(57)【要約】【課題】レーダ移動方向と直角な方向の探査範囲が広く、レーダ移動方向における分解能が良く埋設物の形状及び埋設位置を容易に把握可能な地中レーダを提供する。【解決手段】送信アレイアンテナ２４により地中に向けて送出する電磁波をレーダ幅方向に走査可能な電磁波送信部２０と、電磁波送信部２０の電磁波送出方向を可変制御する電磁波送出方向制御部３０と、受信アレイアンテナ４１で地中からの反射波を受信する電磁波受信部４０と、電磁波受信部４０の受信信号から反射波到来方向を推定する反射波到来角推定部５０と、電磁波受信部４０の受信信号から合成開口処理を行う合成開口処理部６０と、電磁波送出から反射波受信までの時間を演算する送受信時間演算部７０と、表示データを算出する画像処理部８０と、表示データを表示する画像表示部９０とを備えて構成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
探査領域の地表面に沿って移動し、地中に向けて電磁波を送出して当該電磁波に基づく反射波を受信し、地中に埋設された埋設物を探査する地中レーダにおいて、
複数のアンテナ素子からなる送信アレイアンテナにより前記電磁波を地中に向けて送出する電磁波送信部と、
該電磁波送信部の前記送信アレイアンテナからの地中レーダ移動方向と直角な方向の電磁波送出方向を可変制御する電磁波送出方向制御部と、
複数のアンテナ素子からなる受信アレイアンテナで前記電磁波送信部から地中に向けて送出された電磁波に基づく反射波を受信する電磁波受信部と、
該電磁波受信部の受信信号に基づいて前記反射波の到来方向を推定する反射波到来方向推定部と、
前記電磁波送信部の地中レーダ移動方向に沿った複数の電磁波送出位置に対応した複数の反射波受信信号に基づいて合成開口処理を行う合成開口処理部と、
を備えて構成したことを特徴とする地中レーダ。
【請求項２】
前記電磁波を送出してから前記反射波が受信されるまでの時間を演算する送受信時間演算部を備えて構成した請求項１に記載の地中レーダ。
【請求項３】
前記反射波到来方向推定部、前記合成開口処理部及び送受信時間演算部の各データに基づいて表示データを算出する画像処理部と、該画像処理部で算出された表示データを表示する画像表示部とを備えて構成した請求項２に記載の地中レーダ。
【請求項４】
前記電磁波送出方向制御部は、前記送信アレイアンテナの複数のアンテナ素子からそれぞれ送出される電磁波の位相を、送出方向に応じて可変調整する構成である請求項１〜３のいずれか１つに記載の地中レーダ。
【請求項５】
前記電磁波受信部は、電磁波送出からの時間の経過に従って受信信号の増幅率を増大させて反射波の受信感度を調整する構成である請求項１〜４のいずれか１つに記載の地中レーダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地中の埋設物を探査するための地中レーダに関し、特に、探査範囲を拡大すると共に探査精度を高めることにより効率の良い埋設物探査が可能な地中レーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、地中に埋設された埋設物を探査するための地中レーダとして、探査領域内をアンテナを移動させつつ、アンテナから地中に向けて送信波（電磁波）を送出し、その反射波を受信し、受信信号を信号処理して地中の埋設物からの反射波を抽出し、埋設物の存在を検出する構成のものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平３−１０７７８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の地中レーダでは、図５の矢印で示すように地中に送出する送信波（電磁波ビーム）の送出方向が一方向（真下）に固定されていたため、地中レーダ１の探査範囲（レーダ移動方向と直角な方向）が狭く探査作業効率が悪かった。この点について図６を用いて具体的に説明する。
例えば、図６のような長方形状の探査領域に対して、地中レーダ１を探査領域の一端側から他端側へ一点鎖線の矢印で示すようにジグザグ状に移動させて埋設物の探査を行うものとする。従来では、図５で示したように送信波の送出方向が地中レーダ１の真下に固定されており、地中レーダ１の移動方向（図５の紙面に対して直角な方向）に対して直角方向（図５の左右方向、即ち、地中レーダ１の幅方向）の探査範囲が真下を中心とした送信波の広がり範囲でしかなく狭い（図６では地中レーダ１の幅と略同等の幅）ため、図６において探査領域の図中左端側から右端側まで探査する間に、地中レーダ１を折返す回数が多く、探査作業効率が悪い。
【０００４】
また、従来の地中レーダでは、受信波を真下からの反射波と認識して受信信号処理を行うため、実際の反射波が真下からずれた方向のものである場合には、この真下からずれた方向と真下との間の距離差により、深さ方向の探査精度に問題がある。更に、埋設物の形状を判別する分解能が不十分であり、また、受信波をそのまま表示していたため、埋設物の存在が半円弧状にしか表示されず熟練者でなければ埋設物の形状の把握が難しかった。
【０００５】
本発明は上記問題点に着目してなされたもので、探査範囲が広くて探査作業効率が良く、しかも、分解能が良く埋設物の形状を熟練者以外でも容易に把握可能な地中レーダを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このため、請求項１の発明は、探査領域の地表面に沿って移動し、地中に向けて電磁波を送出して当該電磁波に基づく反射波を受信し、地中に埋設された埋設物を探査する地中レーダにおいて、複数のアンテナ素子からなる送信アレイアンテナにより前記電磁波を地中に向けて送出する電磁波送信部と、該電磁波送信部の前記送信アレイアンテナからの地中レーダ移動方向と直角な方向の電磁波送出方向を可変制御する電磁波送出方向制御部と、複数のアンテナ素子からなる受信アレイアンテナで前記電磁波送信部から地中に向けて送出された電磁波に基づく反射波を受信する電磁波受信部と、該電磁波受信部の受信信号に基づいて前記反射波の到来方向を推定する反射波到来方向推定部と、前記電磁波送信部の地中レーダ移動方向に沿った複数の電磁波送出位置に対応した複数の反射波受信信号に基づいて合成開口処理を行う合成開口処理部とを備えて構成したことを特徴とする。
【０００７】
かかる構成では、電磁波送出方向制御部により電磁波送信部の地中レーダ移動方向と直角な方向の電磁波送出方向を可変制御し、送信アレイアンテナから電磁波を送出して地中レーダ移動方向と直角な方向に電磁波を走査し、反射波到来方向推定部で、反射波を受信アレイアンテナで受信する電磁波受信部の受信信号に基づいて反射波の到来方向を推定する。これにより、地中レーダの移動方向と直角な方向の探査範囲を拡大できるようになる。また、合成開口処理部で、地中レーダの移動方向に沿った複数の電磁波送出位置における各反射波受信信号に基づいて合成開口処理を行うことにより、地中レーダ移動方向における探査の分解能を高めることができるようになる。
【０００８】
請求項２のように、前記電磁波を送出してから前記反射波が受信されるまでの時間を演算する送受信時間演算部を備えて構成するとよい。
かかる構成では、送受信時間演算部で電磁波を送出してから反射波が受信されるまでの時間を演算する。この演算結果と反射波到来方向推定部の推定結果とを用いることにより、埋設物の深さ方向の測定精度を向上できるようになる。
【０００９】
請求項３のように、前記反射波到来方向推定部、前記合成開口処理部及び送受信時間演算部の各データに基づいて表示データを算出する画像処理部と、該画像処理部で算出された表示データを表示する画像表示部とを備えて構成するとよい。
かかる構成では、画像処理部で反射波到来方向推定部、合成開口処理部及び送受信時間演算部の各データに基づいて表示データを算出し、この表示データを画像表示部で表示することにより、埋設物の形状や深さを容易に確認できるようになる。
【００１０】
請求項４のように、前記電磁波送出方向制御部は、前記送信アレイアンテナの複数のアンテナ素子からそれぞれ送出される電磁波の位相を、送出方向に応じて可変調整する構成である。
【００１１】
請求項５のように、前記電磁波受信部は、電磁波送出からの時間の経過に従って受信信号の増幅率を増大させて反射波の受信感度を調整する構成とするとよい。
かかる構成では、地表面からの反射波や送信アレイアンテナからの回り込み電磁波の影響を除去することができるようになる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、送信アレイアンテナにより、地中レーダの幅方向に電磁波を走査する構成としたので、地中レーダの幅方向の探査範囲を拡大でき、埋設物の探査作業効率を向上できる。また、合成開口処理を行うことにより地中レーダの移動方向の埋設物の分解能を向上できる。このため、埋設物をポイントで表示することが可能で、埋設物を熟練者以外の人でも容易に確認することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る地中レーダの一実施形態を示す構成図である。
図１において、本実施形態の地中レーダ１０は、電磁波送信部２０と、電磁波送出方向制御部３０と、電磁波受信部４０と、到来角推定部５０と、合成開口処理部６０と、送受信時間演算部７０と、画像処理部８０と、画像表示部９０とを備えて構成される。
【００１４】
前記電磁波送信部２０は、電磁波を地中に向けて送信するもので、後述する送信アレイアンテナ２４の各アンテナ素子２４ａ〜２４ｄの数に対応して設けられ前記電磁波送出方向制御部３０からの位相調整信号に応じて各アンテナ素子２４ａ〜２４ｄから送出する電磁波の位相を調整する複数の送信処理部２１ａ〜２１ｄと、送信処理部２１ａ〜２１ｄからのデジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換部２２と、Ｄ／Ａ変換部２２からのアナログ信号周波数を規定の高周波にアップコンバートして各アンテナ素子２４ａ〜２４ｄに出力する無線送信部２３と、無線送信部２３からの互いに異なる位相の送信信号を地中に向けて送出する複数（本実施形態では４本）のアンテナ素子２４ａ〜２４ｄを備え電磁波の送出方向を可変できる送信アレイアンテナ２４とを備える。この電磁波送信部２０により送信アレイアンテナ２４の電磁波送出方向を可変し、地中レーダ１０の移動方向と直角な方向（地中レーダ１０の幅方向）に電磁波を走査する。
尚、送信アレイアンテナ２４のアンテナ素子の数は４つに限定されるものでないことは言うまでもない。
【００１５】
前記電磁波送出方向制御部３０は、送信アレイアンテナ２４の指向性を可変制御するもので、電磁波の送出方向を設定するビーム方向制御部３１と、該ビーム方向制御部３１から指令される設定方向に基づいて各アンテナ素子２４ａ〜２４ｄから送出する電磁波のそれぞれの位相を決定し、前記各送信処理部２１ａ〜２１ｄに対してそれぞれ位相調整信号を送信するデジタルビームフォーミング部３２とを備える。また、デジタルビームフォーミング部３２は、位相調整信号の発生に同期して送受信時間演算部７０に発信トリガ信号を送信して電磁波の送出時刻を知らせる。
【００１６】
前記電磁波受信部４０は、地中からの反射波をそれぞれ受信する複数（本実施形態では４本）のアンテナ素子４１ａ〜４１ｄを備えた受信アレイアンテナ４１と、受信アレイアンテナ４１の受信信号をベースバンド周波数にダウンコンバートすると共に受信信号の振幅調整を行う無線受信部４２と、無線受信部４２からのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部４３と、受信アレイアンテナ４１の各アンテナ素子４１ａ〜４１ｄの数に対応して設けられＡ／Ｄ変換部４３からのデジタルデータに対してＳＴＣ（センシティブ・タイム・コントロール）制御を行う複数の受信処理部４４ａ〜４４ｄとを備える。
尚、受信アレイアンテナ４１のアンテナ素子は、送信アレイアンテナ２４のアンテナ素子数に対応して設けるようにする。
【００１７】
前記ＳＴＣ制御は、従来から公知のもので、電磁波送出からの時間の経過に従って受信信号の増幅率を増大させて反射波の受信感度を調整する制御であり、このＳＴＣ制御により、地表面からの反射波や送信アレイアンテナ２４から直接受信される回り込み電磁波の影響を除去し、深い位置からの反射波の受信感度を高めることができる。尚、図示しないが各受信処理部４４ａ〜４４ｄは、例えばデジタルビームフォーミング部３２からの前記発信トリガ信号により電磁波の送出時刻を知って電磁波送出からの経過時間を管理する構成である。
【００１８】
反射波到来方向推定部である前記到来角推定部５０は、電磁波受信部４０からの受信信号に基づいて、例えばＭＵＳＩＣ（Multiple Signal Classification）法等の従来公知の到来角推定アルゴリズムを用いて反射波の到来方向を推定する。
【００１９】
前記合成開口処理部６０は、電磁波送信部２０の地中レーダ移動方向に沿った複数の電磁波送出位置に対応した複数の反射波受信信号を入力し、これら複数の反射波受信信号を１点に集中させることにより、見かけのアンテナ開口を大きくして地中レーダ移動方向の探査対象の埋設物の分解能を高めるもので、従来公知の技術である。
【００２０】
前記送受信時間演算部７０は、デジタルビームフォーミング部３２からの発信トリガ信号が入力してから電磁波受信部４０の反射波受信信号が入力するまでの時間を演算して、電磁波送信から受信までの時間を演算する。
【００２１】
前記画像処理部８０は、到来角推定部５０、合成開口処理部６０及び送受信時間演算部７０の各出力データに基づいて、画像表示部９０で表示する表示データを算出する。
画像表示部９０は、画像処理部８０で算出した表示データを表示する。
【００２２】
次に、本実施形態の地中レーダ１０の埋設物探査動作を説明する。
例えば、図３に示す長方形状の探査領域を本実施形態の地中レーダ１０で探査する場合を例として説明する。
地中レーダ１０から、例えば極めて短い間隔で間欠的に電磁波を地中に向けて送出させながら、探査領域の一端側の隅部から図の一点鎖線で示すようにジグザグ状に移動させる。
【００２３】
地中レーダ１０の電磁波送出動作は、ビーム方向制御部３１で電磁波の送出方向を設定し、デジタルビームフォーミング部３２にその送出方向を指示する。デジタルビームフォーミング部３２は、指示された送出方向に基づいて各送信処理部２１ａ〜２１ｄの位相調整値を決定し、各送信処理部２１ａ〜２１ｄへ決定したそれぞれの位相調整値を指定する。各送信処理部２１ａ〜２１ｄは、それぞれデジタルビームフォーミング部３２により指定されたデジタルの位相調整信号を出力する。このデジタルの位相調整信号は、Ｄ／Ａ変換部２２でアナログ信号に変換され、無線送信部２３で規定の高周波信号に変換され、送信アレイアンテナ２４の各アンテナ素子２４ａ〜２４ｄから互いに位相が異なる電磁波が地中に向けて送出される。そして、各アンテナ素子２４ａ〜２４ｄから送出する各電磁波の位相をビーム方向制御部３１により可変設定して、送信アレイアンテナ２１から送出される電磁波の送出方向を、従来のように地中レーダ１０の真下だけでなく、地中レーダ１０の移動方向と直角な方向（即ち、地中レーダ１０の幅方向）に可変制御して、図２に示すように地中レーダ１０の移動方向と直角な方向に電磁波ビームを走査する。
【００２４】
これにより、地中レーダ１０の幅方向の探査範囲が従来と比較して拡大できるので、図３に示すように、地中レーダ１０の１回の移動（図の下から上、或いは、上から下）によって探査できる領域が、従来の探査領域Ａに対して探査領域Ｂの分、拡大できる。従って、探査領域面積が同じであれば、地中レーダ１０の往復移動回数が少なくて済み、探査作業時間を短縮でき、探査作業効率を向上できる。
【００２５】
受信アレイアンテナ４１の各アンテナ素子４１ａ〜４１ｄで地中からの反射波が受信されると、各アンテナ素子４１ａ〜４１ｄからの前記反射波に基づく受信信号は、無線受信部４２でベースバンド周波数にダウンコンバートされ、Ａ／Ｄ変換部４３でデジタル信号化され、各アンテナ素子４１ａ〜４１ｄに対応する各受信処理部４４ａ〜４４ｄにそれぞれ入力される。
【００２６】
受信処理部４４ａ〜４４ｄは、デジタルビームフォーミング部３２からの発信トリガ信号が入力した時点からの経過時間を計測し、時間が経過するに従って受信信号の増幅率を増大して受信信号の感度を調整する。これにより、地表からの反射波や送信アレイアンテナ２４からの回り込み電磁波に基づく受信時間の早い受信信号を除去し、地中からの反射波に基づく受信信号だけを、後段の到来角推定部５０、合成開口処理部６０及び送受信時間演算部７０に十分な受信レベルに調整して送信できる。
【００２７】
そして、到来角推定部５０で、受信処理部４４ａ〜４４ｄから入力する受信信号状態に基づいて従来公知の到来角推定アルゴリズムを用いて反射波の到来方向を推定し、合成開口処理部６０で、従来公知の処理方法で反射波の各到来方向について合成開口処理し、送受信時間演算部７０で、電磁波を送信する毎に、その電磁波の送受信時間を演算し、これら到来角推定データ、合成開口処理データ及び送受信時間演算データを、画像処理部８０に送信する。
【００２８】
画像処理部８０では、送信された各データに基づいて地中の埋設物の形状や深さ等の表示データを算出する。この際に、到来角推定データと推定された到来方向における送受信時間演算データを用いて埋設物の深さを算出することにより、埋設物の深さを精度良く測定でき、埋設物の深さ方向の測定精度を高めることができる。そして、得られた表示データを画像表示部９０で表示する。
【００２９】
かかる構成の地中レーダ１０によれば、合成開口処理を行うことにより、地中レーダ１０の移動方向の分解能を高めることができるので、画像表示部９０には、図４に示すように、地中レーダ１０の移動方向において埋設物の埋設位置を従来のような半円弧状（図中破線で示す）ではなくポイント状（図中実線の○で示す）に表示することができ、熟練者以外の人でも埋設物の位置を容易に確認できる。
【００３０】
以上のように、本実施形態の地中レーダ１０によれば、送信アレイアンテナ２４により、地中レーダ１０の幅方向に電磁波を走査する構成としたので、地中レーダ１０の幅方向の探査範囲を拡大でき、埋設物の探査作業効率を向上できる。また、合成開口処理を行う構成としたので、地中レーダ１０の移動方向の埋設物の分解能を向上できる。このため、埋設物をポイントで表示することができ、埋設物を熟練者以外の人でも容易に確認することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る地中レーダの一実施形態を示す構成図
【図２】同上実施形態のレーダ幅方向の電磁波送出方向の説明図
【図３】同上実施形態の探査範囲の説明図
【図４】同上実施形態の埋設物表示の一例を示す説明図
【図５】従来装置のレーダ幅方向の電磁波送出方向の説明図
【図６】従来装置の探査範囲の説明図
【符号の説明】
【００３２】
１０    地中レーダ
２０    電磁波送信部
２４    送信アレイアンテナ
３０    電磁波送出方向制御部
４０    電磁波受信部
４１    受信アレイアンテナ
５０    到来角推定部
６０    合成開口処理部
７０    送受信時間演算部
８０    画像処理部
９０    画像表示部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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