JPH04130294A

JPH04130294A - 地中レーダトモグラフィ装置

Info

Publication number: JPH04130294A
Application number: JP2250082A
Authority: JP
Inventors: Akio Nagamune; 章生長棟; Koichi Tezuka; 浩一手塚
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1990-09-21
Filing date: 1990-09-21
Publication date: 1992-05-01
Anticipated expiration: 2011-07-31
Also published as: JP2520042B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は、地中に電磁波を入射してその透過波、反射
波又は回折波の振幅及び伝播時間を計測１−１これに信
号処理を施して地中の地層・土質の分布或いは埋設物の
情報を断面情報として得る地中レーダトモグラフィ装置
に関し、特に地中を伝播して減衰した微弱信号の検出に
関する。

［従来の技術］岩盤を対象とした調査では、断層・破砕帯・亀裂などの
存否や分布形状などの詳細な情報を評価する必要が有り
、地質構造を断面的に解析し画像的に表示できるトモグ
ラフィ技術の中でも、電磁波を用いた地中トモグラフィ
は解像力、非破壊性などの点で有効性が期待されている
。

電磁波による地中トモグラフィに関しては次のような提
案が既になされている。

（１）特願平１−１１７２６３号の出願に係る発明本出
願人によって提案された発明であり、地中で減衰した微
弱な電磁波を検出するために、擬似ランダム信号を送信
波として感度を高める方式の一つとして、周期のわずか
に異なる２つのＭ系列信号を用いている。

（２）特願平２−１９４０８３号の出願に係る発明これ
も同じく、本出願人によって提案された発明であり、土
中で減衰した微弱な電磁波を検出するために、擬似ラン
ダム信号を送信波として感度を高める方式の一つとして
、周期のわずかに異なる２つのＭ系列信号を用い、更に
、地上の送信信号発生部からボアホール内の送信ゾンデ
までの伝送路及び地上の受信信号処理部からボアホール
内の受信ゾンデまでの伝送路をそれぞれ光ファイバによ
って構成し、放射電磁波、外来電磁波、誘導電流などの
影響によるノイズを無くしている。

［発明が解決しようとする課題］地中トモグラフィにおいては、土質の電気的特性によっ
て電磁波の減衰が大きく変化し、検出される電磁波の信
号の強度が大きく変化するため、この信号検出のために
必要となる感度も大きく変化させる必要がある。

このため、上述の発明においては、受信部の増幅率を適
宜変化させて適切な感度になるよう調整するようにして
いる。ノイズレベル以上の信号の強度変化に対してはこ
の方法が有効である。しがし、増幅率を上げても、ノイ
ズレベル以下の微弱信号に対しては、ノイズも信号とと
もに増幅してしまい、信号／ノイズ比（Ｓ／Ｎ比）の向
上にはならない。すなわち、土中トモグラフィでは、Ｓ
／Ｎ比も大きく変化させる必要があるのに対して、上述
の発明ではそれが出来なかった。

［課題を解決するための手段］この発明に係る地中レーダトモグラフィ装置は、地中に
電磁波を入射して、その透過波、反射波又は回折波の振
幅又は伝播時間を多点にわたって計測し、これに信号処
理を施して地中の地層・土質の分布を断面情報として得
る地中レーダトモグラフィ装置として、第１のクロック
発生器と、該第１のクロック発生器の出力によって駆動
される第１の擬似ランダム信号を出力する第１の擬似ラ
ンダム信号発生器と、該第１のクロック発生器の周波数
とわずかに異なる周波数を有する第２のクロック発生器
と、前記第１の擬似ランダム信号発生器と同じ回路構成
からなり、該第２のクロック発生器の出力によって駆動
される第２の擬似ランダム信号を出力する第２の擬似ラ
ンダム信号発生器と、第１の擬似ランダム信号を土中へ
送信する送信手段と、この信号を土中から受信する受信
手段と、この受信信号とｊ＠２の擬似ランダム信号を乗
算する乗算手段と、この乗算信号を帯域制限するための
ローパスフィルタを有する地中レーダトモグラフィ装置
において、次の点が考慮されている。

イ）クロック周波数が可変できるような発振器を、第１
のクロック発生器及び第２のクロック発生器のいずれか
一方あるいは両方に対して使用している。

口）ローパスフィルタはそのカットオフ周波数が第１の
クロック発生器のクロック周波数と第２のクロック発生
器のクロック周波数との差の周波数の１からｚθ倍程度
の範囲で可変できるものである。

ハ）擬似ランダム信号の符号長が可変できるようにした
擬似ランダム信号発生器を、第１の擬似ランダム信号発
生器と第２の擬似ランダム信号発生器として使用してい
る。

二）レーダ本体と送信ゾンデの間の信号伝送路と、レー
ダ本体と受信ゾンデの間の信号伝送路のいずれか一方、
或いは両方に光ファイバケーブルによる光伝送路を使用
している。

［作用］この発明においては、（ａ）周期がわずかに異なる２つ
の擬似ランダム信号によって高感度に検知する方法にお
いて、（ｂ）　２つのクロック周波数を可変とし、且つ
ローパスフィルタのカットオフ周波数を可変とし、（ｅ
）更に、擬似ランダム信号の符号長を可変とすることに
より、受信信号のノイズ除去比を変化させてＳ／Ｎ比を
変化させ、（ｄ）信号伝送路を光ファイバケーブルによ
り構成している。

前記（ａ）についての説明の詳細は上述の出願に記しで
あるが、次に説明する。

上記の２つの擬似ランダム信号は符号パターンは同一で
あるから、ある時点において、両信号の位相が一致する
が、時間が経過するにしたがって位相がずれ、１符号以
上ずれると２つの擬似ランダム信号の相関はなくなる。

２つの擬似ランダム信号の位相が一致しているときこれ
らを乗算すると正の信号が連続的に発生し、これをロー
パスフィルタに通すと、積分され大きな値が得られる。

一方、２つの擬似ランダム信号の位相がずれているとき
には、これらの乗算結果は正と負の値をランダムにとる
ので、これをローパスフィルタに通すと平均されて零と
なる。

更に、時間が経過すると、再び２つの擬似ランダム信号
の位相が一致してローパスフィルタの出力にはパルス状
の信号が発生する。そして、これらの動作は繰り返し行
なわれる。このとき、元の信号にノイズが重畳されてい
てもローパスフィルタによりこのノイズは制御されるの
で、Ｓ　’／　Ｎの良好な信号処理かなされる。

例えば第１のＭ系列信号が直接第２のＭ系列信号と乗算
されローパスフィルタを通過した信号の最大値と比較し
て、第１のＭ系列信号が送信アンテナ、地中、受信アン
テナを介してから、第２のＭ系列信号と、乗算され、ロ
ーパスフィルタを通過した信号の最大値は、地中伝播時
間に相当する時間差だけ遅れて発生し、その振幅は地中
の伝播にともなう減衰に相当して減少するので、これら
の時間差及び振幅を計測することにより、レーダトモグ
ラフィとして断面画像を得るのに必要な情報が得られる
ことになる。このとき、前述のごとく、地中の伝播によ
る信号の減衰が大きくても、Ｓ／Ｎの良好な信号が得ら
れるので、広い１域を探査することができる。

また、この発明によれば、以下に説明するように、地中
における電磁波の実際の伝播時間よりも低速化された信
号として出力が得られるので、この出力信号の取扱が容
易になる。すなわち、伝播時間をτ、第１のクロック発
振器の周波数をｆｌ、第２のクロック発振器の周波数を
ｆ２とすると、出力信号に於ける時間差Ｔ、は、次式で
表わされるように大きく拡大される。

ＴＤ−τ・ｆ１／（ｆｌ−ｆ２）　　・・・（１）伝播
時間τはｆ　　／（ｆ、−ｆ２）倍だけ時間的に拡大さ
れ、或いは低速化されたＴＤとして計測される。

このようにして計測された時間差Ｔ、及び信号強度の情
報を処理して地中の地層・土質の断面情報が得られる。

次に、前記（ｂ）について説明する。前記（ａ）におい
て、Ｓ／Ｎ比を良好に決定する方法には例えば、受信器
にノイズフィギュアの良好な増幅器を使用することが容
易に考えられる。しかし、理想的な低ノイズアンプを使
用しても、絶対に避けられないのが熱雑音である。熱雑
音は、物質を構成する分子の熱振動に依存して発生する
雑音で温度がある限り必ず発生する。

この熱雑音の大きさＮｐは、絶対温度をＴ１周波数帯域
をＢ１ボルツマン定数をｋとすると、次式で与えられる
。

Ｎｐ−ｋＴＢ　　　　　　　　　　　・・・（２）送信
信号の持つ周波数帯域Ｂｔは、２つのクロック周波数を
ｆ　とｆ　　（ｆ　　＞ｆ２）とし、ｆｌで駆動される
Ｍ系列信号を送信すると、Ｂｔ鳩５１１ｆ１　　　　　
　　　　　・・・（３）である。一方、受信波形にｆ２
のクロック周波数で駆動されるＭ系列信号を乗算して、
ローパスフィルタを通過して得られる検知信号の持つ周
波数帯域Ｂｒはローパスフィルタのカットオフ周波数で
決定される。この際、検出信号の持つ情報が欠落しない
ようにカットオフ周波数ｆ　ｃｕｔを決める必要がある
。検出波形では、Ｍ系列信号の相関関数の持つ周波数帯
域５・ｆｌが式（１）で示したようにｆ　　／（ｆ、−
ｆ２）だけ低速化されているのでその周波数帯域ＢｒはＢｒ　＝　５　・（ｆ　　−ｆ　２　）　　　　　　・
・（４）となるので、ローパスフィルタのカットオフ周
波数は、次式のように設定するのが合理的である。

（ｆ　　　ｆ　　）　＜　ｆｃｕｔ　＜２０（ｆ　　−
ｆ２）・・・（５）回路構成を単純化するためのローパスフィルタのカット
オフ周波数は固定し、検出信号を取り込んだ後続の信号
処理装置で、デジタル的な信号処理でノイズを減らす方
法と、ローパスフィルタのカットオフ周波数をいつもｆｅｕｔ　＝５　＠（ｆ　　　ｆ２　）　　　　−（６
）とする方法が考えられる。いずれの方法にしても、こ
の場合のノイズ抑制効果Ｎ　ｓｕｐは、式（２）、（３
）を勘案して、次式となる。

Ｎ５ｕｐ−ｆ　　／（ｆ　　　ｆ　　）　　　−（７）
すなわち、Δｆ−ｆ　　−ｆ２を小さくすると大きなノ
イズ抑制効果が得られる。しかし、Δｆを小さくすると
２つのＭ系列信号がずれる速度が遅くなるので測定時間
は長くなる。よって、必要に応じてΔｆを小さくしてＳ
／Ｎを改善できるように周波数を可変にしておくことが
有効となる。

次に、前記（ｅ）について説明する。クロック周波数を
変化させると、測定可能な距離範囲も変化する。すなわ
ち、測定可能な伝播距離りは、伝播速度をＶ１擬似ラン
ダム信号の周期をＮ　ｒａｎとすると次式となる。

Ｌ−Ｎｒａｎ　”　ｖ／　ｆｌ　　　　　　　　・−（
８）したがって、要求される測定距離が決められた場合
、周波数を変化させたら、擬似ランダム信号の周期も式
（８）に従って変化させる必要がある。

次に、前記（ｄ）について説明する。レーダ本体と送信
ゾンデの間の信号伝送路及びレーダ本体と受信ゾンデの
間の信号伝送路のいずれか一方、或いは両方が光ファイ
バケーブルにより構成されており、電磁誘導ノイズの影
響を受けない。

［実施例］第１図はこの発明の一実施例を示すブロック図である。

図において、１はクロック発生器、２は第１の擬似ラン
ダム信号発生器としてのＭ系列信号発生器である。３は
クロック発生器、４は第２の擬似ランダム信号発生器と
してのＭ系列信号発生器である。５，６はそれぞれ電気
信号／光信号変換器である。７は乗算器である。

８は光信号／電気信号変換器、９は送信ゾンデ内の増幅
器、ｌＯは送信ゾンデ内の電源用のバッテリ、１１は送
信アンテナである。

１２は受信ゾンデ内の増幅器、１３は乗算器としてのダ
ブルバランスミキサ、１４は電気信号／光信号変換器、
１５は積分器としてのローパスフィルタ、１Ｂは光信号
／電気信号変換器、１７は受信ゾンデ内の電源用のバッ
テリ、１８は受信アンテナである。

１９は光信号／電気信号変換器、５１はカットオフ周波
数が可変のローバスタフィルタである。２０は検出信号
の極大部の振幅を計測するための振幅値計測器、２１は
検出信号と基準信号の時間差から伝播時間を求めるため
の時間計測器、２２は積分器としてのローパスフィルタ
、２３は検出信号の強度又は伝播時間の情報からトモグ
ラフィの演算をするための演算とその演算結果を表示す
るための演算表示器である。

２４．２５．２８はそれぞれ光フアイバーケーブルであ
る。２７は送信ゾンデ、２８は受信ゾンデである。２９
゜３０はそれぞれボアホールである。３１は地中である
。

３２はレーダ本体である。

次に、第１図の装置の構成を説明する。

クロック信号発生器１及び３の周波数はＩ　ＭＨｚから
Ｉ　ＧＨｚまで高精度に可変できるシンセサイザを使用
して、土中の電波透過性と検出分解能を勘案して周波数
を選択する。本実施例では、２つのクロック信号発生器
のクロック周波数の差をＩ　Ｈｚ。

１００Ｈｚ　、　８ＫＨｚと設定できるようにした。こ
れらの差の周波数を安定性良く保つために、シンセサイ
ザ内の基準発振器は一方のものを共通に使用する方法を
取っている。

ここではクロック周波数を１００　ＭＨｚ程度とした場
合について説明する。

例えば、クロック信号発生器１は周波数１００．００４
ＭＨｚ、りＯ−／り発生器３は周波数９９．９９８ＭＨ
ｚとして、それぞれＭ系列信号発生器２とＭ系列信号発
生器４を駆動する。Ｍ系列信号発生器２とＭ系列信号発
生器４は、擬似ランダム信号発生手段のひとつとして採
用されたもので、Ｍ系列信号の代わりにたとえば、バー
力コード、ゴールド符号系列信号、ＪＰＬ符号系列信号
を用いてもよい。

本実施例においては、第２図に示したように、９ビツト
のシフトレジスタ４１を用いて、排他的論理和回路４２
〜４４により構成されるフィードバック回路をスイッチ
４５で切換えることにより、Ｍ系列信号の符号長（周期
）を変化できるようにした。

すなわち、シフトレジスタ４１の段数ｎを９．７５と切
換えることにより、それぞれにおけるＭ系列信号の符号
長を２　　１−５１１．２　　１−１２７．２５−１−
１１とそれぞれ切換えられる。このことにより、上記の
クロック周波数においては、土中の伝播速度をｖ　＝　
０．８　Ｘ　１０８ｍ／　Ｂとすると、式（８）から土
中の測定範囲をＬ−３０７ｍ　ｓ　７６ｍ　ｓ　１９ｍ
と変化させることができる。

このようにして、上記の可変符号長内でランダムな２値
信号の周期性循環符号であるＭ系列信号を発生する。

第３図はＭ系列信号発生器の出力波形の一部である。同
図（ａ）は、論理“１”が電圧＋Ｅに、論理“０”が電
圧−Ｅに対応させたＮＲＺ（ＮｏｎＲｅｔｕｒｎ　Ｚｅ
ｒｏ）波形の例であり、同図（ｂ）は、論理′１”が電
圧＋Ｅから−Ｅに変化する波形に、論理“０″が電圧−
Ｅから＋Ｅに変化する波形に対応させたＰ　Ｓ　Ｋ　（
Ｐｈａｓｏ　５ｈ１ｆｔ　Ｋｅｙｉｎｇ）波形の例であ
り、電磁波放射効率としては後者の方が良好なので、本
実施例ではＰＳＫ波形を使用した。

電気信号／光信号変換器５及び６、光ファイバケーブル
２４及び２５、光信号／電気信号変換器８及び１６には
、高速ディジタル信号伝送用の光通信器を用い、レーダ
本体で発生させた高速なＭ系列信号を送信ゾンデと受信
ゾンデに伝送する。増幅器９はＭ系列信号を電力増幅し
てアンテナを励振させるための３Ｗの広帯域電力増幅器
を使用した。

バッテリ１０及び１７としては、小型で長時間使用可能
なニッケルカドミウム電池を使用した。アンテナ１１及
び１８はともに円筒状のアルミ管できたダイポールアン
テナで中央部にバランコイルを設は電気的なマツチング
を行っている。

アンテナの外側はプラスチックで絶縁及び防水処理を施
している。電気信号／光信号変換器１４、光ファイバケ
ーブル２５、光信号／電気信号変換器１９は低速用のア
ナログ信号伝送用の光信号器を使用した。本実施例では
、受信ゾンデ内で後述するようなＭ系列信号の信号処理
を行い、伝送上必要な帯域制限を施こした信号を光通信
器でレーダ本体へ伝送するので、波形歪みやＳ／Ｈの低
下が少ない。

レーダ本体へ伝送された検出信号は、ローパスフィルタ
５１を通過して必要十分な帯域制御を受け、ノイズが抑
制され大きなＳ／Ｎ比を得る。ここでは、ローパスフィ
ルタ５１は第４図に示すように可変インダクタンス５２
及び可変キャパシタンス５８で構成され、カットオフ周
波数は可変であり、前述の２つのクロック周波数の差の
周波数の約５倍とした。

光ファイバケーブル２４はテンションメンバなどの補強
材や外覆はすべて非金属で構成され、送信ゾンデ２７を
ボアホール内で吊るす役割もある。また、光ファイバケ
ーブル２５．２８は、１条の非金属ケーブル内に非金属
のテンションメンバと供に格納され、受信ゾンデをボア
ホール内で吊るす役割もはたしている。

受信ゾンデ内の増幅器１２は、高感度広帯域の増幅器で
入力信号の大きさに応じて適切な受信感度となるように
対数増幅器を使用している。また、この増幅器はその入
り口に可変減衰器が内蔵されており、感度を任意に変え
られる。第１図には記していないが、もうひとつの光通
信器をレーダ本体と受信ゾンデの間に追加して、この増
幅器内の可変減衰器の調整をレーダ本体から行わせるこ
ともできる。

また、送信電力を高め、その為の電源が送信ゾンデ内の
バッテリでは十分供給できない場合には、レーダ本体か
ら送信ゾンデへ金属ケーブルで電源供給する方式も考え
られる。この場合には、送信された電波が金属ケーブル
を伝わって伝播することのないように、ケーブル外側に
トロイダルコアを付けて、表面インピーダンスを高める
対策が必要である。

次に、本実施例の動作について説明する。

Ｍ系列信号発生器２とＭ系列信号発生器４は同一の回路
構成であるが、駆動されるクロック信号がわずかに異な
るので、２つのＭ系列信号の周期の時間はそれぞれ１２
Ｂ９．９４９２ｎｓと１２７０．０５０８ｎｓとわずか
に異なる。それ故この２つのＭ系列信号Ｍ　及びＭ２を
循環して発生させ、ある時刻ｔａで２つのＭ系列信号の
パターンが一致したとすると、１周期の時間経過毎に０
．１ｎｓのずれが両信号間に生じ、１００周期後にはＩ
ｏｎｓのずれが両信号間に生ずる。ここでＭ系列信号は
１周期１２７０ｎｓに１２７個の信号を発生するので、
１信号の発生時間はＩｏｎｓである。

従って、２つのＭ系列信号Ｍ　及びＭ２間に１０ｎｓの
ずれが生ずるということは、Ｍ系列信号が１個分ずれた
ことに相当する。これらのタイ”ミング関係を第５図に
示している。

第５図は第１図の装置の動作を説明するための波形図で
ある。同図において、（ａ）は基準となるＭ系列信号発
生器４の１周期分の出力が１°２７個の信号を含み、そ
の周期が１２７０ｎｓであることを示し、（ｂ）はＭ系
列信号発生器４からの出力Ｍ２が一１００番から３００
番の周期まで循環して発生されている状態を示し、（Ｃ
）はＭ系列信号発生器３からの出力Ｍ　がＭ２と比較し
て１周期に０．１　ｎｓｓ１００周期でＩｏｎｓ短時間
であること、及び時刻ｔａにおいて２つのＭ系列信号Ｍ
　とＭ２が同期して、■ 両方の信号のパターンが一致したことを示している。ま
た、この２つのＭ系列信号Ｍ　とＭ２はあする時刻において両信号のパターンが一致すると、以後ず
れが次第に増大し一定時間経過すると再び両信号のパタ
ーンが一致する。この例の場合はぼＭ系列信号Ｍ　の１
２６．７７７周期とＭ２の１２６．７６７周期毎、時間
で約１ｆ）、１ｎｓ毎にこの２つのＭ系列信号Ｍ　及び
Ｍ２のパターン一致が繰り返して発生することになる。

Ｍ系列信号発生器２及び４からそれぞれ出力されるＭ系
列信号Ｍ　及びＭ２は２つに分岐され、その一方の信号
はそれぞれ乗算器７に入力される。

乗算器７及び１３は、例えば広帯域のダブル・バランス
ドΦミキサ（ＤＢＭ）が使用され、２つのＭ系列信号の
乗算が行われる。Ｍ系列信号は前述の如く正又は負の電
圧信号であり、同符号の乗算結果は正電圧、異符号の乗
算結果は負電圧となり、乗算器７及び１３の出力には正
又は負の電圧信号が得られる。

従って、いま２つのＭ系列信号Ｍ　及びＭ２のパターン
が一致した時刻ｔ　の近傍では乗算器５の出力信号は直
流正電圧又は正電圧のパルス列となる。しかし、この２
つのＭ系列信号Ｍ１及びＭ２の周期がわずかに異なり、
１周期の時間経過毎に０．１ｎｓのずれが両信号間に生
ずる。そして、時刻ｔ　より１００周期後には２つのＭ
系列信号Ｍ　及びＭ２の間には１ｏｎｓのずれ即ち信号
１個分のずれを生じる。この状態においては、両信号間
の相関は無くなり乗算器７の出力には正及び負のパルス
列信号がランダムに発生する。この乗算器７の出力波形
が第５図（ｅ）に示されている。

乗算器７の出力信号はローパス・フィルタ２２に供給さ
れ直流電圧に変換される。ローパス・・フィルタ２２は
カットオフ周波数ｆ　　−４０ＫＨｚを有し、カットオ
フ周波数ｆ　よりも高波数の入力成分を減衰させ、入力
信号の平滑化を行う機能を有する。

このローパスフィルタ２２のカットオフ周波数ｆ。

も可変としても良い。

ローパス・フィルタ２２の出力信号は、２つのＭ系列信
号Ｍ　及びＭ２のパターンが一致した時刻ｔ　において
最大値となり、時刻ｔ　よりＭ系列ａ　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
ａ信号Ｍ２が１００周期前後にずれた時刻、即ちｔａｎ
士１２７μｓの時刻に最小値となる。そしてこの最大値
を頂点として前後の最小値に直線的に減少する三角波の
電圧信号となる。第５図（ｆ）にこのローパス・フィル
タ２２の出力波形が示されている。

また、この三角波の電圧信号は、前述の如く２つのＭ系
列の周期状態が発生する１８．１ｍｓ毎にローパス・フ
ィルタ２２から出力される。

ローパスフィルタ２２からの出力信号は時間計測器２１
へ入力され、三角波発生時刻からレーダ内部の固定遅延
時間を補正して、電磁波の地中伝播時間を測定するため
の基準時刻となる。Ｍ系列信号発生器２から出力された
Ｍ系列信号Ｍ１は前述の光通信器等を介して、送信アン
テナ１１に供給され、電磁波として地中に放射される。

この放射された電磁波は地中３１を介して受信アンテナ
１８に到達する。このとき、受信されたＭ系列信号は、
送信されたＭ系列信号より電磁波の伝播時間だけ遅延し
た信号となる。

Ｍ系列信号発生器４から出力されたＭ系列信号Ｍ２は、
前述の光通信器を介して、受信ゾンデ内の乗算器１３に
供給され、受信されたＭ系列信号と乗算さ、その結果が
ローパスフィルタ１５を通過する。ローパスフィルタ１
５のカットオフ周波数は１００ＫＨｚであり、これは検
出信号の伝送に必要なだけの帯域を制限するためのもの
である。ローパスフィルタ１５を通過した検出信号は前
述した光通信器によりレーダ本体に伝送される。レーダ
本体では伝送されてきた検出信号をローパスフィルタ５
１に通過させる。このローパスフィルタでの動作は乗算
器７、ローパスフィルタ２２において先に説明した動作
と同じである。相違する点は、２つのＭ系列信号Ｍ　と
Ｍ２のパターンが一致する時刻が異なる点である。厳密
には、受信されたＭ系列信号が伝播により若干の波形歪
みを受けているが、これは本実施例の動作には影響を与
えない。ローパスフィルタ５１のカットオフ周波数はＭ
ｌとＭ２のクロック周波数の差Δｆの５倍になるように
可変して調整できるようになっているので、最適なノイ
ズ抑制効果が得られる。

このようにして、ローパスフィルタ５１を通過して得ら
れた検出信号は時間計測器２１と振幅値計測器２０に入
力される。時間計測器２１では、前述した基準時刻に対
して検出信号の極大値が発生した時刻を計ることにより
電磁波の伝播時間を求めることができる。ここで、時間
計測器内で伝播時間を計測する場合に注目すべき点は、
時間軸が、実際の電磁波の伝播時間に比べて、拡大され
ている点である。例えば、地中の伝播時間２０ｎｓの場
合には、時間計測器では２５μｓを計測することになり
、すなわち時間軸が１２．７００倍に拡大されて、極め
て低速な信号を計測すればよいことになる。

また、振幅値計測器２３では、検出信号の極大部の振幅
を計ることにより電磁波の減衰を計測することができる
。

以上により、演算表示器２８には、電磁波の地中の伝播
時間と減衰に関する情報が入力され、これに基づいて地
中の断面像が演算され表示される。

断面像を得る信号処理アルゴリズム自体は従来から知ら
れており、例えばＡｌｅｇｅｂｒａｉｃ　Ｒｅｃｏｓｔ
ｒｕｃｔｌｏｎ　　ＴｅｃｈｎｉｑｕｅＳ　Ｓｉｍｕｌ
ｔａｎｅｏｕｓ　　Ｉｔｅｒａｔｉｖｅ　　Ｒｅｃｏｎ
ｓｔｒｕｃｔｉｏｎＴｅｃｈｉｑｕｅ及びＤｌｆｆｒａ
ｃｔｉｏｎ　Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙも使用できるが、こ
こではいわゆる反復法を適用した。

第６図は反復法の説明図であり、図示のように送信点か
ら成る受信点に至る破線Ｒｋに沿った伝播遅延時間ｔ、
又は振幅ａｋ、を測定するが、それぞれ次の（２）　、
　（３）式で表現される。

なお、上式において、Ｖ　（ｘ、ｙ）は断面内の速度分
布であり、ａ　（ｘ、ｙ）は減衰パラメータの分布であ
る。

第７図は演算表示器２３における反復法の演算動作を示
したフローチャートである。走時データを入力した後、
初期モデルｖ（ｘ、ｙ）、ａｏ（ｘ、ｙ）を設定し、（
２）式又は（３）式に従って測定データと同じ送信点−
受信点の組についてｔ　又はａｋを求め、実施値との残
差を低減させるように、モデルを修正し、近付けていく
。

［発明の効果］以上のようにこの発明によれば、周波数がわずかに異な
る２つの擬似ランダム信号を使用して地中に電磁波を入
射してその透過波、反射波又は回折波の伝播時間又は減
衰を高精度に測定できるようにし、また、より大きなＳ
／Ｎ比が必要な場合には、応答速度は遅くなるが、２つ
のクロック周波数の差の周波数を小さくすることにより
Ｓ／Ｎが改善できるようになった。また測定時間に制約
があり、より速い計測時間としたい場合には、Ｓ／Ｎは
悪くなるが、２つのクロック周波数の差の周波数を大き
くすれば良いようになった。

また、クロック周波数を変化させることによって、変化
を受ける測定範囲についても、Ｍ系列信号の符号長を変
化できるようなＭ系列信号発生器を使用することによっ
て、適切な測定範囲が設定できるようになった。

また、光ファイバを使用した光伝送系を使用したので、
レーダ本体と送信ゾンデとの間及び受信ゾンデとレーダ
本体との間に電磁誘導ノイズが混入しないようになった
。

以上の如く、関東ローム層のように土壌中の水分が多く
電磁波の減衰が大きい地域でも、Ｓ／Ｎの良好な信号が
得られ、広い領域を一度に効率良（しかも、検査条件の
変化にも柔軟な対応ができ、実用的な探査ができるよう
になった。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による地中レーダトモグラ
フィ装置の構成を示すブロック図、第２図は第１図のＭ
系列信号発生器の回路図、第３図はＭ系列信号発生器の
出力波形図、第４図は力・ソトオフ周波数が可変のロー
パスフィルタ回路図、第５図は第１図の装置の動作を示
すタイムチャート、第６図は反復法の説明図、第７図は
反復法の演算動作を示すフローチャートである。代理人　弁理士　佐々木　宗　治第図（責の２）第図第図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）地中に電磁波を入射して、その透過波、反射波又
は回折波の振幅又は伝播時間を多点にわたって計測し、
これに信号処理を施して、地中の地層・土質の分布を断
面情報として得る地中レーダトモグラフィ装置として、第１のクロック発生器と該第１のクロック発生器の出力
によって駆動される第１の擬似ランダム信号を出力する
第１の擬似ランダム信号発生器と、該第１のクロック発
生器の周波数とわずかに異なる周波数を有する第２のク
ロック発生器と、前記第１の擬似ランダム信号発生器と
同じ回路構成からなり、該第２のクロック発生器の出力
によって駆動される第２の擬似ランダム信号を出力する
第２の擬似ランダム信号発生器と、第１の擬似ランダム
信号を土中へ送信する送信手段と、この信号を土中を介
して受信する受信手段と、この受信信号と第２の擬似ラ
ンダム信号を乗算する乗算手段と、この乗算信号を帯域
制限するための第１のローパスフィルタとを有する地中
レーダトモグラフィ装置において、受信信号を帯域制限するための第２のローパスフィルタ
を有し、前記第１のクロック発生器及び前記第２のクロック発生
器はそのいずれか一方あるいは両方のクロック周波数が
可変できるものであり、前記第１及び第２のローパスフ
ィルタの内少なくとも第２のローパスフィルタは第１の
クロック発生器のクロック周波数と第２のクロック発生
器のクロック周波数との差の周波数の１倍から２０倍程
度の周波数をカットオフ周波数となるように可変できる
ものであることを特徴とする地中レーダトモグラフィ装
置。
（２）第１の擬似ランダム信号発生器及び第２の擬似ラ
ンダム信号発生器は、発生する擬似ランダム信号の符号
長が可変できる擬似ランダム信号発生器を用いているこ
とを特徴とする請求項１記載の地中レーダトモグラフィ
装置。
（３）レーダ本体と送信ゾンデの間の信号伝送路と、レ
ーダ本体と受信ゾンデの間の信号伝送路のいずれか一方
あるいは両方を光ファイバケーブルによる光伝送路とし
たことを特徴とする請求項１又は２記載の地中レーダト
モグラフィ装置。