(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の送信周期のパルス状電気信号を発生し出力する送信回路と、地面に対してほぼ平行に配置され前記送信回路から出力されたパルス状電気信号を地中に送信する送信アンテナと、地面に対してほぼ平行に配置され前記地中を伝播した電気信号を受信する受信アンテナと、この受信アンテナに受信された受信電気信号の波形から受信時点を検出する受信回路とを備えた地中へのパルス状電気信号の送受信装置において、
前記受信回路は、
前記所定の送信周期よりも僅かに長いサンプリング周期で前記受信電気信号をサンプルホールドしてゆくことによりこの受信電気信号の時間軸を伸長するサンプルホールド回路と、
この時間軸が伸長された受信電気信号を増幅する可変利得増幅回路と、
この増幅された受信電気信号の波形をディジタル波形信号に変換するＡ／Ｄ変換回路と、
このディジタル波形信号中に最初に出現する振幅の極大値をほぼ所定値に保つように前記可変利得増幅回路の増幅利得を制御すると共に、このディジタル信号の振幅が前記所定値に対する所定の比率の閾値に最初に達した時点を前記受信時点として検出する制御・検出部と
を備えたことを特徴とする地中へのパルス状電気信号の送受信装置。
【請求項２】
請求項１において、  前記所定の閾値は、前記所定値の３乃至４％の値に設定されたことを特徴とする地中へのパルス状電気信号の送受信装置。
【請求項３】
所定の送信周期のパルス状電気信号を発生し出力する送信回路と、地面に対してほぼ平行に配置され前記送信回路から出力されたパルス状電気信号を地中に送信する送信アンテナと、地面に対してほぼ平行に配置され前記地中を伝播した電気信号を受信する受信アンテナと、この受信アンテナに受信された受信電気信号の波形から受信時点を検出する受信回路と、前記電気信号の送信から受信時点までの経過時間から地中の電気信号の伝播速度を算定する算定手段を備えた地中のパルス状電気信号の伝播速度の測定装置において、
前記受信回路は、
前記所定の送信周期よりも僅かに長いサンプリング周期で前記受信電気信号をサンプルホールドしてゆくことによりこの受信電気信号の時間軸を伸長するサンプルホールド回路と、
この時間軸が伸長された受信電気信号を増幅する可変利得増幅回路と、
この増幅された受信電気信号の波形をディジタル波形信号に変換するＡ／Ｄ変換回路と、
このディジタル波形信号中に最初に出現する振幅の極大値をほぼ所定値に保つように前記可変利得増幅回路の増幅利得を制御すると共に、このディジタル波形信号の振幅が前記所定値に対する所定の比率の閾値に最初に達した時点を前記受信時点として検出する制御・検出部と
を備えたことを特徴とする地中のパルス状電気信号の伝播速度の測定装置。
【請求項４】
所定の送信周期のパルス状電気信号を地面に対してほぼ平行に配置された送信アンテナから地中に送信し、地中を伝播した電気信号を地面に対してほぼ平行に配置された受信アンテナで受信し、この受信された受信電気信号の波形から受信時点を検出する地中へのパルス状電気信号の送受信方法において、
前記地中を伝播した電気信号を受信する際に、
前記所定の送信周期よりも僅かに長いサンプリング周期で前記受信電気信号をサンプルホールドしてゆくことによりこの受信電気信号の時間軸を伸長し、
この時間軸が伸長された受信電気信号を可変利得増幅回路で増幅し、
この増幅された受信電気信号の波形をディジタル波形信号に変換し、
このディジタル波形信号中に最初に出現する振幅の極大値をほぼ所定値に保つように前記可変利得増幅回路の増幅利得を制御すると共に、このディジタル波形信号の振幅が前記所定値に対する所定の比率の閾値に最初に達した時点を前記受信時点として検出する
ことを特徴とする地中へのパルス状電気信号の送受信方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、盛土の内部の電波の伝播速度を測定してこの盛土の締め固め具合を検出したり、地中に電気信号を送信しその反射波を受信して地中の埋設物を調査したりする目的などに利用される地中へのパルス状電気信号の送受信装置及び送受信方法などに関するものであり、特に、地中を伝播したあとのリンギング波形状の電気信号の受信時点の検出を高精度化することにより計測精度の向上を図った送受信装置及び送受信方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、本出願人の先願に係わる「土の締め固め度の測定方法及び装置」と題する特許出願（特開平９ー８９８０７号公報）などに開示されているように、盛土の密度、従って締め固め具合を測定する測定装置が知られている。この測定装置は、盛土の比誘電率がその含水率（水分含有率）と密度の増大につれて増加し、この結果、電波の伝播速度が盛土の含水率と密度の増大につれて低下するという原理を利用したものである。
【０００３】
この測定装置によれば、測定しようとする盛土の内部にパルス状の電気信号が伝播せしめられ、このパルス状の電気信号の送信時点と、地中伝播後の受信信号の受信時点との時間差（伝播所要時間）からこの盛土の内部の電波の伝播速度が測定され、この伝播速度と、別途測定ないしは推定されたこの盛土の含水率とからこの盛土の乾燥密度や締め固め具合が測定される。
【０００４】
また、本出願人が先に出願した「地中探査装置」と題する特許出願（特公平３ー４７４７４号公報）には、地中にパルス状の電気信号を送信し、地中の埋設物で生じた反射波を受信することにより、地中の埋設物を探査する地中レーダ装置が開示されている。
【０００５】
上述した盛土の締め固め度の測定や、地中埋設物の探査などを目的としてパルス状の電気信号を地中に送受信する電気信号の送受信装置は、船舶などに設置されるレーダ装置と根本的に異なる次のような特徴を有する。第１に、地中を伝播する電波が１メートル当たり10dBもの大きな減衰を受けるため、測定範囲をあまり長くはできず、高々数メートル程度に限定されるという点である。第２に、地中を伝播する電波は、周波数成分によって伝播経路や速度が異なると見られる点である。
【０００６】
第１の特徴である測定可能範囲が狭いという点から、電波の送信から受信までの時間的間隔が極めて短くなり、例えば、地中の比誘電率が16程度であれば、１メートルの伝播所要時間はほぼ13ｎsec となる。このように、この種の測定装置では、送信から受信までの時間間隔が短くなるため、必要な分解能を確保するうえで、送信対象の孤立パルスは半値幅１ｎsec 程度の極めて鋭いものが必要になる。
【０００７】
上述のような半値幅が１ｎsec 程度の鋭い孤立パルスには、直流から最高２GHz 程度にまでにわたる極めて広範囲の周波数成分が含まれる。ところで、上記本出願人の先願に係わる特許出願（特開平９ー８９８０７号公報）によれば、周波数成分が高くなるにつれて伝播経路の地表からの侵入深さが減少するという表皮効果と類似の現象が開示されている。
【０００８】
すなわち、図３に例示するように、地表Ｇにほぼ平行に配置された送信アンテナＴＸと、受信アンテナＲＸとの間に地表近傍の地中を通して形成される電波の伝播経路としては、高周波成分、低周波成分及びこれらの中間の周波数成分のそれぞれについて、ｆｈ、ｆｌ及びｆｍのように深さと経路長が異なるいわゆるマルチパス（多重伝播路）が形成される。このように、周波数成分ごとに異なる伝播経路長のマルチパスが形成されるため、図２に例示するように、受信信号の波形（Ｂ）は、送信信号の波形（Ａ）に含まれる各種の周波数成分が異なる伝播路を経た異なる遅延時間のもとに合成されることにより、大きな歪みが生じたリンギング波形になる。
【０００９】
また、土に含まれる大きな比誘電率の水分が土の比誘電率を増加させることになる。この水の比誘電率は直流成分については80程度の大きな値を示すが、GHz 帯では高周波になるにつれて水の誘電緩和周波数に接近してゆくため、この比誘電率は高周波成分になるにつれて低下してゆくと推定される。このことは、地中の電波の伝播速度は高周波成分ほど早くなることを示唆している。
【００１０】
また、本出願人の先願に係わる「レーダアンテナ」と題する特許出願（特願平９ー１１６１８９号）によれば、半値幅１ｎsec 程度の鋭いパルス状の電気信号を送受信する地中レーダにおいては、アンテナの周波数帯域の制限からも埋設物で反射されて受信される反射電気信号の波形が図２の受信波形（Ｂ）と同様にリンギング波形となることも開示されている。
【００１１】
地中ではなく空中を伝播するレーザ光線などの電磁波の送受信装置では、受信された反射波の波形は鈍化するものの依然として送信波形との相似形状のパルス状を保つ。本出願人の先願に係わる「レーザレーダ」と題する特許出願 (特開平 6ー２１４０２５号公報) に、ほぼ一定値となるように増幅した受信パルスのピーク値の出現時点を受信時点として検出する構成が開示されている。また、本出願人の先願に係わる「レーザレーダ」と題する他の特許出願 (特開平 6ー２３５７６５号公報) には、受信パルスのピーク値を検出してこのピーク値に対する一定の比率、例えば1/2 の値を閾値として動的に設定し、受信パルスの振幅がこの閾値を越えた時点を受信時点とする構成が開示されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、地中へのパルス状の電気信号の送受信装置では、地中の透過波や反射波の受信波形が、表皮効果と類似の現象によるマルチパスの形成や、伝播速度の周波数依存性や、アンテナの帯域制限特性などの各種の原因に基づき、図２の（Ｂ）に例示するような大きな歪みを受けたリンギング波形となる。この場合、このような波形上のどのような特徴的な点が出現したことをもって受信の時点と定め、しかもこのような特徴的な点が出現したことをどのようにして精度良く検出すべきかが問題となる。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記従来技術の課題を解決する本発明に係わる地中へのパルス状電気信号の送受信装置及び送受信方法によれば、所定の送信周期のパルス状電気信号を発生し出力する送信回路と、地面に対してほぼ平行に配置され前記送信回路から出力されたパルス状電気信号を地中に送信する送信アンテナと、地面に対してほぼ平行に配置され前記地中を伝播した電気信号を受信する受信アンテナと、この受信アンテナに受信された受信電気信号の波形から受信時点を検出する受信回路とを備えている。受信回路は、所定の送信周期よりも僅かに長いサンプリング周期で受信電気信号をサンプルホールドしてゆくことによりこの受信電気信号の時間軸を伸長するサンプルホールド回路と、この時間軸が伸長された受信電気信号を増幅する可変利得増幅回路と、この増幅された受信電気信号の波形をディジタル波形信号に変換するＡ／Ｄ変換回路と、このディジタル波形信号中に最初に出現する振幅の極大値をほぼ所定値に保つように前記可変利得増幅回路の増幅利得を制御すると共に、このディジタル信号の振幅が前記所定値に対する所定の比率の閾値に最初に達した時点を前記受信時点として検出する制御・検出部とを備えている。
信号の送受信装置。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な実施の形態によれば、上記所定の閾値は、上記所定値の３乃至４％の値に設定される。
【００１５】
【実施例】
図１は、本発明の一実施例に係わる地中へのパルス状信号の送受信装置を含む盛土の乾燥密度の測定装置の構成を示す機能ブロック図であり、１はディジタル・シグナル・プロセッサ（ＤＰＳ）、２はタイミング制御回路、３は送信回路、４はバラントランス、５は送信アンテナである。更に、６は受信アンテナ、７はバラントランス、８は高周波増幅回路、９はサンプル・ホールド回路、１０は帯域通過濾波回路、１１は低周波増幅回路、１２は可変利得増幅回路、１３はＡ／Ｄ変換回路、１４はＤ／Ａ変換回路、１５はγ線や中性子線などを用いた含水率の測定部である。
【００１６】
タイミング制御回路２は、ディジタル・シグナル・プロセッサ１から起動されて動作を開始すると、一定周期Ｔ（この実施例では20μsec ）の送信トリガパルスを送信回路３に供給すると共に、この送信トリガパルスの周期Ｔよりも微小量τ（τ≪Ｔ、この例では、0.1 ｎsec ) だけ大きな周期（Ｔ＋τ）のサンプリングパルスを、最初の送信トリガパルスよりも（Ｔ＋τ）だけ遅延させてサンプルホールド回路９に供給する。
【００１７】
送信回路３は、タイミング制御回路２から供給された送信トリガパルスを受けると、大電力の鋭い孤立パルス( この実施例では、半値幅約１ｎsec 、ピーク値約200 volt  の孤立パルス) を送信パルスとして発生する。この送信パルスは、２線を４線に変換するバラントランス４を通して、ボータイアンテナなどと称される平面型の送信アンテナ５に供給される。この送信パルスは、図３を参照すれば、地面とほぼ平行に保持されている送信アンテナ５（ＴＸ）から、これと地面との間の狭い空隙を介して地中に放射される。
【００１８】
地中に放射された送信パルスは、図３を参照すれば、地表を地面とほぼ平行に伝播したのち、地面とほぼ平行に保持されている受信アンテナ６（ＲＸ）と地面との間の狭い空隙を介して、この受信アンテナ６（ＲＸ）に受信される。受信アンテナ６に受信された受信信号は、４線を２線に変換するバラントランス７を通過し、高周波増幅回路８による増幅を受けたのち、サンプル・ホールド回路９に供給され、タイミング制御回路２から供給される周期（Ｔ＋τ）のサンプリングパルスに同期してホールドされる。
【００１９】
受信信号は、上記サンプリング・ホールドされることにより、その時間軸が（Ｔ／τ）倍（この実施例では、20μsec ／ 0.1ｎsec ＝２×105 ＝20万倍）に伸長された受信信号波形となる。なお、送信パルスが上述した一定の送信周期( この実施例では20μsec)で所定個数 (この実施例では2000個) 連続して送出されることにより、時間軸伸長された1 個の受信信号波形が得られる。従って、このような時間軸伸長された受信信号波形を１個得るのための所要間は40ｍsec であり、受信信号の検出範囲は、送信パルスの送出から 200ｎsec(＝0.1 ｎsec/個×2000個）の範囲である。
【００２０】
20万倍の時間軸伸長を受けることにより、数ｋHzの周波数帯域の低周波信号に変換された受信信号波形は、帯域通過濾波回路１０を通過し、低周波増幅回路１１で固定された増幅利得の低周波増幅を受けたのち、可変利得増幅（ＡＧＣ）回路１２に供給され、ここで、ディジタル・シグナル・プロセッサ１によって制御される可変利得の増幅を受ける。この可変利得の増幅を受けた時間軸伸長された受信信号波形は、Ａ／Ｄ変換回路１３に供給され、ここで、５μsec の周期でサンプリングされながらディジタル信号に変換され、ディジタル・シグナル・プロセッサ１３に供給される。
【００２１】
ディジタル・シグナル・プロセッサ１は、Ａ／Ｄ変換回路１３から供給される時間軸伸長されてディジタル化された受信信号波形を受取る。この受信信号波形は、図２の（Ｃ）に例示するようなものであり、ディジタル・シグナル・プロセッサ１は、このような受信信号波形中に出現する最初の極大値Ｖpfを検出する。具体的な一例として、ディジタル・シグナル・プロセッサ１は、受信信号の振幅が正の閾値Ｖthを越えてから再びこの閾値Ｖth未満となるまでの区間内の最大値を、この波形中に出現する最初の極大値Ｖpfとして検出する。
【００２２】
ディジタル・シグナル・プロセッサ１は、上記最初に出現した極大値Ｖpfと、入力回路（ＩＮ）１ａを介して予め設定中の所定のピーク値Ｖpp（この実施例では、１volt）とを比較する。ディジタル・シグナル・プロセッサ１は、可変利得増幅回路１２に新たに設定する増幅利得を比較結果がＶpf＜Ｖppの場合には増加させ、比較結果がＶpf＞Ｖppの場合には減少させるための利得制御信号を出力する。この利得制御信号は、Ｄ／Ａ変換回路１４でアナログ信号に変換され、可変利得制御回路１２に設定される。
【００２３】
ディジタル・シグナル・プロセッサ１は、上記可変利得の制御によってＶpfとＶppとがほぼ等しくなると、具体的には、両者の差の絶対値が所定の微小量よりも小さくなると、利得制御信号の変更を停止する。ディジタル・シグナル・プロセッサ１は、この状態において、時間軸伸長されディジタル化された受信信号波形の立ち上がり部分の振幅が、ピーク値Ｖppの３〜４％値として設定されている閾値Ｖth( 30ｍvolt〜40ｍvolt )にほぼ等しくなった時点を受信パルスの出現時点ｔr として検出する。
【００２４】
ディジタル・シグナル・プロセッサ１は、送信パルスの送信時点と受信パルスの出現時点ｔr との時間差で、図３に示すように、予め定められている送信アンテナ５（ＴＸ）の中心と受信アンテナ６（ＲＸ）の中心との間の距離ｄを除算することにより、送信パルスの地中における伝播時間を算定する。ディジタル・シグナル・プロセッサ１は、この算定した伝播速度と、含水率測定部１５で測定された地表の含水率とから、地表の乾燥密度と、締め固め度とを算定し、表示装置などで構成される出力回路（ＯＵＴ）１b に出力する。
【００２５】
以上、本発明に係わる地中への電気信号の送受信装置及び方法を土の乾燥密度と締め固め度の測定装置及び方法を例にとって説明した。しかしながら、土の乾燥密度と締め固め度の以外の土質に関する物理量を測定する装置に対しても本発明の送受信装置を適用できる。
【００２６】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係わる地中へのパルス状電気信号の送受信装置及び送受信方法は、受信信号のピーク値を基準とする代わりに、最初に出現する振幅の極大値を基準としてこれを一定値に保つように増幅利得を制御しながら受信時点を検出するための閾値を設定する構成であるから、受信信号中に真先に出現する高周波の成分に基づき高い測定精度を実現できる。
【００２７】
すなわち、地中を伝播路とする場合には、低周波成分ほど地表から離れた深く長い伝播経路を経て、あるいは小さな伝播速度で遅れて受信アンテナに到達するため、時間の経過に伴ってこのような低周波成分の合成によって形成される受信信号の波形は複雑化し、受信信号の最初の立ち上がりから遅れて出現するピーク値はその出現時点や振幅に関し  て大きな変動が生ずる。従って、このような大きな変動を伴うピーク値を基準値とする代わりに、早期に出現する最初の極大値を基準値とすることにより、受信時点の検出精度を高めることができる。
【００２８】
また、可変利得増幅回路の制御をディジタル・シグナル・プロセッサなどで実現される制御・検出部で行う構成であるから、受信信号中に出現するピーク値ではなくて最初の極大値をほぼ所定値に保つように増幅利得を制御するという込み入った機能を簡易な構成のもとに容易に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係わる地中へのパルス状電気信号の送受信装置を含む盛土の乾燥密度の測定装置の構成を示す機能ブロック図である。
【図２】送信アンテナから地中に送出される送信パルス波形と、地中を伝播したのち受信アンテナに受信される受信パルス波形を例示する波形図である。
【図３】送信パルス信号に含まれる各周波数成分に応じて地中への侵入深さと、伝播経路長が異なることを説明するための概念図である。
【符号の説明】
1     ディジタル・シグナル・プロセッサ
2     タイミング制御回路
3     送信回路
5     送信アンテナ
6     受信アンテナ
9     サンプル・ホールド回路
12    可変利得増幅回路
15    含水率測定部
【図１】
0003558491.tif 000002
【図２】
0003558491.tif 000003
【図３】
0003558491.tif 000004