(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
分離体(24)の後方の物体(22,122)又は空洞を検出するための電磁検出器
(1,100)において、
上記分離体(24)の方向に電磁信号を送信する手段(18,118)と、
上記物体(22,122)及び分離体(24)から反射された電磁信号を受信する手段(20,120)と、
上記分離体(24)の電磁反射における変化を検出する手段(26,36,38,50,126,130)と、
上記電磁信号の一部分として電磁インパルスを発生する手段(10,16,104,106)と、を備え、
上記発生する手段(10,16,104,106)は、
ＰＲＦ発生器(10,104)と、
パルス信号を発生するステップ信号発生器(16,106)とを備え、
上記ステップ信号発生器(16,106)は、上記ＰＲＦ発生器(10,104)と上記送信手段(18,118)との間に接続され、そして
上記ＰＲＦ発生器(10,104)と上記検出手段(26,126)との間に接続されたレンジ遅延発生器(30)を更に備え、
上記検出する手段(26,36,38,50,126,130)は、
受信アンテナ(20,120)とゲート手段(34)との間に接続された平均化サンプル・ホールド回路手段(26,126)を備え、そして
上記ゲート手段(34)は、第２のステップ信号発生器(32)を経て上記レンジ遅延発生器(30)に接続されており、
前記電磁検出器(1,100)は、更に、
上記パルスを変調するために上記ステップ信号発生器(106)に接続されたホモダイン発振器(102)を更に備え、
上記送信手段(118)は、上記変調された信号を分離体(24)の方向に送信し、
上記受信手段(120)は、物体(122)から反射された信号を受け取り、そして
上記受信手段(120)との近位壁接近作用を大巾に減少する手段(129)を更に備え、
上記近位壁接近作用を大巾に減少する手段(129)は、上記受信手段(120)においてＤＣバイアスレベルのシフトをフィルタ除去するＡＣ結合増幅器(129)を備えている、
ことを特徴とする検出器(1,100)。
【請求項２】
上記送信手段(118)を経て送られた上記変調された信号を同期して整流するために上記ホモダイン発振器(102)及び上記ＡＣ結合増幅器(129)に接続された整流回路手段(130S,130C)を更に備えた請求項１に記載の検出器(100)。
【請求項３】
上記ホモダイン発振器(102)は、上記パルス信号を連続波（ＣＷ）信号で変調する請求項１又は２に記載の検出器(100)。
【請求項４】
上記ＡＣ結合増幅器(129)は、上記ＣＷ信号を中心とする通過帯域で動作する請求項２に記載の検出器(100)。
【請求項５】
印加電圧に比例して順次付勢される複数のインジケータ(42,162A,162B)より成るディスプレイ(40,106)を更に備え、
上記印加電圧は、反射された電磁信号の大きさに直線的に関係している請求項１乃至４のいずれかに記載の検出器(1,100)。
【請求項６】
所定の検出レンジ（レンジゲート）を設定する手段を更に備え、そして上記検出レンジは、上記分離体(24)の誘電率の平方根と共に変化する請求項１乃至５のいずれかに記載の検出器(1,100)。
【請求項７】
上記請求項１記載の送信ユニット(164)と、
上記送信ユニット(164)の各側に一般的に等距離に配置された少なくとも２つの個別の上記請求項１記載の受信ユニット(165,166)とを組み合わせて備え、
上記送信及び受信ユニット(164,165,166)は、ツールハウジング(155)に取り付けられ、
上記送信ユニット(164)は、ホモダイン発振器(102)、ＰＲＦ発生器(104)、２つのステップ信号発生器(32,106)、及び送信アンテナ(118)を備え、
各受信ユニット(165,166)は、受信アンテナ(120)、サンプル・ホールド回路(126)、ＡＣ結合増幅器(129)、同期整流器(130)、加算器(36)、ＤＣ結合増幅器(38)、及びディスプレイ(106)を備え、そして
上記送信ユニット(164)は、両受信ユニット(165,166)に共通のゲートパルスを送信することを特徴とする自動ツール構成体(163)。
【発明の詳細な説明】
政府の権利の表明
米国政府は、ローレンス・リブモア・ナショナル・ラボラトリーの運営に関し米国エネルギー庁とカリフォルニア大学との間の契約第Ｗ−７４０５−ＥＮＧ−４８号に準じて本発明の権利を有する。
発明の背景
本発明は一般に隠れた物体を探索するための検出器に関する。より詳細には、本発明は、壁、天井及び床の後方に隠れた物体を探索し、金属及び非金属の埋設物体を探索し、そして更に、固体物体内の空洞を探索するための検出器に係る。
Ｉ．木製の壁、天井及び床の後方に隠れた物体の検出
絵やキャビネットを吊るそうとする人が直面する共通の問題は、頑丈なフックを取り付けたり又はキャビネットのためのクリアランスを設けるために壁の間柱（スタッド）をいかに正確に位置決めするかである。間柱や継手を位置決めする一般的な方法は、ハンマーで軽くたたいたり、磁気コンパスで釘を探したり、釘をランダムに刺したりすることを含む。ハンマーでたたいたり磁気コンパスで探索したりすることは信頼性がなく、時間浪費であり、そしてランダムに刺すことは破壊的である。
これらの従来の方法は、電子式の壁の間柱センサが商業的に入手できるようになった時点で広範に使用されていた。ユーザは、センサを壁に対して平らに配置し、壁の広がりにわたって横方向に走査する。センサが間柱上を通過するときに垂直の一連のＬＥＤが壁の後方の間柱の存在を指示する。このセンサは、誘電体密度感知に基づいている。米国特許第４，０９９，１１８号は、キャパシタプレートと、センサ付近の壁の誘電率の変化による容量性電荷の変化を検出する回路とを有するポータブル型の電子式壁間柱センサを開示している。又、米国特許第４，４６４，６２２号は、校正手段と、壁内のＡＣラインを検出する手段とを有する同様の容量性センサを開示している。
誘電体密度感知には制約がある。センサと壁との間に小さな空気ギャップが形成された場合には、装置内部の２つの感知プレート付近の密度が実質的に変化するので、装置が不作動になる。それ故、粗面又はきめの粗い面上で間柱の位置を決めることは困難であるか又は不可能である。別の制約は、間柱の検出が介在する壁材料の誘電率によって直接影響されることである。石膏ボード、合板、ハードボード（おが屑圧縮板）及び濃密な堅木は、誘電体センサが一般に石膏ボードでは機能するが、合板の壁や木製の床や階段や家具やキャビネットでは機能しないという程度に誘電率が異なる。更に、これら従来のセンサは、壁の後方又は物体内の空洞を検出することができない。
II．煉瓦及びセメント構造体の後方の物体の検出
煉瓦及びセメント構造体の後方に隠れた金属及び非金属物体並びに空洞の位置決めは、更に複雑である。埋設した物体を位置決めする従来の方法は、物体が隠されていると考えられる一般的なエリアにおいて構造体に多数の穴を開けることを含む試行錯誤方法に基づいている。しばしば、この方法は、物体及びドリル機械にダメージを及ぼす。従来の磁気的方法は、銅の配線又はアルミニウムコンジットの検出のような用途に限定される。
III.地中物体の検出
従来、天然ガスの輸送には金属性の地中パイプがほぼ例外なく使用された。埋設された金属性パイプの位置決めは、金属が高周波数の電磁波を反射しこれを容易に検出できるので、比較的簡単である。しかしながら、地中の金属性パイプは固有の問題がある。それらは、様々な程度に腐食を受け、設置が困難であり、そして購入が益々困難且つ高価になりつつある。これらの制約により、他の形式のパイプが普及するようになった。実質的に腐食せず、軽量で、設置が容易で且つ比較的安価なポリマ系パイプが金属性パイプに急速に取って代わられている。
天然ガスの配給会社、市当局、他の公共団体及び下請業者に直面した益々増大する問題は、埋設されたポリマ系パイプラインを迅速に且つ正確に位置決めすることである。地中のプラスチックパイプは、従来の金属検出器では位置決めできないので、非金属及び金属性物体の地中検出器が発展されている。
従って、地中に埋設した物体を検出するための新規な位置決め装置であって、ポータブルで、使い易く、比較的安価で且つＦＣＣ規格のパート１５の要求事項に合致する低電力放射の位置決め装置が、未だに満足されない大きな要望となっている。更に、この新規な検出器は、スーツケース内の銃や同様の物体を位置決めするといった保安用途にも容易に使用できねばならない。
発明の要旨
新規な電磁式検出器は、分離体の後方に隠された物体又は固体物体内の空洞を位置決めするように設計される。この検出器は、２ＭＨｚのパルスを発生するＰＲＦ発生器と、２ＫＨｚの方形波を発生しそして上記ＰＲＦ発生器からのパルスを変調するためのホモダイン発振器とを備えている。送信アンテナは、変調されたパルスを分離回路を経て送信し、受信アンテナは、物体から反射された信号を受信する。
検出器の受信経路は、サンプル・ホールド（Ｓ／Ｈ）回路と、このＳ／Ｈ回路におけるＤＣバイアスレベルのシフトをフィルタ除去するＡＣ結合の増幅器と、上記ホモダイン発振器及びＡＣ結合増幅器に接続され、送信アンテナを経て送られた変調されたパルスを同期的に整流するための整流回路とを備えている。ホモダイン発振器は、ＰＲＦ発生器からの信号を連続波（ＣＷ）信号で変調し、そしてＡＣ結合増幅器は、そのＣＷ信号を中心とする通過帯域で動作する。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明による新規な電磁式の隠れた物体の検出器を示すブロック図である。
図２は、図１の検出器のタイミング図である。
図３は、図２の検出器の動作の一部を形成するレンジゲート位置決め及び反射メカニズムを示す概略図である。
図４ＡないしＤは、表面から離れたところでの不変性に対する種々のパルス形状を示しており、図４Ａは、単極ピークと指数関数的なテイルとを有する好ましいパルス形状を示し、図４Ｂは、事後シュート又はリンギングパルスを示し、図４Ｃ及び４Ｄは、得られるインジケータ信号を示している。
図５は、図１の検出器の一部分を形成するワイヤアンテナの概略図である。
図６は、図１の検出器の回路図である。
図７は、本発明による新規なホモダイン電磁式の隠れた物体の検出器の別の実施形態を示すブロック図である。
図８は、図７の検出器の種々のセクションにおける種々のタイミングチャートを示す図である。
図９Ａ及び９Ｂは、図７の検出器の回路図である。
図１０は、図１又は７の２つの一般的に同一の検出器を含む自動ツール構成体の概略図である。
図１１は、共通の送信ユニット及び２つの受信ユニットを含む別の自動ツール構成体の概略図である。
好ましい実施形態の詳細な説明
本発明の電磁式の隠れた物体の検出器の一般的な動作は、送信アンテナからパルスを放射し、光の速度で約２インチの往復走行時間に対応する短い時間中待機し、そして受信アンテナに接続されたゲートを開いて反射パルスをサンプリングできるようにすることをベースとしている。このプロセスは１ＭＨｚの速度で繰り返され、約１０，０００個の受信パルスを平均化した後に信号振幅ディスプレイを駆動できるようにする。
高レベルの平均化により、サンプリングされた信号に付随するランダムノイズは、非常に低振幅の信号を検出できる程度まで減少される。又、繰り返し動作により、全回路が非常に簡単化される。本発明は、１９９３年４月１２日に出願されたトーマスＥマクイワン氏の「超広帯域受信器(Ultra-Wideband Receiver)」と題する米国特許出願第０８／０４４，７４５号に開示された超広帯域受信器を使用する。
添付図面の特に図１は、本発明による電磁式の隠れた物体の検出器１を示すブロック図である。１ＭＨｚパルス繰り返し周波数（ＰＲＦ）発生器１０からのパルスは、２つの並列経路、即ち送信経路１２及びゲート経路１４に入力される。送信経路１２においては、ＰＲＦ発生器１０は、ステップ信号発生器１６を駆動し、これは、＋５ｖないし０Ｖの２００ｐｓの遷移をもつ送信パルスを発生し、このパルスは送信アンテナ（Ｔ）１８へ送られる。アンテナ１８の電気的な長さは、電圧ステップの含有スペクトルに対して短くセットされ、従って、アンテナ１８において微分が行われ、２００ｐｓ巾のパルスが放射される。放射されるパルスは、ＲＦサイン波の約半サイクルであると考えることができる。
受信アンテナ（Ｒ）２０は、隠れた物体、即ち壁板２４の後方の間柱２２から反射されたパルスを取り上げ、それをサンプル・ホールド（Ｓ／Ｈ）回路２６へ付与する。この回路は、ゲート経路１４からのゲートパルスによってゲート作動される。ゲートパルスは、送信アンテナ１８がパルスを放射したときから約０．５ｎｓだけ遅延される。送信経路１２へ入力されるＰＲＦ／ＰＲＩ発生器１０からのパルスは、ゲート経路１４へも同時に入力され、そこで、レンジ遅延発生器３０及びそれに続いてステップ信号発生器３２を通り、ゲートスイッチ３４を制御する２００ｐｓのゲートパルスを発生する。遅延発生器３０は、電磁式の隠れた物体の検出器１のレンジが約１ないし２インチとなるように約０．５ｎｓにセットされる。ゲートパルスは、１ないし２インチレンジからの反射パルスがサンプル・ホールド回路（Ｓ／Ｈ）２６へ入力されるようにスイッチ３４を閉じる。ステップ信号発生器３２は、ＲＣ回路３３へ接続され、Ｓ／Ｈ回路２６にゲートパルスを与える。
好ましい実施形態では、Ｓ／Ｈ回路２６は、接地されたキャパシタ２８で形成される。アンテナ１８、２０から１ないし２インチのところで生じた反射又はその欠落がサンプリングされる。サンプル・ホールド回路２６のキャパシタ２８のサイズは、各サンプルがこれを部分的にしか充電しないに充分な大きさであり、この回路が受信アンテナの信号で平衡状態に達するには約１０，０００個のサンプルが必要である。受信アンテナ２０のインピーダンスとキャパシタ２８のキャパシタンスの積は、ゲートパルスの巾より相当に大きな時定数を形成し、従って、キャパシタ２８の充電に多数のパルスを必要とする。
図２には、タイミング関係が示されている。１つのパルス繰り返しインターバル（ＰＲＩ）に対して５つの波形が示されている。送信ステップ発生器１６は、＋５Ｖないし０Ｖ、２００ｐｓのステップ信号を発生し、これは、送信アンテナ１８から２００ｐｓ巾の放射パルスを発生する。受信アンテナ２０からの反射パルスは、ゲートパルスに一致する。各受信パルスは、Ｓ／Ｈ回路２６のキャパシタ２８に増分電圧変化Ｖを発生する。キャパシタ電圧は、平均化Ｓ／Ｈ回路２６の出力である。平均化されるサンプルの数をＮとすれば、全受信パルスの増分Ｖ＝１／Ｎは、通常は約１０，０００である。
サンプル・ホールド回路２６のノイズ電圧は、平均化されるサンプル数の平方根に関連した係数、この場合は１００と、システムのＰＲＦに対する平均化回路の有効時定数及びサンプル装置の瞬時帯域巾に関連した係数、即ちサンプル・ホールド回路のサンプリングされるデータの性質から生じる係数で減少される。放射パルスの全帯域巾を有する回路に比して全部で６０ｄＢ以上のノイズ減少が得られる。
サンプル・ホールドの出力は、電圧加算素子即ち加算器３６へ送られ、これは以下に述べるようにバックグランド反射を減算する。加算器３６の出力は、典型的に利得が６０ｄＢで、通過帯域がＤＣ−１６Ｈｚの増幅器（Ａ）３８によって増幅され、ディスプレイ４０へ送られる。ディスプレイ４０は、電磁パルスの反射の大きさに直線的に関連した印加電圧に比例して順次に点灯する発光ダイオード（ＬＥＤ）４２の構成体を備えている。
ディスプレイ４０は、受信アンテナ２０に現れる約１００マイクロボルトに対応するレベルで応答を開始する。サンプル・ホールド回路２６、加算器３６及び増幅器３８の系統的なエラーは、数十ミリボルトに達するので、離れたところにある隠れた物体２２によって生じる１００マイクロボルトの変化のような小さな変化を検出するためには、このエラーを減算除去しなければならない。更に、壁２４からの前面反射もエラー電圧に寄与する。
それ故、検出器１に電力が付与されるときには、パワーオンリセット回路４４が「校正」スイッチ４６を１秒間閉じ、従って、増幅器３８のフィードバック路５０の積分器４８は、平衡状態に達するまで増幅器３８の出力にサーボ作用し、増幅器３８の出力が、積分器４８に与えられる基準電圧に強制的に等しくなるようにされる。積分器は、非常に高いＤＣ利得を有するので、増幅器３８の出力と基準との電圧差が無視できる値に減少される。ディスプレイ４０は、積分器４８と同じ基準電圧を参照し、従って、インジケータは、基準電圧からの電圧偏差に対してその応答を目盛る。このパワーオン校正シーケンスは、検出器１を、壁２４又は物体２２から反射したパルスの変化のみにより生じる電圧の変化に応答するための準備状態に保持する。
図３は、アンテナ１８、２０の幾何学形状と、空間に投射されたレンジゲート５４の有効な物理位置とを示している。その位置は、介在する建築材料の相対的な誘電率（即ち約２−３のεr）の平方根によって作用される。上面図に概略的に示されたように、送信アンテナ（Ｔ）１８及び受信アンテナ（Ｒ）２０は、ハウジング５２に収容され、壁２４に隣接して配置され、遅延発生器３０（図１）により決定されたレンジゲート５４で動作する。このレンジゲート５４は、通常は、壁の後方に約１インチ延びる。レンジゲート５４は、実際上は、カーブしている。というのは、Ｓ／Ｈ回路２６のエコー受入時間によってセットされた固定半径に対応するからである。
自由空間における伝播インピーダンスは、次の通りである。
0003701968.tif 000002
但し、μ0は真空の透磁率であり、そしてε0は真空の誘電率である。εr＝２の材料（例えば、木材）における伝播インピーダンスは、次の通りである。
0003701968.tif 000003
自由空間の伝播インピーダンスは３７７Ωであり、そして木材（εr＝２）の伝播インピーダンスは２６６Ωである。このインピーダンスの差は、間柱のような物体が存在するときに反射の大きさの差を生じる。レンジゲート位置５４における伝播インピーダンスＺｏのプロファイルが図３に示されている。
時間ドメインの反射計測（ＴＤＲ）と同一視することのできる伝送線に沿った伝播に対する一次元相似においては、間柱からの反射は、伝送線の不連続部からの反射と同等になる。Ｙ＝Ｚ（壁）／Ｚ（空間）とすれば、（Ｙ−１）／（Ｙ＋１）として定義される反射係数Γを適用して、反射パルスのどの部分が戻るかを決定することができる。例えば、壁材料がεr＝２の木材である場合には、反射の大きさは、０．１７である。従って、間柱が存在するところと存在しないところの間の反射の大きさの相違は、０．１７である。物体２２が金属である場合には、反射は、全反射、即ち１．０となる。従って、金属は、反射の大きさが５．９倍も大きいことから木材とは容易に区別できる。たとえ金属がワイヤの場合のように相当に小さな断面であっても、ワイヤと検出器のアンテナの極性が一致する限り−−これは一般に壁の後方にワイヤがありそして検出器１の向きが垂直の場合である−−実際上容易に区別できる。
本発明は、壁板２４の第１面２５からの可変の反射大きさにより生じる重大な制約を克服する。従来の間柱探知装置では、この装置がたとえ僅かな距離「Ｘ」（図４Ａ）でも壁から移動された場合には、回路がそのパワーオン校正を失う。校正がずれると、間柱の信頼性のある検出は失われる。それ故、壁板２４からの指示される反射振幅は、ハウジング−壁間の数インチの距離にわたり一定に保たれることが最も望ましい。
第１面の反射の大きさが変化する問題は、図４Ｂに示すパルス、即ち事後シュート(post-shoot)又はリンギングのいずれかを含むパルスを放射することにより生じ、これは、アンテナを通してパルスを放射するときの一般的な作用である。時間的に後で放射されるものは、意図されたレンジゲート５４より接近した物体で反射されたときにサンプル装置のゲートに入り、即ち表示されたレンジゲート５４ｘがある。従って、リンギング成分は壁２４の前面で反射され、物体２２からの反射に同時に折り込まれる。実際に、これらの前面反射は、後面反射を越えることがある。パワーオン校正中には、前面反射が減算除去され、従って、検出器は物体を適切に検出できるが、それは、検出器が表面から若干持ち上げられそして前面反射の変化により校正が変化するまでである。従って、検出器は、粗面又は非接触動作についてはほとんど裕度がない。パルスは極性変化するので、図４Ｃに示すように、インジケータ信号も極性を変化する。
この問題に対する解決策が、図４Ａ、４Ｂ及び４Ｄに、ピーク電圧と同じ電圧極性の指数関数的テイルを有する放射波形で示されている。パルスのピークが間柱の検出に対し空間的に壁の後方に位置された場合には、テイルの中心が空間的に壁の前面に位置される。校正された間柱探知装置が壁から持ち上げられたときには（「ｘ」増加）、距離の増加により生じる減少する表面返送が、壁の前面に位置することになる増加するテイル振幅によって補償される。図４Ｄは、テイルパルスの場合のインジケータ信号（増幅された反射信号）を示しており、「ｘ」の２インチの変化に対して一定の信号を示している。従って、好ましい実施形態では、検出器１は、図４Ａに示す波形を有するパルスを放射する。これは、送信アンテナ１８の適切な設計によって達成できる。
図５は、アンテナ１８、２０の好ましい形状の概略図である。アンテナ１８、２０は、グランドプレーン６０上に配置されたワイヤ５６、５８で形成され、漏洩性の伝送線又は屈曲した単極のいずれかであると考えられる。遠方の終端抵抗ＲTの値は、テイルパルスの形状に影響を及ぼし、このＲTは壁面からの距離に対して平坦な応答特性を得るように微調整することができる。
ここに示す実施例では、グランドプレーンは、銅のグランドプレーンの回路板である。アンテナは、＃２４ＡＷＧのエナメル銅線である。各アンテナは、長さＬが約１．５インチであり、そして高さＨが約０．８インチである。
送信アンテナ１８は、電圧ステップによって駆動され、その放射波形は、ＲTからの遠方反射によって生じた若干のテイルをもつパルスの傾向であり、ＲTは１．５インチワイヤの伝播インピーダンスよりも高くセットされる。サンプル／ホールド入力に終端部のない受信アンテナ２０においても同様の作用が生じる。サンプル／ホールド入力における高いインピーダンス及び寄生的キャパシタンスの組合せは、パルスのテイルを更に延ばすように受信パルスを積分する傾向となる。１．５インチワイヤの伝播インピーダンスは、約２０Ωであり、そしてＲTの値は、約３３０Ωである。
図６は、検出器１の原型実施形態である。ＰＲＦ発生器６２は、３つのインバータ（Ｉ１）で形成され、その後に、パルス巾リミッタ６４が続く。パルスは、低コストのＴＶチューナのトランジスタＱ１＝ＢＦＷ９２で形成されたステップ信号発生器６６へ送られ、その出力は、ワイヤループである送信アンテナ６８に接続される。又、ＰＲＦ発生器６２からのパルスは、レンジ遅延発生器７０を通る第２経路もたどり、この発生器は、可変抵抗及び漂遊キャパシタンスと、バッファゲートの入力キャパシタンスとで形成される。遅延されたパルスは、別のトランジスタＱ２＝ＢＦＷ９２で形成されたステップ信号発生器７２へ入力され、これはゲートパルスを発生する。
反射された信号は、受信アンテナ７４によりピックアップされ、そしてＳ／Ｈ回路７６（キャパシタ）へ入力され、該回路は、ショットキーダイオードＤ１＝ＭＢＤ７０１を通るゲートパルスによってゲート作動される。Ｓ／Ｈ回路７６からの出力は、増幅器（Ｉ２）７８へ入力される。第２の増幅器（Ｉ２）８０が、増幅器７８の出力から校正スイッチ（ＭＯＳＦＥＴ）Ｑ３（Ｉ３の一部分）を経てその入力へ戻るように接続され、ベースライン減算／積分回路を形成する。
「パワーオン」リセット回路８２（Ｉ３）は、トランジスタＱ３をオンにし、従って、増幅器７８の出力が演算増幅器８０を経てフィードバックされ、増幅器７８の入力からバックグランドを減算する。増幅器７８の入力は、Ｓ／Ｈ回路７６の出力と、増幅器８０からの校正信号とに対し加算器として働く。増幅器７８の出力は、複数の比較器（Ｉ４）で形成されたインジケータ回路８４を駆動し、これら比較器は、関連ＬＥＤを駆動する異なるレベルを基準とするものである。最も高いレベルのＬＥＤ「金属」は、比較器（Ｉ５）によってオンにされ、金属の高い反射率が高いインジケータ信号を発生する。又、低バッテリテスト回路８６（Ｉ５）及び電圧レギュレータ回路８８（Ｉ６）も含まれている。
好ましい実施形態では、Ｉ１＝７４ＨＣ０４、Ｉ２＝ＴＬＣ２７２、Ｉ３＝ＣＤ４００７、Ｉ４＝ＬＭ３２４、Ｉ５＝ＬＭ３５８、及びＩ６＝７８Ｌ０５である。本発明の検出器は、電磁パルスを伝播し、電磁的な伝播は誘電率の平方根によって大きさが決められるので、検出器は建築材料と実質的に独立している。更に、伝播パルスは、数インチのエアギャップにわたって容易に放射する。本発明の感度は、装置をコンクリートの表面から１インチ離して保持した状態でコンクリートの数インチ後方の間柱を検出できるようなものである（約４０ｄＢの信号対雑音比）。前記したように、検出器１は、種々の隠れた物体を位置決めするように同様に適用できる。
図７、８及び９には、本発明による別の電磁式の隠れた物体の検出器１００が示されている。この検出器１００は、図１の検出器１と一般的に同様に動作し、そして付加的な特徴を更に備えており、その実施について以下に詳細に述べる。検出器１００の１つのこのような特徴は、受信アンテナのインピーダンスシフトにより受信器にＤＣレベルシフトを生じさせるような受信アンテナに伴う近位壁接近作用を大巾に減少又は完全に排除することである。この目的は、ＤＣ信号が平均化サンプル・ホールド回路からディスプレイへ通過するのを防止するＡＣ結合増幅器を受信経路に使用することにより達成される。このＡＣ結合増幅器は、受信アンテナ２０への近位壁接近作用により生じるＳ／Ｈ回路２６のＤＣバイアスレベルシフトをフィルタ除去する。
検出器１００の別の新たな特徴は、壁、天井、床、地面等を何ら制限なく含む比較的薄い又は厚い分離体の後方に隠れた物体をこの検出器１００が位置決めできるような材料厚み制御である。この特徴は、何ら制限なく特に検出器をコンクリート及び石壁分離体と共に使用できるようにする。又、この厚み制御特徴は、送信器のパルスにＡＣ変調を付与しそしてこのＡＣ変調を受信器において同期的に整流し（ホモダイン技術）、それにより、受信器にＡＣ結合増幅器を使用できるようにして、近位壁接近エラーを排除することにより達成される。
検出器１は、ホモダイン動作のために変更されていた。ホモダイン技術は、ＰＲＦ発生器からの信号を放射及び検出の前に連続波（ＣＷ）信号で変調することを含む。受信増幅器は、次いで、このＣＷ信号を中心とする通過帯域で動作し、従って、ＡＣ結合される。増幅の後に、信号は、同じＣＷ信号を用いて同期して検出される。
特に図７を参照すれば、検出器１００は、通常は数ＫＨｚ（この例では２ＫＨｚ）で動作するホモダイン発振器１０２と、一般的に１ＭＨＺないし数ＭＨｚの範囲（ここに示す特定例では２ＭＨｚ）で動作するＰＲＦ発生器１０４（図１に示すＰＲＦ発生器１０と同様）とを備えている。しかしながら、ホモダイン発振器１０２が発生する信号の周波数は、ディスプレイ１０６の応答時間よりも速いことに注意されたい。又、ホモダイン信号は、数ＫＨｚ程度の平均周波数及びゼロの平均値を有するパルスの任意のシーケンスであってもよいことが明らかであろう。
ホモダイン発振器１０２及びＰＲＦ発振器１０４からの信号は、ステップ信号発生器１０６へ供給され、ここで、ホモダイン発振器１０２は、ステップ信号発生器１０６により発生されたステップ信号を振幅変調し、実際には、ステップ信号発生器を所望のホモダイン周波数、この例では２ＫＨｚでオン及びオフに切り換える。それ故、ステップ信号発生器１０６により出力されそして送信アンテナ１１８によって送信される信号は、２ＫＨｚの周波数を有するパルスの周期的なパケットを含み、各パルスは、典型的に、０．５ミリ秒のバースト間隔で２ＭＨｚの周波数のバースト（例えば、１，０００個のパルス）より成る。
パルスは、送信アンテナ１１８を経て送信されると、隠れた物体１２２から反射され、受信アンテナ１２０により受信される。物体１２２から反射された信号は、周期的パルスのシーケンスで形成され、これらは送信パケットに対応し、２ＫＨｚの周期を有している。２ＫＨｚの包絡線内の２ＭＨｚのパルス即ちバーストは、検出器１について上記したように隠れた物体から反射される。受信アンテナ１２０において、２ＫＨｚ包絡線の振幅は、隠れた物体１２２からの反射に関連している。
物体１２２から反射された波を適切に表示するために、２ＫＨｚ包絡線を積分器４８からの所定基準レベルに関連付けるのが望ましく、従って、検出器１００は、基本的に検出器１と同様に動作することができる。このため、検出器１のサンプル・ホールド回路と同様の受信器のサンプル・ホールド回路１２６は、約１ミリ秒の時間にわたって２ＭＨｚバースト（パルス）を平均化し、従って、２ＫＨｚのホモダイン周波数のみがサンプル・ホールド回路１２６に残される。ホモダイン周波数は、ＡＣ結合増幅器１２９によって増幅され、その後、同期整流器１３０によりＤＣレベルに同期的に整流される。ＡＣ増幅器１２９の効果は、検出器のＤＣバイアスレベル、即ちサンプル・ホールド回路１２６のＤＣバイアスレベルを通過できない（即ち、フィルタ除去する）ことである。
これらのＤＣバイアスレベルは、電源の変動と共に変化し、より重要なことには、受信アンテナ１２０に接近する材料と共に変化する。材料の接近作用(nearproximity effect)は、受信アンテナ１２０の特性インピーダンスを変化させ、ひいては、平均整流ゲートパルス信号を変化させる。同期整流器１３０の出力の整流されたＤＣレベルは、隠れた物体からの反射パルスを表し、検出器１００のその後の動作は、検出器１と同様である。
動作に際し、整流器スイッチ１３０Ｓは、ホモダイン発振器のサイクルの半サイクル中に閉じ、ホモダイン発振器のサイクルのこの半サイクル中にキャパシタ１３０Ｃを充電する。ホモダイン発振器のサイクルの相補的な（即ち、残りの）半サイクル中に、スイッチ１３０Ｓが開き、整流器１３０は、ホモダイン発振器１０２からの信号を検出しない。その結果、キャパシタ１３０Ｃに付与される平均信号は、ＡＣ結合増幅器１２９の出力の信号（方形波）のピーク振幅を表し、これにより、サンプル・ホールド回路１２６からのＤＣ電圧からではなく隠れた物体１２２からの反射信号に対応するＤＣ電圧を発生する。
キャパシタ１３０Ｃに発生されるＤＣ電圧は、隠れた物体１２２から反射された所望の信号と、検出器ハウジング及び直接的なアンテナ−アンテナ結合を含む種々のソースからの不所望な反射との和を表す。それ故、ターンオン時に、検出器は分離体からある距離に保持され、パワーオンリセット回路４４がスイッチ４６を閉じ、積分器４８及びそれに関連したＤＣ基準電圧によるフィードバック動作を生じさせる。従って、ＤＣ結合増幅器３８の出力は、ＤＣ基準電圧に等しくされる。
ターンオンの短時間後に、スイッチ４６が開かれ、そして積分器の出力の電圧は、上記の不所望な反射（又は信号）に対する補正を表す定常レベルに維持される。加算器３６は、この補正電圧をキャパシタ１３０Ｃの出力の電圧から減算し続け、これにより、隠れた物体１２２からの反射に非常に厳密に対応する信号を発生する。同様の動作モード及びロジックが空洞の検出に適用されることに注意されたい。
図８には、検出器１００の種々のセクションにおける種々のタイミングチャートが示されている。チャートＡか始めると、これは、ホモダイン発振器１０２の出力である点Ａの電圧に対応しそしてそれを表し、２ＫＨｚの周波数に対応する５００μｓの周期をもつパルス信号を示している。チャートＢは、ＰＲＦ発生器１０４の出力である点Ｂの電圧に対応し、２ＭＨｚの周波数に対応する５００ナノ秒の周期をもつ（そのスケールで示されていない）パルス信号を示している。
チャートＣは、ステップ信号発生器１０６の出力である点Ｃの電圧を示している。チャートＤは、サンプル・ホールド回路１２６の出力である点Ｄの電圧を、関連ＤＣ成分をもつパルス又は方形波として示している。チャートＥは、ＡＣ結合増幅器１２９の出力である点Ｅの電圧を表している。チャートＦは、パワーオンリセット中のＤＣ結合増幅器３８の出力である点Ｆの基準電圧であり、基準電圧Ｖrefに対応する。
チャートＦ’とＦ”は、空洞（チャートＦ’）及び固体物体（チャートＦ”）の検出に対応する点Ｆの電圧を表しそして検出器１００の動作を示し、軸ｘ−ｘは物体及び空洞の中心を表している。仮想線は、ディスプレイインジケータ１６２Ａ及び１６２ＢのＬＥＤが点灯する種々のレベルを表している。例えば、チャートＦ”を参照すれば、第４のＬＥＤ（４）は、検出器１００が物体１２２の中心から約１．５インチ離れるや否や点灯する。検出器１００が物体の中心に近づくにつれて、第３のＬＥＤ（３）が点灯し、次いで、第２のＬＥＤ（２）そして最後に第１のＬＥＤ（１）が点灯し、物体１２２の中心の位置を指示する。その後、検出器１００が物体１２２の中心から次第に離れるにつれて、ＬＥＤは逆の順序で点灯する。
図９Ａ及び９Ｂは、検出器１００の原型実施形態の回路図である。この回路の送信経路は、図６に示された検出器１の送信経路と一般に同様であり、ホモダイン発振器１０２を更に備えている。この発振器は、通常、ナショナル・インスツルーメントによる２つの７４ＨＣＯ４インバータ１５０、１５１を備えている。ホモダイン発振器の出力は、受信経路に沿ってステップ信号発生器１０６及び同期整流器１３０に同時に接続される。
検出器１００の回路の受信経路は、検出器１と一般的に同様であり、ＡＣ結合増幅器１２９及び同期整流器１３０を更に備えている。ＡＣ結合増幅器１２９は平均化サンプル・ホールド回路１２６と同期整流器１３０との間に接続され、該整流器は加算器３６に接続される。ＡＣ結合増幅器１２９は、増幅器として線型モードで使用されるモトローラ社による２つのＭＣ１４０６９ＵＢインバータ１５２、１５３を備えている。同期増幅器１３０は、ナショナル・セミコンダクタ社によるトランジスタ２Ｎ２２２２のようなバイポーラトランジスタ１５５を含み、これはホモダイン発振器１０２によってオン又はオフに切り換えられる。
ＤＣ結合増幅器３８は、増幅器とし線型モードで使用されるモトローラ社の２つのＭＣ１４０６９ＵＢインバータ１５６、１５７を備えている。同様に、積分器４８及びパワーオンリセット回路４４は、各々インバータ１５９、１６０のようなＭＣ１４０６９ＵＢインバータを備えている。パワーオンリセット回路４４は、更に、自己基準バッファとして働くＲＣ回路１６１を備えている。ＤＣ結合増幅器３８の出力は、ディスプレイ１０６を駆動する。当業者であれば、本発明を検討した後に、ここに示す実施形態の回路は、簡単化及び明瞭化の目的で個別部品について説明するが、これらの回路は、これらの部品を集積回路上に集積化することにより小型化できることが明らかであろう。
ディスプレイ１０６は、電磁パルスの反射の大きさに直線的に関連した印加電圧に比例して順次に点灯する複数のＬＥＤ１６２Ａ及び１６２Ｂを備えている。更に、ディスプレイ１０６は、抵抗器１６３及びインバータ１６４（７４ＨＣＯ４インバータのような）の回路網を備え、その内部の弁別レベルが、ＬＥＤ１６２Ａ及び１６２Ｂターンオンするスレッシュホールドを定める。この特定の説明では、ＬＥＤ１６２Ａは、隠れた物体の存在を指示し、そしてＬＥＤ１６２Ｂは固体物体内の空洞の存在を指示する。
空洞検出の場合には、ディスプレイ１０６に印加される電圧は、固体物体を指示する電圧に対して逆にされる（即ち、逆の極性を有する）。動作に際し、検出器１００は、分離体２４の固体部分に対して校正され、検出器１００が分離体２４に沿って移動されるときに、空洞は、校正位置よりも低い反射を生じさせ、これにより、ディスプレイインジケータ１６２Ｂを駆動する。
それ故、検出器１及び１００は、コンジット、電気配線及び釘のような隠れた金属性物体、並びに木製の壁、天井、床、煉瓦及びセメント構造体の後方にあるパイプ、間柱及び継手のような非金属性物体を、これら構造体の状態又は検出器に対するそれらの距離に係わりなく位置決めすることができる。この特徴は、短い電磁パルスを送信し、そして分離体２４から特定の位置において受信サンプル・ホールド回路１２６をレンジゲート作動する（即ち、図３に示すように所定の検出レンジ又はレンジゲート５４を設定する）ことにより隠れた物体１２２から反射をサンプリングすることによって達成される。更に、検出器１００は、分離体２４に対して移動することができると共に、分離体２４に接近保持する必要がない。
新規な検出器１及び１００は、介在する壁、天井及び床材料の誘電率によって直接影響されず、種々の誘電率を有する木製の床、階段、家具及びキャビネットのような石膏ボード、合板、ハードボード、濃密な堅木、及びタイルを含むほとんど全ての構造体において機能する。この特徴は、走査される物体の誘電率の平方根のみによって影響される電磁センサを用いることにより達成される。その結果、検出器は、容量性感知の間柱探知装置よりも誘電率の変動にほとんど影響されず、従って、より正確な測定を行えるようにする。
本発明の検出器１及び１００は、固定及び制御可能な検出又は深さ調整と共に第１表面の打ち消し作用を与える。第１表面の打ち消し作用は、送信波形を制御すると共に、パルス発生器からのパルスの特性及びアンテナの寸法及び形状を適切に選択することにより実施される。
更に、新規な検出器１及び１００は、ポータブル型で、軽量で、使い方が簡単で、信頼性があり、比較的安価で且つＦＣＣ規格のパート１５の要求事項に合致する低電力放射である。このパート１５は、送信アンテナから３ｍの距離において５００μＶ／ｍの電界強度未満であることを要求している。検出器１及び１００の電力放射は、１００μＶ／ｍであると測定されている。
本発明の検出器１及び１００は、その近傍にある通信及びワイヤレス装置及び他の検出器の動作を妨げない。これらの検出器は、非常に多数のパルスを平均化する受信器を使用することにより所要の低電力放射を達成し、高電力雪崩モードパルス発生器に依存せずに送信器を形成する。
本発明の検出器１及び１００は、建築プロセスの自動化に適用でき、例えば、建築ツール又は機器に使用してそれらの動作を制御し、建築プロセスの効率を改善することができる。
本発明の検出器１及び１００は、地中に埋設された物体を探索することができる。これは、ポータブルで、使い易く、比較的安価で、且つＦＣＣ規格のパート１５の要求事項に合致する低電力放射である。容量型の検出器は湿気のある土壌では適切に動作しないが、本発明の検出器１及び１００は、放射される信号が乾燥した土壌及び湿気のある土壌の両方を通して比較的低いロスで伝播するので、正確な読みを与える。
本発明の検出器１及び１００は、スーツケース又はブリーフケース内の銃や武器を探索するといった保安用途にも容易に利用できる。これらの検出器は、金属性の物体を検出するだけでなく、プラスチック爆弾のような高い密度を有する他の物体も検出する。一般に、衣服は、固体物体よりも反射を放出せず、従って、固体物体から容易に区別できる。検出器が保安用途に使用されるときには、より高精度の性能を得るように感度を調整又はプログラムすることができる。
図１０は、前記したいずれかの実施形態の検出器１又は１００と同様の２つの一般的に同じ検出器１５１及び１５２を備えた自動ツール構成体１５０の概略図である。検出器１５１及び１５２は、釘打ち銃のような所望のツール又はツールハウジング１５５に取り付けられる。動作に際し、検出器の一方、即ち１５１が物体（即ち、間柱）１２２に接近すると、ディスプレイのインジケータ１６２Ａ（図７）が点灯して、物体１２２の存在を指示し、一方、検出器１５２は、物体１２２の存在を検出しない。
検出器１５２が物体１２２に接近すると、そのディスプレイインジケータが点灯する。しかしながら、検出器１５１及び１５２が物体１２２（例えばこの物体があまり巾の広いものでない場合にはその中心）に対して実質的に対称的に配置されない限りは、検出器１５１及び１５２のディスプレイインジケータは、同じ指示レベルを与えない。例えば、検出器１５１の第４のＬＥＤが点灯する一方、検出器１５２の第２のＬＥＤのみが同時に点灯する。検出器１５１及び１５２が所望の位置に接近し、例えば、物体１２２の中心に対して対称的に配置されたときには、両検出器１５１及び１５２のディスプレイインジケータ１６２Ａが同じ指示レベルを与える。上記の例では、両検出器のディスプレイの第３のＬＥＤが同時に点灯する。この所望の位置に到達するや否や、一方又は両方の検出器１５１及び／又は１５２がツール（即ち、釘打ち銃）１５５へ制御信号を発生し、ツール１５５の一部を形成する釘放射部１５６を作動し、１本以上の釘を打つ。
以上の説明を検討した後に当業者に明らかなように、意図された本発明の範囲から逸脱せずに上記の構成を変更しそして種々の用途に関連して使用することができる。このような用途の幾つかの非包括的な例を以下に挙げる。ある場合には必ずしも物体１２２の中心でないところに釘を２列に平行に打つことが所望される。それ故、検出器１５１及び１５２は、これら検出器１５１及び１５２と物体１２２との間の所望の又は所定の空間関係に到達するや否や、１つ以上の釘を個々に又は遅延シーケンスで打つように釘打ち銃１５５に制御命令を発するようにプログラミング等により調整することができる。
単に説明の目的として、物体が既知の大きさ、例えば４インチの巾を有し、そして物体１２２の各縁１６０、１６１から１インチの距離に一連の釘を打つことが所望される場合には、釘打ち銃（又はツール）は、検出器１５１の第３ＬＥＤが他方の検出器１５２の第１ＬＥＤと同時に点灯するや否や、第１列の釘が完了するまで、釘を打つように命令（又はプログラミング）される。同様に、釘打ち銃１５５は、検出器１５２の第３ＬＥＤが他方の検出器１５１の第１ＬＥＤと同時に点灯するや否や、第２列の釘が完了するまで、釘を打つように命令される。
釘打ちシーケンスは、検出器１５１及び１５２の位置が物体１２２に対し意図的に又は偶発的に変化するや否や、手動で又は所望ならば自動的に中断することができる。ある用途において、釘の正確な位置が全く要求されない場合は、釘打ち銃１５５へのプログラム命令に所定のエラー余裕を含ませて、両検出器１５１及び１５２のＬＥＤインジケータが、釘打ち銃１５５の相対的な位置が許容裕度レベル内であることを指示する限り、釘を打ち続けるようにするのが望ましい。
図１１は、ツール構成体１５０と同様に動作するが、２つの検出器１５１及び１５２が単一の送信ユニット１６４及び２つの個別の受信ユニット１６５、１６６と置き換えられた別の自動的ツール構成体１６３を示している。この実施形態において、送信ユニット１６４は、ホモダイン発振器１０２、ＰＲＦ発生器１０４、２つのステップ信号発生器１０６、３２、ＲＣ回路３３、及び送信アンテナ１１８を備え、これらは上記のように（図７）接続される。ＲＣ回路３３は、ステップ信号発生器３２により発生された相当に巾の広いパルスから短いゲートパルスを形成し、そしてパルス微分回路を構成する。
受信ユニット１６５及び１６６の各々は、受信アンテナ１２０、サンプル・ホールド回路１２６、ＡＣ結合増幅器１２９、同期整流器１３０、加算器３６、ＤＣ結合増幅器３８、及びディスプレイ１０６を備え、これらは、図７について述べたように接続される。１つの構成において、受信ユニット１６５及び１６６の各々が、図７に示すように、パワーオンリセット回路４４、積分器４８及び校正スイッチ４６を備えているか、或いはこれらの部品を２つの受信ユニット１６５及び１６６間で共有することもできる。
送信ユニット１６４は、図７に示すように、ゲート接続部１６７及び整流器接続部１６８を経て各受信ユニット１６５、１６６に同時に接続される。送信ユニット１６４は、受信ユニット１６５、１６６間の中央に取り付けられるのが好ましい。しかしながら、送信ユニット１６４は、受信ユニット１６５、１６６の間又はそれらに対しツール又はツールハウジング１５５上で調整可能に取り付けできることが明らかであろう。好ましい実施形態では、送信ユニット１６４は、両受信ユニット１６５、１６６に共通のゲートパルスを送出する。図１０及び１１の上記２つの構成は、隠れた物体のより正確な位置決めにも使用できる。
本発明の以上の説明は、単なる説明に過ぎない。本発明は、上記の厳密な形態に限定されるものではなく、上記教示に鑑み明らかに多数の他の変更が可能である。本発明の原理及びその実際の用途を最も明確に説明するように実施形態を選択したことにより、当業者であれば、意図された特定の用途に適するように他の種々の変更を加えて種々の他の実施形態に本発明を最も効率的に利用することができよう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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