークを示す、ピーク５２が示される。図６Ｂでは、送信器２８及び検出器３０のそれぞれのアンテナ４０が地面１６と直接に接触して配置されている。クロストークピーク５２が示されているだけでなく、試験地中４インチ（１０２ｍｍ）の深さに埋設された、直径２インチ（５１ｍｍ）のポリエチレンパイプの存在を示す第２のピーク５４が示される。この結果、プラスチック製天然ガスパイプのような、物体２６がバケット２０の進路にあることを示す、認知可能な表示が提供される。習熟した掘削機１０の操縦者は、この表示に気付いてパイプ２６への打撃を回避することができる。同様に、クロストークピーク５２の後の、勾配のような、あらかじめ定められた特徴を満たすいかなるピークも認識するようにコンピュータ３７をプログラムすることができる。コンピュータ３７がそのようなピークまたは他のあらかじめ定められた特徴を検出すると、コンピュータ３７は、警告信号を送るか、バケット２０の以降の運動を停止させるか、または別の手段でバケット２０によるパイプ２６への打撃を回避しようとすることができる。

物体２６の検出に加えて、検出器３０によって検出された反射は地面１６内に埋設された物体２６の特徴を決定するために用いることもできる。例えば、図７Ａ及び７Ｂは、４インチ（１０２ｍｍ）の深さで砂土中に埋設された２インチ（５１ｍｍ）径金属パイプに対する検出器３０の出力を示す。図７Ａにおいて、送信器２８及び検出器３０のアンテナ／トランスデューサ４０は地面１６の上方にある。図７Ｂでは、送信器２８及び検出器３０のアンテナ４０が地面に直接に接触していて、金属パイプを示す、特徴的「筆記体のｖ字」パターン５３を与える。図８Ａ及び８Ｂは、２インチ（５１ｍｍ）の深さで砂土中に埋設された１インチ（２５ｍｍ）径ポリエチレンパイプに対する検出器３０の出力を示す。図８Ａにおいて、送信器２８及び検出器３０のアンテナ４０は地面１６の上方にある。図８Ｂでは、送信器２８及び検出器３０のアンテナ４０が地面に直接に接触していて、プラスチックパイプを示す、特徴的「ｗ」パターン５５を与える。習熟した掘削機１０の操縦者は、金属、ポリエチレンまたはその他のパイプの特徴的パターン５３，５５に気付いて、パイプのタイプを判定することができる。同様に、クロストークピーク後の、パターン５３，５５の形状のような、あらかじめ定められた特徴を満たすいかなるピークも認識するようにコンピュータ３７をプログラムすることができる。コンピュータ３７がそのようなピークまたは他のあらかじめ定められた特徴を検出すると、コンピュータ３７は、金属またはプラスチックのような、パイプのタイプの表示を送ることができる。

物体２６の存在及びタイプの決定に加えて、検出器３０によって検出された反射は、バケット２０（または掘削機１０の他のいずれかの部分）からの物体２６の距離を決定するために用いることもできる。検出器３０によって検出された反射の別の表示が図９Ａ〜９Ｃに与えられる。図９Ａにおいて、試験地内に物体２６は置かれておらず、よってアンテナ４０が地面１６に接触して配置されても、物体２６は検出されない。図９Ｂでは、２インチ（５１ｍｍ）径スチールパイプが６インチ（１５２ｍｍ）の深さで砂土中に置かれており、図９Ｃでは同じパイプが１０インチ（２５４ｍｍ）の深さで砂土中に置かれている。図９Ｂ及び９Ｃの丸で囲んだ領域で示されるように、スチールパイプの「筆記体のｖ字」パターン５３は、図９Ｃにおいては図９Ｂにおけるよりも、送信器２８で送信された後、反射が検出器３０に達するまでに長い時間がかかるから、遅れて生じている。習熟した掘削機１０の操縦者は、クロストークピーク５２のような、ある特徴と特徴的パターン５３の間の時間間隔に気付いて、物体２６からの距離を判定することができる。同様に、時間遅延を認識し、物体２６からのバケット２０の歯先３２の距離を計算して、操縦者に距離の表示を提供する、及び／または警告または他の手段のためのトリガとしてこの距離を用いるように、コンピュータ３７をプログラムすることができる。操縦者は、既知のユーティリティパイプまたはケーブルのような、物体２６の周りで細かな動きを行う際に、この距離情報を用いることができる。

検出器３０'として動作する４つのディスコーンアンテナ／トランスデューサ４０'及び送信器２８'として動作するビバルディ対蹠アンテナ４０を有する、別の実施形態の送信器２８'及び検出器３０'が図１０及び１１に示される。複合送信器／トランスデューサ５６は、本明細書に説明されるように、構体４２と同様の態様でアンテナ４０，４０'を封入する構体４２'を有する。構体４２'の一例にはJohn Deere Companyから入手できるSwampersバケット歯先がある。送信器として用いられる場合、ディスコーンアンテナ４０'の指向性を強めるため、アンテナ４０'は図１２に示されるようにアレイ５８に配列することができる。アンテナ４０'の指向性をさらに向上させるため、アレイ５８の背後にアレイ反射器を配置することができる。一実施形態において、例えば、図１３に示されるプレート６０のような、反射性金属プレートがアレイ５８の背後に配置される。一実施形態において、アレイ反射器はアレイ５８の背後の約６ｍｍと８ｍｍの間に配置されるが、他の適する距離を用いることができる。

図１３において、ディスコーンアンテナ４０'を有するいくつかのアレイ５８が、物体２６を検出するための検出器及び送信器として与えられる。図示される実施形態において、アレイ５８は異なる数のディスコーンアンテナ４０'を有する。図１４に示されるように、アレイ５８は歯先３２以外の場所でバケット２０上に配することができる。例えば、アレイ５８はバケット２０の側壁６２に、または前壁６４の端近くに、取り付けることができるが、アレイ５８は他の適する場所に配することができる。一実施形態において、ディスコーンアンテナ４０'は、誘電性シールドまたはケースのような、誘電媒質に埋め込まれる。図示される実施形態において、誘電媒質は約４または５の誘電率を有する。一実施形態において、誘電媒質は約１から２０の範囲の誘電率を有することができるが、他の値を有することもできる。

本明細書に説明されるように、図２の物体検出システム２４は地中進入信号を発する送信器２８及び１つ以上の埋設物体２６からの地中進入信号の反射を検出するいくつかの検出器３０を備えることができる。例えば、図５のバケット２０は、歯先３２に取り付けられた、少なくとも１つの送信器／トランシーバ２８及びいくつかの検出器３０を有することができる。同様に、図１３〜１４のアレイ５８は１つの送信器／トランシーバ２８及び複数の検出器３０を有することができる。一実施形態において、物体検出システム２４は少なくとも３つの検出器／受信器３０を備える。

図１５Ａ〜１５Ｃは物体検出システム２４の複数の検出器３０の出力例を与える。図１５Ａ〜１５Ｃにおいては、地中にある２つの物体を検出するために、図２のトランシーバ２８及び２つの検出器３０が地面に接触して配置されている。トランシーバ２８は２つの検出器３０の間に配置されているが、他のアンテナ配置を与えることができる。図１５Ａの信号は第１の検出器３０に対応し、図１５Ｂの信号はトランシーバ２８に対応し、図１５Ｃの信号は第２の検出器３０に対応する。トランシーバ２８は図１５Ｂのパルス７０で表されるような、地中進入信号を供給する。図１５Ａ及び１５Ｃのピーク７４及び７６に示されるクロストークを検出した後、それぞれの検出器３０は２つの物体のそれぞれからの反射を検出する。トランシーバ２８及び埋設物体に対する特定の検出器３０の位置及び離隔により、物体からの反射はそれぞれの検出器３０によって異なる時刻に検出される。図１５Ａのピーク７８は第１の検出器によって検出された第１の物体からの反射を表し、図１５Ｃのピーク８０は第２の検出器３０により遅れて検出された第１の物体からの反射を表す。同様に、図１５Ａにおいて、ピーク８２は第１の検出器３０によって検出された第２の物体からの反射を表し、図１５Ｃのピーク８４は第２の検出器３０によって先に検出された第２の物体からの反射を表す。図示される実施形態においては、トランシーバ２８も、図１５Ｂのピーク８６で表されるように、埋設物体からの反射を検出する。

図１５Ａ〜１５Ｃに示されるように、それぞれの検出器３０で検出された反射は、検出された物体の場所及び、大きさ及びタイプのような、その他の特徴を決定するために分析することができる、様々な強度、到着時間、曲線形象及びその他の特性を有する。検出器３０及びトランシーバ２８によって検出された反射信号を分析して検出された物体の位置及びその他の特徴を決定するように、コンピュータ３７の信号プロセッサ３９をプログラムすることができる。

一実施形態において、到着時間差（ＴＤＯＡ）法が、検出された物体の相対位置を決定するために用いられる。ＴＤＯＡ法においては、プロセッサ３９がアンテナアレイの異なる受信器における反射信号の到着時間の差を計算する。図示される実施形態において、これらの時間遅延は異なる受信器において測定された信号反射の対毎の相互相関を計算することによって計算され、計算された時間遅延及び土の誘電特性に基づいて、目標物体の（二次元または三次元の空間内の）相対位置が決定される。２つの異なる受信器からの２つの信号反射の間の相互相関は関数（１）：

と表すことができる。ここで、ｓ_１は第１のアンテナにおいて検出された信号反射、ｓ_２は第２のアンテナにおいて検出された信号反射、τは２つの信号の間の時間遅延である。反射信号の到着時間差は反射信号の相互相関におけるピークまたは最大に対応する。図１５Ａ〜１５Ｃの信号例を用いて計算された、上の関数（１）の最大またはピークの例が図１６Ａ〜１６Ｃに示される。図１６Ａに示される最大１００は、第１の検出器３０及びトランシーバ２８において受信された反射信号の間の時間遅延を表す。図１６Ｂに示される最大１０２は、第１の検出器３０及び第２の検出器３０において受信された反射信号の間の時間遅延を表す。図１６Ｃに示される最大１０４は、トランシーバ２８及び第２の検出器３０において検出された反射信号の間の時間遅延を表す。

それぞれの受信器対についての相互相関関数（１）に基づいて、目標物体の位置が二次元空間内で決定される。例えば、二次元空間内の物体の位置は、下式（２）：

を解くことによって決定することができる。ここで、(ｘ,ｙ)は目標の座標であって、(Ｘ_ｉ,Ｙ_ｉ)及び(Ｘ_ｊ,Ｙ_ｊ)はトランシーバ２８及び／または受信器３０の座標であり、ｄ_ｉｊは飛行時間差及び信号伝搬速度によって決定される目標距離の差である。

相互相関関数（１）から決定された信号反射の到着時間差はそれぞれの受信器対の相互相関信号に対する双曲線を定めるために用いられる。詳しくは、図１６Ａ〜１６Ｃに示されるそれぞれのピークまたは最大がそれぞれの受信器対について双曲線を計算するために用いられる。導かれたそれぞれの双曲線は１つまたは複数の物体が存在し得る推定領域を表す。双曲線の濃度及び幅は相互相関関数（１）の最大（ピーク）の高さ及び幅に基づく。すなわち、相互相関関数（１）のピークが大きくなるほど、得られる双曲線の濃度が高く、幅が広くなる。目標物体の位置は、それぞれの受信器対からの双曲線を重畳し、双曲線が交差する高濃度領域を識別することによって決定される。すなわち、双曲線の濃度が高くなるほど、また幅が広くなるほど、得られる、検出される（１つまたは複数の）物体の位置の示標は強くなる。例えば、図１７Ａ〜１７Ｃに個別に示される双曲線１５０〜１５４及び図１８の重畳を見よ。図１７Ａ〜１７Ｃの双曲線１５０〜１５４はそれぞれ、１つ以上の物体が存在し得る領域を表す。図１７Ａに示される双曲線１５０は第１の検出器３０及びトランシーバ２８において受信された反射信号の到達時間差に基づく（すなわち、図１６Ａの最大１００に基づく）。図１７Ｂに示される双曲線１５２は第１の検出器３０及び第２の検出器３０において受信された反射信号の到達時間差に基づく（すなわち、図１６Ｂの最大１０２に基づく）。図１７Ｃに示される双曲線１５４はトランシーバ２８及び第２の検出器３０において受信された反射信号の到達時間差に基づく（すなわち、図１６Ｃの最大１０４に基づく）。

図１７Ａ〜１７Ｃの双曲線が重畳されて図１８に示される。検出された２つの物体の推定位置は双曲線が交差する高濃度領域１５６，１５８に対応する。図示されるように、領域１５６は対応する物体がトランシーバ２８の前方約３５ｃｍ及びトランシーバ２８の左方約２ｃｍにあることを示す。領域１５８は対応する第２の物体がトランシーバの前方約３０ｃｍ及びトランシーバ２８の右方約５ｃｍにあることを示す。一実施形態において、図１８において決定される推定物体位置は、約１ピコ秒の時間間隔で反射信号をサンプリングすることによって得られる。

三次元空間内の目標物体の位置もそれぞれの受信器対に対する相互相関関数（１）に基づく。三次元空間内の物体の位置は式（２）に第３の座標を導入することにより下式（３）：

として決定することができる。ここで、(ｘ,ｙ,ｚ)は目標の座標であり、(Ｘ_ｉ,Ｙ_ｉ,Ｚ_ｉ)及び(Ｘ_ｊ,Ｙ_ｊ,Ｚ_ｊ)はトランシーバ２８及び／または受信器３０の座標であり、ｄ_ｉｊは飛行時間差及び信号伝搬速度によって決定される目標距離の差である。図示される実施形態において、ＴＤＯＡ法により物体の三次元位置を決定するには、３つの検出器３０の最小による物体からの信号反射の決定が必要である。一実施形態において、（１つまたは複数の）物体の三次元位置を決定するため、トランシーバ２８及び受信器３０のアンテナは同一線上にない。すなわち、アンテナの配置はある程度オフセットされる。

さらに、土の誘電特性の知識を検出された物体の位置の決定に用いることができる。例えば、受信器からの物体の距離ｒは、（上述したように計算された）信号の到着時間ｔ及び地中を通る信号の伝搬速度ｖに、下式（４）：

によって関係付けられる。地中における信号の速度ｖは地中または土の誘電特性に、下式（５）：

で示されるように、依存する。ここで、εは地中の誘電特性であり、ｃは真空中の光の速度である。土の誘電特性εを知ることにより、式（５）を用いて土中の信号の速度ｖが決定される。したがって、計算された速度ｖ及び、トランシーバ２８及び受信器３０において測定された、到着時間ｔに基づいて、式（４）により物体の距離ｒを決定することができる。一実施形態において、地面の誘電特性εは、本明細書で説明されるように、受信器間のクロストーク信号に基づいて決定される。

到着時間（ＴＯＡ）法、往復飛行時間（ＲＴＯＦ）法、到着角（ＡＯＡ）法、及び受信信号強度（ＲＳＳ）法を含む既知の方法のような、他の物体２６（図１）位置検出方法も用いることができる。

図１〜２を再び参照すれば、送信器２８が地面１６の上方に配されている場合、送信器２８によって与えられる信号は近くにある他の無線周波数デバイスと干渉し得る。信号干渉のリスクを減じるため、送信器２８のアンテナ４０が地面１６の上方で動作しているときは、送信器２８によって与えられる信号の強度及び周波数が限定される。いくつかの地域において、アメリカ連邦通信委員会のような、規制機関が、超広帯域信号またはその他のタイプの信号の利用できる帯域幅及び電力密度に制限を設定することで、地中レーダ通信に制限を課すことがあり得る。一実施形態において、送信器２８及び検出器３０は、地面１６の上方に配されているときには、約３.１ＧＨｚから１０.６ＧＨｚの範囲で動作する。

送信器２８及び検出器３０のアンテナ４０を地面に接触させて配置することにより、近くにある他の無線周波数デバイスとの信号干渉のリスクは減じられる。さらに、地下の無線周波数または超広帯域の信号通信に対して政府規制は緩いかまたは適用されないであろう。したがって、送信器２８及び検出器３０のアンテナ４０が地面と接触しているときには、送信器２８によって与えられる信号の強度及び周波数を高めることができ、発生信号の進入深度を大きくすることができる。この結果、送信器２８及び検出器３０から大きな距離または深さにある物体が物体検出システム２４によって検出可能である。向上した検出能力により、物体検出システム２４は、検出された物体の回避を可能にするため、物体検出時の事前警告をより早く出すことができる。例えば、発生信号の進入深さが大きくなることで、信号処理のための時間及び操縦者または制御システムが検出物体に反応して回避するための時間が増える。

図示される実施形態において、発生信号の電力及び／またはパルス持続時間を大きくすることができるように送信器２８が地面と接触しているか否かを判定するために、送信器２８と検出器３０の間のクロストークまたは信号結合が用いられる。送信器２８及び検出器３０のアンテナ４０が近接していることにより、送信器２８から送信される放射エネルギーのいくらかが、目標物体から反射されてからではなく、直接に検出器３０のアンテナ４０によって受信され、この結果、検出器３０においてクロストークが検出される。送信アンテナ４０と受信アンテナ４０の間の土またはその他の地面媒質は受信アンテナ４０により検出されるクロストークに干渉する。例えば、土の干渉は、強度の減少、位相変化、勾配変化または別の特性変化を生じさせ得る。この結果、隣接または近接して搭載された送信アンテナ４０と受信アンテナ４０の間のクロストーク信号のレベルまたは形象の動的変化を、送信器２８及び検出器３０のアンテナ４０が土または地面に接触しているときを検出するために用いることができる。さらに、送信器２８が地面に接して配されているときには、地面の干渉によって、クロストーク信号が検出器３０に遅れて到着し得る。

図１９Ａ及び１９Ｂを参照すれば、ピーク９０及び９２は、送信器２８による信号パルス送信後の、検出器３０と送信器２８の間のクロストークを示す。図１９Ａでは、送信器２８及び検出器３０のアンテナ／トランスデューサ４０が地面１６の上方に配置され、それぞれのアンテナ４０と地面１６の間に直接の接触はない。図１９Ｂでは、それぞれの送信器２８及び検出器３０のアンテナ４０が地面１６と直接に接触して配されている。図示されるように、図１９Ａのクロストークピーク９０の勾配は図１９Ｂのクロストークピーク９２の勾配より急峻である。同様に、クロストーク９０の強度はクロストーク９２の強度より高く、送信器２８及び検出器のアンテナ４０が地面に配されているときのクロストーク効果の減退を示す。一実施形態において、地中進入信号パルスの発生後の検出器３０におけるクロストーク信号の到着時間は、送信器２８及び検出器３０のアンテナ４０が地面に配置されているか否かにしたがって変わる。詳しくは、送信器２８及び検出器３０のアンテナ４０間の土の存在は、送信器２８による信号パルスの送信後の検出器３０におけるクロストーク信号の到着に遅延を生じさせるであろう。したがって、反射信号のクロストークピークの特徴及び／または時間遅延は、送信器２８及び検出器３０のアンテナ４０が地面と接触しているか否かの認知可能な表示を提供する、
送信器２８及び検出器３０が地面に接していることを検出すると、送信器２８と検出器３０の間の検出されたクロストーク応答に基づいて、送信器２８から発せられた信号の電力レベル、パルス幅及び／または波長を自動的に調節することができる。一実施形態において、コンピュータ３７のプロセッサ３９が検出器３０によって検出された信号のクロストーク応答を分析し、送信器２８が地面に接触していることを検出すると、制御イベントを開始する。プロセッサ３９によって与えられる制御イベントに基づいて、信号発生器３４は送信器２８からの地中伝搬パルスの強度及び／または周波数を自動的に高めることができる。一実施形態において、コンピュータ３７は、検出器３０によって検出されたクロストークの強度を表す、プロセッサ３９へのデジタル出力を供給するアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ３５（図２を見よ）を有する。Ａ／Ｄコンバータ３５の出力の強度または時間遅延に基づいて、プロセッサ３９は、送信器２８及び検出器３０がいつ地面に配されたかを決定し、送信器２８によって与えられる地中進入信号の電力及び／または周波数を信号発生器３４に高めさせる。

一実施形態において、プロセッサ３９によって与えられる制御イベントは、発生される信号パルスの強度及び／または周波数を操縦者が手作業で高めることを可能にするか、または操縦者に促すことができる。例えば、検出システム２４は、送信器２８及び／または検出器３０が地面に接触していることの音響表示または視覚表示を提供することができる。一実施形態において、操縦者による視覚分析のために反射信号の視覚表示をモニタ３６が与えることができる。反射信号のクロストークピークの特徴の変化を見て、操縦者は送信信号の進入深さを大きくするために送信信号の電力及び／または周波数を手作業で高めることができる。

一実施形態において、送信器２８及び／または検出器３０のアンテナ４０が地面に接触したことの検出時に、送信器によって与えられる地中進入信号の他の特徴を変えることができる。特徴の例には、信号の指向性、パルス持続時間、あるいはその他の信号のレベルまたは形象に関係する特徴がある。

検出器３０によって検出されるクロストーク応答は、送信器２８及び検出器３０を囲んでいる、土、団粒またはその他の土壌物質の誘電特性を決定するためにも用いられる。一実施形態において、土壌の誘電特性は、アンテナ４０が地面に接触して配されているときの、送信器２８による信号パルス送信後の検出器３０におけるクロストーク信号の到着時間に基づいて決定される。詳しくは、送信器２８及び検出器３０のアンテナ４０間の既知の距離並びに送信器２８による信号パルスの送信と検出器３０によるクロストークの検出の間の時間に基づいて土壌の誘電特性が推定される。例えば、２つのアンテナ間の距離ｒ及び送信器２８による信号パルスの送信と検出器３０によるクロストークの検出の間の時間ｔを知ることにより、上の式（４）を用いて信号の速度ｖを決定することができる。決定された速度ｖを式（５）に代入することで、周囲の土壌物質の誘電特性εを決定することができる。あるいは、例えば図１９Ｂのクロストークピーク９２のような、クロストークピークの強度及び／または勾配を土壌または地面の誘導特性を推定するために用いることができる。土壌物質の誘電特性は、本明細書に説明されるように、目標物体の位置の計算に用いることができる。例えば、到着時間差（ＴＤＯＡ）法では、他のパラメータの中でもとりわけ、周囲の地中または土壌の誘電特性に基づいて物体２６の相対位置が計算される。送信器２８と検出器３０の間のクロストークを分析することで、土壌の誘電特性が決定され、物体２６の位置の計算において考慮される。

好ましい構成を有するとして本発明を説明したが、本発明は本開示の精神及び範囲内でさらに改変され得る。したがって、本出願は、本開示の全般的原理を用いる、本開示のいかなる変形、使用または翻案も包含するとされる。さらに、本出願は、本発明が関わり、添付される特許請求の範囲内に入る、技術上既知であるかまたは常習的な実務内に入るような本開示からの逸脱を包含するとされる。

１０ 掘削機
１２ 車台
１４ 走行装置
１６ 地面
１８ ブーム
２０ バケット
２２ 凹地
２４ 物体検出レーダシステム
２６ 物体
２８ 送信器
３０ 受信器／検出器
３２ 歯先
３４ 信号発生器
３５ アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ
３６ 信号検出モニタ
３７ コンピュータ
３９ プロセッサ
４０，４０' アンテナ／トランスデューサ
４２ 構体
４４ 接地プレート
４６ 導電性プレート
４８ ケーブル
４９ インサート
５０ 刃先
５６ 複合送信器／トランスデューサ
５８ ディスコーンアンテナアレイ
６０ プレート
６２ バケット側壁
６４ バケット前壁
６６ 基端
６８ 切端

Claims (18)

1. 地中レーダと通信する方法において、
   地中に進入するように構成された作業工具にそれぞれが結合された、送信器及び検出器を提供する工程、
   前記送信器によって地中進入信号を送信する工程、
   前記検出器によって前記地中進入信号からのクロストークを検出する工程、及び
   前記クロストークのピークの勾配、該クロストークのピークの強度、及び前記地中進入信号の送信後の前記検出器における前記クロストークのピークの到着時間の少なくとも１つである前記クロストークの特徴に基づいて、地面に対する前記検出器及び前記送信器の内の少なくとも一方の位置を決定する工程、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記検出器と前記送信器が前記作業工具上で隔てられていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記送信器及び前記検出器のそれぞれがトランスデューサ及び誘電媒質を有し、前記トランスデューサの少なくとも一部が前記誘電媒質内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記検出器及び前記送信器の内の前記少なくとも一方が地面と接触していることが決定されると前記送信器によって第２の地中進入信号を送信する工程をさらに含み、前記第２の地中進入信号は前記地中進入信号より高い強度及び高い周波数の内の少なくとも一方を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 地中に配置されている物体を前記物体からの前記第２の地中進入信号の反射に基づいて検出する工程をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記作業工具を第１の位置から第２の位置に移動させる工程をさらに含み、前記送信する工程が、前記作業工具が前記第１の位置にあるときに前記送信器によって第１の地中進入信号を送信する工程及び前記作業工具が前記第２の位置にあるときに前記送信器によって第２の地中進入信号を送信する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 前記決定する工程が、地面に対する前記検出器及び前記送信器の内の前記少なくとも一方の前記位置を決定するため、前記第１の地中進入信号からの前記クロストークの特徴を前記第２の地中進入信号からの前記クロストークの特徴と比較する工程を含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 地中レーダと通信する方法において、
   地中に進入するように構成されている作業工具及び前記作業工具に結合された検出システムであって、送信器及び検出器を備えた検出システムを提供する工程、
   前記送信器によって地中進入信号を送信する工程、
   前記検出器によって前記地中進入信号からのクロストークを検出する工程、
   前記クロストークのピークの勾配、該クロストークのピークの強度、及び前記地中進入信号の送信後の前記検出器における前記クロストークのピークの到着時間の少なくとも１つである前記クロストークの特徴に基づいて地面に対する前記検出システムの位置を決定する工程、及び
   前記検出システムが地面と接触していることが決定されると前記地中進入信号の強度を高める工程、
   を含むことを特徴とする方法。
9. 前記作業工具を第１の位置から第２の位置に移動させる工程をさらに含み、前記第１の位置においては前記検出システムが地面から離して配置され、前記第２の位置においては前記検出システムが地面に接触して配置されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記作業工具が前記第１の位置にあるときには前記地中進入信号が第１の強度を有し、前記作業工具が前記第２の位置にあるときには前記地中進入信号が第２の強度を有し、前記第２の強度は前記第１の強度より高いことを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記高める工程が、前記地中進入信号の電力及び周波数の内の少なくとも一方を高める工程を含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
12. 前記決定する工程が、前記作業工具が前記第１の位置にあるときの前記クロストークの特徴を前記作業工具が前記第２の位置にあるときの前記クロストークの特徴と比較する工程を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
13. 建設車輌において、
    車台、
    前記車台を支持するように配置された複数の走行装置、
    前記車台によって支持され、地中に進入するように構成された、作業工具、及び
    地中進入信号を送信するように構成された送信器及び前記地中進入信号からのクロストークを検出するように構成された検出器を備える検出システムであって、前記送信器及び前記検出器は前記作業工具に取り付けられており、前記クロストークのピークの勾配、該クロストークのピークの強度、及び前記地中進入信号の送信後の前記検出器における前記クロストークのピークの到着時間の少なくとも１つである、前記地中進入信号からの前記クロストークの特徴に基づいて、地面に対する前記検出器及び前記送信器のうちの少なくとも一方の位置を決定するように構成されている検出システム、
    を備えることを特徴とする建設車輌。
14. 前記検出システムが、前記検出器によって検出された前記クロストークを分析して地面に対する前記検出器及び前記送信器の内の前記少なくとも一方の前記位置を決定し、前記検出器及び前記送信器の内の前記少なくとも一方が地面と接触していることが決定されると決定されると、制御イベントを開始するように構成されたコントローラを備えることを特徴とする請求項１３に記載の建設車輌。
15. 前記制御イベントが前記地中進入信号の電力及び周波数の内の少なくとも一方を高める工程を含むことを特徴とする請求項１４に記載の建設車輌。
16. 前記検出システムが、前記検出器及び前記送信器の内の前記少なくとも一方が地面と接触していることの視覚表示を提供するように構成された、ディスプレイを備えることを特徴とする請求項１３に記載の建設車輌。
17. 前記検出システムが、前記検出器及び前記送信器の内の前記少なくとも一方が地面と接触していることが決定されると、音響信号を提供するように構成されていることを特徴とする請求項１３に記載の建設車輌。
18. 前記送信器及び前記検出器のそれぞれがトランスデューサ及び誘電媒質を有し、前記トランスデューサの少なくとも一部が前記誘電媒質内に配置されていることを特徴とする請求項１３に記載の建設車輌。

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