特開 2023-62313 地中レーダ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023062313

(43)【公開日】2023-05-08

(54)【発明の名称】地中レーダ装置

(51)【国際特許分類】

   G01S 13/88 20060101AFI20230426BHJP

   G01V 3/12 20060101ALI20230426BHJP

【ＦＩ】

G01S13/88 200

G01V3/12 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021172207

(22)【出願日】2021-10-21

(71)【出願人】

【識別番号】000004651

【氏名又は名称】日本信号株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100129425

【弁理士】

【氏名又は名称】小川 護晃

(74)【代理人】

【氏名又は名称】西山 春之

(74)【代理人】

【識別番号】100099623

【弁理士】

【氏名又は名称】奥山 尚一

(72)【発明者】

【氏名】千賀 敦夫

(72)【発明者】

【氏名】小川 智久

【テーマコード（参考）】

2G105

5J070

【Ｆターム（参考）】

2G105AA02

2G105BB11

2G105CC01

2G105DD02

2G105EE01

2G105HH04

2G105LL02

5J070AB01

5J070AC01

5J070AC03

5J070AD02

5J070AE11

5J070AF02

5J070AH04

5J070AH31

5J070AK40

5J070BG09

(57)【要約】

【課題】深度精度・分解能特性への影響を抑制しつつ、Ａスコープ信号の取得時間を短縮し、Ｂスコープデータを生成できる地中レーダ装置を提供する。
【解決手段】地中レーダ装置は、探査用の電磁波を地中に送信する送信機２３と、電磁波に対応する参照信号を発生する参照信号発生部１８と、送信機と参照信号発生部を制御するタイミング制御部１１と、地中で反射した電磁波を受信する受信機２４と、この受信機から出力されるＡスコープ信号を処理する処理装置１０とを備える。そして、タイミング制御部により送信機と参照信号発生部の動作タイミングを制御して、Ａスコープ信号のサンプリング間隔及び基準タイミングを変化させ、処理装置で補間処理を行ってＢスコープデータを生成する、ことを特徴とする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

探査用の電磁波を地中に送信する送信機と、
前記電磁波に対応する参照信号を発生する参照信号発生部と、
前記送信機と前記参照信号発生部を制御するタイミング制御部と、
地中で反射した電磁波を受信する受信機と、
前記受信機から出力されるＡスコープ信号を処理する処理装置とを備え、
前記タイミング制御部により送信機と参照信号発生部の動作タイミングを制御して、Ａスコープ信号のサンプリング間隔及び基準タイミングを変化させ、前記処理装置で補間処理を行ってＢスコープデータを生成する、地中レーダ装置。

【請求項2】

前記処理装置は、前記受信機からのＡスコープ信号と前記参照信号発生部からの参照信号との相関を処理する相関処理部と、この相関処理部の出力信号をアナログ／デジタル変換するＡ／Ｄ処理部と、このＡ／Ｄ処理部から出力されるサンプリング信号を補間してＢスコープデータを生成する補間処理部と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の地中レーダ装置。

【請求項3】

前記タイミング制御部は、前記参照信号発生部を制御して、前記補間処理部にＡスコープ信号の深度軸に対して、所定のサンプリング間隔の２倍の間隔でサンプリング信号を入力し、移動軸方向に隣接するＡスコープ信号は、交互にサンプリング間隔分ずらしたタイミングでサンプリング信号を入力し、
前記補間処理部は、Ｂスコープデータの生成時に２次元補間処理を行って欠落点の値を推測する、ことを特徴とする請求項２に記載の地中レーダ装置。

【請求項4】

前記タイミング制御部は、前記参照信号発生部を制御して、前記補間処理部にＡスコープの深度軸に対して、深度が深くなるにつれてサンプリング間隔を大きくしたサンプリング信号を入力し、
前記補間処理部は、Ａスコープ信号を補間処理してＢスコープデータを生成する、ことを特徴とする請求項２に記載の地中レーダ装置。

【請求項5】

前記補間処理部は、Ｂスコープデータの生成時に、２次元補間処理を行って欠落点の値を推測する、ことを特徴とする請求項４に記載の地中レーダ装置。

【請求項6】

前記タイミング制御部は、前記参照信号発生部を制御して、前記補間処理部にＡスコープ信号の深度軸に対して、所定のサンプリング間隔の２倍の間隔で、且つ深度が深くなるにつれてサンプリング間隔を大きくしたサンプリング信号を入力し、移動軸方向に隣接するＡスコープ信号は、交互にサンプリング間隔分ずらしたタイミングでサンプリング信号を入力し、
前記補間処理部は、Ａスコープ信号を補間処理し、且つＢスコープデータの生成時に２次元補間処理を行って欠落点の値を推測する、ことを特徴とする請求項２に記載の地中レーダ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、地中に電磁波を照射して反射波を計測し、埋設物や内部構造物を探査する地中レーダ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、地中レーダ装置の受信回路方式として、サンプラー方式が多く用いられている（例えば特許文献１参照）。この方式では、短時間のパルス性もしくはバースト性のレーダ受信信号を時間伸長した相似波形として受信する。

【0003】

サンプラー方式は、サンプリング点数と参照信号の繰り返し時間間隔によって、１回のＡスコープ信号（地点計測情報）の取得が決まる。例えば、実時間で１００ｎｓのレーダ信号を１ｎｓ間隔で１００点サンプリングしようとすると、参照信号の繰り返し時間間隔が１μｓの場合、「１００ｎｓ／１ｎｓ×１μｓ＝１００μｓ」の時間を要する。また、Ａスコープ信号の取得を行うタイミングは、レーダの移動距離に応じたトリガによるものが一般的である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２０－０２４１６３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、通常、１回のＡスコープ信号の取得動作Ｔａは、レーダの移動トリガ発生間隔Ｔｄに対して十分に短く時間設計される（Ｔａ＜Ｔｄ）。
しかし、一般的に、参照信号の繰り返し時間は、レーダの出力電力や受信感度に影響するため、設定の自由度が比較的低い。その上、例えばレーダを車載して走行するなど、レーダの移動トリガ発生間隔が短くなるにつれて、「Ｔａ＞Ｔｄ」となる場合が生じ得る。

【0006】

深度軸（時間軸）のレンジを変えずにサンプリング点を削減するには、サンプリング間隔を広げることが考えられるが、深度精度・分解能が犠牲となる。このため、特性への影響を抑えて更にＡスコープ信号の取得時間を短縮する手法が求められている。

【0007】

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、深度精度・分解能特性への影響を抑制しつつ、Ａスコープ信号の取得時間を短縮し、Ｂスコープデータを生成できる地中レーダ装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の一態様に係る地中レーダ装置は、探査用の電磁波を地中に送信する送信機と、前記電磁波に対応する参照信号を発生する参照信号発生部と、前記送信機と前記参照信号発生部を制御するタイミング制御部と、地中で反射した電磁波を受信する受信機と、前記受信機から出力されるＡスコープ信号を処理する処理装置とを備え、前記タイミング制御部により送信機と参照信号発生部の動作タイミングを制御して、Ａスコープ信号のサンプリング間隔及び基準タイミングを変化させ、前記処理装置で補間処理を行ってＢスコープデータを生成する、ことを特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

本発明では、サンプリング点を間引いてＡスコープ信号の取得時間を短縮し、移動軸方向に隣接したデータを用いた補間処理により欠落したデータを推測することで、深度精度・分解能特性への影響を抑えて、Ｂスコープデータを生成できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の実施形態に係る地中レーダ装置の概略構成を示すブロック図である。

【図2】従来の地中レーダ装置におけるサンプリング点の深度と移動距離との関係を参考例として示す模式図である。

【図3】図１に示す地中レーダ装置におけるサンプリング点の深度と移動距離との関係を示すもので、サンプリングを交互にずらす場合の模式図である。

【図4】図１に示す地中レーダ装置におけるサンプリング点の深度と移動距離との関係を示すもので、深度に応じて間引き量を変更する場合の模式図である。

【図5】図１に示す地中レーダ装置におけるサンプリング点の深度と移動距離との関係を示すもので、深度ごとにサンプリング点をずらす場合の模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る地中レーダ装置の概略構成を示している。この地中レーダ装置は、車輪や駆動機構を持った台車などの移動体に搭載されて、移動しつつ地中探査を行うものである。

【0012】

すなわち、処理装置１０は、タイミング制御部１１、相関処理部１２、Ａ／Ｄ処理部１３及び補間処理部１４等を備えている。具体的には、例えば地中探査用のプログラムを搭載したパーソナルコンピュータで構成され、ユーザは計測結果を液晶モニタなどの表示部１５によって観察できるとともに、各種計測パラメータの設定、信号処理に関する条件設定、計測結果の表示のためのデータ処理方法の選択等を、操作パネルやキーボードなどの入力部１６の操作で指示可能になっている。

【0013】

タイミング制御部１１は、探査用の送信信号を発生するＴｘ信号発生部１７、及び参照信号を発生するＬｏ信号発生部１８の動作タイミングを制御する。
Ｔｘ信号発生部１７で発生された送信信号は、送信アンプ部１９に入力されて増幅され、送信アンテナ２０から地中に送信される。Ｔｘ信号発生部１７、送信アンプ部１９及び送信アンテナ２０は、探査用の電磁波の送信機２３として働く。

【0014】

地中からの反射波は、受信アンテナ２１で受信され、受信信号が受信アンプ部２２で増幅される。受信アンテナ２１と受信アンプ部２２は、地中で反射した電磁波を受信する受信機２４の一部として機能する。

【0015】

この受信アンプ部２２で増幅された受信信号と、Ｌｏ信号発生部１８で発生された参照信号はそれぞれ、相関処理部１２に入力されて相関が取られる。相関処理部１２の出力は、Ａ／Ｄ処理部１３に入力されてアナログ／デジタル変換され、サンプリング信号として補間処理部１４に入力される。補間処理部１４では、取得したサンプリング信号に基づいて２次元補間処理が行われ、この補間処理されたＡスコープ信号を表示部１５に表示させるようになっている。

【0016】

Ａスコープ信号は、特定測定点での探査によって得た検出信号の受信強度を、電波の送信から受信までに経過した遅延時間又は反射時間の関数として表した波形パターンである。また、Ｂスコープデータ（経路断面計測情報）は、検出信号の受信強度を、遅延時間と移動距離との関数で表したチャートである。具体的には、Ａスコープ信号は、検出信号の強度分布を、一方の軸を反射時間（又は深さ方向の距離）とし他方の軸を信号強度として表した強度波形である。また、Ｂスコープデータは、移動体の移動経路に沿った多数の測定点で収集した検出信号の強度分布を、一方の軸を反射時間（又は深さ方向の距離）とし、他方の軸を経路方向の距離とする２軸方向の位置の関数からなる２次元的強度分布として表示する２次元画像データである。

【0017】

図２は、参考例として、従来の地中レーダ装置におけるサンプリング点の深度と移動距離との関係を示している。ここで、○印はサンプリング点であり、一点鎖線３０で囲んだサンプリング群をＡスコープと呼ぶ。地中レーダ装置は移動しているので、サンプリングの最初と最後で位置情報のずれがあるが、この誤差は非常に小さいものなので無視するものとする。

【0018】

地中レーダ装置が所定間隔移動すると、タイミング制御部１１からトリガを発生し、このトリガに連動してＡスコープを測定する。地中レーダ装置が横方向の矢印で示すように移動すると、トリガから順次深度が深くなるサンプリング群（Ａスコープ）が得られる。
このようなサンプリング動作を繰り返すことで、多数の測定点で収集した検出信号の強度分布を、２軸方向の位置の関数で表して表示部１５に２次元画像データを表示し、作業者が画像データから地中の埋設物や内部構造物を探査する。この場合、深度をＮ、距離をＭとすると、「Ｎ×Ｍ×ｄｔ」の測定時間が必要となる。

【0019】

図３は、図１に示す地中レーダ装置におけるサンプリング点の深度と移動距離との関係を示している。ここで、○印はサンプリング点、●印は周囲のサンプリング点から補間処理を行って推測する点であり、一点鎖線３０で囲んだサンプリング群をＡスコープと呼ぶ。また、地中レーダ装置は移動しているので、サンプリングの最初と最後で位置情報のずれがあるが、この誤差は非常に小さいものなので無視するものとする。

【0020】

図３に示すように、Ａスコープの時間軸（深度軸方向）に対して、所望のサンプリング間隔（Ｔｓ）の２倍の間隔（２Ｔｓ）でサンプリングを行う。さらに、次のＡスコープ（移動軸方向で隣接）においては、サンプリングのタイミングを当初のサンプリング間隔分（Ｔｓ）だけずらしたタイミングで行う。これを順次行ってサンプリング点を交互にずらし、いわゆる市松模様状にデータを取得した後、Ｂスコープデータ（画像）生成時に補間処理部１４で２次元補間処理を行って欠落点の値を推測する。

【0021】

このように、サンプリング点を交互にずらすように間引いてサンプリングを行うことで、「（Ｎ／２）×Ｍ×ｄｔ」の測定時間となり、図２のようなサンプリングに比べ、実質的に半分の時間で処理が可能となる。
しかも、サンプリング数を削減してＡスコープ信号の取得時間を短縮しても、深度精度・分解能に必要な信号成分を、隣接したサンプリング点から２次元補間したデータを用いることで、図２に示したものと同様なサンプリング数のデータからＢスコープデータを生成することができ、深度精度・分解能特性への悪影響を抑えることができる。

【0022】

＜変形例１＞
図４は、図１に示す地中レーダ装置におけるサンプリング点の深度と移動距離との関係を示しており、深度に応じて間引き量を変更するものである。本変形例１では、Ａスコープの時間軸（深度軸）に対して、後半の時間になるにつれてサンプリング間隔を大きくする。すなわち、所望のサンプリング間隔（Ｔｓ）に対して、２倍の間隔（２Ｔｓ）、３倍の間隔（３Ｔｓ）というようにサンプリングを行う。そして、データを取得した後、Ｂスコープデータ（画像）生成時に補間処理部１４で補間処理を行って欠落点（●印の点）の値を推測する。この補間処理では、深度方向に対して隣接するサンプリング点から線形補間を実行することになる。

【0023】

このように、本変形例１では、地面深くには低周波数のみ浸透する地中レーダの特性を利用し、深度ごとにサンプリング間隔を変更する。具体的には、地中の浅い領域のサンプリングは間引かずに、地中の深い領域のサンプリングを多く間引く。地中レーダの信号は、時間軸後半（深い深度）においては、低周波数成分のみが含まれる（高い周波数は減衰してしまう）特性があるので、必要な周波数成分を維持して補間処理が可能である。

【0024】

＜変形例２＞
図５は、図１に示す地中レーダ装置におけるサンプリング点の深度と移動距離との関係を示しており、深度ごとにサンプリング点をずらすものである。本変形例２は、前述した２方式を複合したもので、サンプリング点を市松模様状で且つ深度が深くなるにつれてサンプリング間隔を大きくなるようにデータを取得している。そして、各サンプリング点のデータを取得した後、Ｂスコープデータ（画像）生成時に、補間処理部１４で２次元補間処理を行って欠落点（●印の点）の値を推測する。この補間処理は、Ａスコープのみで行ってもよいのは勿論である。

【0025】

このように、２方式を複合したサンプリングを行うことで、さらなる時間削減効果を見込むことができる。
しかも、サンプリング数を削減してＡスコープ信号の取得時間を短縮しても、深度精度・分解能に必要な信号成分を隣接したサンプリング点から補間し、且つ深い深度においては低周波数成分のみが含まれるので、深度精度・分解能特性への悪影響を抑えることができる。

【0026】

以上の実施形態と変形例１、２で説明された構成やサンプリング手順等については、本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものに過ぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

【符号の説明】

【0027】

１０…処理装置、１１…タイミング制御部、１２…相関処理部、１３…Ａ／Ｄ処理部、１４…補間処理部、１５…表示部、１６…入力部、１７…Ｔｘ信号発生部（送信信号発生部）、１８…Ｌｏ信号発生部（参照信号発生部）、１９…送信アンプ部、２０…送信アンテナ、２１…受信アンテナ、２２…受信アンプ部、２３…送信機、２４…受信機

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】