JP2004245742A - Ground probing system - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、掘削することなく地中を探査する地中探査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電磁波および音波などを探査波として、地中に探査波を放射して、その反射波を検出することによって、地中に埋設される水道管および地中の空洞などを探査する地中探査装置がある。
【０００３】
第１の従来技術は、比誘電率を変更しながら地中に電磁波を放射して作成した埋設物が埋設されている隠蔽場所の断面の原画像を用いて、合成開口法による像の収斂すべき予め定める点物標の深さ方向の位置をずらしながら各点物標の信号レベルを演算して求める。そして各比誘電率毎に、深さ方向の合成開口の信号レベルの群と、予め定める基準波形との一致の程度を求めて、一致の程度が最大である比誘電率を、隠蔽場所の表面から埋設物までの平均比誘電率であると判定する（たとえば特許文献１参照）。この第１の従来技術では、このようにして求めた平均比誘電率を用いて、隠蔽場所の表面から埋設物までの深さ方向の距離を検出する。
【０００４】
第２の従来技術は、地中に電磁波を放射したときの反射波形をサンプリングし、サンプリングした順にアンテナの走査方向に並べた二次元のパターンの中から、双曲線状に分布している反射波形を抽出する。そして抽出した反射波形に対して、所定の情報の値を調べ、その値が一定値以上に達している反射波形から埋設物の位置を検出する（たとえば特許文献２参照）。
【０００５】
第３の従来技術は、地中に電磁波を放射したときの反射波の受信信号を、ヒルベルト変換によって変換して、受信信号の虚数部を求めて、受信信号の絶対値を対数変換した後、対数変換された受信信号を処理する合成開口処理を行う（たとえば特許文献３参照）。
【０００６】
第４の従来技術は、隣り合う２つのアンテナのなす角度が１２０度になるように配置された３つのアンテナのうち２つを、所定距離走行する度に順次選択して、２つのアンテナのうち一方から探査波を放射するとともに、他方で反射波を検出することによって、探査波および反射波の偏波面を刻々変化させて、埋設物を検出する（たとえば特許文献４参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平６−１３８２５０号公報
【特許文献２】
特開平５−７２３３２号公報
【特許文献３】
特開２０００−１９３７４２号公報
【特許文献４】
特開平４−６０４８１号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
反射波には、埋設物からの反射波だけでなく、地表面からの反射波ならびに地中に存在する岩石および水からの反射波が含まれていて、このような埋設物以外の物体からの反射波がクラッタと呼ばれるノイズとなって、埋設物からの反射波を正確に検出できないという問題がある。
【０００９】
また前述の第１〜第４の従来技術は、探査波の地中における伝搬速度の誤差の影響および前述のクラッタを除去したうえで、合成開口処理によって地中の埋設物の検出を行っている。これらの従来技術においては、反射波に対して、たとえばヒルベルト変換などの複雑な演算処理を複数の工程において施しているので、埋設物の検出を迅速に行うことが困難であるだけでなく、複雑な解析処理に耐え得る高性能な演算装置が必要とされる。
【００１０】
したがって本発明の目的は、比較的単純な演算によって反射波に対するノイズの影響を小さくすることができる地中探査装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明は、地中に探査波を放射する放射手段と、
探査波の地中からの反射波を検出する検出手段と、
検出手段によって検出された反射波の強度の絶対値、および反射波の強度の変化量の絶対値のうち、いずれか大きい方の絶対値を選択する演算手段と、
前記演算手段によって選択された絶対値に基づいて、合成開口処理を行う合成開口演算手段とを備えることを特徴とする地中探査装置である。
【００１２】
本発明に従えば、放射手段によって地中に放射された探査波の、地中からの反射波が、検出手段によって検出される。演算手段は、検出手段によって検出された反射波の強度の絶対値、および反射波の強度の変化量の絶対値のうち、いずれか大きい方の絶対値を選択する。合成開口演算手段は、前記演算手段によって選択された絶対値に基づいて、合成開口処理を行う。
【００１３】
検出手段によって、反射波の強度が、たとえば０，１，０，−１，０，１，０，−１と検出されたとき、このような反射波に含まれるノイズの強度が反射波の強度振幅（＝１）の半分である０．５となるとき、ノイズを含まない反射波とノイズとを区別できる箇所は、強度が１および−１となる４箇所だけであり、０となる箇所では区別できない。しかし反射波の強度が０となる箇所において、反射波の強度の変化量は１または−１であるので、このような反射波の強度の変化量を用いて、ノイズを含まない反射波とノイズとを区別できる。反射波の強度の絶対値だけでなく、反射波の強度の変化量の絶対値をも考慮することによって、ノイズを含まない反射波とノイズとを区別できる箇所を、４＋４＝８箇所、すなわち反射波の強度だけを考慮する場合に比べて倍にして、これらの箇所において、反射波の強度の絶対値、および反射波の強度の変化量の絶対値のうち、いずれか大きい方の絶対値を選択する。選択された絶対値は、検出された反射波の強度に比べてノイズの影響が小さくなっている。したがって検出された反射波の多くの箇所で、反射波に含まれるノイズの影響を小さくすることができる。
【００１４】
このように反射波に対するノイズの影響を小さくして合成開口処理を行うので、たとえば地中に埋設される埋設物の埋設位置を精度よく検出することができる。また反射波に対するノイズの影響を小さくするための処理を簡単な演算によって行うので、埋設物の埋設位置を高速に検出することができる。
【００１５】
請求項２記載の本発明は、検出手段は、探査波の周期の４分の１となる検出時間間隔毎に、反射波を検出することを特徴とする。
【００１６】
本発明に従えば、検出手段は、探査波の周期の４分の１となる検出時間間隔毎に、反射波を検出する。探査波の周期とは無関係な検出時間間隔で反射波を検出する場合には、反射波の強度の最大値と、強度の変化量の最大値とが等しくないので、反射波の強度と、強度の変化量とを整合させるためには、反射波の強度の変化量に対して、所定の整合係数を乗算しなければならない。探査波の周期の４分の１となる検出時間間隔毎に、反射波を検出することによって、反射波の強度の最大値と、強度の変化量の最大値とが等しくなるので、前記整合係数の乗算処理が不要となる。したがって反射波の強度の変化量に整合係数を乗算することなく、反射波の強度の絶対値と反射波の強度の変化量の絶対値との比較を行うことができるので、演算手段における処理速度を向上することができる。
【００１７】
請求項３記載の本発明は、地中に探査波を放射する放射手段と、
２のべき乗から２を減算した個数であり、かつ２個以上備えられる検出手段であって、各検出手段は予め定める配置方向に並んで配置され、探査波の地中からの反射波を検出する検出手段と、
各検出手段によって検出された反射波の強度と、前記配置方向に並ぶ検出手段群の配置方向両側に仮想検出手段を仮想して、各仮想検出手段によって検出された反射波の強度が零であると仮定した仮想検出値とに基づいて、合成開口処理を行う合成開口演算手段とを備えることを特徴とする地中探査装置である。
【００１８】
本発明に従えば、検出手段は、２のべき乗から２を減算した個数であり、かつ２個以上備えられ、各検出手段は予め定める配置方向に並んで配置される。放射手段によって地中に放射された探査波の、地中からの反射波が、各検出手段によって検出される。合成開口演算手段は、各検出手段によって検出された反射波の強度と、前記配置方向に並ぶ検出手段群の配置方向両側に仮想検出手段を仮想して、各仮想検出手段によって検出された反射波の強度が零であると仮定した仮想検出値とに基づいて、合成開口処理を行う。このように２のべき乗から２を減算した個数の検出手段によって検出された反射波の強度と、２個の仮想検出手段によって検出されたと仮定した仮想検出値との、４以上の２のべき乗個のデータに基づいて、合成開口処理が行われる。
【００１９】
一般的な合成開口処理において、検出された反射波の強度に対して、高速フーリエ変換（略称：ＦＦＴ）を施す。ＦＦＴは、データの数が２のべき乗個となる場合には、計算速度が最も速くなり、このときの計算回数のオーダーは、Ｎ・ｌｏｇ（Ｎ）回であるという性質を有する。したがって合成開口演算手段による合成開口処理を高速に行うことができる。
【００２０】
従来の合成開口処理において、検出された反射波の強度に対してＦＦＴを施す前に、検出された反射波の強度に、たとえばハニングウインドなどの窓関数を乗算して、ＦＦＴを施したときに得られるスペクトルのサイドローブ（ｓｉｄｅ−ｌｏｂｅ ）を小さくしている。しかし検出手段の数を少なくして検出精度を向上させたい場合には、前述の従来の方法では、ＦＦＴを施したときに得られるスペクトルのメインローブ（ｍａｉｎ−ｌｏｂｅ ）の幅が大きくなり、分解能が低下してしまう。本発明では、前記配置方向に並ぶ検出手段群の配置方向両側に仮想検出手段を仮想して、各仮想検出手段によって検出された反射波の強度が零であると仮定した仮想検出値を設定することによって、検出された反射波の強度および前記仮想検出値に対してＦＦＴを施したときのスペクトルのメインローブの幅を小さくして、分解能を向上させるような、一種の窓関数を作ることができる。したがって検出手段の数が少なくても、分解能の低下を可及的に防止することができる。
【００２１】
また配置方向に並ぶ検出手段群の配置方向両側に仮想検出手段を仮想して２のべき乗個のデータを得ている。これによって、ＦＦＴの計算速度を向上させるために２のべき乗個の検出手段を必要とせず、２のべき乗から２を減算した個数であり、かつ２個以上の検出手段を備えていればよく、検出手段の個数も減らすことができる。
【００２２】
請求項４記載の本発明は、各検出手段によって検出された反射波の強度の絶対値、および反射波の強度の変化量の絶対値のうち、いずれか大きい方の絶対値を選択する演算手段をさらに備え、
合成開口演算手段は、合成開口処理において、前記演算手段によって選択された絶対値を、検出手段によって検出された反射波の強度として合成開口処理を行うことを特徴とする。
【００２３】
本発明に従えば、演算手段は、各検出手段によって検出された反射波の強度の絶対値、および反射波の強度の変化量の絶対値のうち、いずれか大きい方の絶対値を選択する。合成開口演算手段は、合成開口処理において、前記演算手段によって選択された絶対値を、検出手段によって検出された反射波の強度として合成開口処理を行う。
【００２４】
検出手段によって、反射波の強度が、たとえば０，１，０，−１，０，１，０，−１と検出されたとき、このような反射波に含まれるノイズの強度が反射波の強度振幅（＝１）の半分である０．５となるとき、ノイズを含まない反射波とノイズとを区別できる箇所は、強度が１および−１となる４箇所だけであり、０となる箇所では区別できない。しかし反射波の強度が０となる箇所において、反射波の強度の変化量は１または−１であるので、このような反射波の強度の変化量を用いて、ノイズを含まない反射波とノイズとを区別できる。反射波の強度の絶対値だけでなく、反射波の強度の変化量の絶対値をも考慮することによって、ノイズを含まない反射波とノイズとを区別できる箇所を、４＋４＝８箇所、すなわち反射波の強度だけを考慮する場合に比べて倍にして、これらの箇所において、反射波の強度の絶対値、および反射波の強度の変化量の絶対値のうち、いずれか大きい方の絶対値を選択する。選択された絶対値は、検出された反射波の強度に比べてノイズの影響が小さくなっている。したがって検出された反射波の多くの箇所で、反射波に含まれるノイズの影響を小さくすることができる。
【００２５】
このように反射波に対するノイズの影響を小さくして合成開口処理を行うので、たとえば地中に埋設される埋設物の埋設位置を精度よく検出することができる。また反射波に対するノイズの影響を小さくするための処理を簡単な演算によって行うので、埋設物の埋設位置を高速に検出することができる。
【００２６】
請求項５記載の本発明は、合成開口演算手段は、合成開口処理において、検出手段によって検出された反射波の強度を高速フーリエ変換して複素数データを生成し、前記複素数データに値が零の拡張データを加えて拡張複素数データを生成し、前記拡張複素数データに基づいて演算することによって、拡張された高い空間周波数で合成開口演算することを特徴とする。
【００２７】
本発明に従えば、合成開口演算手段は、合成開口処理において、検出手段によって検出された反射波の強度を高速フーリエ変換して複素数データを生成し、前記複素数データに値が零の拡張データを加えて拡張複素数データを生成し、前記拡張複素数データに基づいて演算することによって、拡張された高い空間周波数で合成開口演算する。検出手段によって検出された反射波の強度を高速フーリエ変換して生成した複素数データに、値が零の拡張データを加えて拡張複素数データを生成することで、検出手段の個数を増加させたことと等価となり、分解能を高くできる。
【００２８】
実際の検出手段の個数を増加させずに分解能を高くするためには、検出手段によって検出された反射波の強度の個数を増やして、増やした分に関しては、たとえば線形補間などによる推定値を代入し、その後高速フーリエ変換する方法が考えられる。しかしこのような方法では、実際の各検出手段の直下の位置と、隣り合う２つの検出手段の間の直下の位置とにおける反射波の強度だけしか、正しく推定できない。また線形補間するときにおいて、少なくとも増やした個数分の連立方程式を解くだけの演算をしなければならない。本発明では、高速フーリエ変換した後の複素数データに、値が零の拡張データを加えるだけなので、分解能を高くすることに対してデータを補間するための演算が全く不要であるので、合成開口処理における演算速度が低下することを防止できる。
【００２９】
請求項６記載の本発明は、ある位置において検出手段が検出した反射波のある時点の強度と、前記時点の近傍時点の強度と、前記検出手段の近傍位置の検出手段が検出した反射波の強度とを総和した総和値が、予め定める閾値以下であるとき、前記検出手段が検出した反射波の強度を零に置き換えて、各検出手段によって検出された反射波の強度を補正する補正手段をさらに備え、
合成開口演算手段は、合成開口処理において、前記補正手段によって補正された反射波の強度を、検出手段によって検出された反射波の強度として合成開口処理を行うことを特徴とする。
【００３０】
本発明に従えば、補正手段は、ある位置において検出手段が検出した反射波のある時点の強度と、前記時点の近傍時点の強度と、前記検出手段の近傍位置の検出手段が検出した反射波の強度とを総和した総和値が、予め定める閾値以下であるとき、前記検出手段が検出した反射波の強度を零に置き換えて、各検出手段によって検出された反射波の強度を補正する。合成開口演算手段は、合成開口処理において、前記補正手段によって補正された反射波の強度を、検出手段によって検出された反射波の強度として合成開口処理を行う。反射波には、ノイズ発生源で発生されるノイズ波が含まれている。ノイズ発生源は、たとえば、地中に存在し、探査波を乱反射させてしまう岩石および水泡、ならびに探査に無関係なノイズ波を発生させるものである。これらのノイズ発生源は、地中において乱数的に分布して存在しているので、ある位置において検出手段が検出した反射波のある時点の強度と、前記時点の近傍時点の強度と、前記検出手段の近傍位置の検出手段が検出した反射波の強度とを総和することによって、ノイズ波の強度は打ち消し合う。これによって反射波に含まれるノイズ波の強度の総和の絶対値は、反射波の強度の総和の絶対値に比べて充分に小さくなるので、前記総和値が、予め定める閾値以下であるとき、前記検出手段が検出した反射波の強度を零に置き換えることによって、反射波に対するノイズ波の影響を小さくすることができる。
【００３１】
このように反射波に対するノイズの影響を小さくして合成開口処理を行うので、たとえば地中に埋設される埋設物の埋設位置を精度よく検出することができる。また反射波に対するノイズの影響を小さくするための処理を簡単な総和演算によって行うので、埋設物の埋設位置を高速に検出することができる。
【００３２】
請求項７記載の本発明は、合成開口演算手段の合成開口処理によって生成されたデータに基づく画像を表示する表示手段をさらに備えることを特徴とする。
【００３３】
本発明に従えば、表示手段は、合成開口演算手段の合成開口処理によって生成されたデータに基づく画像を表示する。これによって利用者は、合成開口演算手段の合成開口処理によって生成されたデータに基づく画像によって、たとえば地中の埋設物の埋設位置を視覚的に確認することができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態の地中探査装置１０の構成を示すブロック図である。図２は、地中探査装置１０を搭載する車両１３を示す斜視図である。地中探査装置１０は、電磁波を探査波として、地中１１に探査波を放射して、その反射波を検出することによって、地中１１に埋設される水道管および地中の空洞などを探査する。地中探査装置１０は、放射部２０、検出部３０、アナログ／デジタル変換器（以後「ＡＤ変換器」と略して表記する）３３、エンコーダ３４およびコンピュータ４０を含んで構成される。
【００３５】
放射手段である放射部２０は、パルス発生器２１、放射増幅器２２および放射アンテナ２３を含んで構成される。パルス発生器２１は、後述するコンピュータ４０からの信号発生制御信号に基づいて、電気的なパルス信号を発生して放射増幅器２２に与える。放射増幅器２２は、パルス発生器２１からのパルス信号を、後述する放射アンテナ２３から放射可能な電圧および電流に調整するとともに、放射アンテナ２３から放射可能な振幅特性を有するように調整して、放射アンテナ２３に与える。放射アンテナ２３は、放射増幅器２２からのパルス信号を、電磁波に変換して、パルス波となる探査波である放射探査波を地中１１に放射する。
【００３６】
検出手段である検出部３０は、受信アンテナ３１および検出増幅器３２を含んで構成される。受信アンテナ３１は、地中１１からの反射波である反射探査波を受信して、反射探査波を電気的なアナログの検出信号に変換して、検出信号を検出増幅器３２に与える。検出増幅器３２は、受信アンテナ３１からの検出信号を、後述するＡＤ変換器３３がデジタル信号に変換可能な振幅特性を有するように調整するとともに、ＡＤ変換器３３がデジタル信号に変換可能な電圧および電流に調整して、Ａ／Ｄ変換器３３に与える。
【００３７】
サンプリング手段であるＡＤ変換器３３は、後述するコンピュータ４０からの制御信号に基づいて、検出増幅器３２からのアナログの検出信号を、デジタルの検出信号に変換して、コンピュータ４０に与える。
【００３８】
コンピュータ４０は、入力部４１、表示部４２、演算部４３、メモリ４４およびハードディスクドライブ（略称：ＨＤＤ）４５を含んで構成され、たとえばパーソナルコンピュータなどの計算装置で実現される。入力部４１は、たとえばキーボードおよびマウスなどの入力装置で実現され、操作者の入力操作によって各種指令および設定数値などが入力される。表示手段である表示部４２は、たとえば液晶表示装置などの表示装置で実現され、演算部４３による演算結果などを表示する。演算手段、合成開口演算手段および補正手段である演算部４３は、たとえば中央演算処理装置（略称：ＣＰＵ）などで実現され、後述するＨＤＤ４５に記憶されているプログラムを実行して、地中探査装置１０の統括的な制御および各種演算処理を行う。
【００３９】
メモリ４４は、ランダムアクセスメモリ（略称：ＲＡＭ）などの揮発性メモリ、およびリードオンリメモリ（略称：ＲＯＭ）などの不揮発性メモリで実現され、ＡＤ変換器３３からのデジタルの検出信号に含まれるデータを一時的に記憶する。ＨＤＤ４５は、演算部４３によって実行可能なプログラムを記憶するとともに、ＡＤ変換器３３からのデジタルの検出信号に含まれるデータを一時的に記憶する。またコンピュータ４０には、演算部４３と、放射部２０のパルス発生器２１、ＡＤ変換器３３および後述するエンコーダ３４と電気的に接続するインターフェース（図示せず）が設けられる。
【００４０】
地中探査装置１０は、図２に示すように、車両１３に搭載される。エンコーダ３４は、ロータリーエンコーダで実現され、車両１３の車両本体１４に設けられる車輪１５の軸線Ｌ１５まわりの回転角度を検出して、その回転角度に対応する数のパルス信号である車輪回転信号をコンピュータ４０に与える。
【００４１】
地中探査装置１０において、図２に示すように、少なくとも放射アンテナ２３および受信アンテナ３１は、アンテナ保持部１６によって保持される。アンテナ保持部１６は、連結部材１７を介して車両本体１４に連結される。地中探査装置１０は、地中１１の探査を行うときには、図２に示すように、放射アンテナ２３および受信アンテナ３１を、探査したい地中１１の上方の地表面１２に臨むようにして配置するとともに、車輪１５の外周面を常に地表面１２に当接させる。アンテナ保持部１６によって、放射アンテナ２３および受信アンテナ３１と地表面１２との間隔ｈを一定に保ちつつ、地表面１２に沿って予め定めるアジマス方向Ｘに移動させる。これによって車輪１５が軸線Ｌ１５まわりに回転し、エンコーダ３４が、車輪１５の回転角度を検出して、車輪回転信号をコンピュータ４０に与える。コンピュータ４０の演算部４３は、エンコーダ３４からの車輪回転信号の数を累積して、受信アンテナ３１のアジマス方向Ｘの座標Ｘの走査位置（以後、単に「走査位置Ｘ」と表記することがある）を検出する。
【００４２】
演算部４３は、地中探査装置１０がアジマス方向Ｘに、予め定める走査間隔Δｘ変位したことを検出する度に、放射部２０のパルス発生器２１に、パルス信号を発生することを示す信号発生制御信号を与える。本実施の形態において、前記走査間隔Δｘは、放射アンテナ２３から放射される放射探査波の波長λ０の約１／４に設定される。パルス発生器２１は、信号発生制御信号に基づいて、電気的なパルス信号を発生し、放射アンテナ２３は、放射探査波を地表面１２に略垂直な深さ方向Ｚに向けて地中１１に放射する。
【００４３】
また放射アンテナ２３から放射探査波であるパルス波は、１つの走査位置Ｘにおいて複数回放射される。パルス波を放射する時間間隔は、放射したパルス波の反射探査波が検出部４０によって検出されなくなるのに要する時間とする。これによって残留している反射探査波が、所望とする反射探査波に含まれることを防ぐことができる。１つのパルス波は、高周波の波から成る擬似的なインパルス波であり、本実施の形態において、１つのパルス波に含まれる高周波の波の送信周波数ｆ０は、たとえば１ギガヘルツである。また、１つのパルス波が放射される時間間隔であるパルス幅τは、たとえば０．５ナノ秒であるとする。また１つの走査位置Ｘにおいてパルス波を放射するパルス繰返し周波数ｆｒは、たとえば５メガヘルツであるとし、１つの走査位置Ｘにおいてパルス波を、たとえば１２８回繰り返して放射するとする。このように１つの走査位置Ｘにおいて、パルス波を複数回放射することによって、検出部３０を構成する電子部品に起因するランダムノイズを、検出部３０に含まれる積分器（図示せず）によって相殺することができる。
【００４４】
図３は、コンピュータ４０によって認識されるセンサ位置（Ｘｉ，Ｙｊ，Ｚｋ）、埋設物位置（ｘ，ｙ，ｚ）および見掛深さｚｐの関係を説明するための図である。Ｘ＝０の位置を起点として車両１３がアジマス方向Ｘに移動し、ある走査位置Ｘにあるときの放射アンテナ２３から埋設物１８が埋設される位置である埋設物位置（ｘ，ｙ，ｚ）までの距離Ｒ１および前記埋設物位置（ｘ，ｙ，ｚ）から受信アンテナ３１までの距離Ｒ２は、次式（１）および式（２）で表される。
【００４５】
【数１】
前式（１）および式（２）において、Ｌは、放射アンテナ２３と受信アンテナ３１との間隔である。また式（１）および式（２）において、Ｘ０，Ｙ０，Ｚ０は、次式（３）で表される。
【００４７】
【数２】
見掛深さｚｐは、次式（４）で表される。
【数３】
前式（４）において、ｔは、パルス波が放射アンテナ２３から放射されてから、埋設物１８で反射して、受信アンテナ３１によって受信されるまでの時間であり、次式（５）で表される。
【００５０】
【数４】
式（４）および式（５）において、Ｃ０は、空中における光速であり、εｒは、土の比誘電率である。したがって地中１１における探査波などの電磁波の速度ｃは、Ｃ０およびεｒを用いて、次式（６）で表される。
【００５２】
【数５】
コンピュータ４０によって認識されるセンサ位置（Ｘｉ，Ｙｊ，Ｚｉ）におけるレーダ方程式は、次式（７）で表される。
【００５４】
【数６】
前式（７）において、Ｐｔは放射電力であり、次式（８）で表される。Ａは、レーダ断面積である。θは、図３に示すように、センサ位置から埋設物１８に向かう方向ベクトルが、鉛直軸に対して成す角度である。Ｒは、放射アンテナ２３から埋設物位置（ｘ，ｙ，ｚ）までの距離Ｒ１と、前記埋設物位置（ｘ，ｙ，ｚ）から受信アンテナ３１までの距離Ｒ２との和であり、次式（９）で表される。ＬｉおよびＬｏは、大地結合損失であり、次式（１０）で表される。αは、土の電磁波に対する減衰定数であり、次式（１１）で表される。
【００５６】
【数７】
前式（８）において、ηは、放射アンテナ２３の放射効率を表す。Ｉ０は、放射アンテナ２３に供給される変動電流であり、時間に関する関数である。Ｉ０ ＊は、Ｉ０の共役複素数である。変動電流Ｉｏは、複雑な変調を行う場合、位相成分の影響も考慮する必要があるために、変動電流Ｉ０の２乗を「Ｉ０ ２」で表さないで、「Ｉ０・Ｉ０ ＊」として、絶対値の２乗と同じ意味となる。本実施の形態のように、放射する探査波がインパルス波の場合は、電流値Ｉ０と同じであり、電力計算のＩ０ ２と考えることが出来る。
【００５８】
前式（１１）において、ωは、放射探査波の角周波数であり、ｆ０に２πを乗算したものである。ε１は、土の誘電率であり、真空誘電率ε０と土の比誘電率εｒとの積である。μ０は、真空透磁率であり、土の透磁率に等しい。δは、電磁波の減衰によって現れる位相角である。σ１は、土の導電率である。電磁波の減衰によって現れる位相角δと、土の導電率σ１と、放射探査波の角周波数ωと、土の誘電率ε１との間には、次式（１２）の関係がある。
ｔａｎδ＝σ１／（ω・ε１） …（１２）
【００５９】
図４は、コンピュータ４０の構成および処理の流れを模式的に示すブロック図である。検出部３０で検出された反射波の強度はアナログのデータであるので、ＡＤ変換器３３によってサンプリングされてデジタル化されて、演算部４３に与えられる。演算部４３は、ＡＤ変換器３３からのデジタルデータとなった現在時刻の反射波の強度の絶対値、および反射波の強度の変化量の絶対値のうち、いずれか大きい方の絶対値を選択する。本実施の形態において、反射波の強度の変化量の絶対値とは、現在時刻の反射波の強度の絶対値と、現在時刻よりも１サンプリング時刻前の反射波の強度との差分の絶対値である。このようにして選択された絶対値は、現在時刻の検出強度として、メモリ４４に記憶される。
【００６０】
検出部３０によって、反射波の強度が、たとえば０，１，０，−１，０，１，０，−１と検出されたとき、このような反射波に含まれるノイズの強度が反射波の強度振幅（＝１）の半分である０．５となるとき、ノイズを含まない反射波とノイズとを区別できる箇所は、強度が１および−１となる４箇所だけであり、０となる箇所では区別できない。しかし反射波の強度が０となる箇所において、反射波の強度の変化量は１または−１であるので、このような反射波の強度の変化量を用いて、ノイズを含まない反射波とノイズとを区別できる。反射波の強度の絶対値だけでなく、反射波の強度の変化量の絶対値をも考慮することによって、ノイズを含まない反射波とノイズとを区別できる箇所を、４＋４＝８箇所、すなわち反射波の強度だけを考慮する場合に比べて倍にして、これらの箇所において、反射波の強度の絶対値、および反射波の強度の変化量の絶対値のうち、いずれか大きい方の絶対値を選択する。選択された絶対値は、検出された反射波の強度に比べてノイズの影響が小さくなっている。したがって検出された反射波の多くの箇所で、反射波に含まれるノイズの影響を小さくする、換言すれば除去することができる。
【００６１】
図５は、検出された反射波およびノイズを除去した反射波を示すグラフである。図５において、検出されてサンプリングされた反射波は●印の曲線で表され、前述のようにしてノイズを除去した反射波は△印の曲線で表される。検出されてサンプリングされた反射波には、図５の●印の曲線に示すように、放射アンテナ２３から直接受信アンテナ３１によって受信されることによるカップリング、地表面１２で反射した反射波、反射波が地表面１２と受信アンテナ３１との間で往復する反射波によるリンギング、および地中１１の埋設物１８以外の物体からの反射波によるクラッタなどに起因するノイズが含まれる。前述のように、反射波の強度の絶対値、および反射波の強度の変化量の絶対値のうち、いずれか大きい方の絶対値を選択すること（以後「差分絶対値処理」と表記することがある）によって、図５の△印の曲線に示すように、反射波に含まれるノイズが除去される。
【００６２】
演算部４３は、このようにしてメモリ４４に記憶されている検出強度に基づいて、合成開口処理を行う。メモリ４４に記憶されている、現在時刻における検出強度Ｐｒは、次式（１３）のように表される。
【００６３】
【数８】
式（１３）において、ｅは自然対数の底であり、ｅの右上にあるｉは、虚数単位を表し、ＰおよびＸの右下についている添え字ｉとは異なる。以後、ｅの右上にあるｉに関しては、虚数単位を表すものとする。
【００６５】
演算部４３は、メモリ４４に記憶されている検出強度Ｐｒに対して、次式（１４）に示すような、高速フーリエ変換（略称：ＦＦＴ）を施す。
【００６６】
【数９】
以後、本明細書中において、ＰｒにＦＦＴを施したもの、換言すれば、前式（１４）の左辺を、「Ｐ＾」と表記することがある。
【００６８】
また演算部４３は、現在時刻の反射波に基づいて、次式（１５）で表される参照強度ｈｒを理論的に求める。
【００６９】
【数１０】
前式（１５）において、δ（ｘ−ｘｍ，ｙ−ｙｍ，ｚ−ｚｍ）は、ディラックのデルタ関数であり、埋設物位置（ｘ，ｙ，ｚ）が（ｘｍ，ｙｍ，ｚｍ）となるときだけ１の値をとり、それ以外では零の値をとる。
【００７１】
演算部４３は、参照強度ｈｒに対して、次式（１６）に示すようなＦＦＴを施す。
【００７２】
【数１１】
以後、本明細書中において、ｈｒにＦＦＴを施したもの、換言すれば、前式（１６）の左辺を、「ｈ＾」と表記することがある。
【００７４】
続いて演算部４３は、次式（１７）に示すように、参照強度ｈｒにＦＦＴを施して得られたｈ＾を用いてウィナーフィルタを構成するとともに、検出強度ＰｒにＦＦＴを施して得られたＰ＾との畳み込み演算を行う。
【００７５】
【数１２】
本明細書中において、前式（１７）の左辺を、「Ｓ＾」と表記することがある。
【００７７】
ウイナーフィルターは、逆フィルターおよび整合フィルターの性質の両方を有し、ウイナー係数λｗによって、その逆フィルターおよび整合フィルターのいずれかが表れる度合いを変更することができる。検出した反射波に含まれるノイズが少ない場合、ウィナー係数λｗを１に近づけることによって、写真で地中を撮ったように鮮明になるような逆フィルターの性質に近づけることができる。また検出した反射波に含まれるノイズが多い場合、ウィナー係数λｗを０に近づけることによって、ぼやけた写真にするような整合フィルターの性質に近づけることができる。一般的にはウィナー係数λｗは０．０１程度に設定されることが多いけれども、本実施の形態において、前述したような絶対値の差分などによって、検出した反射波に含まれるノイズを低減できるので、ウィナー係数λｗは０．２程度に設定してもよい。
【００７８】
続いて演算部４３は、前式（１７）に示すようなウィナーフィルタおよび畳み込み演算によって得られたＳ＾に対して、次式（１８）に示すような、逆高速フーリエ変換を施す。
【００７９】
【数１３】
続いて演算部４３は、次式（１９）に示すように、前式（１８）によって得られたＳ（ｘ−ｘｍ，ｙ−ｙｍ，ｚ−ｚｍ）の並び替えを行うスクランブル処理を施す。
【００８１】
【数１４】
前式（１９）において、演算子「（（ ））」は、負をバイアスした最大値を法とする値を表す。換言すれば、演算子「（（ ））」は、各センサ位置（Ｘｉ，Ｙｊ，Ｚｋ）の最大値（Ｘｍａｘ，Ｙｍａｘ，Ｚｍａｘ）を加算して、前記最大値で除算した余りを表す。
【００８３】
さらに演算部４３は、前式（１９）に示すようにして得られたｓ（ｘ，ｙ，ｚ）に基づいて、合成開口画像を作成して、表示部４２に合成開口画像を表示させる。前述したように反射波に対するノイズの影響を小さくして合成開口処理を行うので、たとえば地中に埋設される埋設物１８の埋設位置（ｘ、ｙ、ｚ）を精度よく検出することができる。
【００８４】
本実施の形態における反射波に対するノイズの影響を小さくするための処理は、演算部４３において、引き算と、絶対値（データ上の左端のビットクリア）と、比較とだけであり、たとえばＣＰＵにおける処理の３クロックで実現できる。サンプリングされたデータの数がＮ個であれば、これらのデータの処理のために、ＣＰＵは、３・Ｎクロックの演算で済む。
【００８５】
従来技術のようにヒルベルト変換を行う場合、まずＮ個のデータをＦＦＴするので、Ｎ・ｌｏｇ（Ｎ）回の乗算と、ＦＦＴして得られたデータの虚数部の負の成分を０として当該虚数部の正の成分を２倍するので、さらにＮ回の演算が必要で、更に逆ＦＦＴを行うので、全部で｛２Ｎ・ｌｏｇ（Ｎ）＋Ｎ｝回の演算が必要となる。またヒルベルト変換が有意であるためには、最低で８個のデータが必要となるので、これらのデータを処理するために、４０クロック（＝２×８×２．１＋８）となり、さらに掛算ＣＰＵレイテシティー（＝２）が乗算されるので、最高で８０クロック（＝４０×２）となる。一方、本実施の形態では、２４クロック（＝３×８）で済み、ヒルベルト変換の場合に比べて、少なくとも３．３倍の速度で処理できる。
【００８６】
一般的には、扱うデータ数Ｎは２５６個程度であるので、ヒルベルト変換を用いる従来技術では、３０９５クロック（＝２×２５６×５．５４＋２５６）であり、一方、本実施の形態では、７６８クロック（＝３×２５６）となる。したがって本実施の形態の地中探査装置１０は、ヒルベルト変換を用いる従来技術よりも、８倍速く処理することができる。このように反射波に対するノイズの影響を小さくするための処理を前述したような簡単な演算によって行うので、埋設物１８の埋設位置（ｘ，ｙ，ｚ）を高速に検出することができる。
【００８７】
図６は、検出された反射波、差分絶対値処理によってノイズが除去された反射波、およびヒルベルト変換によってノイズが除去された反射波を示すグラフである。ヒルベルト変換などの複雑な演算では、図６の曲線Ｌ１の右端部に示すように、その演算過程において演算によるノイズが発生する。本実施の形態における差分絶対値処理では、演算が簡単であるので、図６の曲線Ｌ２に示すように、ヒルベルト変換に見られるようなノイズが発生しない。
【００８８】
次式（２０）は、ＡＤ変換器３３によるサンプリングの説明をするための正弦波を示す数式である。
【００８９】
【数１５】
ＡＤ変換器３３によるサンプリングは、探査波の周期の４分の１となる検出時間間隔毎に行われる。探査波の周期とは、探査波の１つのパルス波に含まれる高周波の波の送信周波数ｆ０の逆数であり、反射波も同じ周期となる。
【００９１】
探査波の周期とは無関係な検出時間間隔で反射波を検出する場合には、反射波の強度の最大値ｆｍａｘと、強度の変化量の最大値Δｆｍａｘとが等しくないので、反射波の強度ｆｍａｘと、強度の変化量Δｆｍａｘとを整合させるためには、反射波の強度の変化量Δｆｍａｘに対して、所定の整合係数を乗算しなければならない。探査波の周期の４分の１となる検出時間間隔毎に、反射波を検出することによって、反射波の強度の最大値ｆｍａｘと、強度の変化量の最大値Δｆｍａｘとが、ともにＢとなり等しくなるので、前記整合係数の乗算処理が不要となる。したがって反射波の強度の変化量Δｆｍａｘに整合係数を乗算することなく、反射波の強度の絶対値と反射波の強度の変化量の絶対値との比較を行うことができるので、演算部４３における処理速度を向上することができる。
【００９２】
図７は、ノイズ除去後の各走査位置Ｘにおける反射波の波形を示す図である。前述の差分絶対値処理によって、各走査位置Ｘにおける反射波からノイズを除去すると、埋設物１８からの反射波が容易に確認できる。また図７の曲線Ｌ３のように、埋設物１８からの反射波によって、エンベロープは、地表に向かう方向に凸となる漸近双曲線となる。
【００９３】
図８は、ヒルベルト変換によってノイズを除去したときの２次元合成開口結果と、差分絶対値処理によってノイズを除去したときの２次元合成開口結果とを比較した図である。ここでは、４つの同形状の埋設物が、アジマス方向Ｘに進むにつれて深さ方向Ｚに深くなるように順に並んで埋設されている場合である。ヒルベルト変換によってノイズを除去したときの２次元合成開口結果は、埋設物の位置、個数および形状が実際の位置、個数および形状とはかけ離れてしまっている。一方、差分絶対値処理によってノイズを除去したときの２次元合成開口結果は、埋設物の位置、個数および形状が非常に正確である。
【００９４】
図９は、本発明の第２の実施形態の地中探査装置１０Ａを搭載する車両１３を示す斜視図である。図１０は、地中探査装置１０Ａを搭載する車両１３を示す平面図である。図１１は、地中探査装置１０Ａを搭載する車両１３を示す側面図である。地中探査装置１０Ａは、放射部２０、検出部３０、ＡＤ変換器３３、エンコーダ３４およびコンピュータ４０を含んで構成される。地中探査装置１０Ａの放射部２０、検出部３０、ＡＤ変換器３３、エンコーダ３４およびコンピュータ４０の構成は、前述の第１の実施形態の地中探査装置１０Ａの放射部２０、検出部３０、ＡＤ変換器３３、エンコーダ３４およびコンピュータ４０の構成と大略的に同様であるので、その構成を示すブロック図として図１を代用して、詳細な説明は省略する。
【００９５】
地中探査装置１０Ａの放射部２０は、パルス発生器２１、放射増幅器２２および２のべき乗から２を減算した個数であり、かつ２個以上、本実施の形態では６個の放射アンテナ２３ａ〜２３ｆを含んで構成される。また地中探査装置１０Ａの検出部３０は、２のべき乗から２を減算した個数であり、かつ２個以上、本実施の形態では６個の受信アンテナ３１ａ〜３１ｆおよび検出増幅器３２を含んで構成される。放射アンテナ２３ａ〜２３ｆおよび受信アンテナ３１ａ〜３１ｆは、１つの放射アンテナと１つの受信アンテナとが対になって１つのアンテナ保持部によって保持される。６つのアンテナ保持部１６ａ〜１６ｆは、連結部材１７を介して車両本体１４に連結される。このとき放射アンテナ２３ａ〜２３ｆおよび受信アンテナ３１ａ〜３１ｆは、アジマス方向Ｘと深さ方向Ｚとに垂直な横方向Ｙに直線状に並んで配置される。各アンテナ保持部１６ａ〜１６ｆは、互いに独立して深さ方向Ｚに変位可能であって、各アンテナ保持部１６ａ〜１６ｆが保持する放射アンテナおよび受信アンテナと地表面１２との間隔ｈを一定に保つ。
【００９６】
各放射アンテナ２３ａ〜２３ｆと、各受信アンテナ３１ａ〜３１ｆと、埋設物１８の埋設物位置（ｘ，ｙ，ｚ）との関係は、前述の第１の実施形態の地中探査装置１０における図３の説明と同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００９７】
図１２は、コンピュータ４０の構成および処理の流れを模式的に示すブロック図である。図１３は、メモリ４４における記録状態を模式的に示す図である。コンピュータ４０の演算部４３は、各走査位置Ｘにおいて、検出部３０によって検出された各受信アンテナ３１ａ〜３１ｆによって受信された反射波の強度を、メモリ４４に記憶する。また演算部４３は、横方向Ｙに並ぶ受信アンテナ３１ａ〜３１ｆの横方向Ｙ両側に、仮想検出手段である仮想アンテナ３１１，３１２（図９参照）を仮想する。続いて演算部４３は、各走査位置Ｘにおいて、各仮想アンテナ３１１，３１２によって検出された反射波の強度が零であると仮定した仮想検出値を、図１３に示すように、メモリ４４に記憶する。したがってメモリ４４には、各走査位置Ｘ毎に、反射波の強度および仮想検出値をあわせて２のべき乗かつ４個以上のデータ、本実施の形態では８個のデータが記憶される。
【００９８】
演算部４３は、メモリ４４に記憶されている、検出部３０によって検出された各受信アンテナ３１ａ〜３１ｆによって受信された反射波の強度と、各仮想アンテナ３１１，３１２によって検出された反射波の強度が零であると仮定した仮想検出値とに基づいて合成開口処理を行う。合成開口処理における、ＦＦＴ、畳み込み、逆ＦＦＴおよびスクランブル処理などは、前述の第１の実施形態の地中探査装置１０の図４の説明と同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００９９】
合成開口処理において、演算部４３は、検出された反射波の強度および仮想検出値に対して、ＦＦＴを施す。Ｎ個のデータに対してＦＦＴするときの計算回数は、Ｎ・ｌｏｇ（Ｎ）回である。ＦＦＴは、データの数が２のべき乗個となる場合には、計算速度が最も速くなり、このときの計算回数は、Ｎ・ｌｏｇ（Ｎ）回であるという性質を有する。したがって演算部４３による合成開口処理を高速に行うことができる。
【０１００】
図１４は、検出された反射波の強度をデルタ関数応答としたときのハニングウインドを乗算したときのＦＦＴ結果と、前記デルタ関数応答に値が零の仮想検出値をあわせたときのＦＦＴ結果とを比較して示すグラフである。従来の合成開口処理において、検出された反射波の強度に対してＦＦＴを施す前に、検出された反射波の強度に、たとえばハニングウインド（Ｈａｎｎｉｎｇ Ｗｉｎｄｏｗ）などの窓関数（Ｗｉｎｄｏｗ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ ）を乗算して、図１４の点線で示す曲線Ｌ４に示すように、ＦＦＴを施したときに得られるスペクトルのサイドローブ（ｓｉｄｅ−ｌｏｂｅ ）を小さくしている。
【０１０１】
しかし受信アンテナの数を少なくして検出精度を向上させたい場合には、前述の従来の方法では、図１４の点線で表される曲線Ｌ４に示すように、ＦＦＴを施したときに得られるスペクトルのメインローブ（ｍａｉｎ−ｌｏｂｅ ）の幅が大きくなり、分解能が低下してしまう。本実施の形態では、横方向Ｙに並ぶ受信アンテナ３１ａ〜３１ｆの横方向Ｙ両側に仮想アンテナ３１１，３１２を仮想して、各仮想アンテナ３１１，３１２によって受信されて検出された反射波の強度が零であると仮定した仮想検出値を設定することによって、図１４の実線で表される曲線Ｌ５に示すように、検出された反射波の強度および前記仮想検出値に対してＦＦＴを施したときのスペクトルのメインローブの幅を小さくして、分解能を向上させるような、一種の窓関数を作ることができる。したがって受信アンテナの数が少なくても、分解能の低下を可及的に防止することができる。
【０１０２】
また横方向Ｙに並ぶ受信アンテナ３１ａ〜３１ｆの横方向Ｙ両側に仮想アンテナ３１１，３１２を仮想して２のべき乗個のデータを得ている。これによって、ＦＦＴの計算速度を向上させるために２のべき乗個の受信アンテナを必要とせず、２のべき乗から２を減算した個数であり、かつ２個以上の受信アンテナを備えていればよく、受信アンテナの個数も減らすことができる。
【０１０３】
本実施の形態の地中探査装置１０Ａにおいて、検出された反射波の強度に対して、前述の第１の実施形態の地中探査装置１０のように、差分絶対値処理によってノイズを除去するようにしてもよい。これによって本実施の形態の地中探査装置１０Ａは、前述の第１の実施形態の地中探査装置１０と同様の効果をさらに付加することができる。
【０１０４】
図１５は、地中探査装置１０Ａによる３次元合成開口結果を示す図である。ここでは、４つの同形状の埋設物が、アジマス方向Ｘに進むにつれて深さ方向Ｚに深くなるように順に並んで埋設されている場合である。図１５に示すように、地中探査装置１０Ａによる３次元合成開口結果は、埋設物の位置、個数および形状が非常に正確であることがわかる。
【０１０５】
図１６は、本発明の第３の実施形態の地中探査装置１０Ｂを搭載する車両１３を示す斜視図である。図１７は、地中探査装置１０Ｂを搭載する車両１３を示す平面図である。地中探査装置１０Ｂは、放射部２０、検出部３０、ＡＤ変換器３３、エンコーダ３４およびコンピュータ４０を含んで構成される。地中探査装置１０Ｂの放射部２０、検出部３０、ＡＤ変換器３３、エンコーダ３４およびコンピュータ４０の構成は、前述の第１の実施形態の地中探査装置１０Ａの放射部２０、検出部３０、ＡＤ変換器３３、エンコーダ３４およびコンピュータ４０の構成と大略的に同様であるので、その構成を示すブロック図として図１を代用して、詳細な説明は省略する。
【０１０６】
地中探査装置１０Ｂの放射部２０は、パルス発生器２１、放射増幅器２２および複数の、本実施の形態では３６個の放射アンテナ２３Ｂを含んで構成される。また地中探査装置１０Ａの検出部３０は、複数の、本実施の形態では３６個の受信アンテナ３１Ｂおよび検出増幅器３２を含んで構成される。放射アンテナ２３Ｂと受信アンテナ３１Ｂとが１組（以後、「アンテナ組２３Ｂ，３１Ｂ」と表記することがある）となって、マトリクス状に配置されて。アンテナ保持部１６Ｂに保持される。詳細に述べると、２のべき乗から２を減算した組数であり、かつ２組以上、本実施の形態では６組のアンテナ組２３Ｂ，３１Ｂが、アジマス方向Ｘに並んで配置されるとともに、２のべき乗から２を減算した組数であり、かつ２組以上、本実施の形態では６組のアンテナ組２３Ｂ，３１Ｂが、横方向Ｙに並んで配置される。
【０１０７】
アンテナ保持部１６Ｂは、たとえば同一出願人の発明である特許第２７８５９１１号に開示されるようなエアクッション艇の保持部であってもよい。アンテナ保持部１６Ｂは、前述の特許第２７８５９１１号に開示されるようなリンク機構を有する連結部材１７Ｂを介して車両本体１４に連結される。アンテナ保持部１６Ｂは、アンテナ組２３Ｂ，３１Ｂと地表面１２との間隔ｈを一定に保つ。各放射アンテナ２３Ｂと、各受信アンテナ３１Ｂと、埋設物１８の埋設物位置（ｘ，ｙ，ｚ）との関係は、前述の第１の実施形態の地中探査装置１０における図３の説明と同様であるので、詳細な説明は省略する。
【０１０８】
図１８は、コンピュータ４０の構成および処理の流れを模式的に示すブロック図である。図１９は、メモリ４４における記録状態を模式的に示す図である。図２０は、メモリ４４における具体的な記録状態を模式的に示す図である。コンピュータ４０の演算部４３は、各走査位置Ｘにおいて、検出部３０によって検出された各受信アンテナ３１Ｂによって受信された反射波の強度を、メモリ４４に記憶する。また演算部４３は、マトリクス状に配置されるアンテナ組２３Ｂ，３１Ｂの周囲に、仮想検出手段である２８個の仮想アンテナを仮想する。詳細に述べると、アンテナ組２３Ｂ，３１Ｂのアジマス方向Ｘに並ぶ各列の、アジマス方向Ｘ両側に、仮想アンテナを仮想するとともに、アンテナ組２３Ｂ，３１Ｂの横方向Ｙに並ぶ各列の、横方向Ｙ両側にも、仮想アンテナを仮想する。
【０１０９】
続いて演算部４３は、各走査位置Ｘにおいて、各仮想アンテナによって検出された反射波の強度が零であると仮定した仮想検出値を、図１９および図２０に示すように、メモリ４４に記憶する。したがってメモリ４４には、各走査位置Ｘ毎に、反射波の強度および仮想検出値をあわせて２のべき乗かつ４個以上のデータ、本実施の形態では６４（＝２６＝（６＋２）×（６＋２））個のデータが記憶される。
【０１１０】
続いて演算部４３は、メモリに記憶されている検出部３０によって検出された各受信アンテナ３１Ｂによって受信された反射波の強度と、各仮想アンテナによって検出された反射波の強度が零であると仮定した仮想検出値とに対して、差分絶対値処理によってノイズを除去する。差分絶対値処理は、第１の実施形態の地中探査装置１０において述べているので、詳細な説明は省略する。
【０１１１】
続いて演算部４３は、合成開口処理として、差分絶対値処理によってノイズが除去された検出波の強度および仮想検出値に対して、式（１４）に示すようなＦＦＴを施す。続いて演算部４３は、前述のＦＦＴによって得られたデータに対して、波数空間補間を行う。前述のＦＦＴによって、得られる複素数データの、実数部Ｒｋ１，ｋ２を次式（２１）に示し、虚数部Ｉｋ１，ｋ２を次式（２２）に示す。
【０１１２】
【数１６】
前式（２１）および式（２２）において、ｎ１は、アジマス方向Ｘのデータのサンプル数であり、ｎ２は、横方向Ｙのデータのサンプル数である。本実施の形態では、ｎ１およびｎ２は、ともに８である。ｋ１は、アジマス方向Ｘのデータのサンプル位置、ｋ２は、横方向Ｙのデータのサンプル位置であり、ｋ１は零以上、ｎ１以下の整数の値をとり、ｋ２は、零以上、ｎ２以下の整数の値をとる。
【０１１４】
波数空間補間では、演算部４３は、式（２１）におけるｎ１を、２のべき乗の値ａを乗算して、ａ・ｎ１とするとともに、式（２２）におけるｎ２を、２のべき乗の値ｂを乗算して、ｂ・ｎ２とする。このようにして、複素数データの実数部Ｒｋ１，ｋ２および虚数部Ｉｋ１，ｋ２におけるサンプル数を増加することによって、複素数データに拡張データを加えて拡張複素数データを生成する。この拡張データは、全て零の値をとる。次式（２３）に拡張複素数データの実数部Ｒｋ１，ｋ２を示し、次式（２４）に拡張複素数データの虚数部Ｉｋ１，ｋ２を示す。
【０１１５】
【数１７】
前式（２３）および式（２４）に示すように、拡張複素数データにおいて、０≦ｋ１≦ｎ１かつ０≦ｋ２≦ｎ２の場合には、実数部Ｒｋ１，ｋ２および虚数部Ｉｋ１，ｋ２は、ともに式（２２）および式（２３）と同一の値をとる複素数データである。また拡張複素数データにおいて、ｋ１＞ｎ１またはｋ２＞ｎ２の場合には、実数部Ｒｋ１，ｋ２および虚数部Ｉｋ１，ｋ２は、ともに零の値をとる拡張データとなる。このようにして波数空間補間を行う。
【０１１７】
また演算部４３は、現在時刻の反射波に基づいて、式（１５）で表される参照強度ｈｒを理論的に求めて、参照強度ｈｒに対して、式（１６）に示すようなＦＦＴを施す。演算部４３は、式（１６）によって生成されたｈ＾に対して、前述と同様の波数空間補間を行う。
【０１１８】
続いて演算部４３は、式（１７）に示すように、参照強度ｈｒにＦＦＴを施して波数空間補間して得られたｈ＾に対して、ウィナーフィルタを施すとともに、検出強度ＰｒにＦＦＴを施して波数空間補間して得られたＰ＾およびウィナーフィルタが施されたｈ＾に対して、畳み込み演算を行う。
【０１１９】
続いて演算部４３は、式（１７）に示すようなウィナーフィルタおよび畳み込み演算によって得られたＳ＾に対して、式（１８）に示すような、逆高速フーリエ変換を施す。続いて演算部４３は、式（１９）に示すように、式（１８）によって得られたＳ（ｘ−ｘｍ，ｙ−ｙｍ，ｚ−ｚｍ）の並び替えを行うスクランブル処理を施す。さらに演算部４３は、式（１９）に示すようにして得られたｓ（ｘ，ｙ，ｚ）に基づいて、合成開口画像を作成して、表示部４２に合成開口画像を表示させる。
【０１２０】
実際の受信アンテナ３１Ｂの個数を増加させずに分解能を高くするためには、検出部３０によって検出された反射波の強度の個数を増やして、増やした分に関しては、たとえば線形補間などによる推定値を代入し、その後高速フーリエ変換する方法が考えられる。しかしこのような方法では、実際の各受信アンテナ３１Ｂの直下の位置と、隣り合う２つの受信アンテナ３１Ｂの間の直下の位置とにおける反射波の強度だけしか、正しく推定できない。また線形補間するときにおいて、少なくとも増やした個数分の連立方程式を解くだけの演算をしなければならない。
【０１２１】
このように合成開口処理において、検出部３０によって検出された反射波の強度を高速フーリエ変換して複素数データを生成し、前記複素数データに値が零の拡張データを加えて拡張複素数データを生成し、前記拡張複素数データを逆高速フーリエ変換する。検出手段によって検出された反射波の強度を高速フーリエ変換して生成した複素数データに、値が零の拡張データを加えて拡張複素数データを生成することで、受信アンテナ３１Ｂの個数を増加させたことと等価となり、分解能を高くできる。このように前記拡張複素数データに基づいて演算することによって、拡張された高い空間周波数で合成開口演算している。
【０１２２】
図２１は、波数空間補間処理を説明するための図である。図２１において、線Ｌ６は、隣り合う２つの受信アンテナ３１Ｂによって受信して検出された反射波の強度にＦＦＴを施したもの表し、曲線Ｌ７は、反射波の強度にＦＦＴを施して波数空間補間したものを表す。たとえば受信アンテナ１個当たりの横方向Ｙの寸法が２５センチメートルであって、前記受信アンテナが横方向Ｙに６個並んでいる場合を想定する。たとえば直径が約１０センチメートルの埋設物を探査するには、図２１のＷ１に示すように、分解能が２５センチメートルであるので、分解能が不足している。また、埋設物が、２つの受信アンテナの中間に位置していると、分解能が５０センチメートルになってしまう。
【０１２３】
直径が約１０センチメートルの埋設物を探査できるように分解能を補うためには、分解能を５倍（＝５０÷１０）以上にする必要がある。そのためには、アジマス方向Ｘだけに関して考えると、アジマス方向Ｘのサンプリング数を５倍以上の２のべき数倍、前述の例では、８倍（＝２の３乗）にすることが必要条件となる。原理的には、分解能が上がると空間周波数が高くなる。したがって式（２３）は、実際にサンプリングされたデータの個数であるｎ１個を、２のべき乗倍したａ・ｎ１個となるように空間周波数を高くして、１以上、ｎ１以下のｋ１の複素数データに対しては、実際にサンプリングされたときの複素数データをそのまま用い、ｎ１を超える、換言すれば（ｎ１＋１）以上のｋ１の複素数データに対しては、零を埋め込むことを表している。これによって空間周波数、換言すれば検出精度は、２のべき乗倍することができる。
【０１２４】
本発明では、高速フーリエ変換した後の複素数データに対する空間波数補間処理として、値が零の拡張データを加えるだけなので、分解能を高くすることに対してデータを補間するための演算が全く不要であるので、合成開口処理における演算速度が低下することを防止できる。さらに波数空間における補間は、横方向Ｙの位置に関しても補間するので、実空間のような、受信アンテナの中心の直下および２つの受信アンテナの中間の直下でなくてもよい。
【０１２５】
第２および第３の実施形態の地中探査装置１０Ａ，１０Ｂにおいて、合成開口処理の前に、演算部４３は、検出された反射波の強度に対して、補正処理を行うようにしてもよい。補正処理は、まず、検出対象となるある位置に配置される受信アンテナが受信して検出された反射波のある時点の強度と、前記時点の近傍時点の強度と、前記受信アンテナの近傍の受信アンテナが受信して検出された反射波の強度とを総和した総和値を求める。
【０１２６】
たとえば図５に示すような反射波において、検出時刻は深さ方向Ｚの位置に対応している。したがって検出された反射波におけるある時点とは、それに対応する深さ方向Ｚの位置である。前記ある時点の近傍の時点とは、前記ある時点に対応する深さ方向Ｚの位置の近傍の位置に対応している。ある時点と近傍の時点とは、たとえば隣り合う受信アンテナの間隔、本実施の形態では２５センチメートルの距離に対応する時間のずれがあり、そのずれる方向は、ある時点よりも過去であってもよく、未来であってもよく、過去および未来の両方であってもよい。また近傍の時点は、１つの時点であってもよく、複数の時点であってもよい。また、ある時点と近傍の時点とは、たとえばＡＤ変換器３３によるサンプリング間隔に対応する時間間隔のずれがあるとしてもよい。
【０１２７】
このようにして求めた総和値が、予め定める閾値以下であるとき、前記ある受信アンテナが受信して検出された反射波の強度を零に置き換える。また総和値が、予め定める閾値を超えるとき、前記ある受信アンテナが受信して検出された反射波の強度を、そのまま合成開口処理に用いる。
【０１２８】
図２２（１）は、補正処理によってノイズ波を除去した反射波を示す図であり、（２）は、ノイズ波を除去していない反射波を示す図である。反射波には、図２２（２）に示すように、ノイズ発生源で発生されるノイズ波が含まれている。ノイズ発生源は、たとえば、地中に存在し、探査波を乱反射させてしまう岩石および水泡、ならびに探査に無関係なノイズ波を発生させるものである。これらのノイズ発生源は、地中において乱数的に分布して存在しているので、ある位置において検出手段が検出した反射波のある時点の強度と、前記時点の近傍時点の強度と、前記検出手段の近傍位置の検出手段が検出した反射波の強度とを総和することによって、ノイズ波の強度は打ち消し合う。これによって反射波に含まれるノイズ波の強度の総和の絶対値は、反射波の強度の総和の絶対値に比べて充分に小さくなるので、前記総和値が、予め定める閾値以下であるとき、前記ある受信アンテナ３１が受信して検出された反射波の強度を零に置き換えることによって、図２２（１）に示すように、反射波に対するノイズ波の影響を小さくすることができる。本実施の形態において、前記閾値は、反射波の強度の最大値の４分の１とした。
【０１２９】
図２３（１）は、補正処理によってノイズ波を除去したときの合成開口処理によって得られる画像を示す図であり、（２）は、ノイズ波を除去していないときの合成開口処理によって得られる画像を示す図である。補正処理によってノイズ波を除去したときの合成開口処理によって得られる画像には、図２３（１）のセクション２３１のように、埋設物がはっきりと写っている。一方、ノイズ波を除去していないときの合成開口処理によって得られる画像には、図２３（２）のセクション２３２のように、ノイズによって埋設物がぼやけてしまっている。
【０１３０】
以上のように第１〜第３の実施形態の地中探査装置１０，１０Ａ，１０Ｂによれば、探査波の地中における伝搬速度の誤差の影響、地表面のクラッターなどのノイズを除去しながら地中を探査することが、演算部４３にとって負荷の低い演算で行うことができる。またこのような地中探査において、演算を迅速に行うだけでなく、ワークステーションなどの高速の計算機に比べて低性能かつ安価な汎用のパーソナルコンピュータを用いても地中探査を行うことが可能となる。
【０１３１】
第２の実施形態の地中探査装置１０Ａでは、放射アンテナ２３ａ〜２３ｆおよび受信アンテナ３１ａ〜３１ｆが、横方向Ｙに直線上に並んで配置されるとしたけれども、これに限ることはない。たとえば第３の実施形態の地中探査装置１０Ｂのように、アンテナ組２３Ｂ，３１Ｂがマトリクス状に配置されるようにしてもよい。また第３の実施形態の地中探査装置１０Ｂでは、アンテナ組２３Ｂ，３１Ｂがマトリクス状に配置されるとしたけれども、これに限ることはない。たとえば第２の実施形態の地中探査装置１０Ａのように、放射アンテナ２３ａ〜２３ｆおよび受信アンテナ３１ａ〜３１ｆが、横方向Ｙに直線上に並んで配置されるようにしてもよい。
【０１３２】
【発明の効果】
請求項１記載の本発明によれば、検出手段によって、反射波の強度が、たとえば０，１，０，−１，０，１，０，−１と検出されたとき、このような反射波に含まれるノイズの強度が反射波の強度振幅（＝１）の半分である０．５となるとき、ノイズを含まない反射波とノイズとを区別できる箇所は、強度が１および−１となる４箇所だけであり、０となる箇所では区別できない。しかし反射波の強度が０となる箇所において、反射波の強度の変化量は１または−１であるので、このような反射波の強度の変化量を用いて、ノイズを含まない反射波とノイズとを区別できる。反射波の強度の絶対値だけでなく、反射波の強度の変化量の絶対値をも考慮することによって、ノイズを含まない反射波とノイズとを区別できる箇所を、４＋４＝８箇所、すなわち反射波の強度だけを考慮する場合に比べて倍にして、これらの箇所において、反射波の強度の絶対値、および反射波の強度の変化量の絶対値のうち、いずれか大きい方の絶対値を選択する。選択された絶対値は、検出された反射波の強度に比べてノイズの影響が小さくなっている。したがって検出された反射波の多くの箇所で、反射波に含まれるノイズの影響を小さくすることができる。このように反射波に対するノイズの影響を小さくして合成開口処理を行うので、たとえば地中に埋設される埋設物の埋設位置を精度よく検出することができる。また反射波に対するノイズの影響を小さくするための処理を簡単な演算によって行うので、埋設物の埋設位置を高速に検出することができる。
【０１３３】
請求項２記載の本発明によれば、検出手段は、探査波の周期の４分の１となる検出時間間隔毎に、反射波を検出する。探査波の周期とは無関係な検出時間間隔で反射波を検出する場合には、反射波の強度の最大値と、強度の変化量の最大値とが等しくないので、反射波の強度と、強度の変化量とを整合させるためには、反射波の強度の変化量に対して、所定の整合係数を乗算しなければならない。探査波の周期の４分の１となる検出時間間隔毎に、反射波を検出することによって、反射波の強度の最大値と、強度の変化量の最大値とが等しくなるので、前記整合係数の乗算処理が不要となる。したがって反射波の強度の変化量に整合係数を乗算することなく、反射波の強度の絶対値と反射波の強度の変化量の絶対値との比較を行うことができるので、演算手段における処理速度を向上することができる。
【０１３４】
請求項３記載の本発明によれば、２のべき乗から２を減算した個数の検出手段によって検出された反射波の強度と、２個の仮想検出手段によって検出されたと仮定した仮想検出値との、４以上の２のべき乗個のデータに基づいて、合成開口処理が行われる。一般的な合成開口処理において、検出された反射波の強度に対して、高速フーリエ変換（略称：ＦＦＴ）を施す。ＦＦＴは、データの数が２のべき乗個となる場合には、計算速度が最も速くなり、このときの計算回数のオーダーは、Ｎ・ｌｏｇ（Ｎ）回であるという性質を有する。したがって合成開口演算手段による合成開口処理を高速に行うことができる。従来の合成開口処理において、検出された反射波の強度に対してＦＦＴを施す前に、検出された反射波の強度に、たとえばハニングウインドなどの窓関数を乗算して、ＦＦＴを施したときに得られるスペクトルのサイドローブ（ｓｉｄｅ−ｌｏｂｅ ）を小さくしている。しかし検出手段の数を少なくして検出精度を向上させたい場合には、前述の従来の方法では、ＦＦＴを施したときに得られるスペクトルのメインローブ（ｍａｉ ｎ−ｌｏｂｅ）の幅が大きくなり、分解能が低下してしまう。本発明では、前記配置方向に並ぶ検出手段群の配置方向両側に仮想検出手段を仮想して、各仮想検出手段によって検出された反射波の強度が零であると仮定した仮想検出値を設定することによって、検出された反射波の強度および前記仮想検出値に対してＦＦＴを施したときのスペクトルのメインローブの幅を小さくして、分解能を向上させるような、一種の窓関数を作ることができる。したがって検出手段の数が少なくても、分解能の低下を可及的に防止することができる。また配置方向に並ぶ検出手段群の配置方向両側に仮想検出手段を仮想して２のべき乗個のデータを得ている。これによって、ＦＦＴの計算速度を向上させるために２のべき乗個の検出手段を必要とせず、２のべき乗から２を減算した個数であり、かつ２個以上の検出手段を備えていればよく、検出手段の個数も減らすことができる。
【０１３５】
請求項４記載の本発明によれば、検出手段によって、反射波の強度が、たとえば０，１，０，−１，０，１，０，−１と検出されたとき、このような反射波に含まれるノイズの強度が反射波の強度振幅（＝１）の半分である０．５となるとき、ノイズを含まない反射波とノイズとを区別できる箇所は、強度が１および−１となる４箇所だけであり、０となる箇所では区別できない。しかし反射波の強度が０となる箇所において、反射波の強度の変化量は１または−１であるので、このような反射波の強度の変化量を用いて、ノイズを含まない反射波とノイズとを区別できる。反射波の強度の絶対値だけでなく、反射波の強度の変化量の絶対値をも考慮することによって、ノイズを含まない反射波とノイズとを区別できる箇所を、４＋４＝８箇所、すなわち反射波の強度だけを考慮する場合に比べて倍にして、これらの箇所において、反射波の強度の絶対値、および反射波の強度の変化量の絶対値のうち、いずれか大きい方の絶対値を選択する。選択された絶対値は、検出された反射波の強度に比べてノイズの影響が小さくなっている。したがって検出された反射波の多くの箇所で、反射波に含まれるノイズの影響を小さくすることができる。このように反射波に対するノイズの影響を小さくして合成開口処理を行うので、たとえば地中に埋設される埋設物の埋設位置を精度よく検出することができる。また反射波に対するノイズの影響を小さくするための処理を簡単な演算によって行うので、埋設物の埋設位置を高速に検出することができる。
【０１３６】
請求項５記載の本発明によれば、合成開口演算手段は、合成開口処理において、検出手段によって検出された反射波の強度を高速フーリエ変換して複素数データを生成し、前記複素数データに値が零の拡張データを加えて拡張複素数データを生成し、前記拡張複素数データに基づいて演算することによって、拡張された高い空間周波数で合成開口演算する。検出手段によって検出された反射波の強度を高速フーリエ変換して生成した複素数データに、値が零の拡張データを加えて拡張複素数データを生成することで、検出手段の個数を増加させたことと等価となり、分解能を高くできる。実際の検出手段の個数を増加させずに分解能を高くするためには、検出手段によって検出された反射波の強度の個数を増やして、増やした分に関しては、たとえば線形補間などによる推定値を代入し、その後高速フーリエ変換する方法が考えられる。しかしこのような方法では、実際の各検出手段の直下の位置と、隣り合う２つの検出手段の間の直下の位置とにおける反射波の強度だけしか、正しく推定できない。また線形補間するときにおいて、少なくとも増やした個数分の連立方程式を解くだけの演算をしなければならない。本発明では、高速フーリエ変換した後の複素数データに、値が零の拡張データを加えるだけなので、分解能を高くすることに対してデータを補間するための演算が全く不要であるので、合成開口処理における演算速度が低下することを防止できる。
【０１３７】
請求項６記載の本発明によれば、補正手段は、ある位置において検出手段が検出した反射波のある時点の強度と、前記時点の近傍時点の強度と、前記検出手段の近傍位置の検出手段が検出した反射波の強度とを総和した総和値が、予め定める閾値以下であるとき、前記検出手段が検出した反射波の強度を零に置き換えて、各検出手段によって検出された反射波の強度を補正する。合成開口演算手段は、合成開口処理において、前記補正手段によって補正された反射波の強度を、検出手段によって検出された反射波の強度として合成開口処理を行う。反射波には、ノイズ発生源で発生されるノイズ波が含まれている。ノイズ発生源は、たとえば、地中に存在し、探査波を乱反射させてしまう岩石および水泡、ならびに探査に無関係なノイズ波を発生させるものである。これらのノイズ発生源は、地中において乱数的に分布して存在しているので、ある位置において検出手段が検出した反射波のある時点の強度と、前記時点の近傍時点の強度と、前記検出手段の近傍位置の検出手段が検出した反射波の強度とを総和することによって、ノイズ波の強度は打ち消し合う。これによって反射波に含まれるノイズ波の強度の総和の絶対値は、反射波の強度の総和の絶対値に比べて充分に小さくなるので、前記総和値が、予め定める閾値以下であるとき、前記検出手段が検出した反射波の強度を零に置き換えることによって、反射波に対するノイズ波の影響を小さくすることができる。このように反射波に対するノイズの影響を小さくして合成開口処理を行うので、たとえば地中に埋設される埋設物の埋設位置を精度よく検出することができる。また反射波に対するノイズの影響を小さくするための処理を簡単な総和演算によって行うので、埋設物の埋設位置を高速に検出することができる。
【０１３８】
請求項７記載の本発明によれば、表示手段は、合成開口演算手段の合成開口処理によって生成されたデータに基づく画像を表示する。これによって利用者は、合成開口演算手段の合成開口処理によって生成されたデータに基づく画像によって、たとえば地中の埋設物の埋設位置を視覚的に確認することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の地中探査装置１０の構成を示すブロック図である。
【図２】地中探査装置１０を搭載する車両１３を示す斜視図である。
【図３】コンピュータ４０によって認識されるセンサ位置（Ｘｉ，Ｙｊ，Ｚｉ）、埋設物位置（ｘ，ｙ，ｚ）および見掛深さｚｐの関係を説明するための図である。
【図４】コンピュータ４０の構成および処理の流れを模式的に示すブロック図である。
【図５】検出された反射波およびノイズを除去した反射波を示すグラフである。
【図６】検出された反射波、差分絶対値処理によってノイズが除去された反射波、およびヒルベルト変換によってノイズが除去された反射波を示すグラフである。
【図７】ノイズ除去後の各走査位置Ｘにおける反射波の波形を示す図である。
【図８】ヒルベルト変換によってノイズを除去したときの２次元合成開口結果と、差分絶対値処理によってノイズを除去したときの２次元合成開口結果とを比較した図である。
【図９】本発明の第２の実施形態の地中探査装置１０Ａを搭載する車両１３を示す斜視図である。
【図１０】地中探査装置１０Ａを搭載する車両１３を示す平面図である。
【図１１】地中探査装置１０Ａを搭載する車両１３を示す側面図である。
【図１２】コンピュータ４０の構成および処理の流れを模式的に示すブロック図である。
【図１３】メモリ４４における記録状態を模式的に示す図である。
【図１４】検出された反射波の強度をデルタ関数応答としたときのハニングウインドを乗算したときのＦＦＴ結果と、前記デルタ関数応答に値が零の仮想検出値をあわせたときのＦＦＴ結果とを比較して示すグラフである。
【図１５】地中探査装置１０Ａによる３次元合成開口結果を示す図である。ここでは、４つの同形状の埋設物が、アジマス方向Ｘに進むにつれて深さ方向Ｚに深くなるように順に並んで埋設されている場合である。
【図１６】本発明の第３の実施形態の地中探査装置１０Ｂを搭載する車両１３を示す斜視図である。
【図１７】地中探査装置１０Ｂを搭載する車両１３を示す平面図である。
【図１８】コンピュータ４０の構成および処理の流れを模式的に示すブロック図である。
【図１９】メモリ４４における記録状態を模式的に示す図である。
【図２０】メモリ４４における具体的な記録状態を模式的に示す図である。
【図２１】波数空間補間処理を説明するための図である。
【図２２】（１）は、補正処理によってノイズ波を除去した反射波を示す図であり、（２）は、ノイズ波を除去していない反射波を示す図である。
【図２３】（１）は、補正処理によってノイズ波を除去したときの合成開口処理によって得られる画像を示す図であり、（２）は、ノイズ波を除去していないときの合成開口処理によって得られる画像を示す図である。
【符号の説明】
１０，１０Ａ，１０Ｂ 地中探査装置
２０ 放射部
３０ 検出部
３１１，３１２ 仮想アンテナ
４０ コンピュータ
４２ 表示部
４３ 演算部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an underground exploration device for exploring the underground without excavation.
[0002]
[Prior art]
Underground exploration devices that radiate exploration waves into the ground using electromagnetic waves and sound waves as detection waves and detect reflected waves to search for water pipes buried underground and cavities underground is there.
[0003]
In the first conventional technique, an image is converged by a synthetic aperture method using an original image of a cross section of a concealed place where a buried object created by radiating electromagnetic waves into the ground while changing the dielectric constant is embedded. The signal level of each target is calculated and calculated while shifting the position of the predetermined target in the depth direction. Then, for each relative dielectric constant, the degree of coincidence between the group of signal levels of the synthetic aperture in the depth direction and a predetermined reference waveform is determined, and the relative dielectric constant with the maximum degree of coincidence is determined as the surface of the concealed location. Is determined to be the average relative permittivity from the point to the embedded object (for example, see Patent Document 1). In the first related art, the distance in the depth direction from the surface of the concealed place to the buried object is detected using the average relative dielectric constant thus obtained.
[0004]
The second related art samples a reflected waveform when an electromagnetic wave is radiated into the ground, and extracts a reflected waveform distributed in a hyperbolic shape from a two-dimensional pattern arranged in the scanning direction of the antenna in the order of sampling. Extract. Then, a value of predetermined information is checked with respect to the extracted reflected waveform, and the position of the buried object is detected from the reflected waveform whose value has reached a certain value or more (for example, see Patent Document 2).
[0005]
The third related art converts a received signal of a reflected wave when an electromagnetic wave is radiated into the ground by Hilbert transform, finds an imaginary part of the received signal, and logarithmically converts an absolute value of the received signal. A synthetic aperture process for processing the log-converted received signal is performed (for example, see Patent Document 3).
[0006]
The fourth related art sequentially selects two of three antennas arranged such that an angle between two adjacent antennas is 120 degrees every time the vehicle travels a predetermined distance, and selects two of the three antennas. By radiating an exploration wave from one side and detecting a reflected wave on the other side, the polarization planes of the exploration wave and the reflected wave are changed every moment to detect a buried object (for example, see Patent Document 4).
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-6-138250
[Patent Document 2]
JP-A-5-72332
[Patent Document 3]
JP 2000-193742 A
[Patent Document 4]
JP-A-4-60481
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The reflected wave includes not only the reflected wave from the buried object, but also the reflected wave from the ground surface and the reflected waves from rocks and water existing in the ground. There is a problem that the reflected wave becomes noise called clutter and the reflected wave from the buried object cannot be detected accurately.
[0009]
In the first to fourth prior arts described above, the buried object in the ground is detected by synthetic aperture processing after removing the influence of the error of the propagation speed of the exploration wave in the ground and the clutter described above. . In these prior arts, since complicated arithmetic processing such as Hilbert transform is performed on the reflected wave in a plurality of steps, it is not only difficult to quickly detect the buried object, but also complicated. There is a need for a high-performance computing device that can withstand a complicated analysis process.
[0010]
Therefore, an object of the present invention is to provide an underground exploration apparatus capable of reducing the influence of noise on a reflected wave by a relatively simple operation.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present invention according to
Detecting means for detecting a reflected wave of the exploration wave from underground;
Calculating means for selecting the larger one of the absolute value of the intensity of the reflected wave detected by the detecting means and the absolute value of the amount of change in the intensity of the reflected wave,
An underground exploration apparatus comprising: synthetic aperture calculation means for performing synthetic aperture processing based on the absolute value selected by the calculation means.
[0012]
According to the present invention, the reflected wave from the ground of the exploration wave radiated into the ground by the radiating means is detected by the detecting means. The calculating means selects the larger one of the absolute value of the intensity of the reflected wave detected by the detecting means and the absolute value of the amount of change in the intensity of the reflected wave. The synthetic aperture calculation means performs the synthetic aperture processing based on the absolute value selected by the calculation means.
[0013]
When the intensity of the reflected wave is detected as 0, 1, 0, -1, 0, 1, 0, -1 by the detecting means, the intensity of the noise contained in such a reflected wave is determined as the intensity of the reflected wave. When the amplitude is 0.5, which is half of the amplitude (= 1), only four places where the intensity is 1 and −1 can be distinguished from the reflected wave that does not contain noise, and Indistinguishable. However, at the point where the intensity of the reflected wave becomes 0, the amount of change in the intensity of the reflected wave is 1 or −1. Can be distinguished. By considering not only the absolute value of the intensity of the reflected wave but also the absolute value of the amount of change in the intensity of the reflected wave, 4 + 4 = 8 points where noise can be distinguished from the reflected wave that does not include noise, ie, reflection In these places, double the absolute value of the reflected wave intensity and the absolute value of the reflected wave intensity change amount, whichever is larger, in comparison with the case where only the wave intensity is considered. select. The selected absolute value is less affected by noise than the intensity of the detected reflected wave. Therefore, the influence of noise included in the reflected wave can be reduced at many points of the detected reflected wave.
[0014]
As described above, since the synthetic aperture processing is performed while reducing the influence of noise on the reflected wave, the burying position of the buried object buried in the ground, for example, can be accurately detected. In addition, since the process for reducing the influence of noise on the reflected wave is performed by a simple calculation, the embedded position of the embedded object can be detected at high speed.
[0015]
According to a second aspect of the present invention, the detecting means detects the reflected wave at every detection time interval that is one quarter of the cycle of the search wave.
[0016]
According to the present invention, the detecting means detects the reflected wave at each detection time interval that is a quarter of the cycle of the search wave. When a reflected wave is detected at a detection time interval irrelevant to the period of the exploration wave, the maximum value of the intensity of the reflected wave is not equal to the maximum value of the change in the intensity. Must be multiplied by a predetermined matching coefficient to the amount of change in the intensity of the reflected wave. By detecting the reflected wave at each detection time interval that is a quarter of the period of the exploration wave, the maximum value of the intensity of the reflected wave and the maximum value of the amount of change in the intensity become equal. Is unnecessary. Therefore, the absolute value of the intensity of the reflected wave can be compared with the absolute value of the amount of change in the intensity of the reflected wave without multiplying the amount of change in the intensity of the reflected wave by the matching coefficient. Can be improved.
[0017]
The present invention according to claim 3 is a radiation means for radiating an exploration wave into the ground,
This is a number obtained by subtracting 2 from a power of 2, and two or more detecting means, each of which is arranged in a predetermined arrangement direction and detects a reflected wave of the exploration wave from underground. Detecting means;
The intensity of the reflected wave detected by each detection means and the intensity of the reflected wave detected by each virtual detection means are zero, assuming virtual detection means on both sides in the arrangement direction of the detection means group arranged in the arrangement direction. And a synthetic aperture calculating means for performing synthetic aperture processing based on the assumed virtual detection value.
[0018]
According to the present invention, the number of detecting means is the number obtained by subtracting 2 from the power of 2, and two or more detecting means are provided, and each detecting means is arranged side by side in a predetermined arrangement direction. The reflected wave from the ground of the exploration wave radiated into the ground by the radiating means is detected by each detecting means. The synthetic aperture calculating means virtually detects the intensity of the reflected wave detected by each detection means and virtual detection means on both sides in the arrangement direction of the detection means group arranged in the arrangement direction, and detects the reflected waves detected by each virtual detection means. The synthetic aperture processing is performed based on a virtual detection value that is assumed to have zero intensity. In this way, four or more power-of-two powers of the intensities of the reflected waves detected by the number of detection means obtained by subtracting 2 from the power of two and the virtual detection values assumed to be detected by the two virtual detection means. The synthetic aperture processing is performed based on this data.
[0019]
In general synthetic aperture processing, a fast Fourier transform (abbreviation: FFT) is performed on the intensity of the detected reflected wave. When the number of data is a power of 2, the FFT has the highest calculation speed, and the order of the number of calculations at this time is N · log (N). Therefore, the synthetic aperture processing by the synthetic aperture calculation means can be performed at high speed.
[0020]
In the conventional synthetic aperture processing, before performing the FFT on the intensity of the detected reflected wave, the intensity of the detected reflected wave is multiplied by a window function such as a Hanning window to perform the FFT. The side lobe (side-lobe) of the obtained spectrum is reduced. However, when it is desired to improve the detection accuracy by reducing the number of detection means, in the above-described conventional method, the width of the main lobe (main-lobe) of the spectrum obtained when the FFT is performed becomes large, and the resolution is increased. Will decrease. In the present invention, virtual detection means are imagined on both sides in the arrangement direction of the detection means group arranged in the arrangement direction, and virtual detection values are set on the assumption that the intensity of the reflected wave detected by each virtual detection means is zero. This makes it possible to create a kind of window function that improves the resolution by reducing the width of the main lobe of the spectrum when FFT is performed on the intensity of the detected reflected wave and the virtual detection value. it can. Therefore, even if the number of detecting means is small, it is possible to prevent the resolution from decreasing as much as possible.
[0021]
In addition, virtual detection means are imagined on both sides in the arrangement direction of the detection means group arranged in the arrangement direction, and power-of-two data is obtained. Accordingly, it is not necessary to use power-of-two detection means in order to improve the calculation speed of FFT, and it is sufficient if the number is a value obtained by subtracting 2 from power-of-two and two or more detection means are provided. The number of detection means can also be reduced.
[0022]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an arithmetic unit for selecting a larger one of an absolute value of an intensity of a reflected wave detected by each detecting unit and an absolute value of a change amount of the intensity of the reflected wave. Further comprising
In the synthetic aperture processing, the synthetic aperture calculation means performs the synthetic aperture processing using the absolute value selected by the calculation means as the intensity of the reflected wave detected by the detection means.
[0023]
According to the present invention, the calculation means selects the larger one of the absolute value of the intensity of the reflected wave detected by each detecting means and the absolute value of the amount of change in the intensity of the reflected wave. The synthetic aperture calculation means performs the synthetic aperture processing in the synthetic aperture processing, using the absolute value selected by the calculation means as the intensity of the reflected wave detected by the detection means.
[0024]
When the intensity of the reflected wave is detected as 0, 1, 0, -1, 0, 1, 0, -1 by the detecting means, the intensity of the noise contained in such a reflected wave is determined as the intensity of the reflected wave. When the amplitude is 0.5, which is half of the amplitude (= 1), only four places where the intensity is 1 and −1 can be distinguished from the reflected wave that does not contain noise, and Indistinguishable. However, at the point where the intensity of the reflected wave becomes 0, the amount of change in the intensity of the reflected wave is 1 or −1. Can be distinguished. By considering not only the absolute value of the intensity of the reflected wave but also the absolute value of the amount of change in the intensity of the reflected wave, 4 + 4 = 8 points where noise can be distinguished from the reflected wave that does not include noise, ie, reflection In these places, double the absolute value of the reflected wave intensity and the absolute value of the reflected wave intensity change amount, whichever is larger, in comparison with the case where only the wave intensity is considered. select. The selected absolute value is less affected by noise than the intensity of the detected reflected wave. Therefore, the influence of noise included in the reflected wave can be reduced at many points of the detected reflected wave.
[0025]
As described above, since the synthetic aperture processing is performed while reducing the influence of noise on the reflected wave, the burying position of the buried object buried in the ground, for example, can be accurately detected. In addition, since the process for reducing the influence of noise on the reflected wave is performed by a simple calculation, the embedded position of the embedded object can be detected at high speed.
[0026]
According to a fifth aspect of the present invention, in the synthetic aperture processing, in the synthetic aperture processing, the intensity of the reflected wave detected by the detecting means is subjected to fast Fourier transform to generate complex data, and the complex data has a value of zero. An extended complex number data is generated by adding the extended data, and a calculation is performed based on the extended complex number data, thereby performing a synthetic aperture operation at an extended high spatial frequency.
[0027]
According to the present invention, in the synthetic aperture processing, in the synthetic aperture processing, the intensity of the reflected wave detected by the detection means is subjected to fast Fourier transform to generate complex data, and extended data having a value of zero is added to the complex data. In addition, by generating extended complex data and performing an operation based on the extended complex data, a synthetic aperture operation is performed at an extended high spatial frequency. By adding extended data having a value of zero to the complex data generated by fast Fourier transform of the intensity of the reflected wave detected by the detecting means to generate extended complex data, the number of detecting means is increased. It is equivalent and the resolution can be increased.
[0028]
In order to increase the resolution without increasing the actual number of detecting means, the number of reflected wave intensities detected by the detecting means is increased, and an estimated value by, for example, linear interpolation is substituted for the increased number. Then, a method of fast Fourier transform can be considered. However, in such a method, it is possible to correctly estimate only the intensity of the reflected wave at the position directly below the actual detection means and the position immediately below the two adjacent detection means. In addition, when performing linear interpolation, it is necessary to perform an operation for solving at least the increased number of simultaneous equations. In the present invention, since only the extended data having a value of zero is added to the complex number data after the fast Fourier transform, no operation for interpolating the data is required for increasing the resolution. Can be prevented from lowering the calculation speed.
[0029]
According to a sixth aspect of the present invention, the intensity of the reflected wave detected by the detecting means at a certain position at a certain time, the intensity at a time near the time, and the reflected wave detected by the detecting means at a position near the detecting means. When the total value obtained by summing the intensities is equal to or less than a predetermined threshold value, a correction unit that replaces the intensity of the reflected wave detected by the detection unit with zero and corrects the intensity of the reflected wave detected by each detection unit. In addition,
The synthetic aperture calculation means performs the synthetic aperture processing in the synthetic aperture processing using the intensity of the reflected wave corrected by the correction means as the intensity of the reflected wave detected by the detection means.
[0030]
According to the present invention, the correction unit is configured such that the intensity of the reflected wave detected at a certain position by the detection unit at a certain time, the intensity at a time near the time, and the reflected wave detected by the detection unit at a position near the detection unit When the total sum of the intensities is equal to or less than a predetermined threshold, the intensity of the reflected wave detected by the detecting means is replaced with zero, and the intensity of the reflected wave detected by each detecting means is corrected. The synthetic aperture calculation means performs the synthetic aperture processing using the intensity of the reflected wave corrected by the correction means in the synthetic aperture processing as the intensity of the reflected wave detected by the detection means. The reflected wave includes a noise wave generated by a noise source. The noise sources are, for example, rocks and water bubbles that exist in the ground and diffusely reflect an exploration wave, and generate noise waves unrelated to the exploration. Since these noise sources exist in the ground in a random distribution, the intensity of the reflected wave detected by the detection means at a certain position at a certain time, the intensity at a time near the time, and the detection By summing up the intensity of the reflected wave detected by the detecting means near the means, the intensity of the noise wave cancels out. Thus, the absolute value of the sum of the intensities of the noise waves included in the reflected wave is sufficiently smaller than the absolute value of the sum of the intensities of the reflected waves, so when the sum is equal to or less than a predetermined threshold, By replacing the intensity of the reflected wave detected by the detecting means with zero, the influence of the noise wave on the reflected wave can be reduced.
[0031]
As described above, since the synthetic aperture processing is performed while reducing the influence of noise on the reflected wave, the burying position of the buried object buried in the ground, for example, can be accurately detected. Further, since the processing for reducing the influence of noise on the reflected wave is performed by a simple summation operation, the embedded position of the embedded object can be detected at high speed.
[0032]
According to a seventh aspect of the present invention, there is further provided a display means for displaying an image based on the data generated by the synthetic aperture processing of the synthetic aperture calculation means.
[0033]
According to the present invention, the display means displays an image based on the data generated by the synthetic aperture processing of the synthetic aperture calculation means. Thus, the user can visually confirm, for example, the buried position of the buried object in the ground with an image based on the data generated by the synthetic aperture processing of the synthetic aperture calculation means.
[0034]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an
[0035]
The radiating
[0036]
The
[0037]
The
[0038]
The
[0039]
The
[0040]
The
[0041]
In the
[0042]
The
[0043]
In addition, a pulse wave as a radiation search wave is radiated from the
[0044]
FIG. 3 shows the sensor position (Xi, Yj, Zk), Buried object position (x, y, z) and apparent depth zpFIG. 4 is a diagram for explaining the relationship of FIG. The buried object position (x, y, z) at which the
[0045]
(Equation 1)
In the above formulas (1) and (2), L is the distance between the
[0047]
(Equation 2)
Apparent depth zpIs represented by the following equation (4).
(Equation 3)
In the above equation (4), t is the time from when the pulse wave is radiated from the
[0050]
(Equation 4)
In equations (4) and (5), C0Is the speed of light in the air, εrIs the dielectric constant of the soil. Therefore, the velocity c of the electromagnetic wave such as the exploration wave in the underground 11 is C0And εrAnd is expressed by the following equation (6).
[0052]
(Equation 5)
The sensor position (Xi, Yj, Zi) Is represented by the following equation (7).
[0054]
(Equation 6)
In equation (7), PtIs a radiated power and is represented by the following equation (8). A is the radar cross section. θ is the angle formed by the direction vector from the sensor position toward the embedded
[0056]
(Equation 7)
In the above equation (8), η represents the radiation efficiency of the
[0058]
In the above equation (11), ω is the angular frequency of the radiation search wave, and f0Is multiplied by 2π. ε1Is the dielectric constant of the soil, the vacuum dielectric constant ε0Dielectric constant ε of soil and soilrIs the product of μ0Is the vacuum permeability, which is equal to the soil permeability. δ is a phase angle that appears due to the attenuation of the electromagnetic wave. σ1Is the conductivity of the soil. The phase angle δ due to the attenuation of electromagnetic waves and the conductivity σ of soil1And the angular frequency ω of the radiation probe wave and the dielectric constant ε of the soil1And the following equation (12).
tanδ = σ1/ (Ω ・ ε1…… (12)
[0059]
FIG. 4 is a block diagram schematically showing the configuration of the
[0060]
When the
[0061]
FIG. 5 is a graph showing a detected reflected wave and a reflected wave from which noise has been removed. In FIG. 5, a reflected wave detected and sampled is represented by a curve indicated by a black circle, and a reflected wave from which noise has been removed as described above is represented by a curve represented by a white circle. The reflected waves detected and sampled include coupling due to being directly received by the receiving
[0062]
The
[0063]
(Equation 8)
In Expression (13), e is the base of the natural logarithm, and i at the upper right of e represents an imaginary unit, which is different from the subscript i attached to the lower right of P and X. Hereinafter, i at the upper right of e represents an imaginary unit.
[0065]
The
[0066]
(Equation 9)
Hereinafter, in this specification, PrTo which FFT is applied, in other words, the left side of the above equation (14) may be expressed as “P ＾”.
[0068]
The calculating
[0069]
(Equation 10)
In the equation (15), δ (xx−xm, Yym, Z-zm) Is a Dirac delta function, and the position (x, y, z) of the buried object is (xm, Ym, Zm), It takes a value of 1 only, and otherwise takes a value of zero.
[0071]
The
[0072]
(Equation 11)
Hereinafter, in this specification, hrTo which FFT has been applied, in other words, the left side of the equation (16) may be expressed as “h ＾”.
[0074]
Subsequently, the
[0075]
(Equation 12)
In this specification, the left side of the equation (17) may be expressed as “S ＾”.
[0077]
The Wiener filter has both the properties of an inverse filter and a matched filter, and has a Wiener coefficient λwThus, the degree to which one of the inverse filter and the matched filter appears can be changed. When the noise included in the detected reflected wave is small, the Wiener coefficient λwBy approaching to 1, it is possible to approach the property of an inverse filter that is as sharp as a photograph taken in the ground. If the detected reflected wave contains much noise, the Wiener coefficient λwBy approaching to 0, it is possible to approximate the property of a matched filter that makes a blurred photograph. Generally, the Wiener coefficient λwAlthough it is often set to about 0.01, in the present embodiment, the noise contained in the detected reflected wave can be reduced by the difference between the absolute values as described above, so that the Wiener coefficient λwMay be set to about 0.2.
[0078]
Subsequently, the
[0079]
(Equation 13)
Subsequently, as shown in the following equation (19), the
[0081]
[Equation 14]
In the above equation (19), the operator “(())” represents a value modulo the negatively biased maximum value. In other words, the operator “(())” indicates that each sensor position (Xi, Yj, Zk) Maximum value (Xmax, Ymax, Zmax) Is added to represent the remainder after dividing by the maximum value.
[0083]
Further, the
[0084]
The processing for reducing the influence of noise on the reflected wave in the present embodiment is only the subtraction, the absolute value (clearing the leftmost bit on the data) and the comparison in the
[0085]
When the Hilbert transform is performed as in the related art, first, N data is subjected to FFT. Therefore, N · log (N) multiplications and the negative component of the imaginary part of the data obtained by FFT are set to 0, and Since the positive component of the imaginary part is doubled, N more calculations are required, and the inverse FFT is further performed, so that a total of {2N · log (N) + N} calculations are required. Also, in order for the Hilbert transform to be significant, a minimum of eight data are required. To process these data, 40 clocks (= 2 × 8 × 2.1 + 8) are required, and the multiplication CPU rate is further reduced. Since the city (= 2) is multiplied, the maximum is 80 clocks (= 40 × 2). On the other hand, in the present embodiment, 24 clocks (= 3 × 8) are required, and processing can be performed at least 3.3 times faster than in the case of Hilbert transform.
[0086]
Generally, the number N of data to be handled is about 256, so in the related art using the Hilbert transform, it is 3095 clocks (= 2 × 256 × 5.54 + 256), while in the present embodiment, 768 clocks are used. (= 3 × 256). Therefore, the
[0087]
FIG. 6 is a graph showing a detected reflected wave, a reflected wave from which noise has been removed by the difference absolute value processing, and a reflected wave from which noise has been removed by the Hilbert transform. In a complicated calculation such as the Hilbert transform, as shown in the right end of the curve L1 in FIG. 6, noise due to the calculation occurs in the calculation process. In the difference absolute value processing according to the present embodiment, since the calculation is simple, noise as seen in the Hilbert transform does not occur as shown by the curve L2 in FIG.
[0088]
The following equation (20) is an equation representing a sine wave for explaining sampling by the
[0089]
[Equation 15]
The sampling by the
[0091]
When the reflected wave is detected at a detection time interval irrelevant to the period of the exploration wave, the maximum value f of the reflected wave intensitymaxAnd the maximum value Δf of the intensity changemaxIs not equal, the intensity of the reflected wave fmaxAnd the intensity change ΔfmaxAnd the amount of change Δf in the intensity of the reflected wave.maxMust be multiplied by a predetermined matching coefficient. By detecting the reflected wave at each detection time interval that is a quarter of the period of the exploration wave, the maximum value f of the intensity of the reflected wave is detected.maxAnd the maximum value Δf of the intensity changemaxAre both equal to B, so that the multiplication process of the matching coefficient is not required. Therefore, the change amount Δf of the intensity of the reflected wavemaxCan be compared with the absolute value of the intensity of the reflected wave and the absolute value of the amount of change in the intensity of the reflected wave without multiplying by the matching coefficient, so that the processing speed in the
[0092]
FIG. 7 is a diagram illustrating a waveform of a reflected wave at each scanning position X after noise removal. When noise is removed from the reflected wave at each scanning position X by the above-described absolute difference processing, the reflected wave from the embedded
[0093]
FIG. 8 is a diagram comparing a two-dimensional synthetic aperture result when noise is removed by the Hilbert transform with a two-dimensional synthetic aperture result when noise is removed by the absolute difference processing. In this case, four embedded objects having the same shape are buried side by side so as to become deeper in the depth direction Z as they proceed in the azimuth direction X. In the two-dimensional synthetic aperture result when noise is removed by the Hilbert transform, the position, number, and shape of the buried object are far from the actual position, number, and shape. On the other hand, in the two-dimensional synthetic aperture result when noise is removed by the difference absolute value processing, the position, number and shape of the buried object are very accurate.
[0094]
FIG. 9 is a perspective view showing a
[0095]
The radiating
[0096]
The relationship between each of the radiating
[0097]
FIG. 12 is a block diagram schematically showing the configuration of the
[0098]
The
[0099]
In the synthetic aperture processing, the
[0100]
FIG. 14 shows an FFT result when a detected window is multiplied by a Hanning window when the intensity of a reflected wave is a delta function response, and an FFT result when a virtual detection value having a value of zero is added to the delta function response. FIG. In the conventional synthetic aperture processing, before performing the FFT on the intensity of the detected reflected wave, the detected intensity of the reflected wave is multiplied by a window function (Window Function) such as a Hanning Window. Thus, as shown by a curve L4 indicated by a dotted line in FIG. 14, the side lobe (side-lobe) of the spectrum obtained when the FFT is performed is reduced.
[0101]
However, when it is desired to improve the detection accuracy by reducing the number of receiving antennas, in the above-described conventional method, as shown by a curve L4 represented by a dotted line in FIG. The width of the main lobe (main-lobe) is increased, and the resolution is reduced. In the present embodiment,
[0102]
In addition,
[0103]
In the
[0104]
FIG. 15 is a diagram showing a three-dimensional synthetic aperture result by the
[0105]
FIG. 16 is a perspective view showing a
[0106]
The radiating
[0107]
The
[0108]
FIG. 18 is a block diagram schematically showing the configuration of the
[0109]
Subsequently, the
[0110]
Subsequently, the
[0111]
Subsequently, the
[0112]
(Equation 16)
In the above equations (21) and (22), n1 is the number of data samples in the azimuth direction X, and n2 is the number of data samples in the horizontal direction Y. In the present embodiment, n1 and n2 are both 8. k1 is a sample position of the data in the azimuth direction X, k2 is a sample position of the data in the horizontal direction Y, k1 is an integer value of zero or more and n1 or less, and k2 is an integer of zero or more and n2 or less. Take the value of.
[0114]
In the wave number space interpolation, the
[0115]
[Equation 17]
As shown in the above equations (23) and (24), in the extended complex data, when 0 ≦ k1 ≦ n1 and 0 ≦ k2 ≦ n2, the real part Rk1, k2And the imaginary part Ik1, k2Are complex number data both having the same value as in Expressions (22) and (23). Also, in the extended complex data, if k1> n1 or k2> n2, the real part Rk1, k2And the imaginary part Ik1, k2Are extended data that both take a value of zero. Wave number space interpolation is performed in this manner.
[0117]
In addition, the
[0118]
Subsequently, the
[0119]
Subsequently, the
[0120]
In order to increase the resolution without increasing the actual number of receiving
[0121]
As described above, in the synthetic aperture processing, the intensity of the reflected wave detected by the
[0122]
FIG. 21 is a diagram for explaining the wave number space interpolation processing. In FIG. 21, a line L6 represents the intensity of the reflected wave received and detected by two adjacent receiving
[0123]
In order to supplement the resolution so that a buried object having a diameter of about 10 cm can be detected, it is necessary to increase the resolution five times (= 50/10) or more. For this purpose, considering only the azimuth direction X, the necessary condition is that the number of samplings in the azimuth direction X be 5 times or more, which is a power of 2 times, and in the above example, 8 times (= 2 to the third power). Become. In principle, the higher the resolution, the higher the spatial frequency. Therefore, the equation (23) indicates that the spatial frequency is increased so that the number of actually sampled data, n1, becomes a · n1, which is a power of 2, and the complex number of k1 not less than 1 and not more than n1 is obtained. For the data, the complex number data actually sampled is used as it is, and zero is embedded for complex number data exceeding n1, that is, k1 of (n1 + 1) or more. As a result, the spatial frequency, in other words, the detection accuracy, can be multiplied by a power of two.
[0124]
In the present invention, as the spatial wave number interpolation processing for the complex number data after the fast Fourier transform, only the extension data having a value of zero is added, so that an operation for interpolating the data for increasing the resolution is completely unnecessary. Therefore, it is possible to prevent the calculation speed in the synthetic aperture processing from decreasing. Furthermore, since the interpolation in the wave number space also interpolates with respect to the position in the horizontal direction Y, the interpolation need not be performed immediately below the center of the receiving antenna and immediately below the middle between the two receiving antennas as in the real space.
[0125]
In the
[0126]
For example, in the reflected wave as shown in FIG. 5, the detection time corresponds to the position in the depth direction Z. Therefore, a certain point in the detected reflected wave is a position in the depth direction Z corresponding to the point. The time point near the certain time point corresponds to a position near the position in the depth direction Z corresponding to the certain time point. The certain time point and the near time point have a time lag corresponding to, for example, the interval between the adjacent receiving antennas, in this embodiment, a distance of 25 cm, and the direction of the deviation may be earlier than the certain time point. Good, future, or both past and future. Further, the nearby time point may be one time point or a plurality of time points. In addition, a certain time point and a nearby time point may have a time interval difference corresponding to a sampling interval by the
[0127]
When the sum thus obtained is equal to or smaller than a predetermined threshold value, the intensity of the reflected wave received and detected by the certain receiving antenna is replaced with zero. When the total value exceeds a predetermined threshold value, the intensity of the reflected wave received and detected by the certain receiving antenna is directly used for the synthetic aperture processing.
[0128]
FIG. 22A is a diagram illustrating a reflected wave from which a noise wave has been removed by the correction processing, and FIG. 22B is a diagram illustrating a reflected wave from which the noise wave has not been removed. The reflected wave includes a noise wave generated by a noise source, as shown in FIG. The noise sources are, for example, rocks and water bubbles that exist in the ground and diffusely reflect an exploration wave, and generate noise waves unrelated to the exploration. Since these noise sources exist in the ground in a random distribution, the intensity of the reflected wave detected by the detection means at a certain position at a certain time, the intensity at a time near the time, and the detection By summing up the intensity of the reflected wave detected by the detecting means near the means, the intensity of the noise wave cancels out. Thus, the absolute value of the sum of the intensities of the noise waves included in the reflected wave is sufficiently smaller than the absolute value of the sum of the intensities of the reflected waves, so when the sum is equal to or less than a predetermined threshold, By replacing the intensity of the reflected wave received and detected by a certain receiving
[0129]
FIG. 23A shows an image obtained by the synthetic aperture processing when the noise wave is removed by the correction processing, and FIG. 23B shows the image obtained by the synthetic aperture processing when the noise wave is not removed. It is a figure showing an image. An image obtained by the synthetic aperture processing when the noise wave is removed by the correction processing clearly shows the buried object as shown in a
[0130]
As described above, according to the
[0131]
In the
[0132]
【The invention's effect】
According to the present invention, when the intensity of the reflected wave is detected as, for example, 0, 1, 0, -1, 0, 1, 0, -1 by the detecting means, such a reflected wave is detected. Is 0.5, which is half of the intensity amplitude (= 1) of the reflected wave, where the reflected wave that does not contain the noise can be distinguished from the noise, the intensity is 1 and -1. There are only four locations and cannot be distinguished at locations that are zero. However, at the point where the intensity of the reflected wave becomes 0, the amount of change in the intensity of the reflected wave is 1 or −1. Can be distinguished. By considering not only the absolute value of the intensity of the reflected wave but also the absolute value of the amount of change in the intensity of the reflected wave, 4 + 4 = 8 points where noise can be distinguished from the reflected wave that does not include noise, ie, reflection In these places, double the absolute value of the reflected wave intensity and the absolute value of the reflected wave intensity change amount, whichever is larger, in comparison with the case where only the wave intensity is considered. select. The selected absolute value is less affected by noise than the intensity of the detected reflected wave. Therefore, the influence of noise included in the reflected wave can be reduced at many points of the detected reflected wave. As described above, since the synthetic aperture processing is performed while reducing the influence of noise on the reflected wave, the burying position of the buried object buried in the ground, for example, can be accurately detected. In addition, since the process for reducing the influence of noise on the reflected wave is performed by a simple calculation, the embedded position of the embedded object can be detected at high speed.
[0133]
According to the second aspect of the present invention, the detecting means detects the reflected wave at each detection time interval that is one quarter of the cycle of the search wave. When a reflected wave is detected at a detection time interval irrelevant to the period of the exploration wave, the maximum value of the intensity of the reflected wave is not equal to the maximum value of the change in the intensity. Must be multiplied by a predetermined matching coefficient to the amount of change in the intensity of the reflected wave. By detecting the reflected wave at each detection time interval that is a quarter of the period of the exploration wave, the maximum value of the intensity of the reflected wave and the maximum value of the amount of change in the intensity become equal. Is unnecessary. Therefore, the absolute value of the intensity of the reflected wave can be compared with the absolute value of the amount of change in the intensity of the reflected wave without multiplying the amount of change in the intensity of the reflected wave by the matching coefficient. Can be improved.
[0134]
According to the third aspect of the present invention, the intensities of the reflected waves detected by the number of detection units obtained by subtracting 2 from the power of 2 and the virtual detection values assumed to be detected by the two virtual detection units are used. Synthetic aperture processing is performed based on four or more powers of two data. In general synthetic aperture processing, a fast Fourier transform (abbreviation: FFT) is performed on the intensity of the detected reflected wave. When the number of data is a power of 2, the FFT has the highest calculation speed, and the order of the number of calculations at this time is N · log (N). Therefore, the synthetic aperture processing by the synthetic aperture calculation means can be performed at high speed. In the conventional synthetic aperture processing, before performing the FFT on the intensity of the detected reflected wave, the intensity of the detected reflected wave is multiplied by a window function such as a Hanning window to perform the FFT. The side lobe (side-lobe) of the obtained spectrum is reduced. However, when it is desired to improve the detection accuracy by reducing the number of detection means, in the above-described conventional method, the width of the main lobe (main-lobe) of the spectrum obtained when the FFT is performed becomes large, The resolution will be reduced. In the present invention, virtual detection means are imagined on both sides in the arrangement direction of the detection means group arranged in the arrangement direction, and virtual detection values are set on the assumption that the intensity of the reflected wave detected by each virtual detection means is zero. This makes it possible to create a kind of window function that improves the resolution by reducing the width of the main lobe of the spectrum when FFT is performed on the intensity of the detected reflected wave and the virtual detection value. it can. Therefore, even if the number of detecting means is small, it is possible to prevent the resolution from decreasing as much as possible. In addition, virtual detection means are imagined on both sides in the arrangement direction of the detection means group arranged in the arrangement direction, and power-of-two data is obtained. Accordingly, it is not necessary to use power-of-two detection means in order to improve the calculation speed of FFT, and it is sufficient if the number is a value obtained by subtracting 2 from power-of-two and two or more detection means are provided. The number of detection means can also be reduced.
[0135]
According to the present invention, when the intensity of the reflected wave is detected as, for example, 0, 1, 0, -1, 0, 1, 0, -1 by the detecting means, such a reflected wave is detected. Is 0.5, which is half of the intensity amplitude (= 1) of the reflected wave, where the reflected wave that does not contain the noise can be distinguished from the noise, the intensity is 1 and -1. There are only four locations and cannot be distinguished at locations that are zero. However, at the point where the intensity of the reflected wave becomes 0, the amount of change in the intensity of the reflected wave is 1 or −1. Can be distinguished. By considering not only the absolute value of the intensity of the reflected wave but also the absolute value of the amount of change in the intensity of the reflected wave, 4 + 4 = 8 points where noise can be distinguished from the reflected wave that does not include noise, ie, reflection In these places, double the absolute value of the reflected wave intensity and the absolute value of the reflected wave intensity change amount, whichever is larger, in comparison with the case where only the wave intensity is considered. select. The selected absolute value is less affected by noise than the intensity of the detected reflected wave. Therefore, the influence of noise included in the reflected wave can be reduced at many points of the detected reflected wave. As described above, since the synthetic aperture processing is performed while reducing the influence of noise on the reflected wave, the burying position of the buried object buried in the ground, for example, can be accurately detected. In addition, since the process for reducing the influence of noise on the reflected wave is performed by a simple calculation, the embedded position of the embedded object can be detected at high speed.
[0136]
According to the fifth aspect of the present invention, in the synthetic aperture processing, in the synthetic aperture processing, the intensity of the reflected wave detected by the detection means is subjected to fast Fourier transform to generate complex data, and the complex data has a value. By adding extended data of zero to generate extended complex data and performing an operation based on the extended complex data, a synthetic aperture operation is performed at an extended high spatial frequency. By adding extended data having a value of zero to the complex data generated by fast Fourier transform of the intensity of the reflected wave detected by the detecting means to generate extended complex data, the number of detecting means is increased. It is equivalent and the resolution can be increased. In order to increase the resolution without increasing the actual number of detecting means, the number of reflected wave intensities detected by the detecting means is increased, and an estimated value by, for example, linear interpolation is substituted for the increased number. Then, a method of fast Fourier transform can be considered. However, in such a method, it is possible to correctly estimate only the intensity of the reflected wave at the position directly below the actual detection means and the position immediately below the two adjacent detection means. In addition, when performing linear interpolation, it is necessary to perform an operation for solving at least the increased number of simultaneous equations. In the present invention, since only the extended data having a value of zero is added to the complex number data after the fast Fourier transform, no operation for interpolating the data is required for increasing the resolution. Can be prevented from lowering the calculation speed.
[0137]
According to the present invention as set forth in claim 6, the correcting means detects the intensity of the reflected wave detected by the detecting means at a certain position at a certain time, the intensity at a time near the time, and the detecting means at a position near the detecting means. When the total value obtained by summing the intensity of the reflected wave detected by the detecting means is equal to or less than a predetermined threshold, the intensity of the reflected wave detected by the detecting means is replaced with zero, and the intensity of the reflected wave detected by each detecting means is changed. Is corrected. The synthetic aperture calculation means performs the synthetic aperture processing using the intensity of the reflected wave corrected by the correction means in the synthetic aperture processing as the intensity of the reflected wave detected by the detection means. The reflected wave includes a noise wave generated by a noise source. The noise sources are, for example, rocks and water bubbles that exist in the ground and diffusely reflect an exploration wave, and generate noise waves unrelated to the exploration. Since these noise sources exist in the ground in a random distribution, the intensity of the reflected wave detected by the detection means at a certain position at a certain time, the intensity at a time near the time, and the detection By summing up the intensity of the reflected wave detected by the detecting means near the means, the intensity of the noise wave cancels out. Thus, the absolute value of the sum of the intensities of the noise waves included in the reflected wave is sufficiently smaller than the absolute value of the sum of the intensities of the reflected waves, so when the sum is equal to or less than a predetermined threshold, By replacing the intensity of the reflected wave detected by the detecting means with zero, the influence of the noise wave on the reflected wave can be reduced. As described above, since the synthetic aperture processing is performed while reducing the influence of noise on the reflected wave, the burying position of the buried object buried in the ground, for example, can be accurately detected. Further, since the processing for reducing the influence of noise on the reflected wave is performed by a simple summation operation, the embedded position of the embedded object can be detected at high speed.
[0138]
According to the present invention, the display means displays an image based on data generated by the synthetic aperture processing of the synthetic aperture calculation means. Thus, the user can visually confirm, for example, the buried position of the buried object in the ground with an image based on the data generated by the synthetic aperture processing of the synthetic aperture calculation means.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of an
FIG. 2 is a perspective view showing a
FIG. 3 shows a sensor position (X) recognized by the
FIG. 4 is a block diagram schematically showing a configuration and a processing flow of a
FIG. 5 is a graph showing a detected reflected wave and a reflected wave from which noise has been removed.
FIG. 6 is a graph showing a detected reflected wave, a reflected wave from which noise has been removed by differential absolute value processing, and a reflected wave from which noise has been removed by Hilbert transform.
FIG. 7 is a diagram showing a waveform of a reflected wave at each scanning position X after noise removal.
FIG. 8 is a diagram comparing a two-dimensional synthetic aperture result when noise is removed by Hilbert transform and a two-dimensional synthetic aperture result when noise is removed by absolute difference processing;
FIG. 9 is a perspective view showing a
FIG. 10 is a plan view showing a
FIG. 11 is a side view showing a
FIG. 12 is a block diagram schematically showing a configuration and a processing flow of a
FIG. 13 is a diagram schematically showing a recording state in a
FIG. 14 shows an FFT result obtained by multiplying the detected reflected wave by a Hanning window when the intensity of the reflected wave is used as a delta function response, and an FFT result obtained by adding a virtual detection value having a value of zero to the delta function response. FIG.
FIG. 15 is a diagram showing a three-dimensional synthetic aperture result by the
FIG. 16 is a perspective view showing a
FIG. 17 is a plan view showing a
FIG. 18 is a block diagram schematically showing a configuration and a processing flow of a
FIG. 19 is a diagram schematically showing a recording state in a
FIG. 20 is a diagram schematically showing a specific recording state in the
FIG. 21 is a diagram for explaining wave number space interpolation processing.
FIG. 22A is a diagram illustrating a reflected wave from which a noise wave has been removed by the correction processing, and FIG. 22B is a diagram illustrating a reflected wave from which the noise wave has not been removed.
FIG. 23A is a diagram illustrating an image obtained by the synthetic aperture processing when the noise wave is removed by the correction processing, and FIG. 23B is a diagram illustrating the image obtained by the synthetic aperture processing when the noise wave is not removed. It is a figure showing the obtained image.
[Explanation of symbols]
10, 10A, 10B Underground exploration equipment
20 Radiation section
30 Detector
311 and 312 virtual antennas
40 Computer
42 Display
43 Arithmetic unit
Claims (7)
探査波の地中からの反射波を検出する検出手段と、
検出手段によって検出された反射波の強度の絶対値、および反射波の強度の変化量の絶対値のうち、いずれか大きい方の絶対値を選択する演算手段と、
前記演算手段によって選択された絶対値に基づいて、合成開口処理を行う合成開口演算手段とを備えることを特徴とする地中探査装置。Radiation means for radiating exploration waves into the ground,
Detecting means for detecting a reflected wave of the exploration wave from underground;
Calculating means for selecting the larger one of the absolute value of the intensity of the reflected wave detected by the detecting means and the absolute value of the amount of change in the intensity of the reflected wave,
An underground exploration apparatus comprising: synthetic aperture calculation means for performing synthetic aperture processing based on the absolute value selected by the calculation means.
２のべき乗から２を減算した個数であり、かつ２個以上備えられる検出手段であって、各検出手段は予め定める配置方向に並んで配置され、探査波の地中からの反射波を検出する検出手段と、
各検出手段によって検出された反射波の強度と、前記配置方向に並ぶ検出手段群の配置方向両側に仮想検出手段を仮想して、各仮想検出手段によって検出された反射波の強度が零であると仮定した仮想検出値とに基づいて、合成開口処理を行う合成開口演算手段とを備えることを特徴とする地中探査装置。Radiation means for radiating exploration waves into the ground,
This is a number obtained by subtracting 2 from a power of 2, and two or more detecting means, each of which is arranged in a predetermined arrangement direction and detects a reflected wave of the exploration wave from underground. Detecting means;
The intensity of the reflected wave detected by each detection means and the intensity of the reflected wave detected by each virtual detection means are zero, assuming virtual detection means on both sides in the arrangement direction of the detection means group arranged in the arrangement direction. And a synthetic aperture calculating means for performing synthetic aperture processing based on the assumed virtual detection value.
合成開口演算手段は、合成開口処理において、前記演算手段によって選択された絶対値を、検出手段によって検出された反射波の強度として合成開口処理を行うことを特徴とする請求項３記載の地中探査装置。Further comprising an arithmetic means for selecting the larger one of the absolute value of the intensity of the reflected wave detected by each detecting means, and the absolute value of the amount of change in the intensity of the reflected wave,
4. The underground underwater according to claim 3, wherein the synthetic aperture calculation means performs the synthetic aperture processing in the synthetic aperture processing using the absolute value selected by the calculation means as the intensity of the reflected wave detected by the detection means. Exploration equipment.
合成開口演算手段は、合成開口処理において、前記補正手段によって補正された反射波の強度を、検出手段によって検出された反射波の強度として合成開口処理を行うことを特徴とする請求項３記載の地中探査装置。The intensity at a certain point in time of the reflected wave detected by the detecting means at a certain position, the intensity at a time near the time, and the total sum of the reflected wave intensity detected by the detecting means near the detecting means, When the value is equal to or less than a predetermined threshold, the intensity of the reflected wave detected by the detection unit is replaced with zero, and a correction unit for correcting the intensity of the reflected wave detected by each detection unit is further provided.
4. The synthetic aperture processing means according to claim 3, wherein in the synthetic aperture processing, the synthetic aperture processing is performed by using the intensity of the reflected wave corrected by the correction means as the intensity of the reflected wave detected by the detection means. Underground exploration equipment.
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