JP2018063245A - 比誘電率の決定方法及び地中埋込物体の検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】地中の物体深度を十分に推定するために、比誘電率εＲの改良した決定方法を提供する。【解決手段】少なくとも１つの検出コイル、並びに少なくとも１つの送信器アンテナ及び少なくとも１つの受信器アンテナを含む地中探査レーダを含む検出器を使用して、地雷を探索すべき地面の比誘電率εＲを決定する方法、並びに金属検出器及び地中探査レーダを含む地雷検出器を使用して、地中の金属物体及び非金属物体を検出する方法であって、金属検出器は、検出中、地面に平行に移動させるコイル面を有する少なくとも１つの検出コイルを含み、地中探査レーダは、少なくとも１つの送信器アンテナ及び少なくとも１つの受信器アンテナを含むアンテナ構成を含む。本発明による比誘電率εＲを決定する方法は、ユーザが、検出器を探索地面の特性に対し迅速に公知の様式で較正することを可能にする。【選択図】なし

Description

本発明は、少なくとも１つの送信器アンテナ及び少なくとも１つの受信器アンテナを含む少なくとも１つの地中探査レーダを含む検出器の使用により、金属物体及び非金属物体を探索すべき地面の相対比誘電率ε_Ｒを決定する方法、並びに金属検出器及び地中探査レーダを含む地雷検出器を使用して地中の地雷を発見する検出方法に関し、金属検出器は、探索のために地中に平行に移動するコイル面を有する少なくとも１つの検出コイルを含み、地中探査レーダは、少なくとも１つの送信器アンテナ及び受信器アンテナを含むアンテナ構成を備える。

地中の物体、特に地雷を探索する際、地表面下の物体の位置に加えて、少なくとも地中の物体のおおよその深度を規定し、推定することが望ましい。深度の決定は典型的には公知のデバイスで行うが、問題は、このために地中の特性を知らなければならないことである。この目的で使用する探索機器は、本質的に地中探査レーダを有する機器、又は更なる金属検出器を含む組合せ機器である。

組合せ機器は、地中の金属物体及び非金属物体を発見するように構成し、非金属物体には、金属成分を含有しない地雷も含む。地中探査レーダ（ＧＰＲ）は、レーダ範囲内の周波数を有する電磁波を用いて地面の非破壊特性決定を促進するデバイスである。

基本的に、２つの原理があり、これらの原理のいずれかに従って、送信器アンテナによる送信インパルスの送信と、受信器アンテナにおける反射信号の受信との間の時間差から距離を決定するか、又は周波数差若しくは位相差を送信信号と受信信号との間で計算する。原則として、送信信号の帯域幅は、検出すべき地中への侵入深度及び構造物（地雷等）の分解能に対し最適な結果を達成するため、可能な限り大きいことが望ましい。原則として、アンテナは、平面ダイポール・アンテナの公知の変形形態の１つ（線形又は徐々に拡張するダイポール・アンテナ、ボウタイ・アンテナ、Ｖ字形アームを有するダイポール、円形、楕円又はしずく型アームを有するダイポール等）とすることができ、これらは、非導電材料、例えば、プラスチック材料製であり、アンテナの２つのアームのみが金属で被覆されている。地中探査レーダは、特に、物体がごく微量の金属しか含有しておらず、金属検出器による金属の発見が困難である場合に適している。しかし、例えば地雷と地面との間の比誘電率はかなり大きいため、地中探査レーダを有するデバイスが本用途では有利であり得る。

地中探査レーダは、ダイポールとして構成した送信アンテナを通じて電磁波を公知の様式で放出するので、受信器アンテナが受信する反射信号の走時は、比誘電率ε_Ｒの関数である。走時は、式ε_Ｒ＝（ｃ_ｏ／ｃ）^２に従って計算することができ、式中、ｃ_ｏは空気又は真空中の送信速度であり、ｃは地中の送信速度である。したがって、ε_Ｒが既知である場合、地中の物体深度は、地中に送信して再度受信した信号の走時から決定することができる。比誘電率ε_Ｒは、地面の物質（砂利、砂、混合物等）の構造特性により、レーダを照射することで決定する。乾燥地面と比較すると、湿度の高い地面では、走時、及び更には地中を通る信号の減衰は、著しく大きい。

比誘電率ε_Ｒを決定する工程は、探索領域に対応する、ある地面組成を有する領域において２つの異なる深さで基準物体が埋められているように実施する。両方の基準物体を地中レーダにより検出し、測定した走時と、既知の地面の深度との間の差に基づき比誘電率ε_Ｒを計算する。その後、センサを測定周波数範囲及び増幅に対して手動で調節し、両方の物体を容易に検出することができるようにする。

したがって、地中の物体深度を十分に推定するために、比誘電率ε_Ｒの改良した決定方法を提供することが本発明の目的であり、この結果、方法を後続の検出工程で直接使用して特に地中の地雷を発見することができる。

この目的は、請求項１に記載の方法及び独立請求項３に記載の検出方法による本発明に従って達成される。更なる有利な実施形態は、従属請求項から得ることができる。

本発明によれば、比誘電率ε_Ｒの決定は、最初に、例えば、探索領域の縁部で、検査すべき地面の代表区分を選択するように実施する。少なくとも１つの地中レーダを有する検出器を用いて、少なくとも１つの送信アンテナにより送信信号を送信し、少なくとも１つの受信器アンテナにより受信信号を受信し、送受信の間の時間を決定する。

測定は、ａ）検出器の作動探索側が地面から離して向けられているとき、及びｂ）検出器が地面に接触しているときに実施する。測定ａ）は、次に比誘電率ε_Ｒを決定するため、空気中の信号伝播速度の再現可能な比較値を得るために実施し、ｂ）の場合、地中の信号伝播速度の測定値を得るために実施する。したがって、測定を空気中で実施する測定ａ）に関して、物体が比較測定を妨害するおそれがあるため、物体がアンテナの直接近傍にないことが重要である。探索領域の縁部で一部分を基準部分として使用することができる測定ｂ）に関して、この部分は、探索領域と一致する地面の特性を有する必要があり、検出器は基準部分の上に置かれる。基準部分から植物を除去することが必要であり得る。というのは、植物は水分も含み、測定に更なる影響を与えるためである。

次に、空気中及び検出器内の直接信号経路を通る、送信器アンテナと受信器アンテナとの間の信号走時から、位置ａ）における平均信号速度を決定する。したがって、信号の主要部分は、送信器アンテナと受信器アンテナとの間を直接進行し、空気中を通る残りの信号部分は、直接進行経路からの距離と共に低減する。送信器アンテナ及び受信器アンテナを回路板上で一緒に配置する場合、プリント回路板を通る２つのアンテナの間の直接経路上で相互結合がある。受信信号は、全ての信号部分の信号形態に対する付加的な混合であり、受信信号は、送信信号と比較すると、振幅が低減し、広がり、時間がずれている。

これに応じて、地中及び空気中及び検出器内の直接信号経路を通る、送信器アンテナと受信器アンテナとの間の信号走時から、位置ｂ）における平均信号速度を決定し、位置ｂ）においても、受信信号は、全ての信号部分の信号形態に対する重ね合わせであり、受信信号は、送信信号に対して、振幅が低減し、広がり、時間がずれている。低減は、距離及び減衰に伴う信号の減少により果たされ、広がりは、異なる速度により果たされる。必須の部分は、２つのアンテナの間の直接経路上で相互に結合している信号である。

次に、測定ａ）及びｂ）に従って２つの平均信号速度の比率から比誘電率ε_Ｒを決定する。このことは、測定ａ）を測定ｂ）の結果と比較するために、決定したａ）と測定ｂ）との差が関連しているからこそ可能である。本方法によれば、地面は、一種の開放構造体を使用して測定し、開放構造体に対する地面の影響を決定する。この構造体は、電界を通じて電磁波を生成するように形状が開放されており、この電磁波は、地面に進入し、電磁波の戻りが測定される。上述のように、両方のアンテナの間の相互結合は、いくつかの成分を含み、いくつかの成分は、回路板のすぐ近くを進行し、地面及び空気への一定の拡張を有する。測定ａ）及びｂ）の両方を通じて、相互結合の成分比率が変化する。相互結合を遅延させることが可能である。原則として、送信は、アンテナのいわゆる近傍界において実施する。近傍界は、信号波長と同等の距離範囲である。近傍界の現象は、電位場の伝播のみによって説明することができる。遠方界は、放射理論による説明で十分である。工程の間、常に供給される信号部分、即ち、アンテナの直接相互結合によって測定される信号を使用する。この結合は、アンテナの近傍を通る結合、又はプリント回路板の構造体内に沿って移動する表面波による結合とすることができる。いずれの場合も、２つのアンテナの間をかなり集中して進行し、地中の空間内にもわずかに拡張する部分は、例えば、ガウス関数による曲線の当てはめ、フィルタ又はウインドウの設定のような典型的な信号測定方法により処理可能である。しかし、この結合は正確に分離することはできない。相互結合は、地面の特性が変化する場合、即ち、上述のように、最大時間基準位置、最大振幅及び曲線幅の変化によって、空気中での測定と比較して、再現可能に変化することがわかった。

上述のように、アンテナは、支持体、典型的にはプリント回路板上に配置することができる。アンテナは主に電磁波を地中に送信するものとするため、アンテナはそれに応じて有効表面を伴って構成する。信号部分が、動作表面とは反対方向に伝播され、受信器アンテナに到達する場合、回路板の側が地面から離して向けてられている、空気中を通る回路板の実施形態では、これらの信号部分は、測定ａ）及びｂ）の両方でもたらされる。本発明の特に有利な実施形態によれば、少なくとも大気から地中探査レーダに到達する電磁波、及び地中探査レーダが地面と反対の方向で放出する電磁波は、吸収体要素によって遮蔽され、位置ｂ）における平均信号速度は、地中及び検出器内の直接信号経路を通る、送信器アンテナと受信器アンテナとの間の信号走時から決定される。この処理は、空気を通じて伝播される信号部分を測定ａ）において実質的に半分だけ処理し、測定ｂ）において実質的に完全に抑制するため、より正確である。誘電率の決定は、検出器内に一体化した制御、計算ユニットにより実施する。吸収体要素を地中探査レーダで使用することは典型的な方策であり、吸収体要素内の空隙は、放出された電磁波を減衰させるように公知の様式で生成する。空隙は、電磁波を吸収する材料（例えば発泡吸収体若しくはゴム吸収体若しくは吸収体ラッカ）及び／又は反射材料、例えば金属によって空隙の外表面で画定する。したがって、少なくとも１つの受信器アンテナは、地中探査レーダに影響を与える大気からの信号を受信しない。

したがって、上記で説明した方法を使用して、探索領域の地面の比誘電率を決定することができる。ユーザが検出工程の間に地中の変化を検出した場合、上述の方法に従って、変化した地面を有する領域のための変化した誘電率の新たな決定が必要である。したがって、探索領域の比誘電率を単純、迅速に決定し、地中の変化に対処することができる。

本発明による検出方法による検出は、探索領域の比誘電率の決定と共に実施することができる。このことは、金属検出器及び地中探査レーダを有する地雷検出器の使用により実施し、金属検出器は、コイル面を有する少なくとも１つの検出コイルを含み、コイル面は、探索の間、地中に平行に移動し、地中探査レーダは、少なくとも１つの送信器アンテナ及び受信器アンテナを有するアンテナ構成を備え、測定は、最初に、探索地面の典型例とする地面区分で実施し、上述のように比誘電率ε_Ｒを決定するようにする。比誘電率を決定した後、駆動減衰周波数を考慮して、測定周波数範囲をこの比誘電率と関連付け、最大依存周波数周及び地面依存測定深度を決定することができ、有利には、対応する表示デバイスによって表示する。

上述のように、地中に送信する電磁波の減衰も、周波数の関数として比誘電率の増大に伴って増大する。したがって、どの閾値周波数及びどの増幅で、ユーザがどの最大深度を検出し得るかをユーザに光学的に表示することが必要である。

その後、探索地面上の探索経路に沿って、地中に配置された地雷を発見するための測定を実施する。したがって、検出コイル及び少なくとも１つの送信器アンテナからの信号の同時送信、並びに検出コイルが放出したインパルス、及び少なくとも１つの送信器アンテナが放出した信号の少なくとも１つの受信器アンテナを通じた受信を使用し、検出器内に配置した制御、計算ユニットによって地面プロファイルを典型的な様式で生成する。地面プロファイルから、地中に配置された物体のサイズ及び深度を決定し、地中で検出すべき物体を特定した場合に光学及び／又は音響信号を放出する。地面に近い検出器の移動は、典型的な地雷探索に対応しており、検出器は、地面の上で、地面に接触せずに、できるかぎり地面に近く移動させる。地面に沿った測定の間に受信した信号は、典型的で公知の信号処理及び信号評価方法によって処理し、信号評価は、検出経路上で受信した個々の時間基準信号から色付き深度値プロファイルを生成することによって行い、値プロファイルは、規定の３次元平面物体が地中に配置されている場合、双曲線であり、このため、物体の深度及びサイズをこの双曲線から決定することができる。それぞれの双曲線の頂点は、物体の深度を規定し、双曲線の広がりは、物体のおおよその形状及びサイズを定義する。有利には、これらを音響信号として出力し、表示装置として構成した表示デバイス上の特定位置に、グラフィック表示で物体の存在を表示することができる。有利には、地中探査レーダのために４００ＭＨｚから３ＧＨｚの間の送信周波数を使用する。

本発明による比誘電率ε_Ｒを決定する方法は、ユーザが、探索領域の地中特性に対し、検出器を迅速に公知の様式で較正することを可能にする。比誘電率の決定に基づく本発明による検出方法により、探索及び検出に必要な必須のデータを検出器のユーザにもたらす。したがって、検出器の扱いがユーザにとってかなり簡略化される。というのは、ユーザが所望する深度で物体を検出できるようにするために、誘電率の決定後、ユーザが、地中の電磁波の減衰に基づき、測定及び更には増幅のための閾値周波数をどのように調節する必要があるかをユーザに示すためである。したがって、誘電率の決定に基づき、どの最大深度を検出することができるかがユーザに表示される。

Claims (6)

1. 少なくとも１つの検出コイル、並びに少なくとも１つの送信器アンテナ及び少なくとも１つの受信器アンテナを含む地中探査レーダを含む検出器を使用して、金属及び非金属物体を探索すべき地面の比誘電率ε_Ｒを決定する方法において、前記方法は、
   探索地面の特徴区分の測定を実施することであって、前記検出器は、前記少なくとも１つの送信器アンテナを通じて送信信号を放出し、前記少なくとも１つの受信器アンテナを通じて受信信号を受信し、前記検出器の作動探索側が
   ａ）前記地面から離して向けられているときの経過時間、
   ｂ）前記地面に接触しているときの経過時間、
   を測定する、測定を実施すること；
   空気中及び前記検出器内の直接信号経路を通る、前記送信器アンテナと前記受信器アンテナとの間の信号走時から、前記位置ａ）における平均信号速度を決定すること；
   少なくとも地中及び前記検出器内の直接信号経路を通る、前記送信器アンテナと前記受信器アンテナとの間の信号走時から、前記位置ｂ）の平均信号速度を決定すること；並びに
   前記測定ａ）及び前記測定ｂ）による２つの平均信号速度の比率から比誘電率ε_Ｒを決定することを特徴とする、方法。
2. 少なくとも前記地中探査レーダに影響を与える大気からの電磁波、及び前記地中探査レーダが地面と反対方向に放出する電磁波は、吸収体要素により遮蔽し、
   前記位置ｂ）の平均信号速度は、地中及び前記検出器の直接信号経路を通る、前記送信器アンテナと前記受信器アンテナとの間の信号走時から決定することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 金属検出器及び地中探査レーダを含む地雷検出器（１）を使用して地中の金属物体及び非金属物体を検出する検出方法であって、
   前記金属検出器は、検出の間、地面に平行に移動させるコイル面を有する少なくとも１つの検出コイル（５）を含み、
   前記地中探査レーダは、少なくとも１つの送信器アンテナ及び少なくとも１つの受信器アンテナを含むアンテナ構成（６）を含む、方法において、
   請求項１又は２に従って比誘電率ε_Ｒを決定するために、最初に、探索地面の特徴区分の測定を実施し；
   駆動減衰周波数を考慮して、決定した比誘電率を規定の測定周波数範囲と関連付け、最大駆動周波数及び地面駆動測定深度を決定し、表示装置デバイスによって前記最大駆動周波数及び前記地面駆動測定深度を表示し；並びに
   地中の地雷を発見するために、探索地面上の経路に沿って実施する測定を実施し、
   前記検出コイル及び前記少なくとも１つの送信器アンテナからの信号の同時送信、並びに前記検出コイルが放出したインパルス、及び前記少なくとも１つの送信器アンテナが放出し前記少なくとも１つの受信器アンテナが受信した信号の受信を使用して地面プロファイルを生成し、前記地面プロファイルから、地中に配置された物体のサイズ及び空間位置を決定することを特徴とする、方法。
4. 前記検出物体のおおよその深度を決定、表示することを特徴とする、請求項３に記載の検出方法。
5. 前記検出物体のおおよそのサイズを決定、表示することを特徴とする、請求項３又は４に記載の検出方法。
6. 前記地中探査レーダのために４００ＭＨｚから３ＧＨｚの間の送信周波数を使用することを特徴とする、請求項１から５のうちいずれか一項に記載の検出方法。