WO2020240662A1 - 地中レーダ装置及び計測方法 - Google Patents

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章志 望月
昌幸 津田
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日本電信電話株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a ground penetrating radar technique for exploring underground buried objects.
  • a ground penetrating radar device using radio waves is used in order to efficiently investigate the presence, scale, position, shape, etc. of such buried objects and cavities from the ground without excavation.
  • the first priority is to observe the inside of the ground in detail, and many wheelbarrow (cart) type ground penetrating radar devices with a small turning radius are adopted.
  • ground penetrating radar devices There are two types of ground penetrating radar devices: a large cart type that has multiple antennas and covers a wide area, and a small cart type that is compact and has a small turning radius with one set of high-performance antennas.
  • a scanning mechanism there are a traction type that scans while dragging so as to correspond to various road surface shapes and a wheel type that can scan a flat road surface comfortably and quickly.
  • a wheel type that can scan the device with a small force is used in consideration of workability due to the relationship between the device scale and weight.
  • a three-wheel type corresponding to straight motion and turning motion which is provided with two wheels arranged in parallel and one wheel having a degree of freedom, is often used.
  • the conventional wheel type ground penetrating radar device specializes in linear data measurement, and it is not possible to determine the amount of movement during turning. In addition, a space larger than the size of the device is required to turn the ground penetrating radar device. Therefore, the conventional ground penetrating radar device has a problem that movement measurement other than a straight line cannot be performed, and movement measurement on a fine and complicated route is difficult.
  • the placement accuracy of the reference position is directly linked to the position accuracy of the measurement data, but the alignment accuracy depends on the operator. Therefore, there is a problem that it is difficult to obtain a two-dimensional measurement data set having highly reproducible and highly accurate position information.
  • the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a ground penetrating radar device capable of obtaining a two-dimensional measurement data set having higher position accuracy.
  • the underground radar device is an underground radar device that is manually operated, and includes three omnidirectional wheels whose axles are displaced by 120 degrees from each other and an encoder attached to each of the axles of the three omnidirectional wheels.
  • a position measurement unit that obtains the position information and direction information of the underground radar device from the amount of rotation of the axle measured by the encoder, a radar measurement unit that searches for underground buried objects by radio waves, and burial of underground buried objects.
  • a database that stores an equipment map showing a position, a storage unit that stores a two-dimensional measurement data set in which the position information and the direction information are associated with the measurement data of the radar measurement unit, and the equipment map and the measurement data. It is characterized in that it includes a display unit that superimposes and displays.
  • the measurement method according to the present invention is a measurement method executed by an underground radar device having three omnidirectional wheels whose axles are displaced by 120 degrees from each other and manually operated, and the amount of rotation of the axles of the three omnidirectional wheels.
  • a two-dimensional step of obtaining the position information and the direction information of the underground radar device from It is characterized by having a step of storing the measurement data set and a step of superimposing and displaying the equipment map showing the burial position of the underground buried object and the measured data.
  • a ground penetrating radar device capable of obtaining a two-dimensional measurement data set having higher position accuracy.
  • FIG. 1 is a functional block diagram showing the configuration of the ground penetrating radar device of the present embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing a moving mechanism of the ground penetrating radar device.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining a measurement area of polarized wave H obtained by radar measurement.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining a measurement area of polarization V obtained by radar measurement.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining an inclination map obtained by the internal sensor.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining a road surface map in which road surface images taken by a camera are combined.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the equipment map stored in the database.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining a terrain map stored in the database.
  • FIG. 1 is a functional block diagram showing the configuration of the ground penetrating radar device of the present embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing a moving mechanism of the ground penetrating radar device.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining
  • FIG. 9 is a diagram showing an example in which the maps of FIGS. 3 to 8 are superimposed and displayed.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining a process of identifying the position of the ground penetrating radar device on the equipment map.
  • FIG. 11 is a diagram showing a state of radar measurement at a point where the depth to the buried pipe is known.
  • FIG. 12 is a diagram showing the difference in propagation time between the surface reflected wave and the buried tube reflected wave.
  • FIG. 13 is a diagram showing a movement locus for obtaining measurement data while moving the ground penetrating radar device in the vertical direction.
  • FIG. 14 is a diagram showing measurement data of polarized wave H obtained by the movement locus of FIG. FIG.
  • FIG. 15 is a diagram showing a movement locus for obtaining measurement data while moving the ground penetrating radar device in the left-right direction.
  • FIG. 16 is a diagram showing measurement data of polarization V obtained by the movement locus of FIG.
  • FIG. 17 is a diagram showing a state of turning motion.
  • FIG. 18 is a diagram showing measurement data obtained by the turning motion of FIG.
  • the ground penetrating radar device of this embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
  • the ground penetrating radar device 1 of the present embodiment includes a wheel 11, an encoder 12, an operation unit 13, a control unit 14, a measurement unit 15, a database 16, a storage unit 17, and a display unit 18.
  • the ground penetrating radar device 1 includes three wheels 11A to 11C having the same size as a moving mechanism.
  • the centers of the three wheels 11A to 11C are arranged so as to come to the vertices of an equilateral triangle.
  • the directions of the axles of the wheels 11A to 11C are 120 degrees apart from each other, and the circumferential directions of the wheels 11A to 11C are 60 degrees apart from each other.
  • Wheels 11A to 11C are provided with rollers that rotate in the direction perpendicular to the circumferential direction on the outer ring, and omnidirectional wheels (omni wheels) that can move in any two-dimensional direction are used.
  • omni wheels omni wheels
  • Encoders 12A to 12C that measure the amount of rotation of each axle are attached to the axles of the wheels 11A to 11C. From the amount of rotation measured by the encoders 12A to 12C, the moving direction, moving distance, moving speed vector, and turning vector of the ground penetrating radar device 1 are calculated, and the position information and direction information of the ground penetrating radar device 1 are obtained.
  • the operation unit 13 is a handle for manually moving the ground penetrating radar device 1.
  • the operation unit 13 may include an input device such as a button for sending an instruction to the control unit 14. For example, the operator presses the measurement start button to instruct the control unit 14 to start measurement, and then operates the handle to rotate the ground penetrating radar device 1 back and forth, left and right, or turn to scan the measurement area. ..
  • the control unit 14 is a central processing unit (CPU) and controls the entire processing of the ground penetrating radar device 1. For example, the control unit 14 performs a process of obtaining position information and direction information of the ground penetrating radar device 1 from the amount of rotation of the axle, a process of acquiring measurement data from the measurement unit 15 at predetermined intervals, and an equipment map and radar measurement data. Processing to obtain the absolute position of the ground penetrating radar device 1 by colliding, processing to obtain the dielectric constant in the ground from radar measurement data, processing to associate various measurement data with position information and direction information, and various measurement data, equipment map , And the process of displaying the terrain map on the display unit 18 as a layer.
  • CPU central processing unit
  • the measurement unit 15 includes a radar measurement unit composed of a transmission unit 21, a reception unit 22, and antennas 23 and 24, an internal sensor (IMU) 25, and a camera 26.
  • the measuring unit 15 measures various data at a predetermined timing based on the instruction from the control unit 14.
  • the radar measurement unit searches for underground buried objects using radio waves.
  • the transmitting unit 21 transmits radio waves from the antenna 23 toward the ground. Radio waves are reflected by the ground surface and the buried pipe 100.
  • the receiving unit 22 detects the reflected wave received by the antenna 24.
  • the radar measurement unit can specify the burial position of the burial pipe 100 based on the propagation time from the transmission of the radio wave to the detection of the reflected wave.
  • a plurality of antennas 23 and 24 may be mounted in a direction orthogonal to the traveling direction. For example, assuming that the Y-axis direction in FIG. 2 is the traveling direction, a plurality of sets of antennas 23 and 24 are arranged side by side in the X-axis direction. As a result, radar measurement data on a two-dimensional plane (XY plane) can be obtained by one scan.
  • XY plane two-dimensional plane
  • FIG. 3 is a measurement area of polarization H measured by radar while the ground penetrating radar device 1 is oriented in the same direction as that of FIG. 2 and the ground penetrating radar device 1 is moved in the Y-axis direction.
  • FIG. 4 shows a measurement area of polarization V measured by radar while moving the ground penetrating radar device 1 in the X-axis direction with the ground penetrating radar device 1 rotated 90 degrees counterclockwise from the direction of FIG. is there.
  • the intensity of the reflected wave differs depending on the relationship between the polarization direction of the electric field of the radio wave and the extension direction of the buried pipe 100. Specifically, the intensity of the reflected wave becomes the strongest when the polarization direction and the extension direction are parallel.
  • the IMU25 is, for example, an acceleration sensor or a gyro sensor.
  • the IMU 25 measures the inclination information of the traveling surface of the ground penetrating radar device 1.
  • FIG. 5 is an example in which the inclination information obtained by the IMU 25 is displayed as an inclination map.
  • the tilt map By generating the tilt map, it is possible to reproduce the three-dimensional space more faithfully.
  • the measurement area is a flat two-dimensional plane. In a place where the distance to the object changes, such as a slope in the measurement area, the three-dimensional stereoscopic image cannot be accurately reproduced with the measurement data.
  • the tilt map obtains position information on a stereoscopic plane, and adds value that contributes to high accuracy and high resolution of 3D stereoscopic image generation of radar signal processing.
  • the camera 26 captures road surface images of the measurement area at predetermined intervals.
  • FIG. 6 is an example in which the road surface images taken by the camera 26 are combined and displayed as a road surface map.
  • the self-position can be estimated with higher accuracy.
  • the time-series slope map and road surface map it is possible to monitor the secular change of the external situation, which is useful for factor analysis when anomalies are detected inside the ground.
  • Database 16 stores equipment maps and terrain maps.
  • the equipment map is a map showing the burial position of underground structures buried underground such as manholes and pipes.
  • FIG. 7 shows an example of an equipment map.
  • the terrain map is the map information of the measurement area.
  • the terrain map is a map showing position information such as sidewalks and manholes.
  • FIG. 8 shows an example of a terrain map. In the terrain map of FIG. 8, roadside zones and manholes are illustrated. By displaying the terrain map, the surrounding information can be obtained.
  • the storage unit 17 receives the position information, the direction information, and the measurement data from the control unit 14, associates the measurement data with the position information and the direction information, and saves the measurement data as a two-dimensional measurement data set.
  • the storage unit 17 may store the measurement data for each of the polarization components shown in FIGS. 3 and 4.
  • the display unit 18 displays various measurement data, equipment maps, and terrain maps in layers.
  • FIG. 9 shows an example of layer display.
  • the worker may be able to specify the layers to be displayed, or may be able to specify the order of the layers to be displayed. Further, in order to align the positions of the layers, the display position may be shifted for each layer.
  • the display unit 18 superimposes the equipment map and the terrain map on the measurement data and displays the measurement area in a format that is easy for the operator to understand. Therefore, it is possible to obtain the effect of preventing oversight of abnormality detection by improving the efficiency of measurement work and collating with the equipment information on the equipment map.
  • the position information of the ground penetrating radar device 1 obtained from the amount of rotation measured by the encoder 12 is relative.
  • a satellite positioning system such as a global positioning satellite system (GNSS)
  • GNSS global positioning satellite system
  • a point that can be specified by radar measurement and whose absolute position on the equipment map corresponding to the point is known is defined as a base point, and the position information of the measurement data is used as the base point on the equipment map. Align with the upper position.
  • the position of large structures such as manholes does not change over time.
  • the position of the piping protruding from the side wall of the manhole does not change either.
  • the side wall of the manhole can be easily detected. Therefore, the piping protruding from the side wall of the manhole can be easily detected.
  • the ground penetrating radar device 1 Utilizing the fact that the ground penetrating radar device 1 can move freely in any two-dimensional direction, the ground penetrating radar device 1 is locally moved near the manhole structure 110 to perform radar measurement. As shown in FIG. 10, the position of the buried pipe 100 protruding from the side wall of the manhole structure 110 is specified from the measurement data, and the position is determined as the base point P. Since the position coordinates on the equipment map of the buried pipe 100 that emerges from the side wall of the manhole structure 110 are known, the relative position information at the base point P of the ground penetrating radar device 1 is used as the position coordinates of the base point P on the equipment map. Correspond.
  • the relative position information of the ground penetrating radar device 1 obtained from the encoder 12 can be converted into the position coordinates on the equipment map, and various measurement data and the equipment map can be superimposed and displayed on the display unit 18. Further, in the storage unit 17, various measurement data can be managed by the position coordinates on the equipment map.
  • the measurement data can be managed by the absolute position information. After that, it becomes easy to compare the acquired measurement data in time series, and deterioration and abnormality can be detected at an early stage by observing changes over time.
  • the relative permittivity of the soil can be obtained from the radar measurement data directly above the buried object whose depth is known from the equipment information on the equipment map.
  • the ground penetrating radar device 1 radiates radio waves from the antenna 23 toward the ground. Part of the radio waves is reflected on the ground surface and observed as surface reflected waves. A part of the radio wave that is not reflected on the ground surface propagates in the ground, is reflected by the buried pipe 100, and is observed as a buried pipe reflected wave.
  • the underground propagation time T can be obtained from the difference in propagation time between the surface reflected wave and the buried pipe reflected wave.
  • the propagation velocity v of radio waves in soil is expressed by the following equation using the speed of light c and the relative permittivity ⁇ r of soil.
  • the reciprocating propagation distance of radio waves in the soil is twice the depth to the buried pipe 100, and is equal to the distance advanced by the underground propagation time T at the propagation speed v, so the following equation holds.
  • the relative permittivity ⁇ r of soil can be calculated by the following equation.
  • the relative permittivity is unknown and is often empirically determined. Therefore, it is difficult to improve the accuracy of position estimation in the depth direction. Since the ground penetrating radar device 1 of the present embodiment can determine the relative permittivity ⁇ r of soil by the above method, it is expected that the position accuracy in the depth direction will be improved. By obtaining the relative permittivity of soil at a plurality of locations in the measurement area, it is possible to cover a more accurate relative permittivity of soil even in a wide area.
  • the relative permittivity of soil is known, it also greatly contributes to the accuracy of image synthesis in radar signal processing based on radio wave propagation, which is contributed by the relative permittivity such as synthetic aperture and tomography, and makes the visualization in the ground higher resolution. , Can be highly accurate.
  • the ground penetrating radar device 1 can move back and forth and left and right without changing the direction of the ground penetrating radar device 1, and the position information and direction information of the ground penetrating radar device 1 are based on the amount of rotation of the axle measured by the encoders 12A to 12C. Can be calculated accurately.
  • the ground penetrating radar device 1 After moving the ground penetrating radar device 1 forward (upward in the figure) to perform radar measurement, the ground penetrating radar device 1 is moved to the right to measure the measurement position without changing the direction. To shift. After that, the ground penetrating radar device 1 is moved backward (downward on the figure) to perform radar measurement. Since the ground penetrating radar device 1 can move without changing its direction, it is possible to scan the measurement area with a single stroke and perform continuous radar measurement. From the movement locus of FIG. 13, as shown in FIG. 14, measurement data of polarization H can be obtained.
  • the ground penetrating radar device 1 can turn on the spot, the ground penetrating radar device 1 can be turned to change the plane of polarization to be measured.
  • the direction of the ground penetrating radar device 1 is turned to the left.
  • the ground penetrating radar device 1 is moved to the left to perform radar measurement, and then the ground penetrating radar device 1 is moved upward to shift the measurement position without changing the direction.
  • the ground penetrating radar device 1 is moved to the right to perform radar measurement. From the movement locus of FIG. 15, as shown in FIG. 16, measurement data of polarization V can be obtained.
  • FIGS. 13 and 15 can be continuously scanned with a single stroke.
  • the conventional device only a linear measurement line is used, so when measuring on a plurality of measurement lines, it is necessary to manually and visually align each measurement line. Since the ground penetrating radar device 1 of the present embodiment can scan with a single stroke, it is possible to reduce the load on the operator during measurement.
  • the amount of information increases by obtaining measurement data of various polarizations through a series of scans, and more accurate underground observation can be expected.
  • a transmission / reception antenna array in which a plurality of transmission / reception antennas are arranged is mounted on the ground penetrating radar device 1, and the ground penetrating radar device 1 is swiveled on the spot as shown in FIG. Measurement data of polarization in various directions can be obtained.
  • the ground penetrating radar device 1 of the present embodiment is a device that is manually operated, and encoders 12A to 12C are attached to each of the axles of the three wheels 11A to 11 whose axles are displaced by 120 degrees from each other.
  • the control unit 14 calculates the moving direction, moving distance, moving speed vector, and turning vector of the ground penetrating radar device 1 from the amount of rotation measured by the encoders 12A to 12C.
  • the measuring unit 15 searches for underground buried objects by radio waves.
  • the storage unit 17 stores a two-dimensional measurement data set in which the position information and direction information of the ground penetrating radar device 1 calculated by the control unit 14 are associated with the measurement data by the radar measurement unit, and the display unit 18 is stored in the database 16.
  • the equipment map showing the burial position of the underground structure and the measurement data are superimposed and displayed.
  • the handling performance of the ground penetrating radar device 1 can be improved, and a two-dimensional measurement data set having high position accuracy can be provided, and the burden on the operator during measurement can be reduced by visualizing the measurement range.

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Abstract

本実施形態の地中レーダ装置１は、人力で動かす装置であって、車軸が互いに１２０度ずれた３つの車輪１１Ａ～１１の車軸のそれぞれにエンコーダ１２Ａ～１２Ｃを取り付ける。制御部１４が、エンコーダ１２Ａ～１２Ｃの計測した回転量から、地中レーダ装置１の移動方向、移動距離、移動速度ベクトル、および旋回ベクトルを算出する。計測部１５が電波により地中埋設物を探査する。保存部１７が制御部１４の算出した地中レーダ装置１の位置情報と移動方向にレーダ計測部による計測データを関連付けた２次元の計測データセットを保存し、表示部１８がデータベース１６に格納された地中構造物の埋設位置を示す設備マップと計測データとを重畳させて表示する。

Description

地中レーダ装置及び計測方法
　本発明は、地中埋設物を探査する地中レーダの技術に関する。
　歩道および車道などの道路の下には多くの埋設物が存在する。また、陥没等の要因となる空洞なども存在する。このような埋設物および空洞の有無、規模、位置、形状等を地上から非開削で効率的に調査するため、電波を用いた地中レーダ装置が利用されている。
　特に歩道向けの地中レーダ装置には、地中内部を詳細に観測することを第一優先の目的とし、小回りが利く手押し車（カート）型の地中レーダ装置が多く採用されている。カート型の地中レーダ装置は、アンテナを複数搭載し、幅広いエリアをカバーする大型カートタイプと、高性能なアンテナを１組搭載し、コンパクトで小回りがきく小型カートタイプが存在する。また、走査機構については、様々な路面形状に対応できるように引きずりながら走査する牽引タイプと平坦な路面を快適かつすばやく走査できる車輪タイプがある。
　従来の地中レーダ装置では、その装置規模と重量との関係から、作業性を考えて少ない力で装置を走査できる車輪タイプが利用される。中でも、並行に配置された２つの車輪と自由度を持たせた１つの車輪を備えた、直進運動と旋回運動に対応した３輪タイプが利用されることが多い。
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　従来の車輪タイプの地中レーダ装置は、直線的なデータ計測に特化しており、旋回時の移動量を求めることができない。また、地中レーダ装置を旋回させるためには装置サイズ以上の空間が必要である。そのため、従来の地中レーダ装置では、直線以外の移動計測ができず、細かく複雑な経路での移動計測が困難であるという問題があった。
　一度の走査で計測エリアの全てを計測できない場合、計測エリアに複数の計測ラインを設定し、計測ラインごとに地中レーダ装置を基準位置に配置して、計測を開始する必要がある。
　同じ地点で計測しても、電波の電界の偏波方向が異なると反射波の強度が異なる。異なる偏波方向での計測は、埋設物の形状推定および位置同定の精度の向上に大きく寄与する。異なる偏波方向で計測するためには、地中レーダ装置の向き（進行方向）を変えて基準位置に配置して、計測を開始する必要がある。
　基準位置の配置精度が計測データの位置精度に直結するが、位置合わせの精度は作業者に依存する。そのため、再現性の高い、高精度な位置情報を持つ２次元の計測データセットを得ることは難しいという問題があった。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、より高い位置確度を持つ２次元の計測データセットが得られる地中レーダ装置を提供することを目的とする。
　本発明に係る地中レーダ装置は、人力で動かす地中レーダ装置であって、車軸が互いに１２０度ずれた３つの全方位車輪と、前記３つの全方位車輪の車軸のそれぞれに取り付けたエンコーダと、前記エンコーダの計測した前記車軸の回転量から当該地中レーダ装置の位置情報および方向情報を求める位置計測部と、電波により地中埋設物を探査するレーダ計測部と、地中埋設物の埋設位置を示す設備マップを格納するデータベースと、前記位置情報と前記方向情報に前記レーダ計測部の計測データを関連付けた２次元の計測データセットを保存する保存部と、前記設備マップと前記計測データとを重畳させて表示する表示部と、を備えることを特徴とする。
　本発明に係る計測方法は、車軸が互いに１２０度ずれた３つの全方位車輪を備え、人力で動かす地中レーダ装置が実行する計測方法であって、前記３つの全方位車輪の車軸の回転量から前記地中レーダ装置の位置情報および方向情報を求めるステップと、電波により地中埋設物を探査するステップと、前記位置情報と前記方向情報に前記レーダ計測部の計測データを関連付けた２次元の計測データセットを保存するステップと、地中埋設物の埋設位置を示す設備マップと前記計測データとを重畳させて表示するステップと、を有することを特徴とする。
　本発明によれば、より高い位置確度を持つ２次元の計測データセットが得られる地中レーダ装置を提供することができる。
図１は、本実施形態の地中レーダ装置の構成を示す機能ブロック図である。 図２は、地中レーダ装置の移動機構を示す図である。 図３は、レーダ計測で得られる偏波Ｈの計測エリアを説明するための図である。 図４は、レーダ計測で得られる偏波Ｖの計測エリアを説明するための図である。 図５は、内界センサで得られる傾斜マップを説明するための図である。 図６は、カメラで撮影した路面画像を結合した路面マップを説明するための図である。 図７は、データベースに格納された設備マップを説明するための図である。 図８は、データベースに格納された地形マップを説明するための図である。 図９は、図３～８のマップを重畳させて表示する例を示す図である。 図１０は、設備マップ上での地中レーダ装置の位置を特定する処理を説明するための図である。 図１１は、埋設管までの深さが既知の地点でレーダ計測する様子を示す図である。 図１２は、表面反射波と埋設管反射波との伝搬時間の差を示す図である。 図１３は、地中レーダ装置を上下方向に移動しながら計測データを得る移動軌跡を示す図である。 図１４は、図１３の移動軌跡により得られた偏波Ｈの計測データを示す図である。 図１５は、地中レーダ装置を左右方向に移動しながら計測データを得る移動軌跡を示す図である。 図１６は、図１５の移動軌跡により得られた偏波Ｖの計測データを示す図である。 図１７は、旋回運動する様子を示す図である。 図１８は、図１７の旋回運動により得られた計測データを示す図である。
　以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
　図１および図２を参照し、本実施形態の地中レーダ装置について説明する。本実施形態の地中レーダ装置１は、車輪１１、エンコーダ１２、操作部１３、制御部１４、計測部１５、データベース１６、保存部１７、および表示部１８を備える。
　地中レーダ装置１は、図２に示すように、移動機構として大きさが同じ３つの車輪１１Ａ～１１Ｃを備える。３つの車輪１１Ａ～１１Ｃの中心が正三角形の頂点に来るように配置される。各車輪１１Ａ～１１Ｃの車軸の方向は互いに１２０度ずれ、車輪１１Ａ～１１Ｃの周方向は互いに６０度ずれた方向となる。
　車輪１１Ａ～１１Ｃには、外輪に周方向と直行する方向に回転するローラーを備え、任意の２次元方向へ移動できる全方位車輪（オムニホイール）を用いる。車輪１１Ａ～１１Ｃにオムニホイールを用いることで、地中レーダ装置１本体の向きを変えることなく、２次元平面内を自由に動き回ることが可能となる。また、地中レーダ装置１をその場で旋回させることもできる。
　車輪１１Ａ～１１Ｃの車軸には、各車軸の回転量を計測するエンコーダ１２Ａ～１２Ｃを取り付ける。エンコーダ１２Ａ～１２Ｃの計測した回転量から、地中レーダ装置１の移動方向、移動距離、移動速度ベクトル、および旋回ベクトルが算出され、地中レーダ装置１の位置情報および方向情報が得られる。
　操作部１３は地中レーダ装置１を人力で移動させるためのハンドルである。操作部１３は、制御部１４に指示を送るためのボタンなどの入力装置を備えてもよい。例えば、作業者は、計測開始ボタンを押下して制御部１４に計測開始を指示した後、ハンドルを操作して地中レーダ装置１を前後、左右、または旋回させて、計測エリア内を走査する。
　制御部１４は、中央処理装置（ＣＰＵ）であって、地中レーダ装置１の全体の処理を制御する。例えば、制御部１４は、車軸の回転量から地中レーダ装置１の位置情報および方向情報を求める処理、所定間隔ごとに計測部１５から計測データを取得する処理、設備マップとレーダ計測データとを突合して地中レーダ装置１の絶対位置を求める処理、レーダ計測データから地中の誘電率を求める処理、位置情報、方向情報に各種計測データを関連付けて保存する処理、および各種計測データ、設備マップ、および地形マップを表示部１８にレイヤ表示させる処理を行う。
　計測部１５は、送信部２１と受信部２２とアンテナ２３，２４で構成されるレーダ計測部、内界センサ（ＩＭＵ）２５、およびカメラ２６を備える。計測部１５は、制御部１４からの指示に基づいて、所定のタイミングで各種データを計測する。
　レーダ計測部は、電波により地中埋設物を探査する。送信部２１がアンテナ２３から地中に向けて電波を送出する。電波は、地表面および埋設管１００で反射される。受信部２２は、アンテナ２４で受信した反射波を検知する。レーダ計測部は、電波を送出してから反射波を検知するまでの伝搬時間に基づいて埋設管１００の埋設位置を特定することができる。
　アンテナ２３，２４を進行方向に対して直交方向に複数搭載してもよい。例えば、図２のＹ軸方向を進行方向とすると、複数組のアンテナ２３，２４をＸ軸方向に並べて配置する。これにより、一度の走査で２次元平面（ＸＹ平面）におけるレーダ計測データが得られる。
　地中レーダ装置１の向きを変えて計測エリアを走査し、方向情報から電波の偏波を求めることで、偏波成分に分解したレーダ計測データを取得できる。図３は、地中レーダ装置１を図２と同じ向きにして、地中レーダ装置１をＹ軸方向に動かしながらレーダ計測した偏波Ｈの計測エリアである。図４は、地中レーダ装置１を図２の向きから反時計回りに９０度回転させた向きにして、地中レーダ装置１をＸ軸方向に動かしながらレーダ計測した偏波Ｖの計測エリアである。同じ地点においても、電波の電界の偏波方向と埋設管１００の延伸方向との関係に応じて反射波の強度が異なる。具体的には、偏波方向と延伸方向が平行なときが反射波の強度が一番強くなる。偏波成分に分解したレーダ計測データを取得することで、より高精度に地中内を可視化できる。
　ＩＭＵ２５は、例えば加速度センサまたはジャイロセンサである。ＩＭＵ２５は、地中レーダ装置１の走行面の傾斜情報を計測する。図５は、ＩＭＵ２５で得られた傾斜情報を傾斜マップとして表示した例である。傾斜マップを生成することで、３次元空間をより忠実に再現することが可能となる。一般にレーダ信号処理で３次元立体像を生成する場合、計測エリアを平坦な２次元平面であると仮定している。計測エリアが斜面などのように物体との距離が変化するような場所では、計測データでは３次元立体像が正確に再現できない。傾斜マップにより、立体平面上の位置情報が得られ、レーダ信号処理の３次元立体像生成の高精度化・高解像度化に寄与するという付加価値が得られる。
　カメラ２６は、所定の間隔で、計測エリアの路面画像を撮影する。図６は、カメラ２６の撮影した路面画像を結合して路面マップとして表示した例である。
　エンコーダ１２から得られる位置情報に加えて、傾斜マップおよび路面マップを併用することで、より高精度に自己位置を推定できる。また、時系列の傾斜マップおよび路面マップを保存しておくことで、外的状況の経年変化をモニタリングすることができ、地中内部の異常検出時の要因分析にも役立つ。
　データベース１６は、設備マップおよび地形マップを格納する。
　設備マップは、マンホールおよび配管などの地中に埋設された地中構造物の埋設位置を示す地図である。図７に設備マップの例を示す。設備位置を事前に知ることで、レーダ画像から対象物を容易に推定できる。その結果、埋設物探査の精度向上、作業効率の向上が見込まれる。
　地形マップは、計測エリアの地図情報である。地形マップは、例えば、歩道およびマンホールなどの位置の情報を示す地図である。図８に地形マップの例を示す。図８の地形マップでは、路側帯およびマンホールが図示されている。地形マップを表示することで、周辺情報を取得することができる。
　設備マップおよび地形マップを表示して計測範囲を可視化することで、計測時の作業者の負担を軽減できる。
　保存部１７は、制御部１４から位置情報、方向情報、および計測データを受け取り、位置情報と方向情報に計測データを関連付けて２次元の計測データセットとして保存する。レーダ計測部の計測データに関して、保存部１７は、図３，４で示した偏波成分ごとに計測データを保存してもよい。
　表示部１８は、各種計測データ、設備マップ、および地形マップをレイヤ表示する。図９に、レイヤ表示の例を示す。例えば、図３～６の各種計測データと図７の設備マップと図８の地形マップを重畳させて表示する。作業者は表示するレイヤを指定できてもよいし、表示するレイヤの順番を指定できてもよい。また、レイヤの位置を合わせるために、レイヤごとに表示位置をずらすことができてもよい。
　表示部１８が、計測データに設備マップおよび地形マップを重畳させて表示することで、作業者が容易に理解しやすい形式で計測エリアを可視化できる。そのため、計測作業の効率化、および設備マップの設備情報との突合せにより異常検出の見逃しを防ぐ効果も得られる。
　図１０を参照し、計測データを設備マップに合わせる処理について説明する。
　エンコーダ１２で計測された回転量から求めた地中レーダ装置１の位置情報は相対的なものである。より正確に、計測データを設備マップおよび地形マップに重畳して表示するためには、地中レーダ装置１の設備マップ上での位置を正確に特定する必要がある。地中レーダ装置１の位置を特定するために、全球測位衛星システム（ＧＮＳＳ）のような衛星測位システムを利用することが考えられるが、エンコーダによる位置検出精度と比べると精度が十分でなく、都市部では位置精度が落ちるという問題がある。
　そこで、本実施形態では、レーダ計測で特定できる地点であって、当該地点に対応する設備マップ上の絶対位置が既知の地点を基点と定めて、基点に基づいて計測データの位置情報を設備マップ上の位置に合わせる。
　マンホールなどの大型構造物は経年的に位置が変化することはない。マンホール側壁から出ている配管の位置も変化することはない。レーダ計測では、マンホールの側壁は容易に検知できる。それゆえ、マンホール側壁から出ている配管も容易に検知できる。
　地中レーダ装置１が任意の２次元方向に自由に移動できることを利用し、地中レーダ装置１をマンホール構造物１１０付近で局所的に動かして、レーダ計測を行う。図１０に示すように、計測データからマンホール構造物１１０の側壁から出る埋設管１００の位置を特定し、基点Ｐとして決定する。マンホール構造物１１０の側壁から出る埋設管１００の設備マップ上の位置座標は既知であるので、地中レーダ装置１の基点Ｐでの相対的な位置情報を設備マップ上の基点Ｐの位置座標に対応させる。これにより、エンコーダ１２から求められる地中レーダ装置１の相対的な位置情報を設備マップ上の位置座標に変換でき、表示部１８において、各種計測データと設備マップとを重畳して表示できる。また、保存部１７において、各種計測データを設備マップ上の位置座標で管理できる。
　このように、エンコーダで得られた地中レーダ装置１の基点Ｐの位置情報を設備マップ上の位置座標で表すことで、計測データを絶対位置情報で管理できる。以後、取得した計測データを時系列で比較することが容易となり、経時変化の観測で劣化および異常を早期に発見できる。
　図１１および図１２を参照し、土壌の比誘電率を求める処理について説明する。
　設備マップの設備情報により深さが既知の埋設物の直上でのレーダ計測データから、その土壌の比誘電率を求めることができる。
　図１１に示すように、地表面から埋設管１００までの深さｄが既知の地点で、地中レーダ装置１は、アンテナ２３から地中に向けて電波を放射する。電波の一部は、地表面で反射され、表面反射波として観測される。地表面で反射されなかった電波の一部は地中を伝搬し、埋設管１００で反射され、埋設管反射波として観測される。
　図１２に示すように、表面反射波と埋設管反射波との伝搬時間の差から地中伝搬時間Ｔが求まる。
　土壌中における電波の伝搬速度ｖは、光速ｃと土壌の比誘電率εｒを用いて次式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　土壌中における電波の往復伝搬距離は、埋設管１００までの深さの２倍であり、伝搬速度ｖで地中伝搬時間Ｔ分進んだ距離と等しいことから、次式が成り立つ。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　よって、土壌の比誘電率εｒは、次式で求まる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　一般には、比誘電率は未知であり、経験的に求められることが多い。そのため、深さ方向に関する位置推定の高精度化が難しかった。本実施形態の地中レーダ装置１は、上記の方法で土壌の比誘電率εｒを求めることができるので、深さ方向の位置精度の向上が見込める。計測エリアの複数箇所において土壌の比誘電率を求めることで、広いエリアについてもより正確な土壌の比誘電率をカバーできる。
　土壌の比誘電率が既知となると、合成開口およびトモグラフィといった比誘電率が寄与する電波伝搬に基づくレーダ信号処理での像合成の精度にも大きく寄与し、地中内の可視化をより高解像度、高精度とすることができる。
　図１３ないし図１８を参照し、平行移動と旋回運動による一筆書き走査について説明する。
　地中レーダ装置１は、地中レーダ装置１本体の向きを変えずに前後左右に移動でき、エンコーダ１２Ａ～１２Ｃの計測した車軸の回転量に基づいて地中レーダ装置１の位置情報および方向情報を正確に求めることができる。
　図１３に示すように、地中レーダ装置１を前方（図上で上方向）に移動させてレーダ計測した後、向きを変えることなく、地中レーダ装置１を右方向に移動させて計測位置をずらす。その後、地中レーダ装置１を後方（図上で下方向）に移動させてレーダ計測する。地中レーダ装置１は、向きを変えずに移動できるので、計測エリアを一筆書きで走査し、連続的なレーダ計測が可能となる。図１３の移動軌跡により、図１４に示すように、偏波Ｈの計測データが得られる。
　地中レーダ装置１はその場で旋回できるので、地中レーダ装置１を旋回させて、計測する偏波面を変更することもできる。図１３の移動軌跡の終点において、地中レーダ装置１の向きを左方向へ旋回させる。その後、図１５に示すように、地中レーダ装置１を左方向に移動させてレーダ計測した後、向きを変えることなく、地中レーダ装置１を上方向に移動させて計測位置をずらす。その後、地中レーダ装置１を右方向に移動させてレーダ計測する。図１５の移動軌跡により、図１６に示すように、偏波Ｖの計測データが得られる。
　図１３および図１５の移動は、続けて一筆書きで走査できる。従来の装置では、直線的な計測ラインのみであったため、複数の計測ラインにおいて計測するときは、計測ラインごとに手作業と目分量で位置を合わせる必要があった。本実施形態の地中レーダ装置１は、一筆書きで走査できるので、計測時の作業者の負荷を軽減できる。
　また一連の走査で、様々な偏波の計測データを得ることで情報量が増し、より高精度な地中観測が期待できる。
　次に、旋回運動による重点的な計測について説明する。
　図１６に示すように、地中レーダ装置１に、複数の送受信アンテナを並べた送受信アンテナアレイを搭載し、地中レーダ装置１をその場で旋回運動させることで、図１７に示すような、様々な方向の偏波の計測データを得ることができる。
　計測エリア内に電柱などの障害物が存在する場合、障害物の際で地中レーダ装置１を旋回運動させながらレーダ計測することで、特定地点のより詳しい計測データを得ることができる。
　以上説明したように、本実施形態の地中レーダ装置１は、人力で動かす装置であって、車軸が互いに１２０度ずれた３つの車輪１１Ａ～１１の車軸のそれぞれにエンコーダ１２Ａ～１２Ｃを取り付ける。制御部１４が、エンコーダ１２Ａ～１２Ｃの計測した回転量から、地中レーダ装置１の移動方向、移動距離、移動速度ベクトル、および旋回ベクトルを算出する。計測部１５が電波により地中埋設物を探査する。保存部１７が制御部１４の算出した地中レーダ装置１の位置情報と方向情報にレーダ計測部による計測データを関連付けた２次元の計測データセットを保存し、表示部１８がデータベース１６に格納された地中構造物の埋設位置を示す設備マップと計測データとを重畳させて表示する。これにより、地中レーダ装置１のハンドリング性能を高くするとともに、高い位置確度を持つ２次元の計測データセットを提供でき、計測範囲の見える化による計測時の作業者の負担を軽減できる。
　１…地中レーダ装置
　１１，１１Ａ～１１Ｃ…車輪
　１２，１２Ａ～１２Ｃ…エンコーダ
　１３…操作部
　１４…制御部
　１５…計測部
　１６…データベース
　１７…保存部
　１８…表示部
　２１…送信部
　２２…受信部
　２３，２４…アンテナ
　２５…ＩＭＵ
　２６…カメラ
　１００…埋設管
　１１０…マンホール構造物

Claims (8)

  1. 　人力で動かす地中レーダ装置であって、
    　車軸が互いに１２０度ずれた３つの全方位車輪と、
    　前記３つの全方位車輪の車軸のそれぞれに取り付けたエンコーダと、
    　前記エンコーダの計測した前記車軸の回転量から当該地中レーダ装置の位置情報および方向情報を求める位置計測部と、
    　電波により地中埋設物を探査するレーダ計測部と、
    　地中埋設物の埋設位置を示す設備マップを格納するデータベースと、
    　前記位置情報と前記方向情報に前記レーダ計測部の計測データを関連付けた２次元の計測データセットを保存する保存部と、
    　前記設備マップと前記計測データとを重畳させて表示する表示部と、を備える
    　ことを特徴とする地中レーダ装置。
  2. 　前記保存部は、前記方向情報に基づく前記電波の偏波成分ごとに前記計測データを保存し、
    　前記表示部は、前記偏波成分ごとに前記計測データを表示する
    　ことを特徴とする請求項１に記載の地中レーダ装置。
  3. 　前記計測データから特定できる地点の位置情報を前記設備マップの対応する地点の位置座標に合わせる位置特定部を備える
    　ことを特徴とする請求項１または２に記載の地中レーダ装置。
  4. 　前記設備マップにおいて地中埋設物までの位置が既知の地点における前記電波の地中伝搬時間と地表面から前記地中埋設物までの距離とに基づいて当該地点の土壌の比誘電率を求める比誘電率算出部を備える
    　ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の地中レーダ装置。
  5. 　路面の傾斜を計測する内界センサと、
    　路面を撮影するカメラと、を備え、
    　前記表示部は、前記内界センサの計測した路面の傾斜マップおよび前記カメラの撮影した路面マップを重畳させて表示する
    　ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の地中レーダ装置。
  6. 　車軸が互いに１２０度ずれた３つの全方位車輪を備え、人力で動かす地中レーダ装置が実行する計測方法であって、
    　前記３つの全方位車輪の車軸の回転量から前記地中レーダ装置の位置情報および方向情報を求めるステップと、
    　電波により地中埋設物を探査するステップと、
    　前記位置情報と前記方向情報に電波で計測した計測データを関連付けた２次元の計測データセットを保存するステップと、
    　地中埋設物の埋設位置を示す設備マップと前記計測データとを重畳させて表示するステップと、を有する
    　ことを特徴とする計測方法。
  7. 　前記計測データから特定できる地点の位置情報を前記設備マップの対応する地点の位置座標に合わせるステップを有する
    　ことを特徴とする請求項６に記載の計測方法。
  8. 　前記設備マップにおいて地中埋設物までの位置が既知の地点における前記電波の地中伝搬時間と地表面から前記地中埋設物までの距離とに基づいて当該地点の土壌の比誘電率を求めるステップを有する
    　ことを特徴とする請求項６または７に記載の計測方法。
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