JP2004500550A - 地中透過型レーダアレイ及びタイミング回路 - Google Patents

Abstract

本発明を適用した方法及びシステムは、制御装置、複数の送信アンテナ、及び複数の受信アンテナを有するアレイベース地中透過型レーダを使用して、埋設物体を確認する。本方法及びシステムは、送信タイミング入力信号を受信し、遅延時間だけ互いに遅延した多数の中間送信タイミング信号を発生する第１遅延回路を備え、出力スイッチ回路に伝達して、送信タイミング入力信号、又は、中間送信タイミング信号のうちの一つのいずれかを対応する出力送信タイミング信号として選択する。また、本方法及びシステムは、受信タイミング入力信号を受信し、遅延時間だけ互いに遅延した多数の中間受信タイミング信号を生成する第２の遅延回路と、第２の遅延回路と受信タイミング入力信号とに結合し遅延時間を中間受信タイミング信号に加算するシフト遅延回路、及び受信タイミング入力信号、又は、対応する出力受信タイミング信号のいずれかを選択する受信出力スイッチ回路とを備える。

Description

【０００１】
本出願は、ここに全文を参照として組み入れられる、「地中透過型レーダアレイ及びタイミング回路」と称する１９９９年９月８日出願の米国仮特許出願第６０／１５２、６０７号の優先権を主張するものである。
【０００２】
発明の背景
発明の分野
本発明は、地中透過型レーダ（ＧＰＲ）に関し、さらに具体的には、ＧＰＲアンテナアレイ及びタイミング回路に関する。
【０００３】
関連技術の説明
航空管制及び気象関係に使われる上方監視のレーダとは異なり、ＧＰＲのアンテナアレイは、地表に向けられる。例えば、ＧＰＲは、地表図作成、毒性廃棄物改善のための場所の特定、埋設爆発物検出のような地球物理に関する用途に使用される。
【０００４】
ＧＰＲシステムは、周波数レンジが通常１ＭＨｚ乃至１０ＧＨｚの電磁インパルスを送信する少なくとも１台の送信機を備え、また反射波を受信する少なくとも１台の受信機を備える。インパルスの長さは、所望の周波数範囲に合致するように調整される。所望のインパルス持続時間は、１／ｆとしてナノ秒（ｎｓ）で表される。ただし、ｆはギガヘルツ（ＧＨｚ）の中心周波数である。したがって、１ＧＨｚのアンテナには持続時間１ｎｓのインパルスが供給され、５００ＭＨｚのアンテナには、持続時間２ｎｓのインパルスが供給され、１００ＭＨｚのアンテナには持続時間１０ｎｓのインパルスが供給される。理想的には、周波数ｆを中心として非常に広い周波数の帯域を与える。実際には、インパルスは、周波数の１乃至２サイクルの間である。したがって、ＧＰＲシステムは、ときとして、インパルスレーダ又は超広帯域レーダ（ＵＷＢ）とも呼ばれる。
【０００５】
建設、ユーティリティ（電気、ガス、水道等）関係の立地探査、環境保全、不発弾検出に関する土木産業は、安全で信頼性があり、しかも経済的な地中探査方法を長年探し求めてきた。ユーティリティ地質探査市場は、ユーティリティ会社及びその工事請負業者に、毎年、莫大な損害、遅れ、収入減をもたらしている不適切な立地探査技術に非常に悩んでいた。これらの損失は、ＧＰＲを使用することにより著しく減らすことができる。ＧＰＲ以外の３つのユーティリティ立地探査市場は、精度と経済性の観点から、（１）ワンコール（Ｏｎｅ Ｃａｌｌ）（２）民間の探査、（３）地表層ユーティリティエンジニアリング（ＳＵＥ）、に分けられる。
【０００６】
「ワンコール」は、建設時期と建設場所がどのラインに影響を与えるかを、公益ならびに私企業に対して警告を提供する全国規模の情報センターである。法律により、工事請負業者は、その場所をワンコールへ登録しなければならず、そのワンコールは、すべての関連するユーティリティに連絡するので、工事請負業者は彼らのユーティリティラインをマークすることができる。ワンコールの立地探査システムは、地下ユーティリティに付属している導体に流れる電流を感知する電磁誘導技術に基づいている。ユーティリティ会社は、ワンコール業務の発注に応じ、深さの保証はないが、水平両方向２４インチの精度で、導体ラインの位置精度を保証する。ワンコールによって、ユーティリティラインの位置が、すぐ消えるペンキで地表に簡単に描かれる。位置精度がお粗末なので、ユーティリティラインを破壊し、損害を招くこともある。
【０００７】
多くの場合、建設、ユーティリティ、産業関連企業は、「民間の探査」に依存している。民間の探査は、ワンコールが提供する精度より高い精度を提供する。これらの会社は、多くの場合、ユーティリティ探査会社又は物理探査関連会社を雇って、探査技術に費用と時間をかける。民間探査会社は、典型的には、電磁誘導技術、ＧＰＲおよび磁気測定技術を用いる。多くの場合、これは、ユーティリティの正確な位置を決定するため信頼性があり費用も高い方法であるが、掘削作業も含んでいる。
【０００８】
しかし、産業事業及びユーティリティ会社は、ワンコールや民間探査会社が提供するものよりもさらに正確な地表地図を要求している。例えば、オイルパイプラインの近辺を掘削する際は、パイプを破壊すると非常に危険なため、特別な精度が必要であろう。または、重要な通信を担っている州間光ファイバーケーブルを、偶発的に切断すれば、莫大なコストがかかることになろう。このような状況下では、掘削業者は、リスク／コストの回避を考慮しながらトータルのコスト／価値の分析を行う。多くの場合、彼らはより高い精度を確保するために、より高い手数料を払うことにやぶさかではない。
【０００９】
「ＳＵＥ」は、ワンコールや民間探査会社よりも高い精度を提供する。ＳＵＥは、地質物理関連会社やエンジニアリング会社が提供する、急速に成長しつつある専門のサービスである。それは、ハイウエイや他の大規模建造物の建設前に、ユーティリティ配置の企画・設計に着手する。ＳＵＥ技術者は、さまざまな伝統的及び高度の地質物理探査方法を駆使して、任された用地のすべての認識可能なユーティリティ（設備）を丹念に地図に書き入れる。ＳＵＥは、電磁誘導技術、ＧＰＲ、磁気測定技術を用いる。コンピュータ支援設計技術を用いてユーティリティの位置の半永久的な記録を生成するので、一般的に民間の探査サービスよりもコストがかかる。このコストのかかるサービスでさえ、多くの場合、設備の８０％しか確認できず、未知の非導電のユーティリティがある場合には、しばしばこの割合は低下する。その上、ＳＵＥは非常に高価である。
【００１０】
優れたＧＰＲシステムは、掘削の必要性を満たすための誤差分に関して、垂直・水平方向の導体および非導体設備の位置を示し、画像にするためのコスト的に有効な方法を提供することで、ワンコール、民間探査およびＳＵＥの不利な点を克服する。高度なＧＰＲシステムは、また、将来使うことのできる掘削用地の半永久的な画像の記録を提供することもできる。
【００１１】
しかし、このようなＧＰＲシステムを実施するうえで処理しなければならない技術的な困難さがある。上述のように、例えば、ＧＰＲアンテナは、ごく短時間しか持続しないインパルス信号を送信する。ＧＰＲシステムの中心周波数は、１０ＭＨｚを超えるため、十分高いダイナミックレンジで同時に受信波形の全体を高速でサンプリングしディジタル化する「サンプリング回路」が存在しない。このタイミングの問題を解決するために、一般に、同じ波形をもった複数のインパルスを送信する。何回も受信波形をサンプリングする代わりに、複数の受信波形の各々を、波形に沿う点で異なるけれども、一度だけサンプリングする。信号処理装置は、これらのサンプリング点で動作する。しかしながら、各送信装置がインパルス信号を発信し、各受信装置が受信波形をサンプリングする時間を正確にスケジュールすることはきわめて困難である。典型的なＧＰＲシステムは、アンテナアレイに最適な状態で、各送信装置が送信し、各受信装置が受信波形をサンプリングする時間を正確にスケジュールすることはできない。
【００１２】
現在、マルチプルアンテナを制御できるシステムは、１個のディジタル化回路（１個のＡ／Ｄ変換器）と、１個のインパルス発生回路を使っている。このようにして、これらのシステムは、一対のアンテナを選択して、発生した高電圧インパルスを送信装置に送り、受信されサンプリングされたアナログ値を単一のＡ／Ｄ変換器に送る。高電圧インパルスを約１００ＫＨｚ以上の高速で発生させるのは困難なうえ、現行のＡ／Ｄ変換器は速度的に限界があるので、使用される送受信アンテナの数に無関係に、データの収集速度は、事実上、約１００ｋＨｚ乃至１５０ｋＨｚに制限される。
【００１３】
さらに、現行のシステムは、適当なアンテナアレイを形成するために各アンテナ素子をそれぞれ位置決めすることが不可能な複合の送受信アンテナを使用している。送受信アンテナを分離できない場合、アレイは適切な範囲をカバーできないか、種々の良好な極性構成を有することができない。ホーンアンテナは分離可能だが、ＧＰＲ用途には不向きであろう。
【００１４】
さらに、ＧＰＲシステムは、実際上、車、トレーラ、又は、携帯型ハウジングに載せ、システムを移動させながら、地表画像を形成することが必要であろう。これら用途面から、形状では幅と長さ、配置、送受信アンテナの数が規制される。
【００１５】
このように、地表の正確な画像を撮るためには、マルチプル送受信アンテナのタイミングを高精度に取る必要がある。さらに、移動システムに要求される形状設計上の制約に合致する送受信アンテナを備えなければならない。
【００１６】
発明の概要
本発明の開示及び以下の詳細な説明は、請求項記載の発明の範囲を限定するものではない。両者とも、本発明を実施するものに対し実施態様及び説明を提供するためのものである。発明の詳細な説明の一部をなす添付の図面は、本発明の種々の実施形態を示し、また、詳細な説明とともに、本発明の原理を説明するためのものである。
【００１７】
本発明を適用した方法及びシステムは、複数の送信アンテナ及び複数の受信アンテナを備えるインパルスレーダを制御し、そのレーダの制御回路は、送信タイミング入力信号及び受信タイミング入力信号を受信する。このような方法及びシステムは、送信タイミング入力信号を遅延させ、ある遅延時間だけ互いに遅延した多数の中間送信タイミング信号を発生し、対応出力送信タイミング信号として、送信タイミング入力信号、又は、対応する中間送信タイミング信号のうちの一つのいずれかを選択し、受信タイミング入力信号を遅延させ、その遅延時間だけ互いに遅延した多数の中間受信タイミング信号を発生し、遅延時間を中間受信タイミング信号に加算し、対応出力受信タイミング信号として、受信タイミング入力信号、または、対応する中間受信タイミング信号のうちの一つのいずれかを選択する。
【００１８】
本発明を適用したシステムは、アンテナアレイを備える。そのようなアンテナアレイは、複数の送信アンテナ、複数の受信アンテナ、及び、各受信アンテナがいずれか１つの送信アンテナからのエネルギーを受信できるように、送受信アンテナに選択的に作動させる手段を備える。このようなシステムでは、複数の送信アンテナがリニアに配列され、複数の受信アンテナもリニアに、かつ送信アンテナに対し平行に配列される。
【００１９】
本発明を適用したシステムは、各送信アンテナ用の高電圧発電機及び高圧インパルス発生器、並びに、各受信アンテナ用のサンプラー及びＡ／Ｄ変換器を提供する。
【００２０】
詳細な記述
本発明の実施態様を添付の図面で説明する。異なる図において同一の参照番号が同一又は類似の要素に関して使われる。
【００２１】
図１は、本発明を適用したＧＰＲを持つ移動車両の図である。図１に示すように、レーダアレイ１０６は、車両１０４の後部に取り付けられたアーム１０５に取り付けられる。レーダアレイ１０６は、複数の送信アンテナ及び複数の受信アンテナを備えている。車両１０４は、矢印１０２で示す方向に移動する。レーダアレイ１０６は、地表１０８の中にインパルスを送信する。インパルスは地中のパイプ１１２で反射して、レーダアレイ１０６が反射波形を受信する。車両１０４の後部にあるモジュール１１４は、アレイ１０６を制御しアレイ１０６が受信した信号を処理する電子装置を備える。
【００２２】
図２は、本発明を適用したＧＰＲシステムを有するトレーラ２０２が取り付けられた移動車両１０４の図である。図２に示される実施態様において、レーダアレイ１０６（図２では示されていない）は、車両１０４に取り付けられたトレーラ２０２の中にある。トレーラ２０２は、車両１０４と共に矢印１０２の方向に移動する。図３は、本発明を適用したＧＰＲシステムを有する携帯型ハウジング３０４の図である。図３に示す実施態様で、レーダアレイ１０６（図３には示されていない）は、携帯型ハウジング３０４の中にある。利用者３０２は、取っ手３０６を使って携帯型ハウジング３０４を地上１０８で動かす。携帯型ハウジング３０４は、車輪３０８を持っていてもよい。ただし、携帯型ハウジング３０４は、十分に軽くて車輪３０８がなくてもよい。
【００２３】
図４は、アンテナアレイ１０６、トリガボックス４２２、制御ユニット４０４、第１の位置決め装置４０５、第２の位置決め装置４０６、コンピュータ４０２、及びディスプレイ１１６を備えた、本発明を適用したシステム４００のブロック図である。アンテナアレイ１０６は、複数の受信アンテナＲ１乃至Ｒ８及び複数の送信アンテナＴ１乃至Ｔ９を備える。アンテナアレイ１０６は、電子インパルスを地中に送信し、反射電磁波形を受信する。トリガボックス４２２は、んぱる巣を送信するために送信アンテナＴ１乃至Ｔ９をトリガする、すなわち起動させるトリガ信号ＴＴ１乃至ＴＴ９を出力し、また、受信波形をサンプルするために受信アンテナＲ１乃至Ｒ８をトリガするトリガ信号ＴＲ１乃至ＴＲ８を出力する。例えば、信号ＴＲ１は、受信アンテナＲ１が受信波形をサンプリングするときにトリガする。信号ＴＲ８は、受信アンテナＲ８が受信波形をサンプリングするときにトリガする。同様に、信号ＴＴ１は、Ｔ１がインパルスを送信するときにトリガする。信号ＴＴ９は、アンテナＴ９がインパルスを送信するときにトリガする。図示されていないが、同様にＲ２乃至Ｒ８、及びＴ２乃至Ｔ９に対しトリガ信号が存在する。トリガボックス４２２についてはさらに次に詳述する。
【００２４】
制御ユニット４０４は、トリガボックス４２２にタイミング信号を出力し、以下に説明するように、トリガボックス４２２は、トリガ信号ＴＴ１乃至ＴＴ９、及びＴＲ１乃至ＴＲ８を生成するために使用する。コンピュータ４０２は、コマンドを含む信号を制御ユニット間で送受信して受信信号のディジタル処理をし、ディスプレイ１１６上に画像を表示する。
【００２５】
第１の位置決め装置４０５は、自動車の走行距離計と同様に、車両１０４の車輪１１０に取り付けてもよい。第１の位置決め装置４０５により、コンピュータ４０２は、車両１０４が走行した距離、スピード、速度、加速度を決定することができる。第２の位置決め装置は第１の位置決め装置４０５と異なる車輪に取り付けてもよい。例えば、第１の位置決め装置４０５を左後車輪に取り付け、第２の位置決め装置４０６を右後車輪に取り付けてもよい。この場合は、アンテナアレイの現在の移動方向を、スタート時の方向に対し、第１、第２の位置決め装置４０５、４０６間の走行距離差を計算して決定する。
【００２６】
上述のように、アンテナアレイ１０６は、８個の受信アンテナＲ１乃至Ｒ８及び９個の送信アンテナＴ１乃至Ｔ９を備える。図４では、受信アンテナＲ１乃至Ｒ８及び送信アンテナＴ１乃至Ｔ９のみが図示されている。アレイ１０６の構成を、さらに他の構成とともに以下に詳述する。
【００２７】
トリガボックス４２２は、又、受信アンテナＲ１乃至Ｒ８よりライン４２０及び４２１でサンプリングされた波形を入力し、その情報は制御ユニット４０４を介してコンピュータ４０２に渡される。例えば、ライン４２０の波形は受信アンテナＲ１からのサンプリング波形で、トリガボックス４２２に供給される。ライン４２１の波形は受信アンテナＲ８からのサンプリング波形で、トリガボックス４２２に供給される。他の受信アンテナも同様にトリガボックス４２２に供給する信号を有するが、それらは図２には示されていない。ライン４２０及び４２１上のサンプリング波形についてはさらに以下に説明する。
【００２８】
図５は、図２の制御ユニット４０４における構成要素のブロック図である。制御ユニット４０４は、制御ユニットコンピュータ５１０とタイミングボード５１２を備える。制御ユニットコンピュータ５１０は、トリガボックス４２２に供給される送信タイミング入力信号５１４及び受信タイミング入力信号を発生するタイミングボード５１２を制御する。トリガボックス４２２は、トリガ信号ＴＴ１乃至ＴＴ９及びＴＲ１乃至ＴＲ８を生成するためにこれらの信号５１４及び５１６を使用する。制御ユニットコンピュータ５１０は、また、パーソナルコンピュータ４０２とデータを送受信する。制御ユニットコンピュータ５１０は、また、位置決め装置４０５及び４０６からの信号、並びに他のシリアルデータ５０８を受信する。他のシリアルデータ５０８は、トリガボックス４２２で受信され制御ユニット４０４に渡されるサンプリング波形を含むこともある。
【００２９】
図６は、中央処理装置（ＣＰＵ）６０２、タイミングボードインターフェース６０８、ＲＡＭ６０６、ＥＰＲＯＭ６０５、１つ以上のシリアル／パラレルインターフェース６１２、パーソナルコンピュータインターフェース６１４、及び第１及び第２のパルスデコーダ６１０及び６１１とを備える制御ユニットコンピュータのブロック図である。ＲＡＭ６０６及びＥＰＲＯＭ６０５は、アプリケーション及びＣＰＵ６０２中で実行するのに必要なデータ構造を格納する。タイミングボードインターフェース６０８は、制御ユニットコンピュータとタイミングボード５１２間をインターフェースする。パーソナルコンピュータインターフェース６１４は、制御ユニットコンピュータ５１０とパーソナルコンピュータ５０２間をインターフェースする。第１のパルスデコーダ６１０は、第１の位置決め装置４０５からの２つのパルス列出力、すなわち前進及び後退の各１つずつをデコードする。前進パルスカウント数から後退パルスカウント数を減算して、装置の絶対位置を計算する。パルスデコーダ６１１も、第２の位置決め装置４０６に対して同様の機能を果たす。
【００３０】
図７は、送信トリガ発生器７０４、受信トリガ発生器７０６、タイミングベース発生器７０８、及び掃引制御７１０を含むタイミングボード５１２のブロック図である。図８ｂ及び図８ｃは、送信タイミング入力発生器７０４及び受信タイミング入力信号発生器７０６を含むトリガドライブ回路７０２の図である。本発明を適用したシステムは、のこぎり形三角信号Ｓ、送信しきい値信号ＴＬ、及び受信しきい値信号ＲＬを発生する。図８ａは、本発明を適用したのこぎり形三角信号Ｓ、送信しきい値信号ＴＬ、及び受信しきい値信号ＲＬの信号図である。波形Ｓ、ＴＬ、及びＲＬは、当業者に容易に知られるように、演算増幅器及び個別部品を組み合わせて容易に発生させることができる。送信しきい値ＴＬは、図８ａに示すように一定の値である。受信しきい値ＲＬは、コンピュータ５１０によりインターフェース６０８を介して制御される高速Ｄ／Ａ変換器を使って、高いレベルから低いレベルに段階的に降下するものである。掃引制御７１０は、のこぎり信号Ｓの傾斜度を制御し、タイムベース発生器７０８は、のこぎり信号Ｓの周期（タイムベース）を制御する。
【００３１】
送信トリガ発生器７０４は、第１の比較器８０４を備える。第１の比較器８０４は、送信しきい値信号ＴＬと、のこぎり信号Ｓとを比較する。送信しきい値ＴＬがのこぎり信号Ｓより小さいときは、図１０に示すように比較器８０４は高い電圧を送信タイミング入力信号５１４として出力する。送信しきい値ＴＬが三角信号Ｓを超えるときは、図１０に示すように比較器８０４は低い電圧を送信タイミング入力信号５１４として出力する。したがって、送信タイミング入力信号は周期的な矩形波になる。
【００３２】
受信器トリガ発生器７０６は、第２の比較器８０２を備える。第２の比較器８０２は受信しきい値ＲＬとのこぎり信号Ｓとを比較する。受信しきい値信号ＲＬがのこぎり信号Ｓより小さいときは、比較器８０２は図１０に示すように高い電圧を受信タイミング入力信号５１６として出力する。受信しきい値信号ＲＬがのこぎり信号Ｓを超えるときは、比較器８０２は図１０に示すように低い電圧を受信タイミング入力信号５１６として出力する。したがって、受信タイミング入力信号５１６は幅の異なる矩形波である。受信タイミング入力信号は狭い状態から徐々に広くなり、またそれを繰り返す。
【００３３】
出力タイミング入力信号５１４の周期は、のこぎり信号Ｓの傾斜度及び時間周期（タイムベース）に依存している。上述のごとく、のこぎり信号Ｓの傾斜度は制御ユニットコンピュータ５１０と掃引制御７１０によって制御される。のこぎり信号Ｓの周期（タイムベース）は制御ユニットコンピュータ５１０とタイムベース発生器７０８で制御される。
【００３４】
図９は、本発明を適用した、送信アンテナＴ１乃至Ｔ９及び受信アンテナＲ１乃至Ｒ８のトリガをスケジューリングするためのトリガボックス４２２回路を示している。トリガボックス４２２は、送信タイミング入力信号５１４及び受信タイミング入力信号５１６を受信する。トリガボックス４２２は、送信タイミング入力信号５１４及び受信タイミング入力信号５１６を「分割」し、信号を送信アンテナＴ１乃至Ｔ９及び受信アンテナＲ１乃至Ｒ８に分配する。例えば、トリガ信号ＴＲ１乃至ＴＲ８が受信タイミング入力信号５１４から分割される。トリガ信号ＴＴ１乃至ＴＴ９が送信タイミング入力信号５１６から分割される。本実施態様において、トリガ信号ＴＲ１乃至ＴＲ８は、遅延を伴うことを除いては、受信タイミング入力信号５１６と同じ形状を有する。同様に、トリガ信号ＴＴ１乃至ＴＴ９も、遅延を伴うことを除いては、送信タイミング入力信号５１４と同じ形状を有する。
【００３５】
トリガ信号ＴＴ１乃至ＴＴ９は、送信アンテナＴ１乃至Ｔ９のそれぞれのアンテナアレイ１０６からパルスが送信されるときに、トリガする。トリガ信号ＴＲ１乃至ＴＲ８は、受信アンテナＲ１乃至Ｒ８のそれぞれのアレイ１０６で受信された波形からサンプルが取り出されたときに、トリガする。例えば、送信アンテナＴ１乃至Ｔ９は、送信タイミング出力信号ＴＴ１乃至ＴＴ９の立下りで送信する。受信アンテナＲ１乃至Ｒ８は、トリガ信号ＴＲ１乃至ＴＲ８の立下りで受信波形をサンプリングする。
【００３６】
トリガボックス回路４２２は、送信タイミング入力信号５１４を受信し、遅延時間（Ｄ）だけ互いに遅延する多数の中間送信タイミング信号９５２乃至９６８を発生する、第１の遅延素子９２０乃至９３６よりなる。遅延素子９２０乃至９３６は非常に安定している。例えば、中間送信タイミング信号９５２は、遅延時間Ｄだけ遅延する送信タイミング入力信号である。例えば、中間送信タイミング信号９５４は遅延時間２Ｄだけ遅延する送信タイミング入力信号であり、中間送信タイミング信号９５６は遅延時間３Ｄだけ遅延する送信タイミング入力信号であり、以下同じである。
【００３７】
トリガボックス回路４２２は、また、送信タイミング入力信号５１４または中間送信タイミング信号９５２乃至９６８のうちの１つのいずれかを、トリガ信号ＴＴ１乃至ＴＴ９として選択する送信出力スイッチ回路ＳＴ１乃至ＳＴ９を含む。例えば、トリガ信号ＴＴ１は、スイッチＳＴ１がポジション０にあるときは送信タイミング入力信号５１４である。または、トリガ信号ＴＴ１は、スイッチＳＴ１がポジション１にあるときは、第１の中間送信タイミング信号９５２である。トリガ信号ＴＴ２は、スイッチＳＴ２がポジション０にあるときは送信タイミング入力信号５１４である。または、トリガ信号ＴＴ２は、スイッチＳＴ２がポジション１にあるときは第２の中間タイミング信号９５４である。以下同様である。これにより、以下で説明するように、どの送信アンテナも送信時にはラインの先頭となる。
【００３８】
トリガボックス回路４２２はまた、受信タイミング入力信号５１６を受信し、遅延時間（Ｄ）だけ各々に遅延した多数の中間受信タイミング信号９３８乃至９５１を生成する第２の遅延回路９０４乃至９１８を備える。遅延回路９０４乃至９１８は非常に安定している。例えば、中間受信タイミング信号９３８は受信タイミング入力信号５１６であるが、遅延時間Ｄだけ遅延する。中間受信タイミング信号９５４は、送信タイミング入力信号であるが、遅延時間２Ｄだけ遅延する。以下同様である。上記の例は、２極２投スイッチＳＲ０がポジション０にあるときを仮定している。
【００３９】
トリガボックス回路４２２は、また、第２の遅延回路９０４乃至９１８に接続されたシフト遅延回路９０２と、遅延時間（Ｄ）を中間受信タイミング信号９３８乃至９５１に加える受信タイミング入力信号５１６を備える。例えば、スイッチＳＲ０がポジション０にあるとき、中間受信タイミング信号９３８乃至９５０は上記例のようになる。スイッチＳＲ０がポジション１にあるときは、中間受信タイミング信号９３８は、遅延時間２Ｄだけ遅延した受信タイミング入力信号５１６である。さらに同様に、中間受信タイミング信号９５４は、遅延時間３Ｄだけ遅延した送信タイミング入力信号である。
【００４０】
トリガボックス回路４２２は、対応するトリガ信号ＴＲ１乃至ＴＲ８として、受信タイミング入力信号５１６、または、対応する中間受信タイミング信号９３８乃至９５１のうちの１つのいずれかを選択する受信出力スイッチ回路ＳＲ１乃至ＳＲ８を備える。例えば、出力受信タイミング信号ＴＲ１は、送信タイミング入力信号５１６、または、第１の中間送信タイミング信号９３８である。さらに又、トリガ信号ＴＲ２は送信タイミング入力信号５１６、または、第２の中間送信タイミング信号９４０のいずれかである。以下同様である。これにより、どの受信アンテナも、以下で説明するように、送信時はラインの先頭になる。
【００４１】
図１０は、送信タイミング入力信号５１４及び受信タイミング入力信号５１６の信号図である。送信タイミング入力信号５１４及び受信タイミング入力信号５１６は、それぞれのこぎり信号Ｓから生成される。この例の送信タイミング入力信号５１４は、図８及び図１０に示して上述したように、周期的な矩形波である。一方、受信タイミング入力信号５１４は、周期が変化する矩形波である。送信トリガ及び受信トリガは、図１０に示すように、信号５１４、５１６の立下りで生じる。
【００４２】
送信タイミング入力信号５１４はトリガボックス４２２に入力される。スイッチＳＴ１がポジション１にあると、０＋Ｄ時、すなわち、時間Ｄだけ遅延した送信タイミング入力信号５１４の立下り時に、送信アンテナが１個のパルスを送信する。スイッチＳＲ０がポジション０にあり、スイッチＳＲ１がポジション１にあると、受信アンテナＲ１は、０＋Ｄ−ｔ１時の受信波形の値をサンプリングする。このようにして、インパルスが送信される前にｔ１時に受信アンテナＲ１によって１つのサンプルが行われる。
【００４３】
この例では、送信アンテナＴ１は、また、時間０＋Ｔ＋Ｄに、すなわち、遅延時間Ｄだけ遅延した送信タイミング入力信号５１４の立下りでインパルスを送信する。受信アンテナＲ１は時間０＋Ｔ＋Ｄ−ｔ２に受信波形の１つの値をサンプリングする。このようにして、インパルスが送信される前、時間ｔ２に一つのサンプルが取られる。受信トリガと送信トリガ間の時間は、短時間になり、図１０の時間ｔ４は、インパルスが送信された後、受信波形の値がサンプリングされる時の最初の事象である。
【００４４】
５１４の立下りが各周期で０に定義されれば、図１０は一層容易に理解されるであろう。時間ｔ１からｔｓは減少傾向で始まり、小さくなり、やがて増加傾向となり増大する。このようにして、受信波形が波形に沿って種々の点でサンプリングされる。同様のパターンがアンテナ対Ｒ２及びＴ２、並びにＲ３及びＴ３というように、全ラインにわたって繰り返される。
【００４５】
上記の例で、Ｒ１はＴ１と「対」になっている。しかし、スイッチＳＲ０がポジション１にあると、中間トリガ信号９３８と中間トリガ信号９５４の前で２Ｄの遅延があるので、この場合はＲ１はＴ２と対になる。このようにして、スイッチＳＲ０がポジション０にあるとＲ１乃至Ｒ８は、Ｔ１乃至Ｔ８と対になる。代わりに、スイッチＳＲ０がポジション１にあると、Ｒ１乃至Ｒ８は、Ｔ２乃至Ｔ９と対になる。
【００４６】
スイッチＳＲ１乃至ＳＲ８とスイッチＳＴ１乃至ＳＴ２は対になる役割を持つ。いずれかまたはすべてのＴＲ１乃至ＴＲ８が、遅延なしに受信タイミング入力信号５１６になりえる。これにより、どの受信アンテナもすべてが受信時には第一線になり得る。さらにいずれかまたはすべての信号ＴＴ１乃至ＴＴ９が、遅延なしに送信タイミング入力信号５１４になりえる。これにより、いずれの送信アンテナも送信時には第一線になり得る。このようにして、いずれかまたはすべての受信器Ｒ１乃至Ｒ８が送信器Ｔ１乃至Ｔ９のいずれかと対になりえる。言い換えると、本発明を適用した方法又は装置は、各受信アンテナが送信アンテナのうちのいずれかから反射したエネルギーを選択的に受信可能とする手段を提供する。本発明を適用した方法又は装置は、どの送信器もどの受信器との間で対にすることができる
【００４７】
図１１は、受信平衡不平衡変成器１１１０、プリアンプ１１０８、第１及び第２のサンプルホールド増幅器１１０４及び１１１４、アナログディジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）１１１２、及び同期タイマ１１０２からなる本発明を適用した受信アンテナＲ１のブロック図である。アンテナ素子１１１６はプリアンプ１１０８で増幅された反射波形を受信する。受信平衡不平衡変成器１１１０は、アンテナエレメントと同軸線（図示せず）との間のインピーダンスを整合させる。受信波形は同期タイマ１１０２で指定される時間に最初のＳ／Ｈ増幅器１１０４でサンプリングされる。同期タイマ１１０２は、例えばトリガ信号ＴＲ１の立下りで受信波形をサンプリングする時間を指定する。受信波形は高周波なので、ダイナミックレンジを保存するために２つのＳ／Ｈ増幅器を使う必要がある。したがって、第１のＳ／Ｈ増幅器１１１４の出力は、第２のＳ／Ｈ増幅器１１１４に供給される。第２のＳ／Ｈ増幅器１１１４は、同期タイマ１１０２の指定に従って、第１のＳ／Ｈ増幅器１１０４が受信波形をサンプリングした後のわずかな時間で第１のＳ／Ｈ１１０４の出力をサンプリングする。同期タイマ１１０２は、例えば、トリガ信号ＴＲ１の立下りの若干後の、第２のＳ／Ｈ増幅器がサンプリングする時間を指定する。第２のＳ／Ｈ増幅器１１１４の出力は、Ａ／Ｄ変換器に供給され、シリアルフォーマットでトリガボックス４２２に出力される。Ａ／Ｄ変換器９１２はまた同期タイマ１１０２の出力を使用する。
【００４８】
図１２は、送信平衡不平衡変成器１２０６、アンテナエレメント１２１２、インパルス発生器１２０４、トリガ整形ネットワーク１２０２、及び高電圧発生器１２０８を備える送信機Ｔ１のブロック図である。トリガ整形ネットワーク１２０２及びインパルス発生器１２０４は、放射アンテナ素子１２１２に供給される十分に整形されたインパルスを生成する。例えば、トリガ整形ネットワーク１２０２は、シャープなエッジと十分な電流をもったトリガ信号を生成する。送信平衡不平衡変成器１２０６は、同軸線（図示せず）とアンテナ素子１２１２間とのインピーダンスを整合させる。インパルス発生器１２０４には、約６００Ｖの高電圧発電機１２０８から電力が供給される。送信アンテナＴ１の放射素子は業界では周知のバウタイ型アンテナである。使用されるほかのタイプのアンテナとしては、抵抗負荷型第ポール及び背面空洞型ダイポールを使ってもよい。他の同様のタイプのアンテナを受信及び送信素子として使ってもよい。送信アンテナＴ１乃至Ｔ９は、中央周波数２００ＭＨｚで帯域幅３００ＭＨｚで送信してもよい。他の使用可能な周波数としては、少なくとも、３００ＭＨｚ、４００ＭＨｚ、及び５００ＭＨｚがある。
【００４９】
上述のタイミング回路は、アンテナアレイと使用するために最適化される。すなわち、タイミング回路が各アンテナが約１００ｋＨｚの高い発信／デジタル化レートで動作するように、アンテナアレイを制御する。アレイの高速動作をサポートするために、個々の送信アンテナが各々それ自身の高電圧インパルス発生器をもち、受信アンテナが各々それ自身のディジタイザ（サンプラーヘッド及びＡ／Ｄ変換器）を有する。
【００５０】
図１３は、９つの送信アンテナＴ１乃至Ｔ９及び８つの受信アンテナＲ１乃至Ｒ８からなる本発明を適用したアンテナアレイ１０６のレイアウトの図である。図１３では、送信アンテナＴ１乃至Ｔ９は、線状に配列されている。さらに、受信アンテナＲ１乃至Ｒ８も線状にかつ送信アンテナに平衡に配列されている。又、受信アンテナＲ１乃至Ｒ８と送信アンテナＴ１乃至Ｔ９とは互いに列の長さ方向にアンテナの幅に半分ずれて配置される。
【００５１】
本発明を適用した装置では、アンテナアレイの長さは約２．４ｍである。この長さであればアンテナアレイ１０６を車両１０４の後ろに容易に搭載可能である。アレイ１０６の長さと車両１０４の動きによって、ＧＰＲシステムが広範囲の地面をカバーできる。
【００５２】
本発明を適用した装置では、１つの送信アンテナが所用の時間に送信し、１つ以上の受信アンテナが所要の時間に受信する。図１４（ａ）、１４（ｄ）は、本発明を適用した「モノスタティック」レーダ探査用送信アンテナ及び受信アンテナの可能なアンテナ対の構成図である。図１４（ａ）、１４（ｄ）中の「Ｔ」は送信アンテナを指し、「Ｒ」は受信アンテナを指す。黒塗りのアンテナは作動中で、黒くないものは作動中でない。図１２（ａ）、１２（ｄ）は、対が移行していくさまを示す。図１４（ａ）、１４（ｄ）では、１つの受信アンテナがすべての送信アンテナと対になっている。
【００５３】
図１５（ａ）、１５（ｄ）は、本発明を適用した、「バイスタティック」又は「マルチスタティック」探査用に可能性がある他のアンテナ対の図である。「Ｔ」は送信アンテナを指し、「Ｒ」は受信アンテナを指し、黒くなったアンテナは作動中で、黒くないものは作動していないことを示す。図１５（ａ）、１５（ｄ）は対の進行状況を示している。図１５（ａ）、１５（ｄ）には、複数の受信アンテナがすべての送信アンテナと対になっている。
【００５４】
図１４（ａ）、１４（ｄ）及び図１５（ａ）１５（ｄ）で示されるアンテナアレイ構成は、図１２に示されるものと異なっているが、図１３中のその代わりになるものである。
【００５５】
図１６（ａ）、１６（ｃ）は、本発明を適用したアンテナ構成の別の図である。図１６（ａ）では、送信アンテナと受信アンテナが交互に並んだり、線上に配置されている図である。図１６（ｂ）では、受信アンテナと送信アンテナとが平衡方向にずれていないことと、送信アンテナと受信アンテナとが同数であることを除いては、図１１に示されている送信アンテナと受信アンテナに同様である。図１６（ｃ）は図１３に類似である。
【００５６】
本発明の説明は、本発明を限定するものではない。むしろ、説明することによって通常の技術を有する当業者が本発明を実施する種々の方法を理解できる実施態様と説明とを提供するものである。請求項は、本発明の真の要旨および性質を明らかにしている。
【図面の簡単な説明】
本明細書に含まれ、その一部を構成するこの添付の図面は、本発明の種々の実施態様を説明し、同時に本発明の原理を説明する。
【図１】本発明を適用したＧＰＲシステムを備える移動車両の図である。
【図２】本発明を適用したＧＰＲシステムを備えるトレーラを有する移動車両の図である。
【図３】本発明を適用したＧＰＲを格納した携帯ハウジングの図である。
【図４】本発明を適用したアンテナアレイ、トリガボックス、コンピュータ、制御ユニット、及び位置決め装置を備えるシステムのブロック図である。
【図５】図４の制御ユニット内の部品類のブロック図である。
【図６】中央処理装置（ＣＰＵ）、タイミングボードインターフェース、ＲＡＭ、ＥＰＲＯＭ、一つ以上のシリアル／パラレルインターフェース、パーソナルコンピュータインターフェース、及び一つ以上のパルスデコーダを備える図５の制御ユニットコンピュータのブロック図である。
【図７】送信機トリガ発生器、受信機トリガ発生器、タイムベース発生器、及び掃引制御を備える図５のタイミングボードのブロック図である。
【図８ａ】本発明を適用した三つのしきい値信号の信号図である。
【図８ｂ】送信タイミング入力信号発生器及び受信タイミング入力信号発生器の図である
【図８ｃ】送信タイミング入力信号発生器及び受信タイミング入力信号発生器の図である。
【図９】送信アンテナ及び受信アンテナのトリガリングをスケジュールする図４のトリガボックス内の回路を示す図である。
【図１０】本発明を適用した送信タイミング入力信号及び受信タイミング入力信号の信号図である。
【図１１】受信平衡不平衡変成器、プリアンプ、サンプルアンドホールド回路、アナログディジタル変換器及び同期タイマを備えるからなる受信アンテナのブロック図である。
【図１２】送信平衡不平衡変成器、アンテナエレメント、インパルス発生器、トリガ整形ネットワーク、及び高電圧発電機を備える、本発明を適用した送信機のブロック図である。
【図１３】９個の送信アンテナ及び８個の受信アンテナからなる本発明を適用したアンテナアレイの配置図の例である。
【図１４】本発明を適用したモノスタティックレーダ測定用の送受信アンテナのアンテナ対構成例の図である。
【図１５】本発明を適用したバイスタティック又はマルチスタティック測定用の送受信アンテナのアンテナ対の構成例の図である。
【図１６】本発明を適用したアンテナ構成例の図である。

Claims (40)

1. 制御装置、複数の送信アンテナ、複数の受信アンテナを備えるアレイベース地中透過型レーダを用いて、埋設された物体を確認する装置であって、送信タイミング入力信号及び受信タイミング入力信号を受信する前記制御装置が、
   送信タイミング入力信号を受信し、ある遅延時間だけ互いに遅延した多数の中間送信タイミング信号を発生する第１の遅延回路と、
   送信タイミング入力信号または中間送信タイミング信号のうちの対応する１つのいずれかを、対応する出力送信タイミング信号として選択する送信出力スイッチ回路と、
   受信タイミング入力信号を受信し、遅延時間だけ互いに遅延した多数の中間受信タイミング入力信号を発生する第２の遅延回路と、
   第２の遅延回路と受信タイミング入力信号に接続され、遅延時間を中間受信タイミング信号に加算するシフト遅延回路と、
   受信タイミング入力信号または中間受信タイミング信号のうちの対応する一つのいずれかを、対応する出力受信タイミング信号として選択する受信出力スイッチ回路と、を備える。
2. 出力送信タイミング信号に基づいて複数の送信アンテナの一つに送信トリガするエレメントと、
   出力受信タイミング信号に基づいて複数の受信アンテナの一つに受信波形のサンプリングトリガをするエレメントとをさらに備える請求項１記載の装置。
3. モノスタティックデータ収集制御装置をさらに備える請求項２記載の装置。
4. マルチスタティックデータ収集制御装置をさらに備える請求項２記載の装置。
5. 共通タイミング信号と送信しきい値信号とを比較して送信タイミング入力信号が得られる第１比較器と
   共通タイミング信号と受信しきい値信号を比較して受信タイミング入力信号が得られる第２比較器とをさらに備える請求項１記載の装置。
6. 第１遅延回路が第１の複数遅延エレメントを備え、第２遅延回路が第２の複数遅延エレメントを備え、シフト遅延回路がシフト遅延エレメントを備えることを特徴とする請求項１記載の装置。
7. 遅延エレメントのすべてが同一の値を有することを特徴とする請求項６記載の装置。
8. 前記装置が、物体が埋設されている地域に沿って埋設物確認装置を移動させるための移動式ハウジングをさらに備える請求項１記載の装置。
9. ハウジングがオペレータによる取り扱いに適している請求項８記載の装置。
10. 制御装置、複数の送信アンテナ、複数の受信アンテナを有し、前記制御装置が送信タイミング入力信号及び受信タイミング入力信号を受信するものである、アレイベース地中透過型レーダを用いた埋設された物体を確認する方法であって、
    複数の遅延時間だけ送信タイミング入力信号を遅延させて複数の中間送信タイミング信号を発生するステップと、
    送信タイミング入力信号または中間送信タイミング信号のうちの対応する１つのいずれかを、対応する出力送信タイミング信号として選択するステップと、
    複数の遅延時間だけ受信タイミング入力信号を遅延させて、多数の中間受信タイミング信号を発生するステップと、
    受信タイミング入力信号または中間受信タイミング信号のうちの対応する一つのいずれかを、対応する出力受信タイミング信号として選択するステップとを含む。
11. 第２の遅延時間を中間受信タイミング信号に加算するステップをさらに含む請求項１０記載の方法。
12. 出力送信タイミング信号に基づいて複数の受信アンテナの１つに送信トリガをするステップと、
    出力受信タイミング信号に基づいて複数の受信アンテナの１つにサンプリングトリガするステップとをさらに含む請求項１０記載の方法。
13. モノスタティックデータ収集制御装置によってデータを収集するステップをさらに含む請求項１２記載の方法。
14. マルチスタティックデータ収集制御装置によってデータを収集するステップをさらに含む請求項１２記載の方法。
15. 送信タイミング入力信号を得るために共通タイミング信号と送信しきい値信号とを比較するステップと、
    受信タイミング入力信号を得るために共通タイミング信号と受信しきい値信号とを比較するステップをさらに含む請求項１０記載の方法。
16. アンテナアレイを備えるアレイベース地中透過型レーダを用いた埋設する物体を確認する装置であって、
    前記アンテナアレイが、
    線状に配置された複数の送信アンテナと、
    線状に配置され、かつ送信アンテナに平行に配置された複数の受信アンテナと、
    受信アンテナの各々が送信アンテナのいずれか１つからエネルギーを受信することを、送受信アンテナによって選択的に可能にさせる手段とを備える。
17. 各送受信アンテナが同じ幅を有し、各受信アンテナが、複数の送信アンテナの対応する１つと、線状方向にアンテナの半幅分ずれて配列される請求項１６記載の装置。
18. 複数の送信アンテナが、各々インパルス発生器と高電圧発電機を備える請求項１６記載の装置。
19. 複数の受信アンテナが、各々１つのサンプルホールド増幅器とアナログ／ディジタル変換器を備えていることを特徴とする請求項１６記載の装置。
20. ２つの位置決め装置が移動方向を決定するために使われる請求項１６記載の装置。
21. 複数の受信アンテナが制御装置に同時にディジタルデータを送信する請求項１６記載の装置。
22. 複数の送信アンテナと複数の受信アンテナを備えたインパルスレーダ用制御装置であって、送信タイミング入力信号及び受信タイミング入力信号を受信する前記制御装置が、
    送信タイミング入力信号を受信し、ある遅延時間だけ互いに遅延する多数の中間送信タイミング信号を発生する第１遅延回路と、
    送信タイミング入力信号または中間送信タイミング信号の対応する１つのいずれかを、対応する出力送信タイミング信号として選択する送信出力スイッチ回路と、
    受信タイミング入力信号を受信し、遅延時間だけ互いに遅延した多数の中間受信タイミング信号を発生する第２遅延回路と、
    第２遅延回路と、遅延時間を中間受信タイミング信号に加算する受信タイミング入力信号とに結合しているシフト遅延回路と、
    受信タイミング入力信号または中間受信タイミング信号のうちの対応する１つのいずれかを、対応する出力受信タイミング信号として選択する受信出力スイッチ回路とを備える制御装置。
23. 出力送信タイミング信号に基づいて複数の送信アンテナの１つを送信トリガをするエレメントと、
    出力受信タイミング信号に基づいて複数の受信アンテナの１つに受信波形をサンプリングトリガするエレメントとを備える請求項２２記載の制御装置。
24. モノスタティックデータ収集制御装置をさらに備える請求項２３記載の制御装置。
25. マルチスタティックデータ収集制御装置をさらに備える請求項２３記載の制御装置。
26. 共通タイミング信号と送信しきい値信号とを比較することにより送信タイミング入力信号が得られる第１比較器と、
    共通タイミング信号と受信しきい値信号とを比較することにより受信タイミング入力信号が得られる第２比較器とをさらに備える請求項２２記載の制御装置。
27. 第１遅延回路が複数の第１遅延エレメントを備え、第２遅延回路が複数の第２遅延エレメントを備え、シフト遅延回路がシフト遅延エレメントを備えることを特徴とする請求項２２記載の制御装置。
28. 遅延エレメントのすべてが同一の値を有することを特徴とする請求項２７記載の制御装置。
29. 制御装置が、物体が埋設されている地域に沿って制御装置を移動させるための移動式ハウジングを備える請求項２２記載の制御装置。
30. ハウジングがオペレータによって可搬に適している請求項２９記載の制御装置。
31. 制御装置、複数の送信アンテナ、複数の受信アンテナを備えるアレイベース地中透過型レーダを使って埋設された物体を確認する装置であって、送信タイミング入力信号及び受信タイミング入力信号を受信する前記制御装置が、
    複数の遅延時間だけ送信タイミング入力信号を遅延させて複数の中間送信タイミング信号を発生させる手段と、
    送信タイミング入力信号または中間送信タイミング信号の対応する１つのいずれかを、対応する出力タイミング信号として選択する手段と、
    複数の遅延時間だけ受信タイミング入力信号を遅延させて多数の中間受信タイミング信号を発生する手段と、
    受信タイミング入力信号または中間受信タイミング信号の対応する１つのいずれかを、対応する出力受信タイミング信号として選択する手段とを備える。
32. 第２の遅延時間を中間受信タイミング信号に加算する手段をさらに備える請求項３１記載の装置。
33. 出力送信タイミング信号に基づいて複数の送信アンテナの１つに送信トリガをする手段と、
    出力受信タイミング信号に基づいて複数の受信アンテナの１つに受信波形サンプリングトリガをする手段とをさらに備える請求項３１記載の装置。
34. モノスタティックデータ収集制御装置を使ってデータを収集する手段をさらに備える請求項３３記載の装置。
35. マルチスタティックデータ収集制御装置を使ってデータを収集する手段をさらに備える請求項３３記載の装置。
36. 共通タイミング信号と送信しきい値信号とを比較して送信タイミング入力信号を得る手段と、
    共通タイミング信号と受信しきい値信号とを比較して受信タイミング入力信号を得る手段とをさらに備える請求項３１記載の装置。
37. 第１遅延回路が第１の複数遅延エレメントを備え、第２遅延回路が第２の複数遅延エレメントを備え、シフト遅延回路がシフト遅延エレメントを備えることを特徴とする請求項３１記載の装置。
38. 遅延エレメントのすべてが同一の値を有することを特徴とする請求項３７記載の装置。
39. 物体が埋設されている地域に沿って装置を移動させるための移動式ハウジングをさらに備えることを特徴とする請求項３１記載の埋設物確認装置。
40. ハウジングがオペレータによる可搬に適していることを特徴とする請求項３９記載の装置。

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