(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の送信周期のパルス状の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の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電気信号の地中の伝播速度を算定し、この算定した伝播速度と地中の含水率とからこの土の乾燥密度を算定するプロセッサとを備えた土の乾燥密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波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電気信号の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土の乾燥密度の測定装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記プロセッサは、前記電気信号の送信から受信時点までの経過時間で前記送信アンテナの中心と受信アンテナの中心との間の距離を除算することにより、前記地中の電波の伝播速度を算定することを特徴とする土の乾燥密度の測定装置。
【請求項３】
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土の乾燥密度の測定装置。
【請求項４】
所定の送信周期のパルス状の電気信号を地面にほぼ平行に配置し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ほぼ平行に配置し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し、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波の伝播速度を算定し、この算定した伝播速度と地中の含水率とからこの土の乾燥密度を算定する土の乾燥密度の測定方法において、
前記地中を伝播した電波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
ことを特徴とする土の乾燥密度の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、盛土の締め固め具合を知るために、この盛土の内部の電波の伝播速度を検出し、この検出した伝播速度と別途測定あるいは推定した土の含水率とからこの盛土の乾燥密度を測定する測定装置及び測定方法に関するものであり、特に、受信電気信号の受信時点の検出の高精度化により計測精度の向上を図った土の乾燥密度の測定装置及び測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、本出願人が先に出願した「土の締め固め測定装置」と題する特許出願（特開平２ー１９６９６０号）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が増加し、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波が伝播せしめられ、送信時点と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】
この種の地中にパルス状の電気信号を送受信する測定装置は船舶などに設置されるレーダ装置など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。
【０００５】
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。
【０００６】
上述のような半値幅が１ｎｓｅｃ  程度の鋭い孤立パルスは、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、本出願人が先に出願した「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）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。
【０００７】
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土中を通して形成される電波の伝播経路は、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。このように、周波数成分によって伝播経路の土中への侵入深さ、従ってその長さが異なるため、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。
【０００８】
また、土に含まれる大きな比誘電率の水分が土の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大きくなることを示唆している。
【０００９】
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（特開平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に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）と類似のリンギング波形になることも開示されている。
【００１０】
上述した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）  には、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。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、盛土の乾燥密度の測定測定及び測定方法では、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などの諸要因に基づき、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。このため、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、しかもこのように定めた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るかが問題となる。
【００１２】
【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土の乾燥密度の測定装置及び方法によれば、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電気信号の受信時点として検出する制御・検出部とを備えている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な実施の形態によれば、上記電気信号の送信から受信時点までの経過時間で送信アンテナの中心と受信アンテナの中心との間の距離を除算することにより、地中の電波の電波速度が算定される。本発明の他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％の値に設定されている。
【００１４】
【実施例】
図１は、本発明の一実施例の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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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）サンプリングパルスに同期してホールドされる。
【００１８】
受信波形信号は、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。
【００１９】
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、帯域周波数増幅回路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ディジタル受信信号波形は、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。
【００２０】
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、受信波形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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
以上、電波の伝播経路長を送信アンテナと受信アンテナのそれぞれの中心間の距離とする構成を例示した。しかしながら、この距離に土中への侵入深さを考慮して設定した適宜な係数を乗算したものを伝播経路長とすることもできる。
【００２５】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係わる土の乾燥密度の測定装置は、受信波形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する構成であるから、受信波形中に真先に出現する高周波の成分に基づく高い測定精度を実現できる。
【００２６】
すなわち、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、しかも小さな伝播速度で、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、信号波形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。
【００２７】
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。そして、このような地中の浅い部分を伝播してくる高周波成分に着目したことに合わせて、好適には、電波の伝播距離を送信アンテナの中心と受信アンテナの中心との間の最短距離で近似される。
【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、受信波形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】本発明の一実施例の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】
0003558492.tif 000002
【図２】
0003558492.tif 000003
【図３】
0003558492.tif 000004