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    公开号:WO1988003656A1
    申请号:PCT/JP1987/000852
    申请日:1987-11-04
    公开日:1988-05-19
    发明作者:Akio Kawano；Masaru Tsunasaki
    申请人:Osaka Gas Co., Ltd.；
    IPC主号:G01S7-00
    专利说明:
    [0001] 明 細 書
    [0002] レ 一 ダ 型 地 中 探 査 装
    [0003] 〔技術分野〕
    [0004] この発明は、 地中埋設ガス導管等の地中埋設物体の有無およびそ の位置を非掘削で検知するためのレーダ型地中探査装置に関するも のである。
    [0005] このレーダ型地中探査装置は、 マイ ク ロ波領域のパルス波を地表 面から地中に向かって放射し、 地中埋設ガス導管等の地中埋設物体 による反射波を捉える構成である。 そして、 このレーダ型地中探査 装置は、 反射波の波形において、 地中埋設物体からの反射に伴う ピ 一クの有無により地中埋設物体の有無を検知し、 パルス波放射時か ら反射波の波形のピークまでの時間によりその地中埋設物体の位置
    [0006] (深さ） を検知するようになっている。
    [0007] 〔背景技術〕
    [0008] 従来のレーダ型地中探査装置は、 電子通信学会論文誌 ' 83/6 v o l . J66 - B No . 6 ; 713〜720 の r地中レーダシステム』 に開示されている ものとほぼ同様の構成であり、 第 8図に示すように、 地表面 5 1 に 送信ア ンテナ 5 2および受信ア ンテナ 53が並べて設置され、 パルス 発生部 5 4で発生したマイ ク ロ波領域のパルス波を送信ア ンテナ 52 から地中 5 5へ放射し、 地中 5 5 の物体 5 6 A , 5 6 Bによって反 射されて地表面 5 1 までもどる反射波を受信ァンテナ 5 3で受ける ようにしている。 また、 この反射波を高周波增幅部 5 7が取り込ん で高周波増幅し、 この高周波増幅部 57の出力をもとにして物体 56 A > 5 6 Bの有無およびその深さを検知するようになっている。
    [0009] このレーダ型地中探查装置は、 深さ数十 cmから数 mの地中 5 5 に 埋設された物体 5 6 A , 5 6 Bを探查するものである。 探査に使用 する電波 （パルス波） の地中 5 5 の伝播速度は、 土壌の誘電率を例. えば 9 とすると、 空中の伝播速度 （ 3 0 cm/ns) の 1 Z 9 1/2 = 1ノ 3 となり、 1 0 cmノ nsである。 したがって、 送信アンテナ 5 2 および受信ァンテナ 5 3 と物体 5 6 A , 5 6 B との藺を鼋波が往復 する時間ば、 深さが 5 0 cm, 1 m, 2 mのときはそれぞれ 1 0 ns , 2 0 ns, 4 0 nsと非常に短い時間となる。 さらに、 電波は、 空中を 伝播する場合と異なり、 地中 5 5を伝播する場合は、 深さ 0指数関 数で大き く減衰し、 1 mで 1 / 3 〜 1 Z 1 0 に減衰することもある。 今、 1 mの減衰量が例えば 1 Z 1 0 1/ 2 1 Z 3 1 6 とすると、 50 cm, 1 m, 2 mを往復するときの減衰量はそれぞれ 1ノ 1 0 1/2 , 1ノ 1 0 , 1 / 1 0 0 と大き ぐ変化する。 すなわち、 l mの深さの 物体からの反射波が 1ノ 1 0 に減衰しているときは、 2 mの深さの 物体からの反射波は 1 1 0 0に減衰することになり、 深部の物体 の探查が函難であった。
    [0010] そこで、 電波の減衰による深部の物体 5 6 Bの探查能の低下を改 善し、 深部の物体 5 6 Bの採查をも浅部の物体 5 6 Aの探査と同じ ように行えるようにするために、 このレーダ型地中探查装置は、 高 周波増幅部 5 7にセンシティ ビティ ' タイ ム ' コ ン ロール回路を 内蔵して増幅度を時間の轾過とともに、 すなわち物体 5 6 A， 56B の深さの増加とともに大き く することで、 物体 5 6 A, 5 6 Bの埋 設深さの枏違による電波の減衰量の枏違を捕償して、 反射波におけ る浅部の物体 5 6 Aによるピークの高さと深部の物体 5 6 Bによる ピークの高さとをほぼ等しく している。
    [0011] 第 9図は上記レーダ型地中探査装置の各部のタイ ミ ング図を示し ている。 同図 ( A) は送信アンテナ 5 2から放射されるパルス波の 電圧波形を示し、 実線はパルス幅 3 ns程度のベースバン ド波であり、 破線はモノパルス波である。 同図 （ B ) は受信ァンテナ 5 3を介し て高周波増幅部 5 7に入力される反射波の電圧波形を示し、 その波 形の第 1 ピーク P T Lは地表面 5 1 での表面反射による ものである。 第 2 ピーク P 21は反射時間 （パルス波の放射時を零と して反射波が 受信アンテナ 5 3 にもどってきた時間） t が 1 0 nsであって 5 0 cm の深さにある物体による ものであり、 その振幅は第 1 ピーク P Hの 1 Z 1 0 1/2 となっている。 第 3 ピーク P： 5 ,は反射時間 t が 2 0 ns であって 1 mの深さにある物体によるものであり、 その振幅は第 1 ピーク P Hの 1 ノ 1 0 となっている。 第 4 ピーク P 4 ,は反射時間 t が 4 O nsであって 2 mの深さにある物体によるものであり、 その振 幅は第 1 ピーク P T Lの 1 ノ 1 0 0 となっている。 同図 （ C ) は高周 波増幅部 5 7 の増幅度の時間変化を示し、 t 力、' 1 0 ns, 2 0 ns, 40 nsのときにそれぞれ反射時間 t が零のときの 1 0 1/2 倍， 1 0倍， 1 0 0倍となっている。 同図 （ D ) は高周波增幅部 5 7 の出力電圧 波形を示し、 5 0 cm, 1 m, 2 mの深さからの反射波による ピーク P 22〜 P 4.2の高さがピーク P！ 2とほぼ同じになって！、る。 ' 反射波は、 前記したように、 マイ ク 口波領域の高周波信号である が、 地中探査のためには、 第 9図 （ D ) における ピーク P Z 2〜 P 42 の有無およびその出現時刻がわかれば十分であるため、 レーダ型地 中探査装置は、 上記高周波信号を低周波変換部 5 8 によって音声領 域程度の低周波信号に変換し、 こ の低周波信号の波形をシ ンク ロス コ ープ等の波形表示器 （時間軸を物体 5 6 A , 5 6 Bの深さに対応 させている） 5 9 に表示し、 作業者が地中 5 5 の物体 5 6 A , 56 B の探査 （物体 5 6 A , 5 S B の有無およびその深さ） を行えるよう にしている。
    [0012] 上記の低周波変換部 5 8 は、 サ ンプリ ングにより高周波信号を低 周波信号に変換するものであり、 パルス波を周期的に放射し、 各パ ルス波に対する反射波を各パルス波の放射タイ ミ ングより順次一定 時間ずつ遅れたタイ ミ ングで 1 回ずつサンプリ ングすることにより 1個の反射波の時間軸を伸長した低周波信号を得るようにしている。 サ ンプリ ング動作を第 1 0図のタ イ ムチヤ一 トにより詳細に説明 する。 同図 （A) は周期的に放射されるパルス波の電圧波形を示し、 同図 （B ) は同図 （A) のパルス波に対応する反射波の電圧波形を 示し、 同図 （C ) ば同図 （B ) の波形における 1値の反射波の時間 軸を伸長した低周波信号の一部分の波^を示している。 第 1 0図に おいて、 パルス波は周期 Tで繰返し放射され、 反射波もこれに応じ た周期で生じる'。 今、 反射波のサンプリ ング周期を T + Δ Tとする と、 t = 0 , Τ + Δ Τ, 2 (Τ + Δ Τ) , 3 (Τ + Δ Τ) , …でサ ンプリ ングが行われる。 これを各パルス波の放射時刻を基準にして 考えると、 第 1番目の反射波については t ' == 0でサンプリ ングさ れ、 第 2番百は t ' = Δ Τで、 第 3番目は t ' - 2 厶 丁で、 第 4番 百は t ' = 3 A Tでそれぞれサンプリ ングされることになる。 この 結果、 各反射波が同じ波形であるとすれば、 1橱の反射波を A T毎 にサンプリ ングしたのと同じサンプリ ングデータが T + Δ T毎に得 られることになり、 このサンプリ ングデータをローパスフィルタに 通せば、 第 1 0図 （B ) の波形における 1個の反射波を （T + Δ T) Ζ Δ Τ倍に時間軸伸長した第 1 0図 （ C ) の低周波信号が得られる ことになる。
    [0013] 上記のことを数字をあげて具体的に説明する。 反射波のサンプリ ングを行う期間 （探查期間) は、 土壌の誘電率によって異なるが、 誘電率が 9 のときに深さ 5 m程度までの探查を行う ものとすると、 パルス波の放射時から反射時間が 1 0 0 nsの時までとすればよい。 そして、 パルス波を 5 0 s の周期で放射するものとし、 探查期間 内のサンプル数を 1 0 0 0個とすると、 1個の低周波信号を得るに は、 パルス波を 1 0 0 0 HI送る必要があり、 5 0 ms (^50 A' s x 9 9 9 + 1 0 0 ns) 程度要することになる。 この場合、 1 Q 0 nsの 長さの反射波が 5 0 msの長さの低周波信号に変換されることになる したがって、 低周波信号を出力する周期は 5 Q ms以上に設定すれば よい。
    [0014] 次表はパルス波の番号とサンプルタイ ミ ングとの関係を示してい る。
    [0015] 第 1 表 ノヽ'ノレス波 サ ンプノレタ イ ミ ング
    [0016] 番号
    [0017] 0 0 sec
    [0018] 100 ns
    [0019] 1 1 (50 μ s +
    [0020] 1000
    [0021] 100 ns
    [0022] 2 (50 μ s +
    [0023] 1000
    [0024] 100 ns
    [0025] 1 x (50 s +
    [0026] 1000
    [0027] 100 ns
    [0028] 999 999 (50 s +
    [0029] 1000
    [0030] 第 8図において、 6 0 は、 パルス発生部 5 4 , 高周波増幅部 5 7 および低周波変換部 5 8 の動作タイ ミ ングを制御する制御部である ここで、 上記従来のレーダ型地中探査装置において、 送信ア ンテ ナ 5 2および受信アンテナ 5 3 として使用される地中探查用のアン テナについて説明する。 このような地中探査に使用するア ンテナ と しては、 1 0 ΜΗζ〜 4 0 0 MHzの範囲でリター ンロス特性が略フラ ッ トでリ ンギングを生じに く いものが必要とされる。
    [0031] このアンテナは、 特公昭 55— 044916号公報に開示されているもの とほぼ同様の構造であり、 第 1 1図に示すように、 銳角二等辺三角 形状の同形同寸の平板からなる一対のア ンテナエ レメ ン ト Ί 1 , 72 が同一平面内でかつ頂部 7 1 a , 7 2 a が内側とな 状態で対称 配置されている。
    [0032] また、 このアンテナは、 アンテナエレメ ン ト 7 1の両側にそれぞ れ短冊状の導体 7 7 , 7 8 が配置され、 アンテナエレメ ン ト 7 2 の 両側にそれぞれ短冊扰の導体 7 9 , 8 0が配置されている。 導体 77: 5 7 8 は、 一端緣がァンテナヱ レメ ン ト 7 1 の底部両側緣了 1 b ,
    [0033] 7 1 から 1 cm程度間隔をあけた状態に配置され、 導体 7 9 , 8 0 は、 一端緣がァンテナエレメ ン ト 7 2 の底部両側緣 7 2 b , 7 2 c から 1 cm程度間隔をあけかつ他端緣が導体 7 7 , 7 8 の他端縁から 1 cm程度間隔をあけた扰態に配置されている。 さらに、 このアンテ ；0 ナば、 ア ンテナエレメ ン ト 7 1 の底部両側緣 7 1 b , 7 1 c と導体 7 7 , 7 8 の一端緣との間およびアンテナェレメ ン ト 7 2 の底部両 側緣 7 2 b , 7 2 c と導体 7 9 , 8 0 の一端縁との藺ならびに導体 7 7 , 7 9 の他端縁間および導体 7 8 , 8 0 の他端緣間にそれぞれ 1 5 0 Ω程度の抵抗値を有する装荷抵抗 7 3 〜 7 6 , 8 1 , 8 2が 5 それぞれ接繞されている。
    [0034] そして、 このアンテナは、 一対のア ンテナエレメ ン ト 7 1 , 7 2 の頂部 7 1 a , 7 2 aがそれぞれ給電点となり、 頂部 7 1 a , 72 a にバラン 8 3を介してパルス発生部 （ベースノ ン ドパルサ） 5 4力 接続され、 パルス発生部 5 4からのパルス波が一対のアンテナヱ レ
    [0035] Z 0 メ ン ト 7 1 , 7 2より電波として放射される。
    [0036] なお、 このア ンテナ 、 第 1 2図に示すように、 一対のアンテナ エ レメ ン ト 7 1 , 7 2 の両頂部 7 l a , 7 2 aがバラ ン 8 3を内蔵 した絶緣性のバランケース 8 4に固定され、 この扰態でフユライ ト が丙張りされたアルミニゥム製の下面開放の箱体 8 5 に収容されて いる。 この場会、 一対のァンテナヱレメ ン ト 7 1 , 7 2 の配置平面 が箱体 8 5 の開口面に合わせられる。 また、 一対のァンテナエレメ ン ト 了 1 , Ί 2がバランケース 8 4に設けられたコネクタ 8 6 , 同 軸ケーブル 8 7 , コネクタ 8 8 , 同軸ケーブル 8 9 およびコネクタ 9 0を介して箱体 8 5 の裏側に取りつけた回路ブロ ック 9 1 内のパ ルス発生部 5 4 (第 8図参照） に接続される。 そして、 回路ブロ ッ ク 9 1 内のパルス発生部 5 4からの送信出力がコネクタ 9 0 , 同軸 5 ケーブル 8 9 , コネクタ 8 8 , 同軸ケーブル 8 7 , コネクタ 8 6お よびバラ ン 8 3を介して一対のアンテナエ レメ ン ト Ί 1 , 7 2 に供 給され、 一対のア ンテナエ レメ ン ト 7 1 , 7 2 よりパルス波が放射 される。
    [0037] 上記のような従来のレーダ型地中探査装置は、 数十 n Sの短い時間 ,。 内に高周波増幅部 5 7 の増幅度を 1 0倍から 1 0 0倍に増加させる 必要があり、 反射波形に振動現象等の歪が生じやすく なり、 これが 探査能および分解能の向上を制限する一つの要因となつていた。
    [0038] 一方、 低周波領域で、 すなわちサンプリ ング後にセンシティ ビテ ィ · タイ ム . コ ン ト ロ ールを行う方法もあるが、 この場合に別の問 5 題点がある。 高周波を低周波に変換するには、 前述のようにサ ンプ リ ングを行う必要があり、 この変換にあたりサンプリ ングノ ィ ズが 定常的に数 m V前後発生する。 今仮にサ ンプリ ングノ イ ズが 5 m V とすると、 低周波領域での増幅度を 1 0 とした時は 5 0 m Vにサ ン プリ ングノ ィ ズが増幅され、 増幅度を 1 0 0 とした時は 5 0 0 m V 0 にサ ンプリ ングノ イ ズが增幅される。 すなわち、 地中の深い所から 反射してきた弱い電波を大きく増幅しょう とすると、 サ ンプリ ング ノ ィ ズが大き く なつてしまい、 検知能力を向上させることができな いのである。
    [0039] また、 上記した従来の地中探査用のアンテナは、 全方向にわたつ5 て広指向特性をもっているので、 地中埋設物体の探査を行う上で、 好ま しいものではなかった。 すなわち、 送信アンテナとして使用す る場合、 空中への漏洩電波が多 く 、 地中に有効に電波を放射するこ とができない。 また、 地中に対しても広範囲にわたって電波が放射 され、 その反射波が受信ァンテナにもどってく るので、 地中埋設物 体の検知精度を高くすることができない。 また、 受信アンテナとし て使用する場合にも、 空中からのノ ィ ズおよび地中の広範囲の地中 5 埋設物体からの反射波がアンテナに入ることになり、 地中埋設物体 の検知精度を高くすることができない。
    [0040] この発明の第 1の g的は、 地中の物体の探查能および分解能を高 めることができるレーダ型地中探查装置を提供することである。
    [0041] また、 この発明の第 2 の目的は、 狭指向特性を有して地中埋設物
    [0042] 1 0 体の検知精度を高めることができる地中探查用のァンテナを提供す ることである。
    [0043] 〔発明の開示〕
    [0044] この発明のレーダ型地中探査装置ば、 バルス発生器からピーク値 が一定のパルス波を周期的に発生させ、 このパルス波を送信アンテ
    [0045] 1 5 ナより地表面から地中へ向かって放射し、 地表面までもどる地中の 物体からの反射波を受信ァンテナで捉え、 受信ァンテナで受信され た各パルス波に対応する反射波を高周波増幅器においてパルス放射 毎に増大する増幅度で增幅し、 パルス波の各々の放射タィ ミ ングを 基準にして順次一定時間ずつ遅れた反射時刻で高周波増幅器の出力
    [0046] 2 0 をサンブラでサンプリ ングすることにより反射波の時間敏を伸長し た低周波信号を得、 この抵周波信号の波形を波形-表示器で表示させ るようにしている。 そして、 波形表示器の画面上において、 低周波 信号中の ¾体からの反射によるピークの有無により物体の有無を検 知するとともに、 パルス波の放射タイ ミ ングを基準にしたピークの
    [0047] Z B 出現時刻によつて物体の深さを検知するようになつている。
    [0048] こ の発明の構成によれば、 バルス波を周期的に放射し、 これに対 応する反射波を、 パルス波の放射毎に増幅度がゆるやかに増大する 高周波増幅器で増幅し、 高周波増幅器の出力を各パルス波の放射タ ィ ミ ングを基準にして順次一定時間遅れた反射時刻でサンプリ ング することによって 1個の反射波の時間軸を伸長した低周波信号を得 ているため、 地中における物体の埋設深さの違いによる電波の減衰
    [0049] 5 量の違いを波形歪を生じさせることな く補償することができ、 地中 の物体の探査能および分解能を向上させることができる。
    [0050] この場合、 送信アンテナおよび受信ァンテナは、 略二等辺三角形 状の一対の平板を底辺と略平行な線を折り 目として鈍角的に折曲し てなり， 両台形部分を略同一平面内に配置するとともに両三角形部
    [0051] , ο 分を内側にした状態で略対称配置した一対のア ンテナエ レメ ン ト と、 一対のア ンテナヱ レメ ン トの一方の台形部分の下底部両側縁に一端 をそれぞれ接続した第 1 および第 2 の装荷抵抗と、 一対のァンテナ エ レメ ン トの他方の台彤都分に下底部両側縁に一端をそれぞれ接続 した第 3および第 4の装荷抵抗と、 第 1 および第 2 の装荷抵抗の他 5 端にそれぞれ一端を接続した第 1 および第 2 の導体と、 第 3および 第 4の装荷抵抗の他端にそれぞれ一端を接続した第 3および第 4の 導体と、 第 1 および第 3 の導体の他端間に接繞された第 5 の装荷抵 抗と、 第 2および第 4の導体間に接続された第 6 の装荷抵抗とを備 えている。
    [0052] 0 また、 このレーダ型地中探査装置においては、 一対のアンテナェ レメ ン トを略二等辺三角形状の平板を鈍角的に折曲して形成し、 一 対のアンテナヱレメ ン トを三角形部分を内側にした状態で略対称配 置したもので送信ァンテナおよび受信ァンテナを構成しているので、 一対のア ンテナヱ レメ ン トの長手方向の指向特性を狭指向特性とす5 る こ とができ、 一対のァンテナエ レメ ン トをその長手方向に移動さ せながら検知動作を行わせることで、 地中埋設物体の検知精度を高 める こ とができ、 さ らに電波の放射効率を高めることができる。 また、 一対のァンテナエ レメ ン トの長手方向と直交する方向の指 向特性は広指向特性のままであるので、 一対のァンテナエレメ ン ト をその長手方向と直交する方向に移動させながら検知勖作を行わせ ることで、 広範通にわたって地中埋設物体の存在の有無およびその
    [0053] 5 位置が、 概略的ではあるが、 比較的短時間に検知することができ、 一対のァ ンテナエ レメ ン トをその長手方向と直交する方向に移動さ せながら行う地中埋設物体の検知動作と一対のァンテナヱレメ ン ト をその長手方向に移動させながら行う検知動作とを組み合わせるこ とで広範囲の地中埋設物体の探查を短時 fslで精度良ぐ行わせること ができる。
    [0054] 〔図面の簡単な説明〕
    [0055] 第 1図はこの発明の実施例の構成を示すブロ ック図、 第 2図ばそ の各部の波形図、 第 3図ば実施例において使用される地中探查用の ア ンテナの斜視図、 第 4図は第 3図の要部の拡大斜視図、 第 5図は 1 5 同じ く箱体に収容した扰態の断面図、 第 6図ば実施例および徒来例 における地中探査用のアンテナの指向特性を示す特性図、 第 7図は 実施例および徒来例における地中探查用のア ンテナの放射効率を示 す特性図、 第 8図ば従来のレーダ型地中探査装置のブロック図、 第
    [0056] 9図はその各部のタィ ミ ング図、 第 1 0図はサンプリ ング動作の說 2 0 明図、 第 1 1図は従来のレーダ型地中探查装置に使用されるア ンテ ナの搆成を示す平面図、 第 1 2図は同じく箱体に'収容した状態の断 面図である。
    [0057] 〔発明を実施するための最良の形態〕
    [0058] この発明の実施例を第 1図ないし第 7図に基づいて説明する。 こ Z S のレーダ型地中探查装置は、 第 1図に示すように、 地表面 1に送信 アンテナ 2および受信アンテナ 3が並べて （近接して） 設置され、 ベースノ、'ン ドパルザなどのパルス 生器 4 でベースノ ン ドパルス波 を発生し、 送信ア ンテナ 2を介し電波として地中 5 に放射するよう になっている。 この場合、 パルス発生器 4 は、 5 0 s タイ マ 6 に よ って一定ピーク値のベースバン ドパルス波を 5 0 μ s毎に発生し て地中 5 に放射させるようになつている。
    [0059] そして、 地中 5 に放射されたパルス波は、 地中 5 の物体 8 A , 8 B によって反射されて再び地表面 1 にもどり、 受信ア ンテナ 3 によつ て捉えられる。 この受信アンテナ 3 によって捉えられた反射波は増 幅度可変型の高周波増幅器 9 に入力され、 ここで高周波増幅され、 さ らにサンプラ 1 1 でサンプリ ングされるとともに低域ろ波されて 時間軸伸長した低周波信号に変換され、 シンク ロスコープ等の波形 表示器 1 2 に表示される。
    [0060] この際、 5 0 ni sタイ マ 7 によって 5 0 m s毎に起動されて指数関数 等の単調増加関数を発生する関数癸生回路 1 3 によって、 高周波增 幅器 9 の増幅度が 5 G msの間において時間の経過とともに增大する ことになる。 なお、 増幅度は 5 0 m sの時間内では単調増加している が、 5 0 msより も長い時間で見れば略鋸歯状に変化するこ とになる。 すなわち、 関数発生回路 1 3 は、 5 0 周期の略鋸歯状波を出力す る という こ とになる。
    [0061] 上記のサンプラ 1 1 のサンプルタ イ ミ ングは 5 O m sタイ マ 7 , 50 s タ イ マ 6 , 遅延時間発生回路 1 0 によって決定される。 すなわ ち、 遅延時間発生回路 1 0 は、 5 O m sタイ マ 7 により起動されて 50 ^ s タイ マ 6 の出力が加えられた回数を力ゥ ン ト レ、 5 0 m sタイ マ 7 の出力が加えられた時は遅延時間 0 でパルスを出力し、 5 0 タイ マ 6 の出力が加えられた時はその出力回数 i に対応して （100 n s X i ) 1000の遅延時間でパルスを出力してサンプラ 1 1 を動作 させる。
    [0062] 次表はパルス波の番号とサンプルタイ ミ ングとの関係を示してい る
    [0063] パルス波 サンプルタイ ミ ング
    [0064] 0 Δ 1 l x (50 + ) + Δ 2 (50 μ s + ) + Δ i (5 10 s + ) + Δ
    [0065] 2
    [0066] 999 999 x (50 s + ) + Δ
    [0067] 1000
    [0068] 1J丄 o o o o o o o o Λυ Q o o o o o o o a n n« n
    [0069] 第 2図は上記第 l図の各部の波形図を示してぃ s s s sる。 同図 （A ) は 高周波増幅器 9 の増幅度の時間変化を示し、 その増幅度は時間の籙 過とともに 5 0 ms内に例えば指数関数的に増大している。 同図 （B ) は高周波増幅器 9 の出力電圧の時間変化を示し、 そのピーク値が高 周波増幅器 9の増幅度変化と同じように指数鬨数的に増大している。 同図 （ C ) は同図 （ B ) の波彤における t == 0 ms付近、 すなわちサ ンプリ ングが t ' = 0 ns付近で行われる反射波の波形の拡大図を示 し (区間 Aの領域が順次サンプルされる） 、 同図 （D ) は同図 （B ) における t = 2 5 ms付近、 すなわちサンプリ ングが t ' = 5 0 ns付 近で行われる反射波の波彤の拔大図を示し （区間 Bの領域が順次サ ンプルされる） 、 同図 （E ) は同図 （ B ) における t = 5 0 ms付近、 すなわちサンプリ ングが t ' = I 0 0 ns付近で行われる反射波の波 ^の拡大図を示している （区藺 Cの領域が順次サンプルされる） 。 各図を見るとわかるように、 高周波増幅器 9 の増幅度の時間的な増 加によって同図 （ C ) , ( D ) , ( E ) の各サンプル点における各 反射波の瞬時値がほぼ等し く なつている ことがわかる。 この結果、 同図 （ F ) に示す低周波信号は、 物体 8 A , 8 Bの埋設深さによる 電波減衰量の違いが補償されて深部の物体 8 Bからの反射による ピ ークが強調されることになり、 物体 8 A , 8 Bからの反射によるピ 5 —クの高さが物体 8 A , 8 Bの深さにかかわらずほぼ同じになる。
    [0070] こ こで、 送信アンテナ 2および受信アンテナ 3 として使用される 地中探查用のアンテナを第 3図ないし第 7図に基づいて説明する。 このア ンテナは、 第 3図および第 4図に示すように、 銳角二等辺三 角形状の同形同寸の一対の平板を底辺と平行な線を折り 目として鈍 t o 角的に折曲したもので一対のアンテナエ レメ ン ト 2 1 , 2 2が形成 される。 この一対のアンテナエレメ ン ト 2 1 , 2 2 は、 両台形部分 2 1 a , 2 2 aが同一平面内に位置するとともに三角^部分 2 1 b , 2 2 bが内側に位置した状態で対称配置される。
    [0071] また、 このア ンテナは、 一対のアンテナエ レメ ン ト 2 1 , 2 2 の 15 台形部分 2 l a , 2 2 a のそれぞれの両側に台形部分 2 l a , 22 a と同一平面内で対称となるように板状の導体 2 7 〜 3 0がそれぞれ 配置されている。
    [0072] 導体 2 7 > 2 8 は、 一端緣がアンテナエ レメ ン ト 2 1 の台形部分 2 1 a の下底部両側緣 2 1 c , 2 1 dに所定の幅でそれぞれ近接対 20 向し、 導体 2 9， 3 0 も同様に一端縁がアンテナエ レメ ン ト 2 2 の 台形部分 2 2 a の下底部両側緣 2 2 c , 2 2 dに所定の幅でそれぞ れ近接対向している。 また、 導体 2 7 , 2 9 は、 他端緣どう しが所 定の幅で相互に対向し、 導体 2 8 , 3 0 も同様に他端緣どう しが所 定の幅で相互に対向している。 また、 導体 2 7 , 2 9 は両側緣をそ Z S れぞれ円弧状に湾曲形成してあり、 他端緣で両側緣が滑らかに連繞 するようにしている。 同様に、 導体 2 8 , 3 0 も、 両側緣をそれぞ れ円弧状に湾曲形成してあり、 他端緣で両側縁が滑らかに連繞する ようにしている。
    [0073] また、 アンテナは、 1 5 0 Ω程度の抵抗値を有する装荷抵抗 2 3 〜 2 6 , 3 1 , 3 2を、 ー对のアンテナエ レメ ン ト 2 1 , 2 2の台 形部分 2 l a , 2 2 a の下底部両側緣 2 1 c , 2 1 d , 2 2 c , 2 2 dと導体 2 7〜 3 0 との間， 導体 2 7 , 2 9間および導体 2 8 , 3 0間にそれぞれ接続している。
    [0074] そして、 一対のァンテナエレメ ン ト 2 1 , 2 2 の三角形部分 21 b , 2 2 の頂部 2 1 e , 2 2 eが給電点となり、 頂部 2 1 e , 2 2 e に出力イ ンピーダンスが 2 0 Q Ωのバラ ン 3 3を介してパルス発生 器 （ベースバン ドパルサ） 4が接続され、 パルス発生器 4からパル ス波が一対のァンテチェレメ ン ト 2 1 , 2 2 より電波として放射さ れる。
    [0075] なお、 このアンテナは、 第 5図に示すように、 ノ ラン 3 3を内蔵 した絶縁性のバランケース 3 4に一対のアンテナエレメ ン.ト 2 1 , 2 2 の三角彤部分 2 1 b , 2 2 bの頂部 2 1 e , 2 2 eが固定され、 この状態でフェライ トが内張り されたアルミ ニウム製の箱体 3 5 に 収容されている。 この場合、 一対のァンテナエレメ ン ト 2 1 , 2 2 の配置平面が箱体 3 5の蘭口面に合わせられ、 一対のアンテナヱレ メ ン ト 2 1 , 2 2がバラ ンケース 3 4に設げられたコネクタ 3 6 , 同敏ケーブル 3 7およびコネクタ 3 8を介して箱体 3 5 の裏側に設 けられた回路ブロ ック 3 9内のパルス発生器 4に接繞され、 回路ブ ロ ック 3 9内のパルス発生器 4からの送信出力がコネクタ 3 8 , 周 軸ケーブル 3 7 , コネクタ 3 6およびバラン 3 3を介して一対のァ ンテナエレメ ン ト 2 1 , 2 2に供給され、 一対のアンテナエレメ ン ト 2 1 , 2 2より電波が放射される。
    [0076] ここで、 上記第 3図および第 4図における各部の寸法関係につい て説明する。 まず、 一対のアンテナエレメ ン ト 2 1 , 2 2 の台^部 分 2 l a , 2 2 a の下底部両側緣 2 1 c , 2 I d , 2 2 c , 2 2 d と導体 2 7 〜 3 0 の一端縁との間隔 d , は例えば 0. 5 mmに設定され、 対向幅 は例えば 3 3 mmに設定され、 また導体 2 7 , 2 9間およ び導体 2 8 , 3 0間の他端どう しの間隔 d 2 は例えば 0. 5 mmに設定 s され、 対向幅 w 2 は例えば 1 0 mmに設定されている。 これらの寸法 は、 上記値に限定されることはな く 、 多少の値の増減は許容される。 また、 一対のアンテナエレメ ン ト 2 1 , 2 2 は、 台形部分 2 l a , 2 2 a から三角形部分 2 1 b , 2 2 bの頂部 2 1 e , 2 2 e までの ， 高さ h , が 1 0 cmに設定され、 三角形部分 2 1 b , 2 2 bの頂部 2 1 e , 2 2 e の間隔 d 3 がバラ ン 3 3 の間隔に合わせて 4 mmに設 定され、 また三角形部分 2 1 , 2 2 b の底部の間隔 d 4 が 4 5 mm に設定されている。 この場合、 三角形部分 2 l b , 2 2 bの開き角 度 は約 2 0度になる。 なお、 台形部分 2 1 a , 2 2 a から三角形 部分 2 1 b , 2 2 bの頂部 2 1 e , 2 2 e までの高さ は 1 0 cm 以上にするのが好ましいが、 1 0 cm以下であってもよい。 また、 三 角形部分 2 l b , 2 2. bの底部の間隔は、 3 0 〜 5 0 mtnの範囲であ れば十分な性能を得るこ とができる。
    [0077] また、 三角形部分 2 1 b , 2 2 bの底部の幅 w 3 は、 三角形部分 2 1 , 2 2 bの底部の間隔 d 4 に対し、 1 / 1. 5 〜 ； ί ノ 2 に設定 するのが好まし く 、 3 0 〜 3 6 の範囲で良好な結果が得られた。
    [0078] また、 三角形部分 2 1 b , 2 2 bの頂部 2 1 e , 2 2 e の幅 w 4 は、 三角形部分 2 l b , 2 2 b の頂部 2 1 e , 2 2 3 の間隔 <1 3 に対し、 ノ ラ ン 3 3 の出力イ ンィ ピーダンスが 2 0 0 Ωである こ と力、ら、 文 献に基づいて、 1 ノ 1. 2 4である 3. 2 mmに設定している。 この値に ついても、 多少のずれは許容される。
    [0079] また、 一対のアンテナヱ レメ ン ト 2 1 , 2 2 の折曲部分の曲率半 径はできるだけ小さい方が好ま しい。 なお、 曲率半径が多少大き く て一対のアンテナヱ レメ ン ト 2 1 , 2 2が円弧状に湾曲している場 合にも、 出力は多少低下するが、 指向特性では満足したものが得ら れる。
    [0080] ここで、 実施例のア ンテナ （第 3図ないし第 5図参照） および従 5 来例のアンテナ （第 1 1図および第 1 2図参照） の指向特性の差異 について説明する。
    [0081] 指商特性を調べるために、 地表面から 5 0 cmの深さに微小ダイポ ールからなる受信ァ ンテナを配置し、 受信ァ ンテナの直上の地表面 の点を通る地表面の直線上を実施例のァンテナを一対のァンテナェ
    [0082] 1 0 レメ ン ト 2 1 , 2 2 の長手方向に移動させながら地表面から地中に 向けて電波を放射し、 受信ァンテナによる受信信号レペルを測定し た。 また、 受信アンテナの直上の地表面の点を通る地表面の直線上 を実施例のアンテナを—対のアンテナエレメ ン ト 2 1 , 2 2 の長手 方向と直交する方向に移動させながら地表面から地中に向けて電波 i s を放射し、 受信アンテナによる受信信号レベルを測定した。 また比 較のために、 地表面から 5 0 cmの深さに徽小ダィポ一ルからなる受 信ァンテナを配置し、 受信ァンテナの直上の地表面の点を通る地表 面の直線上を従来例のァンテナを一対のァンテナヱレメ ン ト 7 1 , 7 2 の長手方商に移動させながら地表面から地中に向けて電波を放 0 射し、 受信アンテナによる受信信号レベルを測定した。 また、 受信 ァ ンテナの直上の地表面の点を通る地表面の直線上を従来例のァン テナを一対のァンテナエレメ ン ト 7 1 , 7 2の長手方向と直交する 方向に移動させながら地表面から地中に向けて電波を放射し、 受信 ア ンテナによる受信信号レベルを測定した。 この結果を次表， 第 6
    [0083] 2 5 図および第 7図に示す。 なお、 実施例および徒来例のアンテナは、 幅 6 0 c m . 奥行 5 0 cm、 高さ 1 0 cmの下面開放の箱体 1 5 , 4 5 に 収容した状態で電波を放射した。 次表は、 実施例および従来例のア ンテナにおいて、 地中の受信ァ ンテナの直上の地表面の位置、 すなわち受信ア ンテナの直上の地表 面の点からの距離が 0 c mの位置で電波を放射したときの受信信号レ ベルをそれぞれ基準 （ 1. 0 ) として、 5 c m , 1 0 c mの距離での受信 信号レベルを示している。 なお、 次表において、 ①の欄は実施例の ア ンテナを一対のア ンテナエ レメ ン ト 1 ， 2 の長手方向と直交する 方向に移動させながら地表面から地中に向けて電波を放射し、 受信 ァンテナによる受信信号レベルを測定した結果を示し、 ②の欄は実 施例のアンテナを一対のアンテナエレメ ン ト 2 1 , 2 2 の長手方向 に移動させながら地表面から地中に向けて電波を放射し、 受信ア ン テナによる受信信号レベルを測定した結果を示し、 ③の欄は徒来例 のアンテナを一対のアンテナエ レメ ン ト 7 1 , 7 2 の長手方向と直 交する方向に移動させながら地表面から地中に向けて電波を放射し、 受信ァンテナによる受信信号レベルを測定した結果を示し、 ④の欄 は従来例のアンテナを一対のア ンテナエレメ ン ト 7 1 , 7 2 の長手 方向に移動させながら地表面から地中に向けて電波を放射し、 受信 アンテナによる受信信号レベルを測定した結果を示している。
    [0084] 第 3表
    [0085]
    [0086] 第 6図は、 第 3表のデータを、 横軸に受信ア ンテナの直上の地表 面上の点からの距離をとり縦軸に受信信号レベルをとつてグラフに 示したもので、 第 6図中の符号①〜④は第 3表の①〜④にそれぞれ 対応している。
    [0087] この第 6図から、 実施例のア ンテナでは、 受信信号レベルの距離 に対する抵下勾配が、 一対のァンテナエ レメ ン ト 2 1 , 2 2の長手 5 方向に移動させながら受信信号レベルを測定した場合 （②の場合) は一対のァンテナエ レメ ン ト 2 1 , 2 2 の長手方向と直交する方向 に移動させながら受信信号レベルを測定した場合 （①の場合） より 小さ く なつていることがわかる。 このことは、 実施例のァンテナで ば、 一対のァンテナエレメ ン ト 2 1 , 2 2 の長手方商と直交する方
    [0088] 1 0 向の指向特性より一対のァンテナエ レメ ン ト 2 1 , 2 2 の長手方向 の指向特性の方が狭指！ ¾特性を有しているという ことである。 また、 従来例のァ ンテナでは、 受信信号レベルの距離に対する坻下勾配が、 一対のァンテナエ レメ ン ト 7 1 , 7 2の長手方向に移動させながら 受信信号レベルを測定した場合 （④の場合） と一対のアンテナエレ i s メ ン ト 7 1 , 7 2 の長手方向と直交する方向に移動させながら受信 信号レベルを測定した場合 （③の場合） とで略同じであることがわ かる。 このことば、 徒来例のアンテナでは、 一対のアンテナヱレメ ント 7 1 , 7 2 の長手方向と直交する方向の指^特性と一対のァン テナェレメ ン ト 7 1 , 7 2 の長手方商の指向特性とが略同じである Z 0 という ことである。
    [0089] なお、 第 6図において、 地表面の距離 5 cm , 10 cmの点と 5 Q cmの 深さの受信アンテナとを結ぶ線は、 垂線に対して、 それぞれ略 5. 7 度， 1 1. 3度の角度をなすことになる。
    [0090] 第 7図は、 実施例のアンテナにおいて、 地中の受信アンテナの直 Z 5 上の地表面の位置、 すなわち受信ア ンテナの直上の地表面の点から の距離が 0 cmの位置で電波を放射したときの受信信号レベルを基準 ( 0 d B ) として、 実施例のアンテナにおける 5 cm , 1 0 cm , の距離での受信信号レベルならびに従来例のァンテナにおける O cm,
    [0091] 5 cm, 1 0 cm, の距離での受信信号レベルをそれぞれ示してい る。 なお、 第 7図において、 曲線⑤は実施例のアンテナを一対のァ ンテナエ レメ ン ト 2 1 , 2 2 の長手方向に移動させながら地表面か 5 ら地中に向けて電波を放射し、 受信アンテナによる受信信号レベル を測定した結果を示し、 曲線⑤は従来例のアンテナを一対のアンテ ナエ レメ ン ト 7 1 , 7 2 の長手方向に移動させながら地表面から地 中に向けて電波を放射し、 受信ァンテナによる受信信号レベルを測 定した結果を示している。
    [0092] ！ 0 この第 7図から、 実施例のアンテナを一対のアンテナエレメ ン ト 2 1 , 2 2 の長手方向に移動させながら電波を放射したときの受信 信号レベルは、 距離が小さい領域において、 従来例のアンテナを一 対のアンテナエレメ ン ト 7 1 , 7 2 の長手方向に移動させながら電 波を放射したときの受信信号レベルに比べて大きいことがわかる。
    [0093] 15 このことは、 実施例のアンテナが従来例のアンテナに比べて電波の 放射効率が高いことを示している。
    [0094] こ のよ う に、 こ の実施例のレーダ型地中探査装置は、 パルス波を 周期的に放射し、 これに対応する反射波を受信し、 パルス波の送信 周期 Tより Δ T時間長いサンプル周期で高周波増幅器 9 の出力をサ Z 0 ンプリ ングするこ とによ り 、 すなわち各反射波を順次一定時間遅れ たタイ ミ ングで 1個ずつサンプリ ングすることにより、 1 個の反射 波の時間軸を伸長した低周波信号を得るものにおいて、 高周波增幅 器 9 の増幅度を 5 0 msの時間内において時間の経過とともに （パル ス放射毎に） 増大させるようにしたため、 深さによる電波減衰量の 違いが補償されて低周波信号における深部の物体 8 Bからの反射に よる ピークが強調され、 物体 8 A , 8 Bからの反射による ピークの 高さを物体 8 A , 8 Bの深さに閬孫な く ほぼ同じ高さにすることが できる。 また、 高周波増幅器 9 の增幅度の変化周期は 5 O ms以上で あり、 従来例のように、 1 0 0 ns内に増幅度を変化させるのとは違 つて実施が容易である。
    [0095] また、 この実施例におけるアンテナは、 一対のア ンテナエレメ ン ト 2 1 , 2 2を鋭角二等辺三角形状の平板を鈍角的に折曲して形成 し、 一対のアンテナエレメ ン ト 2 1 , 2 2を三角形部分 2 1 b , 2 2 bを内側にした状態で対称配置したものであるので、 一対のァ ンテナヱレメ ン ト 2 1， 2 2の長手方向の指向特性を狭指向特性と することができ、 一対のアンテナエ レメ ン ト 2 1 , 2 2をその長手 方商に移動させながら検知動作を行わせることで、 地中埋設物体の 検知精度を高めることができ、 さらに電波の放射効率を高めること ができる。
    [0096] また、 一対のァンテナエ レメ ン ト 2 1， 2 2の長手方向と直交す る方向の指向特性は広指向特性のままであるので、 一対のァンテチ エレメ ン ト 2 1 , 2 2をその長手方向と直交する方向に移動させな がら検知動作を行わせることで、 広範囲にわたって地中埋設物体の 存在の有無およびその位置が、 概略的ではあるが、 比較的短時間に 検知することができる。 このため、 一対のアンテナエ レメ ン ト 2 1 , 2 2をその長手方向と直交する方向に移勣させながら行う地中埋設 物体の検知動作と一対のア ンテナエ レメ ン ト 2 1 , 2 2をその長手 方向に移勖させながら行う検知勖作とを組み合わせることで広範囲 の地中埋設物体の探查を短時間で精度良く行わせることができる。
    [0097] また、 この実施例におけるアンテナぱ、 一対の鋭角二等辺三角形 伏の平板を鈍角的に折曲して一対のアンテナエレメ ン ト 2 1 , 2 2 を形成し、 三角^部分 2 1 b , 2 2 bを内側にした状態で対称配置 しているため、 一対のアンテナエレメ ン ト 2 1 , 2 2が立体的とな り、 箱体 3 5 に収容した状態で電波を放射するように構成にするに 際して、 台形部分 2 1 a , 2 2 a から三角形部分 2 1 b , 2 2 b の 頂部 2 1 e , 2 2 e までの高さ li , を箱体 3 5 の高さと同程度に設 定することにより三角形部分 2 l b , 2 2 bの頂部 2 1 e , 2 2 e に固定するバラ ンケース 3 4を箱体 3 5 の裏側に突出させることが できる。 この結果、 箱体 3 5 の裏側に取りつけられた回路ブロ ック 3 9 とバラ ンケース 3 4 とを接続する場合に、 ノ ランケース 3 4 と 回路ブロ ック 3 9 との空間距離を少な く できる。 したがって、 コネ クタ数を従来例より も削減することができ、 構造的に簡素化できる とともに、 コネクタによる不要反射を低減してリ ンギングを低減す る こ とができる。
    [0098] なお、 送信ァンテナ 2 と受信ァンテナ 3 とはひとつのアンテナを 共用することもできる。
    [0099] また、 上記実施例では、 一対のァ ンテナエ レメ ン ト 2 1 , 2 2 は 鋭角三角形状の平板を鈍角的に折曲して形成したが、 平板の形状は 正確な銳角二等辺三角形状でな く てもよ く 、 これに近い彤状であれ ばよい。
    [0100] 〔産業上の利用可能性〕
    [0101] 本発明に係る レーダ型地中探査装置は、 地中埋設ガス導管等の地 中埋設物体の有無およびその位置を非掘削で検知するのに適する。
    权利要求:
    Claims請 求 の 範 囲
    1. ピーク値が一定のパルス波を周期的に発生するパルス発生器 と、 このパルス発生器から発生するバルス波を地表面から地中へ向 かって放射する送信アンテナと、 地表面までもどる前記地中の物体 5 からの反射波を捉える受信アンテナと、 この受信アンテナで受信し た前記各パルス波に対応する反射波をパルス放射毎に増大する増幅 度で增幅する高周波増幅器と、 前記パルス波の各々の放射タィ ミ ン グを基準にして順次一定時閩ずつ遅れた時刻で前記高周波増幅器の 出力をサンプリ ングすることにより前記反射波の時閩敏を伸長した
    ! 0 低周波信号を得るサンブラと、 このサンブラから出力される低周波 信号の波形を表示する波 表示器とを備え、 前記低周波信号中の前 記物体からの反射によるビーダの有無により前記物体の有無を検知 するとともに、 前記ピークの出現時刻によつて前記物体の深さを検 知する レーダ型地中探查装置。
    1 5
    2. 前記送信ァンテナと受信ァンテナとはひとつのアンテナを兵 用している請求の範囲第 α)項記載のレ—ダ型地中探查装置。
    3. 前記送信. ンテナおよび受信ア ンテナば、 それぞれ略二等辺 三角形妆の一対の平板を底辺と略平行な線を折り 目として §¾角的に 折曲してなり両台形部分を略同一平面内に配置するとともに両三角 0 形部分を内側にした祅態で略対称配置した一対のァンテナエ レメ ン ト と、 前記一対のァンテナエ レメ ン ドの一方の台形部分の下底部両 側緣に一端をそれぞれ接繞した第 1および第 2 の装荷抵抗と、 前記 一対のァンテナエレメ ン トの他方の台形部分の下底部両倒緣に一篛 をそれぞれ接続した第 3および第 4 の装荷抵抗と、 前記第 1および 2 5 第 2 の装荷抵抗の他端にそれぞれ一端を接繞した第 1および第 2 の 導体と、 前記第 3および第 4の装荷抵抗の他端にそれぞれ一端を接 繞した第 3および第 4の導体と、 前記第 1および第 3 の導体の他端 間に接続された第 5 の装荷抵抗と、 前記第 2および第 4 の導体間に 接続された第 6 の装荷抵抗とで構成している請求の範囲第 (1)項また は第 (2)項記載のレーダ型地中探査装置。
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    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    JP61/266405||1986-11-08||
    JP61266405A|JPS63120271A|1986-11-08|1986-11-08|Radar-type underground investigation apparatus|
    JP62140436A|JP2506371B2|1987-06-03|1987-06-03|地中探査用広帯域アンテナ|
    JP62/140436||1987-06-03||DE19873787643| DE3787643D1|1986-11-08|1987-11-04|Radargeraet zur untergrunderforschung.|
    AT87907340T| AT95317T|1986-11-08|1987-11-04|Radargeraet zur untergrunderforschung.|
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