JPH0619471B2 - 地中物体の識別方法および装置 - Google Patents

地中物体の識別方法および装置

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JPH0619471B2
JPH0619471B2 JP59065013A JP6501384A JPH0619471B2 JP H0619471 B2 JPH0619471 B2 JP H0619471B2 JP 59065013 A JP59065013 A JP 59065013A JP 6501384 A JP6501384 A JP 6501384A JP H0619471 B2 JPH0619471 B2 JP H0619471B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は電波を用いて被探査物を識別する技術に関し、
特に地中に存在する埋設物、すなわち、地中物体の材質
を判定して地中物体を識別する技術に関するものであ
る。
〔発明の背景〕
従来、電波を用いて埋設物を検知する装置として、電波
を地中に放射し、埋設物からの反射波を検出し、その反
射波強度と放射から反射波検出までの時間差とから埋設
物の位置を求める手法がある。従来の装置構成を第1図
に示す。発振器3で高周波を発振させ、アンテナ2から
電波を地中に向けて放射する。被探査物である埋設物1
からの反射波を再びアンテナ2で受け、受信信号を増幅
器5を通して表示装置9に送る。一方、制御装置10で
は、発振器からの送信信号のタイミングを監視し、送信
と反射波の受信の時間差に応じて表示装置9上での受信
信号の表示点を決め、表示する。この方法では、埋設物
の深さ方向位置を上記の電波放射と反射波検出の時間差
と地中での電波と伝播時間から算出する。また埋設物の
水平方向位置は電波放射及び反射波検出のためのアンテ
ナ2を移動させて、反射波強度を観測し、反射波強度の
水平方向分布を求め、反射波強度が最大になる点から推
定する。
地中埋設管の材質は必ずしも鋼管だけでなく、使用目的
によつて塩化ビニール等の材質も使用されている。従つ
て、ある特定の埋設管、例えば、ガス配管の位置を同定
するには、埋設管の材質を判定することが重要となる。
さらに、電波の反射物体の識別は次の観点からも重要で
ある。地中にはガス管等の埋設配管のみならず、岩石や
水道管の破損等によつて出来る水溜り、あるいはガスの
漏出による空洞、さらには考古学的遺物、不発弾等の危
険物等も存在する。したがつて、物体の識別のために
は、物体の形状及び材質を知る必要がある。
従来、電波の反射物体の識別には、反射波強度の違いを
調べる方法が用いられてきた。この方法では、プラステ
イク(又は空気)と金属では反射波の電界強度が、反射
体の位置及び形状が同一の場合、20dB程度の差があ
ることに着目している。この方法では、もちろん、外径
が同一の埋設管の材質を区別することはできるが、外径
が異なる場合、あるいは、形状が異なる場合には適用で
きないという欠点があつた。
埋設管検査装置では、地中の探査結果を映像情報として
表示する方法がとられる。この場合、岩石や地中に存在
する空洞による反射信号も映像表示すると、画面が複雑
となり、場合によつては、目的とする埋設管の情報が不
要な情報の中に埋もれてしまい、両者の識別が困難とい
うことも起る。したがつて、反射波から不要信号(以下
クラツタノイズと呼ぶ)を除去し、有用な情報のみを処
理し、映像表示することも重要である。
〔発明の目的〕 本発明は、上記の問題点を解決するた
めになされたものであって、地中物体の形状や大きさに
関わらずに、材質を確実に判定して、目的とする地中物
体を良好に識別することのできる地中物体の識別方法お
よび装置を提供することを目的とする。
〔発明の概要〕
以下、本発明の概要を原理的な観点から述べる。
本発明では、レーダー電波の反射体が導電性であるか非
導電性であるかを、パルス状の入射電波と反射波の位相
を比較することにより行なう。まず、本発明の原理につ
いて説明する。
第2図のように、直線偏波の電磁波が媒質I中を伝搬
し、媒質IIで反射する場合を考える。入射電磁波の電界
成分Eは、入射面内に垂直であるとする。また、媒質
I、及び媒質IIの誘電率、透磁率、導電率は各々、
ε,μ,σ(i=I,II)とし、入射波、反射
波、透過波の反射面に対する角度をθ,θ,θ
する。入射波の電界、及び磁界をE,Hとし、反射
波、透過波の電界、磁界をE,H、及びE,H
とすると、反射面における電界,磁界の接線成分の連続
性から次式が導かれる。
ここで、k(i=I,II):媒質i(i=I,II)で
の波数(1),(2)より、反射波Eと入射波Eは、次の
関係を満足する。
角周波数がωの電磁波が、誘電率εε(ε:比誘電
率、ε:真空の誘電率)、透磁率μμ(μ:比透磁
率、μ:真空の透磁率)、導電率σの媒質を伝搬する
時の波数kはマツクスウエルの方程式より次のように導
かれる。
ここでj:虚数単位 レーダーで、反射波が受信できるのは、第2図に示す入
射角θが小さな場合であるため、まずθ=0として
説明する。θ=0の場合(3)式は次のように表わせ
る。
(3)式から得られるE/Eの値をZ=a+jb
(a,bは実数)とすると、反射波は入射波に対し、位
相がarg(z)進む。ここでarg(z)は、複素数
zの偏角を表す。例えば、a>0でb=0の場合は、反
射波の位相は、入射波に対し同相で、また、a<0,b
=0の場合は、入射波と逆位相の反射波が得られる。
地中物質を探査する場合、媒質Iは土で、比誘電率ε
irが、乾土でおよそ4、湿土でおよそ10である。透
磁率は、μ(真空の透磁率4π×10-7H/m)、す
なわち、比透磁率μir=1で、導電率σは、乾土で
およそ10-4S/m(/m)、湿土でおよそ10-2
/mえある。
また、電磁波の放射、及び受信では、電磁波の周波数が
低くなるほど大きなアンテナが必要となることから、通
常、レーダーではおよそ数十MHz以上の周波数の電磁波
が使用される。電磁波周波数を100MHzとし、媒
質Iを乾土とした場合、 σ≪ωε ……(5) となるため、乾土の比誘電率εIr=4、比透磁率μ
Ir=1を(4)式に代入し、σを無視することとする
となり、μIr=1より、μ=μであるので、(5)
式中のk/μ=k/μは、次のように表せる。
一方、媒質IIの反射体を鉄とすると、誘電率εIIは、ε
程度で、透磁率μIIは、およそ300μ程度であ
る。また、導電率σIIは、およそ107S/mでσII
ωεIIとなるため、(4)式よりkIIは、 となる。従つて、(5)式中のkII/μIIは、 となる。(7)式と(9)式を比較すると、(7)式のk/μ
はおよそ3.3×10であるのに対し、(9)式のk
II/μIIはおよそ3.5×10である。従つて、(5)
式より となる。これより、反射波は、入射波と逆位相となる。
反射波と入射波が逆位相となるのは、反射体の導電率が
極めて大きいことに起因している。従つて、媒質IIが導
電率の高い物質、例えば水、金属等である場合は、(10)
式で得られたのと同一の結果が得られる。また、金属や
水が反射体の場合に反射波の位相が入射波に対し逆転す
る性質は、電磁波の周波数の高低に依存しない。
一方、媒質IIが非導電性の絶縁体あるいは、誘電体の場
合、導電率σII0で、透磁率は真空中の値μに等し
いため、波数kIIは、次のようになる。
この場合、(5)式より、反射波Eは、 となる。従つて、ωεε≫σの場合には、反射波
は、 となり、媒質IとIIの比誘電率の大小関係により反射波
の位相は、入射波と同位相か逆位相となる。土の比誘電
率εは、4〜10程度であるが、反射体が空気の場
合、比誘電率ε2r=1で、反射波の位相は入射波と同位
相となる。しかし、電磁波の周波数で変化させ、ωε1r
εσと同程度とした場合、(12)式から分かるよう
にE/Eは、虚部を有する複素数となり、反射波と
入射波には、θ≠0゜,180゜の位相ずれが生じる。
例えば、乾土の場合、σ10-4S/mで、比誘電率
εr4程度であるから、例えば0.5MHzの電波
では、 E/E=0.35−0.18j となり、反射波は、入射波に比べ位相がおよそ27゜お
くれる。
また、湿土である場合には、比誘電率εr10程度
であり、導電率σ10-2S/mである。この場合に
は、電磁波周波数が10MHzでは、(5)式より E/E=0.666−0.156j となり、反射波の位相は入射波の位相よりおよそ14゜
おくれている。また電磁波周波数を100MHzとすれ
ば E/E=0.523−0.032j となり、反射波の位相は、入射波の位相と、ほぼ等しく
なる。上記より、媒質Iが湿土の場合でも、反射体が非
導電性の場合、電磁波周波数を変化させることにより入
射波と反射波の位相のずれが変化する。
また、反射体がポリエチレン等の誘電体の場合比誘電率
ε2rが2〜10程度であるが、電磁波周波数を変化させ
ると、反射体が空気であつた場合と同様に、反射波と入
射波の位相のずれが変化する。
先に述べたように、導電性物質が反射体の場合は、電磁
波周波数の高低によらず、反射波の位相が逆転するた
め、電磁波の周波数を変化させて、入射波と反射波の位
相を比較すれば、反射体が導電性物質か、非導電性物質
かを区別できる。
以上の説明では、第2図に示したように電波の電界成分
が電波の入射面に垂直であるとしたが、電界成分が入射
面内にある場合についても、反射体への入射波Eと反
射波Eの関係(5)式が成立する。従つて、入射波と反
射波の位相を比較することにより、レーダー電波の反射
体が導電性が非導性であるかを弁別できる。
また、電波の偏波が楕円、もしくは円である場合につい
ても、電界成分は、直交する2つの直線偏波の和として
表わすことができるため、本発明の原理が適用できる。
従つて、本発明のレーダー装置では、線状アンテナだけ
でなく任意のアンテナが使用できる。
本発明では、パルス状電磁波を使用するが、第3図に示
すパルスの繰り返し周期tは、電波の反射体までの距
離算出の必要性から、従来のレーダー同様電波到達限界
までの電波伝搬時間2l/v(v:電波伝搬速
さ)より大きくする必要がある。また地中探査の水平方
向の分解能は、電磁波放射ビーム角を絞つた指向性アン
テナを使用するか、あるいは開口面合成法等を用いるこ
とにより向上でき、本発明の原理は、これらの方法と組
みあわせて使用することにより、埋設探査機能を大幅に
向上できる。
さらに、反射波と入射波の位相の比較によりレーダー電
波の反射体が導電性であるか非導電性かを得る本発明の
原理は、地中埋設物探査レーダーだけでなく、他のレー
ダー装置にも適用できる。例えば、空からレーダーによ
り地上を観測する場合、海や川からの反射波の位相が入
射波から、周波数によらず180゜ずれるのに対し、地
面からの反射波の位相は周波数の増減に伴い変化する。
従つて、飛行機や宇宙衛星用レーダーに本発明を適用し
た場合にも、昼夜、温度等に関係なく容易に陸海等の区
別ができる。
〔発明の実施例〕
ここで本発明の構成について説明したい。第4図は、本
発明の基本的構成を示す図である。1が探査対象となる
埋設物であり、探査のため、アンテナ2から電波を放出
し、その反射波を観測する。3は、放出電波の発振器で
ある。4は送受切換器であり一般にサーキユレータを用
いる。つまり、発振器3からの信号は送受切換器4を通
つてアンテナ2へ供給され、電波となつて埋設媒質に入
射し、埋設物1で反射して再度アンテナ2へ至る。アン
テナ2で得た埋設物1からの反射信号は、送受切換器4
で増幅器5の方向へ切換えられる。増幅器5からの信号
を位相弁別器6で位相弁別する。位相弁別器6には、発
振器3からの信号も入力され、反射波信号と、その位相
に対応する信号を得る。位相弁別器6の出力は、処理装
置7に入力され、位相弁別に従つた処理をして、埋設物
1の映像を得る。処理装置7には、アンテナ位置検出装
置8の出力も入力される。アンテナ位置検出装置アンテ
ナ位置検出装置8は、あらかじめ設定した位置からアン
テナ2が移動した距離を求めるもので、例えば地表に接
して回転する車輪と、その回転数から移動距離を求める
手段等、公知の手段を用いることができる。これによつ
て埋設物1の位置情報を得る。処理装置7の結果を、表
示装置9に表示する。第4図の構成における各部の波形
を第5図に示す。発振器3の出力は、パルス変調された
波形であり〔第5図(a)〕、その周波数は、数十MHzか
ら数GHzを使用する。信号の時間幅は埋設物までの距
離、媒質中の電波の速度によつて調節するが、1nsか
ら数十nsである。発振器3の出力信号がアンテナ2か
ら放出されるため、埋設媒質に入射する電波の波形は発
振器3の出力波形と同一である。埋設物1で反射された
反射電波信号をアンテナ2で検出し、増幅した信号波形
が増幅器5の出力である。増幅器5の出力波形に示すよ
うに、埋設物1がガス・空気状の場合と、金属の場合と
で、検出信号の位相は入射信号と変わつて来る〔第5図
(b),(c)〕。反射波の第1波が、入射波と同相か否かを
判定し、位相弁別器6の出力波形として第5図(d),(e)
に示す様に、同相の場合正極性、逆相の場合負極性のパ
ルス信号を得る。また、反射波信号の絶対値信号も得ら
れる〔第5図(f)〕。この信号を処理して、映像化する
のが処理装置7である。以上の説明でわかるように、本
発明では、埋設対象の違いによる位相変化をいかに検知
するるか、また、その検知結果をいかに処理して映像化
するかが重要なポイントとなる。これらの点が、従来と
異なる新規なものであるので、以下、位相弁別器6と、
処理装置7の内容を詳細に説明する。
第6図は、本発明の位相弁別器6に関する第1の実施例
を示す図である。また、第7図,第8図は位相弁別器6
の各部の波形を示す図である。第6図,第7図,第8図
を参照しながら説明する。601は、計数回路、602
はパルス発生回路である。601は、発振器3の信号を
得て、それから一定時間遅れたパルス信号を出力する。
この遅延時間は、計数回路の計数値によつて制御され
る。つまり、nを0〜Nとして、 Δt=n・Δτ n=0〜N なる遅延時間Δtを発生する。nは、ある時刻からの3
の信号発生回数である。計数値がN+1になると計数回
路はオーバーフローし、0となる。3の出力信号からΔ
t遅延したパルス信号が、パルス発生回路602の出力
となる〔第7図(b)〕。パルス発生回路602の出力に
よつて、サンプリング装置603は増幅器5の出力をサ
ンプリングする。いいかえれば、発振器3の出力信号に
おいて、信号出力からつぎの信号出力の間をn等分し、
n等分された各点について、5からの信号をサンプリン
グすることになる。つまり、発振器3の出力1ケについ
て1回のサンプリングであり、データの採取効率は悪い
が、数十MHzから数GHzのデータを扱うため実用上
やむを得ない。この様なサンプリング操作をすることに
よつて、反射波の波形を、時間がn倍に拡大されたもの
として得ることができる。つまり、原反射波波形の周波
数をFHzとすると、サンプリング装置603の出力と
して得られる反射波〔第8図の(d)または第8図の(a)〕
の周波数は、 =F/n (Hz) となる。Fは、数十MHzから数GHz、nは200前
後であるので、は数百kHzから数十MHzとな
る。この様にして、低い周波数域に移動した反射波信号
がサンプリング装置603から得られる。第8図の(a)
は、サンプリング装置603で得られる反射波信号例を
示し、この反射波信号に対して、位相弁別を行なう。第
6図の604m、604pはコンパレータである。一方
のコンパレータ604mは、負極性信号に対するコンパ
レータ、他方のコンパレータ604pは正極性信号に対
するコンパレータを示す。このコンパレータの比較レベ
ルを第8図(a)で、破線として示す。この比較レベルを
越えると、各コンパレータ604p、604mの出力は
高レベルとなる〔第8図(b),(c)〕。各コンパレータ6
04m、604pの出力は、OR論理素子605に入力
され、両信号のOR論理をとる。つまり、OR論理素子
605の出力は、コンパレータ604m、または、コン
パレータ604pの出力が高レベルの時、高レベルとな
る〔第8図(d)〕。606は、リ・トリガラブルワンシ
ヨツト素子であり、OR論理素子605の出力が低レベ
ルから高レベルになるエツジで高レベルに変化する。低
レベルに低下するのは、OR論理素子605の出力が低
レベルになつてからΔl後であつて、Δlはあらかじめ
設定する。Δlの値としてサンプリング装置603の出
力の半波長程度をとると、リ・トリガラブルワンシヨツ
ト素子606の出力は、第8図(e)に示す様に、反射波
信号が存在する時間だけ高レベルとなる。607m,6
07pは各々ANDゲート素子である。また、608
m,608pはフリツプ・フロツプ素子である。609
m,609pは、反転ゲート素子である。ANDゲート
素子607m,607pは、は、ふたつの入力が共に高
レベルのとき、出力が高レベルとなる。このため、片方
の入力を低レベルにすることによつて、他方の入力に無
関係な状態、つまり、マスク状態にすることができる。
これらの動作を、第8図に示す動作波形を用いて説明す
る。まず、反射波がない場合を考える。この時、フリツ
プフロツプ素子608m,608pの出力は低レベルで
あるので、反転ゲート素子609m,609pの出力
は、その反転レベルである高レベルである。よつて、A
ND論理素子607m,607pは、各々、各コンパレ
ータ604m,604pの出力を受けつけ得る状態とな
つている。この段階で、第8図(b),(c)に示すように、
正極性の信号が時間的に早く検出される反射波があつた
とする。先にコンパレータ604pの出力信号がAND
論理素子607pを通過して、フリツプフロツプ素子6
08pをトリガして高レベルに変化させる。すると、反
転ゲート素子609mの出力は低レベルとなるため、フ
リツプフロツプ素子608pの出力が低レベルになるま
でコンパレータ604mの出力を受けつけない。すなわ
ち、コンパレータ604mの出力が変化し、高レベルと
なつてもフリツプフロツプ素子608mはトリガされず
低レベルのままである。これは、反転ゲート素子609
mの出力でコンパレータ604mの出力がマスクされる
ためであり、このマスク状態は、フリツプフロツプ素子
608pの出力が、リ・トリガラブルワンシヨツト素子
606の出力が高レベルから低レベルに変化するエツジ
でトリガされるまで継続する。これらの動作は、正極性
の反射波が時間的に早く検出される場合である。逆に負
極性の反射波が早く検出される時は、フリツプフロツプ
素子608mが高レベルにセツトされるため、反転ゲー
ト素子609pは低レベルになり、コンパレータ604
pの出力がマスクされる。このため、フリツプフロツプ
素子608pの出力は低レベルのまま変化しない。以上
の動作例で詳しく説明したように、正極性の信号が時間
的に早く検出されるとフリツプフロツプ素子608p
に、負極性が早い場合はフリツプフロツプ素子608m
に高レベルの出力がある。610は、反転バイアス回路
であり、フリツプフロツプ素子608mの出力を反転
し、さらにバイアスを加える。これによつて、反転バイ
アス回路610の出力は、フリツプフロツプ素子608
mの出力が低レベルにあるとき0に、高レベルにあると
き負極性方向の出力信号になる。611は加算器であ
る。加算器611は、反転バイアス回路610の出力と
フリツプフロツプ素子608pの出力を加算するもので
ある。両フリツプフロツプ素子608mと608pの出
力は、両方同時に高レベルになることはない。さらに、
反転バイアス回路610で反転バイアス処理をするた
め、フリツプフロツプ素子608mに出力がある時は負
極方向に、フリツプフロツプ素子608pに出力がある
時は正極方向の出力信号が得られる。よつて、本実施例
では、第5図の(d),(e)に示す様な、反射波が入射波と
同相の時正極性信号、逆相の時負極性信号となる出力信
号を得ることができる。また、611は、OR論理素
子であつて、フリツプフロツプ素子608mか608p
の出力波形があるとき高レベルに出力する。OR論理素
子611の出力は、処理装置7の反射波強度信号に使
用されるが、本実施例では、高レベルの値は一定である
ので、反射波があるかないかの判定しかできない。反時
波強度情報まで映像化時に反映させる手法については、
第3の実施例で示したい。
つぎに。本発明の位相弁別器6の第2の実施例について
詳述する。第9図は、第2の実施例に関する位相弁別器
6の構成を示す図である。本実施例は、第1の実施例の
変形であつて、反射波が存在する部分にゲートをかけ、
ゲート内に入る信号についてサンプリングすることに特
徴がある。第9図からわかる様に、本実施例は、第1の
実施例に計数値設定器612,613を追加した。この
計数値設定器612,613は、0〜Nまでの値を設定
できる。例えば、この設定値をk,kする。k
は計数回路601の下限、上限の計数値を設定する
ものである。つまり、計数回路601のnは、kから
へ増加する様に計数する。nがkに達してオーバ
ーフローすると設定値kが計数回路601にロードさ
れる。つまり、遅延時間Δtは、 Δt=kΔτ〜kΔτ までの値を取る。これは、第10図の波形に示す様に、
サンプリング装置603の出力はkΔτからkΔτ
までの間をサンプリングした波形となり、等価的にk
ΔτからkΔτまでゲートをかけたことになる。本実
施例によれば、反射波が存在する部分にのみゲートを印
加することができる。このため、不要な雑音反射波をゲ
ートからはずすことによつて、目的とする埋設物からの
反射波のみを抽出して、鮮明な画像を形成できる。ま
た、ゲートをかける位置であるkΔτ,kΔτは、
埋設媒質の電波の速度をvとすると、各々、 L=kΔτ・v/2 L=kΔτ・v/2 なる距離L,Lに対応する。このため、ゲートを使
用する本実施例は、距離LからLの間を検査対象と
でき、埋設媒質の深さを種々変えて埋設物を探査するこ
とが可能となる。
次に、本発明の位相弁別器6に関する第3の実施例につ
いて述べる。第11図は、本実施例に関する位相弁別器
6の構成を示し、第12図は各部の波形を示す図であ
る。本実施例は、第1,第2の実施例を変形し、反射波
の位相情報のほかに、反射波強度も出力できる様にした
ものである。第3の実施例では第2の実施例を示す構成
図である第9図を、以下のように変更する。614は、
反射波相応の波形であるサンプリング装置603の出力
を整流する全波整流回路である。その出力は第12図
(b)に示すように、サンプリング装置603の出力の負の部
分を反転したものとなつている。全波整流回路614の
出力は、反射波信号の強度情報も含んでいる。本実施例
は、全波整流回路614の出力を、アナログスイツチ素
子615に供給し、反射波が検出された状態を示すOR
論理素子611の出力でアナログスイツチ素子615を
導通させる構成とする。今、第12図(a)に示すよう
に、正極性の信号が時間的に早く検出される位相状態を
考慮する。この場合、第1,第2の実施例で詳述したよ
うに、AND論理素子607mはマスクされ、フリツプ
フロツプ素子608pが第12図(c)に示すような高レ
ベル信号を出力する。このため、アナログスイツチ素子
615は、OR論理素子611が高レベルの間、つま
り、608pが高レベルの間導通状態となる。よつて、
アナログスイツチ素子615の出力は、フリツプフロツ
プ素子608pの出力がある間、全波整流回路614の
処理結果を出力する波形となる。負極信号が時間的に早
く検出される時でも、フリツプフロツプ素子608mが
高レベルとなるので、結果としてアナログスイツチ素子
615から反射波強度を示す信号が出力される。ただ、
アナログスイツチ素子615から出力があるのは、フリ
ツプフロツプ素子608p、又は、608mのいずれか
が動作するときのみである。反射波の位相に関する出力
は、加算器611から得られ、これは、第1,第2の実
施例と同じである。以上に述べたように、本実施例によ
れば、正極性信号が早いか、負極性信号が早いかの位相
識別情報が加算器611から、また、反射波強度を示す信
号がアナログスイツチ素子615から得られる。アナロ
グスイツチ素子615の出力である強度情報を用いて、
例えば、強度の強い所と弱い所を濃淡画像で表示する処
理方法が可能となる。さらに、正極性、負極性を判定し
て、その色違い表示をすることもでき、これによつて正
極性信号か負極性信号かの識別が明瞭となる。本実施例
では、全波整流回路614を用いて単極性の信号を得て
いるが、もし両極性の信号を処理装置7で処理できるな
らば全波整流回路614は不要となりサンプリング装置
603の出力を直接処理装置7に導びくことも可能であ
る。
第13図は、位相弁別器6の第4の実施例について、そ
の構成を示す図である。本実施例は、発振波形の周波数
を変化させて反射波形を得、さらに、周波数の異なる反
射波形の位相を相互に比較することに特徴がある。第1
3図において、第3の実施例と異なる点を中心に、説明
する。第13図の一点鎖線の内部は第11図に示した一
部の構成と同一であつて、出力を示す各線、691,6
92,693は各々、サンプリング装置603、各フリ
ツプフロツプ素子608m,608pの出力に対応す
る。621m,621pは、波形メモリである。同様
に、622m,622pも波形メモリであり、フリツプ
フロツプ素子608m,608pの出力をメモリする。
この場合、発振波形の周波数が異なるものについて、各
波形メモリ621m,622m、または、各波形メモリ
621p,622pに記憶される。第14図に、ふたつ
の異なる周波数の発振波形に対するサンプリング装置6
03の出力と、波形メモリ621p,622pの出力を
示す。この場合は、正極性信号が時間的に先に検出され
るため、波形メモリ621m,622mの出力は低レベ
ルのまま不変である。623m,623pは、排他的論
理和素子であり、例えば、排他的論理和素子623pの
出力は第14図(d)のようになる。624m,624p
はワンシヨツト素子であり、排他的論理和素子623
m,623pの出力により一定幅の高レベルから低レベ
ルに変化する信号となる〔第14図(e)〕、このワンシ
ヨツト素子624m,624pの出力の幅が、信号検出
の位相遅れ幅を規定するものである。625m,625
pは、NAND素子であり、各々、排他的論理和素子623
mとワンシヨツト素子624m、排他的論理和素子62
3pとワンシヨツト素子624pのNAND論理をとる。こ
の例では、NAND論理素子625pの出力波形となる
〔第14図(f)〕。
NAND論理素子625pの出力パルスは、フリツプフロツ
プ素子626pのセツトパルスとなる。同様に、NAND論
理素子625mは、フリツプフロツプ素子626mのセ
ツトパルスである。フリツプフロツプ素子626pと6
26mのリセツト信号は、各々、OR論理素子627
p,627mの出力のネガテイブエツジである。第14
図(h)に示すように、OR論理素子627pの出力は、
波形メモリ621p,622pの論理和である。フリツ
プフロツプ素子626mの出力は、反転バイアス回路6
10で反転バイアスされ、フリツプフロツプ素子626
pの出力と加算器611で加え合わされる。加算器61
1の出力は、位相情報を示し、位相弁別器6から処理装
置7に出力される。一方、OR論理素子611の出力
は、アナログスイツチ素子615を制御し、OR論理素
子611の出力が高レベルにあるとき、全波整流回路
614の出力がある。アナログスイツチ素子615の出
力は、反射波の強度信号となる。いままでの説明は、排
他的論理和素子623pの出力が、ワンシヨツト素子6
24pの出力の幅より小さい時について考えた。これに
対して、排他的論理和素子623pの出力幅がワンシヨ
ツト素子624pの出力幅より大きい場合を考える。こ
の時、各排他的論理和素子623pとワンシヨツト素子
624pとの出力が共に低レベルとなる時間はないた
め、NAND論理素子625pの出力は低レベルで不変とな
る。よつて、フリツプフロツプ素子626pのセツト信
号が発生しないため、加算器611、アナログスイツチ
素子615の両方から出力がない。つまり、ワンシヨツ
ト素子624pの時間幅を調整することにより、この時
間幅に対する、ふたつの発振周波数の位相差が、設定時
間幅内にあるかどうかを判定できる。設定時間幅内にあ
る時は、反射波の位相、強度情報が出力される。しか
し、設定時間幅より大きい時は、両方の出力がない。い
いかえれば、ふたつの周波数で位相関係が明らかな材質
からの反射波のみを検出できることになる。例えば、埋
設物が金属のような良導体では、数十MHzから数GH
zの広い範囲で位相の周波数依存性は小さい。このた
め、ワンシヨツト素子624のパルス幅を小さくして、
金属からの反射波のみを検出し映像化できる。岩石や、
ガス等は、位相の周波数依存性が大きく、除去されるた
め、特性の材質のみを検出することができる。
以上、各実施例によつて、位相弁別器6の内容を詳しく
説明した。位相弁別器6により、反射波信号で、正極信
号が時間的に早く検出されるか否かという位相情報と、
反射波の強度情報が得られる。両者は、処理装置7に伝
送され、映像化処理を施こされる。
つぎに実施例は、先に述べた4ケの実施例とは異なり、
位相弁別器6において位相の正負のみを検出するのでは
なく、その位相角度までを求めることに特徴がある。こ
のため、入射波形と、反射波形の相関演算によつて、両
波形の位相の差を求めるものである。第14a図は、本
実施例による位相弁別器6の内容を示すものであり、第
14b図は波形の関係を示すものである。第14a図に
おいて、計数回路601、パルス発生回路602、サン
プリング装置603はすでに述べてあるものと同一であ
る。630は、波形記憶装置であり、アンテナ2に加え
られる波形をあらかじめ記憶してある。631は、マイ
クロコンピユータから成る処理装置である。サンプリン
グ装置603で得られる波形は、第14b図の(a)に示
す様に時刻tから始まる。これは、Δt分に対応す
る時間だけ位相が遅れている。このΔtを求めれば、
入射波形と反射波との位相差を知ることができる。この
ため、処理装置631は、サンプリング装置603の出
力を外挿し、振幅が0から始まる正弦波を作る。また、
から始まる入射波形が波形記憶装置630から得ら
れるので、両者の相関を求める。結果を第14b図(c)
に示すが、Δtずれた所にピークが形成され、この点
を時間の差と認めることができる。これより、入射波の
周波数がわかつているため、位相を知ることができる。
本実施例では、ノイズの影響を低減させるために相関演
算を用いた。第14b図に示すようなノイズが少ない時
は、サンプリング装置603の外挿点が振幅0の所と交
わる点としてΔtを求めることもでき、これが本実施
例の変形例となる。また、入射の位相を送信のたびに変
えて、反射波との位相差を求めることも考えることがで
き、これも本実施例の別な変形例である。さらに、入射
周波数を変化させて、埋設物の電気的特性を詳細に調べ
ることもできる。
さて、レーダによつて受信した反射波の波形および位
相、レーダの位置から、反射体の映像を表示する手段に
おいて述べる。
第15図に示す反射体である埋設物1の位置および、ア
ンテナ2を走査した場合、レーダの各走査位置での反射
波波形は図に示した様になる。アンテナ2から発信した
電波は、広がつて伝播するので、埋設物1からの反射電
波は、アンテナ2の走査位置xからxまでの範囲で
受信できる。走査位置xでのアンテナから埋設物の表
面までの距離は、lで示す。走査位置xにおける電
波の受信波形102を縦軸を電圧、横軸を電波を発信し
た時刻からの経過時間で表わすと、波形102が立上る
時間tは、埋設物1とアンテナ2の距離lと次の様
な関係にある。
=2l/C……(14) ここで、Cは、電波の伝播速度である。
そこで、アンテナ2で受信した反射波の立上り時間t
から、埋設物1を映像化する時、アンテナ2から発信し
た電波が広がることを考慮せず、言い換えれば、電波が
Z軸に平行に伝播すると仮定して、埋設物1の反射位置
の座標(x,Z)を次式より求め、作図すると第1
6図に示す埋設物1の映像103を得る。
=l =Ct/2……(15) 第15式で求めた反射点の座標(x,Z)で作図し
た映像103は、実際の電波はひろがつて伝播している
ので、真の反射点にくらべxおよびZ方向に拡大されて
しまい、埋設物1の表面とはかなり異なる映像になる。
したがつて、電波がひろがつて伝播することを考慮に入
れて、埋設物1の形状に即した反射面の映像を表示する
方法について、第17図に示す模式図で説明する。
まず、x−Z平面にて、走査位置xiを中心に半径l
の円弧104を描く。円弧104は、走査位置xから
発信した電波のひろがりに相当した長さである。受信波
の立上り時刻tが得られたということは、第14式に
より、反射位置は、円弧104上に存在することにな
る。同様にxからxに到る各走査位置について、そ
れぞれ円弧を描いていけば、第18に示す様な埋設物1
の表面に沿つた像105が作図できる。しかし、この方
法では、埋設物1の表面に関係のない余分な円弧が描か
れてしまうので鮮明な映像にするには次に説明する作図
方法を用いる。即ち、走査位置xで反射波が発信後t
にて受信されたとする。したがつて反射体は、走査位
置xから半径l(l=Ct/2)の円弧104
上に存在することになる。同様にxからxに到る各
走査位置について、それぞれ円弧を描いていけば、第1
8図に示す様な埋設物1の表面に沿つた像が作図でき
る。しかし、この方法を単に用いただけでは、埋設物1
の表面に関係のない余分な円弧が描かれてしまう。鮮明
な映像を作る作図方法を以下に説明する。
第18図の映像で枠120の中の図を拡大して第18
(a)図に示す。第18(a)図において、円弧104は、埋
設管1の表面に接するが、円弧104の線分が細いため、
埋設管1の表面を鮮明に図形化できない。すなわち、各
円弧104が重なつた部分が、反射体が存在する可能性
が高い位置と見なせるので、第18(a)図の円弧104
が重なり合つた位置だけを抽出して表示したのが第18
(b)図である。点121は2本の円弧104が交叉した
位置である。線が細い円弧ほど、複数の円弧が重なる部
分が少なく、点状の交叉部分が埋設物1の表面形状とは
かけ離れた映像を形成する。そこで、円弧の線分を太く
して映像化するとどうなるかを示す。第18(c)図に、
円弧104aを太くして描いた図を示す。枠120で示
す部分で、円弧104aが重なつた回数が多い部分だけ
を映像化すると第18図(d)図のハツチングで示した形
状の様になる。埋設管1に対して円弧104aが4本以
上重なつた部分を図示したのが映像122である。円弧
の幅を太くすると、円弧が重なる部分は点から面に広が
るが、その映像は埋設物1の形状を正確に再現できな
い。そこで、円弧の線分を太くして、その重なり部分で
埋設管1の形状を正確に再現できる方法を以下に述べ
る。
まず、伝播時間tが得られた場合、走査位置xを中
心として、半径l(l=Ct/2)の円弧を描
く。ただし、この円弧は、波の波面と考える。伝播時間
について測定誤差がΔtであつたとすると、半径l
から半径l+2Δl(Δl=CΔt/8)までは、
強度1、半径l+2Δlからl+4Δlまでは強度
−1、また、半径lからl+Δlおよび半径l
3Δlからl+4Δlまでは強度1j(jは虚数記
号)、半径l+Δlからl+3Δlまでは強度−1
jの円弧を描く。すなわち、伝播時間tが得られた
ら、反射体は、走査位置xから、半径lからl
4Δlまでの距離で、角度θの範囲内に存在することに
なる。上記の区分した円弧の強度で実数部と虚数部で表
わしたのは、その領域内で反射体の存在を確率分布とし
て表わしたことに相当する。以下、映像の表示方法を詳
細に説明する。
第19図に、x−Z平面を構成する画面を想定する。走
査位置xを中心とし、角度θの範囲で、半径l,l
+2Δl,l+4Δlの円弧106,107,10
8を描く。円弧106と107で囲まれた斜線部の領域
の画素の値は、第15図で示す反射波の最大振幅P
する。円弧107と108で囲まれた領域の画素の値
は、−Pとする。同様にして、各走査位置について、
円弧に含まれる各画素に、P,−Pの値を加算して
ゆく。この手順と並行して、第20図に示す画面(第1
9図と同一の画面)での各画素の数値加算を実施する。
即ち、走査位置xを中心とし、角度θの範囲で、半径
,l+Δl,l+3Δl,l+4Δlの円弧
106,109,110,108を描く。円弧106と
109、また円弧110と108で囲まれた各画素には
−P、円弧109と110で囲まれた斜線部の各画素
にはPをそれぞれ加算してゆく。以下、各走査位置に
ついて同様の手順をくり返す。
からxに到る全ての走査位置について、第19
図、及び第20図で説明した加算手順を終了すると、第
19図に示した画素の値P(x,Z)と第20に示し
た画素の値P(x,Z)について、次式に従つた積分
強度P(x,Z)を算出する。
(x,Z)=P(x,Z)+P(x,Z)
……(16) P(x,Z)が一定の規準値以上になる画素だけ表示
すると第21図に示す如く、埋設物1の表面に忠実な映
像111を得る。上述の如く、第19,20図で示した
手段、第16式による画素の積分強度の算出により、電
波のひろがりにかかわらず、埋設物1の形状通りの鮮明
な映像が得られる。なお第19,20図で説明した手順
で各画素への加算値P,−Pをそれぞれ+1,−1
にしても、多少映像111の滑らかさは損われるが詳細
な画像を表示できる。
さて、埋設物1の材質によつて、反射波の位相が変化す
ることは既に述べた通りである。そこで、材質が明瞭に
区別して表示する手段について説明する。第21図に示
す埋設物の像111を表示する場合、正位相の受信波で
作図する系統と、逆位相の受信波で作図する系統との2
系統の画素を用意する。そして、正位相の受信波で作図
した画素の積分強度PW0(x,Z)を例えば緑色の輝
度、逆位相の受信波で作図した画素の積分強度P
WI(x,Z)を例えば赤の輝度信号としてカラー表示
すれば、反射波の位相が変わつてしまう材質の異なる反
射体を、色わけして映像化できる。
以下、色わけして映像化する映像処理装置の実施例につ
いて説明する。第22図に映像処理装置の構成を示す。
図中、波高検出器700、時間測定器701は、波形信
号を入力し、それぞれ波高P、時間tを検出し出力
する。波形信号とその波高P、時間tの関係を第2
3図に示す。一次元メモリ702,702aは、波高値
、時間tに基づき、それぞれ、第24図に示す一
次元データを格納する。座標演算器703は、レーダ走
査位置x、一次元メモリ702aのアドレスlを入力
し、下式に従つて2次元アドレスx′,Z′を算出す
る。
第17式の計算で、第25図に示す様に走査位置x
中心に半径l、ひろがり角θの円弧の2次元座標を算定
する。
画素メモリ706,706bは2次元メモリでそれぞれ
5O(x′,Z′),P5I(x′,Z′)の格納用で
あり、画素メモリ706a,706cは同様にそれぞれ
6O(x′,Z′),P6I(x′,Z′)の格納用とし
て用いる。各画素メモリに座標演算器703からアドレ
ス(x′,Z′)を入力し、そのアドレス2に対応した
データP5O,P6O,P5I,P6Iがそれぞれセレクタ70
5,705aに出力される。セレクタ705では、位相
信号が正のとき、P5Oをまた負のときはP6Oを加算器7
04に出力する。セレクタ705aも同様に位相信号が
正の時はP5Iを、負のときはP6Iをそれぞれ選択して加
算器704′に出力する。加算器704および704a
は、セレクタ705,705aを介して入力された値と
それぞれメモリ702および702aのアドレスlの値
とを加算し、その結果を再びセレクタ705,705a
を介して元の画素メモリの座標(x′,Z′)にストア
する。強度演算器707は、画素メモリ706,706
bの内容P5O(x′,Z′)P5I(x′,Z′)から次
式を用い強度を算出しその結果PW5(x′,Z′)を
映像メモリ708に記録する。
W5(X′,Z′)=P5O(x′,Z′)2+P5I(x′,Z′)2……(18) 但し、PW5(x′,Z′)が基準値Pthより小さい場
合は零にする。基準値Pthは設定器710で設定さ
れ、その値を強度演算器707,707aに出力される。
同様に、強度演算器707aは画素メモリ706a,7
06cの内容P6O,P6Iを用いて、次式でPW6を算出
し、その結果を画像メモリ708aに記録する。
W6(X′,Z′)=P6O(x′,Z′)2+P6I(x′,Z′)2……(19) 但し、PW6が基準値Pthより小さい場合はPW6を零
にする。スキヤンコンバータ709は、メモリ708お
よび708aのアドレス(x′,Z′)をスキヤンし、
その内容PW5(x′,Z′)は赤色輝度信号、PW6
(x′,Z′)は緑色輝度信号として出力する。同時に
アドレス(x′,Z′)に対応した偏向信号x′,Z′
を出力し、表示装置8で画像をカラー表示する。
なお、第22図に示す装置構成において、波高検出器7
00、時間測定器701をなくし、波形信号を一次元メ
モリ702,702aに記録して、同様の手順で画像化
することも可能である。この時、一次元メモリの内容
は、第26図に示す数値を記録する。
以上、説明した如く、本実施例では、電波がひろがつて
いても、反射波信号を処理して、詳細な埋設物の像が表
示でき、また反射波の位相が正転している映像は赤、逆
転している画像は緑などというように色別に表示でき
る。この結果、鮮明な映像により形状がわかり、かつ色
により、鉄管、土管、岩石または電力ケーブルなどの種
別が容易に判断可能になる。
以上で述べたように、埋設物に電波を放射してその反射
波を観測すると、埋設物材質によつて位相が変化する現
象を用いる。さらに、反射波の位相情報と強度情報の両
方から、位相、強度に応じて埋設物をカラー画像化す
る。このため、埋設物の材質を色の違いとして明瞭に識
別できる形で表示できる。さらに、表示位置から埋設位
置がわかるため、どこに、どのようなものが埋設されて
いるかを知ることができる。また、対象とするガス管や
水道管を抽出し映像化し、クラツターノイズの影響を低
減した鮮面な画像が得られ、埋設物探査時における探査
性能向上効果が大きい特長がある。
以上のように、本発明によれば、埋設物すなわち地中物
体の形状や大きさに関わらずに、材質を確実に判定する
ことができるので、目的とする地中物体を良好に識別す
ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、従来の装置構成を説明する図である。第2図
は本発明の原理説明に関し、反射波と入射波の位相関係
を説明する図である。第3図は、電波の送信、受信関係
を示す図、第4図は、本発明の基本的構成図である。第
5図は、第4図の構成における各部の波形を示す図であ
る。第6図は、本発明の位相弁別器6に関する第1の実
施例を示す構成図、第7図,第8図はその各部の波形を
示す図である。第9図は、位相弁別器6に関する第2の
実施例の構成図、第10図はそのサンプル波形を示す図
である。第11図は、位相弁別器6の第3の実施例によ
る構成図を示し、第12図はその波形図である。第13
図は、位相弁別器6の第4の実施例による構成図を示
し、第14図はその各部の波形を示した図である。第1
4a図は位相弁別器6のさらに他の実施例による構成
図、第14b図は第14a図における各部の出力波形図
である。第15図は、埋設物とアンテナの位置、およ
び、検出反射波波形の関係を対応して示した説明図、第
16図は作図による埋設物の映像化例示図である。第1
7図は、埋設物形状に促した映像を得る手法の模式説明
図、第18図は第17図に示した方法による一例示図で
ある。第18(a)図は第18図の枠内拡大図、第18(b)
図は第18(a)図の画像表面例示図、第18(c)図は他の
作図説明図、第18(d)図は第18(c)図の画像表示例示
図である。第19図は埋設物の像の鮮明化手法を説明す
る図、第20図は、第19図での数値加算法の概念図を
示す、第21図は、本発明による埋設物の映像化例示図
であり、第22図は、処理装置7の詳細構成を示す図で
ある。第23図は処理装置7で用いる反射波の検出時
間、波高を説明する図、第24図は、一次元データの格
納結果を示す図である。第25図は、映像化のための2
次元座標説明図、第26図は、一次元メモリの内容を示
す図である。 1……埋設物、2……アンテナ、3……発振器、4……
送受切換器、5……増幅器、6……位相弁別器、7……
処理装置、8……アンテナ位置検出装置、9……表示装
置、10……制御装置、102……受信波形、103…
…埋設物の映像、104……円弧、105……像、10
6〜110……円弧、111……映像、601……計数
回路、602……パルス発生回路、603……サンプリ
ング装置、604m,604p……コンパレータ、60
5……OR論理素子、606……リ・トリガラブルワン
シヨツト、607m,607p……AND論理素子、6
08m,608p……フリツプフロツプ素子、609
m,609p……反転ゲート素子、610……反転バイ
アス回路、611……加算器、611……OR論理素
子、612,613……計数値設定値、614……全波
整流回路、615……アナログスイツチ素子、621
m,621p,622m,622p……波形メモリ、6
23m,623p……排他的論理和素子、624m,6
24p……ワンシヨツト素子、625m,625p……
NAND論理素子、626m,626p……フリツプフロツ
プ素子、627m,627p……OR論理素子。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 平本 和夫 茨城県日立市森山町1168番地 株式会社日 立製作所エネルギー研究所内 (72)発明者 西 政詞 茨城県日立市森山町1168番地 株式会社日 立製作所エネルギー研究所内 (72)発明者 園田 真治 茨城県日立市幸町3丁目1番1号 株式会 社日立製作所日立工場内 (56)参考文献 特開 昭58−158576(JP,A) 特開 昭58−223771(JP,A) 特公 昭37−289(JP,B1)

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】電波を投射し、投射した電波の地中物体に
    よる反射波を受信し、受信した反射波より地中物体を識
    別する地中物体の識別方法であって、 異なる周波数の複数の電波を投射し、投射した各周波数
    の電波の地中物体による反射波を受信し、受信した各反
    射波の投射した電波に対する位相差を求め、求めた各周
    波数に対する各位相差によって定まる地中物体の電磁気
    的特性に基づいて地中物体の材質を判定し、判定した材
    質に応じて地中物体を識別して表示することを特徴とす
    る地中物体の識別方法。
  2. 【請求項2】請求項1記載の地中物体の識別方法であっ
    て、 電波の投射時より所定の時刻経過後、所定の期間内に受
    信された反射波のみを有効として、前記投射した電波の
    周波数と受信した反射波の投射した電波に対する位相差
    を求めることを特徴とする地中物体の識別方法。
  3. 【請求項3】請求項1記載の地中物体の識別方法であっ
    て、 異なる複数の周波数で投射した各電波の反射波の投射し
    た電波に対する位相差の値が、全て所定の範囲内の値で
    あるか否かに応じて定まる地中物体の電磁気的特性に基
    づいて前記地中物体の材質の判定を行うことを特徴とす
    る地中物体の識別方法。
  4. 【請求項4】異なる周波数で複数の電波を投射する発信
    手段と、投射した各周波数の電波の地中物体による反射
    波を受信する受信手段と、受信した各反射波の投射した
    電波に対する位相差を求め、求めた各周波数に対する各
    位相差によって定まる地中物体の電磁気的特性に基づい
    て地中物体の材質を判定する判定手段と、前記判定手段
    が判定した地中物体を通知する通知手段とを有すること
    を特徴とする地中物体の識別装置。
  5. 【請求項5】異なる周波数で複数の電波を投射する発信
    手段と、投射した各周波数の電波の地中物体による反射
    波を受信する受信手段と、受信した各反射波の投射した
    電波に対する位相差を求め、各周波数に対して、特定の
    材質の電磁気的特性に従った位相差を示した反射波に基
    づいて、前記特定の材質の地中物体を識別する識別手段
    と、前記識別手段が識別した地中物体を通知する通知手
    段とを有することを特徴とする地中物体の識別装置。
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