JP7332964B2

JP7332964B2 - 地中探査レーダー装置

Info

Publication number: JP7332964B2
Application number: JP2022528382A
Authority: JP
Inventors: 章志望月; 昌幸津田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2020-06-05
Filing date: 2020-06-05
Publication date: 2023-08-24
Anticipated expiration: 2040-06-05
Also published as: WO2021245922A1; JPWO2021245922A1; US20230236310A1

Description

本発明は、地中探査レーダー装置に関する。

地中探査レーダー装置は、地中に埋設された電気、水道、ガス等のライフラインのターゲットの位置を探査する装置である。地中探査レーダー装置は、数百MHz帯の電磁波を地面に近接するアンテナで送受信し、ターゲットの位置の他、土壌層の厚さ、岩盤又は地下水面までの深さ等を計測することができる。

従来の地中探査レーダー装置は、例えば非特許文献１に開示されている。その多くは三輪若しくは四輪のカート型である。作業者は、そのカート型の筐体を直線的に押し引きして使用する。地中の３次元空間の構造を把握するためには、計測したいエリアを隈なく走査する必要がある。

Ground Penetrating Radar Equipment〔令和2年5月28日検索〕、インターネット（http://www.geophysical.com/products/utilityscan-df）

しかしながら、従来の地中探査レーダー装置は、直線的に押し引きして１次元走査を行わせて探査するものである。よって、隈なく且つ重複なく地面を走査するためには予め計測ラインを平行又は格子状に描く必要がある。計測したいエリアに計測ラインを描くのは手間であり、測定時間よりも時間を要する場合がある。また、１次元走査であるので方向転換が必要（小回りが利かない）であり狭小な計測エリアでの計測が難しい。このように従来の地中探査レーダー装置は、１次元走査であることにより使い勝手が悪くなるという課題がある。

本発明は、この課題を鑑みてなされたものであり、２次元走査が可能で使い勝手の良い地中探査レーダー装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る地中探査レーダー装置は、送受信アンテナを含むレーダーユニットと、前記送受信アンテナを地面に向かせて保持する保持部と、前記保持部の一端が内壁に固定される球状大車輪と、前記球状大車輪の上半分を該球状大車輪が回転可能に保持する３つ以上の球状小車輪と、前記球状大車輪が回転することによる移動量を検出する移動量センサと、前記レーダーユニットと前記移動量センサに接続される制御部とを備えることを要旨とする。

本発明によれば、２次元走査が可能で使い勝手の良い地中探査レーダー装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る地中探査レーダー装置の構成例を模式的に示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面から見た図である。図１に示す保持部の具体例を模式的に示す図である。誘電体レンズを備える地中探査レーダー装置の構成例を模式的に示す図である。給電部を備える地中探査レーダー装置の構成例を模式的に示す図である。補助輪を備える地中探査レーダー装置の構成例を模式的に示す図である。傾斜センサと姿勢制御板と磁石アレイを備える地中探査レーダー装置の構成例を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。複数の図面中同一のものには同じ参照符号を付し、説明は繰り返さない。

図１は、本発明の実施形態に係る地中探査レーダー装置の構成例を模式的に示す図である。図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は側面から見た図である。図１（ａ）において左をＸ方向、上をＹ方向、手前をＺ方向と定義する。よって、図１（ｂ）において左がＸ方向、上がＺ方向、奥がＹ方向である。

図１に示す地中探査レーダー装置１００は、例えば直方体形状の筐体１０と、筐体１０の内部に収容される球状大車輪３０とで構成される。筐体１０は、取っ手１２を握った作業者（図示せず）により２次元走査が可能である。なお、筐体１０は、直方体形状に限られない。よって、筐体１０及び取っ手１２は仮想線（二点鎖線）で表記している。

地中探査レーダー装置１００は、レーダーユニット４０、保持部５０、球状大車輪３０、球状小車輪２０、移動量センサ６０、及び制御部７０を備える。

レーダーユニット４０は、送受信アンテナ４１を含む。レーダーユニット４０は、数百MHzの電磁波を送受信アンテナ４１から地中に向けて照射する。そして、地中の電気的性質（誘電率）が変化する部分で反射する反射波を受信し、反射波の態様から例えばライフライン等のターゲットの位置を探査する。

レーダーユニット４０と送受信アンテナ４１は一般的なものである。なお、送受信アンテナ４１は下に向くようにレーダーユニット４０はスタビライザー（図示せず）を備えている。スタビライザーは、送受信アンテナ４１を下に向けてレーダーユニット４０の姿勢が水平になるようにする錘である。

保持部５０は、送受信アンテナ４１を地面に向かせた姿勢で保持する。保持部５０について詳しくは後述する。

球状大車輪３０は、保持部５０の一端が内壁に固定される。球状大車輪３０は、例えば硬質ゴム等で形成された中が空洞なボールである。

球状小車輪２０は、球状大車輪３０の上半分を球状大車輪３０が回転可能に保持する。この例の球状小車輪２０は、図１（ａ）において時計の１２時、凡そ４時、及び凡そ８時の位置の３箇所に設けられる。なお、球状小車輪２０は４つ設けても構わない。

このように球状大車輪３０は、取っ手１２を握る作業者の操作によってＸＹ平面上を自由に回転することが可能である。その結果、地中探査レーダー装置１００は地面の上を移動することができる。

移動量センサ６０は、球状大車輪３０が回転することによる移動量を検出する。移動量センサ６０は、空隙１１を挟んで球状大車輪３０の回転を検出する例えば光センサである。光センサは、一般的なホトインタラプタを用いることができる。

制御部７０は、レーダーユニット４０と移動量センサ６０に接続される。制御部７０は、例えば、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵ等からなるコンピュータで構成することができる。制御部７０は表示手段（図示せず）も含む。

制御部７０と移動量センサ６０は制御線で接続される。自由に回転する球状大車輪３０の内部に配置するレーダーユニット４０と制御部７０は、例えば微弱無縁で接続される。

制御部７０は、移動量センサ６０の検出信号に基づいて球状大車輪３０のＸＹ平面上の移動量を求める。また、レーダーユニット４０が計測したターゲットの位置を表示手段に表示する。

（保持部）
図２は、保持部５０の具体例を模式的に示す図である。図２に示すＸ、Ｙ、Ｚは、図１に示した各方向にそれぞれ対応する。

保持部５０は、第１アーム５１と第２アーム５２を備える。第１アーム５１の一方の端部の第１回転部５１１は、球状大車輪３０の内壁の一か所に設けられた第１支持部５１０に360度回転可能に支持される。よって、第１アーム５１の他方の端部の第２支持部５１２は、第１回転部５１１の中心を軸（例えばＸ軸）に360度回転可能である。

第１アーム５１は、第１回転部５１１の中心軸（Ｘ軸）と直交する位置に配置される第２支持部５１２まで内壁に沿うように延伸される。第２支持部５１２の中心軸は、例えばＺ軸に相当する。

第２支持部５１２は、第２アーム５２の一方の端部の第２回転部５２０を、第２支持部の中心を軸に360度回転可能に支持する。第２アーム５２は、その第２回転部５２０から他方の端部の第３支持部５２１まで内壁に沿うように延伸される。第３支持部５２１の中心軸（Ｙ軸）は、第１回転部５１１の中心軸（Ｘ軸）及び第２支持部５１２の中心軸（Ｚ軸）と直交する。

そして、第３支持部５２１の中心を軸に360度回転可能な第３回転部５２２にレーダーユニット４０が支持される。レーダーユニット４０は、例えばＹ軸を中心軸にして360度回転可能であるので、送受信アンテナ４１（図２では省略）を下に向けて水平の姿勢を維持する。

このように第１アーム５１と第２アーム５２は、３軸ジンバルを構成する。ジンバルとは、1つの軸を中心に物体を回転させる回転台を意味する。

図２に示す第１支持部５１０と第１回転部５１１は、球状大車輪３０の回転によって鉛直方向の下に位置する場合がある。その場合は、送受信アンテナ４１の直下に第１支持部５１０と第１回転部５１１が位置することになる。よって、第１支持部５１０、第１回転部５１１、及び第１アーム５１は、電磁波を透過する材料（例えばセラミック）で構成するとよい。

以上説明したように本実施形態に係る地中探査レーダー装置１００の保持部５０は、球状大車輪３０の内壁の一か所に固定された第１支持部５１０の中心を軸に、360度回転可能な第１回転部５１１と該第１回転部５１１と直交する軸の位置に配置される第２支持部５１２との間を内壁に沿うように延伸されて接続する第１アーム５１と、第２支持部５１２を中心に360度回転可能な第２回転部５２０と該第２回転部５２０の軸及び第１回転部５１１の軸と直交する軸の位置に配置される第３支持部５２１との間を内壁に沿うように延伸されて接続する第２アーム５２とを備え、レーダーユニット４０は、第３支持部５２１の中心を軸に360度回転可能な第３回転部５２２に支持される。これにより、レーダーユニット４０は、送受信アンテナ４１を下に向けた水平な姿勢を保つことができる。

なお、本実施形態は、レーダーユニット４０はスタビライザーを備える例で説明した。第１回転部５１１、第２回転部５２０、及び第３回転部５２２は、そのスタビライザーの作用によって、レーダーユニット４０の重心が移動することに追従して受動的に回転する。

なお、各軸は能動的に回転させるようにしてもよい。能動的に回転させる場合は、各軸に回転角度を検出するエンコーダーを設け、レーダーユニット４０が水平になるように各軸を回転させるモータを回転させるようにしても構わない。この場合、スタビライザーは不要である。つまり、レーダーユニット４０が水平になるエンコーダーの値が得られるようにモータを回転させればスタビライザーは不要である。

なお、各軸を能動的に回転させると、各軸に設けられたモータが送受信アンテナ４１の直下に位置して計測に影響を与えてしまう場合がある。この場合、第１支持部５１０及び第１回転部５１１の影響は一定であるので信号処理でその影響を排除すればよい。その信号処理は制御部７０で容易に行うことが可能である。

本実施形態に係る地中探査レーダー装置１００は、送受信アンテナ４１を含むレーダーユニット４０と、送受信アンテナ４１を地面に向かせて保持する保持部５０と、保持部５０の一端が内壁に固定される球状大車輪３０と、球状大車輪３０の上半分を該球状大車輪３０が回転可能に保持する３つ以上の球状小車輪２０と、球状大車輪３０が回転することによる移動量を検出する移動量センサ６０と、レーダーユニット４０と移動量センサ６０に接続される制御部７０とを備える。これにより、２次元走査が可能な地中探査レーダー装置を提供することができる。

（誘電体レンズ）
図３は、誘電体レンズを備える地中探査レーダー装置の構成例を模式的に示す図である。図３に示す誘電体レンズ４２は送受信アンテナ４１の下に配置される。

図３に示すように、誘電体レンズ４２はレーダーユニット４０に支持され送受信アンテナ４１よりも下に配置される。誘電体レンズ４２は、例えば、フッ素樹脂又はセラミック材で構成され、送受信アンテナ４１から地面に放射される電磁波を平行に又は集光させるように作用する。これにより地中内のターゲットの探査感度を向上させることができる。

また、誘電体レンズ４２はスタビライザーとしての作用もあり、レーダーユ二ット４０の姿勢を安定化させる効果も得られる。

（給電部）
図４は、給電部を備える地中探査レーダー装置の構成例を模式的に示す図である。図４に示す給電部８０は筐体１０の内部に設けられる。

上記の実施形態では特に説明しなかったが、レーダーユニット４０がその操作に必要な電力を供給する電源を備える例を示した。しかしその電力は、球状大車輪３０の外部から供給するようにしてもよい。

給電部８０は、自由に回転する球状大車輪３０の外部からその内部に配置されるレーダーユニット４０に電力を供給する。給電部８０は、制御部７０によって制御される電流を給電アンテナ８１に流して磁束に変換する。

給電アンテナ８１で生じる磁束は、レーダーユニット４０に接続された電力受電アンテナ８２と電磁結合し、レーダーユニット４０が動作するのに必要な電力に変換される。レーダーユニット４０の姿勢は、保持部５０の作用によって常に水平に保たれるので電力受信アンテナ８２の位置及び姿勢も一定である。したがって、筐体１０側に設けられた給電アンテナ８１の位置が固定されていても常に電力を供給することができる。

このように、球状大車輪３０を収納する筐体１０は、レーダーユニット４０に電力を給電する給電部８０を備え、レーダーユニット４０は、給電部８０から電力を受電する電力受電アンテナ８２を備える。これにより、球状大車輪３０の外部からレーダーユニット４０に電力を供給することができ、レーダーユニット４０をバッテリーレスにできる。その結果、レーダーユニット４０を小型軽量化することができ、保持部５０の制動性を高めることができる。つまり、レーダーユニット４０の姿勢を安定化させることができ、地中内のターゲットの検出精度を向上させることができる。

（補助輪）
図５は、球状の補助輪を備える地中探査レーダー装置の構成例を模式的に示す図である。図５に示すように補助輪９０は、筐体１０の例えば下四隅に配置される。

補助輪９０により、筐体１０の底面と地面とを平行にすることができる。補助輪９０と筐体１０との間に振動を抑制する防振ダンパーを備えてもよい。防振ダンパーを備えることで筐体１０の姿勢をより安定化することができる。

なお、補助輪９０は４つ配置する必要はない。例えば、取っ手１２側の筐体１０の底に２つの補助輪を配置し、球状大車輪３０との３点で筐体１０を支持するようにしても構わない。

このように、球状大車輪３０を収納する１０の下に配置される２つ以上の球状の補助輪９０を備える。これにより、地中探査レーダー装置１００の地面に対する姿勢を安定させることができる。

（レーダーユニットの姿勢制御）
図６は、傾斜センサと姿勢制御板と磁石アレイを備える地中探査レーダー装置の構成例を模式的に示す図である。図６に示す傾斜センサ１１０、姿勢制御板４３、及び磁石アレイ１２０の構成は、レーダーユニット４０の姿勢を制御する。

傾斜センサ１１０は筐体１０の傾斜を検出する。傾斜センサ１１０はどのような検出原理に基づくものであっても構わない。例えば、重力によって静電容量が変化する一般的な傾斜センサを用いることができる。傾斜センサ１１０で検出した筐体１０の傾斜情報は、制御部７０に入力される。

姿勢制御板４３は、保持部５０と干渉せずに球状大車輪３０の内壁に近いに配置され、送受信アンテナ４１と反対側のレーダーユニット４０の側に設けられる磁性体である。姿勢制御板４３は、例えば鉄（Ｆｅ）で構成される。

磁石アレイ１２０は、球状大車輪３０と空隙１１を空けて配置される例えば７行×７列の電磁石である。磁石アレイ１２０を構成する複数の電磁石のそれぞれは、制御部７０から供給される制御信号によって選択的に磁化される。電磁石の磁力は極性も含めて制御される。

磁石アレイ１２０が磁化されない場合、レーダーユニット４０は、保持部５０の作用によって鉛直方向に直交する水平な姿勢を維持する。つまり、傾いた地面に対して電磁波を垂直に放射することができない。

そこで、磁石アレイ１２０を、傾斜センサ１１０の傾斜情報に基づいて選択的に磁化することで、図６に示すようにレーダーユニット４０を地面に対して水平にすることができる。図６は、高さの高い方の電磁石を磁化させることでレーダーユニット４０を時計方向に回転させた例を示す。

このように地中探査レーダー装置１００は、球状大車輪３０を収納する筐体１０の傾きを検出する傾斜センサ１１０と、保持部５０と干渉せずに最も球状大車輪３０の内壁に近い位置に配置され、送受信アンテナ４１と反対側のレーダーユニット４０の側に設けられる磁性体の姿勢制御板４３と、球状大車輪３０と空隙１１を空けて配置される磁石アレイ１２０とを備え、制御部７０は、筐体１０の傾きに応じて磁石アレイ１２０の一部の磁石を選択的に磁化させように構成してもよい。これにより、レーダーユニット４０が放射する電磁波を地面に垂直に放射することができる。

姿勢制御板４３は磁化させてもよい。また、同じ極性の磁石を貼り付けてもよい。つまり、磁力の反発力を用いるようにしてもよい。図６の場合、姿勢制御板４３を例えばＳ極の磁石で構成したと仮定すると、高さの高い方の電磁石をＮ極、低い方の電磁石をＳ極に磁化する。このように磁石の反発力を用いるようにしてもよい。

以上説明したように本実施形態に係る地中探査レーダー装置１００は、ＸＹ平面上の２次元走査が可能である。よって、計測エリアを塗りつぶすように地中探査レーダー装置１００を隈なく移動させることができる。その結果、計測エリアが狭小であっても計測が容易である。また、事前に計測エリアに平行又は格子状計測ラインを描く必要がないなど、地中探査作業を効率化することができる。

また、球状大車輪３０の径を大きくすれば地中探査レーダー装置１００の走破性能を向上させることができる。また、球状大車輪３０の一点と地面が接触するだけなので操作力が小さく操作が容易である。

なお、球状大車輪３０の移動量を光センサで検出する例を説明したが、本発明はこの例に限られない。球状大車輪３０の３軸方向の回転を３つのローラで検出するようにしてもよい。また、筐体１０の形状は直方体を例に説明したが、その形状はどのような形状であっても構わない。また、地中探査レーダー装置１００は、上記の誘電体レンズ４２、給電部８０、補助輪９０、及びレーダーユニット４０の姿勢制御の構成のそれぞれを個別に備えてもよいし、複数を備えてもよい。

このように本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で変形が可能である。本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１０：筐体
２０：球状小車輪
３０：球状大車輪
４０：レーダーユニット
５０：保持部
６０：移動量センサ
７０：制御部
８０：給電部
８１：給電アンテナ
８２：電力受電アンテナ
９０：球状の補助輪
１００：地中探査レーダー装置
１１０：傾斜センサ
１２０：磁石アレイ
５１０：第１支持部
５１１：第１回転部
５１２：第２支持部
５２０：第２回転部
５２１：第３支持部
５２２：第３回転部

Claims

送受信アンテナを含むレーダーユニットと、
前記送受信アンテナを地面に向かせて保持する保持部と、
前記保持部の一端が内壁に固定される球状大車輪と、
前記球状大車輪の上半分を該球状大車輪が回転可能に保持する3つ以上の球状小車輪と、
前記球状大車輪が回転することによる移動量を検出する移動量センサと、
前記レーダーユニットと前記移動量センサに接続される制御部と
を備える地中探査レーダー装置。
前記保持部は、
前記球状大車輪の内壁の一か所に固定された第１支持部の中心を軸に、360度回転可能な第１回転部と該第１回転部と直交する軸の位置に配置される第２支持部との間を前記内壁に沿うように延伸されて接続する第１アームと、
前記第２支持部を中心に360度回転可能な第２回転部と該第２回転部の軸及び前記第１回転部の軸と直交する軸の位置に配置される第３支持部との間を前記内壁に沿うように延伸されて接続する第２アームと
を備え、
前記レーダーユニットは、前記第３支持部の中心を軸に360度回転可能な第３回転部に支持される
請求項１に記載の地中探査レーダー装置。
前記送受信アンテナの下に配置される誘電体レンズ
を備える請求項１又は２に記載の地中探査レーダー装置。
前記球状大車輪を収納する筐体は、
前記レーダーユニットに電力を給電する給電部を
備え、
前記レーダーユニットは、
前記給電部から電力を受電する電力受電アンテナを
備える請求項１乃至３の何れかに記載の地中探査レーダー装置。
前記球状大車輪を収納する筐体の下に配置される２つ以上の球状の補助輪
を備える請求項１乃至４の何れかに記載の地中探査レーダー装置。
前記球状大車輪を収納する筐体の傾きを検出する傾斜センサと、
前記保持部と干渉せずに最も前記内壁に近い位置に配置され、前記送受信アンテナと反対側の前記レーダーユニットの側に設けられる磁性体の姿勢制御板と、
前記球状大車輪と空隙を空けて配置される磁石アレイと
を備え、
前記制御部は、前記傾きに応じて前記磁石アレイの一部の磁石を選択的に磁化させる
請求項１乃至５の何れかに記載の地中探査レーダー装置。