JPH0471190B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

産業上の利用分野 この発明は地中埋設ガス導管等の地中埋設物体
の有無およびその位置を非掘削で検知するための
レーダ型地中探査装置に関するものである。 従来例の構成とその問題点 地中に埋設された物体の探査は、マイクロ波領
域のパルス状の送信電波を地表面から地中に向か
つて放射し、地中の物体で反射された電波を捉
え、この受信電波におけるピークの有無により地
中の物体の有無を検知し、さらに送信電波放射時
から受信電波のピークまでの時間によりその物体
の深度を検知するものである。 従来のレーダ型地中探査装置は、第５図に示す
ように、地表面１に送信アンテナ２および受信ア
ンテナ３を並べて設置し、パルス発生部４で発生
したマイクロ波領域のパルス波を送信アンテナ２
から地中５へ送信電波として放射し、地中５の物
体６，６′によつて反射されて地表面までもどる
反射電波を受信アンテナ３で受け、この受信電波
を高周波増幅部７が取り込んで高周波増幅し、こ
の高周波増幅部７の出力をもとにして物体６，
６′の有無およびその深さを検知するようになつ
ている。 このようなレーダ型地中探査装置は、深さ数十
cmから数ｍの物体６，６′を探査するものである
が、地中５の電波の速度は、土壌の誘電率を例え
ば９とすると、空中の伝播速度（30cm／ns）の
１／√９＝1/3となり、10cm／nsである。したが
つて、送受信アンテナ２，３と物体６，６′との
間を電波が往復する時間は、深さが50cm、１ｍ、
２ｍのときはそれぞれ10ns、20ns、40nsと非常に
短い時間となる。さらに、空中の場合と異なり、
地中５を伝播する場合は、電波が深さの指数関数
で大きく減衰し、１ｍで1/3〜1/10に減衰するこ
ともある。今、１ｍの減衰量を例えば１／√10≒
１／３．１６とすると、50cm、１ｍ、２ｍを往復すると
きの減衰量はそれぞれ１／√10、1/10、1/100と
大きく変化する。すなわち、１ｍの深さの物体か
らの反射電波が1/10に減衰しているときは、２ｍ
の深さの物体からの反射電波は1/100に減衰する
ことになり、深部の物体の探査が困難であつた。 そこで、電波の減衰による深部の物体６′の探
査能の低下を改善し、深部の物体６′の探査をも
浅部の物体６の探査と同じように行えるようにす
るために、高周波増幅部７にセンシテイビテイ・
タイム・コントロール回路を内蔵して増幅度を時
間の経過とともに、すなわち物体６，６′の深さ
の増加とともに大きくし、浅部の物体６の反射電
波と浅部の物体６′の反射電波の振幅がほぼ等し
くなるようにしている。 第６図は上記レーダ型地中探査装置の各部のタ
イミング図を示している。同図Ａは送信アンテナ
２から放射されるパルス状の送信電波の波形を示
し、実線はパルス幅3ns程度のベースバンド波で
あり、破線はモノパルス波である。同図Ｂは受信
アンテナ３を介して入力される受信電波の波形を
示し、その波形の第１ピークP₁は地表面１での
表面反射によるものであり、第２ピークP₂は反
射時間ｔが10nsであつて50cmの深さにある物体に
よるものであり、その振幅は第１ピークP₁の
１／√10となつている。第３ピークP₃は反射時
間ｔが20nsであつて１ｍの深さにある物体による
ものであり、その振幅は第１ピークP₁の1/10と
なつている。第４ピークP₄は反射時間ｔが40ns
であつて２ｍの深さにある物体によるものであ
り、その振幅は第１ピークの1/100となつている。
同図Ｃは高周波増幅部７の増幅度の時間変化を示
し、ｔが10ns、20ns、40nsのときにそれぞれｔが
零のときの√10倍、10倍、100倍となつている。
同図Ｄは高周波増幅部７から出力される波形を示
し、50cm、１ｍ、２ｍの深さからの反射波による
ピークP₁′〜P₄′の高さがほぼ同じになつている。 受信電波は、前記したように、マイクロ波領域
の高周波信号であるが、地中探査のためには、第
６図ＤにおけるピークP₁′〜P₄′の有無およびその
出現時間を知るだけで十分であるため、上記高周
波信号を低周波変換部８によつて音声領域程度の
低周波信号に変換し、この低周波信号の波形をシ
ンクロスコープ等の表示器９に表示し、表示器９
の時間軸を物体６，６′の深さに対応させ、地中
５の物体６，６′の探査（物体６，６′の有無およ
びその深さ）を行えるようにしている。 上記の低周波変換部８は、サンプリングにより
高周波信号を低周波信号に変換するものであり、
送信電波を周期的に放射し、各送信電波に対する
受信電波を各送信電波の放射タイミングより順次
一定時間ずつ遅れたタイミングで１回ずつサンプ
リングすることにより１個の受信電波の時間軸を
伸長した低周波信号を得るようになつている。 サンプリング動作を第７図により詳細に説明す
る。同図Ａは周期的に放射されるパルス状の送信
電波の波形を示し、同図Ｂは同図Ａの送信電波に
対応する受信電波の波形を示し、同図Ｃは同図Ｂ
の１個の受信電波の時間軸を伸長した低周波信号
の一部分の波形を示している。第７図において、
パルス状の送信電波は周期Ｔで繰返し放射され、
受信電波もこれに応じた周期で生じる。今、受信
電波のサンプリング周期をＴ＋ΔTとすると、ｔ
＝０、Ｔ＋ΔT、２（Ｔ＋ΔT）、３（Ｔ＋ΔT）、…
…でサンプリングが行われ、これを各送信電波の
放射時刻を基準にして考えると、第１番目の受信
電波についてはt′＝０でサンプリングされ、第２
番目はt′＝ΔT、第３番目はt′＝2ΔT、第４番目は
t′＝3ΔTでそれぞれサンプリングされることにな
り、各受信電波が同じ波形であるとすれば１個の
受信電波をΔT毎にサンプリングしたのと同じサ
ンプリングデータがＴ＋ΔT毎に得られることに
なり、このサンプリングデータをローパスフイル
タに通せば第７図Ｂの１個の受信電波をＴ＋
ΔT／ΔT倍に時間軸伸長した第７図Ｃの低周波
信号が得られることになる。 上記のことを数字をあげて具体的に説明する。
探査時間（反射時間）は、土壌の誘電率によつて
異なるが、誘電率が９のときに深さ５ｍ程度の探
査を行うものとすると、100nsまでとすればよい。
そして、送信電波を50μsの周期で放射するものと
し、探査時間内のサンプル数を1000個とすると、
１個の低周波信号を得るには、送信電波を1000回
送る必要があり、50ｍｓ（≒50μs×999＋100ns）
程度要することになる。つまり、100nsの長さの
受信電波が50ｍｓの長さの低周波信号に変換され
ることになる。したがつて、低周波信号を出力す
る周期は50ｍｓ以上に設定すればよい。 次表は送信電波の番号とサンプルタイミングと
の関係を示している。

【表】 第５図において、１０は、パルス発生部４、高
周波増幅部７および低周波変換部８の動作タイミ
ングを制御する制御部である。 しかしながら、このような従来のレーダ型地中
探査装置は、上記したように、数十nsの短い時間
内に増幅度を10倍から100倍に増加させる必要が
あり、受信波形に振動現象等の歪が生じやすくな
り、これが探査能および分解能の向上を制限する
一つの要因となつていた。 発明の目的 この発明は、地中の物体の探査能および分解能
の高めることができるレーダ型地中探査装置を提
供することを目的とする。 発明の構成 この発明のレーダ型地中探査装置は、地中での
電波の減衰量に対応して順次ピーク値が増大する
パルス波を周期的に発生するパルス発生器と、こ
のパルス発生器から発生するパルス波を送信電波
として地表面から地中へ向かつて放射する送信ア
ンテナと、地表面もでもどる前記地中の物体から
の反射波を捉える受信アンテナと、この受信アン
テナで受信した受信電波の各々を前記送信電波の
各々の放射時タイミングを基準にして順次一定時
間ずつ遅れた反射時間でサンプリングすることに
より前記受信電波の時間軸を伸長した低周波信号
を得るサンプラと、このサンプラから出力される
低周波信号を表示する表示器とを備え、前記低周
波信号中の前記物体からの反射によるピークの有
無により前記物体の有無を検知するとともに、前
記ピークの出現時間によつて前記物体の深さを検
知する構成にしたことを特徴とする。 実施例の説明 この発明の一実施例を第１図ないし第４図に基
づいて説明する。このレーダ型地中探査装置は、
第１図に示すように、地表面１１に送信アンテナ
１２および受信アンテナ１３を並べて（近接し
て）設置し、ベースバンドパルサ１４でベースバ
ンドパルス波を発生し、送信アンテナ１２を介し
送信電波として地中１５に放射するようになつて
いる。この場合、ベースバンドパルサ１４は50μs
タイマ１６によつてベースバンド波を50μs毎に発
生して地中１５に放射させるようになつており、
さらに50ｍｓタイマ１７によつて起動されて指数
関数等の単調増加関数を発生する関数発生回路２
５によつて発生するベースバンド波の強度を50ｍ
ｓの間に漸増させるようになつている。 そして、地中１５に放射された電波は、地中１
５の物体１８，１８′によつて反射されて再び地
表面１１にもどり、受信アンテナ１３によつて受
信電波として捉えられる。この受信アンテナ１３
によつて捉えられた受信電波はスイツチ素子１９
を介して一定増幅度のプリアンプ２０に入力さ
れ、ここで高周波増幅され、さらにサンプラ２１
でサンプリングされるとともに低域ろ波されて時
間軸伸長した低周波信号に変換され、シンクロス
コープ等の表示器２２に表示される。 上記のスイツチ素子１９の導通タイミングおよ
びサンプラ２１のサンプルタイミングは50msタ
イマ１７、50μsタイマ１６、遅延時間発生回路２
３およびΔ時間遅れ回路２４によつて決定され
る。すなわち、遅延時間発生回路２３は、50ｍｓ
タイマ１７により起動して50μsタイマ１６の出力
が加えられた回数をカウントし、50ｍｓタイマ１
７の出力が加えられた時は遅延時間０でパルスを
出力し、50μsタイマ１６の出力が加えられた時は
その出力回数ｉに対応して（100ns×ｉ）／1000
の遅延時間でパルスを出力してスイツチ素子１９
を導通させ、受信電波をプリアンプ２０に加え
る。Δ時間遅れ回路２４は、遅延時間発生回路２
３がパルスを出力した時よりΔ時間（例えば
0.5ns程度）遅れてパルスを発生しサンプラ２１
を動作させる。この結果、サンプラ２１がサンプ
ルする直前において、はじめてスイツチ素子１９
が導通することになり、サンプル点より前の高振
幅部分（深部の物体１８′からの反射電波をサン
プリングする際には送信パルスの強度が増大して
いるため、この際の表面反射や浅部の物体１８に
よる反射電波の振幅がきわめて大きくなる。）プ
リアンプ２０に入力されないようにし、プリアン
プ２０が飽和してサンプル時の出力に悪影響を与
えることがないようにし、さらにプリアンプ２０
の立上がり遅れによる誤差をなくすようにしてい
る。 次表は送信電波の番号とスイツチ素子１９の導
通タイミングおよびサンプルタイミングとの関係
を示している。

【表】 第２図は上記第１図の各部の波形図を示してい
る。同図Ａは送信アンテナ１２から周期的に放射
される送信電波の波形図の示し、そのピーク値が
時間の経過とともに指数関数的に増大している。
同図Ｂは同図Ａの送信電波に対する受信電波の波
形図を示し、そのピーク値が送信電波のピーク値
変化と同じように指数関数的に増大している。同
図Ｃは同図Ｂにおけるｔ＝０ｍｓ付近、すなわち
サンプルがt′＝0ns付近で行われる受信電波の波
形の拡大図を示し（区間Ａの領域が順次サンプル
される）、同図Ｄは同図Ｂにおけるｔ＝25ｍｓ付
近、すなわちサンプルがt′＝50ns付近で行われる
受信電波の波形の拡大図を示し（区間Ｂの領域が
順次サンプルされる）、同図Ｅは同図Ｂにおける
ｔ＝50ｍｓ付近、すなわちサンプルがt′＝100ns
付近で行われる受信電波の波形の拡大図を示し
（区間Ｃの領域が順次サンプルされる）、各図を見
るとわかるように送信電波の振幅の時間的な増加
によつて同図Ｃ，Ｄ，Ｅの各サンプル点における
受信電波の振幅がほぼ等しくなつていることがわ
かる。この結果、同図Ｆに示す低周波信号は物体
１８，１８′の埋設深さによる電波減衰が補償さ
れて深部の物体１８′からの反射によるピークが
強調されて物体１８，１８′からの反射によるピ
ークの高さが物体１８，１８′の深さにかかわら
ずほぼ同じにすることができる。 なお、送信電波の強度を変えるには、送信パル
スのピーク値またはパルス幅を単独に変更するか
または両者を組み合わせて変更することにより行
うことができる。 また、電波の強度を変えると、送信電波の波形
が変化し、受信電波の波形も送信電波の強度が低
いときと高いときとで相似形を保つことができ
ず、波形が相似でない複数の受信電波を各々タイ
ミングをずらせてサンプリングすることにより受
信電波の時間軸を伸長した時間軸伸長波形を得て
いるので、時間軸伸長波形についても、元の受信
電波と相似なものを得ることはできない。 しかしながら、この発明の目的は、受信波形を
時間軸伸長した状態で正確に再現することではな
く、送信電波放射時から受信電波のピークまでの
時間を検出し、その時間から物体の深さを検出す
ることであつて、ピークの位置が認識できれば充
分であり、再現した時間軸伸長波形が送信電波の
強度の違いにより元の受信電波と相似にならなく
てもよい。 しかも、受信波形が相似形を保つことができな
いことによつて、再現した時間軸伸長波形のピー
ク位置が多少ずれることがあつても、この時間の
誤差による物体の深さの検出誤差は、元々地中の
誘電率等の不均一による予め予測した電波の伝搬
速度と実際の電波の伝搬速度との間の誤差による
物体の深さの検出誤差に比べて小さいと考えら
れ、物体の深さを検出する上では受信波形が相似
形でなくてもよい。 第３図はピーク値およびパルス幅を変更するこ
とにより強度を変えるベースバンドパルサ１４の
一例を示している。第３図においては、３１は電
源、３２は抵抗、３３はコンデンサ、３４はパル
ストランスで２次側に送信アンテナ１２が接続さ
れる。３５はコンデンサ３３の放電を制御するス
イツチである。動作について説明すると、電源３
１よりコンデンサ３３に充電され、このコンデン
サ３３の電荷がスイツチ３５がオンとなつたとき
にパルストランス３４の１次側に加えられ、この
パルストランス３４の２次側に生じたパルス電圧
を送信アンテナ１２を通して地中１５に放射す
る。スイツチ３５は、50μsタイマ１６から信号が
入つたときにオントリガされ、関数発生回路１８
の出力レベルに応じたタイミングでオフトリガさ
れることになり、送信アンテナ１２から放射され
る送信電波の波形は、第４図に示すようにパルス
幅とピーク値とが同時に変化することになる。 このように、この実施例のレーダ型地中探査装
置は、送信電波を周期的に放射し、これに対応す
る受信電波を、送信電波の送信周期ＴよりΔT時
間長いサンプル周期で各受信電波を順次遅れたタ
イミングで１個ずつサンプリングすることによつ
て１個の受信電波の時間軸を伸長した低周波信号
を得るものにおいて、送信電波の強度（ピーク値
およびパルス幅）を時間の経過とともに順次増大
させるようにしたため、深さによる電波減衰が補
償されて低周波信号における深部の物体１８′か
らの反射によるピークが強調され、物体１８，１
８′からの反射によるピークの高さが物体１８，
１８′の深さに関係なくほぼ同じ高さにすること
ができる。したがつて、浅部の探査の期間は送信
電波が弱いので表面反射の影響が少く、また、深
部の探査の期間は送信電波が強いので深部の物体
１８′からの反射によるピーク値を大きくするこ
とができ、浅部および深部ともに物体１８，１
８′の探査能を高めることができる。また、送信
パルスの変動周期は50ｍｓ以上であり、従来例の
ように、100ns内に増幅度を変化させるのとは違
つて実施が容易である。また、プリアンプ２０は
増幅度が一定であるので歪が少く、深さの分解能
が高い。 また、浅部の探査をする期間は、送信電波のパ
ルス幅を狭くしているので、浅部の物体１８の深
さの分解能がより高い。一方、深部の探査をする
期間は送信電波のパルス幅を大きくして周波数を
低くしているので、土中の減衰が少くなつて単に
ピーク値を高めたものよりも物体１８′の探査能
が向上する（ただ、深さの分解能はやや劣る）。 なお、送信アンテナ１２と受信アンテナ１３と
はひとつのアンテナを共用することもできる。ま
た、スイツチ素子１９に代えてリミツタを用いる
ことも可能である。この場合、スイツチ素子１９
のようなオンオフタイミングの制御は不要である
ので、第１図に比べ回路構成を簡単化することが
でき、コストダウンを達成できる。 発明の効果 この発明のレーダ型地中探査装置によれば、地
中における電波の減衰を歪なく補償することがで
き、地中の物体の探査能および分解能を向上させ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例のブロツク図、第
２図はその各部の波形図、第３図は第１図の要部
の具体回路図、第４図はその出力波形図、第５図
は従来のレーダ型地中探査装置のブロツク図、第
６図はその各部のタイミング図、第７図はサンプ
リング動作の説明図である。 １１……地表面、１２……送信アンテナ、１３
……受信アンテナ、１４……ベースバンドパル
サ、１５……地中、１６……50μsタイマ、１７…
…50ｍｓタイマ、２５……関数発生回路、１８，
１８′……物体、１９……スイツチ素子、２０…
…プリアンプ、２１……サンプラ、２２……表示
器、２３……遅延時間発生回路、２４……Δ時間
遅れ回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 地中での電波の減衰量に対応して順次ピーク
   値が増大するパルス波を周期的に発生するパルス
   発生器と、このパルス発生器から発生するパルス
   波を送信電波として地表面から地中へ向かつて放
   射する送信アンテナと、地表面までもどる前記地
   中の物体からの反射波を捉える受信アンテナと、
   この受信アンテナで受信した受信電波の各々を前
   記送信電波の各々の放射時タイミングを基準にし
   て順次一定時間ずつ遅れた反射時間でサンプリン
   グすることにより前記受信電波の時間軸を伸長し
   た低周波信号を得るサンプラと、このサンプラか
   ら出力される低周波信号を表示する表示器とを備
   え、前記低周波信号中の前記物体からの反射によ
   るピークの有無により前記物体の有無を検知する
   とともに、前記ピークの出現時間によつて前記物
   体の深さを検知するレーダ型地中探査装置。 ２ 前記送信アンテナと受信アンテナはひとつの
   アンテナを共用している特許請求の範囲第１項記
   載のレーダ型地中探査装置。