JPH1010238A - トンネル掘削機用レーダ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 トンネル掘削機の前方に存在する障害物を検
出することのできるトンネル掘削機用レーダ装置を得
る。 【解決手段】 トンネル掘削機の前進とともに回転する
カッターの動径方向にそれぞれ配列され、カッターの接
線方向偏波及び法線方向偏波を送受信する複数個のアン
テナ素子からなる第一及び第二のアンテナアレイと、こ
の各アンテナアレイに送信波を出力する送信機と、各ア
ンテナアレイから受信波を入力する受信機と、この受信
機から出力される受信信号を入力し障害物の検出を行う
アンテナアレイ用レーダ信号処理部とを備え、アンテナ
アレイ用レーダ信号処理部を、偏波変換部と、ボーリン
グパイプ検出部と、障害物検出部とによって構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明はトンネル掘削機の
前方に存在する障害物を検出するトンネル掘削機用レー
ダ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】トンネル掘削機を用いたトンネル掘削で
は、ボーリングパイプや岩石などの障害物が前方にある
場合、そのまま掘り進むと掘削機のカッターを痛めた
り、あるいはボーリングパイプを地上へ押し上げてしま
うなどの事故の原因となる。このような事故を防止する
ため、従来より、トンネル掘削機の前面に配置されてい
るカッター面にレーダ装置を取り付け、前方を監視する
ことが行われている。従来、この種のレーダ装置の動作
原理は例えば、武田他、“離散モデルフィッティング法
を用いたトンネル掘削機前方監視レーダの信号処理”電
子情報通信学会 技術研究報告書 ＳＡＮＥー９３ー７
３，１９９４，に詳細に記載されている。

【０００３】図１９は上記文献に従って構成したレーダ
装置のブロック図である。図において、１はトンネル掘
削機、２はカッター、３は回転軸、４ａ，４ｂはアンテ
ナ部、４１ａ、４１ｂは送信アンテナ、４２ａ、４２ｂ
は受信アンテナ、６ａ、６ｂは送信機、７ａ、７ｂは受
信機、８１は信号処理部である。また、図１９の左側は
トンネル掘削機を前面から見た図、図１９の右側はトン
ネル掘削機を側面から見た図である。

【０００４】次に上記従来のレーダ装置の動作について
説明する。カッター２の上に配置された送信アンテナ４
１ａ、４１ｂは送信機６ａ、６ｂより出力された電波を
トンネル掘削機１の前方の地中に放射する。受信機７
ａ、７ｂは受信アンテナ４２ａ、４２ｂが受信した障害
物からの反射波を入力し、反射波の波形を信号処理部８
１へ出力する。送信信号の波形にはモノサイクルパルス
を用いることが多い。この場合、電波を送信してから反
射エコーが受信されるまでの遅延時間がｔであるとき、
電波の伝播速度をｖとして、距離ｒは次の“数１”によ
り算出される。

【０００５】

【数１】

【０００６】トンネル掘削機１はカッター２を回転させ
ることによりトンネルの掘削を行う。カッター２の回転
とともにアンテナ部４ａ、４ｂも回転するため、アンテ
ナ部４ａ、４ｂを円周上に走査しながらデータ取得が行
われる。ただし、アンテナ部４ａはカッター２の動径方
向と垂直な方向（以後、接線方向と呼ぶ）の偏波を持つ
電磁波を送受信する。また、アンテナ部４ｂはカッター
２の動径方向（以後、法線方向と呼ぶ）の偏波を持つ電
磁波を送受信する。

【０００７】トンネル掘削機において最も探知したい障
害物は地面と垂直に埋設されたボーリングパイプであ
り、従来のレーダ装置も主としてボーリングパイプの検
出を対象とした信号処理を行っている。図２３は従来の
レーダ装置において、ボーリングパイプを探知するため
の信号処理の例を示したものである。図２０はレーダ装
置が地面に垂直に埋設されたボーリングパイプを観測す
る状況を示したものである。円周上を回転するアンテナ
部４ａ、４ｂがアンテナ走査範囲４３内の位置Ａ及び位
置Ｂを通過する時に、アンテナ部４ａ、４ｂとボーリン
グパイプ９との距離が最も近くなり、強度の強い反射波
がアンテナ部４ａ、４ｂで受信される。図２１は横軸に
カッター２の回転角を、縦軸にレーダからの距離をと
り、受信信号の強度を濃淡で示したものである。４５ａ
が位置Ａの近傍で観測されたエコー、４５ｂが位置Ｂの
近傍で観測されたエコーである。地中伝搬中で電波の減
衰がなければ、曲線４４のように広い範囲の回転角にお
いてエコーが受信される。しかし実際には地中は電波の
減衰が大きいため、ボーリングパイプ９とアンテナ部４
ａ、４ｂの距離が小さい時にしか、ボーリングパイプ９
からの反射エコーを受信することができない。従って、
４５ａ及び４５ｂのように狭い範囲のみでエコーが得ら
れる。位置Ａと位置Ｂは、回転軸を含む水平な平面Ｃつ
いて対称な位置に存在する。このように、平面Ｃについ
て互いに対称な２点において強い反射波が受信される場
合に、ボーリングパイプ９が検出されたと判断する。一
方、孤立障害物が検出される場合は、図２２に示すよう
に、１つの回転角でのみ孤立障害物のエコー４７が受信
される。４６は地中での電波の減衰がない場合に受信さ
れるエコーである。強度の強いエコー４７がアンテナ部
４ａ、４ｂで受信されても、平面Ｃに対して対称な点に
アンテナ部４ａ、４ｂが位置する時に反射波が受信され
ない場合は、ボーリングパイプ以外の孤立障害物が存在
すると判断する。以上に述べた図２０〜図２２の説明に
より、図２３のフローチャートが明らかになる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来のレ
ーダ装置では、前方１ｍ位で障害物の有無は判断できる
ものの、その大きさや種類まで識別することが困難であ
り、掘削機がそのまま掘り進んで良いかどうかを判断す
ることができない。誤って大きな障害物に当たった場合
は、掘削機の切り歯がこぼれてしまうことがある。その
ため、この場合、調査に人間が中に入ることになるが、
危険性を伴うため修復に多大な時間がかかるという問題
点があった。

【０００９】また、アンテナ部４ａ、４ｂの走査が円周
上に限定されているため、図２４のように孤立障害物１
０のカッター面への投影がアンテナ走査領域４３の外に
存在する場合には前方の障害物を検出できないという問
題点があった。

【００１０】また、図２５のようにボーリングパイプ９
の下端９ａがトンネル掘削機の底面よりも上にある場
合、円周上でアンテナを走査しても、円周上の点Ａの付
近にアンテナが位置する時にしか反射波を受信すること
ができないため、障害物がボーリングパイプであること
を判断することができないという問題点があった。

【００１１】また、分解能を上げるためにレーダの送信
信号の中心周波数を高くすると探知距離が短くなり、逆
に探知距離を伸長するためにレーダの送信信号の中心周
波数を低くすると分解能が劣化するという問題点があっ
た。

【００１２】この発明はかかる課題を解決するためにな
されたもので、第一の目的は、カッターに配置するアン
テナをアレイ化し、カッターの回転とともに走査される
アンテナにより得られるデータを用いて、カッターの全
面を開口とするアンテナ開口を合成することにより、従
来法に比べてレーダ観測領域を拡大し、さらにマルチビ
ーム処理によるトンネル掘削機前方の画像化を行うこと
により、障害物の種類の識別を確実に行うことができる
トンネル掘削機用レーダ装置を得るものである。

【００１３】また、第二の目的は、異なる中心周波数を
持つ複数の信号を用いてレーダ計測を行うことにより、
探知距離の伸長と分解能の向上の両方を実現するもので
ある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】この発明に係るトンネル
掘削機用レーダ装置は、カッターの動径方向と垂直な方
向の偏波を送受信する複数個のアンテナ素子からなる第
一のアンテナアレイと、上記カッターの動径方向と同一
方向の偏波を送受信する複数個のアンテナ素子からなる
第二のアンテナアレイと、上記各アンテナアレイに送信
波を出力する送信機と、上記各アンテナアレイから受信
波を入力する受信機と、上記受信機から出力される受信
信号を入力しトンネル掘削機の前方に存在する障害物の
検出を行うアンテナアレイ用信号処理部とを備えたトン
ネル掘削機用レーダ装置において、上記アンテナアレイ
用信号処理部を、少なくとも、上記受信機から出力され
る受信信号に偏波変換を施すことにより水平偏波データ
及び垂直偏波データを出力する偏波変換部と、この偏波
変換部からの出力信号を入力処理してボーリングパイプ
を検出するボーリングパイプ検出部と、上記偏波変換部
からの出力信号を入力処理してボーリングパイプ以外の
障害物を検出する障害物検出部とによって構成したもの
である。

【００１５】また、アンテナアレイ用信号処理部を、受
信機から出力される受信信号に偏波変換を施すことによ
り水平偏波データ及び垂直偏波データを生成する偏波変
換部と、この偏波変換部からの出力信号を入力してマル
チビーム処理により３次元画像を得る３次元画像生成部
と、この３次元画像生成部で得られた画像からボーリン
グパイプ画像を抽出する３次元画像ボーリングパイプ検
出部と、この３次元画像ボーリングパイプ検出部で検出
されたボーリングパイプ画像からボーリングパイプの直
径を推定する３次元画像パイプ径推定部と、上記３次元
画像生成部で得られた画像からボーリングパイプ以外の
障害物を検出する３次元画像障害物検出部とによって構
成したものである。

【００１６】また、アンテナアレイ用信号処理部のボー
リングパイプ検出部を、偏波変換部で生成されたデータ
のうちアンテナが走査中に同一水平位置にある時に得ら
れるデータのみを集める垂直スライス抽出部と、この垂
直スライス抽出部で抽出されたデータをアンテナの垂直
位置方向に平均化処理する垂直スライス平均処理部と、
この垂直スライス平均処理部のデータからボーリングパ
イプを検出する時系列データエコー検出部とによって構
成したものである。

【００１７】また、アンテナアレイ用信号処理部に、ボ
ーリングパイプが検出された時に垂直スライス抽出部か
ら出力されるデータを用いて２次元マルチビーム処理に
より２次元画像を生成する２次元画像生成部と、この２
次元画像生成部より出力される２次元画像からボーリン
グパイプを検出する２次元画像ボーリングパイプ検出部
を付加したものである。

【００１８】さらに、トンネル掘削機のカッターに設け
た低周波アンテナと、この低周波アンテナに送信波を出
力する低周波用送信機と、上記低周波アンテナから受信
波を入力する低周波用受信機と、この低周波用受信機か
ら出力されるデータを用いて遠距離に存在する障害物の
検出を行う低周波レーダ用信号処理部を付加したもので
ある。

【００１９】また、低周波レーダ用信号処理部を、低周
波用受信機から出力される垂直偏波データと水平偏波デ
ータの電力の比を計算する偏波比計算部と、この偏波比
計算部から出力されるデータからボーリングパイプの直
径を算出する偏波比ーパイプ径変換部とによって構成し
たものである。

【００２０】また、低周波レーダ用信号処理部を、低周
波用受信機から出力される垂直偏波データと水平偏波デ
ータの差をとることによりクラッタを除去するクラッタ
除去部と、このクラッタ除去部の出力データからボーリ
ングパイプを検出する時系列データエコー検出部とによ
って構成したものである。

【００２１】

【発明の実施の形態】

実施の形態１．図１はこの発明の実施の形態１であるト
ンネル掘削機用レーダ装置の構成図を示すものである。
図１の左側はトンネル掘削機を前面から見た図、図１の
右側はトンネル掘削機を側面から見た図である。

【００２２】図１において、１はトンネル掘削機、２は
カッター、３は回転軸、４ａ〜４ｅ及び４ｆ〜４ｊはカ
ッター２の前面にこのカッターの動径方向にそれぞれ配
列された複数個のアンテナ部で、各アンテナ部は、図１
９に示す従来のアンテナ部と同様に送信アンテナ及び受
信アンテナで構成されている。５ａ、５ｂは複数個のア
ンテナ部４ａ〜４ｅ及び４ｆ〜４ｊからなる第一及び第
二のアンテナアレイである。６ａ、６ｂは送信機、７
ａ、７ｂは受信機、８はアンテナアレイ用信号処理部で
ある。また、図２は偏波の定義を示すすものであり、Ｔ
は接線方向偏波（以後、Ｔ偏波という）、Ｎは法線方向
偏波（以後、Ｎ偏波という）、Ｈは水平偏波、Ｖは垂直
偏波である。

【００２３】次に図１のように構成されたレーダ装置の
動作を図３を用いて説明する。図３は実施の形態１にお
けるアンテナ走査面を説明するための図である。図にお
いて、５３はアンテナ走査範囲を示す。トンネル掘削機
１は、回転軸３を中心としてカッター２を回転させなが
ら前進する。カッター２の面には第一及び第二のアンテ
ナアレイ５ａ、５ｂが備え付けられている。第一のアン
テナアレイ５ａはＴ偏波を送受信する複数のアンテナ部
４ａ〜４ｅから構成され、第二のアンテナアレイ５ｂは
Ｎ偏波を送受信する複数のアンテナ部４ｆ〜４ｊから構
成されている。カッター２の回転により、第一及び第二
のアンテナアレイ５ａ、５ｂはカッター２の面の回転方
向に走査される。走査により得られるデータをアンテナ
アレイ用信号処理部８で合成することにより、アンテナ
走査範囲５３を開口とする仮想アレイアンテナを構成す
る。

【００２４】次に図１のように構成されたレーダ装置に
おけるアンテナアレイ用信号処理部８の動作を図６を用
いて説明する。図６はアレイアンテナ用信号処理部８の
構成図である。図において、１３は偏波変換部、１４
ａ、１４ｂは３次元画像生成部、１５は３次元画像ボー
リングパイプ検出部、１６は３次元画像パイプ径推定
部、１７は３次元画像障害物検出部である。偏波変換部
13は、第一のアンテナアレイ５ａを用いて得られるＴ偏
波データと、第二のアンテナアレイ５ｂを用いて得られ
るＮ偏波データの組を、水平偏波と垂直偏波の組に変換
する。３次元画像生成部１４ａは垂直偏波データを用い
て３次元画像を合成する。一方、３次元画像生成部１４
ｂは水平偏波データを用いて３次元画像を合成する。一
般に、地中に垂直に埋設されているボーリングパイプの
エコーは垂直偏波による観測においてより大きなレベル
で受信される。そこで、３次元画像ボーリングパイプ検
出部１５は３次元画像生成部１４ａから出力される画像
の特徴を抽出することによりボーリングパイプを検出す
る。さらに、３次元画像パイプ径推定部１６では、３次
元画像ボーリングパイプ検出部１５で検出されたボーリ
ングパイプについて、垂直偏波における３次元画像生成
部１４ａで得られた画像の大きさから、ボーリングパイ
プの直径を推定する。さらに、３次元画像障害物検出部
１７では、垂直偏波における３次元画像生成部１４ａ及
び水平偏波における３次元画像生成部１４ｂから出力さ
れる３次元画像から、ボーリングパイプ以外の障害物を
検出する。

【００２５】この発明では、従来技術に比べて観測範囲
が広いため、従来技術では検出できない障害物を検出す
ることが可能である。図４は、従来技術では検出できな
い孤立障害物１０をこの発明のレーダ装置で観測した状
況を示したものである。孤立障害物１０のカッター面へ
の投影は、この発明のレーダ装置におけるアンテナ走査
領域５３に含まれるため、この発明のレーダ装置によっ
て探知可能である。また図５は、従来技術では検出でき
ないボーリングパイプ９をこの発明のレーダ装置で観測
した状況を示したものである。この発明のレーダ装置を
用いれば、ボーリングパイプ９の点Ａより下の部分全て
から反射するエコーを受信し画像化するため、孤立障害
物との識別が可能である。

【００２６】実施の形態２．図７はこの発明の実施の形
態２を示すアンテナアレイ用信号処理部のブロック図で
ある。図において、観測データのＮ偏波と観測データの
Ｔ偏波及び偏波変換部１３は実施の形態１の図６と同じ
構成である。１８は垂直スライス抽出部、１９は垂直ス
ライス平均処理部、２０は時系列データエコー検出部で
ある。

【００２７】次に、図７のように構成されたアンテナア
レイ用信号処理部の動作を図８及び図９を用いて説明す
る。図８は垂直スライスデータを用いた信号処理の原理
を示す図であり、図９は垂直スライスの水平位置を変化
させながら処理を繰り返すことを示した図である。偏波
変換部１３で出力される水平偏波、垂直偏波データは垂
直スライス抽出部１８に入力される。垂直スライス抽出
部１８から抽出された垂直スライスデータは、図８に示
すように、垂直スライス平均処理部１９において、垂直
スライスデータに含まれる時系列データの平均処理が行
われる。

【００２８】垂直に埋設されたボーリングパイプ９が観
測される場合、垂直スライス中の各受信時系列データに
含まれる受信エコーの遅延時間は一致している。そのた
め、平均処理を行った後も受信エコーが残る。それに対
して孤立障害物１０が観測される場合、アンテナの垂直
位置によって受信エコーの遅延時間が異なるため、平均
処理を行うことにより受信エコーが抑圧される。そこ
で、垂直スライス平均処理部１９の出力を時系列データ
エコー検出部２０に入力し、ボーリングパイプ９からの
エコーを検出する。垂直スライス平均処理は、図９に示
すように、垂直スライスを抽出する水平位置を変化させ
ながら繰り返される。

【００２９】実施の形態３．図１０はこの発明の実施の
形態３を示すアンテナアレイ用信号処理部のブロック図
である。図において、観測データのＮ偏波と観測データ
のＴ偏波、偏波変換部１３、垂直スライス抽出部１８、
垂直スライス平均処理部１９及び時系列データエコー検
出部２０は実施の形態２の図７と同じ構成である。２１
は２次元画像生成部、２２は２次元画像ボーリングパイ
プ検出部である。

【００３０】次に、図１０のように構成されたアンテナ
アレイ用信号処理部の動作を説明する。時系列データエ
コー検出部２０でボーリングパイプが検出されると、検
出トリガ信号２０ａが２次元画像生成部２１に送られ
る。２次元画像生成部２１が検出トリガ信号２０ａを受
信すると、垂直スライスデータ１９ａが２次元画像生成
部２１に入力され、２次元画像生成部２１でボーリング
パイプの検出された垂直スライス面上の２次元画像が生
成される。ボーリングパイプが観測されている場合、２
次元画像中に直線画像が再構成される。更に、２次元画
像ボーリングパイプ検出部２２において特徴抽出処理に
より直線画像の抽出を行う。このように時系列データエ
コー検出部２０と２次元画像ボーリングパイプ検出部２
２による二段階の検出を行うことにより、パイプの検出
精度を向上させることができる。

【００３１】実施の形態４．図１１はこの発明の実施の
形態４であるレーダ装置の構成図を示す。図において、
実施の形態１おける図１と同じ構成のものには同一符号
を付してある。２３は低周波アンテナ、２５は低周波レ
ーダ用送信機、２６は低周波レーダ用受信機、２７は低
周波レーダ用信号処理部である。

【００３２】次に、図１１のように構成されたレーダ装
置の動作を説明する。低周波アンテナ２３、低周波レー
ダ用送信機２５、低周波レーダ用受信機２６、低周波レ
ーダ用信号処理部２７により低周波レーダが構成され
る。低周波レーダの送信信号の波長はカッター２の面の
直径程度の大きさである。低周波アンテナ２３はカッタ
ー面の回転とともに回転する。ここで、低周波アンテナ
２３を電気ダイポールアンテナとし、低周波アンテナ２
３が横になった時に水平偏波データを取得し、低周波ア
ンテナ２３が縦になった時に垂直偏波データを取得す
る。低周波レーダ用信号処理部２７において時系列デー
タ中の反射エコーを検出することにより、水平偏波デー
タと垂直偏波データのそれぞれから障害物の検出を行
う。

【００３３】図１２はこの発明の実施の形態４による前
方監視を表したものである。上部が低周波レーダによる
観測を示し遠距離の観測を主として行い、下部が高周波
レーダによる観測を示し上記実施の形態１と同じ処理を
行い、特に近距離の障害物を高分解能に計測する。

【００３４】図１３は低周波レーダ用信号処理部２７を
示すブロック図である。図において、観測データの垂直
偏波を時系列データエコー検出部２０に入力し、受信エ
コーからボーリングパイプを含む障害物を検出する。

【００３５】実施の形態５．図１４はこの発明の実施の
形態５を示す低周波レーダ用信号処理部のブロック図で
ある。図において、２８は偏波比計算部、２９は偏波比
ーパイプ径変換部である。

【００３６】次に図１４のように構成された低周波レー
ダ用信号処理部の動作を図１５を用いて説明する。図１
５は実施の形態５によるボーリングパイプの観測の様子
を表したものである。カッター２の面の回転と共に低周
波アンテナ２３が回転し、それにより水平偏波データと
垂直偏波データが得られる。図中の上部が垂直偏波観
測、下部が水平偏波観測をそれぞれ示す。偏波比計算部
２８では、水平偏波データと垂直偏波データとの比を計
算する。ボーリングパイプは地面と垂直に埋設されてい
るため、ボーリングパイプがレーダ電波の波長に比べて
十分に細いとみなせるレイリー散乱領域では、垂直偏波
におけるレーダ断面積の方が水平偏波におけるレーダ断
面積よりも大きくなる。

【００３７】図１６は送信波長λで規格化した導体柱の
半径ｒを横軸にとり、完全導体柱に円筒波を照射した時
の垂直偏波レーダ断面積σVと水平偏波レーダ断面積σH
の比を縦軸にとってグラフにしたものである。パイプの
半径が０．０８波長以下の場合，パイプの半径とレーダ
断面積の偏波比が一意の関係にあることが分かる。この
関係を関数Ｆを用いて“数２”で表す。

【００３８】

【数２】

【００３９】この時、 パイプの半径は“数３”により
算出される。

【００４０】

【数３】

【００４１】この関係を利用することにより、偏波比ー
パイプ径変換部２９においてパイプ径の推定を行う。た
だし、偏波間比が１．０に近い場合、即ちパイプの半径
が０．０８波長以上の場合、パイプの直径を推定するこ
とができないため、半径０．０８波長以上のボーリング
パイプか、あるいはボーリングパイプ以外の障害物が前
方に存在すると判断する。

【００４２】実施の形態６．図１７はこの発明の実施の
形態６を示す低周波レーダ用信号処理部のブロック図で
ある。図において、２０は時系列データエコー検出部
で、実施の形態４の図１３と同じ構成である。３０はク
ラッタ除去部である。

【００４３】次に、図１７のように構成された低周波レ
ーダ用信号処理部の動作を図１８を用いて説明する。図
１８は実施の形態６による、クラッタ除去機能を含むレ
ーダ信号処理を表したものである。上部がボーリングパ
イプ９の観測、中央が孤立障害物１０からの反射波、下
部が掘削面からの反射波をそれぞれ示す。カッター２の
面の回転と共に低周波アンテナ２３が回転し、それによ
り水平偏波データと垂直偏波データが得られる。クラッ
タ除去部３０では、垂直偏波データＳVと水平偏波デー
タＳHの差をとることにより、偏波依存性のないクラッ
タを除去し、“数４”に示すようなボーリングパイプの
反射エコーＳpipeを得る。

【００４４】

【数４】

【００４５】クラッタ除去部３０の出力される差データ
を時系列データエコー検出部２０に入力し、 ボーリン
グパイプの検出を行う。

【００４６】

【発明の効果】この発明のレーダ装置によれば、掘削機
のカッター面の全面を開口とするアンテナを合成開口す
るように構成したので、従来手法に比べてレーダ観測領
域が拡大した。また、３次元画像を生成するように構成
したので、掘削機前方に存在する障害物の種類や大きさ
を確実に推定することができる。さらに、前方に存在す
るボーリングパイプの直径を推定することができる。

【００４７】また、画像生成を行わずにボーリングパイ
プの検出を行うため、レーダ観測領域を狭めることな
く、演算時間を大幅に短縮することができる。

【００４８】また、垂直スライスデータからボーリング
パイプが検出された場合のみ、マルチビーム処理を行
い、さらに３次元画像を生成するため、３次元画像生成
を行う手法に比べてレーダ信号処理に必要な演算時間を
大幅に短縮することができる。また、垂直スライス平均
処理によるボーリングパイプ検出と２次元画像生成によ
るボーリングパイプ検出の二段階でボーリングパイプの
検出を行うため、ボーリングパイプ検出精度を向上させ
ることができる。

【００４９】また、中心周波数の異なる二つのパルスレ
ーダを用い、低周波レーダで遠距離の障害物検出を行
い、高周波レーダで近距離領域の画像化を行うため、遠
距離計測と高分解能計測を両立して行うことができる。

【００５０】また、ボーリングパイプによる電波散乱の
偏波特性を利用することにより、分解能の低い低周波レ
ーダによる遠距離計測においても、ボーリングパイプの
直径を推定することができる。

【００５１】また、低周波レーダでボーリングパイプを
検出する際に、偏波依存性のないクラッタを観測データ
から除去するため、ボーリングパイプ検出精度を向上さ
せることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１であるレーダ装置を
示す構成図である。

【図２】 偏波の定義を説明するための図である。

【図３】 実施の形態１におけるアンテナ走査範囲を説
明するための図である。

【図４】 実施の形態１においてレーダ装置を用いて孤
立障害物を観測する状況を説明するための図である。

【図５】 実施の形態１において下端が掘削機底面より
上にあるボーリングパイプを観測する状況を説明するた
めの図である。

【図６】 実施の形態１におけるアンテナアレイ用信号
処理部の構成を示すブロック図である。

【図７】 この発明の実施の形態２であるアンテナアレ
イ用信号処理部の構成を示すブロック図である。

【図８】 実施の形態２におけるアンテナアレイ用信号
処理の原理を説明するための図である。

【図９】 実施の形態２において、垂直スライスの水平
位置を変化させながら処理を繰り返すことを説明するた
めの図である。

【図１０】 この発明の実施の形態３であるアンテナア
レイ用信号処理部の構成を示すブロック図である。

【図１１】 この発明の実施の形態４であるレーダ装置
を示す構成図である。

【図１２】 実施の形態４におけるトンネル掘削機の前
方監視の状況を説明するための図である。

【図１３】 実施の形態４を示すレーダ装置の低周波レ
ーダ用信号処理部の構成を示すブロック図である。

【図１４】 この発明の実施の形態５である低周波レー
ダ用信号処理部の構成を示すブロック図である。

【図１５】 実施の形態５におけるボーリングパイプの
パイプ径推定の原理を説明するための図である。

【図１６】 垂直偏波と水平偏波における無限導体柱の
散乱断面積の比を示す図である。

【図１７】 この発明の実施の形態６の低周波レーダ用
信号処理部の構成を示すブロック図である。

【図１８】 実施の形態６におけるクラッタ除去の原理
を説明するための図である。

【図１９】 従来のレーダ装置の構成図である。

【図２０】 従来のレーダ装置を用いてボーリングパイ
プを観測する状況を説明するための図である。

【図２１】 従来のレーダ装置を用いてボーリングパイ
プを観測した時に得られるデータを説明するための図で
ある。

【図２２】 従来のレーダ装置を用いて孤立障害物を観
測した時に得られるデータを説明するための図である。

【図２３】 従来のレーダ装置におけるレーダ信号処理
の流れを説明するための図である。

【図２４】 レーダ装置において孤立障害物を観測する
状況を説明するための図である。

【図２５】 レーダ装置において下端が掘削機底面より
上にあるボーリングパイプを観測する状況を説明するた
めの図である。

【符号の説明】

１ トンネル掘削機、２ カッター、３ 回転軸、４ａ
〜４ｅ、４ｆ〜４ｊアンテナ部、５ａ、５ｂ 第一及び
第二のアンテナアレイ、６ａ、６ｂ 送信機、７ａ、７
ｂ 受信機、８ アレイアンテナ用信号処理部、９ ボ
ーリングパイプ、９ａボーリングパイプの下端、５３
アレイアンテナ走査範囲、１０ 孤立障害物、１３ 偏
波変換部、１４ａ、１４ｂ ３次元画像生成部、１５
３次元画像ボーリングパイプ検出部、１６ ３次元画像
パイプ径推定部、１７ ３次元画像障害物検出部、１８
垂直スライス抽出部、１９ 垂直スライス平均処理
部、２０ 時系列データエコー検出部、２１ ２次元画
像生成部、２２ ２次元画像ボーリングパイプ検出部、
２３ 低周波アンテナ、２５ 低周波レーダ用送信機、
２６ 低周波レーダ用受信機、２７ 低周波レーダ用信
号処理部、２８ 偏波比計算部、２９ 偏波比ーパイプ
径変換部、３０ クラッタ除去部、４１ａ、４１ｂ 送
信アンテナ、４２ａ、４２ｂ 受信アンテナ、４３ ア
ンテナ走査範囲、４４ ボーリングパイプのエコーパタ
ンの理論曲線、４５ａ、４５ｂ ボーリングパイプのエ
コーパタン、４６ 孤立障害物のエコーパタンの理論曲
線、４７孤立障害物のエコーパタン。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 トンネル掘削機の前進とともに回転する
   カッターの動径方向に配列され、カッターの動径方向と
   垂直な方向の偏波を送受信する複数個のアンテナ素子か
   らなる第一のアンテナアレイと、上記カッターの動径方
   向に配列され、カッターの動径方向と同一方向の偏波を
   送受信する複数個のアンテナ素子からなる第二のアンテ
   ナアレイと、上記各アンテナアレイに送信波をそれぞれ
   出力する送信機と、上記各アンテナアレイから受信波を
   それぞれ入力する受信機と、上記受信機から出力される
   受信信号を入力しトンネル掘削機の前方に存在する障害
   物の検出を行うアンテナアレイ用信号処理部とを備えた
   トンネル掘削機用レーダ装置において、上記アンテナア
   レイ用信号処理部を、少なくとも、上記受信機から出力
   される受信信号に偏波変換を施すことにより水平偏波デ
   ータ及び垂直偏波データを生成する偏波変換部と、この
   偏波変換部からの出力信号を入力処理してボーリングパ
   イプを抽出するボーリングパイプ検出部と、上記偏波変
   換部からの出力信号を入力処理してボーリングパイプ以
   外の障害物を検出する障害物検出部とによって構成した
   ことを特徴とするトンネル掘削機用レーダ装置。
2. 【請求項２】 アンテナアレイ用信号処理部を、受信機
   から出力される受信信号に偏波変換を施すことにより水
   平偏波データ及び垂直偏波データを生成する偏波変換部
   と、この偏波変換部からの出力信号を入力してマルチビ
   ーム処理により３次元画像を得る３次元画像生成部と、
   この３次元画像生成部で得られた画像からボーリングパ
   イプ画像を抽出する３次元画像ボーリングパイプ検出部
   と、この３次元画像ボーリングパイプ検出部で検出され
   たボーリングパイプ画像からボーリングパイプの直径を
   推定する３次元画像パイプ径推定部と、上記３次元画像
   生成部で得られた画像からボーリングパイプ以外の障害
   物を検出する３次元画像障害物検出部とによって構成し
   たことを特徴とする請求項１記載のトンネル掘削機用レ
   ーダ装置。
3. 【請求項３】 アンテナアレイ用信号処理部のボーリン
   グパイプ検出部を、偏波変換部で生成されたデータのう
   ちアンテナが走査中に同一水平位置にある時に得られる
   データのみを集める垂直スライス抽出部と、この垂直ス
   ライス抽出部で抽出されたデータをアンテナの垂直位置
   方向に平均化処理する垂直スライス平均処理部と、この
   垂直スライス平均処理部のデータからボーリングパイプ
   を検出する時系列データエコー検出部とによって構成し
   たことを特徴とする請求項１記載のトンネル掘削機用レ
   ーダ装置。
4. 【請求項４】 アンテナアレイ用信号処理部に、ボーリ
   ングパイプが検出された時に垂直スライス抽出部から出
   力されるデータを用いて２次元マルチビーム処理により
   ２次元画像を生成する２次元画像生成部と、この２次元
   画像生成部より出力される２次元画像からボーリングパ
   イプを検出する２次元画像ボーリングパイプ検出部を付
   加したことを特徴とする請求項３記載のトンネル掘削機
   用レーダ装置。
5. 【請求項５】 トンネル掘削機の前進とともに回転する
   カッターの動径方向に配列され、カッターの動径方向と
   垂直な方向の偏波を送受信する複数個のアンテナ素子か
   らなる第一のアンテナアレイと、上記カッターの動径方
   向に配列され、カッターの動径方向と同一方向の偏波を
   送受信する複数個のアンテナ素子からなる第二のアンテ
   ナアレイと、上記各アンテナアレイに送信波をそれぞれ
   出力する送信機と、上記各アンテナアレイから受信波を
   それぞれ入力する受信機と、上記受信機から出力される
   受信信号を入力しトンネル掘削機の前方に存在する障害
   物の検出を行うアンテナアレイ用信号処理部と、上記ト
   ンネル掘削機のカッターに設けた低周波アンテナと、こ
   の低周波アンテナに送信波を出力する低周波用送信機
   と、上記低周波アンテナから受信波を入力する低周波用
   受信機と、この低周波用受信機から出力されるデータを
   用いて遠距離に存在する障害物の検出を行う低周波レー
   ダ用信号処理部とを備えたトンネル掘削機用レーダ装置
   において、上記アンテナアレイ用信号処理部を、少なく
   とも、上記受信機から出力される受信信号に偏波変換を
   施すことにより水平偏波データ及び垂直偏波データを生
   成する偏波変換部と、この偏波変換部からの出力信号を
   入力処理してボーリングパイプを抽出するボーリングパ
   イプ検出部と、上記偏波変換部からの出力信号を入力処
   理してボーリングパイプ以外の障害物を検出する障害物
   検出部とによって構成したことを特徴とするトンネル掘
   削機用レーダ装置。
6. 【請求項６】 低周波レーダ用信号処理部を、低周波用
   受信機から出力される垂直偏波データと水平偏波データ
   の電力の比を計算する偏波比計算部と、この偏波比計算
   部から出力されるデータからボーリングパイプの直径を
   算出する偏波比ーパイプ径変換部とによって構成したこ
   とを特徴とする請求項５記載のトンネル掘削機用レーダ
   装置。
7. 【請求項７】 低周波レーダ用信号処理部を、低周波用
   受信機から出力される垂直偏波データと水平偏波データ
   の差をとることによりクラッタを除去するクラッタ除去
   部と、このクラッタ除去部の出力データからボーリング
   パイプを検出するボーリングパイプ検出部とによって構
   成したことを特徴とする請求項５記載のトンネル掘削機
   用レーダ装置。