JP7362301B2 - 地中レーダー装置 - Google Patents

Description

本発明は、電波を利用して信号を送受信する地中レーダー装置に関する。

例えば、地中レーダー装置として、複数種の信号（チャープ信号）を送受信するものが知られている（特許文献１参照）。

特許文献１に開示の技術では、複数種の信号を送信し、これに対応して複数種の相関信号を生成するものとなっているが、同時並行的に検波処理できるとは限らない。

特開２０１６－９０２９７号公報

本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、複数種の信号（チャープ信号）の送受信において、同時並行的に検波処理を行うことができる地中レーダー装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための地中レーダー装置は、１回の探査信号送信で複数種の送信信号を送信する送信部と、複数種の送信信号に対応した受信信号を受信する受信部と、を備え、送信部は、複数種の送信信号を任意の間隔でずらして送信する。

上記地中レーダー装置では、送信部が、１回の探査信号送信で複数種の送信信号を送信し、かつ、複数種の送信信号を任意の間隔でずらして送信することで、異なる信号特性を有する複数種の信号間での干渉を回避しつつ、同時並行的に検波処理を行うことができる。

本発明の具体的な側面では、受信信号と参照信号との相関サンプリングに基づき信号処理を行う信号処理部を備える。この場合、相関サンプリングに基づき、複数種の送信信号ごとに検波処理ができる。

本発明の別の側面では、信号処理部は、複数の送信信号に応じた複数の相関処理部を有し、並列処理する。この場合、複数種の送信信号について、同時並行的に検波処理ができる。

本発明のさらに別の側面では、信号処理部は、１回の探査信号送信での送信期間を分割した繰り返し間隔の１回分において１回の相関処理を行い、送信部は、１回の繰り返し間隔中に、複数種の送信信号を構成する各送信信号を１回又は複数回送信する。この場合、１回の繰り返し間隔中において複数種の送信信号について発信できる。

本発明のさらに別の側面では、信号処理部は、複数種の送信信号に応じて、サンプリング間隔を変えている。この場合、各送信信号の特性に応じた送信ができる。

本発明のさらに別の側面では、送信部は、１回の探査信号送信で複数種の送信信号のうち一の送信信号について繰り返し発信する合間のタイミングで、他の送信信号を発信する。この場合、信号間での干渉を回避しつつ、複数種の信号送信が可能となる。

本発明のさらに別の側面では、複数種の送信信号において、一の送信信号と他の送信信号とで、波長帯域が異なっている。この場合、目標とする地中の測定距離や、測定精度に応じた検波が可能になる。

本発明のさらに別の側面では、送信部は、１回の探査信号送信で複数種の送信信号ごとに、異なる回数の送信を行う。この場合、各送信信号の適性等に応じた回数の送信ができる。

本発明のさらに別の側面では、送信部からの送信信号としてチャープ信号を用いる。この場合、分解能を確保しつつ探索深度を深くできる。

第１実施形態に係る地中レーダー装置の一構成例について説明するためのブロック図である。 （Ａ）～（Ｃ）は、地中レーダー装置の動作の一例を説明するタイムチャートである。 相関サンプリングの処理について一例を説明するための概念図である。 （Ａ）～（Ｃ）は、地中レーダー装置の動作の一変形例を説明するタイムチャートである。 相関処理部における相関サンプリングの処理について一例を説明するためのフローチャートである。 第２実施形態に係る地中レーダー装置の一構成例について説明するためのブロック図である。 （Ａ）～（Ｄ）は、地中レーダー装置の動作の一例を説明するタイムチャートである。 （Ａ）～（Ｃ）は、複数の相関処理部ごとのサンプリングの一例について示す概念図である。 （Ａ）～（Ｄ）は、地中レーダー装置の動作の一変形例を説明するタイムチャートである。 （Ａ）～（Ｃ）は、第３実施形態に係る地中レーダー装置の動作の一例を説明するタイムチャートである。 図１０に例示した地中レーダー装置において送信部から発信する送信信号の周波数と出力の関係について一例を示すグラフである。 （Ａ）～（Ｄ）は、地中レーダー装置の動作の一変形例を説明するタイムチャートである。 図１２に例示した地中レーダー装置において送信部から発信する送信信号の周波数と出力の関係について一例を示すグラフである。

〔第１実施形態〕
以下、図１等を参照して、第１実施形態に係る地中レーダー装置について一例を説明する。図１は、本実施形態に係る地中レーダー装置１００の構成について説明するためのブロック図である。

図１に示すように、地中レーダー装置１００は、互いに周波数の異なる送信信号Ｓ１や送信信号Ｓ２を、例えば地表から地中に向けて送信し、自ら送信した送信信号Ｓ１，Ｓ２が地中に埋設された埋設物である探査対象物ＯＢ１や探査対象物ＯＢ２で反射され、当該反射による反射成分を受信信号Ｒ１，Ｒ２として受け、受け取った時間（時間の長さが深さに対応する）や強度の大きさ等によって、探査対象物ＯＢ１，ＯＢ２の位置（深さ）を測定する。なお、図示の例では、探査対象物ＯＢ１が探査対象物ＯＢ２よりも遠い位置（深い位置）にあり、送信信号Ｓ１が送信信号Ｓ２よりも遠くまで到達することで、探査対象物ＯＢ１を反射した反射成分として受信信号Ｒ１が検知されている。一方、送信信号Ｓ２が探査対象物ＯＢ１よりも近い位置（浅い位置）にある探査対象物ＯＢ２で反射され、反射した反射成分として受信信号Ｒ２が検知されている。また、ここで、地中レーダー装置１００での信号受信についての相関処理により、例えば図３のようないわゆるＡスコープ波形を取得することになる。つまり、受信信号Ｒ１，Ｒ２のパターンすなわち応答波のパターンに基づいて探査結果が示される。

以下、上記のような探査を行うための地中レーダー装置１００を構成する各要素について、より具体的に説明することで、地中レーダー装置１００の機能や特性について説明する。

図１に示すように、本実施形態に係る地中レーダー装置１００は、信号処理部１０と、送信部２０と、受信部３０と、表示部４０とを備える。

信号処理部１０は、地中レーダー装置１００の各種信号処理を行う主制御装置であり、送信制御部１１と、送信用のチャープ信号発生部１１ｇと、相関処理用の複数のチャープ信号発生部１１ａ，１１ｂと、複数の増幅器１２ａ，１２ｂと、複数の相関処理部１５ａ，１５ｂと、複数の変換処理部１６ａ，１６ｂと、複数のフィルター処理部１７ａ，１７ｂとを備える。

本実施形態では、送信側であるチャープ信号発生部１１ｇは、複数種の送信信号として、異なる波長帯域で構成される第１の送信信号Ｓ１と第２の送信信号Ｓ２とが送信可能になっている。すなわち、複数種の送信信号において、一の送信信号と他の送信信号とで、波長帯域が異なっている。さらに、上記送信側の特性に応じて、受信側は、複数（２つ）の相関処理部１５ａ，１５ｂを有しており、複数の送信信号Ｓ１，Ｓ２に応じた相関処理が可能になっている。なお、これらについてのより具体的な一例は、後述する。

送信部２０は、信号処理部１０からの指令に基づいて地中に向けて、探査用の送信信号Ｓ１，Ｓ２を送信する（あるいは発信する）ための装置であり、増幅器２１と、送信アンテナ２２とを備える。

受信部３０は、送信部２０から地中に向けて発信された送信信号Ｓ１，Ｓ２の反射成分である応答波を含む受信信号Ｒ１，Ｒ２を受信するための装置であり、受信アンテナ３１と、増幅器３２とを備える。

なお、送信部２０のうち、増幅器２１は、送信用のチャープ信号発生部１１ｇで発生させたチャープ信号を増幅するためのアンプであり、送信アンテナ２２は、増幅器２１で増幅されたチャープ信号を、送信信号Ｓ１，Ｓ２として装置外部に向けて送信する。

また、受信部３０のうち、受信アンテナ３１は、外部からの各種信号を受信する。これにより、送信部２０から外部へ向けて発信された送信信号Ｓ１，Ｓ２の反射成分としてのチャープ信号も、受信信号Ｒ１，Ｒ２の一部として取得されることで、地中レーダー装置１００における埋設物の検出のための信号処理が可能となる。なお、増幅器３２は、受信アンテナ３１から取得された受信信号Ｒ１，Ｒ２を増幅するためのアンプである。増幅器３２を経た受信信号Ｒ１，Ｒ２は、相関処理部１５ａ，１５ｂに送られる。なお、受信部３０において受信した受信信号Ｒ１，Ｒ２については、後述する相関処理のタイミング制御に関する特性等から、各相関処理部１５ａ，１５ｂへの出力に際して、特に、分岐させなくてもよい構成とすることが可能である。

表示部４０は、信号処理部１０での各種処理を経た受信信号に基づいて、探査結果の表示を行う。

以下、信号処理部１０のうち、各種信号発生の各処理を担う部分についてより具体的に説明する。

送信用のチャープ信号発生部１１ｇは、地中に向けて送信する送信信号Ｓ１，Ｓ２として用いるチャープ信号を発生させ、発生させたチャープ信号を送信部２０へ送る。各チャープ信号は、ある程度の帯域幅を有して形成されている。ここでは、既述のように、チャープ信号発生部１１ｇは、複数種のチャープ信号として、第１の送信信号Ｓ１と第２の送信信号Ｓ２とを発生させ、これらの信号は、互いに異なる周波数帯域の高周波成分で形成されているものとする。より具体的な一例として、ここでは、第１の送信信号Ｓ１は、５０ＭＨｚ～３００ＭＨｚの高周波成分となっており、第２の送信信号Ｓ２は、５０ＭＨｚ～８００ＭＨｚの高周波成分となっているものとする。つまり、相対的には、第２の送信信号Ｓ２のほうが、第１の送信信号Ｓ１よりも高い周波数帯域を含んで構成されたものとなっており、かつ、双方には共通する帯域が含まれている。なお、各信号Ｓ１，Ｓ２が、上記のように、ある程度の帯域幅を有して形成することにより、地中レーダー装置１００は、ある程度の分解能を確保しつつ探索深度を深くできる。波長帯域が異なる複数種の送信信号Ｓ１，Ｓ２のうち、全体として、相対的に低い波長帯域で構成される第１の送信信号Ｓ１は、より深い範囲についての地中探査が可能になる。一方、相対的に高い波長帯域で構成される第２の送信信号Ｓ２は、探査範囲が浅くなるが、より分解能の高い探査が可能になる。

さらに、本実施形態では、上記のような複数種の送信信号である第１の送信信号Ｓ１と、第２の送信信号Ｓ２とについて、間隔をずらして送信している。これにより、送信信号Ｓ１，Ｓ２において共通する帯域が含まれていても、信号の送受信における信号間での干渉を回避できる。

相関処理用のチャープ信号発生部１１ａ，１１ｂは、地中の埋設物からの反射波を受信した受信信号を相関処理するための参照信号ＳＲａ，ＳＲｂとして用いるチャープ信号をそれぞれ発生させ、対応する相関処理部１５ａ，１５ｂにそれぞれ送る。

信号処理部１０のうち、送信制御部１１は、発信用のチャープ信号発生部１１ｇと、相関処理用の２つのチャープ信号発生部１１ａ，１１ｂにタイミング制御信号を送出するタイミング制御部である。送信制御部１１からのタイミング制御信号は、チャープ信号発生部１１ｇから発生される送信用のチャープ信号（送信信号Ｓ１，Ｓ２）に対して、チャープ信号発生部１１ａ，１１ｂから発生される相関処理用のチャープ信号（参照信号ＳＲａ，ＳＲｂ）をナノセカンド（ｎｓ）レベルで少しずつずらしながら発生させる。なお、以上により、相関処理部１５ａ，１５ｂにおいて、受信部３０からの受信信号Ｒ１，Ｒ２に対して参照信号ＳＲａ，ＳＲｂで個別に相関処理をすることができるようになっている。

上記のほか、図示の例では、チャープ信号発生部１１ｂと相関処理部１５ａ，１５ｂとの間に、参照信号ＳＲａ，ＳＲｂを増幅するためのアンプとして、増幅器１２ａ，１２ｂが設けられている。

次に、信号処理部１０のうち、信号の受信後の各処理を担う部分についてより具体的に説明する。

信号処理部１０のうち、相関処理部１５ａ，１５ｂは、例えば、相関器ＣＲａ，ＣＲｂと、演算処理部ＰＲａ，ＰＲｂとを備え、受信信号Ｒ１，Ｒ２と参照信号ＳＲａ，ＳＲｂとの間での相関処理をする。すなわち、相関処理部１５ａ，１５ｂは、受信信号Ｒ１，Ｒ２と参照信号ＳＲａ，ＳＲｂとの相関サンプリングに基づき信号処理を行う装置であり、具体的には、相関器ＣＲａ，ＣＲｂにおいて、受信部３０からの受信信号Ｒ１，Ｒ２を入力するとともに、チャープ信号発生部１１ｂからの参照信号ＳＲａ，ＳＲｂを入力し、入力された情報に関して演算処理部ＰＲａ，ＰＲｂにおいて畳み込みの処理を含む各種処理が適宜なされることで相関処理され、相関信号を生成する。ここでは、相関処理部１５ａ，１５ｂにおいて、各相関処理に応じた波形（例えば図３最下段参照）を形成するための相関信号が生成されるものとする。

上記のほか、図１の例では、相関処理部１５ａ，１５ｂの出力側に、変換処理部１６ａ，１６ｂが設けられている。変換処理部１６ａ，１６ｂは、例えば相関信号を増幅するためのアンプ（増幅器）や、相関処理部１５ａ，１５ｂから出力されるアナログの相関信号を入力してＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器等で構成されている。

また、変換処理部１６ａ，１６ｂの出力側に設けたフィルター処理部１７ａ，１７ｂは、受信部３０で受信した受信信号Ｒ１，Ｒ２を補償するためのフィルター処理を行う。

ここで、一般に、本願と同様に、地中に向けて異なる特性を有する複数種の信号を送受信することで、目的に応じた探査をする場合、当該複数種の信号間での干渉を回避することが必要となる。そのための方法として、例えば１回の探査において、まず、第１の信号に基づく探査を行った後、第１の信号と異なる特性を有する第２の信号に基づく探査を行う、すなわち、異なる２つの信号に基づく探査を交互に行うようにする、といった手法をとること考えられる。しかしながら、このような場合、２種類の信号のそれぞれについて個別探査時間を要するため、１種類の信号に基づく探査に比べて２倍の時間を要することになってしまう。これに対して、本実施形態の地中レーダー装置１００では、送信部２０が、１回の探査信号送信の中で、複数種の送信信号Ｓ１，Ｓ２を送信するに際して、送信信号Ｓ１，Ｓ２を任意の間隔でずらして送信し、それを受信側で送信信号ごとに対応する参照信号によってそれぞれ相関処理を並列的に行うことで、異なる信号特性を有する複数種の信号間での干渉を回避しつつ、同時並行的に検波処理を行って、上記のような問題の改善や解消を図っている。

以下、図２等を参照して、上記態様となる一構成例について、説明する。図２（Ａ）～図２（Ｃ）は、地中レーダー装置１００の動作の一例を説明するタイムチャートである。より具体的に説明すると、これらのうち、まず、図２（Ａ）は、送信部２０から送信される送信信号Ｓ１，Ｓ２の様子を示している。また、図２（Ｂ）は、第１のチャープ信号発生部１１ａから発信される第１の参照信号ＳＲａの様子を示しており、図２（Ｃ）は、第２のチャープ信号発生部１１ｂから発信される第２の参照信号ＳＲｂの様子を示している。

まず、図２（Ａ）を参照して、送信タイミングについて説明する。図２（Ａ）に示すように、ここでの一例では、１回の探査信号送信の期間Ｔ_Ｍが、複数個（Ｎ個：Ｎは、２以上）の繰り返し間隔Ｔ_Ｓで構成されている。各繰り返し間隔Ｔ_Ｓにおいて、同一の動作として、１回の送信信号Ｓ１の送信と、１回の送信信号Ｓ２の送信とがなされており、これを複数回すなわちＮ回繰り返すことで、１回の探査あるいは一地点の探査に相当する１つの期間Ｔ_Ｍとなっている。言い換えると、１回の期間Ｔ_Ｍにおいて、Ｎ回の送信信号Ｓ１が送信され、その合間にＮ回の送信信号Ｓ２が送信されることで、２種類の送信信号Ｓ１，Ｓ２が同時並行的に送信される。なお、以上について、期間Ｔ_Ｍで示す１回の探査信号送信での送信期間を分割した繰り返し間隔Ｔ_Ｓの１回分において１回のサンプリングが行われる。

ここで、各繰り返し間隔Ｔ_Ｓは、第１の送信信号Ｓ１の送信を行う第１送信期間Ｔｇ_Ａと、第２の送信信号Ｓ２の送信を行う第２送信期間Ｔｇ_Ｂとに分割されており、送信信号Ｓ１の送信タイミングと送信信号Ｓ２の送信タイミングとが重なることの無いように制御されている。以上のように、送信部２０は、期間Ｔ_Ｍに示す１回の探査信号送信で複数種の送信信号Ｓ１，Ｓ２のうち一の送信信号である送信信号Ｓ１について繰り返し発信する合間のタイミングで、他の送信信号である送信信号Ｓ２を発信している。これにより、信号Ｓ１，Ｓ２間での干渉を回避しつつ、複数種の信号送信が可能となる。

次に、図２（Ｂ）を参照して、第１の参照信号ＳＲａの発信タイミングについて説明する。図２（Ｂ）に示すように、第１の参照信号ＳＲａは、第１の送信信号Ｓ１の送信タイミングに呼応したタイミングで発信される。より具体的には、図示のように、１回の期間Ｔ_ＭにおいてＮ回繰り返される送信信号Ｓ１の送信のうち、１回目の送信では、送信信号Ｓ１と同時に参照信号ＳＲａが発信されるが、２回目の送信では、送信信号Ｓ１の送信からΔｔ秒だけ遅れたタイミングで参照信号ＳＲａが発信される。３回目の送信では、２回目と比べてさらにΔｔ秒だけ遅れたタイミング、すなわち送信信号Ｓ１の送信から２×Δｔ秒だけ遅れたタイミングで参照信号ＳＲａが発信される。以後、同様にずらしたタイミングで参照信号ＳＲａが発信され、１回の期間Ｔ_Ｍにおいて最後の送信すなわちＮ回目の送信では、最大のずらし量として送信信号Ｓ１の送信から（Ｎ－１）×Δｔ秒だけ遅れたタイミングで参照信号ＳＲａが発信される。ただし、全ての参照信号ＳＲａの発信タイミングについて、第１送信期間Ｔｇ_Ａの範囲内でタイミングずれが収まるようにしている。なお、以後、Δｔをずらし時間とする。Δｔを変更することは、結果として、各信号のサンプリングを行う間隔（サンプリング間隔）を変えていることに相当する。サンプリング間隔を変えることで、各送信信号Ｓ１，Ｓ２の特性に応じた相関処理ができる。

同様に、図２（Ｃ）に示すように、第２の参照信号ＳＲｂの発信タイミングについては、１回目では、送信信号Ｓ２と同時に参照信号ＳＲｂが発信されるが、２回目以降では、Δｔ秒ずつ遅れたタイミングで発信される。ただし、全ての参照信号ＳＲｂの発信タイミングについて、第２送信期間Ｔｇ_Ｂの範囲内でタイミングずれが収まるようにしている。

なお、Δｔ秒の間隔については、求める精度や適用する信号の周波数といった仕様態様等に応じて任意の値で調整可能であるものとしてよいが、例えば数ナノ秒程度とすることが考えられる。

以上のようなタイミング制御とすることで、第１の送信信号Ｓ１については、第１の参照信号ＳＲａに基づく相関処理が可能となり、第２の送信信号Ｓ２については、第２の参照信号ＳＲｂに基づく相関処理が可能となる。また、この際、送信あるいは発信のタイミングをずらしていることで、両者の間での干渉等を回避できる。

図３は、上記態様における相関サンプリングの処理について一例を説明するための概念図であり、図示の例では、第１の送信信号Ｓ１及びこれに対応する第１の参照信号ＳＲａに基づく相関処理からいわゆるＡスコープ波形を取得する様子を示している。

具体的には、図示のように、送信部２０から送信された送信信号Ｓ１についての反射成分としての受信信号Ｒ１を受信部３０において受けると、相関処理部１５ａにおいて、当該受信信号Ｒ１に対して所定のタイミングずれて発信される参照信号ＳＲａとの間で重畳処理等を含む相関処理がなされ、さらに、信号処理部１０の各部で必要な各種処理が施されて最終的に相関信号Ｓが形成される。

なお、第２の送信信号Ｓ２及びこれに対応する第２の参照信号ＳＲｂに基づく相関処理においても、図３に例示した第１の送信信号Ｓ１及び第１の参照信号ＳＲａに基づく相関処理の場合と同様にして、Ａスコープ波形を取得することができる。したがって、第１の送信信号Ｓ１に基づく探査と、第２の送信信号Ｓ２に基づく探査とを、同時並行的に行うことができる。言い換えると、信号処理部１０は、複数の送信信号Ｓ１，Ｓ２に応じた複数の信号処理部１５ａ，１５ｂを有し、並列処理するものとなっている。

また、図２（Ａ）～図２（Ｃ）に対応する図４（Ａ）～図４（Ｃ）において、地中レーダー装置１００の動作の一変形例を示すように、参照信号の発信タイミングのずらし度合については、対応する送信信号に応じて異なっていてもよい。図４の例では、参照信号ＳＲａについてΔｔ_Ａ秒ずつ遅れたタイミングで発信させているのに対して、参照信号ＳＲｂについてΔｔ_Ｂ秒ずつ遅れたタイミングで発信させており、Δｔ_Ａ＞Δｔ_Ｂとしている。すなわち、より高い周波数を含む第２の送信信号Ｓ２についての参照信号ＳＲｂのずらし時間Δｔ_Ｂ（送信信号Ｓ２に対するサンプリング間隔）を、第１の送信信号Ｓ１についての参照信号ＳＲａのずらし時間Δｔ_Ａ（送信信号Ｓ１に対するサンプリング間隔）よりも短くしている。なお、この場合、第２送信期間Ｔｇ_Ｂを、第１送信期間Ｔｇ_Ａよりも短くすることができることになる。

以下、図５のフローチャートを参照して、本実施形態における制御動作について一例を説明する。なお、図５は、図３に例示した第１の送信信号Ｓ１及びこれに対応する第１の参照信号ＳＲａに基づく相関処理からいわゆるＡスコープ波形を取得する工程についての処理動作を示している。

地中レーダー装置１００を起動させると、まず、信号処理部１０は、初期設定として、参照信号の発信タイミングのずらし度合をゼロ（ｎ＝０）とする処理を行い（ステップＳ１０１）、タイミング差Ｔｒを設定して、送信制御部１１からチャープ信号発生部１１ｇ及びチャープ信号発生部１１ａに対して、第ｎ＋１回目としての送信信号Ｓ１及びこれに対応する参照信号ＳＲａを送信あるいは発信させるための信号出力をする（ステップＳ１０２）。ステップＳ１０２に示す一例では、初期時刻をｔ_ｒ０として、タイミング差Ｔｒを、Ｔｒ＝ｔ_ｒ０＋Δｔ×ｎで設定している。なお、図２～図４の例示では、初期時刻ｔ_ｒ０＝０の場合について示していることになる。

次に、信号処理部１０は、ステップＳ１０２での出力に対する相関処理部１５ａでの相関処理の結果としての相関信号に相当する出力信号Ｓを、第ｎ＋１回目の信号Ｓ（ｎ）として受け取る（ステップＳ１０３）。次に、信号処理部１０は、ステップＳ１０３の動作が、既定の回数（Ｎ回）まで完了したか、すなわちｎ＝Ｎ－１に達したかを確認し（ステップＳ１０４）、達していなければ（ステップＳ１０４：Ｎｏ）、ｎの値を１追加して（ステップＳ１０５）、ステップＳ１０２からの動作を繰り返し、達していれば（ステップＳ１０４：Ｙｅｓ）、ステップＳ１０３で取得した出力信号Ｓすなわち出力信号Ｓ（０）～Ｓ（Ｎ－１）を、相関信号として出力し（ステップＳ１０６）、処理を終了する。すなわち、出力信号Ｓ（０）～Ｓ（Ｎ－１）に基づき、１回の探査信号送信の期間Ｔ_Ｍにおける第１の送信信号Ｓ１についてのＡスコープ波形が取得される。

なお、上記と同一の期間Ｔ_Ｍにおける第２の送信信号Ｓ２についてのＡスコープ波形についても、同様の処理を同時並行的に行うことで取得できる。

また、上記に例示した期間Ｔ_Ｍや、時間Δｔ、回数Ｎ等は、適宜設定可能であり、任意の間隔や回数等に設定できる。

以上のように、本実施形態に係る地中レーダー装置１００では、期間Ｔ_Ｍに示す１回の探査信号送信で複数種の送信信号Ｓ１，Ｓ２を送信する送信部２０と、複数種の送信信号Ｓ１，Ｓ２に対応した受信信号Ｒ１，Ｒ２を受信する受信部３０とを備え、送信部２０が、複数種の送信信号Ｓ１，Ｓ２を任意の間隔でずらして送信する。すなわち、地中レーダー装置１００では、送信部２０が、１回の探査信号送信で複数種の送信信号Ｓ１，Ｓ２を送信し、かつ、複数種の送信信号Ｓ１，Ｓ２を任意の間隔でずらして送信する。これにより、異なる信号特性を有する複数種の信号Ｓ１，Ｓ２間での干渉を回避しつつ、同時並行的に検波処理を行うことができる。

〔第２実施形態〕
以下、図６等を参照して、第２実施形態に係る地中レーダー装置について一例を説明する。なお、本実施形態に係る地中レーダー装置２００は、第１実施形態に係る地中レーダー装置１００（図１参照）について変形したものであるから、地中レーダー装置１００の構成要素と同等のものについては、同一の名称や符号を適用し、詳しい説明を省略する。

例えば、第１実施形態に係る地中レーダー装置１００では、２つの送信信号Ｓ１，Ｓ２に応じて２つの参照信号ＳＲａ，ＳＲｂによる相関処理を行う構成としていた。これに対して、図６に例示する本実施形態に係る地中レーダー装置２００は、互いに異なる３つの送信信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３に応じて３つの参照信号ＳＲａ，ＳＲｂ，ＳＲｃによる相関処理を行う構成となっている点において、第１実施形態の場合と異なっている。なお、本実施形態に係る地中レーダー装置２００は、信号処理部２１０と、送信部２０と、受信部３０と、表示部４０とを備える。

地中レーダー装置２００の信号処理部２１０は、送信制御部２１１と、送信用のチャープ信号発生部２１１ｇと、相関処理用の３つのチャープ信号発生部１１ａ，１１ｂ，１１ｃと、３つの増幅器１２ａ，１２ｂ，１２ｃと、３つの相関処理部１５ａ，１５ｂ，１５ｃと、３つの変換処理部１６ａ，１６ｂ，１６ｃと、３つのフィルター処理部１７ａ，１７ｂ，１７ｃとを備える。

信号処理部２１０のうち、チャープ信号発生部２１１ｇは、送信用のチャープ信号として３つの送信信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を発生させ、３つのチャープ信号発生部１１ａ，１１ｂ，１１ｃは、これらの送信信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３にそれぞれ対応する相関処理用の３つのチャープ信号として、参照信号ＳＲａ，ＳＲｂ，ＳＲｃを発生させ、３つの増幅器１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、参照信号ＳＲａ，ＳＲｂ，ＳＲｃをそれぞれ増幅させる。送信制御部２１１は、チャープ信号発生部２１１ｇと、３つのチャープ信号発生部１１ａ，１１ｂ，１１ｃに対してタイミング制御信号を送出する。

また、３つの相関処理部１５ａ，１５ｂ，１５ｃは、相関器ＣＲａ，ＣＲｂ，ＣＲｃと、演算処理部ＰＲａ，ＰＲｂ，ＰＲｃとを備え、それぞれ相関信号を生成する。

第１実施形態と同様、本実施形態においても、参照信号ＳＲａ，ＳＲｂ，ＳＲｃをナノセカンド（ｎｓ）レベルで少しずつずらしながら発生させることにより、相関処理部１５ａ，１５ｂにおいて、受信部３０からの受信信号に対して参照信号ＳＲａ，ＳＲｂ，ＳＲｃで個別に相関処理をすることができるようになっている。

以下、図７のタイムチャートを参照して、地中レーダー装置２００の動作の一例を説明する。なお、図７は、図２若しくは図４に対応するタイムチャートである。

すなわち、まず、図７（Ａ）は、送信部２０から送信される送信信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の様子を示している。また、図７（Ｂ）は、第１のチャープ信号発生部１１ａから発信される第１の参照信号ＳＲａの様子を示しており、図７（Ｃ）は、第２のチャープ信号発生部１１ｂから発信される第２の参照信号ＳＲｂの様子を示しており、図７（Ｄ）は、第３のチャープ信号発生部１１ｃから発信される第３の参照信号ＳＲｃの様子を示している。

まず、図７（Ａ）に示すように、１回の探査信号送信の期間Ｔ_Ｍが、Ｎ個の繰り返し間隔Ｔ_Ｓで構成され、各繰り返し間隔Ｔ_Ｓにおいて、同一の動作として、１回の送信信号Ｓ１の送信と、１回の送信信号Ｓ２の送信と、１回の送信信号Ｓ３の送信とがなされており、これを複数回すなわちＮ回繰り返すことで、１つの期間Ｔ_Ｍとなっている。つまり、３種類の送信信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３が同時並行的に送信される。また、送信信号Ｓ１～Ｓ３の送信タイミングが重なることの無いように、繰り返し間隔Ｔ_Ｓは、第１送信期間Ｔｇ_Ａと第２送信期間Ｔｇ_Ｂと第３送信期間Ｔｇ_Ｃとに分割されている。

次に、チャープ信号発生部１１ａ～１１ｃにおける参照信号ＳＲａ～ＳＲｃに関して、図７に示すように、参照信号ＳＲａについてΔｔ_Ａ秒ずつ遅れたタイミングで発信させ、参照信号ＳＲｂについてΔｔ_Ｂ秒ずつ遅れたタイミングで発信させ、参照信号ＳＲｃについてΔｔ_Ｃ秒ずつ遅れたタイミングで発信させており、Δｔ_Ａ＞Δｔ_Ｂ＞Δｔ_Ｃとしている。すなわち、３つのうち、最も高い周波数を含む第３の送信信号Ｓ３についての参照信号ＳＲｃのずらし時間を最も短くし、第１の送信信号Ｓ１についての参照信号ＳＲａのずらし時間を最も長くし、第２の送信信号Ｓ２についての参照信号ＳＲｂのずらし時間を、これらの中間としている。なお、この場合、送信期間Ｔｇ_Ａ，Ｔｇ_Ｂ，Ｔｇ_Ｃについても、Ｔｇ_Ａ＞Ｔｇ_Ｂ＞Ｔｇ_Ｃとなる。例えばこれらの比率について、Ｔｇ_Ａ：Ｔｇ_Ｂ：Ｔｇ_Ｃ＝４：２：１程度とすることが考えられる。

なお、以上の場合、最大のずれ量であるサンプリングレンジＴｒＡ，ＴｒＢ，ＴｒＣも上記に応じて異なる。なお、サンプリングレンジＴｒＡは、ＴｒＡ＝（Ｎ－１）×Δｔ_Ａで表される。同様に、ＴｒＢ＝（Ｎ－１）×Δｔ_Ｂであり、ＴｒＣ＝（Ｎ－１）×Δｔ_Ｃである。例えば図８（Ａ）に示す相関処理部１５ａのサンプリングの一例（Ｎ＝１５としている。以下、同様。）、図８（Ｂ）に示す相関処理部１５ｂのサンプリングの一例、図８（Ｃ）に示す相関処理部１５ｃのサンプリングの一例に示されるように、サンプリングレンジＴｒＡ，ＴｒＢ，ＴｒＣは、ＴｒＡ＞ＴｒＢ＞ＴｒＣとなる。また、この場合、周波数が高く（波長が短く）サンプリングレンジが短いものほど、細かくデータが取れる、すなわち解像度（分解能）が高くなる。一方、周波数が低くサンプリングレンジが長いものほど、遠く（深く）まで検知することができる。

本実施形態に係る地中レーダー装置２００においても、期間Ｔ_Ｍに示す１回の探査信号送信で複数種の送信信号として３種の送信信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を送信する送信部２０と、３種の送信信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３に対応した受信信号を受信する受信部３０とを備え、送信部２０が、３種の送信信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を任意の間隔でずらして送信する。すなわち、地中レーダー装置１００では、送信部２０が、１回の探査信号送信で３種の送信信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を送信し、かつ、３種の送信信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を任意の間隔でずらして送信する。これにより、異なる信号特性を有する３種の信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３間での干渉を回避しつつ、同時並行的に検波処理を行うことができる。

また、上記では、参照信号ＳＲａ～ＳＲｃに関するずらし時間Δｔ_Ａ，Δｔ_Ｂ，Δｔ_Ｃに差を設けていたが、図９（Ａ）～図９（Ｄ）のタイムチャートに示すように、地中レーダー装置２００の動作についての一変形例として、参照信号ＳＲａ～ＳＲｃに関するずらし時間Δｔを統一させる（共通にする）構成としてもよい。なお、図示の場合、送信期間Ｔｇについても併せて統一されている。

〔第３実施形態〕
以下、図１０等を参照して、第３実施形態に係る地中レーダー装置について一例を説明する。なお、本実施形態に係る地中レーダー装置は、第１及び第２実施形態に係る地中レーダー装置１００，２００について変形したものであるから、地中レーダー装置１００，２００の構成要素と同等のものについては、同一の名称や符号を適用し、詳しい説明を省略する。特に、本実施形態に係る地中レーダー装置の構成については、地中レーダー装置１００又は地中レーダー装置２００と同様であり、その制御態様が異なるのみであるので、各部の構成に関しては、適宜これらに例示した図を参照するものとし、図示及び説明を省略する。

例えば、第１実施形態に係る地中レーダー装置１００では、２つの送信信号Ｓ１，Ｓ２について、１回の繰り返し間隔Ｔ_Ｓにおいて１回ずつ送信している、すなわち１回の探査信号送信の期間Ｔ_ＭにおいてＮ回ずつ送信していた（図２等参照）。これに対して、本実施形態に係る地中レーダー装置は、１回の前記繰り返し間隔Ｔ_Ｓ中に、各送信信号Ｓ１，Ｓ２を異なる回数送信している点において、第１実施形態等の場合と異なっている。図１０（Ａ）～図１０（Ｃ）は、第３実施形態に係る地中レーダー装置の動作の一例を説明するタイムチャートであり、図２（Ａ）～図２（Ｃ）に対応する図である。図示の場合、送信部２０（図１参照）は、１回の繰り返し間隔Ｔ_Ｓ中において、送信信号Ｓ１を１回送信しているのに対して、送信信号Ｓ２を３回送信している。この場合、期間Ｔ_Ｍで示す１回の探査信号送信での送信期間を分割した繰り返し間隔Ｔ_Ｓの１回分においてなされる１回の相関処理において、送信信号Ｓ２については３回送信分の処理がなされることで、３倍の電力に相当するものについての受信がなされることになる。なお、図示の例では、参照信号ＳＲａ，ＳＲｂに関するずらし時間Δｔを統一させているが、無論、これらを送信信号ごとに変更してもよい。

以下、図１１のグラフを参照して、図１０に例示した地中レーダー装置において送信部２０から発信する送信信号Ｓ１，Ｓ２の周波数と出力の関係について一例を示す。図１１のグラフにおいて、横軸は、送信させる信号の周波数帯域（単位：ＭＨｚ）を示しており、縦軸は、出力強度を示しており、ここでは、電力（単位:Ｗ）をもって出力強度を示している。また、破線Ｘ１で示す直線は、送信部２０における送信最適出力を示している。一方、破線ＤＴ１は、法律上における単位時間あたりの出力限界値を示している。なお、図示のように、法律上は、３２２ＭＨｚを境界として、低い周波数帯のほうが単位時間あたりに、より大きく出力してもよいものとなっている。なお、図示の例では、送信部２０における送信最適出力についての破線Ｘ１が示すように、３２２ＭＨｚよりも高い周波数帯について法律上の出力限界が満たされるように考慮した構成となっている。

図１１において、曲線ＱＡは、送信信号Ｓ１の波長帯域及びその出力分布を示している。同様に、曲線ＱＢは、送信信号Ｓ２の波長帯域及びその出力分布を示している。すなわち、図示の例では、送信信号Ｓ１がより高い周波数帯域を含むものとなっている。

本実施形態の構成の場合、送信信号Ｓ１及び送信信号Ｓ２を、共通の送信部２０から出力する構成となっているため、曲線ＱＡ，ＱＢに示すように、送信部２０の能力に最も適した出力で各信号Ｓ１，Ｓ２を送信する。しかしながら、一般には、送信信号Ｓ１及び送信信号Ｓ２を、必ずしも同じ出力値とする必要はなく、例えば上記した法律上における単位時間あたりの出力限界を考慮した場合であっても、送信信号Ｓ２については、例えば破線の曲線ＱＩＢに示すように、さらに大きく（例えば３倍程度に大きく）してもよい。そこで、本実施形態では、単位時間あたりにおける送信信号Ｓ１の送信回数と送信信号Ｓ２の送信回数とを異なるものとすることで、実質的に送信信号の出力強度を変更している。図示の例では、より低い周波数帯域で構成される送信信号Ｓ２の送信回数を送信信号Ｓ１の送信回数よりも多く（３倍）している。これにより、送信信号Ｓ２に関する出力を、曲線ＱＢの状態から実質的に曲線ＱＩＢに示すような状態に相当するものにできる。

なお、上記の例では、法律上の観点から、より低い周波数帯域で構成される信号の送信回数を多くしているものについて説明したが、これとは逆に、より高い周波数帯域を含む信号の送信回数を多くしてもよい。

本実施形態の一変形例として、例えば図１２（Ａ）～図１２（Ｄ）のタイムチャートに示すように、３種の送信信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の送信を行うに際して、これらの間での単位時間あたりの送信回数を異なるようにしてもよい。さらに、これらの間において、参照信号ＳＲａ，ＳＲｂ，ＳＲｃに関するずらし時間Δｔ_Ａ，Δｔ_Ｂ，Δｔ_Ｃを互いに異なるものとしてもよい。

図示の例では、１回の繰り返し間隔Ｔ_Ｓ中において、送信信号Ｓ１を１回送信しているのに対して、送信信号Ｓ２を３回送信しており、送信信号Ｓ３を２回送信している。また、図１１のグラフに対応する図１３のグラフにおいて、送信信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３にそれぞれ対応する曲線ＱＡ，ＱＢ，ＱＣに示すように、各出力は、破線Ｘ１で示す送信最適出力に対応させつつ、送信信号Ｓ２，Ｓ３については、実質的に曲線ＱＩＢ，ＱＩＣに示すような状態に相当するものになっている。

なお、図１２に示すように、各送信信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３に対応する参照信号ＳＲａ，ＳＲｂ，ＳＲｃのずらし時間Δｔ_Ａ，Δｔ_Ｂ，Δｔ_Ｃについては、上記波長帯域の特性に応じて、Δｔ_Ａ＞Δｔ_Ｃ＞Δｔ_Ｂとなっている。

また、具体的仕様にもよるが、例えば地中探査においては、通常において、送信から受信まで最長で１００ナノ秒程度の時間差に相当する距離（深さ３ｍ程度）を探査範囲とすることから、一例として、低周波数側の最大ずれ等を考慮しつつ、１つの繰り返し間隔Ｔ_Ｓを、１０個程度の送信期間に分割することが考えられる。上記の例では、１つの繰り返し間隔Ｔ_Ｓを、１つの送信期間Ｔｇ_Ａと、３つの送信期間Ｔｇ_Ｂと、２つの送信期間Ｔｇ_Ｃとの７つの送信期間に分割している。

本実施形態に係る地中レーダー装置においても、期間Ｔ_Ｍに示す１回の探査信号送信で複数種の送信信号を送信する送信部と、複数種の送信信号に対応した受信信号を受信する受信部とを備え、送信部が、複数種の送信信号を任意の間隔でずらして送信することにより、異なる信号特性を有する複数種の信号間での干渉を回避しつつ、同時並行的に検波処理を行うことができる。特に、本実施形態では、複数種の送信信号間において、単位時間当たりの送信回数を異なるものとする、すなわち１回の探査信号送信で複数種の送信信号ごとに、異なる回数の送信を行う。これにより、各送信信号の適性等に応じた回数の送信ができる。

〔その他〕
この発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能である。

まず、上記では、種々の態様に応じて、送信信号を任意の間隔でずらして送信するといった表現をしているが、信号送信の態様等を一に定めることで、特定の間隔でずらして送信する場合も、任意の間隔でずらした結果の一つであり、本願の範疇である。

また、周波数帯域等についても、一例を示したものであり、上記以外の種々の値をとることができる。

また、上記では、送信部２０からの送信信号Ｓ１等は、高周波成分でかつ、ある程度の帯域幅を有するチャープ信号であるものとしているが、帯域幅については、種々の態様が考えられる。また、信号として、チャープ状のものに限らずパルス状のものを利用する態様において、本願発明を適用してもよい。

また、上記では、複数種の送信信号を、２種又は３種としたが、４種以上として、これに応じて４つ以上の相関処理を並行して行う構成としてもよい。

また、上記では、増幅器について、増幅器１２の性能等については、目的等に応じて種々異なっていてもよく、また、一部が無い態様や、別の箇所に配置されるといった場合においても、本願発明の適用が可能である。さらに、増幅器以外の構成要素についても、上記の例以外の様々な配置が考えられる。

１０…信号処理部、１１…送信制御部、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ…チャープ信号発生部、１１ｇ…チャープ信号発生部、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ…増幅器、１５ａ，１５ｂ，１５ｃ…相関処理部、１６ａ，１６ｂ，１６ｃ…変換処理部、１７ａ，１７ｂ，１７ｃ…フィルター処理部、２０…送信部、２１…増幅器、２２…送信アンテナ、３０…受信部、３１…受信アンテナ、３２…増幅器、４０…表示部、１００，２００…地中レーダー装置、２１０…信号処理部、２１１…送信制御部、２１１ｇ…チャープ信号発生部、ＣＲａ，ＣＲｂ，ＣＲｃ…相関器、ＤＴ１…破線、ＯＢ１，ＯＢ２…探査対象物、ＰＲａ，ＰＲｂ，ＰＲｃ…演算処理部、ＱＡ，ＱＢ，ＱＣ，ＱＩＢ，ＱＩＣ…曲線、Ｒ１，Ｒ２…受信信号、Ｓ…出力信号（相関信号）、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３…送信信号、ＳＲａ，ＳＲｂ，ＳＲｃ…参照信号、Ｔ_Ｍ…１回の探査信号送信の期間、Ｔ_Ｓ…繰り返し間隔、Ｔｇ，Ｔｇ_Ａ，Ｔｇ_Ｂ，Ｔｇ_Ｃ…送信期間、Ｔｒ…タイミング差、Ｘ１…破線、ｔ_ｒ０…初期時刻、Δｔ，Δｔ_Ａ，Δｔ_Ｂ，Δｔ_Ｃ…ずらし時間

Claims (7)

1. １回の探査信号送信の期間中に複数種の送信信号を、送信タイミングが重ならないように送信する送信部と、
   前記複数種の送信信号に対応した受信信号を受信する受信部と、
   前記受信信号と参照信号との相関処理に基づき前記複数種の送信信号ごとに探査を行う信号処理部と
   を備え、
   前記信号処理部は、前記送信信号の送信タイミングに対する前記参照信号の発信タイミングのずらし度合を、対応する前記複数種の送信信号ごとに変えている、
   地中レーダー装置。
2. 前記信号処理部は、前記複数種の送信信号に応じた複数の相関処理部を有し、並列処理する、請求項１に記載の地中レーダー装置。
3. 前記信号処理部は、１回の探査信号送信での送信期間を分割した繰り返し間隔の１回分において１回の相関処理を行い、
   前記送信部は、１回の前記繰り返し間隔中に、前記複数種の送信信号を構成する各送信信号を複数回送信する、請求項１及び２のいずれか一項に記載の地中レーダー装置。
4. 前記信号処理部は、前記複数種の送信信号に応じて前記参照信号の発信タイミングのずらし度合を変えることにより、前記繰り返し間隔の１回分において１回の相関処理として行われるサンプリングの間隔を変えている、請求項３に記載の地中レーダー装置。
5. 前記複数種の送信信号において、一の送信信号と他の送信信号とで、波長帯域が異なっている、請求項１～４のいずれか一項に記載の地中レーダー装置。
6. 前記送信部は、１回の探査信号送信で前記複数種の送信信号ごとに、異なる回数の送信を行う、請求項１～５のいずれか一項に記載の地中レーダー装置。
7. 前記送信部からの送信信号としてチャープ信号を用いる、請求項１～６のいずれか一項に記載の地中レーダー装置。

Images