特許 7081907 地中レーダー装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-05-30

(45)【発行日】2022-06-07

(54)【発明の名称】地中レーダー装置

(51)【国際特許分類】

   G01S 13/88 20060101AFI20220531BHJP

   G01V 3/12 20060101ALI20220531BHJP

【ＦＩ】

G01S13/88 200

G01V3/12 B

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2017111398

(22)【出願日】2017-06-06

(65)【公開番号】P2018205155

(43)【公開日】2018-12-27

【審査請求日】2020-05-08

(73)【特許権者】

【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】100109221

【弁理士】

【氏名又は名称】福田 充広

(74)【代理人】

【識別番号】100181146

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 啓

(72)【発明者】

【氏名】中村 泰之

【審査官】佐藤 宙子

(56)【参考文献】

【文献】特開平１１－０８４０２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０３－２９１５９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２６３８８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－２９２０６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０１－２７４０９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－２６８０５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平４－２１３０８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１１／０１１５６６７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｓ ７／００－ ７／４２

Ｇ０１Ｓ １３／００－１３／９５

Ｇ０１Ｖ ３／００－ ３／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

探査用の電波を送信する送信アンテナと、
応答波を受信する受信アンテナと、
前記送信アンテナ及び前記受信アンテナの相対的な位置を変更して電波の伝搬時間を２つ以上測定する伝搬時間測定部と、
前記伝搬時間測定部で測定された伝搬時間の差の有無または差の度合に基づいて、地中の対象物が均一な広がりを有しないか、または、土壌比誘電率が一定でないかのうち少なくとも一方を含む状態であることについて推定する地中状態推定部と
を備える地中レーダー装置。

【請求項2】

前記地中状態推定部は、前記伝搬時間測定部で測定された伝搬時間の差の有無または差の度合に基づいて、地中の対象物が均一な広がりを有し、かつ、土壌比誘電率が一定であるか否かを推定する、請求項１に記載の地中レーダー装置。

【請求項3】

前記地中状態推定部は、前記送信アンテナの配置位置から等しい距離にある２つの異なる位置に前記受信アンテナを配置した場合において、前記伝搬時間測定部で測定された伝搬時間の差が、予め定めた規定範囲を超えたときに、地中の対象物が均一な広がりを有しないか、または、土壌比誘電率が一定でないかのうち少なくとも一方を含む状態である、と推定する、請求項１及び２のいずれか一項に記載の地中レーダー装置。

【請求項4】

前記地中状態推定部は、前記送信アンテナの配置位置から異なる距離にある２つの位置に前記受信アンテナを配置した場合において、前記伝搬時間測定部で測定された伝搬時間の差の度合が、予め定めた規定範囲を超えたときに、地中の対象物が均一な広がりを有しないか、または、土壌比誘電率が一定でないかのうち少なくとも一方を含む状態である、と推定する、請求項１～３のいずれか一項に記載の地中レーダー装置。

【請求項5】

前記地中状態推定部は、前記送信アンテナの配置位置から等しい距離にある２つの異なる位置に前記受信アンテナを配置した場合において、前記伝搬時間測定部で測定された伝搬時間の差が、予め定めた規定範囲内であり、かつ、前記送信アンテナの配置位置から異なる距離にある２つの位置に前記受信アンテナを配置した場合において、前記伝搬時間測定部で測定された伝搬時間の差の度合が、予め定めた規定範囲内であるときに、地中の対象物が均一な広がりを有し、かつ、土壌比誘電率が一定である、と推定する、請求項１～４のいずれか一項に記載の地中レーダー装置。

【請求項6】

前記地中状態推定部において、地中の対象物が均一な広がりを有し、かつ、土壌比誘電率が一定である、と推定された場合に、測定された２つ以上の伝搬時間に基づいて、推定される土壌比誘電率の値を演算する土壌比誘電率演算部をさらに備える、請求項５に記載の地中レーダー装置。

【請求項7】

前記送信アンテナと前記受信アンテナとの相対的配置関係を維持しつつ搬送する搬送部をさらに備え、
前記地中状態推定部において、地中の対象物が均一な広がりを有しないか、または、土壌比誘電率が一定でないかのうち少なくとも一方を含む状態である、と推定された場合に、前記搬送部により前記送信アンテナと前記受信アンテナとを移動させて測定箇所を変更し、
前記地中状態推定部は、変更後の測定箇所における伝搬時間の測定結果と、変更前の測定箇所における伝搬時間の測定結果とにおける伝搬時間の差の生じ方の差異に基づいて、地中の対象物が均一な広がりを有しない状態であるのか、土壌比誘電率が一定でない状態であるのか、あるいは、両方の状態を含む可能性があるかを推定する、請求項１～６のいずれか一項に記載の地中レーダー装置。

【請求項8】

前記地中状態推定部は、前記伝搬時間測定部で測定された伝搬時間の差のうち、一部が予め定めた規定範囲内であるが、他の一部が予め定めた規定範囲を超えた場合に、土壌比誘電率が一定である位置と一定でない位置との境目に達したと推定する、請求項７に記載の地中レーダー装置。

【請求項9】

前記地中状態推定部は、前記伝搬時間測定部で測定された伝搬時間の差が短くなる度合に基づいて、地中の対象物が均一な広がりを有しない範囲を推定する、請求項７及び８のいずれか一項に記載の地中レーダー装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、地中の状態について推定するための地中レーダー装置に関する。

【背景技術】

【0002】

地中に埋設された埋設管等を探査する地中埋設物探査装置として、電波を送信する送信アンテナを固定する一方、受信アンテナを埋設管等の直上において移動させて受信アンテナの移動距離に応じた反射波の伝搬時間の変化を調べることで、土中の比誘電率や埋設管の埋設深度を計算するものが知られている（特許文献１参照）。

【0003】

しかしながら、特許文献１に開示の技術は、埋設管のおおよその埋設位置や、土中の状態（例えば土中の比誘電率が一定であること）等が、予め分かっていることを前提とした上で、ワイドアングル測定法を利用して比誘電率や埋設深度を求めるものである。

【0004】

一方、例えば地中に調査の対象物となる空洞や地層あるいは埋設管等があると想定されるものの詳しい状態までは未知である、といった場合において、空洞等が平らなものであるか否か、すなわち空洞等が均一な広がりを有するものであるか否か、といったことを調査したいという要請がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開平４－２８６９８３号公報

【発明の概要】

【0006】

本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、例えば地中の状態が未知である場合において、地中の対象物の状態を推定するための地中レーダー装置を提供することを目的とする。

【0007】

上記目的を達成するための地中レーダー装置は、探査用の電波を送信する送信アンテナと、応答波を受信する受信アンテナと、送信アンテナ及び受信アンテナの相対的な位置を変更して電波の伝搬時間を２つ以上測定する伝搬時間測定部と、伝搬時間測定部で測定された伝搬時間の差分に基づいて、地中の対象物の状態を推定する地中状態推定部とを備える。

【0008】

上記地中レーダー装置では、送信アンテナ及び受信アンテナとの相対的な位置を変更することで伝搬時間測定部によって取得された２つ以上の伝搬時間について、地中状態推定部において、これらの差分に基づいて地中における対象物の状態を推定する。この場合、伝搬時間の差分に基づいて、例えば未知である地中の対象物が均一な広がりを有するか否かについての推定が可能になる。

【0009】

本発明の具体的な側面では、地中状態推定部は、伝搬時間測定部で測定された伝搬時間の差分に基づいて、土壌の状態を推定する。この場合、伝搬時間の差分に基づいて、例えば未知である地中の土壌の状態についての推定が可能になる。

【0010】

本発明の別の側面では、地中状態推定部は、送信アンテナの配置位置から等しい距離でかつ異なる２つの位置に受信アンテナを配置した場合において、伝搬時間測定部で測定された伝搬時間の差が予め定めた規定範囲内である否かによって地中の状態を推定する。この場合、２つの受信アンテナへの伝搬時間の差に基づいて地中の状態を推定できる。

【0011】

本発明のさらに別の側面では、地中状態推定部は、伝搬時間の差が、予め定めた規定範囲を超えた場合に、地中の対象物が均一な広がりを有しないか、または、土壌比誘電率が一定でないかのうち少なくとも一方を含む状態である、と推定する。この場合、伝搬時間の差に基づいて、地中の状態、より詳しくは、地中の対象物の状態や土壌比誘電率のうち少なくとも一方について不均一であることを推定できる。

【0012】

本発明のさらに別の側面では、地中状態推定部は、送信アンテナの配置位置から異なる距離にある２つの位置に受信アンテナを配置した場合において、伝搬時間測定部で測定された伝搬時間の差の度合に基づいて、地中の状態を推定する。この場合、２つの受信アンテナの配置と、伝搬時間の差の度合との関係から、地中の状態について推定できる。

【0013】

本発明のさらに別の側面では、地中状態推定部は、伝搬時間の差の度合が、予め定めた規定範囲を超えた場合に、地中の対象物が均一な広がりを有しないか、または、土壌比誘電率が一定でないかのうち少なくとも一方を含む状態である、と推定する。この場合、伝搬時間の差の度合に基づいて、地中の状態、より詳しくは、地中の対象物の状態や土壌比誘電率のうち少なくとも一方について不均一であることを推定できる。

【0014】

本発明のさらに別の側面では、送信アンテナ及び／又は受信アンテナとして動作する３つ以上のアンテナ部を所定間隔で配置し、伝搬時間測定部は、３つ以上のアンテナ部を構成する各アンテナ部の組み合わせを切り替えることで２つ以上の伝搬時間を測定し、地中状態推定部は、測定された２つ以上の伝搬時間に基づいて地中の状態を推定する。この場合、アンテナ部の組み合わせを切り替えることで、地中の状態を推定するための情報を取得できる。

【0015】

本発明のさらに別の側面では、地中状態推定部は、３つ以上のアンテナ部についての所定の組み合わせで伝搬時間を測定した結果がいずれも予め定めた規定範囲内である場合に、地中の対象物が均一な広がりを有し、かつ、土壌比誘電率が一定である、と推定する。この場合、測定した伝搬時間に基づいて、対象物の位置（埋設深度）を算出することが可能になる。

【0016】

本発明のさらに別の側面では、送信アンテナと受信アンテナとの相対的配置関係を維持しつつ搬送する搬送部をさらに備え、地中状態推定部において、地中の対象物が均一な広がりを有しないか、または、土壌比誘電率が一定でないかのうち少なくとも一方を含む状態である、と推定された場合に、搬送部により送信アンテナと受信アンテナとを移動させて測定箇所を変更し、地中状態推定部は、変更後の測定箇所における伝搬時間の測定結果を、変更前の測定箇所における伝搬時間の測定結果と比較して、地中の対象物が均一な広がりを有しない状態であるのか、土壌比誘電率が一定でない状態であるのか、あるいは、両方の状態を含む可能性があるかを推定する。この場合、搬送部による搬送を行って測定範囲を広げ、広げられた測定範囲における結果に基づいて、地中の状態を推定することができる。

【0017】

本発明のさらに別の側面では、地中状態推定部において、地中の対象物が均一な広がりを有し、かつ、土壌比誘電率が一定である、と推定された場合に、測定された２つ以上の伝搬時間に基づいて、推定される土壌比誘電率の値を演算する土壌比誘電率演算部をさらに備える。この場合、土壌比誘電率演算部により、土壌比誘電率の値を求めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】第１実施形態の地中レーダー装置を説明する図である。

【図2】地中レーダー装置の本体部分の構成について説明するためのブロック図である。

【図3】（Ａ）は、対象となる地中の様子について説明するための図であり、（Ｂ）は、（Ａ）との比較のため、従来例について示す図である。

【図4】（Ａ）は、地中レーダー装置による地中に存在する対象物（空洞）の探査の様子を概念的に示す図であり、（Ｂ）～（Ｅ）は、想定される地中内の様子についての場合分けを示す図である。

【図5】（Ａ）～（Ｃ）は、地中レーダー装置による３つの測定方法について説明するための図である。

【図6】測定された搬送時間に基づく土壌比誘電率及び埋設深度の算出方法について説明するための図である。

【図7】地中レーダー装置による地中の状況の推定に関する動作の一例について説明するためのフローチャートである。

【図8】（Ａ）～（Ｃ）は、第２実施形態に係る地中レーダー装置による３つの測定方法において、地中の対象物が均一な広がりを有していない場合の様子を概念的に示す図である。

【図9】（Ａ）、（Ｂ）は、地中レーダー装置による測定において、一部の土壌の比誘電率が一定でない場合の様子を概念的に示す図である。

【図10】地中レーダー装置による地中の状況の推定に関する動作の一例について説明するためのフローチャートである。

【図11】（Ａ）～（Ｃ）は、地中レーダー装置についての他の一変形例について説明するための図である。

【図12】（Ａ）、（Ｂ）は、地中レーダー装置についての別の一変形例について説明するための図であり、（Ｃ）は、地中レーダー装置についてのさらに別の一変形例について説明するための図である。

【図13】地中レーダー装置の本体部分の構成についての一変形例を説明するためのブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

〔第１実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明に係る一実施形態の地中レーダー装置１００について説明する。

【0020】

図１に示すように、地中レーダー装置１００は、自動車、列車、台車等の各種移動体２００に本体部分１００Ａを搭載して構成されており、探査位置を変化させるための搬送部である移動体２００は、車輪１０１や駆動機構１０２等を有する。

【0021】

図２に示すように、地中レーダー装置１００のうち、中核的機能を有する本体部分１００Ａは、アンテナ装置１０と、アンテナ制御部２０と、主制御部５０とを備える。

【0022】

地中レーダー装置１００のうち、アンテナ装置１０は、複数（図示の例では５つ）のアンテナ部である第１～第５アンテナＡＮ１～ＡＮ５（まとめてアンテナ本体１０Ａとする）と、スイッチ回路ＳＷとで構成され、アンテナ制御部２０からの指示に従って、これらのうちいずれかが送信アンテナとして機能するとともに他のものが受信アンテナとして機能するように、スイッチ回路ＳＷによって切り替えの動作がなされる。なお、ここでは、第１～第５アンテナＡＮ１～ＡＮ５は、図示のように一列に等間隔で配置されているものとする。

【0023】

アンテナ制御部２０は、主制御部５０からの指示に従ってアンテナ装置１０を構成する各アンテナＡＮ１～ＡＮ５を送信アンテナあるいは受信アンテナとして機能させるべく、各種駆動制御を行う。このため、アンテナ制御部２０は、アンテナ制御回路２１と、送信部２２ａと、受信部２２ｂとを備える。

【0024】

アンテナ制御回路２１は、主制御部５０から送信される各種指令信号に従って、アンテナ本体１０Ａのうち、どのアンテナを送信アンテナ及び受信アンテナとして駆動させるかや、それらの駆動タイミング等の制御を送信部２２ａ及び受信部２２ｂを介して行う。送信部２２ａ及び受信部２２ｂは、かかる駆動動作をアンテナ本体１０Ａを構成する各アンテナＡＮ１～ＡＮ５に行わせるべくスイッチ回路ＳＷによる切り換えを行いつつ各種処理を行う。このため、送信部２２ａは、パルスやチャープによる送信波（電波）Ｓ１を生成する発信器のほか、信号変換を行うＤ／Ａコンバーター、送信波Ｓ１を増幅するためのアンプ等で構成されている。また、受信部２２ｂは、地中に存在する探査対象である埋設物や空洞その他の対象物ＯＢで反射されて戻って来た応答波Ｓ２を受信すべく、ノイズ処理等のための各種フィルターや、応答波Ｓ２を増幅するためのアンプ、サンプリング処理を行う相間処理器、信号変換を行うＡ／Ｄコンバーター等で構成されている。

【0025】

主制御部５０は、例えば、ＣＰＵや各種ストレージ、表示部等で構成され、典型的には、これらを内蔵するＰＣで構成される。主制御部５０は、送信波Ｓ１の送信タイミングの制御のほか、演算処理等の各種処理を行い、地中探査の制御動作全体を統括する。このため、本実施形態における主制御部５０は、ＣＰＵ等により各種アプリケーションプログラムに基づく種々の処理が可能となっているとともに、各種データの一時記憶が可能となっている。ここでは、図示のように、主制御部５０は、伝搬時間測定部５１と、地中状態推定部５２と、土壌比誘電率演算部（対象物の埋設深度演算部としての機能を含む）５３とを備える、あるいはこれらのものとして機能する。すなわち、主制御部５０は、各種プログラムを動作させることで、伝搬時間測定部５１として、送信アンテナ及び受信アンテナとなるべき各アンテナＡＮ１～ＡＮ５を時系列で決定することで、送信アンテナ及び受信アンテナの相対的な位置を順次変更して電波の伝搬時間をそれぞれ測定する。ここでは、図示のように、３種類の異なるパターンでそれぞれ伝搬時間の測定を行う測定プログラム（第１～第３パターン測定プログラムＭＰ１～ＭＰ３）が準備されているものとする。なお、各測定プログラムに基づく測定方法についての詳細は後述する。また、主制御部５０は、地中状態推定部５２として、伝搬時間測定部５１で測定された伝搬時間の差分に基づいて、地中の対象物の状態を推定する。ここでは、上記３種類の測定方法での伝搬時間に関する結果に基づいて、地中の対象物の状態を推定する。これについても、具体的一例を後述する。また、主制御部５０は、土壌比誘電率演算部５３として、地中の土壌の比誘電率について算出を行う。また、併せて、対象物の埋設深度演算部として、対象物ＯＢの位置を示す値である対象物の深さ方向についての埋設深度についても算出を行う。ここでは、上記地中状態推定部５２において、地中の対象物が均一な広がりを有し、かつ、土壌比誘電率が一定である、と推定された場合に、土壌比誘電率演算部５３は、測定された２つ以上の伝搬時間に基づいて、推定される土壌比誘電率の値を演算する。なお、この算出方法についても、詳しい一例を後述する。なお、これらのほかに、主制御部５０は、取得した伝搬時間等の各種データを一時記憶する記憶部ＭＥを備える。

【0026】

ここで、本実施形態の地中レーダー装置１００では、地中探査の対象物からの応答に伴い生成される画像が円弧状になっていないと考えられるような場合についてレーダー探査結果から土壌比誘電率の推定が可能である点において、従来のように、地中に埋設される円筒状の配管を探査すべく当該配管の延びる方向を横切るような方向について探査した結果から土壌比誘電率を推定するものと異なっている。これについて、例えば図３に示すように、探査の結果得られる画像上で比べると、本実施形態の場合、例えば図３（Ａ）に示すように、地上に相当する部分画像ＳＳｉと、地中の対象物（図中破線ＯＢｉで示す）に相当する部分画像ＧＤｉとが表れるものとなり、例えば図３（Ｂ）に示す従来手法の場合のように、部分画像ＧＤｉが、円筒状の配管（図中破線ＯＢｉで示す）の変化に伴う応答の違いから現れる円弧状の形状となって捉えられるようなものとは異なっている。本実施形態の場合、異なる位置に配置された複数のアンテナＡＮ１～ＡＮ５を利用することで、例えば地中内部に埋設された線状に延びる配管について、これを横切るような方向ではなく、当該配管が線状に延びる方向に沿った方向についての探査や、あるいは、地中内の空洞のように面的に広がる対象物についての探査結果から比誘電率の推定が可能になる。特に、ここでは、一例として、対象物としてある程度の広がりを有する空洞（配管を含む）について、探査結果から比誘電率の推定が可能かどうかを判断する。また、比誘電率の推定が可能であると判断された場合には、空洞の埋設深度の値等の算出を行う。

【0027】

以下、図４を参照して、本実施形態にかかる地中レーダー装置１００を用いた探査における地中の状況の探査における問題点等について説明する。図４（Ａ）に概念的に示すように、地中レーダー装置１００によって地中に存在する対象物ＯＢとして面的に広がる空洞ＣＡを測定する場合（ただし、地中の配管を延びる方向沿って測定する場合も含む）、アンテナ装置１０の送信アンテナから放射させた送信波Ｓ１が対象物ＯＢとしての空洞ＣＡで反射されて戻って来た応答波Ｓ２を受信アンテナで受信し、その間の伝搬時間と、送信アンテナと受信アンテナとの位置関係とから地中の状況を測定することになる。ここで、地中の状況について、詳しい状態までは未知である場合、主に、空洞ＣＡの表面ＢＳが平らなものであるか否か、すなわち空洞等が均一な広がりを有し、地中レーダー装置１００が設置される地上面ＳＳに対して表面ＢＳが平行になっているか否かが不明であることと、地中の土壌ＳＯ（特に地上面ＳＳから空洞ＣＡの表面ＢＳまでの土壌）の比誘電率が一定であるか否かが不明であることの２点が問題となる。つまり、図４（Ｂ）～４（Ｅ）に示すように、空洞等が均一である場合と不均一である場合、土壌が均一である場合と不均一である場合を組み合わせた４つの場合が想定される。具体的に説明すると、まず、図４（Ｂ）に示すように、空洞ＣＡの表面ＢＳが地上面ＳＳに対して平行であるあるいは平行であるとみなせる状態（空洞等が均一）であって、かつ、その間の土壌ＳＯａの比誘電率が均一であるあるいは均一であるとみなせる場合（土壌が均一）が考えられる。このほか、図４（Ｃ）に示すように、土壌ＳＯａの比誘電率は、均一であっても表面ＢＳが地上面ＳＳと平行でない場合（空洞等が不均一）や、図４（Ｄ）に示すように、表面ＢＳが地上面ＳＳとは、平行であっても（空洞等が均一）、その間の土壌ＳＯｂの比誘電率が均一でないない場合（土壌が均一）も考えられる。さらに、図４（Ｅ）に示すように、表面ＢＳが地上面ＳＳと平行でなく、かつ、その間の土壌ＳＯｂの比誘電率も均一でない場合も考えられる。地中レーダー装置１００を用いた探査においては、まず、地中の状態が、図４（Ｂ）に示すような状態となっているか否かの推定を行うことが重要となる。図４（Ｂ）に示すような状態となっている場合には、推定に基づいて、直ちに土壌の比誘電率や対象物の位置（深度）の算出をすることが可能になるからである。

【0028】

本実施形態の地中レーダー装置１００では、既述のように、また、図５に示すように、複数のアンテナＡＮ１～ＡＮ５を利用して複数のパスを形成し、各パスでの伝搬時間の測定結果に基づいて地中の状況について推定をおこなうものとなっている。特に、ここでは、複数の測定の仕方を組み合わせることで、地中の対象物ＯＢとしての空洞ＣＡが均一な広がりを有し、かつ、土壌の比誘電率（土壌比誘電率ε_ｒ）が一定であるか否かの推定を行う。

【0029】

このため、例えば、図５（Ａ）に示す一例の測定（第１パターン測定）では、伝搬時間測定部５１及び地中状態推定部５２としての主制御部５０（図２参照）の制御下において、一列に等間隔で並ぶ５つのアンテナＡＮ１～ＡＮ５のうち、もっとも端側にある第１アンテナＡＮ１を送信アンテナＴｘ（図中ハッチング）として駆動させるとともに、残りのアンテナＡＮ２～ＡＮ５を順次受信アンテナＲｘとして駆動させ、第１アンテナ（送信アンテナ）ＡＮ１と各アンテナ（受信アンテナ）ＡＮ２～ＡＮ５との間での伝搬時間の差の度合に基づいて地中の状態を推定する。空洞ＣＡが均一な広がりを有し、かつ、土壌ＳＯにおける土壌比誘電率ε_ｒが一定であれば、伝搬時間の差の度合すなわち伝搬時間の変化の度合が、送信アンテナと受信アンテナとの距離に応じて一定の割合で変化することになる。したがって、伝搬時間を測定するとともにこれらの間での差の度合を算出することで、地中の状態の推定が可能になる。

【0030】

また、別の測定として、図５（Ｂ）に示す一例の測定（第２パターン測定）では、５つのアンテナＡＮ１～ＡＮ５のうち、１つのアンテナ（図示の例では真ん中にある第３アンテナＡＮ３）を送信アンテナＴｘとして駆動させ、送信アンテナＴｘの両隣にあるアンテナ（図示の例では第２、第４アンテナＡＮ２，ＡＮ４）、すなわち送信アンテナＴｘから等しい距離でかつ異なる２つの位置にあるアンテナを受信アンテナＲｘとし、これらの間での伝搬時間の差の有無に基づいて地中の状態を推定する。空洞ＣＡが均一な広がりを有し、かつ、土壌ＳＯにおける土壌比誘電率ε_ｒが一定であれば、伝搬時間の差が生じないことになる。したがって、伝搬時間を測定するとともにこれらの間での差の有無を確認することで、地中の状態の推定が可能になる。なお、同様に、第１、第５アンテナＡＮ１，ＡＮ５を受信アンテナＲｘとしてもよい。

【0031】

さらに、別の測定として、図５（Ｃ）に示す一例の測定（第３パターン測定）では、一列に等間隔に並ぶ５つのアンテナＡＮ１～ＡＮ５のうち、隣り合うもの同士でのパスについての測定、すなわち最短時間となる場合の伝搬時間の測定を行い、これらの間での伝搬時間の差の有無に基づいて地中の状態を推定する。空洞ＣＡが均一な広がりを有し、かつ、土壌ＳＯにおける土壌比誘電率ε_ｒが一定であれば、伝搬時間の差が生じないことになる。したがって、伝搬時間を測定するとともにこれらの間での差の有無を確認することで、地中の状態の推定が可能になる。

【0032】

本実施形態では、地中レーダー装置１００の主制御部５０は、上記３つのパターンでの測定のいずれにおいても、想定された範囲内での測定がなされた場合、空洞ＣＡが均一な広がりを有し、かつ、土壌ＳＯにおける土壌比誘電率ε_ｒが一定であると推定し、推定に基づく空洞ＣＡの埋設深度及び土壌比誘電率ε_ｒの算出を行う。

【0033】

以下、図６を参照しつつ、対象物たる空洞ＣＡが均一な広がりを有し、かつ、土壌比誘電率ε_ｒが一定であると推定された場合において、測定された搬送時間に基づく土壌比誘電率ε_ｒ及び空洞ＣＡの埋設深度の算出方法について説明する。ここでは、第１アンテナＡＮ１を送信アンテナＴｘとし、第２アンテナＡＮ２及び第３アンテナＡＮ３を受信アンテナＲｘとし、これらの間での伝搬時間の差の度合に基づいて算出を行う。

【0034】

まず、この場合、土壌の比誘電率の値や土中での電波（送信波、応答波）の伝搬速度の値が一定であるものと仮定できるので、これらの値について、既述のように土壌比誘電率ε_ｒとし、伝搬速度をＶとする。この場合、まず、光速Ｃ_０（＝３．０×１０^８ｍ／ｓ）を用いて、

と表される。

【0035】

また、送信アンテナＴｘから送信された送信波Ｓ１が対象物たる空洞ＣＡの表面ＢＳで反射されて応答波Ｓ２として受信するまでの伝搬距離をＤ_ｎとし、送信アンテナＴｘから送信された送信波Ｓ１を各受信アンテナＲｘで応答波Ｓ２として受信するまでの搬送時間をｔ_ｎとすると、

と表される。また、伝搬距離Ｄ_ｎについては、送信アンテナＴｘと各受信アンテナＲｘとの配置関係すなわちこれらの間の距離をＸ_ｎとすると、

と表される。ここで、Ｔ_０は、送信アンテナＴｘから送信アンテナＴｘと同じ位置に受信アンテナがあるものとした場合の搬送時間（電波が到達するまでの時間）を示す。つまり、値（Ｖ×Ｔ_０）が、空洞ＣＡの埋設深度を示すものとなる。

【0036】

ここで、受信アンテナＲｘとしての第２アンテナＡＮ２及び第３アンテナＡＮ３での搬送時間を、それぞれ搬送時間ｔ_Ａ及び搬送時間ｔ_Ｂとすると、これらの値は、測定により取得される既知の値である。また、各アンテナの位置関係すなわちアンテナ間の距離についても既知の値であり、ここでは、図示のように、第１アンテナＡＮ１から第２アンテナＡＮ２までのアンテナ間の距離を距離Ｘ_Ａとし、第１アンテナＡＮ１から第３アンテナＡＮ３までのアンテナ間の距離を距離Ｘ_Ｂとする。一方、上記した搬送時間Ｔ_０は、直接測定される値ではなく、未知数である。

【0037】

まず、上式（１）～（３）から、土壌比誘電率ε_ｒについて解くと、

となる。上式（４）に対して、搬送時間ｔ_Ａ，ｔ_Ｂ及び距離Ｘ_Ａ，Ｘ_Ｂを、それぞれ搬送時間ｔ_ｎ及び距離Ｘ_ｎとして代入すると、

となる。これらから、搬送時間Ｔ_０について解くと、

となる。したがって、測定された既知の搬送時間ｔ_Ａ，ｔ_Ｂ及び距離Ｘ_Ａ，Ｘ_Ｂの値から上式（５）に基づいて搬送時間Ｔ_０についての算出が可能となり、さらに、求められた搬送時間Ｔ_０の値から上式（４）に基づいて演算（距離Ｘ_ｎ、搬送時間ｔ_ｎについては、搬送時間ｔ_Ａ及び距離Ｘ_Ａまたは搬送時間ｔ_Ｂ及び距離Ｘ_Ｂのうち、いずれかを代入）することで、推定上の土壌比誘電率ε_ｒを算出できる。さらに、例えば上式（１）に基づいて、推定上の伝搬速度Ｖや、埋設深度の値（Ｖ×Ｔ_０）を算出することも可能となる。

【0038】

なお、以上の数式に基づく演算については、土壌比誘電率演算部５３としての主制御部５０（図２参照）においてなされる。

【0039】

以下、図７に示すフローチャートを参照して、本実施形態に係る地中レーダー装置１００の推定に関する動作の一例について説明する。

【0040】

まず、地中レーダー装置１００の主制御部５０は、図５（Ａ）～５（Ｃ）にそれぞれ例示した３つのパターンの測定（第１～第３パターン測定）を行い、地中の対象物（空洞）が均一な広がりを有し、かつ、土壌比誘電率が一定であるか否かの推定を行う、すなわち、対象物（空洞）の広がりが均一、かつ、土壌均一であるか否かを判定する。具体的には、まず、主制御部５０は、図５（Ａ）に例示した第１パターン測定を行い（ステップＳ１０１）、伝搬時間の差の度合すなわち伝搬時間の変化の度合が、送信アンテナと受信アンテナとの距離に応じて一定の割合で変化しているか否かを判定する（ステップＳ１０２）。すなわち、主制御部５０は、一定の割合で変化とみなされるか否かの基準として予め定められている伝搬時間の変化に関する許容範囲（規定範囲）と比較して、測定された伝搬時間が当該許容範囲内であれば一定の割合で変化していると判定する。なお、上記のような許容範囲については、求めようとする土壌比誘電率の精度や地中の対象物（空洞）が均一の程度、あるいは地中レーダー装置１００の分解能等に応じて適宜定められる。

【0041】

ステップＳ１０２において、一定の割合で変化していると判定される（ステップＳ１０２：Ｙｅｓ）と、次に、主制御部５０は、図５（Ｂ）に例示した第２パターン測定を行い（ステップＳ１０３）、送信アンテナＴｘから等しい距離でかつ異なる２つの位置にある受信アンテナＲｘの間での伝搬時間の差の有無について判定する（ステップＳ１０４）。すなわち、主制御部５０は、伝搬時間の差が無いとみなされるか否かの基準として予め定められている伝搬時間の差に関する許容範囲と比較して、測定された伝搬時間の差が当該許容範囲内であれば伝搬時間に差が無いと判定する。

【0042】

ステップＳ１０４において、伝搬時間に差が無いと判定される（ステップＳ１０４：Ｙｅｓ）と、次に、主制御部５０は、図５（Ｃ）に例示した第３パターン測定を行い（ステップＳ１０５）、隣り合うもの同士のアンテナ間での伝搬時間の差の有無について判定する（ステップＳ１０６）。すなわち、主制御部５０は、伝搬時間の差が無いとみなされるか否かの基準として予め定められている伝搬時間の差に関する許容範囲と比較して、測定された伝搬時間の差が当該許容範囲内であれば伝搬時間に差が無いと判定する。

【0043】

ステップＳ１０６において、伝搬時間に差が無いと判定される（ステップＳ１０６：Ｙｅｓ）と、主制御部５０は、対象物（空洞）の広がりが均一、かつ、土壌均一であると推定される旨の判定をする（ステップＳ１０７）。すなわち、主制御部５０は、上記３つのパターン（第１～第３パターン測定）での測定結果がいずれも想定された許容範囲内であり、空洞ＣＡが均一な広がりを有し、かつ、土壌ＳＯにおける土壌比誘電率ε_ｒが一定である可能性が非常に高いと判定する。すなわち、空洞ＣＡの深度が均一（一定）かつ土壌の比誘電率が均一（一定）であると推定する。

【0044】

ステップＳ１０７の判定処理がなされると、主制御部５０は、図６を参照して説明した計算方法に基づいて、土壌比誘電率ε_ｒや、対象物の深さ方向についての埋設深度を求めるための演算処理を行い（ステップＳ１０８）、一連の動作を終了する。

【0045】

一方、主制御部５０は、上記３つのパターン（第１～第３パターン測定）での測定結果のうちいずれかにおいて、伝搬時間の度合や伝搬時間の差が、許容範囲を超えた場合に、地中の対象物ＯＢ（空洞ＣＡ）が均一な広がりを有しないか、または、土壌比誘電率ε_ｒが一定でないかのうち少なくとも一方を含む状態である、と推定する。すなわち、例示したフローチャートのうち、第１パターン測定についてのステップＳ１０２において、測定された伝搬時間の差の度合すなわち伝搬時間の変化の度合が、予め定められている許容範囲を超えていれば、一定の割合で変化していないと判定する（ステップＳ１０２：Ｎｏ）。同様に、第２パターン測定についてのステップＳ１０４において、測定された伝搬時間の差が、予め定められている許容範囲を超えていれば、伝搬時間に差があると判定し（ステップＳ１０４：Ｎｏ）、また、第３パターン測定についてのステップＳ１０６において、測定された伝搬時間の差が、予め定められている許容範囲を超えていれば、伝搬時間に差があると判定する（ステップＳ１０６：Ｎｏ）。これらの場合、主制御部５０は、対象物ＯＢ（空洞ＣＡ）の広がりまたは土壌のうち少なくとも一方が不均一と推定し（ステップＳ１０９）、一連の動作を終了する。

【0046】

以上のように、本実施形態の地中レーダー装置１００によれば、送信アンテナＴｘと受信アンテナＲｘとの相対的な位置を変更することで伝搬時間測定部５１としての主制御部５０によって取得された２つ以上の伝搬時間について、地中状態推定部５２としての主制御部５０において、これらの差分に基づいて地中における対象物ＯＢ（空洞ＣＡ）の状態を推定する。この場合、伝搬時間の差分に基づいて、例えば未知である地中の対象物が均一な広がりを有するかについて、あるいは、土壌の比誘電率が均一であるか否かについての推定が可能になる。

【0047】

〔第２実施形態〕
以下、図８等を参照しつつ、本発明に係る一実施形態の地中レーダー装置について説明する。なお、本実施形態に係る地中レーダー装置は、第１実施形態の地中レーダー装置１００の変形例であり、主制御部における制御内容を除いて同様であるので、全体の構成について図示を省略するとともに、共通する構成要素については同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

【0048】

本実施形態では、地中の対象物（空洞）の広がりまたは土壌のうち少なくとも一方が不均一と推定された場合について、さらに考察を行う点において、第１実施形態と異なっている。

【0049】

第１実施形態において、図４を参照して説明したように、空洞等が均一である場合と不均一である場合、土壌が均一である場合と不均一である場合の４つの場合が想定される。すなわち、地中の対象物（空洞）の広がりまたは土壌のうち少なくとも一方が不均一と推定された場合とは、図４（Ｃ）～４（Ｅ）についての３つのうちのいずれかの場合が想定される。地中の状態が未知の場合に、上記３つのうちのいずれであるかを推定することも重要となり得る。

【0050】

図８（Ａ）～８（Ｃ）は、図５（Ａ）～５（Ｃ）に対応する図であり、本実施形態に係る地中レーダー装置において、第１実施形態の場合と同様の３つの測定方法（第１～第３パターン測定による測定方法）にて測定を行った場合において、地中の対象物が均一な広がりを有していないが、土壌の比誘電率は一定となっていた場合の様子を概念的に示す図である。すなわち、図４に示した４つの場合のうち、図４（Ｃ）となるような場合について示している。この場合、既述のように、伝搬時間の差の度合や伝搬時間の差が、予め定められている許容範囲を超えてしまうことになる。例えば、図８（Ａ）に示す場合、伝搬距離が、対象物が均一な広がりを有する場合よりも短くなると考えられる。その結果、予め定められている許容範囲から外れることになる。同様に、図８（Ｂ）や８（Ｃ）に示す場合、場所によって一方と他方とで想定以上の伝搬距離の差が生じることになり、これが予め定められている許容範囲から外れた伝搬時間の差として測定されることになる。

【0051】

一方、土壌の比誘電率は一定でないために許容範囲から外れた値が測定される場合も想定される。図９（Ａ）及び９（Ｂ）は、図５（Ａ）及び５（Ｂ）あるいは図８（Ａ）及び８（Ｂ）に対応する図であり、本実施形態に係る地中レーダー装置による３つの測定方法（第１～第３パターン測定による測定方法）において、地中の対象物が均一な広がりを有しているが、土壌の比誘電率は一定でない場合の様子を概念的に示す図である。すなわち、図４に示した４つの場合のうち、図４（Ｄ）となるような場合について示している。ここでは特に、土壌の一部において比誘電率が一定でなく一部は一定である場合の様子を概念的に示している。より具体的には、図９（Ａ）及び９（Ｂ）の場合、アンテナＡＮ１～ＡＮ３の直下の土壌ＳＯａでは、土壌比誘電率が均一であるが、アンテナＡＮ４，ＡＮ５の直下の土壌ＳＯｂでは、土壌比誘電率が均一でない状態となっている。このような場合、例えば、図９（Ａ）のアンテナＡＮ１～ＡＮ３を送信アンテナ及び受信アンテナとして取り扱った場合には、予め定められている許容範囲内での測定値が検出されるが、アンテナＡＮ４，ＡＮ５を送信アンテナや受信アンテナに含んだ測定では、許容範囲から外れた値が検出されることになる。

【0052】

以上の図８と図９とで例示した場合も含め、地中の対象物が均一な広がりを有していないが、土壌の比誘電率は一定である場合と、地中の対象物が均一な広がりを有しているが、土壌の比誘電率は一定でない場合とでは、差異が生じる、すなわち測定によって異なる検出のされ方になる可能性がある。

【0053】

本実施形態では、このような点に着目して、地中の状態について推定を行っている。

【0054】

ここで、図８に例示した、地中における対象物の広がりが均一でない（土壌は均一であるとする）場合の典型例としては、例えば地中に埋設した配管が線上に延びる場合において一部が陥没した結果、陥没した箇所の周辺において均一でない状態となっているといった場合が考えられる。このようなことが原因で、対象物の広がりが均一でなくなる場合、ある程度限定された箇所においては広がりが均一でない状態となっているが、その箇所から離れるにしたがって、徐々に広がりが均一になっていくと考えられる。すなわち、一部で許容範囲から外れた測定値が検出されるが、測定範囲を広げると徐々に許容範囲内となっていくような態様となる。また、そもそも空洞や配管といったものが対象物である場合、対象物の範囲がある程度限定されていると考えられる。例えば空洞や配管については、ある一定の範囲の外側には土壌のみが存在している状態となっていることが多いと考えられる。

【0055】

一方、図９に例示した、土壌の状態が不均一すなわち土壌比誘電率が一定でないという場合については、その要因が例えば地層等元々の地質に依存するといったことが典型例として考えられ、このような場合、広範囲に亘って土壌比誘電率が一定でない状態が続くと考えられる。その一方で、図９（Ａ）等において示したような土壌の一部において比誘電率が一定でなく一部は一定であるといった場合が生じるのは、例えば地層（地質）の境目に達したといった場合であると考えられる。このような場合、例えば境目に沿って地中レーダー装置を移動させると、測定結果が維持されることになると予想される。

【0056】

ここでは、以上のようなことに着目した一例として、地中レーダー装置を移動させる範囲すなわち測定を行う範囲を予め規定し、規定範囲内での測定結果に基づいて地中の状態を推定する。

【0057】

以下、図１０のフローチャートを参照して、本実施形態に係る地中の状況の推定に関する動作の一例について説明する。

【0058】

まず、地中レーダー装置は、例えば上記した３つのパターンの測定（第１～第３パターン測定）を行い（ステップＳ２０１）、地中の対象物（空洞）が均一な広がりを有し、かつ、土壌比誘電率が一定であるか否かの推定を行う（ステップＳ２０２）。ステップＳ２０２において、第１～第３パターン測定のいずれかについて、予め定められている許容範囲を超えていれば（ステップＳ２０２：Ｎｏ）、対象物（空洞）の広がりまたは土壌のうち少なくとも一方が不均一と推定する（ステップＳ２０３）。このように推定された場合、地中レーダー装置は、搬送部である移動体（例えば図１に示す移動体２００）によって所定の距離だけ移動する（ステップＳ２０４）。なお、移動の際、地中レーダー装置において、内部構造である送信アンテナと受信アンテナとの相対的配置関係は維持されつつ搬送される。移動した先において、地中レーダー装置は、再度３つのパターンの測定（第１～第３パターン測定）を行い（ステップＳ２０５）、規定範囲の移動がなされたかを確認する（ステップＳ２０６）。ステップＳ２０６において、規定範囲の移動に達成していないと判断されると（ステップＳ２０６：Ｎｏ）、地中レーダー装置は、再び移動の動作（ステップＳ２０４）と移動した先での再測定の動作（ステップＳ２０５）とを行い、規定範囲の移動を達成したと判断されるまで繰り返す。ステップＳ２０６において、規定範囲の移動及び再測定がなされたと判断されると（ステップＳ２０６：Ｙｅｓ）、地中レーダー装置は、それまでに集められた測定結果を解析し、地中の状況の推定を行う（ステップＳ２０７）。すなわち、得られたデータの特性から、上記したような特性の有無を解析し、地中の対象物が均一な広がりを有していないが、土壌の比誘電率は一定である場合であるか、地中の対象物が均一な広がりを有しているが、土壌の比誘電率は一定でない場合であるか、どちらにも合致しないかを推定（判定）し、一連の動作を終了する。以上の動作について見方を変えると、搬送部を利用した移動により、変更後の測定箇所における伝搬時間の測定結果を、変更前の測定箇所における伝搬時間の測定結果と比較して、比較した結果に基づいて、地中の対象物が均一な広がりを有しない状態であるのか、土壌比誘電率が一定でない状態であるのか、あるいは、両方の状態を含む可能性があるかを推定している。

【0059】

なお、ステップＳ２０２において、地中の対象物（空洞）が均一な広がりを有し、かつ、土壌比誘電率が一定であると推定された場合（ステップＳ２０２：Ｙｅｓ）、第１実施形態の場合と同様に、土壌比誘電率ε_ｒや、対象物の深さ方向についての埋設深度を求めるための演算処理を行い（ステップＳ２０８）、一連の動作を終了する。

【0060】

本実施形態においても、取得された２つ以上の伝搬時間について、これらの差分に基づいて地中における対象物（空洞）の状態を推定できる。また、本実施形態の場合、地中の対象物（空洞）の広がりまたは土壌のうち少なくとも一方が不均一と推定された場合について、さらに考察（推定）を行うことが可能になる。

【0061】

〔その他〕
以上の各実施形態で説明された構造、形状、大きさ及び配置関係については、本発明を理解及び実施できる程度に概略的に示したものに過ぎない。したがたって、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。

【0062】

例えば上記では、アンテナ装置１０において、５つのアンテナ部（第１～第５アンテナＡＮ１～ＡＮ５）を用いるものとしているが、これに限らず、図１１（Ａ）～１１（Ｃ）に例示するように、３つのアンテナ部（第１～第３アンテナＡＮ１～ＡＮ３）で構成し、これらの組み合わせを切り替えることで２つ以上の伝搬時間を取得可能とし、所望の測定を行うことも考えられる。なお、図１１（Ａ）～１１（Ｃ）は、図５（Ａ）～５（Ｃ）に対応する図である。また、５つ以上のアンテナ部を用いるものとしてもよい。あるいは、図１２（Ａ）及び１２（Ｂ）に示すように、複数のアンテナ部を設置する箇所を定める固定部ＦＩを３つ以上（図示の例では５つ）用意し、必要に応じて必要な位置にある固定部ＦＩに、送信アンテナＴｘあるいは受信アンテナＲｘをそれぞれ設置し、適宜入れ替えをすることで、測定を行うものとしてもよい。さらに、上記では、複数のアンテナ部を一列に等間隔に配列するとしているが、例えば各アンテナ間の距離が既知であることで、必要な測定が可能な状態が維持できれば、アンテナ間の距離が異なっていてもよい。また、図１２（Ｃ）に示すように、複数のアンテナ部を一列ではなく２次元的（マトリクス状）に配置してもよい。図示の例では、３×３の９つのアンテナＡＮ１ａ～ＡＮ３ｃを設けて、対象物に対して面状に対面するように構成している。この場合、例えば、図示のように、送信アンテナと受信アンテナとを斜めの方向となるような位置関係で配置して測定することができる。

【0063】

また、地中レーダー装置の構成についても、図２のブロック図に示した例のほか、例えば図１３に示すように、一対の送信アンテナＴｘ及び受信アンテナＲｘで構成されるアンテナ本体１０Ａを、アンテナ制御部２０とともに有するレーダー装置ＬＰを複数用意し、これらの間について同期をとりつつスイッチ回路ＳＷにより送信アンテナＴｘを駆動させるものと受信アンテナＲｘを駆動させることで、上記の場合と同様の機能をもたせるものとしてもよい。

【0064】

また、例えば、上記実施形態では、移動体２００が駆動機構１０２を有するとしたが、移動体２００は、ユーザーが手動で移動させるものであってもよい。

【符号の説明】

【0065】

ＡＮ１－ＡＮ５…アンテナ、ＢＳ…表面、ＣＡ…空洞、Ｄ_ｎ…伝搬距離、ＦＩ…固定部、ＧＤｉ…部分画像、ＬＰ…レーダー装置、ＭＥ…記憶部、ＭＰ１-ＭＰ３…パターン測定プログラム、ＯＢ…対象物、Ｒｘ…受信アンテナ、Ｓ１…送信波、Ｓ２…応答波、ＳＯ，ＳＯａ，ＳＯｂ…土壌、ＳＳ…地上面、ＳＳｉ…部分画像、ＳＷ…スイッチ回路、Ｔ０…搬送時間、Ｔｘ…送信アンテナ、Ｖ…伝搬速度、Ｘ_Ａ，Ｘ_Ｂ，Ｘ_ｎ…距離、ｔ_Ａ，ｔ_Ｂ，ｔ_ｎ…搬送時間、ε_ｒ…土壌比誘電率、１０…アンテナ装置、１０Ａ…アンテナ本体、２０…アンテナ制御部、２１…アンテナ制御回路、２２ａ…送信部、２２ｂ…受信部、５０…主制御部、５１…伝搬時間測定部、５２…地中状態推定部、５３…土壌比誘電率演算部、１００…地中レーダー装置、１００Ａ…本体部分、１０１…車輪、１０２…駆動機構、２００…移動体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】