(57)【要約】移動体の近傍に位置する地下のインフラストラクチャを表す三次元画像データを生成する方法であって、指向性アンテナがアンテナ回転軸の周りで回転しながら高周波エネルギを放射し反射高周波エネルギを受信する複数の収集サイクルを実行し、指向性アンテナによって実行される複数の収集サイクルのそれぞれにおいて、（ｉ）収集サイクル中に前記指向性アンテナが受信した反射高周波エネルギを表すレーダデータと、（ｉｉ）収集サイクル中のアンテナ回転軸の周りの指向性アンテナの角度位置を表す角度位置データと、（ｉｉｉ）収集サイクル中の指向性アンテナの進行位置に関する進行位置データと、を収集し、複数の収集サイクルのそれぞれで収集されたレーダデータ、角度位置データ及び進行位置データを処理して、移動体の近傍に位置する地下のインフラストラクチャを表す三次元画像データを生成する。【選択図】図２
2019501376.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動体の近傍に位置する地下のインフラストラクチャを表す三次元画像データを生成する方法であって、
前記移動体に取り付けられた指向性アンテナがアンテナ回転軸の周りで回転し、
前記指向性アンテナが、前記アンテナ回転軸の周りで回転しながら、高周波エネルギを放射し、反射した高周波エネルギを受信する複数の収集サイクルを実行し、
前記指向性アンテナによって実行される前記複数の収集サイクルのそれぞれにおいて、
（ｉ）前記収集サイクル中に前記指向性アンテナが受信した反射高周波エネルギを表すレーダデータと、
（ｉｉ）前記収集サイクル中の前記アンテナ回転軸の周りの前記指向性アンテナの角度位置を表す角度位置データと、
（ｉｉｉ）前記収集サイクル中の前記指向性アンテナの進行位置に関する進行位置データと、を収集し、
前記複数の収集サイクルのそれぞれにおいて収集されたレーダデータ、角度位置データ及び進行位置データを処理して、前記移動体の近傍に位置する地下のインフラストラクチャを表す三次元画像データを生成することを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、
前記アンテナ回転軸と前記移動体の移動方向との間の角度θを変化させることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の方法であって、
前記指向性アンテナの一次放射軸が前記移動体の下方を指している間に、前記指向性アンテナの一次放射軸が前記移動体の移動方向と反対方向の移動成分を有するように、前記アンテナ回転軸と前記移動体の移動方向との間の角度θを非ゼロ値で変化させることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一つに記載の方法であって、
前記指向性アンテナの一次放射軸と前記アンテナ回転軸に垂直な平面との間の角度φを変化させることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一つに記載の方法であって、
前記複数の収集サイクルのそれぞれにおいて前記指向性アンテナが放射する高周波エネルギは超広帯域パルスを含むことを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一つに記載の方法であって、
前記指向性アンテナは、前記高周波エネルギを放射するように構成された送信ホーンアンテナと、反射高周波エネルギを受信するように構成された受信ホーンアンテナとを含むことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一つに記載の方法であって、
ＧＰＳデバイスが収集した位置データを使用して、前記三次元画像データをグローバル座標系にマッピングすることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一つに記載の方法であって、
前記移動体に取り付けられた別の指向性アンテナが別のアンテナ回転軸の周りで回転し、
前記別の指向性アンテナが、前記別のアンテナ回転軸の周りで回転しながら、高周波エネルギを放射し、反射した高周波エネルギを受信する複数の別の収集サイクルを実行し、
前記別の指向性アンテナによって実行される前記複数の別の収集サイクルのそれぞれにおいて、
（ｉ）前記別の収集サイクル中の前記別の指向性アンテナが受信した反射高周波エネルギを表す別のレーダデータと、
（ｉｉ）前記別の収集サイクル中の前記別のアンテナ回転軸の周りの前記別の指向性アンテナの角度位置を表す別の角度位置データと、
（ｉｉｉ）前記別の収集サイクル中の前記別の指向性アンテナの進行位置に関する別の進行位置データと、を収集し、
前記複数の別の収集サイクルのそれぞれにおいて収集された別のレーダデータ、別の角度位置データ、及び別の進行位置データを処理して、前記移動体の近傍に位置する地下のインフラストラクチャを表す別の三次元画像データを生成することを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法であって、
前記指向性アンテナと前記別の指向性アンテナとは、異なる周波数の高周波エネルギを放射するように構成されていることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法であって、
前記指向性アンテナは、２５０ＭＨｚ〜７５０ＭＨｚの範囲の中心周波数を有するＵＷＢパルスを放射するように構成され、
前記別の指向性アンテナは、１．５ＧＨｚ〜２．５ＧＨｚの範囲の中心周波数を有するＵＷＢパルスを放射するように構成されることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか一つに記載の方法であって、
前記移動体が鉄道車両であることを特徴とする方法。
【請求項１２】
移動体の近傍に位置する地下のインフラストラクチャを表す三次元画像の生成に使用するためのデータを収集する装置であって、
前記移動体に搭載されるように構成されるベースユニットと、
前記ベースユニットに回転可能に取り付けられ、アンテナ回転軸の周りで回転する指向性アンテナと、
前記指向性アンテナを前記アンテナ回転軸の周りで回転させるように構成された駆動部と、を含み、
前記装置は、前記ベースユニットが搭載された前記移動体の移動中に、前記指向性アンテナが、アンテナ回転軸の周りで回転しながら、高周波エネルギを放射し、反射した高周波エネルギを受信する複数の収集サイクルを実行するように構成され、
前記装置は、前記指向性アンテナによって実行される前記複数の収集サイクルのそれぞれにおいて、
（ｉ）前記収集サイクル中に前記指向性アンテナが受信した反射高周波エネルギを表すレーダデータと、
（ｉｉ）前記収集サイクル中の前記アンテナ回転軸の周りの前記指向性アンテナの角度位置を表す角度位置データと、
（ｉｉｉ）前記収集サイクル中の前記指向性アンテナの進行位置に関する進行位置データと、を収集することを特徴とする装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の装置であって、
前記複数の収集サイクルのそれぞれにおいて収集された角度位置データ及び進行位置データを処理して、前記移動体の近傍に位置する地下のインフラストラクチャを表す三次元画像データを生成するように構成された処理ユニットを含む装置。
【請求項１４】
計算機読取可能な記憶媒体であって、
前記複数の収集サイクルのそれぞれにおいて収集されたレーダデータ、角度位置データ及び進行位置データを処理して、前記移動体の近傍に位置する地下のインフラストラクチャを表す三次元画像データを生成する処理を計算機に実行させる計算機実行可能命令を格納し、
前記レーダデータ、角度位置データ及び進行位置データは、請求項１から１１に記載の方法及び／又は請求項１２又は１３に記載の装置のいずれか一つを使用して収集されることを特徴とする記憶媒体。
【請求項１５】
実質的に、添付図面を参照して説明され、添付図面に示される実施形態である方法又は装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動体の近傍に位置する地下のインフラストラクチャ（社会基盤）を表す三次元画像データを生成する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーダは、地下の特徴の調査や輸送インフラの状況の評価に有効なツールであることが実証されている。
【０００３】
図１は、従来の技術及び既製の構成によって作られた軌道のバラスト６及び路盤７を検査するためのレーダ装置の例を示す。図１のレーダ装置は、鉄道車両３の前面の取り付けブラケット２によって固定された三つの空気結合アンテナ１によるアレイを含む。各アンテナ１からの電波の照射方向（ボアサイト）は、垂直軸方向に並んでいるので、垂直軸に対する空対地インターフェースにおける電磁波の入射角はゼロである。各アンテナは、アンテナの仕様によって決定された中心周波数で短時間のウルトラワイドバンド（ＵＷＢ）パルス（通常はリッカーウェーブレット）の組からなる波形の高周波を放射する。アンテナは、調査の要件に依存して選択される。例えば、３００〜５００ＭＨｚは、通常、０〜３メートルの深さにあるパイプ、暗渠（culvert）、空洞などの大きな特徴の検出に使用される。１ＧＨｚは、地面から１ｍ以下の小さな物体を検出するのに有効である。バラストの劣化の程度を測定するためには２ＧＨｚが使用される。小さな距離で生じる地下の誘電率の大きな変化は強い反射を生じ、移動体の制御ユニットによって処理及び記録される。放射されたＵＷＢパルスのそれぞれから生じて後方で散乱した高周波信号のエネルギは、インコヒーレントに加算されて信号対ノイズ比を増加する（この技術はスタッキングと呼ばれる）。得られたデータセットは、トレース又はＡ−スキャンとして知られる、２方向伝搬時間の関数として与えられる反射高周波信号のエネルギの振幅を示す。鉄道車両が軌道に沿って移動すると、トレースが集められて整理され、地下の縦断面（又はＢ−スキャン）を表す二次元画像データが作成される。この断面が地下の特徴を正確に表すために、鉄道車両３が走行する基準点からの距離を正確に決定しなければならない。タコメータ又はレーザ・ドップラ・エンコーダ４は、各トレースの位置を地理的に定めるための線形位置データを制御ユニットに提供できる。さらに、ＧＰＳシステム５を使用して、対象の地理的な特徴をグローバル座標系にマッピングしてもよい。例えば、グローバル座標系としてＷＧＳ８４グローバル座標系の緯度、経度を使用してもよい。
【０００４】
本願の発明者は、図１に示す装置のような現在の地下及びインフラストラクチャ調査レーダ装置には固有の制限があることを見出した。例えば、アンテナアレイは移動体を横切って横方向に伸びることができず、アンテナは垂直に固定されているので、調査領域は移動体の直下のバラスト６と路盤７に制限される。したがって、線路の中心線からオフセットが大きな位置で生じる問題は着目されていない。これの一例は、汚れた路肩のバラスト８である。典型的な鉄道では、バラスト６は、一般に、砕石を含み、石が組み合わされて、荷重が加わった軌道を静止させ、荷重を路盤に分散させ、排水を容易にする。通常、路盤７は、バラスト６を安定的に支持するために押し固められた土で作られている。その体積の約３０％は空間で構成され、各空間は平均直径１１〜２９ｍｍである。破壊又は小さな粒子又は空間への水の浸入によって引き起こされる汚れは、対荷重能力を損なう可能性がある。路肩のバラスト８は特に環境による堆積物からの汚れの影響を受けやすく、バラスト全体からの横方向の排水を妨げる可能性がある。別の例は、損傷したパイプ９が作り出す路肩のバラストに隣接する空洞１０であり、このような空間は線路が完全に損傷するまで検出されずに、潜在的に体積を増加する可能性がある。
【０００５】
本願の発明者が把握している、現在の地下及びインフラストラクチャ調査レーダ装置のさらなる課題は、レール１１が入射した高周波エネルギの全てを事実上反射することによる、レール１１の下のバラストの破壊を検出できないことである。これは、レール１１の下にレーダ影が形成され、レールとアンテナとの間の多重反射のために、地下の特徴を不明瞭にする水平の帯が画像上に現れるリングダウン効果（一種の共鳴）が生じる。従って、アンテナは、そのような相互作用を低減し最小化するように配置されなければならず、通常、レール１１の間にアンテナを配置することによって達成される。これは、システムがレールの直下のバラストの状態を判定できないことを意味する。これはまた、レールの下で最大の変形が一般的に起こるので、バラストと地下の境界の調査にも悪影響を与える。バラストの材料は地下に押し込まれ、水が集まるバラストポケット１２を形成する。さらに、アレイはわずか３本のアンテナから構成されているため、横方向の空間サンプリング密度（横方向の３点での測定）が不十分であり、アンテナの下に位置するインフラストラクチャの横方向の幾何学的配置の任意の精度での決定が困難である。図１の地下及びインフラストラクチャ調査レーダ装置を使った三次元画像データの生成は、横方向サンプリング密度の欠如のために欠陥／人工物を生成する隣接する断面間の補間を必要とする（より高密度の横方向サンプリングが、空間エイリアシングによる画像の歪みや空間エイリアシングの防止が必要である）。そのため、現在の多くの地下及びインフラストラクチャ探査レーダ装置のデータ解析は、異常を特定するために個々の断面の個別的な調査に限定されている。
【０００６】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものである。
【発明の概要】
【０００７】
本発明の第１の態様は、
移動体の近傍に位置するインフラストラクチャを含む地下を表す三次元画像データを生成する方法であって、
移動体に取り付けられた指向性アンテナがアンテナ回転軸の周りで回転し、
指向性アンテナが、アンテナ回転軸の周りで回転しながら、高周波エネルギを放射し、反射した高周波エネルギを受信する複数の収集サイクルを実行し、
指向性アンテナによって実行される複数の収集サイクルのそれぞれにおいて、
（ｉ）収集サイクル中に指向性アンテナが受信した反射高周波エネルギを表すレーダデータと、
（ｉｉ）収集サイクル中のアンテナ回転軸の周りの指向性アンテナの角度位置を表す角度位置データと、
（ｉｉｉ）収集サイクル中の指向性アンテナの進行位置に関する進行位置データと、を収集するステップと、
複数の収集サイクルのそれぞれで収集されたレーダデータ、角度位置データ及び進行位置データを処理して、移動体の近傍に位置する地下のインフラストラクチャを表す三次元画像データを生成するステップを含む。
【０００８】
このように、一つの横断面のみを使用して、移動体の周囲（下方、上方、及び側面）に位置する地下のインフラストラクチャに関する情報を提供する三次元画像データを得ることができる。さらに、移動体の移動方向に対する横方向の位置の広い範囲にわたって測定値を得ることができる（例えば、前述した図１のシステムは、移動体の移動方向に対して横方向の三つの異なる位置で測定値を取得するのみである）。
【０００９】
この開示においては、指向性アンテナは、他の方向と比べて１以上の特定の方向に、より多くの電力を放射し及び／又は受信するアンテナである。指向性アンテナの一次放射軸は、指向性アンテナが最大電力を放射する軸として理解できる。本明細書では、「ボアサイト」という用語は、指向性アンテナに関連する「一次放射軸」と交換可能に使用する。
【００１０】
この開示においては、高周波エネルギは、３００ＧＨｚから３ｋＨｚの範囲の周波数を有する電磁放射である。
【００１１】
本開示においては、「トランセクト」は、指向性アンテナのボアサイトに沿っており、移動する移動体の近傍に位置するインフラストラクチャ（例えば、地面、トンネルの壁）と交差する経路を指す。
【００１２】
好ましくは、指向性アンテナは、アンテナ回転軸に垂直な平面が少なくとも部分的に移動体の移動方向に面するように移動体に取り付けられる（以下に示す例では、θ＜９０度）
【００１３】
好ましくは、指向性アンテナは、アンテナ回転軸と移動体の移動方向との間の角度θが、例えば、０とπ／２（９０度）の間で変化するように（例えば、以下の本発明の第２の態様に関連して説明するように）、移動体に取り付けられる。
【００１４】
好ましくは、この方法は、（例えば、以下の本発明の第２の態様に関連して説明するような）アクチュエータを使用して、アンテナ回転軸と移動体の移動方向との間の角度θを変化させることを含む。
【００１５】
好ましくは、この方法は、指向性アンテナの一次放射軸が移動体の下方を指している間に、指向性アンテナの一次放射軸が移動体の移動方向と反対方向の移動成分を有するように、アンテナ回転軸と移動体の移動方向との間の角度θを非ゼロ値に変化させることを含む。このように、移動体の下の空間サンプリング密度は、移動体の上方のサンプリング密度よりも高くなる。これは、移動する移動体の下にある地下のインフラストラクチャを調査する場合に特に便利である。
【００１６】
以下でより詳細に説明するように、θを変化させることにより、得られる測定値のサンプリング密度だけでなく、レーダデータが収集される領域の横方向の範囲を変更できる。従って、θを変化させる能力は、関心のあるインフラストラクチャに合わせた測定値の調整に役立つ。
【００１７】
好ましくは、指向性アンテナの一次放射軸とアンテナ回転軸に垂直な平面との間の角度φが変化可能なように、指向性アンテナが移動体に（例えば、以下の本発明の第２の態様に関連して説明するように）取り付けられる。
【００１８】
好ましくは、この方法は、（例えば、以下の本発明の第２の態様に関連して説明するような）アクチュエータを使用して、指向性アンテナの一次放射軸とアンテナ回転軸に垂直な平面との間の角度φを変化させることを含む。
【００１９】
以下でより詳細に説明するように、θがπ／２に近ければ、装置が取り付けられた移動体は、指向性アンテナのボアサイトを不明瞭にする可能性がある。この場合、ボアサイトと移動体との交差が減少するように、φを非ゼロ値に変更することで、指向性アンテナの一次放射軸を移動体を通り越して移動できる。
【００２０】
場合によっては、典型的にはθがゼロに近ければ、好ましくはφはゼロでよい。
【００２１】
好ましくは、各収集サイクル中に指向性アンテナによって放射される高周波エネルギは、超広帯域（ＵＷＢ）パルスを含む。
【００２２】
好ましくは、各ＵＷＢパルスは、５００ＭＨｚ又は比帯域幅が２０％のうち小さい方を超える帯域幅を有する。
【００２３】
好ましくは、各ＵＷＢパルスは、持続時間２ｎｓ以下のパルス長を有する。この開示において、比帯域幅は、アンテナの帯域幅を中心周波数で除算した値で定義できる。
【００２４】
指向性アンテナによって放射される各ＵＷＢパルスは、調査の要件に応じて選択される中心周波数を有する。この中心周波数は、３００ＭＨｚから２．５ＧＨｚの範囲であり、これは、ほとんどの輸送インフラストラクチャの用途に適している。
【００２５】
勿論、当業者によって理解されるように、ＵＷＢパルス以外の高周波エネルギの形態を使用できる。
【００２６】
指向性アンテナは、１以上のアンテナ構成要素を含んでもよい。例えば、指向性アンテナは、（高周波エネルギを放射するように構成される）送信ホーンアンテナ及び（反射した高周波エネルギを受信するように構成される）受信ホーンアンテナを含んでもよい。しかし、指向性アンテナは、高周波エネルギを放射し、かつ反射した高周波エネルギを受信するように構成された単一のアンテナ構成要素を含んでもよい。
【００２７】
前述した各アンテナ構成要素は、好ましくは、ＴＥＭホーンアンテナ又は抵抗装荷ダイポールアンテナなどの非分散アンテナの構成要素である。なぜなら、これらはパルスレーダ技術で使用可能だからである。しかし、非パルスレーダ技術が使用されるならば、他のタイプのアンテナ構成要素が使用されてもよい。
【００２８】
角度位置データは、例えば光学式エンコーダを使用して収集できる
【００２９】
進行位置データは、例えばタコメータ、レーザドップラエンコーダ又はＧＰＳデバイスを使用して収集できる。
【００３０】
この方法は、ＧＰＳデバイスを用いて、指向性アンテナの位置を示す位置データをグローバル座標系（例えば、ＷＧＳ８４）で収集することを含んでもよい。
【００３１】
ＧＰＳデバイスによって収集された位置データは、進行位置データとして使用できるが、より正確な進行位置データを別の手段（例えば、タコメータ又はレーザドップラ）によって収集できる場合、ＧＰＳデータの使用は好ましくない。
【００３２】
この方法は、ＧＰＳデバイスによって収集された位置データを使用して、三次元画像データをグローバル座標系（例えば、ＷＧＳ８４）にマッピングすることを含んでもよい。これは、（例えば、ＧＰＳデバイスが所望のレベルの精度でないために）ＧＰＳデバイスによって進行位置データが収集されない場合に有用である。
【００３３】
この方法は、複数の収集サイクルのそれぞれで収集されたレーダデータ、角度位置データ及び進行位置データを記憶装置（例えば、ハードディスク）に格納するステップを含んでもよい。記憶装置は、移動体上に配置されてもよい。この場合、収集されたレーダデータは、例えば、記憶装置に記憶されたレーダデータ、角度位置データ及び進行位置データとを用いて、移動体外で処理してもよい。
【００３４】
しかし、収集されたレーダデータは、移動体上の処理ユニットによって、裏側で処理されてもよい。
【００３５】
三次元画像を生成するために収集されたレーダデータ、角度位置データ及び進行位置データの処理は、当技術分野で知られている技術を使用して、収集した高周波エネルギのコヒーレント又はインコヒーレントな加算を含んでもよい。一般に、インコヒーレントな加算は、より簡単で安価だが、コヒーレントな加算は、より高品質の三次元画像を生成する。
【００３６】
この方法は、別の三次元画像データを得るために、複数の指向性アンテナを使用してもよい。
【００３７】
例えば、この方法は、
移動体に取り付けられた別の指向性アンテナを別のアンテナ回転軸の周りで回転させ、
別の指向性アンテナが、別のアンテナ回転軸の周りで回転しながら、高周波エネルギを放射し、反射した高周波エネルギを受信する複数の別の収集サイクルを実行し、
別の指向性アンテナによって実行される複数の別の収集サイクルのそれぞれにおいて、
（ｉ）別の収集サイクル中に別の指向性アンテナが受信した反射高周波エネルギを表す別のレーダデータと、
（ｉｉ）別の収集サイクル中の別のアンテナ回転軸の周りの別の指向性アンテナの角度位置を表す別の角度位置データと、
（ｉｉｉ）別の収集サイクル中の別の指向性アンテナの進行位置に関する別の進行位置データと、を収集するステップと、
複数の別の収集サイクルのそれぞれで収集された別のレーダデータ、別の角度位置データ及び別の進行位置データを処理して、移動体の近傍に位置する地下のインフラストラクチャを表す別の三次元画像データを生成するステップを付加的に含んでもよい。
【００３８】
本明細書で指向性アンテナに関連して説明される任意の方法、ステップ又は特徴は、別の指向性アンテナ軸に適用してもよい。
【００３９】
例えば、主の指向性アンテナ及び別の指向性アンテナが、主のアンテナ回転軸の周りで回転するアンテナアセンブリに取り付けられる場合のように、別のアンテナ回転軸は、主のアンテナ回転軸と同じでもよい。
【００４０】
別の収集サイクルは、主の収集サイクルとインターリーブに又は同時に実行されてもよい。主の指向性アンテナと別の指向性アンテナとの間に十分なアイソレーションがあって、異なる周波数帯域を使用するか、物理的な形状において干渉を最小限に抑えることができる場合、主の収集サイクルと同時に別の収集サイクルを実行すると便利である。主の収集サイクル及び別の収集サイクルをインターリーブする（すなわち、主の収集サイクル及び別の収集サイクルを異なる時間に交互に行う）ことは、経時的な地下の状態の変化を監視するために有効であり、及び／又は、主の指向性アンテナと別の指向性アンテナとの間の分離が限定的である場合に有効である。
【００４１】
主の指向性アンテナ及び別の指向性アンテナは、異なる周波数の高周波エネルギを放射するように構成されてもよい。
【００４２】
例えば、主の指向性アンテナ及び別の指向性アンテナは、異なる中心周波数を有するＵＷＢパルスを放射するように構成されてもよい。例えば、指向性アンテナは、２５０MHｚ〜７５０ＭＨｚの範囲（例えば、５００ＭＨｚ）（例えば、鉄道インフラストラクチャ用途において大きな特徴の検出に有用である）の中心周波数を有するＵＷＢパルスを放射するように構成してもよく、１．５ＧＨｚ〜２．５ＧＨｚの範囲内（例えば、２ＧＨｚ）（鉄道インフラストラクチャ用途におけるバラスト調査に有用である）の中心周波数を有するＵＷＢパルスを放射するように構成してもよい。
【００４３】
三次元画像データは、別の三次元画像データから別の画像を生成するために使用されてもよい。また、主の三次元画像データ及び別の三次元画像データを使用して、別の三次元画像データが主の三次元画像データに重畳された画像を生成してもよい。
【００４４】
移動体は、地上を走行する車両、すなわち地面に接して動くように構成された車両でもよい。
【００４５】
移動体は、鉄道車両（例えば、列車）でもよい。しかし、移動体は、道路を走行する車両、水上の移動体（例えば、ボート）又は航空機（例えば、飛行機、ヘリコプター、飛行船、ドローン等の無人航空機）でもよい。
【００４６】
例えば、以下の本発明の第２の態様に関連して説明するように、指向性アンテナ（及び、この方法で使用される１又は複数の他の構成要素）は、移動体の近傍に位置する地下のインフラストラクチャを表す三次元画像を生成するのに使用するためのデータを収集する装置に含めてもよい。
【００４７】
本発明の第２の態様は、移動体の近傍に位置する地下のインフラストラクチャを表す三次元画像を生成する際に使用するためのデータを収集する装置に関する。
【００４８】
例えば、本発明の第２の態様は、移動体の近傍に位置する地下のインフラストラクチャを表す三次元画像を生成するのに使用するためのデータを収集する装置であって、
移動体に搭載されるように構成されるベースユニットと、
ベースユニットに回転可能に取り付けられ、アンテナ回転軸の周りで回転する指向性アンテナと、
指向性アンテナがアンテナ回転軸の周りで回転するように構成された駆動部と、を含み、
装置は、ベースユニットが搭載された移動体の移動中に、指向性アンテナが、アンテナ回転軸の周りで回転しながら、高周波エネルギを放射し、反射した高周波エネルギを受信する複数の収集サイクルを実行するように構成され、
装置は、指向性アンテナによって実行される複数の収集サイクルのそれぞれにおいて、
（ｉ）収集サイクル中に指向性アンテナが受信した反射高周波エネルギを表すレーダデータと、
（ｉｉ）収集サイクル中のアンテナ回転軸の周りの指向性アンテナの角度位置を表す角度位置データと、
（ｉｉｉ）収集サイクル中の指向性アンテナの進行位置に関する進行位置データとを収集する。
【００４９】
複数の収集サイクルのそれぞれで収集されたレーダデータ、角度位置データ及び進行位置データは、後に処理されて、本発明の第１の態様に関連して前述した方法に従って、移動体の近傍に位置する地下のインフラストラクチャを表す三次元画像データを生成できる。
【００５０】
この装置は、ここで議論されるように、本発明の第１の態様に関連して説明した方法の任意のステップを実施するための手段を有するか又は実施するための手段を有するように構成できる。
【００５１】
この装置は、複数の収集サイクルのそれぞれで収集された角度位置データ及び進行位置データを、例えば、本発明の第１の態様に関連して前述した方法に従って（例えば、プログラムされた）処理をして、移動体の近傍に位置する地下のインフラストラクチャを表す三次元画像を生成するように構成される処理ユニット（例えば、コンピュータ）を含んでもよい。
【００５２】
処理ユニットは、移動体上に又は（処理ユニットが移動体から離れている場合）移動体外に配置されてもよい。
【００５３】
この装置は、回転軸／ヒンジの周りを回転可能なアームを含み、アンテナはアームに取り付けられ、アンテナ回転軸とベースユニットが取り付けられている移動体の移動方向との間の角度θは、その回転軸／ヒンジの周りでのアームの回転によって変化する。装置は、角度θを変化させるように回転軸／ヒンジの周りでアームを回転させるように構成されたアクチュエータ（例えば、リニアアクチュエータ）を含んでもよい。
【００５４】
指向性アンテナは、例えば、回転軸／ヒンジの周りでアンテナアセンブリが回転することによって、指向性アンテナの一次放射軸とアンテナ回転軸に垂直な平面との間の角度φが変化するように、別の回転軸／ヒンジを介してベースユニットに取り付けられてもよい。装置は、角度φを変化させるように、回転軸／ヒンジの周りでアンテナアセンブリを回転させるように構成されたアクチュエータ（例えば、リニアアクチュエータ）を含んでもよい。
【００５５】
指向性アンテナは、一つ以上のアンテナ構成要素を含んでもよい。
【００５６】
この装置は、例えば、光学エンコーダなどの、角度位置データを収集するように構成されるデバイスを含んでもよい。
【００５７】
この装置は、例えば、 タコメータ、レーザドップラエンコーダ又はＧＰＳデバイスなどの、進行位置データを収集するように構成されるデバイスを含んでもよい。
【００５８】
この装置は、グローバル座標系における指向性アンテナの位置を示す位置データを収集するように構成されたＧＰＳデバイスを含んでもよい。
【００５９】
この装置は、複数の収集サイクルのそれぞれで収集されたレーダデータ、角度位置データ及び進行位置データを格納するように構成された記憶装置を含んでもよい。
【００６０】
この装置は、本発明の第１の態様に関連して説明した方法の任意のステップを実施するための手段を具現化するように構成された別の指向性アンテナを含んでもよい。
【００６１】
例えば、別の指向性アンテナが、別のアンテナ回転軸の周りで回転可能にベースユニットに取り付けられてもよく、
この装置は、別の指向性アンテナを別のアンテナ回転軸の周りで回転させるように構成された駆動部と、
ベースユニットが取り付搭載された移動体の移動中に、別の指向性アンテナが、別のアンテナ回転軸の周りで回転しながら、高周波エネルギを放射し、反射した高周波エネルギを受信する複数の収集サイクルを実行するように構成され、
別の指向性アンテナによって実行される複数の別の収集サイクルのそれぞれにおいて、
（ｉ）別の収集サイクル中に別の指向性アンテナが受信した反射高周波エネルギを表す別のレーダデータと、
（ｉｉ）別の収集サイクル中の別のアンテナ回転軸の周りの別の指向性アンテナの角度位置を表す別の角度位置データと、
（ｉｉｉ）別の収集サイクル中の別の指向性アンテナの進行位置に関する別の進行位置データとを収集する。
【００６２】
主の指向性アンテナ及び別の指向性アンテナが、駆動ユニットによってアンテナ回転軸の周りを回転するアンテナアセンブリに取り付けられる場合のように、別のアンテナ回転軸は、主のアンテナ回転軸と同じでもよく、別の駆動ユニットは、駆動ユニットと同じでもよい。
【００６３】
ベースユニットは、地上を走行する移動体、例えば鉄道車両、に搭載されるように構成されてもよい。
【００６４】
本発明の第３の態様は、コンピュータにレーダデータ、角度位置データ及び進行位置データを処理させて、移動体の近傍に位置する地下のインフラストラクチャを表す三次元画像データを生成するように構成されたコンピュータで実行可能な命令が記憶されたコンピュータ読取可能媒体に関する。
【００６５】
例えば、本発明の第３の態様は、コンピュータに、複数の収集サイクルのそれぞれで収集されたレーダデータ、角度位置データ及び進行位置データを処理して、移動体の近傍に位置する地下のインフラストラクチャを表す三次元画像データを生成するように構成されたコンピュータ実行可能命令が記録されたコンピュータ読取可能媒体を提供できる。レーダデータ、角度位置データ及び進行位置データは、本発明の第１の態様に関連して前述した方法（処理ステップを除く）、及び／又は本発明の第２の態様に関連して前述した装置を使用できる。
【００６６】
また、本発明は、そのような組み合わせが明らかに許されないか又は明白に回避される場合を除いて、記載される態様及び好ましい特徴の任意の組み合わせを含む。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
これらの提案の例は、添付の図面を参照して説明される。
【図１】従来の技術及び市販の構成要素に従って作られたレール軌道のバラスト及び地下を検査するレーダ装置の例を示す。
【図２】移動体の近傍に位置する地下のインフラストラクチャを表す三次元画像を生成する際に使用するためにデータを収集する装置例の動作を示す。
【図３】図２の装置例における静止座標系Ｏに対するボアサイトの動きを記述する空間曲線を示し、θの値が（ａ）は０度、（ｂ）は４５度、（ｃ）は６０度、（ｄ）は７５度である。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は、図２の装置の例のさらなる詳細を示す。
【図５】図２の装置例におけるのアンテナアセンブリのさらなる詳細を示す。
【発明を実施するための形態】
【００６８】
一般に、以下の議論は、３次元立体画像を生成でき、入射角が時間変化する地下調査レーダ装置を提供するものである我々の提案の例を記載する。これらの例では、アンテナアセンブリが機械的に回転し、回転軸の周りで３６０度の全周からデータを収集できる。従って、入射する電磁波の入射角は、回転周期にわたって変化する。指向性アンテナが取り付けられた移動体の移動方向とアンテナ回転軸との間の角度θは、側方の領域内では、よりサンプリング密度が高くなるように変化し、このサンプリング密度が高い角度は全角度範囲では必要ない。
【００６９】
以下に説明する実施例の重要な利点は、指向性アンテナが取り付けられた移動体の移動方向に対する横方向の広範囲の位置にわたって得られたレーダ測定値を収集しながら、単一のトランスセクトのみを使用して３次元立体画像を生成する能力である。
【００７０】
このような画像を既存のシステムで作成するには、スタッガードアンテナアレイ（２列以上のアンテナの列で、各行のアンテナが他の列のアンテナからオフセットして配置されている）を使用するか、複数の隣接するトランセクトを得るために単一のアンテナを使用する（一つのアンテナを用いて第１の固定位置で測定値を取得し、次に当該アンテナを新たな固定位置に移動させて更なる測定値を得ることにより、複数のトランセクトを時間的にずらすことができる）。しかし、スタッガードアンテナアレイは高価であり、大きさの制限による走査範囲の制限が依然としてあり、複数の隣接するトランセクトを得るために一つのアンテナを使用することは、（測定を迅速に行う必要があるため ）道路及び鉄道ネットワークを含む輸送用途には実現できない。
【００７１】
有利なことに、以下に説明する実施例は、サンプリング点を別の垂直面内に置くことを制限しないので、横方向と縦方向のサンプリング密度の比が比較的高くなり、横方向のサンプル分布がより広がる。指向性アンテナが回転することによって、トランセクトから比較的大きな距離で地下の特徴を検出し画像化でき、これは輸送インフラストラクチャの評価に有利である。現在のシステムの走査領域の外側で発生する問題（例えば、図１に示す路肩のバラスト８、損傷したパイプ９及び空洞１０）を、特定のメンテナンスで識別して修正できる。レール特有の用途では、放射される高周波エネルギの（垂直軸に対して）斜めの入射角は、レールの下におけるバラストの評価能力を高める。なぜなら、放射される高周波エネルギの波動ベクトルは水平成分を有するからである。レールによるレーダの影が残っているが、この影は軌道からずれている。軌道の真下のレールのバラストは欠陥が頻繁に発生する場所であるため、この評価は重要である。
【００７２】
最後に、以下に説明する実施例は、移動体の上方及び側方の擁壁及びトンネルを検査する固有の能力を有する。米国国立アカデミーの米国交通輸送調査委員会（２０１５年３月１９日に米国交通輸送調査委員会が発行した「Mapping Voids, Debonding, Delaminations, Moisture, and Other Defects Behind or Within Tunnel Linings」）は、固定されたアンテナを用いて、トンネル壁内の２０ｃｍの深さまでの空気や水で満たされた大きな空間を検出する空中結合型地中探査レーダ（ＧＰＲ）の有効性を示す。既知の技術を用いて、コンクリートの層間剥離を引き起こす可能性がある小さい欠陥は、例示された装置を用いて表面誘電率を決定することによって、その位置を明らかにできる。通常のコンクリートは全体として８−１２の比誘電率を有する。しかし、表面近傍の空間は、表面反射を妨害する後方散乱を生じる。これは、反射された信号振幅の測定から計算された見かけの誘電率の変動を引き起こす。以下に説明する例は、トンネルの内面全体を走査し、表面誘電率の変化を見つけることができる。この表面誘電率の変化は他の診断技術を用いてさらに調査できる。
【００７３】
図２は、移動体の近傍に位置する地下のインフラストラクチャを表す三次元画像を生成する際に使用するためのデータを収集する装置の例の動作を示す。
【００７４】
図２は、二つのアンテナ構成要素、すなわち送信ホーンアンテナ１４及び受信ホーンアンテナ１５を含む装置例の指向性アンテナを示す。送信ホーンアンテナ１４及び受信ホーンアンテナ１５は、横方向電磁界（ＴＥＭ）ホーンアンテナでもよい。
【００７５】
図２に示すように、送受信ＴＥＭホーンアンテナ１４、１５は、角速度ベクトルΩによって規定されるアンテナ回転軸を中心に回転する。送信ＴＥＭホーンアンテナ１４及び受信ＴＥＭホーンアンテナ１５は、軌道の中心線１６の真上の高さｈの位置に配置される。角速度ベクトルΩは、ｘ１及びｘ２を含む水平面内にある。ｘ２は移動体の移動方向であり、本明細書では長手方向と称し、ｘ１は移動体の移動方向に垂直方向であり、本明細書では横方向と称する。
【００７６】
アンテナ回転軸Ωとそれに関連する回転面１３（アンテナ回転軸Ωに垂直な平面）の角度位置の変更で、Ωと移動体の移動方向Ｘ２との間の角度θが変化する。回転面１３におけるアンテナアセンブリ１４の角度位置はＸ３（垂直軸）に対するΩｔであり、アンテナ回転軸Ωはベクトル（ｃｏｓ（θ）ｃｏｓ（Ωｔ），−ｓｉｎ（θ）ｃｏｓ（Ωｔ），ｓｉｎ（Ωｔ））の周りに角度φだけ回転可能であり、それによってボアサイトベクトルｄと回転面１３との間の角度がφとなるように、ボアサイトベクトルｄを回転面１３から傾ける。
【００７７】
図３（ａ）〜（ｄ）に示すように、ボアサイトベクトルｄの動きを説明するために、ｄの長さは、下式で表される。
【００７８】
【数１】
2019501376.tif 000003
【００７９】
上式は、ボアサイトベクトルｄの先端が、長手方向軸Ｘ２と一致する中心軸を有する半径ｈの円筒と接することを示す。静止座標系Ｏに対するボアサイト運動を記述するパラメトリック空間曲線は、下式で表される。
【００８０】
【数２】
2019501376.tif 000004
【００８１】
図３（ａ）〜（ｄ）は、送信ＴＥＭホーンアンテナ１４及び受信ＴＥＭホーンアンテナ１５を含むアンテナアセンブリが、４５ｍ／ｓ（１６２ｋｍ／ｈ）で移動し、高さｈ＝１で、φ＝０かつ２１０ｒａｄ／ｓｅｃ（約２０００ｒｐｍ）で回転している様子を示す。
【００８２】
図３（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、θが０度、４５度、６０度、７５度の値に対応する。
【００８３】
図３（ｂ）〜（ｄ）に示す例では、指向性アンテナの一次放射軸（ボアサイトベクトルｄ）が移動体の下を指している間に、指向性アンテナの一次放射軸（ボアサイトベクトルｄ）が列車の移動方向と反対方向の運動成分を有するように、角度θを非ゼロ値に変更する。特定の値Ｑｔにおけるパラメトリック空間曲線の隣接する「螺旋の軌跡」間の最小距離は、（図３（ａ）〜（ｄ）に示されている）ｌであり、下式で表される。
【００８４】
【数３】
2019501376.tif 000005
【００８５】
【数４】
2019501376.tif 000006
【００８６】
【数５】
2019501376.tif 000007
【００８７】
従って、単位半径の円柱が地面（移動体の直下）に接する領域の曲線の隣接セグメントを分離する最小距離Ｉは（ａ）の約１．２５ｍから（ｄ）の０．３７５ｍに減少する。ｔの逆数は、空間曲線が地面を横切る点で∂ｒ（ｔ）／∂ｔにほぼ垂直な、地面にある線分に沿った線形サンプリング密度を与える。θを増加させると、この線分に沿って０．８サンプル／ｍから２．６７サンプル／ｍにサンプリング密度を改善する効果が得られる。線形サンプリング密度の別の尺度は、空間曲線自体に沿ったものであり、これは、下式で計算できる。
【００８８】
空間曲線に沿った線形サンプリング密度＝（ｓｃａｎｓ／ｓｅｃ）／｜∂ｒ（ｔ）／∂ｔ｜
【００８９】
ここで、（スキャン／秒）は、レーダのパルス繰り返し周波数（ＰＲＦ）を１スタックあたりのパルス数で除した１秒あたりのスキャン数である（スキャンはトレースと機能的に等しい）。Ｓ．Ｄ．と略される二次元サンプリング密度は、サンプル数／ｍ２で測定され、前述の２つの線形サンプリング密度の積であり、下式で表わされる。
【００９０】
【数６】
2019501376.tif 000008
【００９１】
上式から、Ｓ．Ｄ．がより低ければ、｜∂ｒ（ｔ）／∂ｔ｜が大きくなることが分かる。これは、アンテナが特定の点においてより少ない時間を費やすためである。従って、サンプル密度は速度に反比例する。
【００９２】
もちろん、移動体の下の走査密度の増加は、移動体の上の走査密度の低下をもたらす。しかし、空間的な曲線による螺旋において隣接する「螺旋の軌跡」の間の距離は、図３に示すように増加する。
従って、スキャンすべき領域を考慮した、特定のアンテナ回転速度及び車速に対するθの関数として、曲線分解能に垂直で曲線に沿った最良のバランスを見つけることが望ましい。
【００９３】
また、｜∂ｒ（ｔ）／∂ｔ｜がθに応じて変化するので、｜∂ｒ（ｔ）／∂ｔ｜を最小にするθの最適値が見いだされる。従って、関心領域（例えば、地面又はトンネル又は擁壁であり得る）における空間曲線に沿った線形サンプリング密度を最大にする。これは、地面での空間曲線に沿って及びそれに垂直に、サンプリング密度を最大にするためにθを変化させることの有効性を明らかにする。（トンネル内部の表面インピーダンス関数を求めるときなど）３６０度を超える均一なサンプリングが必要なときは、θをゼロに設定することができ（図３（ａ）参照）、これは移動体の速度の低減を必要とする。ほとんどの鉄道用途では、軌道と隣接する領域のみが調査を必要とするため、Ωと、関心領域の横方向のサイズと、必要なサンプリング密度と、車速とに応じてθを選択できる。
【００９４】
図４（ａ）及び図４（ｂ）に、移動体の近傍に位置する地下のインフラストラクチャを表す三次元画像を生成するために使用されるデータを収集する装置例をより詳細に示す。
【００９５】
この装置は、長手方向ビーム１９及び安定化ビーム２０及び２１をプレートに固定するブラケット１８を保持し、移動体に取り付けられるように構成された取り付けプレート１７を有する。ビーム１９は、θが大きいときに、移動体自体がレーダボアサイトを遮るのを防ぐのに十分な長さであることが好ましい（前述のように、θが大きいことによる負の影響は、φを非ゼロ値に変化させることによって緩和できる）。ビーム２０及び２１は、縦方向及び横方向の動きに対してそれぞれ長手方向ビーム１９を安定させるように作用する。モーメントアーム２３に接続されたリニアアクチュエータ２２は、回転軸点２４におけるθの値を制御する。回転軸に接続されたプラットフォーム２６は、マウント２７内の電気駆動モータ２８と、関連する制御電子回路２９とを保持する。駆動軸３２は、この目的のために高速ボールベアリングを含むギヤアッセンブリ３１を介して非回転軸３０に取り付けられている。また、このアセンブリは、電気モータがアンテナアセンブリ３３を回転させるヘリカルギヤを含む。回転軸上の光学エンコーダ２５及び駆動軸上の別の光学エンコーダは、各トレース（トレース＝深さの関数として表され、収集サイクル中に指向性アンテナが受信した反射高周波エネルギを表すレーダデータ）に対応する角度位置データを記録する制御ユニットにデータを送信するように構成されている。
【００９６】
進行位置データは、タコメータや任意の構成であるＧＰＳからの入力を使用して各トレースと対応付けられる。通常、タコメータは線形情報のみを提供するので、軌道の曲りを考慮するようにＧＰＳデバイスによって収集された位置データが使用され、及び／又は、後に形成される三次元画像データ（下記参照）をグローバル座標系にマッピングするために使用される。
【００９７】
車速のデータは、θとΩの両方をリアルタイムで変化させるのに使用できる。
【００９８】
装置の構成要素１７〜３３は、移動体に取り付けられるように構成されたベースユニットとして見ることができる。
【００９９】
アンテナアセンブリ３３は、指向性アンテナ、レーダ送受信機及びアナログ・デジタル変換器を含む。アンテナアセンブリ３３は、接続点３４を使用して駆動軸３２を介して列車に取り付けられる。それによって駆動モータ２８がアンテナアセンブリ３３を回転させることによって、アンテナアセンブリ３３に含まれる指向性アンテナが回転する。アンテナアセンブリ３３は、シングルモード光ファイバケーブル（光ファイバロータリジョイントが使用される）を介して、ベースユニット内に配置された処理ユニット（図示せず）に接続される。
【０１００】
指向性アンテナである送受信ＴＥＭホーンアンテナ１４、１５は、角度φが変化可能なジンバル３７の内側に取り付けられている。このジンバルは、軸３６の周りを回転する。一部が切り取られた球形であるカバーを有するアンテナアセンブリ３３は、φの４５度までの変化を可能にする。ジンバル３５の外側は、駆動軸によって角速度Ωで回転し、それにより、アンテナアセンブリ３３全体がΩで回転する。ＴＥＭホーンは、５０オームの同軸ケーブル３９を使用して送受信機３８に接続されている。アセンブリカバー４０の底部は、無線周波数を透過する材料からなる。
【０１０１】
このように、この装置は、指向性アンテナの送信ホーンアンテナ１４が高周波エネルギを放射し、指向性アンテナの受信ホーンアンテナ１５が反射した高周波エネルギを受信する複数の収集サイクルを、アンテナ回転軸Ωの周りを回転する指向性アンテナを用いて行う 。
【０１０２】
ベースユニットに配置された処理ユニットは、指向性アンテナによって実行される複数の収集サイクルのそれぞれにおいて、
（ｉ）収集サイクル中に指向性アンテナの受信ホーンアンテナ１５が受信した反射高周波エネルギを表すレーダデータと、
（ｉｉ）収集サイクル中のアンテナ回転軸Ωの回りの指向性アンテナの（光学エンコーダから取得した）角度位置を表す角度位置データと、
（ｉｉｉ）収集サイクル中の指向性アンテナの（タコメータ及び任意の構成であるＧＰＳデバイスから取得した）進行位置に関する進行位置データと、を収集する。
【０１０３】
収集された全てのデータは、ベースユニットに含まれるローカルハードディスクに格納される。後に、コンピュータは、複数の収集サイクルのそれぞれで収集されたレーダデータ、角度位置データ及び進行位置データを処理して、移動体の近傍に位置する地下のインフラストラクチャを表す三次元画像データを生成する。
【０１０４】
地上の各サンプリング点に関連して、反射プロファイル（トレースして知られる）が存在する。これは本質的に、距離（すなわち深さ）の関数としての地下誘電率である反射振幅データの一次元の（線に沿った）セットである。トレースが取得されたときのアンテナの正確な線形及び角度位置を知ることによって、空間における当該線の式を決定し、当該線に沿って反射振幅を割り当てることができる。三次元空間内のこのような全ての線の間で、このデータを補間することによって、地下の三次元マップを得ることができる。もちろん、これはほんの単純な概要である。好ましくは、当技術分野で公知の技術を使用して達成可能な最良の画像を得るために、表面インピーダンス及び表面形状（トポグラフィ）の変動が補償される。
【０１０５】
従って、当業者であれば、収集したデータを基本的な三次元画像データに変換することは容易であろう。高品質の三次元画像を得るために、より洗練されたアルゴリズム、例えば表面インピーダンス及び表面形状の変動を補償するもの、が想定できる。取得した基本的な三次元画像に必要な計算を集中的に処理するため、この例ではオフライン処理が使用されているが、この処理は装置に搭載された計算機で「その都度」で実行できない根本的な理由はない。
【０１０６】
図５に示すアンテナアセンブリ３３は、送信ＴＥＭホーンアンテナ１４及び受信ＴＥＭホーンアンテナ１５を含む一つの指向性アンテナを含むだけだが、他の実施形態（図示せず）では、別の送信及び受信ＴＥＭホーンアンテナを含む別の指向性アンテナを含んでもよい。別の指向性アンテナが、アンテナ回転軸Ωの周りで回転しながら、高周波エネルギを放射し、反射した高周波エネルギを受信する複数の別の収集サイクルを実行する。既に詳述したように、主の指向性アンテナ及び別の指向性アンテナは、異なる周波数を有する高周波エネルギを放射するように構成してもよい。
【０１０７】
本明細書では鉄道車両用の装置例を記載しているが、機構例として別の地上の車両、例えば、道路を走行する車両を使用してもよい。
【０１０８】
また、好ましくは、水上の移動体の機構を使用でき、好ましくは、水上の移動体のヨーやピッチを補償する（データの処理又はアンテナアセンブリがヨー／ピッチを防止する）。
【０１０９】
ヨー、ピッチ及びロールを補償するために、好ましくは慣性測定ユニットが設けられており、好ましくは位置データを取得するために使用されるＧＰＳデバイスが設けられている。飛行体の場合、意味のある地下データが得るための高度の制約が存在する可能性が高い。
【０１１０】
この装置例では、非分散アンテナが使用されることを意味するパルスＵＷＢレーダ技術が適用される。この例では非分散アンテナとしてＴＥＭホーンアンテナが使用されるが、これらのＴＥＭホーンアンテナは、別のタイプの非分散アンテナ、例えば、装荷ダイポールアンテナで置き換えることができる。別の（非パルス）レーダ技術を使用すると、他のタイプのアンテナを使用できる。
【０１１１】
地下レーダの性能は、地中の電気伝導度に依存する。高い導電率を有する土壌は無線周波数のエネルギを吸収し、電磁波を急速に減衰させる。大量の水を保持することができ、高い陽イオン交換能力ＣＥＣ（陽イオンの総数又は特定の土壌が保持できる陽イオンの数）を有する土壌は、レーダ調査には適していない。このような土壌の典型的な例は、２μｍ以下の粒子からなる土である粘土である。小さい粒子サイズは高い粒子密度をもたらし、全表面積が比較的大きな領域は、他の土壌タイプと比較して高い水分量を保持する。前述した装置は、含水率が高い粘土が支配的であれば、地下の特徴を描写することが困難であり、調査中のインフラストラクチャが浸水した場合に機能しない可能性がある。
【０１１２】
前述した装置例は、あらゆる方式のレーダ地下調査のために使用することができる。従来の走査に使用される多くの地上貫通型レーダユニットは、接地結合型アンテナを使用しているが、前述した装置例は空気結合型システムである。接地結合型システムは、アンテナインピーダンスが地面のインピーダンスと一致するため、より多くのエネルギを地面に伝達する。従って、それらは、空気結合型の同等物より深い浸透性を有するが、表面インピーダンスは短距離で急激に変動する可能性があり、実際にはアンテナと地面を常に一致させることは不可能である。この不一致によりアンテナが共振し、特徴が不明瞭になり、画像の品質が低下する。この問題は、特に大きなインピーダンス変動に対しては、バックグラウンド除去処理が特に困難である。空気結合型レーダは、この問題を大きくは受けないため、侵入深さを低減して、より高品質の画像を生成できる。空中結合型レーダは、データ収集速度が速く、難しい地形や危険な地形（例えば、地雷除去）でも効果的に使用できる。
【０１１３】
前述した装置例では、その有効な横断幅が現在のシステムより非常に大きいので、スキャンを完了するために必要な時間を短縮できる。現場における調査に必要なトランセクトが少なくて済み、時間とコストの両方の節約になる。この技術が適用される可能性がある領域には、公共事業、法医学、考古学、建築時の調査、穴や空間の検出、不発弾や地雷の処理が含まれる。
【０１１４】
本明細書及び特許請求の範囲で使用される場合、用語「備える」、「含む」及びそれらの変形は、特定の特徴、ステップ又は整数が含まれることを意味する。これらの用語は、他の特徴、ステップ又は整数が存在する可能性を排除するものと解釈されるべきではない。
【０１１５】
前述した発明の詳細な説明、又は以下の特許請求の範囲、又は添付の図面に開示され、それらの特定の形態、又は開示された機能を実行するための手段、又は開示された結果を適切に得るための方法又はプロセスに関して表わされた特徴は、適切に、個別又は任意の組み合わせで、様々な形態で、本発明を実現するために使用されてもよい。
【０１１６】
本発明を、前述した実施形態の例に関連して説明したが、本開示を見た当業者には多くの均等な変更及び変形が明らかであろう。従って、前述した本発明の実施形態の例は、例示的なものであり、限定的なものではないと考えられる。記載された実施形態に対する様々な変更は、本発明の思想及び範疇から逸脱しない範囲でなされてもよい。
【０１１７】
例えば、アンテナアセンブリ３３は、調査要件に応じて変更でき又はアンテナアセンブリを回転させるために異なる駆動システム（例えば、ベルト駆動システム）を使用できる。
【０１１８】
疑義を避けるために、本明細書で提供される理論的な説明は、読者の理解を向上させる目的で提供される。本発明者らは、これらの理論的説明のいずれかに拘束されることを望まない。
【０１１９】
前述した全ての参考文献は、参照により本明細書に組み込まれる。
【図１】
2019501376.tif 000009
【図２】
2019501376.tif 000010
【図３】
2019501376.tif 000011
【図４】
2019501376.tif 000012
【図５】
2019501376.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成30年7月26日(2018.7.26)
【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】
移動体の近傍に位置する地下のインフラストラクチャを表す三次元画像データを生成する方法であって、
前記移動体に取り付けられた指向性アンテナがアンテナ回転軸の周りで回転し、
前記指向性アンテナが、前記アンテナ回転軸の周りで回転しながら、高周波エネルギを放射し、反射した高周波エネルギを受信する複数の収集サイクルを実行し、
前記指向性アンテナによって実行される前記複数の収集サイクルのそれぞれにおいて、
（ｉ）前記収集サイクル中に前記指向性アンテナが受信した反射高周波エネルギを表すレーダデータと、
（ｉｉ）前記収集サイクル中の前記アンテナ回転軸の周りの前記指向性アンテナの角度位置を表す角度位置データと、
（ｉｉｉ）前記収集サイクル中の前記指向性アンテナの進行位置に関する進行位置データと、を収集し、
前記複数の収集サイクルのそれぞれにおいて収集されたレーダデータ、角度位置データ及び進行位置データを処理して、前記移動体の近傍に位置する地下のインフラストラクチャを表す三次元画像データを生成し、
前記指向性アンテナの一次放射軸が前記移動体の下方を指している間に、前記指向性アンテナの一次放射軸が前記移動体の移動方向と反対方向の移動成分を有するように、前記アンテナ回転軸と前記移動体の移動方向との間の角度θを非ゼロ値で変化させることを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、
前記アンテナ回転軸と前記移動体の移動方向との間の角度θを変化させることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の方法であって、
前記指向性アンテナの一次放射軸と前記アンテナ回転軸に垂直な平面との間の角度φを変化させることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一つに記載の方法であって、
前記複数の収集サイクルのそれぞれにおいて前記指向性アンテナが放射する高周波エネルギは超広帯域パルスを含むことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一つに記載の方法であって、
前記指向性アンテナは、前記高周波エネルギを放射するように構成された送信ホーンアンテナと、反射高周波エネルギを受信するように構成された受信ホーンアンテナとを含むことを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一つに記載の方法であって、
ＧＰＳデバイスが収集した位置データを使用して、前記三次元画像データをグローバル座標系にマッピングすることを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一つに記載の方法であって、
前記移動体に取り付けられた別の指向性アンテナが別のアンテナ回転軸の周りで回転し、
前記別の指向性アンテナが、前記別のアンテナ回転軸の周りで回転しながら、高周波エネルギを放射し、反射した高周波エネルギを受信する複数の別の収集サイクルを実行し、
前記別の指向性アンテナによって実行される前記複数の別の収集サイクルのそれぞれにおいて、
（ｉ）前記別の収集サイクル中の前記別の指向性アンテナが受信した反射高周波エネルギを表す別のレーダデータと、
（ｉｉ）前記別の収集サイクル中の前記別のアンテナ回転軸の周りの前記別の指向性アンテナの角度位置を表す別の角度位置データと、
（ｉｉｉ）前記別の収集サイクル中の前記別の指向性アンテナの進行位置に関する別の進行位置データと、を収集し、
前記複数の別の収集サイクルのそれぞれにおいて収集された別のレーダデータ、別の角度位置データ、及び別の進行位置データを処理して、前記移動体の近傍に位置する地下のインフラストラクチャを表す別の三次元画像データを生成することを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法であって、
前記指向性アンテナと前記別の指向性アンテナとは、異なる周波数の高周波エネルギを放射するように構成されていることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法であって、
前記指向性アンテナは、２５０ＭＨｚ〜７５０ＭＨｚの範囲の中心周波数を有するＵＷＢパルスを放射するように構成され、
前記別の指向性アンテナは、１．５ＧＨｚ〜２．５ＧＨｚの範囲の中心周波数を有するＵＷＢパルスを放射するように構成されることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか一つに記載の方法であって、
前記移動体が鉄道車両であることを特徴とする方法。
【請求項１１】
移動体の近傍に位置する地下のインフラストラクチャを表す三次元画像の生成に使用するためのデータを収集する装置であって、
前記移動体に搭載されるように構成されるベースユニットと、
前記ベースユニットに回転可能に取り付けられ、アンテナ回転軸の周りで回転する指向性アンテナと、
前記指向性アンテナを前記アンテナ回転軸の周りで回転させるように構成された駆動部と、を含み、
前記装置は、前記ベースユニットが搭載された前記移動体の移動中に、前記指向性アンテナが、アンテナ回転軸の周りで回転しながら、高周波エネルギを放射し、反射した高周波エネルギを受信する複数の収集サイクルを実行するように構成され、
前記装置は、前記指向性アンテナによって実行される前記複数の収集サイクルのそれぞれにおいて、
（ｉ）前記収集サイクル中に前記指向性アンテナが受信した反射高周波エネルギを表すレーダデータと、
（ｉｉ）前記収集サイクル中の前記アンテナ回転軸の周りの前記指向性アンテナの角度位置を表す角度位置データと、
（ｉｉｉ）前記収集サイクル中の前記指向性アンテナの進行位置に関する進行位置データと、を収集し、
前記指向性アンテナの一次放射軸が前記移動体の下方を指している間に、前記指向性アンテナの一次放射軸が前記移動体の移動方向と反対方向の移動成分を有するように、前記アンテナ回転軸と前記移動体の移動方向との間の角度θを非ゼロ値で変化させることを特徴とする装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の装置であって、
回転軸及びヒンジの少なくとも一つの周りで回転可能なアーム部を含み、前記回転軸及び前記ヒンジの少なくとも一つの周りで前記アーム部を回転することによって、前記角度θが変化することを特徴とする装置。
【請求項１３】
請求項１１に記載の装置であって、
前記複数の収集サイクルのそれぞれにおいて収集された角度位置データ及び進行位置データを処理して、前記移動体の近傍に位置する地下のインフラストラクチャを表す三次元画像データを生成するように構成された処理ユニットを含む装置。
【請求項１４】
計算機読取可能な記憶媒体であって、
前記複数の収集サイクルのそれぞれにおいて収集されたレーダデータ、角度位置データ及び進行位置データを処理して、前記移動体の近傍に位置する地下のインフラストラクチャを表す三次元画像データを生成する処理を計算機に実行させる計算機実行可能命令を格納し、
前記レーダデータ、角度位置データ及び進行位置データは、請求項１から１０のいずれか一つに記載の方法で収集されることを特徴とする記憶媒体。
【国際調査報告】
2019501376.tif 000014
2019501376.tif 000015
2019501376.tif 000016