(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄道軌道に沿って送信アンテナ素子列と受信アンテナ素子列を配列したアレイアンテナを軌道走行移動させつつ、前記アレイアンテナの移動単位毎に複数の送信アンテナ素子を切り替えながら電波を線路盤下に向けて発射するとともに、個々の送信アンテナ素子からの送信毎に複数の受信アンテナ素子で切替受信させる作業を繰り返すことにより、前記アレイアンテナの進行方向、送受信距離および時間のパラメータによるパルスエコーデータを生成し、このデータから線路盤下の２次元断面映像を生成して検知をなすようにしたことを特徴とする線路盤下検査方法。
【請求項２】
鉄道軌道の走行体に前記軌道に沿って送信アンテナ素子列と受信アンテナ素子列を配列したアレイアンテナを有し、送信アンテナ素子群を素子単位で切り替える送信アンテナ切替手段と受信アンテナ素子群を素子単位で切り替える受信アンテナ切替手段とを有し、前記送信アンテナ切替手段による切替処理毎に選択された送信アンテナ素子から発射された電波の反射波を複数の受信アンテナ素子で同時或いは順次に受信する処理を前記送信アンテナ素子単位で切替処理する信号を送出する制御手段を有し、前記受信アンテナ素子での受信信号から線路盤下の２次元画像データを求める演算手段と、この演算手段による画像データを入力して線路盤下の２次元映像を表示する画像表示手段とを有してなることを特徴とする線路盤下検査装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は線路盤下を検査方法および装置に係り、軌道上を走行始動しながら線路盤下の空洞などの有無をリアルタイムに検査するに好適な方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道路線は基盤を構成している路盤に軌道を形成しており、軌道は路盤上に形成された道床と、この上に間隔を置いて設置された枕木にレールを敷設して形成される。車輌の走行路はレールによって規制されているため、鉄道路線ではバラストを敷き詰めた道床の締め固め作業が行われている。
【０００３】
ところで、路盤となっている地下の内部に空洞があると、路面の陥没などにより大きな事故につながる可能性がある。このため、地下空洞の有無を予め検知することが事故回避の観点から望ましい。このような観点から、地中レーダを用いて線路盤下の空洞検査をすることが考えられる。地中レーダを用いて検査する方法は、送信アンテナ一つと受信アンテナ一つを組み合わせた地中レーダで計測するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、現状では地中レーダなどを用いて精度よく検査することができない。線路面にある枕木は土に比べて電波を通し難いコンクリート製がほとんどで、更に悪いことには、その中には鉄筋が入っており、この部分に電波を透過させて地中の計測は困難であるからである。
【０００５】
すなわち、図６（１）に示したように、１つの送信アンテナ５２と１つの受信アンテナ５４とを備えた地中レーダ５０を、矢印５６のようにレール（鉄道軌道）５８に沿って移動させ、同図（２）に示したように、送信アンテナ５２から送信電波６０を地中６２に放射して地中６２に存在する空洞６４を探査する場合、空洞６４がレール５８を支持、固定している枕木６６の下方に存在すると、例えば受信アンテナ５４が空洞６４の上方に位置する枕木６６の上を通過するときに、送信電波６０の空洞６４からの反射波６８が枕木６６の下面で地中側に反射され、反射波６８が受信アンテナ５４に入射せず、空洞６４を検出することができない。
【０００６】
また、送信アンテナ５２が枕木６６を通過するときには、送信アンテナ５２から発射した送信電波６０が枕木６６によって反射され、送信電波６０が地中６２に放射されず、空洞６４を検出することができない。すなわち、レール５８に沿ってアンテナ５２、５４を走査すると、得られる映像は、枕木６６の下方部分が遮蔽されたものとなり、これから地中６２の構造を認識するのは困難であった。
【０００７】
本発明は、第１に、線路面下にある空洞などを検知するために最適のマルチパス方式地中レーダシステムを提供することを目的とする。
また、第２にはアンテナシステムがどの位置にあっても一部の経路は枕木の影響を受けない様にできるシステムを提供することを目的としている。
また、第３に、枕木の影響を大きく軽減した画像を取得することができるシステムを得ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る線路盤下検査方法は、鉄道軌道に沿って送信アンテナ素子列と受信アンテナ素子列を配列したアレイアンテナを軌道走行移動させつつ、前記アレイアンテナの移動単位毎に複数の送信アンテナ素子を切り替えながら電波を線路盤下に向けて発射するとともに、個々の送信アンテナ素子からの送信毎に複数の受信アンテナ素子で切替受信させる作業を繰り返すことにより、前記アレイアンテナの進行方向、送受信距離および時間のパラメータによるパルスエコーデータを生成し、線路盤下の２次元断面映像を生成して検知をなすように構成したものである。
【０００９】
また、本発明に係る線路盤下検査装置は、鉄道軌道の走行体に前記軌道に沿って送信アンテナ素子列と受信アンテナ素子列を配列したアレイアンテナを有し、送信アンテナ素子群を素子単位で切り替える送信アンテナ切替手段と受信アンテナ素子群を素子単位で切り替える受信アンテナ切替手段とを有し、前記送信アンテナ切替手段による切替処理毎に選択された送信アンテナ素子からの発射された電波の反射波を複数の受信アンテナ素子で同時に受信する処理を前記送信アンテナ素子単位で切替処理する信号を送出する制御手段を有し、前記受信アンテナ素子での受信信号から線路盤下の二次元画像データを求める演算手段と、この演算手段による画像データを入力して線路盤下の二次元映像を表示する画像表示手段とを有してなるものである。
【００１０】
【作用】
上記のごとくなっている本発明は、複数の送信アンテナ素子有す得る送信アンテナ素子列と複数の受信アンテナ素子を有する受信アンテナ素子列とを鉄道軌道に沿って移動させ、送信アンテナ素子列の各送信アンテナ素子を順次切り替えて電波を放射し、受信アンテナ素子列の各受信アンテナ素子によってその反射波を受信するようになっているため、一部の送信アンテナ素子または一部の受信アンテナ素子が枕木の上方に存在したとしても、他の送信アンテナ素子によって地中に電波を放射することができ、また他の受信アンテナ素子によってその反射波を受信することができるため、枕木の下方に空洞などが存在している場合であっても、枕木の影響をあまり受けずに空洞などを確実に検出することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明に係る線路盤下検査装置の具体的実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施形態においては、線路盤下の空洞検査に適用した場合について説明する。
【００１２】
本実施形態に係る線路盤下検査装置である空洞検査装置は、図１（２）に示すように、線路盤下の地中にある空洞６４などを検知するための装置である。装置の全体構成は、図１（１）に示すようなブロック図で表せられる。この空洞検査装置１は、レーダ本体１０とアレイアンテナ３４とを備えている。そして、アレイアンテナ３４は、送信アンテナ素子列１８と受信アンテナ素子列２０とからなっている。そして、レーダ本体１０は、送信部と受信部とからなり、送信部は発振器１２、方向性結合器１４、増幅器１６を介して送信アンテナ素子列１８に出力し、受信部は受信アンテナ素子列２０により受信された反射波を増幅器２２で増幅し、ミキサ２４、フィルタ２６を介して必要な受信信号を求めるように構成されている。
【００１３】
送信アンテナ素子列１８は、ｎ個の受信アンテナ素子１８ｉ（ｉ＝１、２、３、………、ｎ）を一列に並べて構成してある。また、受信アンテナ素子列２０は、ｎ個の受信アンテナ素子２０ｉ（ｉ＝１、２、３、………、ｎ）を一列に並べて構成してある。そして、送信アンテナ素子１８ｉと受信アンテナ素子２０ｉとが隣り合わせに並んだアレイ構造となっており、これらのアンテナ素子１８ｉ、２０ｉが送信・受信対としてその全ての組合せが選ばれるようにしている。
【００１４】
送信・受信対としてその全ての組合せを選ぶ処理を行なわせるため、送信アンテナ切替器（ＳＰＮＴ切替器）２８と受信アンテナ切替器（ＳＰＮＴ切替器）３０が設けられており、送信アンテナ切替器２８により選択された送信アンテナ素子１８ｉにより検出用電波４２を地中６２に放射し、当該選択された一つの送信アンテナ素子１８ｉによる送信中に全ての受信アンテナ素子２０ｉが反射波４４を受信するように前記受信アンテナ切替器３０で受信アンテナ素子２０ｉを切り替えるとともに、全ての受信アンテナ２０ｉによる受信作業が終了した後に、送信アンテナ素子１８ｉ(ｉ＝１、２、３、……、ｎ)を隣接する次の送信アンテナ素子１８（ｉ＋１）に切り替えるようにしている。この切替制御は、レーダ本体１０の統括制御をなすシステム制御回路３２のスイッチング回路により行なわせる。
【００１５】
ここで、前記送信アンテナ素子列１８と受信アンテナ素子列２０からなるアレイアンテナ３４は、鉄道軌道（レール）３６に沿って送信アンテナ素子１８ｉと受信アンテナ素子列２０ｉとが配列してあって、これを軌道走行移動させるようにしている。アレイアンテナ３４は、アンテナ素子１８ｉ、２０ｉの送受信面を線路盤下に向けるように台車（図示せず）に搭載し、これらが一体で図１（２）の矢印Ａのように軌道敷設方向へ移動することで計測すべき軌道ラインに沿った線路盤下方領域をカバーする。この場合、アンテナ素子１８ｉ、２０ｉの配列間隔は、図１（１）に示してあるように、レール３６を支えている枕木３８の間隔より小さくなるように設定するとともに、アレイアンテナ３４の全体長さは複数の枕木３８に跨るような長さとなるように設定すればよい。
【００１６】
なお、図１（２）においては、送信アンテナ素子列１８の送信アンテナ素子１８ｉと、受信アンテナ素子列２０の受信アンテナそし２０ｉとを便宜的に一列に配置して示してある。
【００１７】
このようなアレイアンテナ３４を素子配列方向（軌道方向）に沿って移動させつつ、前記アンテナ切替器２８、３０で送信・受信対としてその全ての組合せを選ぶ処理を行なわせることにより、それぞれの中から一つずつ選ばれた任意の一対について、パルスエコーデータが得られるようになっている。発振器１２の出力周波数は、実施形態の場合、１００ＭＨｚ〜１．５ＧＨｚ程度までの広帯域で、ベースバンドパルスが得られるようになっている。あるいは、この範囲の周波数を順に発生させるＦＭＣＷ方式を用いても良い（この場合には、周波数→時間にフーリエ変換を用いる）。ＦＭＣＷ方式の場合のアンテナ素子切替タイミングとレーダの動作タイミングを図２に示す。なお、図２においては、理解を容易にするため、送信アンテナ素子１８ｉと、受信アンテナ素子２０ｉとを交互に、かつ同一直線上に配置している。
【００１８】
空洞検査装置１のシステム制御回路３２は、図示しない距離センサの出力信号に基づいて、アレイアンテナ３４が矢印Ａのように移動すると、所定の移動距離ごとに進行方向トリガパルスａを出力するようになっている。そして、システム制御回路３２は、図２に詳細を示したように、進行方向トリガパルスａの１パルスにつき、全ての送信アンテナ素子１８ｎを順次切り替える信号ｂを送信アンテナ切替器２８に出力する。また、システム制御回路３２は、各送信アンテナ切替信号ｂの１パルスにつき、全ての受信アンテナ素子２０ｎを順次切り替える信号ｃを受信アンテナ切替器３０に出力する。さらに、システム制御回路３２は、各受信アンテナ切替信号ｃに同期して発振器１２を制御し、発振器１２が出力する送信信号の周波数を山形に変化させる。
【００１９】
システム制御回路３２は入力された計測信号とともに、各トリガ信号、送信周波数切替え信号とともに、解析処理部４０にデータ転送をなすようにしている。解析処理部４０には、次のようなセンサ画像処理ソフトウェアが搭載されている。図３において、アレイアンテナ３４のアンテナ素子１８ｉ、２０ｉは、アレイアンテナ３４の進行方向となるｙ軸方向に配列されている。検出用電波４２の送信点をＰ1（ｘ，ｙ1，ｚ）、受信点をＰ2（ｘ，ｙ2，ｚ），反射点をＱ（ｘ，η，ζ）とするとき、電波の経路はＰ1→Ｑ→Ｐ2となる。Ｙ−Ｚ断面の映像を求めるには次のような方法を用いればよい。
【００２０】
すなわち、アレイアンテナ３４が移動した結果得られる全データの中から点Ｑを通る伝播経路の全てについて伝播時間を考慮した遅延時間補正をした後、重ね合わせればよい。レーダ受信信号φは、電波の減衰がなければ次のように書ける。
【数１】
0004365058.tif 000002
【００２１】
ここで、ｒi，ｔi、，ｗ（ｔ）はそれぞれ反射係数、電波の反射点までの往復時間及びレーダパルス波形である。物体中の各反射点までの距離に対応して時間の遅延ｔiがある。ここで反射係数は図３のη，ζに依存している。このような時系列データがｙ1，ｙ2の自由度に対応した数だけ計測される。像を再構成するためには、図３において、先ずＰ1，Ｐ2とＱとを選択する。この選択には、枕木３８の下方の空洞６４を検出するため、レール３６の敷設方向であるＹ方向と直交した方向のＸ方向の変化を無視し、４つの独立変数（ｙ1，ｙ2，η，ζ）に対応した４自由度がある。この変数の組一つにつきレーダの時系列データψ（ｔ）が対応している。電波の伝播パス（Ｐ1→Ｑ→Ｐ2）に対応した計測時系列波形ψ（ｔ）からＱ点での反射振幅を、この伝播に要する所要時間を計算して求め、点Ｑに割当てる。上記の４つの独立変数ににつきこの操作を実施し、各点へ割当てられた数値を各点ごとに加算すると像が再構成できる。
【００２２】
そこで、送信アンテナ素子の位置を（ｘ，ｙ1，ｚ）、受信アンテナ素子の位置を（ｘ，ｙ2，ｚ）、媒体中（地中）の点Ｑ（空洞６４の位置）を（ｘ，η，ζ）とすると、
【数２】
0004365058.tif 000003
【数３】
0004365058.tif 000004
【００２３】
また、Ｐ1→Ｑ→Ｐ2の伝播時間ｔP1→Q→P2は、
【数４】
0004365058.tif 000005
となる。ここでｃは電波の物質中の速度である。
【００２４】
このとき点Ｑへ割当てられる値Ωは、
【数５】
0004365058.tif 000006
となる。２次元画像を得るには、ｙ1，ｙ2に関して総和し、２次元映像関数をΦ（η，ζ）とすると、
【数６】
0004365058.tif 000007
を求めればよい。
【００２５】
上記構成の空洞検査装置１により、空洞検査のシミュレーションを行なった。このシミュレーションにおいては、地中の７０ｃｍの深さに空洞に代えて被検査物体を埋め込んでおき、地表面に５０ｃｍの間隔で枕木３８を配置し、地表面から１０ｃｍの高さにアンテナ走査ラインを設定した。枕木３８は、通常に市販されているコンクリート製のものを使用した。そして、空洞検査のシミュレーションに先立って枕木３８による電波の透過性を調べた。図４は、その結果を送・受信アンテナがｘ方向に並んだシングルペア方式（送・受１対のアンテナを持つレーダ）に対して示したものである。
【００２６】
図４の横軸は、アンテナを移動させる方向に平行配置した複数の枕木３８の内の、任意の１つの中心を原点とした距離（単位ｃｍ）を示し、縦軸は電波の透過強度を示していて、電波が完全に透過している場合を「１」、完全に遮蔽されている場合を「０」としている。図から明らかなように、５０ｃｍ間隔で配置した枕木３８の存在するところで、電波が枕木３８によって完全に遮蔽されることがわかる。
【００２７】
図５は、上記のように枕木と被検査物体を配置した空洞検査シミュレーションの結果を示したもにである。この図５は、アンテナ素子をそれぞれ７つ（素子間隔２５ｃｍ）有する送信アンテナ素子列１８と受信アンテナ素子列２０とからなるアレイアンテナ３４を用いてシミュレーションの結果を示している。そして、図５は、枕木３８のある場合の、シングルペア方式と、マルチパス方式レーダとの検出反射振幅（反射波強度）を枕木３８の無い場合と比較したものである。
【００２８】
なお、図５の横軸は埋設した被検査物体からの距離（単位ｃｍ）を示し、縦軸は電波の反射は強度を示していて、枕木の存在しないときの最大反射波強度を「１」としている。そして、図５の曲線αは枕木３８を設置しないときの反射波強度であり、曲線βは送受信アンテナ素子をそれぞれ７つずつ設けたマルチパス方式による反射波強度を示し、曲線γはシングルペア方式による反射波強度を示している。図５から明らかなように、マルチパルス方式の場合、曲線Ｂに示したように、反射波の検出振幅に大きな落ち込みがないことが解る。
【００２９】
地中レーダの場合には、通常Ｂモードと呼ばれる断面図（横軸をセンサの進行方向、縦軸を深さ方向として表示）を用いて、オペレータが地中の構造を判断する。上記のことが、どのようにＢモード画像に影響するかが図から明らかであり、マルチパス方式では、常にいずれかの送受信アンテナ素子１８ｉ、２０ｉのペアでデータが得られ、データの欠損が無い良好なデータが得られることが解る。従って、線路盤下の鮮明な画像を得ることができる。これに対して、従来の地中レーダのようなシングルペア方式では、曲線Ｃに示したように、枕木３８の存在する位置においてデータの欠損が生じ、枕木３８の下方に空洞６４が存在する場合、検出することができない。
【００３０】
このように、本実施形態の空洞検査装置１は、線路盤下の空洞などの検査に有効と思われるマルチパス方式地中レーダシステムを採用することにより、通常のシングルペア方式の地中レーダでは線路盤上にある枕木３８により、レーダのデータに欠損ができるのに対してこの課題が解決できる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、鉄道軌道に沿って送信アンテナ素子列と受信アンテナ素子列を配列したアレイアンテナを軌道走行移動させつつ、前記アレイアンテナの移動単位毎に複数の送信アンテナ素子を切り替えながら電波を線路盤下に向けて発射するとともに、個々の送信アンテナ素子からの送信毎に複数の受信アンテナ素子で切替受信させる作業を繰り返すことにより、前記アレイアンテナの進行方向、送受信距離および時間のパラメータによるパルスエコーデータを生成し、このデータから線路盤下の２次元断面映像を生成して空洞検知をなすようにしたので、アンテナシステムがどの位置にあっても線路盤下にある空洞などを枕木の影響を受けることなく検知することができ、検出空洞部分を高速表示することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施形態に係る線路盤下検査装置の構成を示す説明図である。
【図２】  アンテナ素子の切替タイミングの説明図である。
【図３】  本実施形態に係る画像再生処理の説明図である。
【図４】  枕木に対する電波の透過試験の結果を示す図である。
【図５】  実施形態に係る装置による空洞検査シミュレーションの結果を示す明図である。
【図６】  従来の地中レーダによる空洞検査方法の説明図である。
【符号の説明】
１………空洞検査装置、１０………レーダ本体、１２………発振器、１４………方向性結合器、１８………送信アンテナ素子列、１８ｉ………送信アンテナ素子、２０………受信アンテナ素子列、２０ｉ………受信アンテナ素子、２４………ミキサ、２６………フィルタ、２８………送信アンテナ切替器、３０………受信アンテナ切替器、３２………システム制御回路、３４………アレイアンテナ、３６………レール、３８………枕木、４０………解析処理部。
【図１】
0004365058.tif 000008
【図２】
0004365058.tif 000009
【図３】
0004365058.tif 000010
【図４】
0004365058.tif 000011
【図５】
0004365058.tif 000012
【図６】
0004365058.tif 000013