(57)【要約】【課題】  掘削機械の操作者に、対象領域に存在している地中埋設物を容易かつ確実に教示することができる地中レーダ探査装置を提供する。【解決手段】  操作者によって操作される操作装置２が設けられ、操作装置２の操作に応答して走行可能な掘削機本体３と、掘削機本体３に設けられ、操作装置２の操作に応答して移動可能なバケット４と、を含む掘削機１に備えられる地中レーダ探査装置であって、バケット４に設けられ、バケット４から離反する方向に探査用電磁波を放射し、探査用電磁波の地中に埋設された対象物体による反射波を受信するアンテナ６と、掘削機本体３に装備され、アンテナ４によって受信した反射波の受信信号に基づいて、３次元の画像信号を生成する信号処理部７と、掘削機本体３に設けられ、信号処理部３によって生成された３次元の画像信号を表示する画像表示部８と、を備える。【選択図】      図１
2020085871.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
操作者によって操作される操作装置が設けられ、操作装置の操作に応答して走行可能な掘削機本体と、掘削機本体に設けられ、操作装置の操作に応答して移動可能な掘削部と、を含む掘削機に備えられる地中レーダ探査装置であって、
前記掘削部に設けられ、探査用電磁波を放射し、前記探査用電磁波の対象物体による反射波を受信するアンテナと、
前記掘削機本体に設けられ、前記アンテナによって受信された反射波の受信信号に基づいて、３次元の画像信号を生成する信号処理部と、
前記掘削機本体に設けられ、前記信号処理部によって生成された３次元の画像信号の画像を表示する画像表示部と、を備えることを特徴とする地中レーダ探査装置。
【請求項２】
前記信号処理部は、畳込みニューラルネットワークによって、前記アンテナによって受信した反射波の受信信号から前記対象物体を特徴とする複数のフレームを抽出し、抽出された各フレームを合成して、前記３次元の画像信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の地中レーダ探査装置。
【請求項３】
前記アンテナは、漏洩電界強度が３５μＶ／ｍ以下に遮蔽されていることを特徴とする請求項２に記載の地中レーダ探査装置。
【請求項４】
前記信号処理部によって生成された画像信号を、前記画像表示部に無線通信によって送信する送信部を、さらに含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の地中レーダ探査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バックホーなどの掘削機械によって路面を掘削中に、地中に埋設された水道管、ガス管、通信ケーブルなどの地中埋設物を引っ掛けて破損してしまうことを未然に防止するためなどに好適に実施することができる地中レーダ探査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、パワーショベル、バックホーなどの掘削機械を使用した工事の際、掘削時に地中に埋設された電話線、電力ケーブル、光ケーブル、ガス管、水道管、下水管などの地中埋設物を破損してしまう破損事故が発生している。このような破損事故は、事故現場付近の住民への重大な被害を及ぼしてしまう。
【０００３】
地中埋設物破損事故の対策として、従来から行なわれている方法は、大きく分けて２つ存在する。第１の方法は、埋設図面の利用である。埋設図面とは、地下に埋設されているケーブル、配管などの位置を表した図面である。工事を行う作業者は、この図面を利用し、予め埋設物の位置を推定し、推定した地中埋設物を破損しないように注意しながら掘削機械による掘削作業が行なわれる。第２の方法は、地中探査機による事前の調査である。これは地中レーダ探査機および電磁誘導探査機などによって、地表面から地中埋設物の探査を事前に行うというものである。
【０００４】
しかし、第１の方法において、埋設図面を利用する際、近年埋設されたものであれば、ある程度回避可能であるが、図面が残っていない古い埋設物や、敷地内の工事などでは、事前の探査に頼らざるを得ない。また、第２の方法において、地中探査機による調査においても、地中レーダ探査機は、精度は高いが探査に要する費用が高額となるため、頻繁に使用することができない。電磁誘導探査機による調査は、位置推定自体は可能であるが、精度としては不十分である。また、位置推定ができているにも関わらず、作業者の不注意あるいは操作ミスによって破損事故が発生する場合もある。そこで、従来から、より安全に工事を行える技術として、次のような地中探査技術が知られている。
【０００５】
地中探査の従来技術としては、弾性波探査法、表面波探査法、電気探査法、超音波探査法、磁気探査法などの様々な探査手法が存在するが、いずれの探査手法も大きな埋設物を探査の対象としており、探査分解能が低いため、地中の埋設管、通信ケーブルなどの小さな埋設物を探査によって確実に検知することは困難である。この中で唯一、磁気探査法は、たとえば特許文献１に記載されるように、地中の金属などの磁性体から成る物体の探査には使用可能であるが、埋設深度や埋設位置の正確な判定は困難である。
【０００６】
また掘削機械の操作するオペレータとも称される操作者は、レーダ探査の経験者ではないため、掘削しながらレーダ画面を読み取って埋設物の存在を判断することはできない。このため埋設物を監視しながら掘削を行うには、掘削機械の操作者以外に、別途にレーダ探査の操作者を必要とする。しかも掘削深度が深くなると、作業者が掘削範囲に入ってレーダ探査を繰り返す必要が生じ、このような作業は危険度が高く、現実的ではない。
【０００７】
さらに他の従来技術としては、特許文献２に記載されるように、ボアホールレーダ探査法がある。これは、ボーリング孔内に円筒状のレーダアンテナを挿入し、ボーリング孔の掘削深度まで探査を行うことが可能であるが、鉛直方向に掘削したボーリング孔に対し、側方の地中埋設物を探査するものであり、掘削面に垂直な方向の探査を行うことはできない。そもそもボーリング掘削時点で、スクリューオーガなどの掘削部によって地中埋設物を損傷する危険性があることから、このような手法を採用することはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−３４７５３３号公報
【特許文献２】特許第５５６８２３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって本発明の目的は、掘削機械の操作者に、対象領域に存在している地中埋設物を容易かつ確実に教示することができる地中レーダ探査装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、操作者によって操作される操作装置が設けられ、操作装置の操作に応答して走行可能な掘削機本体と、掘削機本体に設けられ、操作装置の操作に応答して移動可能な掘削部と、を含む掘削機に備えられる地中レーダ探査装置であって、
前記掘削部に設けられ、探査用電磁波を放射し、前記探査用電磁波の対象物体による反射波を受信するアンテナと、
前記掘削機本体に設けられ、前記アンテナによって受信された反射波の受信信号に基づいて、３次元の画像信号を生成する信号処理部と、
前記掘削機本体に設けられ、前記信号処理部によって生成された３次元の画像信号の画像を表示する画像表示部と、を備えることを特徴とする地中レーダ探査装置である。
【００１１】
また本発明は、前記信号処理部は、畳込みニューラルネットワークによって、前記アンテナによって受信した反射波の受信信号から前記対象物体を特徴とする複数のフレームを抽出し、抽出された各フレームを合成して、前記３次元の画像信号を生成することを特徴とする。
【００１２】
また本発明は、前記アンテナは、漏洩電界強度が３５μＶ／ｍ以下に遮蔽されていることを特徴とする。
【００１３】
また本発明は、前記信号処理部によって生成された画像信号を、前記画像表示部に無線通信によって送信する送信部を、さらに含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、本発明に係る地中レーダ探査装置は、操作装置が設けられる掘削機本体と、掘削機本体に設けられるバケットなどの掘削部とを含む掘削機に備えられる。操作装置は、オペレータとも称される操作者によって操作され、この操作者による操作装置の操作に応答して、掘削機本体が走行するとともに、掘削部が掘削機本体に対して移動し、地面または地中の掘削作業が行なわれる。
【００１５】
掘削部には、探査用電磁波を放射し、探査用電磁波の地中に埋設された対象物体による反射波を受信するアンテナが設けられる。掘削機本体には、アンテナによって受信した反射波の受信信号に基づいて、３次元の画像信号を生成する信号処理部と、信号処理部によって生成された３次元の画像信号を表示する画像表示部とが設けられる。信号処理部は、反射波の受信信号から３次元の画像信号を生成し、この３次元の画像信号の画像が掘削機本体に設けられた画像表示部に表示される。
【００１６】
このように画像表示部には、対象物体によって反射された反射波による探査画像が３次元表示されるので、レーダ探査の経験のない操作者であっても、掘削対象領域の地中に埋設物が存在していることを容易かつ確実に認識し、埋設物の損傷を確実に回避することができる。
【００１７】
また本発明によれば、信号処理部は、アンテナによって受信した反射波の受信信号から畳込みニューラルネットワークによって対象物体を特徴とする複数のフレームを抽出し、抽出された各フレームを合成して、３次元の画像信号を生成し、その画像が画像表示部に表示されるので、掘削機の操作者が地中探査画像に不慣れであっても、掘削対象領域の地中埋設物の有無を容易に認識することができる。
【００１８】
また本発明によれば、アンテナは漏洩電界強度が３５μＶ／ｍ以下に遮蔽されているので、周囲への電波障害などの悪影響を与えるおそれがなく、電波法でいう微弱無線設備として広範囲に本発明を実施することができ、汎用性の高いに係る地中レーダ探査装置を提供することができる。
【００１９】
また本発明によれば、信号処理部によって生成された画像信号を、送信部によって無線通信、たとえば無線ＬＡＮなどによって画像表示部に送信されるので、信号処理部で生成された画像信号を画像表示部に送信するための通信ケーブルなどの信号線が不要となり、掘削機本体および掘削部の移動、掘削時の土砂、岩石、周辺の構造物などへの接触による断線、損傷が防がれ、掘削機本体に対する掘削部の移動範囲・移動方向の自由度が制限されることが防がれる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態の地中レーダ探査装置を装備した掘削機１の地中探査時の状態を示す断面図である。
【図２】掘削機１のブーム収納時の状態を示す断面図である。
【図３】掘削機１の掘削時の状態を示す断面図である。
【図４】画像表示部８の正面図である。
【図５】バケット４を底部側から見た斜視図である。
【図６】バケット４を開口部側から見た斜視図である。
【図７】バケット４の断面図である。
【図８】バケット４のアンテナ６の取付け部付近を示す部分拡大断面図である。
【図９】アンテナ６を裏面側から見た斜視図である。
【図１０】アンテナ６を放射面側から見た斜視図である。
【図１１】地中レーダの原理を説明するための図である。
【図１２】代表的な対象物質の比誘電率を示す図である。
【図１３】レーダ探査の原理を説明するための図である。
【図１４】レーダ探査によって取得される画像データを３次元的に示した説明図である。
【図１５】アンテナ６のステップ周波数方式によるレーダ波形を示す図である。
【図１６】動作信号の周波数に対するスペクトルを示す図である。
【図１７】本発明の実施形態に係る地中レーダ探査装置のレーダ波形を示す図である。
【図１８】地中の異物の反応による虚像の発生原理を説明するための図である。
【図１９】画像表示部８の表示面に表示された表示画像の一例を示す図である。
【図２０】虚像を含む探査画像の一例を示す図である。
【図２１】畳込みニューラルネットワークのシステム構成を示す図である。
【図２２】入力したｎ層（ここに、ｎは正の整数）の画像データを畳込み処理して（ｎ＋１）層を作成するアルゴリズムを模式的に示す図である。
【図２３Ａ】畳込み処理とプーリング処理とを複数回行なって生成された全結合層の表示画像３０を示す図である。
【図２３Ｂ】表示画像３０中の埋設物ありの箇所の拡大図である。
【図２３Ｃ】表示画像３０中の埋設物なしの箇所の拡大図である。
【図２４Ａ】埋設物ありの箇所の教師データを示す図である。
【図２４Ｂ】埋設物ありの箇所の教師データを示す図である。
【図２４Ｃ】埋設物ありの箇所の教師データを示す図である。
【図２４Ｄ】埋設物ありの箇所の教師データを示す図である。
【図２４Ｅ】埋設物ありの箇所の教師データを示す図である。
【図２４Ｆ】埋設物ありの箇所の教師データを示す図である。
【図２４Ｇ】埋設物ありの箇所の教師データを示す図である。
【図２４Ｈ】埋設物ありの箇所の教師データを示す図である。
【図２５Ａ】埋設物なしの箇所の教師データを示す図である。
【図２５Ｂ】埋設物なしの箇所の教師データを示す図である。
【図２５Ｃ】埋設物なしの箇所の教師データを示す図である。
【図２５Ｄ】埋設物なしの箇所の教師データを示す図である。
【図２５Ｅ】埋設物なしの箇所の教師データを示す図である。
【図２５Ｆ】埋設物なしの箇所の教師データを示す図である。
【図２５Ｇ】埋設物なしの箇所の教師データを示す図である。
【図２５Ｈ】埋設物なしの箇所の教師データを示す図である。
【図２６】異物の存在箇所の表示画像を示す図である。
【図２７】異物の存在箇所の表示画像を示す図である。
【図２８】異物の存在箇所の表示画像を示す図である。
【図２９】異物の存在箇所の表示画像を示す図である。
【図３０Ａ】異物の存在箇所の表示画像を示す図である。
【図３０Ｂ】異物の存在箇所の表示画像を示す図である。
【図３０Ｃ】異物の存在箇所の表示画像を示す図である。
【図３１Ａ】単一の埋設管を検出したときの表示画像を示す図である。
【図３１Ｂ】複数の埋設管を検出したときの表示画像を示す図である。
【図３１Ｃ】複数の埋設管を検出したときの表示画像を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
（全体構成）
図１は本発明の一実施形態の地中レーダ探査装置を装備した掘削機１の地中探査時の状態を示す断面図であり、図２は掘削機１のブーム収納時の状態を示す断面図であり、図３は掘削機１の掘削時の状態を示す断面図であり、図４は画像表示部８の正面図である。本実施形態の地中レーダ探査装置は、掘削機１に装備される。掘削機１は、操作者によって操作される操作装置２が設けられ、操作装置２の操作に応答して走行可能な掘削機本体３と、掘削機本体３に設けられ、操作装置２の操作に応答して移動可能な掘削部であるバケット４とを含む。掘削機本体３は、一対の無端状の履帯１９を有し、操作装置２の操作によって任意の方向に自走することができる。
【００２２】
地中レーダ探査装置は、バケット４に設けられ、探査用電磁波を放射し、探査用電磁波のターゲットとしての対象物体である地中埋設物５による反射波を受信するアンテナ６と、掘削機本体３に設けられ、アンテナ６によって受信した反射波の受信信号に基づいて、３次元の画像信号を生成する信号処理部７と、掘削機本体３に設けられ、信号処理部７によって生成された３次元の画像信号を表示する画像表示部８とを備える。
【００２３】
画像表示部８は、たとえば液晶表示装置、プラズマ表示装置などのいわゆる車載用ディスプレイ装置によって実現することができる。画像表示部８の表示画面には、信号処理部７によって、掘削機１を運転する操作者に教示する情報として、次のように表示される。表示画面に表示される表示態様を一例として述べると、信号処理部７によって、現在の掘削情報および地中埋設管などが表示される第１表示画像８ａ、対象区間の解析結果が模式化した斜視図、任意の震度の水平断面図などによって表示される第２表示画像８ｂ、探査深度範囲を表す水平断面図が表示される第３表示画像８ｃ、表示画面切換えボタンが表示される第４表示画像８ｄ、および信号処理の種類を選択するための第５表示画像８ｅが表示される。
【００２４】
前述の第１〜第５表示画像８ａ〜８ｅを構成する表示内容を一例として述べると、次のとおりである。第１表示画像８ａは、１本の埋設管が検出されたことを表す「探査埋設管本数：１本」、バケット４の地表面からの鉛直距離である掘削深さを表す「現在の掘削深度：−４３．０ｃｍ」、検出された埋設管の深度を表す「埋設管１の深度：ＧＬ−５０．０ｃｍ」、バケット４の先端部から埋設管までの最短距離を表す「１までの最短距離：１３．０ｃｍ」、バケット４の先端部の近傍に埋設管が存在することを報知する接近アラームがオン状態であることを表す「接近アラーム：ＯＮ」などによって構成される。
【００２５】
第２表示画像８ｂは、任意の区間の解析結果が模式化した斜視図などによって構成され、操作者に調査した区間に存在する埋設物を視覚的に教示することができる。
【００２６】
第３表示画像８ｃは、任意の深度および区間の解析結果が模式化した水平断面図などによって構成され、操作者に調査した深度および区間に存在する埋設物を視覚的に教示することができる。
【００２７】
第４表示画像８ｄは、表示される探査対象画像を斜視図、水平断面図、縦断面図、横断面図、拡大／縮小などの表示態様を切換えるための複数の選択ボタンなどによって構成され、操作者が状況に応じて適切な画面を選択して表示させることができる。
【００２８】
第５表示画像８ｅは、アンテナ６から放射される電磁波の放射強度、反射波に受信感度などを選択するための複数の選択ボタンなどによって構成され、操作者が状況に応じて適切な信号処理を選択することができる。
【００２９】
本実施形態では、バックホーなどに代表される建設機械である掘削機１が路面掘削中に埋設管やケーブル類などの地中埋設物５を引っ掛けて損傷すること防止するために、レーダ探査の経験を持たない掘削機のオペレータである操作者に、地中埋設物５の存否をレーダ探査画像から明瞭に認識することができることを想定した具体例について述べる。地中埋設物５を監視しながら掘削を行うには、重機オペレータの他に別途レーダオペレータを必要とするが、掘削深度が深くなると人間が掘削範囲に入って探査を繰り返すことは危険度が高く現実的ではない。そこで本実施形態では、人工知能ＡＩをレーダ探査画像判定に応用し、掘削機１のオペレータ席の画像表示部８の画面に、誰にでも分かりやすく、地中埋設物５をリアルタイムで表示することによって、埋設物確認と掘削作業をレーダ画像解析の経験のない重機オペレータが一人で行えるように構成される。
【００３０】
前記従来技術のレーダ探査機は、路面から深度１．５ｍ程度までの地中埋設物５を捉えることができるが、深い深度になるほど反射強度が弱くなるため、レーダ探査画像の判読は難しくなる。本実施形態によれば、掘削深度は０．５ｍ程度であり、従来のレーダ探査機であっても最も感度が得られる範囲となることから、これを繰り返し行うことにより、常に高い精度の探査が可能であり、より安全な掘削作業を行うことが可能となる。また、探査→掘削→探査→掘削…を繰り返し行うことによって、地上からのレーダ探査可能な深度１．５ｍ程度よりも深い深度までエンドレスで、地中埋設物５の監視を行いながら安全に掘削作業を繰り返し行うことが可能となる。
【００３１】
本実施形態では、建設機械である掘削機１が、路面掘削中に埋設管やケーブル類などの地中埋設物５を引っ掛けて損傷すること防止するために、レーダ探査の経験を持たない掘削機のオペレータである操作者に、地中埋設物５の存否をレーダ探査画像から明瞭に認識することができる具体例について述べる。
【００３２】
図５はバケット４を底部側から見た斜視図であり、図６はバケット４を開口部側から見た斜視図であり、図７はバケット４の断面図であり、図８はバケット４のアンテナ６の取付け部付近を示す部分拡大断面図である。バケット４は、掘削機本体３から延びるブーム９の先端部に、４つのリンクピン１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄおよびリンク部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄによって構成される平行四辺形リンクによって、傾動中心軸線Ｌ１に関して傾動可能に連結される。傾動中心軸線Ｌ１は、掘削機１の姿勢にもよるが、常態としてはほぼ水平であり、４つのリンクピン１０ａ〜１０ｄの各軸線は、傾動中心軸線Ｌ１に平行である。リンクピン１０ｄの軸線方向両端部は、リンク部材１１ｃの一端にピン結合され、リンク部材１１ｃの他端には、リンクピン１０ｃの軸線方向両端部がピン結合される。リンク部材１１ｃは、ブーム９の先端部によって構成される。
【００３３】
リンク部材１０ｄの軸線方向中間部には、複動油圧シリンダＣＹ１のピストン棒ＣＹ１１の先端部が回動自在に連結される。ブーム９は、２つのアーム２１，２２と、各アーム２１，２２の互いに隣接した各一端部をピン結合する連結ピン２３と、掘削機本体３側の一方のアーム２２の一端を掘削機本体３にピン結合する連結ピン２４とを有する。掘削機本体３３には、複動油圧シリンダＣＹ２がたとえばトラニオン継手によって連結される。複動油圧シリンダＣＹ２のピストン棒ＣＹ２１の先端部は、中間ピン２５によってアーム２２の長手方向のほぼ中央部にピン結合される。中間ピン２５には、複動油圧シリンダＣＹ３が前述の複動油圧シリンダＣＹ２と同様に、たとえばトラニオン継手によってピン結合され、この複動油圧シリンダＣＹ３のピストン棒ＣＹ３１の先端部は、他方のアーム２１の一端にピン結合される。
【００３４】
バケット４は、傾動中心軸線Ｌ１に垂直な平面に沿って延びる一対の側壁１２ａ，１２ｂと、傾動中心軸線Ｌ１に垂直な断面が略Ｃ字状に湾曲した背後壁１３と、平坦状の底板部１４とを有する。バケット４は、たとえば鋼鉄製である。背後壁１３および底板部１４の傾動中心軸線Ｌ１に平行な方向における両側の側縁部は、側壁１２ａ，１２ｂの周縁部に溶接などによって接合される。各側壁１２ａ，１２ｂと背後壁１３と底板部１４とは、掘削した土砂を、開口を介して収容可能な収容空間を構成する。底板部１４には、開口に臨む、傾動中心軸線Ｌ１に平行な開口側縁部に、複数の爪部材１５が傾動中心軸線Ｌ１に沿って互いに間隔をあけて整列して、ボルトおよびナットなどによって固定される。各爪部材１５が変形または摩耗したときには、ボルトおよびナットを外して、新たなものと交換することが可能である。
【００３５】
背後壁１３には、アンテナ６が背後壁１３の外側から組込んで取り付けられる。このようにアンテナ６を背後壁１３に外側から組込んで取付けられるのは、掘削時の土砂、岩石などの衝突による破損を防ぐためである。背後壁１３へのアンテナ６の取付け部の構成について述べる。
【００３６】
背後壁１３は、ブーム９の先端部に臨んで開放した凹部２７を有し、この凹部２７の空間にアンテナ６と、アンテナ６を覆うカバー部材２８とが嵌着される。カバー部材２８は、アンテナ６からの電磁波の放射および反射波の入射を妨げない材料、たとえばベークライトから成る。カバー部材２８によって、土砂、岩石、機材および工具などの衝突が防がれ、工事で生じた泥水、雨水、硬化前のコンクリートの付着などから防護され。電磁波の放射強度および入射強度の減衰が防がれる。
【００３７】
（アンテナの構成）
図９はアンテナ６を裏面側から見た斜視図であり、図１０はアンテナ６を放射面側から見た斜視図である。アンテナ６は、一列に複数のアンテナ素子が並んだ多配列アンテナから成り、バケット４の幅Ｂによってアンテナ素子の数は異なるが、いずれの場合も、バケット４の背面の外側に取り付けられ、表面から突起せず、内側へ埋め込む構成とする。多配列アンテナを使用することによって、地中の埋設管やケーブル類の埋設方向、埋設勾配、埋設深度などの情報を１回のアンテナ走査で取得することができる。
【００３８】
アンテナ６は、エアーカップルタイプの多配列ステップ周波数方式超広帯域ダイポールアンテナを使用し、周波数帯域は５０ＭＨｚ〜１０ＧＨｚの広帯域であり、浅層〜深層までのあらゆる深度帯で高い分解能で探査画像情報を得ることができる。本実施形態において、“浅層”とは、地面からの深さが０ｍ以上０．１ｍ以下の範囲であり、“深層”とは、地面からの深さが０．１ｍを超え２．０ｍ以下の範囲である。バケット４の内部にアンテナ６を装着した場合、掘削前面方向の地中埋設物５を探査すると、アンテナ素子からの漏洩電界強度が電波法施行規則に規定される基準値、たとえば周波数帯が３２２ＭＨｚを超え１０ＧＨｚ以下の場合、電波発生源から半径３ｍの位置での電界強度が３５μＶ／ｍ以下であることを満足する必要があり、本実施形態では、アンテナ６の送受信の各アンテナ素子の一対毎に、フェライトによって漏洩電波を遮断できる構造とし、漏洩磁界強度が電波法施行規則に規定された基準値を満足することができるように構成される。
【００３９】
バケット４の背面に取付けられたアンテナ６は、外側には突出せず、内面側に膨らんだ構造となっており、掘削時の土砂などの被掘削物の接触などによる負荷が、直接アンテナ６の放射・入射面に作用しない構造としている。また、バケット４の内面側への突出量ΔＬは３ｃｍ程度のものであり、掘削能力に与える影響はほとんど発生しない。
【００４０】
掘削機１のブーム９の各関節部には、角度センサまたはエンコーダが取付けられており、各関節の動きから、アンテナ６の水平移動量および上下移動量を正確に計算して、地中埋設物５までの距離、掘削深度の情報がリアルタイムで信号処理部７に入力される。各関節の動きを検出する手法として、角度センサおよびエンコーダに代えて、直交３軸方向の加速度を検出する加速度センサが用いられてもよい。
【００４１】
（地中レーダの原理）
図１１は地中レーダの原理を説明するための図である。路面下に向けて送信された電磁波は、均質な成分中では無反射の状態で進むが、電気的性質の異なる物質の境界面では反射波が生じる。図１１に示すように、電磁波を送信アンテナから路面下に向けて放射すると、電磁波は電気的性質の異なる物質、たとえばコンクリート、鉄筋、空洞などの反射物体との境界面で反射し、再びコンクリート表面に出て、受信アンテナに到達する。その到達時間から、地中埋設物５を含む反射物体までの距離を計測し、アンテナを路面上で移動することによって、距離が最小値となる位置を平面上の位置として推定することができる。反射物体までの深さＤは、以下の式１で示される。
【数１】
2020085871.tif 000003
【００４２】
図１２は代表的な対象物質の比誘電率を示す図である。比誘電率とは、対象物質の誘電率と真空中の誘電率との比であり、地中の伝播損失に関わる。比誘電率が小さいほど伝播損失は小さくなる。したがって、比誘電率が小さいほど、探査深度は深くなる。
【００４３】
（３Ｄレーダシステムの原理）
図１３は３Ｄレーダシステムの原理を説明するための図であり、図１４はレーダ探査によって取得される画像データを３次元的に示した説明図である。本実施形態の地中レーダ探査装置には、３Ｄレーダシステムが用いられる。３Ｄレーダシステムは、並列した複数のアンテナ素子によって構成されるマルチチャンネルアンテナアレイ方式が採用され、走査することによって２０〜３０測線に相当する、畳込みニューラルネットワークによる解析用の画像データを一度に取得することができる。さらに、送受信する周波数領域を、後述の図１５に示されるように、２００ＭＨｚから段階的に最小幅周波数を２ＭＨｚ毎に高めていくステップ周波数方式が採用されるので、対象深度毎にアンテナを使い分ける必要がなくなり、各深度のデータを１つのアンテナアレイから取得することが可能である。このような構成によって、地中情報のより精度の高い３次元的な解釈を容易化、高精度化することができる。
【００４４】
また、アンテナ６は、エアーカップルボウタイポールペアによって構成されており、地上高を最大３０ｃｍまで離した状態で高速移動での探査が可能である。このような３Ｄレーダシステムは、信号処理部７のＲＯＭ（Read Only Memory）などの記憶部にアプリケーションプログラムとして記憶されており、これを実行することによって、前述の畳込みニューラルネットワークによる解析用の３次元の画像データを取得することができる。
【００４５】
（ステップ周波数方式について）
図１５はアンテナ６のステップ周波数方式によるレーダ波形を示す波形図であり、図１６は動作信号の周波数に対するスペクトルを示す図であり、図１７は超高帯域周波数応答による波形分布を示す図である。ステップ周波数は、直線的に増加していく連続正弦波からなるレーダ波形である。３Ｄレーダシステムは、周波数毎に位相および振幅を測定し、それら取得データから時間領域プロファイル（Ａ−スキャン）を構築するために逆フーリエ変換処理が行われる。３Ｄレーダシステムでは、周波数領域で収集したデータをコンピュータ上で前述の処理を行って、時間領域データに変換している。また信号処理部は、コンピュータ制御によって、探査開始から終了までに送受信する各周波数に及んで滞留時間(Dwell Time)を設定することが可能である。
【００４６】
比較例としてパルス波レーダについて述べると、パルス波レーダは、一定のパルス反復率（ＰＲＦ）をもつ非常に短いパルス波を放出して、いくつかの連続パルスからトレースして時間領域を構築するストロボサンプリングが採用されている。ストロボサンプリングは、反射波の時間領域データを直接取得しているため、エネルギの損失が大きく、周波数領域も限定される。これに対し、前述の３Ｄレーダシステムで取得した生データは、周波数領域データの逆フーリエ変換で導出した時間領域データとして両方ともに取り込んで保存が可能である。３Ｄレーダで取得した時間領域データは、パルス波レーダで取得した時間領域データに相当するが、３Ｄレーダにおける周波数領域データは、より広範囲の周波数領域での処理を可能にする。
【００４７】
超広帯域ボウタイモノポールを採用している３Ｄレーダシステムである本実施形態の地中レーダ探査装置は、前述の図１７に示されるように、２００ＭＨｚから最大３ＧＨｚの範囲まで連続した周波数帯域をカバーしている。したがって、パルス波レーダを用いて同様の調査を行うとすると、２００ＭＨｚ、４００ＭＨｚ、１０００ＭＨｚ、２０００ＭＨｚのアンテナをそれぞれ用意しなくてはならないが、本実施形態の地中レーダ探査装置は、アンテナ６を取り換えることなく、２００ＭＨｚ以上３ＧＨｚ以下の周波数帯域のデータを収集することが可能である。
【００４８】
（探査・掘削の手順）
本実施形態の地中レーダ探査装置による探査および掘削の手順は、次のとおりである。
（１）掘削対象路面にバケット４の爪先を接触させ、このときの深度をブーム９に取り付けられた角度センサまたはエンコーダによって計測し、深度０ｍとして信号処理部７の記憶装置に記憶させる。
【００４９】
（２）掘削前に路面上から掘削範囲を対象にレーダ探査を行い、路面近傍の地中に地中埋設物５が存在するか否かの確認探査を実施する。探査の結果は、運転席に設置した画像表示部８の表示画面に地下１．０ｍ付近までの地中状況が、リアルタイムで３次元表示されることで、掘削開始の可否を操作者が容易かつ確実に判断することができる。
【００５０】
（３）１回の走査による掘削深度は、地中探査なしで掘削する場合は３０ｃｍ〜５０ｃｍ程度と考えられるため、掘削前の確認探査で得られた地中１．０ｍ付近までの探査で地中埋設物５が存在しないと判断された場合は、一気に深度１．０ｍまでの掘削を行ってもよいが、安全側から掘削深度５０ｃｍ毎に確認探査を実施することが望ましい。
【００５１】
（４）地中に地中埋設物５の反応があった場合、画像表示部８の表示画面には、リアルタイムで現在の掘削深度と地中埋設物５までの深度が表示されており、現在のバケット４の爪先から地中埋設物５までの最短距離も確認できる。また、爪先と地中埋設物５までの距離が２０ｃｍ以下になった場合には、自動的に接近警報、たとえば運転席に備えられるブザーによる警報音の発生および警報ランプの点滅の両方または一方によって警報を発する機能を備えている。
【００５２】
図１８は地中の異物の反応による虚像の発生原理を説明するための図であり、図１９は画像表示部８の表示画面に表示された表示画像の一例を示す図であり、図２０は虚像を含む探査画像の一例を示す図であり、図２１は畳込みニューラルネットワークのシステム構成を示す図である。アンテナ６を用いて得られた探査信号の信号処理について述べる。アンテナ６によって受信した反射波による受信信号から明瞭な探査画像を取り出すために、画像データの認識に優れた畳込みニューラルネットワーク（Convolutional Neural Network；略称ＣＮＮ）の導入によって、より高いレベルの特徴を学習し、地中埋設物５に特化した画像抽出を行うことができるとともに、物体の位置のずれに対して頑健であるので、特徴を検知する対象が入力データのどこにあっても高精度で検知することができる移動不変性を有する。
【００５３】
図２２は入力したｎ層（ここに、ｎは正の整数）の画像データを畳込み処理して（ｎ＋１）層を作成するアルゴリズムを模式的に示す図であり、図２３Ａは畳込み処理とプーリング処理とを複数回行なって生成された全結合層の表示画像３０を示す図である。図２３Ｂは表示画像３０中の埋設物なしの箇所の拡大図であり、図２３Ｃは表示画像３０中の埋設物ありの箇所の拡大図である。ニューラルネットワークは、入力層、畳込み層、プーリング層、全結合層および分類層を含む。畳込み層は、入力した画像情報の特徴を抽出するためのものであり、複数の特徴マップによって構成される。各特徴マップの各ニューロンは、前の層の隣接するニューロンに接続され、新たな特徴マップを算出するために、入力された特徴マップと学習済みの畳込みカーネル（フィルタまたは特徴検出器ともいう。）との畳み込みを行い、その結果を活性化関数に与える。プーリング層は、特徴マップの解像度を低下させることによって空間的不変性を得るためのものであり、２つの畳込み層の間に位置している。各プーリング層の特徴マップは、対応する前の畳込み層の特徴マップに接続されており、平均プーリングおよび最大化プーリングを抽出する。いくつかの畳込み層とプーリング層とを重ね合わせることによって、より抽象的な特徴マップを抽出する。最後段の畳込み層およびプーリング層の後には、１または複数の全結合層が存在し、全結合層の各ニューロンは、前の層のすべてのニューロンにそれぞれ接続され、最終的な画像ファイルが抽出される。
【００５４】
図２４Ａ〜図２４Ｈは埋設物ありの箇所の教師データを示す図であり、図２５Ａ〜図２５Ｈは健全部の教師データを示す図である。埋設物なしの箇所を埋設物ありの箇所以外の位置から抽出した場合、図２４Ａのように画像データが抽出される。埋設物なしの箇所を一定の大きさの画像データとして抽出すると、図２４Ｂのように画像データが抽出される。埋設物ありの箇所の教師データは、図２４Ｃ〜図２４Ｈの各例のような画像データとして抽出される。埋設物なしの箇所の教師データは、図２５Ａ〜図２５Ｈの各例のような画像データとして抽出される。
【００５５】
図２６〜図２９は異物の存在箇所の表示画像を示す図である。地下に異物が存在する場合には、図２６〜図２９の各例のように、複数の長方形の枠が赤色で重なって表示され、異物が存在する箇所が３次元で強調表示される。
【００５６】
図３０Ａ〜図３０Ｃは単一の埋設管を検出したときの表示画像を示す図である。探査対象の全区間を探査した場合の検出結果は、図３０Ａのように検出した全ての埋設物が同一色の枠で３次元表示される。各枠が比較的に密に表示されている箇所は、埋設管であるとして、図３０Ｂのように、他の色、たとえば白色の背景に黒色の枠が表示されている場合、この他の色とは異なる色、たとえば赤色の枠で強調して３次元表示される。また、全区間を探査し、埋設管由来のものであると判定した場合には、図３０Ｃのように、赤色で埋設物の枠だけが強調され、３次元表示される。
【００５７】
図３１Ａは単一の埋設管を検出したときの表示画像を示す図であり、図３１Ｂは複数の埋設管を検出したときの表示画像を示す図であり、図３１Ｃは複数の埋設管を検出したときの表示画像を示す図である。全区間を探査して検出された埋設物は、図３１Ａのように、すべての埋設物が３次元表示され、すべての埋設管が単一の埋設管であることが判る。また、すべての埋設物のうち、埋設管由来であると判定された場合には、図３１Ｂのように、埋設管だけが前述と同様に、他とは異なる赤色で強調して３次元表示される。さらに、検出されたすべての埋設物のうち、埋設管以外の枠を除去すると、図３１Ｃのように、埋設管だけが３次元表示される。
【００５８】
以上のように本実施形態によれば、パワーショベル、バックホーなどの掘削機械の土砂を掘削する掘削部であるバケット４に、アンテナ６が一体に設けられる。バケット４を用いて地面を掘削する際、アンテナ６の探査範囲内に地中埋設物５の存在を確認次第、バケット４を強制停止させることによって、事故を未然に防ぐことができる。このシステムによって、工事前の調査が不要になるので、施工期間が短縮できるだけでなく、作業者の不注意あるいは操作ミスが原因で起こる事故を大幅に減らすことができる。
【００５９】
本発明に係る地中レーザ探査装置は、バックホーなどの掘削機械に搭載して地中の埋設管やケーブル類の探査に実施されるだけではなく、たとえば紛争国などに残された埋設地雷の探査にも好適に実施することができる。また自動車や軌道車両に搭載することによって、高速移動しながら非接触で地中探査、トンネル覆工背面の空洞探査などにも好適に実施することが可能である。
【符号の説明】
【００６０】
１  掘削機
２  操作装置
３  掘削機本体
４  バケット
５  地中埋設物
６  アンテナ
７  信号処理部
８  画像表示部
９  ブーム
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ  リンクピン
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ  リンク部材
１２ａ，１２ｂ  側壁
１３  背後壁
１４  底板部
１５  爪部材
１９  履帯
２１，２２  アーム
２３  連結ピン
２４  連結ピン
２５  中間ピン
２７  凹部
２８  カバー部材
ＣＹ１，ＣＹ２，ＣＹ３  複動油圧シリンダ
ＣＹ１１，ＣＹ２１，ＣＹ３１  ピストン棒
Ｌ１  傾動中心軸線
【図１】
2020085871.tif 000004
【図２】
2020085871.tif 000005
【図３】
2020085871.tif 000006
【図４】
2020085871.tif 000007
【図５】
2020085871.tif 000008
【図６】
2020085871.tif 000009
【図７】
2020085871.tif 000010
【図８】
2020085871.tif 000011
【図９】
2020085871.tif 000012
【図１０】
2020085871.tif 000013
【図１１】
2020085871.tif 000014
【図１２】
2020085871.tif 000015
【図１３】
2020085871.tif 000016
【図１４】
2020085871.tif 000017
【図１５】
2020085871.tif 000018
【図１６】
2020085871.tif 000019
【図１７】
2020085871.tif 000020
【図１８】
2020085871.tif 000021
【図１９】
2020085871.tif 000022
【図２０】
2020085871.tif 000023
【図２１】
2020085871.tif 000024
【図２２】
2020085871.tif 000025
【図２３Ａ】
2020085871.tif 000026
【図２３Ｂ】
2020085871.tif 000027
【図２３Ｃ】
2020085871.tif 000028
【図２４Ａ】
2020085871.tif 000029
【図２４Ｂ】
2020085871.tif 000030
【図２４Ｃ】
2020085871.tif 000031
【図２４Ｄ】
2020085871.tif 000032
【図２４Ｅ】
2020085871.tif 000033
【図２４Ｆ】
2020085871.tif 000034
【図２４Ｇ】
2020085871.tif 000035
【図２４Ｈ】
2020085871.tif 000036
【図２５Ａ】
2020085871.tif 000037
【図２５Ｂ】
2020085871.tif 000038
【図２５Ｃ】
2020085871.tif 000039
【図２５Ｄ】
2020085871.tif 000040
【図２５Ｅ】
2020085871.tif 000041
【図２５Ｆ】
2020085871.tif 000042
【図２５Ｇ】
2020085871.tif 000043
【図２５Ｈ】
2020085871.tif 000044
【図２６】
2020085871.tif 000045
【図２７】
2020085871.tif 000046
【図２８】
2020085871.tif 000047
【図２９】
2020085871.tif 000048
【図３０Ａ】
2020085871.tif 000049
【図３０Ｂ】
2020085871.tif 000050
【図３０Ｃ】
2020085871.tif 000051
【図３１Ａ】
2020085871.tif 000052
【図３１Ｂ】
2020085871.tif 000053
【図３１Ｃ】
2020085871.tif 000054
【手続補正書】
【提出日】令和2年3月19日(2020.3.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
操作者によって操作される操作装置が設けられ、操作装置の操作に応答して走行可能な掘削機本体と、掘削機本体に設けられ、操作装置の操作に応答して移動可能な掘削部と、を含む掘削機に備えられる地中レーダ探査装置であって、
前記掘削部に並列に設けられた複数のアンテナ素子を有し、前記複数のアンテナ素子によって２００ＭＨｚから３ＧＨｚまで周波数を段階的に高めながら走査して探査用電磁波を放射し、前記探査用電磁波の対象物体による反射波を受信するアンテナと、
前記掘削機本体に設けられ、前記アンテナによって受信された反射波の受信信号に基づいて、３次元の画像信号を生成する信号処理部と、
前記掘削機本体に設けられ、前記信号処理部によって生成された３次元の画像信号の画像を表示する画像表示部と、を備えることを特徴とする地中レーダ探査装置。
【請求項２】
前記信号処理部は、畳込みニューラルネットワークによって、前記アンテナによって受信した反射波の受信信号から前記対象物体を特徴とする複数のフレームを抽出し、抽出された各フレームを合成して、前記３次元の画像信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の地中レーダ探査装置。
【請求項３】
前記アンテナは、漏洩電界強度が３５μＶ／ｍ以下に遮蔽されていることを特徴とする請求項２に記載の地中レーダ探査装置。
【請求項４】
前記信号処理部によって生成された画像信号を、前記画像表示部に無線通信によって送信する送信部を、さらに含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の地中レーダ探査装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本発明は、操作者によって操作される操作装置が設けられ、操作装置の操作に応答して走行可能な掘削機本体と、掘削機本体に設けられ、操作装置の操作に応答して移動可能な掘削部と、を含む掘削機に備えられる地中レーダ探査装置であって、
前記掘削部に並列に設けられた複数のアンテナ素子を有し、前記複数のアンテナ素子によって２００ＭＨｚから３ＧＨｚまで周波数を段階的に高めながら走査して探査用電磁波を放射し、前記探査用電磁波の対象物体による反射波を受信するアンテナと、
前記掘削機本体に設けられ、前記アンテナによって受信された反射波の受信信号に基づいて、３次元の画像信号を生成する信号処理部と、
前記掘削機本体に設けられ、前記信号処理部によって生成された３次元の画像信号の画像を表示する画像表示部と、を備えることを特徴とする地中レーダ探査装置である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
掘削部には、アンテナの複数のアンテナ素子から２００ＭＨｚから３ＧＨｚまで周波数を段階的に高めながら走査して探査用電磁波を放射し、探査用電磁波の地中に埋設された対象物体による反射波を受信するアンテナが設けられる。掘削機本体には、アンテナによって受信した反射波の受信信号に基づいて、３次元の画像信号を生成する信号処理部と、信号処理部によって生成された３次元の画像信号を表示する画像表示部とが設けられる。信号処理部は、反射波の受信信号から３次元の画像信号を生成し、この３次元の画像信号の画像が掘削機本体に設けられた画像表示部に表示される。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
画像表示部８は、たとえば液晶表示装置、プラズマ表示装置などのいわゆる車載用ディスプレイ装置によって実現することができる。画像表示部８の表示画面には、信号処理部７によって、掘削機１を運転する操作者に教示する情報として、次のように表示される。表示画面に表示される表示態様を一例として述べると、信号処理部７によって、現在の掘削情報および地中埋設管などが表示される第１表示画像８ａ、対象区間の解析結果が模式化した斜視図、任意の深度の水平断面図などによって表示される第２表示画像８ｂ、探査深度範囲を表す水平断面図が表示される第３表示画像８ｃ、表示画面切換えボタンが表示される第４表示画像８ｄ、および信号処理の種類を選択するための第５表示画像８ｅが表示される。