(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波を所定の周期で所定周波数帯域幅だけ周波数を掃引することにより周波数変調して地中に送信し、その送信波と受信した反射波の振幅の比と位相の差を示す周波数領域の出力データを取得し、地表面に沿って走査することにより各地点で得られた複数の出力データに基づいて、地中埋設物の埋設状況を示す映像を出力する地中レーダ装置において、
周波数領域の出力データをフーリエ変換処理することにより時間領域の時系列データに変換し、
得られた時間領域の時系列データのうち所望深さより浅い深さに対応する時間領域のデータを除去することにより修正時系列データを生成し、
得られた修正時系列データを逆フーリエ変換処理することにより複素スペクトラムデータに変換し、
得られた複素スペクトラムデータのうち所望深さに対応する特定周波数の複素スペクトラムデータを抽出し、
抽出した特定周波数の複素スペクトラムデータを用いて合成開口処理を行うことにより所望深さのフォーカス像を生成し、
地中レーダ装置の所定トラバース方向に沿った複数の測線ごとに得られた所望深さのフォーカス像を合成することにより、所望深さでの埋設状況を示す平面映像を表示することを特徴とする地中レーダ装置の出力表示方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地中レーダ装置の出力表示方法に関し、特に地中に電磁波を送信しその反射波を受信して埋設管などを探査する地中レーダ装置の出力表示方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の地中レーダ装置の出力を表示する表示方法として、図１１に示すように、地中レーダ装置の側線（走査線）を含む断面の映像、すなわちＢモード映像が中心であった。
図１２は地中レーダ装置の原理を示す説明図である。
電磁波を所定の周期で所定周波数帯域幅だけ周波数を掃引することにより周波数変調（ＦＭ）して地中に送信するＦＭＣＷレーダ装置の場合、ある時点における送信波と、そのとき受信した反射波の振幅の比と位相の差を抽出する。
【０００３】
そして、得られた信号をフーリエ変換により時間領域の信号に変換し、送信から受信までの遅延時間とその振幅に基づいて、埋設物までの距離を求めるものとなっている。
実際には、図１３に示すように、地中レーダ装置の測線に沿ったトラバース方向の各地点で、電磁波の送受信が行われ、横軸が送信から受信までの遅延時間を示し、縦軸が振幅を示す信号波形、すなわちＡモード波形が得れる。
【０００４】
このようにして得られた各地点のＡモード波形を並べて、横軸をトラバース方向とし、縦軸に遅延時間すなわち地表面からの深さをとって示すことにより、地中レーダ装置の側線（走査線）を含む断面の映像、すなわちＢモード映像が得られるものとなっていた。
しかし、平面的広がりのあるもの、例えば、埋設管のように地表面に対して平行に埋設されているものを探査対象物とする場合には、その埋設状況が把握し難く、図１２に示すように、地表面に沿った映像、すなわちＣモード映像のほうが埋設状況を把握しやすい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の地中レーダ装置の出力表示方法では、地中レーダ装置の側線を含む断面を示すＢモード映像であるため、多数の測線から得られた双曲線状のＢモード映像を水平に切り出した場合には、１つの埋設管が分割された不自然な映像となり、分解能が低下するという問題点があった。
また、得られた信号の振幅および位相情報をベクトル合成処理する合成開口法などの信号処理技術を用いた場合であっても、地中の伝搬速度などの非一様性のために、埋設物のフォーカス点が上下し、切り出した面上にフォーカスした点があるとは限らず、同一深さの連続したＣモード映像が安定して得られないという問題点があった。
本発明はこのような課題を解決するためのものであり、地表面に沿った所定深さの鮮明な地中断面映像が得られる地中レーダ装置の出力表示方法を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明による地中レーダ装置の出力表示方法は、周波数領域の出力データをフーリエ変換処理することにより時間領域の時系列データに変換し、得られた時間領域の時系列データのうち所望深さより浅い深さに対応する時間領域のデータを除去することにより修正時系列データを生成し、得られた修正時系列データを逆フーリエ変換処理することにより複素スペクトラムデータに変換し、得られた複素スペクトラムデータのうち所望深さに対応する特定周波数（利用者が指定する周波数であり、通常、地中レーダ装置の周波数帯域の中心周波数を用いる）の複素スペクトラムデータを抽出し、抽出した特定周波数の複素スペクトラムデータを用いて合成開口処理を行うことにより所望深さのフォーカス像を生成し、地中レーダ装置の所定トラバース方向に沿った複数の測線ごとに得られた所望深さのフォーカス像を合成することにより、所望深さでの埋設状況を示す平面映像を表示するようにしたものである。
したがって、浅い部分のデータを含まない修正時系列データから得られた複素スペクトラムデータのうち特定周波数（利用者が指定する周波数であり、通常、地中レーダ装置の周波数帯域の中心周波数を用いる）の複素スペクトラムデータを用いて合成開口処理が行われて所望深さのフォーカス像が生成され、地中レーダ装置の所定トラバース方向に沿った複数の測線ごとに得られた所望深さのフォーカス像が合成されて、所望深さでの埋設状況を示す平面映像が表示される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明について図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施の形態である地中レーダ装置の出力表示方法による信号処理を示すフローチャート、図２は一般的なＦＭＣＷ方式の地中レーダ装置を示すブロック図である。
まず、図２を参照して、本発明が適用されるＦＭＷＣ方式の地中レーダ装置について説明する。
【０００９】
図２において、操作部１からの所定操作入力に応じて、制御部８は送信信号発生部３を制御して、所定周期で例えばゼロから数ＧＨｚまで掃引することにより周波数変調（ＦＭ）した送信信号を発生させる。
この送信信号は、方向性結合器からなるカプラ４に入力されて、後述する参照信号と分岐され、送信アンテナ５から地中に送信される。
【００１０】
地中に埋設管が存在した場合、送信された電磁波の一部が、その埋設管により地表面側に反射する。
この反射波は、受信アンテナ６で受信され、受信信号として混合器からなる検波回路７に入力される。
ここで、受信信号は、カプラ４から分岐された参照信号と混合され、両信号の振幅の積と位相の差のみが抽出される。
なお、振幅の積が抽出されるが、参照信号と送信信号の振幅が既知の場合には、それらの比すなわち反射率に換算できる。
【００１１】
この場合、埋設管からの反射波は、送信アンテナから受信アンテナまでの伝搬経路が長く、その分だけ位相が遅れるため、掃引周波数に対しては交流成分として得られ、この交流成分の周波数が埋設管の深さに比例するものとなる。
検波回路７からの出力は、制御部８のＩＦアンプにより増幅され、信号処理部９に入力される。
【００１２】
信号処理部９では、制御部８からの出力信号に対して、図１に示すような手順で各種信号処理が行われる。
これにより、地表から所望の深さにおけるＣモード映像が生成され、画像表示部１０の画面に表示出力される。
【００１３】
次に、図１を参照して、本発明の動作として、信号処理部における信号処理について説明する。
まず、制御部８のＩＦアンプから出力された信号が取得され（ステップ１１）、フーリエ変換処理により時系列データへ変換される（ステップ１２）。
図３は制御部からの出力信号の例を示す波形図であり、横軸が埋設管の深さに対応する周波数を示し、縦軸が信号の振幅を示している。
【００１４】
この信号がフーリエ変換処理されて、図４に示すように、横軸が送信から受信までの遅延時間に対応する時間軸に変換された時系列データ、すなわちＡモード波形が生成される。
次に、この時系列データに対して、利用者により設定入力された所望の深さ（ｚ方向座標値）に応じた時間軸ウインドウ処理が実施され、図５に示すような、修正時系列データが生成される（ステップ１３）。
【００１５】
ここでいう時間軸ウインドウ処理とは、各時系列データのうち、所望の深さ（ｚ方向）より浅い部分のデータを削除する処理である。
後述の合成開口処理において、固定的な特定周波数を用いた場合に、焦点深度が深くなって鮮明な像が得られるが、その欠点として、地表面付近の物体からの強い反射信号が非フォーカスの状態で重なってしまい、結果として得られる像がぼやける。
【００１６】
したがって、時間軸ウィンドウ処理により、地表面付近の物体からの強い反射信号が存在する部分、例えば所望の深さ（ｚ方向）より浅い部分のデータを削除することにより、鮮明な像が得られる。
ＦＭＣＷ方式において、それぞれ深さＬ1 ，Ｌ2 なる地点に２つの物体が埋設されており、送信信号の反射率をそれぞれｒ1 ，ｒ2 とすると、周波数ωにおける受信信号は、検波された後、数１のように表される。
【００１７】
【数１】
0004073987.tif 000002
【００１８】
ここで、周波数ωを一定（すなわち固定周波数）とすると、これら１つの信号を分離することは不可能となる。
一方、周波数ωを掃引した場合は、時間の関数ω（ｔ）＝ａｔで表されることから、この場合の受信信号は、数２のように、それぞれの深さＬ1 ，Ｌ2 に対応した２の異なった周波数の信号の和で表され、高域通過フィルタなどにより、分離可能となる。
【００１９】
【数２】
0004073987.tif 000003
【００２０】
続いて、信号処理部９では、この修正時系列データを逆フーリエ変換処理することにより、図６に示すような、修正複素スペクトラムデータを生成する（ステップ１４）。
そして、この修正複素スペクトラムデータのうち、所望の深さに対応する特定周波数における修正複素スペクトラムデータ（実部および虚部）を抽出する（ステップ１５）。
【００２１】
次に、この固定的な特定周波数成分を用いて合成開口処理を実施する（ステップ１６）。
通常、波動関数φは、ｘ，ｙ，ｚ，ｋの４つの変数を持つ関数で与えられるが、本発明において、前述の時間軸ウインドウ処理を行い、特定周波数成分のみを処理対象としているため、変数ｋは定数と考えることができる。
【００２２】
したがって、波動関数φ（ｘ，ｙ，ｚ，ｋ）はφ（ｘ，ｙ，ｚ）となる。
この波動関数が満たす方程式は、時間に依存する因子をｅ2ωt とすると、数３のようになる。
ここで、φ（ｘ，ｙ，ｚ）に対してフーリエ展開を行うと、数４となる。
【００２３】
【数３】
0004073987.tif 000004
【００２４】
【数４】
0004073987.tif 000005
【００２５】
この数４を方程式数３に代入して、数５が得られ、Ｑに対する一般解は、数６のように表される。
【００２６】
【数５】
0004073987.tif 000006
【００２７】
【数６】
0004073987.tif 000007
【００２８】
ここで、数６からは２つの解が得られるが、１つはｚ軸の負方向に埋設管が存在するときの解で、もう１つは正方向に埋設管が存在するときの解となる。
したがって、２つの解のうち、実際に物理的な意味を有するのは、第１項であることから、波動関数φ（ｘ，ｙ，ｚ）の一般解は、数７，８のようになる。
【００２９】
【数７】
0004073987.tif 000008
【００３０】
【数８】
0004073987.tif 000009
【００３１】
さらに、ｚ＝０の測定値でａを置き換え、ｚの値を埋設管の深さｚ＝ｚ0 に合わせることにより、ｚ＝０で測定したデータφ（ｘ，ｙ，０）は、ｚ＝ｚ0 にある埋設管のすぐ上で測定した場合と等価な値、すなわちφ（ｘ，ｙ，ｚ0 ）に変換される。
【００３２】
このように、固定的な特定周波数成分を用いて合成開口処理を行うことにより、深い焦点深度が得られ、任意の測線（ｙ＝固定）では、図７に示すように、比較的大きな幅の深さで、焦点のあった埋設管のフォーカス像が得られ、所望の深さと埋設管の深さに多少差があっても鮮明な像が得られる。
【００３３】
なお、Ｃモード映像を得たい所望の深さの特定周波数は、利用者により指定されるものであり、通常、地中レーダ装置の周波数帯域の中心周波数が用いられる。
また、深い位置を探査する場合には、比較的低めの周波数を用い、浅い位置を探査する場合には、比較的高めの周波数を用いることにより、地中による電磁波の減衰の影響を抑制できる。
【００３４】
以上の処理を全測線で繰り返し実施し（ステップ１７）、ｙが異なる各測線ごとに得られたデータφ（ｘ，ｙ，ｚ0 ）を合成して平面図を生成することにより、図８に示すような、深さｚ＝ｚ0 におけるｘ，ｙ平面上の強度分布、すなわちＣモード画像が得られる。
【００３５】
したがって、Ｃモードのための計測を行う場合には、図９に示すように、トラバース方向（ｘ軸方向）に並行した複数本の測線に沿って、各地点で計測を行い、得られたデータに対して図１に示す信号処理を行うことにより、図１０に示すような、埋設状況が把握し易い、水平平面に沿ったＣモード画像が表示出力される。
【００３６】
なお、以上の説明では、探査対象物として、水道管やガス管などの埋設管を例にしたが、これに限定されるものではなく、他の探査対象物であっても、前述と同様の作用効果を奏する。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、時間領域の時系列データのうち所望深さより浅い深さに対応する時間領域のデータを除去することにより修正時系列データを生成し、得られた修正時系列データを逆フーリエ変換処理して得られた複素スペクトルデータのうち、所望深さに対応する特定周波数（利用者が指定する周波数であり、通常、地中レーダ装置の周波数帯域の中心周波数を用いる）の複素スペクトラムデータを用いて合成開口処理を行うことにより所望深さのフォーカス像を生成し、地中レーダ装置の所定トラバース方向に沿った複数の測線ごとに得られた所望深さのフォーカス像を合成して表示するようにしたので、従来のように、測線を含む断面を示すＢモード映像と比較して、所望深さでの埋設状況を示すＣモード映像を得ることができ、探査した地中の埋設状況を的確に把握できるとともに、焦点深度が深くなり、地中の伝搬速度などの非一様性のために埋設物のフォーカス点が上下しても、鮮明な画像が得られる。これに加え、地表面からの強い反射および所望深さより浅い地点にある物体からの強い反射信号による非フォーカス映像の重複を回避でき、さらに鮮明なＣモード映像が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施の形態による地中レーダ装置の出力表示方法を示すフローチャートである。
【図２】  ＦＭＷＣ方式の地中レーダ装置を示すブロック図である。
【図３】  レーダ出力データ例を示す説明図である。
【図４】  時系列データ例を示す説明図である。
【図５】  修正時系列データ例を示す説明図である。
【図６】  修正複素スペクトラムデータ例を示す説明図である。
【図７】  任意測線でのフォーカス像の例を示す説明図である。
【図８】  所定深さにおける埋設管像の例を示す説明図である。
【図９】  Ｃモードのための計測例を示す説明図である。
【図１０】  本発明により得られるＣモード映像例を示す説明図である。
【図１１】  地中レーダ装置の出力表示方法を示す説明図である。
【図１２】  地中レーダ装置の原理を示す説明図である。
【図１３】  従来の出力表示例を示す説明図である。
【符号の説明】
１…操作部、２…エンコーダ、３…送信信号発生部、４…カプラ、５…送信アンテナ、６…受信アンテナ、７…検波回路、８…制御部、９…信号処理部、１０…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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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