JPH0361915B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、広帯域信号を地中に放射し、地下埋
設物からの反射波を利用して埋設物を探査する地
下埋設物探査方法に関するものである。

〔従来技術〕

アンテナまたは他の波動源を地表上で走査し
て、反射波を収集し、得られた反射波をそれぞれ
の測定点に対応する座標点毎に時間原点をそろえ
て、描き並べる方法をパルスエコー法と言う。簡
便なため従来より、よく地下埋設物や地中の探査
に用いられる方法であり、物体像がその反射波形
のある位置に観察でき、物体の有無の判別がなし
うる。しかし、物体がどの深さに埋まつているか
はこのままでは判断できない。これを知るために
は、受信波形の時間スケールを速度スケールに変
換してやらなければならないが、従来は、経験的
な知識や、後述するような別種の測定で得た値に
よつて適当な交換フアクタを観測者が設定すると
いう精度の低い方法に頼らざる得なかつた。

〔発明が解決しようとする問題点〕 ここで、従来の交換フアクタの設定方法および
その欠点についてより詳細に述べる。まず、時間
スケールを深度スケールに交換するためには、地
中の波動伝播速度を知らなければならない。しか
し、土の波動伝播速度は、水の含有量等の要因に
よつてかなり変動するため、種々の測定によつて
伝播速度を推定することが必要となるが、従来の
方式では、この点に問題があつた。すなわち、従
来行われてきた方法は大別すると２通りになる
が、その一つは、測定者がその土地の平均的な速
度データを知つて、これで代表してしまうやり方
である。しかし、伝播速度は、かなり狭い領域で
も変化するのが常識であり、また、同じ測定点で
も時刻によつて土の状態が変化すれば速度も変化
してしまう。従つて、このようなやり方では精度
の良い推定ができないのは明らかである。

第二は、土中の水の含有量や土の静電容量など
伝播速度と関係する物理量を測定して、これらの
量から間接的に速度を推定する方法である。この
場合、土そのものを定量的に測定するには、かな
り煩雑な手続きが必要であるから、多くの場合、
測定現場において行なうことは能率的でない。ま
た、土のサンプルが必要であるため、非破壊的な
非接触測定というわけにはいかず、さらにサンプ
ルされた土の試料は状態がもとの状態とは変化し
てしまう場合があるため、これから得られた速度
の推定値が現場の土が持つ伝播速度と一致してい
るという保証はない。また、地表に電極を置いた
り、地中に電極を差し込んだりして静電容量等を
測定し、速度推定する場合には、パルスエコー法
と異なる測定系が必要となる。また、非破壊的に
測定するためには地表に電極を置かなければなら
ないが、この場合には、主に表層の部分が測定さ
れるだけであり、埋設物のある深度までの精度の
良い速度推定が行えないという欠点があつた。

本発明はこれらの欠点を解決するためになされ
たもので、他の測定系に依らず、深査現場におい
てパルスエコー法で測定されたデータに基づき、
地中の波動伝搬速度を推定し、さらに物体深度ま
でも高精度に推定することを目的としている。ま
た、パルス圧縮法と、推定された速度に基づいた
合成開口法とを組み合わせることによつて高分解
能に地下埋設物の画像化探査を行うようにしてい
る。

〔問題点を解決するための手段〕

上記課題を解決するため、本発明にあつては、
送波源に接続された送信アンテナから探査対象と
なる物体が存在する地中に向けて送信波を発射
し、前記物体からの反射波を、地表上で前記送信
アンテナから距離Ｌを隔てて配置された受信アン
テナで受信し、前記受信アンテナに接続された受
信機により検知して、前記物体を探査するに際
し、広帯域な送信波を用い、前記反射波を受信平
面上の多数の測定点X_o（ｎ＝−Ｍ〜Ｎ）において
測定し、これらの測定点X_oにおける受信波形か
ら、前記送信アンテナから前記受信アンテナまで
の伝搬時間An（ｎ＝−Ｍ〜Ｎ）を測定し、さら
に、前記距離Ｌと各測定点X_oの位置情報と物体
の深度Z_pとに基づいて求められる伝搬時間Bn（ｎ
＝−Ｍ〜Ｎ）と、測定された前記伝搬時間Anと
に対して、前記物体の深度Z_pと地中の伝搬速度Ｖ
とを未知数とする最小二乗法を適用することによ
つて、前記物体の深度Z_pを求めることを特徴とし
ている。

〔実施例〕

以下、図面を参照してこの発明の実施例につい
て説明する。なお、以下においては、レーダによ
つて深査を行う場合を例にとつて説明を進める
が、音波などの波動を用いても本発明による深査
方法を実施することは可能である。

第１図は、本発明の一実施例の構成を示すブロ
ツク図である。

図において、送受信制御装置１は、主に送受信
機間のタイミングの制御を行なう装置である。送
信機２は測定用のインパルス信号を発生し、これ
が、送信アンテナ３によつて電波に交換され、地
中に放射される。物体から反射してきた波は受信
アンテナ４に把えられ、受信機５に送られる。受
信機５はサンプルホールド回路等を具備してお
り、サンプリングした受信信号を後の信号処理が
行い易いように時間伸張し（例えば時間スケール
をａ倍に拡大し）この時間伸張された受信信号を
Ａ／Ｄ交換器8aに供給する。一方、アンテナ移
動装置６は、送受信アンテナ３，４および送受信
機２，５を載せてこれらを移動させるものであ
り、このアンテナ移動装置６には、地表上の位置
情報（反射波形を収集する測定位置の情報）を測
定する位置測定器７が積載されている。この位置
測定器７の出力信号は、Ａ／Ｄ交換器８ｂによつ
てデイジタル信号に交換される。また、Ａ／Ｄ交
換器８ａによつてデジタル信号に交換された受信
信号は、信号処理装置９によつて処理され、ここ
でＳ／Ｎ比等の改善が行われた後にＡ／Ｄ交換器
８ｂから出力される位置信号と対になつてメモリ
１０に記憶される。表示装置１１はメモリ１０内
の位置信号と受信信号とからパルスエコー像を形
成し、また、深度速度推定装置１２はパルスエコ
ー像から物体の深度及び、地中の電波伝搬速度を
推定する。

次に、この実施例の動作を説明するが、深度・
速度推定装置１２以外の動作については、図およ
び前述の説明から容易に理解できるので、これら
の動作説明は省略し、深度・速度推定装置１２の
動作についてのみ説明する。

始めに、測定原理について説明する。今、第２
図のように送受信アンテナ間の距離をＬ、その中
点の座標をＸ、地表上の測定間隔をX_p、受信信
号の地表に相当する時間点をｔ＝ｏとしたとき、
ある物体ｍ（理想的には点または線状物体）から
図に示されるような双曲線状のレスポンスｌが測
定されたとする。簡単のために、曲線の頂点のＸ
座線（物体ｍのＸ座線に一致）をｘ＝ｏとし、ｘ
＝ｏにおけるトレース（走査）の前Ｍ本、後Ｎ本
を１セツトとして選ぶことにする。各トレースに
含まれる物体からのレスポンス部分から、双曲線
状の曲線を形成する時間点を選び、各時間点を to（x_o），x_o＝nx_p（ｎ＝Ｍ〜Ｎ） ……（1a） と表わす。

これらの時間点からの物体深度z_p、伝搬速度Ｖ
を推定するわけである。原理的には、三角測量の
原理から２つの時間点とトレーヌ間間隔x_pを使つ
て上記のパラメータを推定できるが、時間点の変
動による推定結果のばらつきが一般に非常に大き
いため、２時間点のみから推定するのは危険であ
る。特に、地中を対象にするようなばあい、土の
不均一性などの要因から時間点の変動が大きいた
め、上記のような三角測量の原理は不適当であ
る。従つて、多くの時間点を使用することによつ
て、より安定に推定できるのがここに述べる方法
である。

さて、ｘ＝x_oにおいて、パルスが物体で反射さ
れてアンテナに受信されるまでの時間をｔ（x_o）
とすると、送、受信アンテナと物体間の距離及び
速度Ｖから、次式が成り立つ。

ｔ（x_o）＝1/V〔√（_o−２）²＋² ₀ ＋√（_o＋２）²＋² ₀〕 ……（1b） そして、ｘ＝x_oにおいて、測定から得られた時
間は、上述のようにt_p（x_p）である。したがつて、
正確なZ_pおよびＶを求めるために、式（1b）の
Z_p，Ｖに課される条件は、ｘ＝x_o（ｎ＝−Ｍ〜Ｎ）
における時間点との誤差の２乗和を最小にするこ
とである。すなわち、 Ｅ＝_N 〓^n-M ｜ｔ（x_o）−t_p（x_o）｜²→min ……(2) とすることである。この式(2)のＥを最小にするた
めには、Z_pとＶに対する偏微係数を０にする。

∂E／∂Z_p＝０，∂E／∂V＝０ ……(3) そして、式(3)から、Z_pとＶに関する連立方程式
ができる。

但し、 Ａ（x_o，Z_p）＝√（_o−２）²＋² ₀ √（_o＋２）²＋² ₀ この式(4)から、Ｖを消去するとZ_pに関する方程
式ができる。すなわち、 ｆ（Z_p）＝ΣA²（x_o，Z_p）／ΣA（x_o，Z_p）to（x_o） −ΣA（x_o，Z_p）Ｂ（x_o，Z_p）／ΣB（x_o，Z_p）t_p（x_o
）＝０……(5) この方程式を解くことによつて、物体深度Z_pが
求められる。この方程式はNewton−Raphson法
等によつて高速に解くことができる。しかも、Z_p
の範囲が深査条件によつて特定できる場合が多い
ので、初期値の設定が比較的容易である。

Z_pが求められれば、式(4)からＶが計算できる。

すなわち、 となる。

ところで、この実施例の場合は、受信機５にお
いて時間スケールがａ倍に拡大されているが、こ
の場合でも前述した式(5)は、 ｆ（Z_p）／ａ＝０ ……(7) となるだけであり、求められるZ_pの値は不変に保
たれる。また(6)から、速度はＶ／ａになるが、
元々時間がatとして測定されているので、時間ス
ケールから深度スケールへの（変換速度×片道伝
搬時間）も、 Ｚ＝Ｖ／ａ・at／２＝Vt／２ ……(8) となり、ａによらず不変である。従つて、個々の
システムにおいて、各々固有の時間スケールを用
いて測定しても差し支えないことが判る。

そして、深度推定装置１２は上述した各式に基
づいて物体深度Z_pおよび伝搬速度Ｖを算出する。

第３図は上述した実施例の一変形例の構成を示
すブロツク図である。この変形例は、前述した実
施例にパルス圧縮フイルタ１３及び合成開口装置
１４を付け加えたものである。パルス圧縮フイル
タ１３は物体からの反射波形の継続時間を短縮す
るように構成され、深度分解能を向上させる働き
をし、合成開口装置１４はメモリ１０内の位置信
号と受信信号とから、地中の画像を構成し、水平
分解能を向上させる働きをする。したがつて、こ
の変形例においては高分解能の像再生を行うこと
ができる。しかも、合成開口処理を効果的に行う
ためには、地中の波動伝搬速度を精度よく知る必
要があるが、この発明においては、前述のよう
に、測定場所の物体の埋設位置に到るまでの伝搬
時間の平均速度を極めて正確に推定することがで
きるので、像再生処理の分解能および信頼性を著
しく向上させることができる。なお、パルス圧縮
フイルタ１３と合成開口装置１４の動作、作用に
ついてはすでに公知技術であり、例えば、発明者
らが先に出願した特願昭56−136060などにおいて
も述べられているので、詳細は省略する。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明によれば、深査
したい場所において収集された反射信号から得ら
れるデータに基づいて、その場所における波動伝
搬速度と物体深度とを直接算出するようにしたの
で、以上に述べる利点が得られる。測定場所の
土の特性がいかに変化しても、精度の良い深査が
可能となり、深度を含めた物体位置を決定するこ
とができる。速度を測定するための特別な測定
器を使用しないで済み、非破壊的な能率的深査を
行いうる。また、パルス圧縮法と合成開口法と
を組み合わせ、推定された速度情報に基づいて画
像化することにより、高分解能で信頼性の高い地
下埋設物の再生像を得ることができ、人間が埋設
物の状況を判断する上で極めて有用となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示すブロツク図、第
２図は、パルスエコー法における物体からの応答
を示す線図、第３図は同実施例の一変形例を示す
ブロツク図である。 １……送受信制御装置、２……送信機、３……
送信アンテナ、４……受信アンテナ、５……受信
機、６……アンテナ移動装置、７……位置測定
器、８ａ，８ｂ……Ａ／Ｄ交換装置、９……信号
処理装置、１０……メモリ、１１……表示装置、
１２……深度速度推定装置、１３……パルス圧縮
フイルタ、１４……合成開口装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 送波源に接続された送信アンテナから探査対
   象となる物体が存在する地中に向けて送信波を発
   射し、前記物体からの反射波を、地表上で前記送
   信アンテナから距離Ｌを隔てて配置された受信ア
   ンテナで受信し、前記受信アンテナに接続された
   受信機により検知して、前記物体を探査するに際
   し、 広帯域な送信波を用い、 前記反射波を受信平面上の多数の測定点X_o（ｎ
   ＝−Ｍ〜Ｎ）において測定し、 これらの測定点Xnにおける受信波形から、前
   記送信アンテナから前記受信アンテナまでの伝搬
   時間A_o（ｎ＝−Ｍ〜Ｎ）を測定し、 さらに、前記距離Ｌと各測定点X_oの位置情報
   と物体の深度Zoとに基づいて求められる伝搬時
   間Bn（ｎ＝−Ｍ〜Ｎ）と、測定された前記伝搬時
   間Anとに対して、前記物体の深度Z_pと地中の伝
   搬速度Ｖとを未知数とする最小二乗法を適用する
   ことによつて、前記物体の深度Z_pを求めることを
   特徴とする地下埋設物探査方法。 ２ 前記各測定点の位置情報X_oと、これらの測
   定点における受信波形と、前記伝搬速度Ｖと、前
   記深度Z_pとから、パルス圧縮処理と合成開口処理
   とを行つて数値的に前記物体の像再生を行うこと
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の地下埋
   設物探査方法。