JP7201949B2 - 地中探査装置 - Google Patents

Description

本発明は、地中探査装置に関する。

地中探査装置は、一定間隔の繰り返し周期で送信信号を送信し、地表面および地中の散乱体で反射・散乱した信号を受信することで地中に埋設された物体を探査する。地中探査装置の多くは、受信回路に等価時間サンプリング手法を利用している。等価時間サンプリング手法は、常に同じ周期で同じ信号波形が受信できる状況において、１周期で信号波形の１点のみをサンプリングし、サンプリングするタイミングを１周期毎にΔｔの時間ずらすことで、信号波形の全体を取得する手法である。例えば、周期Ｔが１００ｎｓの信号波形をΔｔ＝１ｎｓでサンプリングすると、信号波形の全体を得るためにはＴ／Δｔ＝１００ｎｓ／１ｎｓ＝１００個のサンプリング点が必要である。つまり、信号波形の全体を得るためには１００ｎｓ×１００回＝１０，０００ｎｓ（１０μｓ）の時間を要する。

An Approach to the Equivalent Time Sampling Technique for Pulse Transient Measurements, Proc. of IEEE international conf. on ECC. Impulse Ground Penetrating Radar Hardware System Design, Proc. of IEEE international conf. on ITS telecomm. Technologies for very high bandwidth real time oscilloscopes, 2014 IEEE BCTM

地中探査では、ある地点において反射信号を観測したのち、次の観測地点へ移動し、次の地点で反射信号を観測することを繰り返す。地中探査にかかる計測時間は１つの地点で要する観測時間と次の地点への移動時間で決定される。等価時間サンプリング手法を用いた地中探査装置では、反射信号の観測に時間を要するため、計測時間の短縮が難しいという問題があった。

地中探査の計測時間を短縮するために、ＤＳＰ内蔵のオシロスコープで採用されているリアルタイムサンプリング手法の利用が考えられる。リアルタイムサンプリング手法は、信号波形を一定のサンプリング間隔で連続的にサンプリングする手法である。リアルタイムサンプリング手法では、観測対象の信号波形は周期的である必要がなく、１回の連続的なサンプリングで信号波形が得られる。リアルタイムサンプリング手法は、時間とともに変化する信号波形をモニタリングすることに向いている。

リアルタイムサンプリング手法はデータ取得速度が速く、データ取得容量が大きくなる。また、サンプリングは非常に高速で行われるため、高速アクセス可能なメモリが必要である。地中探査装置は移動しながら反射信号を観測するため、多くの地点での観測が必要である。地中探査装置が大容量の高速メモリを備えることは難しいため、地中探査装置にリアルタイムサンプリング手法を利用すると、メモリ容量が足らずに、極短時間での計測しかできないという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、適切なタイミングで反射信号をリアルタイムにサンプリングする地中探査装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様の地中探査装置は、移動しながら地中を探査する地中探査装置であって、パルス波を所定の繰り返し周期で送信する送信部と、前記パルス波の反射信号を受信する受信部と、前記反射信号の時間波形データを格納するメモリと、前記メモリよりも容量の大きい記憶手段と、前記時間波形データを前記メモリから前記記憶手段へ転送する制御部と、前記記憶手段に格納された前記時間波形データに基づいて地中探査データを生成する信号処理部と、を備え、前記受信部は、前記パルス波の送信または前記パルス波が地表面で反射した反射信号の受信をトリガとして前記反射信号をサンプリングする計測区間を設定し、前記計測区間において前記反射信号をサンプリングして時間波形データを前記メモリに格納し、前記制御部は、前記計測区間後に前記時間波形データを前記メモリから前記記憶手段へ転送し、前記受信部は、少なくとも前記時間波形データの転送が完了するまでは新たな前記計測区間を設定しないトリガホールドオフ期間を設ける。

本発明によれば、適切なタイミングで反射信号をリアルタイムにサンプリングする地中探査装置を提供することができる。

図１は、第１の実施形態の地中探査装置の構成を示す機能ブロック図である。 図２は、第１の地中探査装置の処理の流れを示すフローチャートである。 図３は、第１の地中探査装置の反射信号の計測時のタイミングチャートである。 図４は、計測時刻と時間波形データとの対応付けを示す図である。 図５は、地中探査装置の移動距離と経過時間との対応付けを示す図である。 図６は、地中探査装置の移動距離と時間波形データとの対応付けを示す図である。 図７は、地中探査装置が移動しながら計測する様子を示す図である。 図８は、高感度モード時のタイミングチャートである。 図９は、変形例の地中探査装置の処理の流れを示すフローチャートである。 図１０は、変形例の地中探査装置の反射信号の計測時のタイミングチャートである。 図１１は、第２の実施形態の地中探査装置の処理の流れを示すフローチャートである。 図１２は、カウンタトリガを発生するタイミングを示す図である。 図１３は、第２の実施形態の地中探査装置のデータ保存タイミングを示すタイミングチャートである。 図１４は、第３の実施形態の地中探査装置の構成の一部を示す機能ブロック図である。 図１５は、第３の地中探査装置の反射信号の計測時のタイミングチャートである。

［第１の実施形態］
図１を参照し、第１の実施形態の地中探査装置の構成について説明する。地中探査装置１は、地中に対してパルス波（パルス状の電波）を放射して反射波を受信し、反射波を解析することで、地中に埋設された物体を探査する装置である。図１に示す地中探査装置１は、制御部１１、送信部１２、送信アンテナ１３、受信部１４、受信アンテナ１５、メモリ１６、記憶装置１７、信号処理部１８、表示部１９、カウンタ２０、および車輪２１を備える。

制御部１１は、計測開始および計測終了の合図を送信部１２、受信部１４、およびカウンタ２０へ送信する。制御部１１は、計測開始時点からの経過時間を計測する。制御部１１は、カウンタ２０の値（カウンタ値）の変化をモニタリングし、値が変化した時点のカウンタ値と経過時間を記憶装置１７に保存する。カウンタ値の増加量と車輪２１の径から移動距離が算出できる。制御部１１は、受信部１４によるサンプリングが完了した後、受信部１４がサンプリングした時間波形データをメモリ１６から記憶装置１７へ転送する。時間波形データを記憶装置１７に転送するときには計測時の時刻情報（例えば計測時刻）を付与する。

送信部１２は、一定の繰り返し周期Ｔでパルス波を生成し、送信アンテナ１３から地表面に対してパルス波を放射する。送信部１２は、計測開始の合図で動作を開始し、計測終了の合図で動作を停止する。送信部１２は、動作中、周期Ｔで繰り返しパルス波を送信し続ける。繰り返し周期Ｔは可変であってもよい。

受信部１４は、受信アンテナ１５で受信された反射信号をリアルタイムサンプリング手法によりデジタイズしてメモリ１６に格納する。反射信号は、送信アンテナ１３から放射されたパルス波が地表面および地中の散乱体で反射・散乱した信号の一部である。地表面で反射される反射信号は、送信部１２がパルス波を放射してから最初に観測される信号であり、以降に受信される反射信号が観測対象となる。地表面からの反射信号は受信する信号の中で最も大きくなるため容易に選定できる。

受信部１４は、地表面からの反射信号をトリガとして計測区間を設定し、計測区間において反射信号をサンプリングする。例えば、受信部１４は、地表面からの反射信号を受信した時刻以降の所定の時間を計測区間として設定する。受信部１４は、地表面からの反射信号を受信した時刻より少し前の時刻から計測区間を開始してもよい。受信部１４は、パルス波の送信をトリガとして計測区間を設定してもよい。計測区間の長さは、サンプリング速度（サンプリング間隔）とレコード長（サンプリング数）によって決定できる。受信部１４は、計測区間として、地中探査に有用な反射信号が受信できる期間を設定する。電波の出力と周波数により反射信号を観測できる区間は変動するが、地中探査においては概ね数十ｎｓ程度であることが多い。パルス波の繰り返し周期Ｔは、計測区間よりも長くする。なお、計測区間は、複数の繰り返し周期Ｔを含む長さ（例えば周期ＴのＫ倍の長さ）に設定されてもよい。計測区間を周期ＴのＫ倍の長さに設定する高感度モードについては後述する。

受信部１４は、サンプリング中、サンプリングした反射信号の時間波形データをメモリ１６に格納する。サンプリングが完了した後、つまり計測区間後、時間波形データは、メモリ１６から記憶装置１７へ転送される。時間波形データの転送中にメモリ１６上の時間波形データが上書きされないように、新たな反射信号のサンプリングつまり新たな計測区間の設定を抑止する。

本実施形態では、受信部１４がトリガホールドオフ機能を備えて、トリガホールドオフ期間では、地表面からの反射信号に基づくトリガが発生しないようにする。トリガホールドオフ機能とは、新たな計測区間の設定を抑止することでサンプリングによるデータ生成を抑止する機能である。例えば、受信部１４は、送信部１２が次のパルス波を送信する前に、トリガホールドオフ期間を開始する。受信部１４は、反射信号を観測したい間隔に応じてトリガホールドオフ期間を任意に設定できるが、少なくとも時間波形データの記憶装置１７への転送が完了するまではトリガホールドオフ期間とする。時間波形データの転送時間は、転送するデータ容量と転送速度から求められる。トリガホールドオフ期間中も、受信アンテナ１５は反射信号を受信するが、トリガが発生しないので、受信部１４は、新たなサンプリングを開始しない。

別の方法として、繰り返し周期Ｔを可変として、時間波形データの転送時間に合わせて設定する方法がある。具体的には、時間波形データの転送完了までは新たな地表面からの反射信号が発生しないように、繰り返し周期Ｔをパルス波の送出から時間波形データの転送完了までにかかる時間よりも長く設定する。

メモリ１６は、受信部１４の受信した反射信号の時間波形データを一時的に格納する。メモリ１６には、計測区間でサンプリングされる時間波形データが格納できる容量を持ち、受信部１４がリアルタイムで時間波形データを書き込みできる速さで動作するものを用いる。メモリ１６は、記憶装置１７よりも容量は少ないが、記憶装置１７よりも高速アクセス可能な記憶装置である。

記憶装置１７は、時間ベースで時間波形データを管理する。具体的には、記憶装置１７は、時間波形データと計測時刻（例えば計測区間の開始時刻）を格納する。また、記憶装置１７は、カウンタ値と時刻とを対応付けた情報を格納する。

記憶装置１７には、大容量のストレージを用いる。記憶装置１７は、メモリ１６よりも容量が大きければ、メモリ１６よりも書き込み速度が遅くてもよい。記憶装置１７には、例えばハードディスクドライブなどの大容量ストレージを用いることができる。

信号処理部１８は、記憶装置１７に保存されたカウンタ値と経過時間を参照し、カウンタ値の増加量と車輪２１の径から計測開始時点からの移動距離を算出して、移動距離と経過時間とを対応させる。信号処理部１８は、時間波形データに紐付けられた計測時刻を参照し、時間波形データを移動距離に対応させて地中探査データを生成する。例えば、地中探査データは、地中探査装置１の移動した位置に対応させて、時間波形データを並べたものである。

表示部１９は、信号処理部１８の生成した地中探査データを表示する。例えば、表示部１９が、横方向に移動距離をとって、時間波形データを当該時間波形データが観測された位置に対応させて縦方向に表示することで、地中の断面の様子を示すことができる。縦方向が深さ方向となる。

カウンタ２０は、計測開始の合図で初期化され、車輪２１の回転量を計測する。例えば、車輪２１の回転数を表すカウンタ値に車輪２１の円周の長さを乗算することで移動距離を求めることができる。カウンタ２０は、地中探査装置１の移動距離を求めることができればよい。

車輪２１は、地中探査装置１を移動させるための移動手段である。モータ等により車輪２１を回転させてもよいし、人が地中探査装置１を押したり引いたりすることで回転させてもよい。

次に、図２のフローチャートおよび図３のタイミングチャートを参照し、本実施形態の地中探査装置１の動作について説明する。

制御部１１が計測開始の合図を送信部１２および受信部１４へ送信すると、地中探査装置１は図２の処理を開始する。

ステップＳ１１にて、送信部１２は、地面に対して送信アンテナ１３からパルス波を送信する。図３に示すように、送信部１２は、繰り返し周期Ｔでパルス波（送信信号）を送信する。

ステップＳ１２にて、受信部１４は、地表面からの反射信号を受信する。受信部１４は、地表面からの反射信号の受信をサンプリング開始のトリガとする。

ステップＳ１３にて、受信部１４は、反射信号のサンプリングを開始する。図３に示すように、受信部１４は、地表面からの反射信号（受信信号）を受信したことをトリガとして計測区間を設定し、計測区間において反射信号をサンプリングする。図３の例では、時刻ｔ１から計測区間を開始している。

ステップＳ１４にて、受信部１４は、トリガホールドオフ期間を開始する。図３に示すように、トリガホールドオフ期間では、受信部１４は、地表面からの反射信号を受信しても計測を開始しないので、反射信号はサンプリングされない。

計測区間が終了すると、つまりサンプリングが完了すると、ステップＳ１５にて、制御部１１は、メモリ１６に格納された時間波形データの記憶装置１７への転送を開始する。

時間波形データの転送終了後、ステップＳ１６にて、受信部１４は、トリガホールドオフを解除する。トリガホールドオフの解除後、受信部１４は、地表面からの反射信号を受信したことを契機として、サンプリングを開始する。図３の例では、トリガホールドオフの解除後、時刻ｔ２からサンプリングを開始している。

次に、図４ないし図６を参照し、信号処理部１８の処理について説明する。

受信部１４は、時間ベースで時間波形データを取得している。つまり、図４に示すように、時間波形データは、計測時刻と対応付けられて記憶装置１７に保存されている。図４の例では、時刻ｔ１から時刻ｔ７までの時間波形データが保存されている。

制御部１１は、カウンタ値と経過時間との対応付けを記憶装置１７に保存している。図５は、移動距離Ａ１～Ａ７（カウンタ値から求められる）と時刻ｔ１～ｔ７との対応付けを示している。図５では、横軸に経過時間を取り、縦軸に移動距離を取った。地中探査装置１の移動が等速運動であれば、グラフは直線となる。地中探査装置１の移動速度が速くなれば、グラフの傾きは大きくなる。

信号処理部１８は、移動距離Ａ１～Ａ７のそれぞれにおける時刻ｔ１～ｔ７を特定し、特定した時刻ｔ１～ｔ７のそれぞれで観測された時間波形データを記憶装置１７から取得する。取得した時間波形データのそれぞれが移動距離Ａ１～Ａ７のそれぞれにおいて観測された反射信号に対応する。信号処理部１８は、図６に示すように、移動距離に対応させて時間波形データに基づく情報を並べて表示させる。図６では、横方向に移動距離を取り、各位置に対応する時間波形データを縦方向に表示した。図６の表示により、地中探査装置の移動した位置における地中の断面の様子を知ることができる。例えば、図６の表示から、図７に示すように、地中探査装置１の移動した位置の地中に散乱体が存在することが分かる。

次に、移動速度に応じたトリガホールドオフ期間の設定および繰り返し周期の変更について説明する。

受信部１４は、トリガホールドオフ期間では、新たに計測区間を設定しないので、トリガホールドオフ期間の長さを調整することで、サンプリングの開始タイミング（反射信号を観測する間隔）を調整できる。例えば、制御部１１がカウンタ値の変化量から地中探査装置１の移動速度を推定し、地中探査装置１の移動速度が遅いときは、トリガホールドオフ期間を長く設定する。地中探査装置１の移動速度が速いときは、トリガホールドオフ期間を短く設定する。

また、地中探査装置１の移動速度に合わせてパルス波を送信する繰り返し周期Ｔを変更してもよい。トリガホールドオフ期間では、反射信号はサンプリングされないので、トリガホールドオフ期間に送信するパルス波は無駄になってしまう。そこで、送信部１２は、トリガホールドオフ期間では、パルス波を送信しないようにしてもよい。例えば、トリガホールドオフ期間に合わせて、繰り返し周期Ｔを変更する。

制御部１１は、移動速度に応じてトリガホールドオフ期間および繰り返し周期Ｔを調整することで、パルス波の送信にかかるエネルギー消費を低減することができる。

次に、複数周期の時間波形データを用いて高感度の計測結果を得る高感度モードについて説明する。

地中探査装置１の移動速度が低速の場合、距離ピッチ（計測間隔）の移動時間が繰り返し周期Ｔに比べて十分に長くなる。そのため、各計測位置に留まる時間が相対的に長くなることになる。つまり、各計測位置において計測に割り当てる時間を長く設定できる。

そこで、地中探査装置１は、図８に示すように、１回の計測（サンプリングを開始してから時間波形データの保存が終わるまで）において、繰り返し周期ＴのＫ倍の区間（Ｔ×Ｋ）を計測区間として設定する。この計測区間にはＫ周期分の反射信号が含まれる。地中探査装置１は、計測区間で得られた時間波形データをＫ分割し、Ｋ個の時間波形データを生成する。地中探査装置１は、Ｋ個の時間波形データに対して加算平均処理を行う。これにより、信号対雑音比（ＳＮＲ）をＫ倍改善することができる。

この高感度モードにおいても、トリガ後にサンプリングを開始してから時間波形データの記憶装置１７への保存が完了するまでの間をトリガホールドオフ期間とする。つまり、受信部１４が２周期目以降の反射信号を受信してもトリガは発生しない。受信部１４は、１周期目の反射信号からＴ×Ｋの計測区間の間、サンプリングを続ける。取得する周期数Ｋが大きい場合、受信部１４がサンプリングしてメモリ１６に格納したＫ周期分の時間波形データのサイズが大きくなるので、メモリ１６から記憶装置１７へ時間波形データを転送するデータ保存時間も長くなる。信号処理部１８が、記憶装置１７に転送された時間波形データをＫ分割し、加算平均処理を行って、計測区間での時間波形データを得る。

次に、図９のフローチャートおよび図１０のタイミングチャートを参照し、変形例の地中探査装置１について説明する。変形例の地中探査装置１では、繰り返し周期Ｔを時間波形データの転送時間に合わせる。

制御部１１が計測開始の合図を送信部１２および受信部１４へ送信すると、地中探査装置１は図９の処理を開始する。

ステップＳ２１にて、送信部１２は、地面に対して送信アンテナ１３からパルス波を送信する。図１０に示すように、送信部１２は、時間波形データの保存が完了するまでは、次のパルス波（送信信号）を送信しないように、繰り返し周期Ｔの長さを設定する。

ステップＳ２２にて、受信部１４は、地表面からの反射信号を受信する。受信部１４は、地表面からの反射信号の受信をサンプリング開始のトリガとする。

ステップＳ２３にて、受信部１４は、反射信号のサンプリングを開始する。

サンプリングが完了すると、ステップＳ２４にて、制御部１１は、メモリ１６に格納された時間波形データの記憶装置１７への転送を開始する。

時間波形データの転送完了後、次のパルス波が送信される。時間波形データの転送完了までは、次のパルス波が送信されないので、受信部１４はサンプリングを開始せず、転送中の時間波形データが上書きされることはない。

［第２の実施形態］
第２の実施形態の地中探査装置について説明する。第２の実施形態の地中探査装置は、図１に示した地中探査装置１と同様に、制御部１１、送信部１２、送信アンテナ１３、受信部１４、受信アンテナ１５、メモリ１６、記憶装置１７、信号処理部１８、表示部１９、カウンタ２０、および車輪２１を備える。第１の実施形態と同じ点については説明を省略する。

第２の実施形態の地中探査装置１は、地中探査装置１の移動距離に基づいて時間波形データを保存するタイミングを定める。

制御部１１は、カウンタ値から地中探査装置１の移動距離を求める。地中探査装置１が所定距離移動した場合、制御部１１は、メモリ１６に格納された最新の時間波形データの記憶装置１７への転送を開始する。時間波形データの転送中は、時間波形データが上書きされないように、受信部１４をトリガホールドオフとする。

送信部１２は、一定の繰り返し周期Ｔでパルス波を生成し、送信アンテナ１３から地表面に対して放射する。

受信部１４は、受信アンテナ１５で受信された反射信号をサンプリングして時間波形データをメモリ１６に格納する。メモリ１６に格納された時間波形データは、地中探査装置１が所定距離移動するごとに、記憶装置１７へ転送される。

記憶装置１７は、移動距離ベースで時間波形データを管理する。具体的には、記憶装置１７は、時間波形データと当該時間波形データの位置情報を格納する。時間波形データの位置情報は、例えば、時間波形データの転送を開始したときのカウンタ値から求めることができる。

次に、図１１のフローチャートを参照し、本実施形態の地中探査装置１の動作について説明する。

制御部１１が計測開始の合図を送信部１２および受信部１４へ送信すると、地中探査装置１は図１１の処理を開始する。

ステップＳ３１にて、送信部１２は、地面に対して送信アンテナ１３からパルス波を送信する。送信部１２は、繰り返してパルス波を送信し続ける。

地表面からの反射信号の受信をトリガとして、ステップＳ３２にて、受信部１４は、反射信号のサンプリングを開始する。受信部１４は、サンプリングした時間波形データをメモリ１６に格納する。

ステップＳ３１，ステップＳ３２の処理は制御部１１が計測終了の合図を送信するまで繰り返して行われる。

ステップＳ３３にて、制御部１１は、地中探査装置１が所定距離移動したか否か判定する。例えば、制御部１１は、カウンタ値が所定距離に相当する量増加した場合に、地中探査装置１が所定距離移動したと判定する。

地中探査装置１が所定距離移動すると、制御部１１は、メモリ１６に格納された時間波形データを記憶装置１７へ転送する。

ステップＳ３４にて、受信部１４は、メモリ１６上の時間波形データが上書きされないように、トリガホールドオフ期間を開始する。

ステップＳ３５にて、制御部１１は、メモリ１６に格納された時間波形データの記憶装置１７への転送を開始する。

時間波形データの転送終了後、ステップＳ３６にて、受信部１４は、トリガホールドオフを解除する。

地中探査装置１が所定距離移動するたびに、ステップＳ３３からステップＳ３６の処理が繰り返される。図１２の例では、Ａ１～Ａ７に示す地点で、時間波形データの転送処理がトリガされることを示している。

図１３のタイミングチャートでは、計測区間、カウンタトリガ、およびデータ保存タイミングを示している。

計測区間は、ステップＳ３２にて、受信部１４が反射信号をサンプリングする区間である。第２の実施形態では、サンプリングした時間波形データが記憶装置１７に保存されるか否かに関わらず、受信部１４は、反射信号をサンプリングしてメモリ１６に格納する。

カウンタトリガは、ステップＳ３３にて、制御部１１が所定距離移動したと判定したタイミングである。地中探査装置１が等速で移動しているときは、カウンタトリガは等間隔で発生する。地中探査装置１が速く移動するほどカウンタトリガの間隔は短くなる。図１３の例では、Ａ１とＡ２の間隔は、Ａ３とＡ４の間隔よりも長いので、地中探査装置１がＡ１からＡ２に移動する速度は、Ａ３からＡ４に移動する速度よりも遅い。

カウンタトリガ時に、メモリ１６に格納されている時間波形データが記憶装置１７へ転送される。図１３の例では、カウンタトリガの直前の破線で囲った計測区間でサンプリングされた時間波形データが記憶装置１７に保存される。破線で囲われていない計測区間でサンプリングされた時間波形データは、記憶装置１７に保存されずに破棄される。

［第３の実施形態］
図１４を参照し、第３の実施形態の地中探査装置の構成について説明する。

第３の実施形態の地中探査装置１は、送信アンテナおよび受信アンテナをアレイアンテナで構成して、アレイアンテナの幅で、平面的に地中を探査できるようにしたものである。

第３の実施形態の地中探査装置１は、第１の実施形態と同様の機能を備えている。

図１４の地中探査装置１は、第１の実施形態の地中探査装置１の構成に加えて、送信切替部３２、送信アレイアンテナ３３、受信切替部３４、および受信アレイアンテナ３５を備える。送信アレイアンテナ３３および受信アレイアンテナ３５は、Ｎ個のアンテナ素子を進行方向に対して垂直に一列に並べたアレイアンテナである。なお、図１４では、信号処理部１８、表示部１９、カウンタ２０、および車輪２１を図示していない。

制御部１１は、切替信号を送信切替部３２と受信切替部３４に送信する。図１５のタイミングチャートに示すように、切替信号は、繰り返し周期Ｔと同じ周期を持つ。

送信部１２は、一定の繰り返し周期Ｔでパルス波を生成し、送信切替部３２を介して、選択中のアンテナ素子から地表面に対してパルス波を送信する。図１５に示すように、送信部１２は、アンテナ素子が切り替えられた後に、パルス波を送信してもよい。

送信切替部３２は、切替信号に基づき、パルス波を送信するアンテナ素子を切り替える。具体的には、送信切替部３２は、図１５に示すように、１番目のアンテナ素子からＮ番目のアンテナ素子まで順番にパルス波を送信するアンテナ素子を切り替える。Ｎ番目のアンテナ素子の次は、１番目のアンテナ素子に切り替えられる。

受信切替部３４は、切替信号に基づき、反射信号を受信するアンテナ素子を切り替える。送信切替部３２と受信切替部３４とは、同期してアンテナ素子を切り替える。つまり、送信アレイアンテナ３３のｎ番目のアンテナ素子から送信されたパルス波の反射信号は、受信アレイアンテナ３５のｎ番目のアンテナ素子で受信される。

受信部１４は、受信切替部３４を介して、選択中のアンテナ素子で受信された反射信号をサンプリングしてメモリ１６に格納する。受信切替部３４がアンテナ素子を切り替えるので、受信部１４は、１番目のアンテナ素子からＮ番目のアンテナ素子で受信される反射信号を続けてサンプリングする。つまり、計測区間の長さは、周期Ｔ×アンテナ素子数Ｎの長さとなる。受信部１４が、１番目のアンテナ素子からＮ番目のアンテナ素子で受信される反射信号を続けてサンプリングすることにより、アンテナ素子間で得られるデータのタイムラグが非常に小さくなる。受信部１４は、図１５に示すように、１番目のアンテナ素子の切替信号に合わせて計測区間を開始してもよい。

受信部１４は、２番目以降のアンテナ素子で地表面からの反射信号を受信したときにトリガしないように、図１５に示すように、２番目のアンテナ素子で地表面からの反射信号を受信する前にトリガホールドオフ期間を開始する。

計測区間後に、制御部１１は、メモリ１６に格納されたＮ個分の長さの時間波形データを記憶装置１７へ転送する。少なくとも時間波形データの転送が完了するまではトリガホールドオフ期間とする。

信号処理部１８は、記憶装置１７に保存された時間波形データをＮ分割し、アンテナ素子の間隔に基づいてＮ分割した時間波形データを並べることで、アンテナ素子の配置に沿った一列の時間波形データが得られる。さらに、地中探査装置１の進行に合わせて順次計測することで、平面的に地中を探査できる。

なお、第３の実施形態は、第１の実施形態の時間ベースで時間波形データを管理する方法を用いてもよいし、第２の実施形態の移動距離ベースで時間波形データを管理する方法を用いてもよい。

以上説明したように、本実施形態の地中探査装置１は、移動しながら地中を探査する地中探査装置１であって、パルス波を所定の繰り返し周期で送信する送信部１２と、パルス波の反射信号を受信する受信部１４と、反射信号の時間波形データを格納するメモリ１６と、メモリ１６よりも容量の大きい記憶装置１７と、時間波形データをメモリ１６から記憶装置１７へ転送する制御部１１と、記憶装置１７に格納された時間波形データに基づいて地中探査データを生成する信号処理部１８を備える。受信部１４は、パルス波の送信またはパルス波が地表面で反射した反射信号の受信をトリガとして反射信号をサンプリングする計測区間を設定し、計測区間において反射信号をサンプリングして時間波形データをメモリ１６に格納する。制御部１１は、計測区間後に時間波形データをメモリ１６から記憶装置１７へ転送する。受信部１４は、少なくとも時間波形データの転送が完了するまでは新たな計測区間を設定しないトリガホールドオフ期間を設ける。地中探査装置１は、リアルタイムサンプリング手法による反射信号のサンプリングを計測区間に限定することで、等価時間サンプリング手法を採用した装置よりも高速にデータを取得できるとともに、不要な区間におけるデータ生成を抑止できる。

本実施形態の地中探査装置１は、時間波形データをメモリ１６からより大容量の記憶装置１７に転送し、時間波形データの転送が完了するまでは計測区間を設定しないトリガホールドオフ期間を設けることで、高速アクセス可能なメモリ１６の容量を抑えるとともに、長い距離の計測が可能となる。

本実施形態の地中探査装置１は、移動速度に応じてトリガホールドオフ期間および所定の繰り返し周期を変更することで、無駄な信号の発信を抑制でき、ノイズ低減およびエネルギー消費量の削減を図ることができる。

本実施形態の地中探査装置１は、計測区間を繰り返し周期ＴのＫ倍に設定し、複数周期にわたって反射信号をサンプリングし、複数周期にわたってサンプリングした時間波形データを繰り返し周期Ｔの長さでＫ分割し、Ｋ個の時間波形データを加算平均することで、信号対雑音比を改善できる。

本実施形態の地中探査装置１は、複数のアンテナ素子で構成された送信アレイアンテナ３３および受信アレイアンテナ３５を備え、受信部１４が、全てのアンテナ素子に切り替える間に対応させて計測区間を設定し、計測区間において全てのアンテナ素子で受信された反射信号を連続的にサンプリングすることで、マルチチャンネルでの計測に対応できる。

１…地中探査装置
１１…制御部
１２…送信部
１３…送信アンテナ
１４…受信部
１５…受信アンテナ
１６…メモリ
１７…記憶装置
１８…信号処理部
１９…表示部
２０…カウンタ
２１…車輪
３２…送信切替部
３３…送信アレイアンテナ
３４…受信切替部
３５…受信アレイアンテナ

Claims (6)

1. 移動しながら地中を探査する地中探査装置であって、
   パルス波を所定の繰り返し周期で送信する送信部と、
   前記パルス波の反射信号を受信する受信部と、
   前記反射信号の時間波形データを格納するメモリと、
   前記メモリよりも容量の大きい記憶手段と、
   前記時間波形データを前記メモリから前記記憶手段へ転送する制御部と、
   前記記憶手段に格納された前記時間波形データに基づいて地中探査データを生成する信号処理部と、を備え、
   前記受信部は、前記パルス波の送信または前記パルス波が地表面で反射した反射信号の受信をトリガとして前記反射信号をサンプリングする計測区間を設定し、前記計測区間において前記反射信号をサンプリングして時間波形データを前記メモリに格納し、
   前記制御部は、前記計測区間後に前記時間波形データを前記メモリから前記記憶手段へ転送し、
   前記受信部は、少なくとも前記時間波形データの転送が完了するまでは新たな前記計測区間を設定しないトリガホールドオフ期間を設ける
   地中探査装置。
2. 請求項１に記載の地中探査装置であって、
   前記時間波形データに当該時間波形データの計測時刻が付与されており、
   前記制御部は、前記地中探査装置の移動距離と経過時間とを対応付けて前記記憶手段に格納し、
   前記信号処理部は、前記時間波形データの計測時刻および前記移動距離と経過時間に基づいて前記移動距離に前記時間波形データを対応させた地中探査データを生成する
   地中探査装置。
3. 請求項１に記載の地中探査装置であって、
   前記制御部は、前記地中探査装置が所定距離移動したことをトリガとして前記時間波形データを転送し、前記時間波形データに前記地中探査装置の移動距離を付与し、
   前記信号処理部は、前記時間波形データと当該時間波形データに付与された移動距離に基づいて地中探査データを生成する
   地中探査装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の地中探査装置であって、
   前記地中探査装置の移動速度に応じて前記トリガホールドオフ期間および前記所定の繰り返し周期を変更する
   地中探査装置。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の地中探査装置であって、
   前記受信部は、前記計測区間の長さを前記繰り返し周期の複数倍に設定し、複数周期にわたって前記反射信号をサンプリングし、
   前記信号処理部は、前記計測区間でサンプリングした時間波形データを前記繰り返し周期の長さで分割し、分割後の前記時間波形データを加算平均する
   地中探査装置。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の地中探査装置であって、
   前記送信部は複数のアンテナ素子で構成された送信アンテナアレイを備え、前記繰り返し周期に同期させてパルス波を送信するアンテナ素子を切り替え、
   前記受信部は複数のアンテナ素子で構成された受信アンテナアレイを備え、前記繰り返し周期に同期させて反射信号を受信するアンテナ素子を切り替え、
   前記受信部は、前記計測区間の長さを前記受信アンテナアレイの複数のアンテナ素子の全てで反射信号を受信する長さに設定し、複数のアンテナ素子の全てにわたって前記反射信号をサンプリングし、
   前記信号処理部は、前記計測区間でサンプリングした時間波形データを前記複数のアンテナ素子ごとに分割し、分割後の前記時間波形データを前記複数のアンテナ素子の配置に基づいて並べる
   地中探査装置。

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