JPH1020030A

JPH1020030A - 地中レーダ

Info

Publication number: JPH1020030A
Application number: JP8186629A
Authority: JP
Inventors: Toshimitsu Nozu; 俊光野津; Yuji Kakizaki; 裕司柿崎; Keijiro Ishii; 啓二朗石井; Masaharu Touchi; 正治登内; Shigeji Yamada; 茂治山田
Original assignee: KAWASAKI CHISHITSU KK; Koden Electronics Co Ltd
Current assignee: KAWASAKI CHISHITSU KK; Koden Electronics Co Ltd
Priority date: 1996-06-27
Filing date: 1996-06-27
Publication date: 1998-01-23

Abstract

(57)【要約】〔課題〕比較的安価に製造できしかも低消費電力の構成
のもとに、探知箇所の土質などが変化しても所望の探知
深度を確保できる地中レーダを提供する。〔解決手段〕ダイポールアンテナ(1) と、このダイポー
ルアンテナ(1) を電気パルスで励振することにより地中
に電波を送信させる送信回路(3) と、この送信回路(3)
とダイポールアンテナ(1) とにより地中に送信された電
波の反射波を地中から受信する受信部 (2,4)と、前記電
波の送信から前記反射波の受信までの所要時間に基づき
前記反射波の生じた原因に関する受信を作成する処理部
(5,6,7) とを備えた地中レーダにおいて、前記送信回路
(3) は、前記ダイポールアンテナ(1) を励振する電気パ
ルスの幅を変更することにより地中への電波の到達距離
を変更する到達距離変更手段(3a,3b,3c,3d) を備えてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、地中埋設物の検出
などに利用される地中レーダに関し、特に、地中の探知
深度を容易に変更できる地中レーダに関する。

【０００２】

【従来の技術】本出願人の先願に係わる「地中探査装
置」と題する特許出願（特公平３ー４７４７４号公報）
には、サンプリング方式の地中レーダが開示されてい
る。このサンプリング方式の地中レーダは、一定の送信
周期Ｔの電気パルスを送受共用のアンテナから地中に送
信し、この送信パルスが地中の埋設物などで反射される
ことにより発生した反射パルスを上記送受共用アンテナ
で受信し、この受信した反射パルスを上記送信周期Ｔよ
りも僅かに長いサンプリング周期（Ｔ＋τ）でサンプル
・ホールドしてゆくことにより、時間軸をＴ／τ倍に伸
長しながら反射パルスを受信するように構成されてい
る。反射パルスが有する情報は、処理回路で処理され、
埋設物や土質の不均一性など反射波の原因となった地中
の探索情報として表示装置上にカラー表示される。

【０００３】上記地中レーダに使用されるアンテナは、
本出願人の先願に係わる実公平３ー５５１１３号公報な
どに開示されているように、誘電体板上にほぼ正三角形
の２個の金属板を各頂点を対向かつ離間させて配置し、
各金属板の対向する頂点近傍の２点に給電線を接続し、
この２点間で励振する構造となっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】地中の電波の伝播損失
は空中での値よりも桁違いに大きいため、送信パルスは
ある程度の深度までしか到達できず、従って探知可能な
地中の深度には限界が生ずる。上記地中の電波の伝播損
失は、含水率などの土質や、天候の影響を強く受ける地
表の状態などに依存するため、減衰量の大きな箇所では
所望の深度まで探知できなくなるという問題がある。

【０００５】十分な探知深度を確保するために送信パル
スの振幅を増加させようとすると、大電力のもとで高速
動作が可能な高価なスイッチング素子を多数直並列に接
続することが必要になり、装置が高価になるだけでな
く、スイッチングトランジスタなど多数の素子を直並列
に接続することに伴い、鋭い幅のパルスを発生できなく
なるという問題がある。

【０００６】また商用電源から遠い箇所での動作は内蔵
の電池を電源として動作するが、送信パルスの振幅の増
加に伴って直流消費電力が増大し、電池の放電が早まる
という問題もある。従って、本発明の主要な目的は、比
較的安価で低消費電力の構成により、探知箇所の土質な
どが変化しても所望の探知深度を確保できる地中レーダ
を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の地中レーダによれば、送信回路が送信対象の電気パ
ルスの幅を変更することにより地中への電波の到達距離
を変更する到達距離変更手段を備えている。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の好適な実施の形態によれ
ば、上記地中への電波の到達距離を変更する到達距離変
更手段は、異なる幅の第１，第２の電気パルスを発生す
る第１，第２のパルス発生回路と、これら各パルス発生
回路の出力の一方を選択してダイポールアンテナに供給
するスイッチ回路とから構成されている。また、受信部
は、送信専用のダイポールアンテナと同一の構造を有し
このダイポールアンテナに隣接して配置される受信専用
のダイポールアンテナを備えている。

【０００９】

【実施例】図１は、本発明の一実施例の地中レーダの構
成を示す機能ブロック図であり、１は送信アンテナ、２
は受信アンテナ、３は送信回路、４は受信回路、５はＳ
ＴＣ回路、６はサンプリング回路、７は処理部、８は同
期制御回路、９は移動距離発生機構、１０は表示部、１
１はキー入力部である。

【００１０】送信アンテナ１と受信アンテナ２は、本出
願人の先願に係わる実公平３ー５５１１３号公報などに
開示したと同様の構造を有している。すなわち、誘電体
板上にほぼ正三角形の２個の金属板を各頂点を対向かつ
離間させて配置し、各金属板の対向する頂点近傍の２箇
所に給電線１２，１３を接続して励振する構造となって
いる。

【００１１】送信回路３は、広い幅の電気パルスを発生
する広パルス発生部３ａと、狭い幅の電気パルスを発生
する狭パルス発生部３ｂと、これら各部の一方に同期制
御部８から供給されるトリガパルスを選択的に供給する
スイッチ３ｃと、上記各部の一方がトリガパルスに同期
して発生したパルスを選択的に送信アンテナ１に供給す
るスイッチ３ｄとから構成されている。

【００１２】広パルス発生部３ａは、図２の等価回路図
に例示するように構成されている。接地点と５００ボル
ト程度の正の高圧電源＋Ｖｃとの間に、抵抗器Ｒ１とＲ
２とを介在させながら、４個のｎｐｎトランジスタＱ
１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４が直列に接続されている。トラン
ジスタＱ１のベース端子には変成器Ｔを介してトリガパ
ルスが供給される。残り３個のトランジスタＱ２，Ｑ
３，Ｑ４は、ベース端子とエミッタ端子とが短絡された
いわゆるダイオード接続となっている。トランジスタＱ
４のコレクタ端子と接地点の間にはコンデンサＣが接続
されている。

【００１３】同期制御回路８からスイッチ３ｃを介して
入力端子ＩＮに供給されたトリガパルスは、変成器Ｔを
経てトランジスタＱ１のベース端子に供給され、トラン
ジスタＱ１を導通させる。このトランジスタＱ１の導通
を契機として、残る３個のトランジスタＱ２，Ｑ３，Ｑ
４がほぼ同時に導通し、４個のトランジスタＱ１〜Ｑ４
の全てが導通状態となる。この導通に伴い、各トランジ
スタのエミッタ−コレクタ間電圧が急減に低下して導通
状態を維持できなくなり、再び非導通状態に復帰する。

【００１４】この結果、出力端子ＯＵＴには、図３中の
右側に実線や点線で例示するような正極性の孤立パルス
が出現する。各トランジスタＱ１〜Ｑ４は、急峻な立上
がりを実現するうえで導通時にアバランシェを伴うもの
が好ましく、そのような特性のトランジスタがいくつか
の候補の中から試行によって選択される。出力端子ＯＵ
Ｔに出現する孤立パルスの幅は、コンデンサＣの静電容
量を調整することによって調整される。すなわち、送信
回路３中の狭パルス発生部３ｂは、上述の広パルス発生
部３ａに比べてコンデンサＣの容量が小さな値に設定さ
れており、その他の回路の構成と使用部品の規格は全く
同一である。

【００１５】図３は、図中の右側に実線で示した幅の狭
いパルスと点線で示した幅の広いパルスについて、それ
ぞれを自乗余弦波パルスとした場合の周波数スペクトル
を示している。パルスの幅が広くなるにつれてスペクト
ルが低周波の方向にシフトすると共に、直流電力がパル
スの尖頭値Ｖp とパルス幅Ｔw の積 (Ｖp ・Ｔw)に比例
して増加する。

【００１６】図４に例示するように、地中を伝播する電
波の単位長当たりの伝播損失（dB／ｍ）は周波数の増加
と共にほぼ直線的に増加する。従って、伝播損失の小さ
な低周波成分を多く含む幅の広いパルスは地中深くまで
到達できるが、伝播損失の小さな低周波成分をそれほど
含まない幅の狭いパルスは地中深くまでは到達できな
い。

【００１７】このように、地中に送信するパルスの幅を
変更することにより、地中への到達深度を変更できる。
実用的には所望の探知深度が定まっており、通常の箇所
では送信回路３の狭パルス発生部３ａが発生した幅の狭
いパルスによってアンテナが励振される。これに対し
て、探知箇所が特に減衰量の大きな湿った土砂などから
成るため狭い幅のパルスでは所望の探知深度までは到達
しないような場合に、送信回路３の狭パルス発生部３ｂ
の代わりに広パルス発生回路３ａが起動され、幅の広い
パルスが地中に送信される。

【００１８】図５は、ダイポールアンテナの長さ２ｈと
放射する電波の波長λとによって放射パターンがどのよ
うに変化するかを説明している（「アンテナ工学ハンド
ブック」第４０頁社団法人電子情報通信学会編集昭
和６３年６月２０日オーム社発行）。全長２ｈが１波長
λをこえると、サイドローブが現れたり、ビームが割れ
たりする。このことから、実用するダイポールアンテナ
の全長は特別の場合を除き、1.5 波長以下に選ばれる。

【００１９】図６は、ダイポールアンテナの全長２ｈ／
λと磁界面内相対指向性利得との関係を示している（ア
ンテナ工学第４０頁）。指向性利得の点からも実用する
ダイポールアンテナの全長は特別の場合を除き、1.5 波
長以下に選ばれると考えてよい。

【００２０】本実施例の場合、送信回路３で発生する広
パルスと狭パルスをいずれも自乗余弦パルスで近似し、
図３に示した広パルスの周波数スペクトル中の周波数ｆ
ｗ／２に相当する地中の波長λｗがダイポールアンテナ
の全長２ｈと等しくなるようにこの広パルスのパルス幅
Ｔｗが設定される。また、狭パルスの周波数スペクトル
中の周波数ｆｎ／２に相当する地中の波長λｎの半波長
がダイポールアンテナの全長２ｈと等しくなるようにこ
の狭パルスのパルス幅Ｔｎが設定される。

【００２１】送信アンテナ１から地中に送信された電波
の一部は地中に存在する埋設物などの反射体や、地質が
不連続に変化する何らかの境界面などによって反射さ
れ、送信アンテナ１と同一の構造の受信アンテナ２に受
信される。受信アンテナ２に受信された反射波は、給電
線１３を介して受信回路４に供給され、波形等化増幅を
受けたのちＳＴＣ（Sensitivity Time Control) 回路５
において、時間の経過と共に利得が増加するという伝播
損失を補償するための特殊な増幅を受け、サンプリング
回路６に転送される。

【００２２】サンプリング回路６は、ＳＴＣ回路５から
供給された反射パルスを同期制御部８から供給されるサ
ンプリングパルスに同期してサンプルホールドすること
によりその時間軸を拡大しながら処理部７に供給する。
処理部７は、時間軸が拡大された反射パルスを処理する
ことにより、反射パルスを発生させた地中の埋設物等の
反射体や土質が変化する土質界面の情報に変換し、表示
部１０に表示させる。典型的な表示方法によれば、反射
パルスの振幅を示す着色が付された部分がこの反射パル
スの出現時点、すなわち反射パルスを生じさせた埋設物
などの反射体の地中の深度に応じて割当てられている表
示領域に表示される。

【００２３】なお、この地中レーダを搭載する手押し車
などに装着されている車輪の回転数を検出する回転計な
どの移動距離発生機構９から発生される回転パルスなど
の移動距離情報が処理部７に転送される。処理部７はこ
の回転パルスなどの移動距離情報を受信するたびに表示
画面を単位長ずつスクロールしながら表示画面上に距離
マーカを表示してゆく。

【００２４】受信アンテナと送信アンテナとを独立に設
置したため、単一のアンテナを送受共用で使用する場合
のように送信モードから受信モードへの高速のモード切
替え動作が不要になり、比較的浅い箇所で発生した反射
波も高精度で受信できる。

【００２５】以上、トランジスタを直列に４個接続して
送信パルスを発生する構成を例示したが、５個など他の
適宜な構成を直列接続してもよい。また、送信パルスの
幅を２段階にわたって変更する構成を例示した。しかし
ながら、必要に応じて、３段階、４段階など適宜な複数
の段階にわたって変更する構成とすることもできる。

【００２６】また、ダイポールアンテナとして、一つの
頂点どうしを対向させて配置された２個の三角板から構
成され、頂点近傍の２箇所で励振されるものを使用する
場合を例示したが、他の適宜なダイポールアンテナを使
用する構成とすることもできる。

【００２７】さらに、狭パルス発生部３ａと広パルス発
生部３ｂとを個別に設置して一方を選択する構成を例示
した。これは、トランジスタＱ４と接地点との間に接続
するコンデンサＣが大電力用であると共に小容量のた
め、スイッチによるコンデンサの接続個数の変更によっ
てその容量を変更しようとした場合、そのようなスイッ
チの漂遊容量が特性に悪影響を及ぼすからである。直列
抵抗器Ｒ１，Ｒ２の抵抗値の変更などによりコンデンサ
の容量を大きくできる場合などには、スイッチを用いて
コンデンサの接続個数を変更することもできる。

【００２８】また、時間軸の伸長を伴うサンプリング方
式の地中レーダを例示した。しかしながら、状況に応じ
て非サンプリング方式の地中レーダに本発明を適用する
こともできる。

【００２９】以上詳細に説明したように、本発明の地中
レーダは、送信対象の電気パルスの幅を変更することに
より探知対象の地中への電波の到達距離を変更する構成
であるから、監視地点の地質や天候に左右されやすい地
表面の状況の変化にも係わらず探知可能な深度を容易に
確保できるという効果が奏される。

【００３０】また、本発明の実施例では、受信アンテナ
と送信アンテナとを独立に設置する構成により、単一の
アンテナを送受共用で使用する場合のように、この送受
信アンテナを送信回路から受信回路に切替えるのための
切替え回路が不要になる。特に、本発明のように異なる
幅の第１，第２の電気パルスを送受信する場合には、上
記切替え回路は広帯域性が必要となり、この広帯域性を
実現するために高価なものとなってしまう。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の地中レーダの構成を示す機
能ブロック図である。

【図２】図１の送信回路３内の広パルス発生部３ｂの構
成の一例を示す回路図である。

【図３】送信アンテナ１を励振する狭パルスと広パルス
のパルス波形と周波数スペクトルとを比較して示す概念
図である。

【図４】地中における電波の単位長当たりの伝播損失と
周波数との関係を例示する概念図である。

【図５】ダイポールアンテナの指向性と電波の波長に対
する全長の比率との関係を説明するための概念図であ
る。

【図６】ダイポールアンテナの利得と電波の波長に対す
る全長の比率との関係を説明するための概念図である。

【符号の説明】

１送信アンテナ２受信アンテナ３送信回路 3a 狭パルス発生部 3b 広パルス発生部４受信回路７処理部８同期制御部 10 表示部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者石井啓二朗山梨県北都留郡上野原町上野原4683─５ (72)発明者登内正治埼玉県浦和市山久保１─17─11 東急ドエルアルス埼玉大通109号室 (72)発明者山田茂治神奈川県大和市深見3928─５ホワイトプレジール106号室

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ダイポールアンテナと、このダイポールアンテナを電気パルスで励振することに
より地中に電波を送信させる送信回路と、この送信回路と前記ダイポールアンテナにより地中に送
信された電波の反射波を地中から受信する受信部と、前記電波の送信から前記反射波の受信までの所要時間に
基づき前記反射波の生じた原因に関する情報を作成する
処理部とを備えた地中レーダにおいて、前記送信回路は、前記ダイポールアンテナを励振する電
気パルスの幅を変更することにより地中への電波の到達
距離を変更する到達距離変更手段を備えたことを特徴と
する地中レーダ。
【請求項２】請求項１において、前記到達距離変更手段は、異なる幅の第１，第２の電気
パルスを発生する第１，第２のパルス発生回路と、これ
ら各パルス発生回路の出力の一方を選択して前記ダイポ
ールアンテナに供給するスイッチ回路とから構成される
ことを特徴とする地中レーダ。
【請求項３】請求項１又は２において、前記第１の電気パルスの周波数成分の中心値に対応する
地中の半波長は前記ダイポールアンテナの全長にほぼ等
しく、前記第２のパルスの周波数成分の中心値に対応す
る地中の１波長は前記ダイポールアンテナの全長にほぼ
等しいことを特徴とする地中レーダ。