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JP6970079B2 - Ground penetrating radar - Google Patents
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JP6970079B2 - Ground penetrating radar - Google Patents

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Description

本発明は、バックホーなどの掘削機械によって路面を掘削中に、地中に埋設された水道管、ガス管、通信ケーブルなどの地中埋設物を引っ掛けて破損してしまうことを未然に防止するためなどに好適に実施することができる地中レーダ探査装置に関する。 The present invention is to prevent the underground buried objects such as water pipes, gas pipes, and communication cables buried in the ground from being caught and damaged while excavating the road surface by an excavating machine such as a backhoe. The present invention relates to an underground radar exploration device that can be suitably carried out.

近年、パワーショベル、バックホーなどの掘削機械を使用した工事の際、掘削時に地中に埋設された電話線、電力ケーブル、光ケーブル、ガス管、水道管、下水管などの地中埋設物を破損してしまう破損事故が発生している。このような破損事故は、事故現場付近の住民への重大な被害を及ぼしてしまう。 In recent years, during construction using excavators such as power shovels and backhoes, underground objects such as telephone lines, power cables, optical cables, gas pipes, water pipes, and sewage pipes buried in the ground during excavation have been damaged. There is a damage accident. Such a damage accident causes serious damage to the inhabitants near the accident site.

地中埋設物破損事故の対策として、従来から行なわれている方法は、大きく分けて2つ存在する。第1の方法は、埋設図面の利用である。埋設図面とは、地下に埋設されているケーブル、配管などの位置を表した図面である。工事を行う作業者は、この図面を利用し、予め埋設物の位置を推定し、推定した地中埋設物を破損しないように注意しながら掘削機械による掘削作業が行なわれる。第2の方法は、地中探査機による事前の調査である。これは地中レーダ探査機および電磁誘導探査機などによって、地表面から地中埋設物の探査を事前に行うというものである。 There are roughly two conventional methods for dealing with damage to underground buried objects. The first method is the use of buried drawings. The buried drawing is a drawing showing the positions of cables, pipes, etc. buried underground. Using this drawing, the worker performing the construction estimates the position of the buried object in advance, and the excavation work is performed by the excavation machine while being careful not to damage the estimated underground buried object. The second method is a preliminary survey using a ground penetrating radar. This is to search for underground buried objects from the ground surface in advance by using a ground penetrating radar probe and an electromagnetic induction probe.

しかし、第1の方法において、埋設図面を利用する際、近年埋設されたものであれば、ある程度回避可能であるが、図面が残っていない古い埋設物や、敷地内の工事などでは、事前の探査に頼らざるを得ない。また、第2の方法において、地中探査機による調査においても、地中レーダ探査機は、精度は高いが探査に要する費用が高額となるため、頻繁に使用することができない。電磁誘導探査機による調査は、位置推定自体は可能であるが、精度としては不十分である。また、位置推定ができているにも関わらず、作業者の不注意あるいは操作ミスによって破損事故が発生する場合もある。そこで、従来から、より安全に工事を行える技術として、次のような地中探査技術が知られている。 However, in the first method, when using the buried drawing, if it is buried in recent years, it can be avoided to some extent, but in the case of old buried objects for which no drawing remains or construction work on the site, etc. I have to rely on exploration. Further, in the second method, even in the survey by the ground penetrating radar, the ground penetrating radar cannot be frequently used because the accuracy is high but the cost required for the exploration is high. The survey by the electromagnetic induction spacecraft can estimate the position itself, but its accuracy is insufficient. In addition, even though the position can be estimated, a damage accident may occur due to carelessness of the operator or an operation error. Therefore, the following ground penetrating radar has been known as a technique for performing construction more safely.

地中探査の従来技術としては、弾性波探査法、表面波探査法、電気探査法、超音波探査法、磁気探査法などの様々な探査手法が存在するが、いずれの探査手法も大きな埋設物を探査の対象としており、探査分解能が低いため、地中の埋設管、通信ケーブルなどの小さな埋設物を探査によって確実に検知することは困難である。この中で唯一、磁気探査法は、たとえば特許文献1に記載されるように、地中の金属などの磁性体から成る物体の探査には使用可能であるが、埋設深度や埋設位置の正確な判定は困難である。 There are various exploration methods such as elastic wave exploration, surface wave exploration, electrical exploration, ultrasonic exploration, and magnetic exploration as conventional techniques for underground exploration, but all of these exploration methods are large buried objects. Since the exploration resolution is low, it is difficult to reliably detect small buried objects such as buried pipes and communication cables in the ground by exploration. Of these, the magnetic exploration method is the only one that can be used for exploration of objects made of magnetic materials such as metals in the ground, as described in Patent Document 1, for example, but the burial depth and burial position are accurate. Judgment is difficult.

また掘削機械の操作するオペレータとも称される操作者は、レーダ探査の経験者ではないため、掘削しながらレーダ画面を読み取って埋設物の存在を判断することはできない。このため埋設物を監視しながら掘削を行うには、掘削機械の操作者以外に、別途にレーダ探査の操作者を必要とする。しかも掘削深度が深くなると、作業者が掘削範囲に入ってレーダ探査を繰り返す必要が生じ、このような作業は危険度が高く、現実的ではない。 In addition, since the operator, also called the operator who operates the excavation machine, is not an experienced radar exploration person, it is not possible to read the radar screen while excavating and judge the existence of the buried object. Therefore, in order to perform excavation while monitoring the buried object, a separate radar exploration operator is required in addition to the operator of the excavation machine. Moreover, when the excavation depth becomes deep, it becomes necessary for the operator to enter the excavation range and repeat radar exploration, and such work is highly dangerous and unrealistic.

さらに他の従来技術としては、特許文献2に記載されるように、ボアホールレーダ探査法がある。これは、ボーリング孔内に円筒状のレーダアンテナを挿入し、ボーリング孔の掘削深度まで探査を行うことが可能であるが、鉛直方向に掘削したボーリング孔に対し、側方の地中埋設物を探査するものであり、掘削面に垂直な方向の探査を行うことはできない。そもそもボーリング掘削時点で、スクリューオーガなどの掘削部によって地中埋設物を損傷する危険性があることから、このような手法を採用することはできない。 Still another prior art is a borehole radar exploration method, as described in Patent Document 2. It is possible to insert a cylindrical radar antenna into the boring hole and search up to the excavation depth of the boring hole, but for the boring hole excavated in the vertical direction, the underground buried object on the side It is for exploration and cannot be explored in the direction perpendicular to the excavation surface. In the first place, at the time of boring excavation, there is a risk of damaging underground buried objects by excavated parts such as screw augers, so such a method cannot be adopted.

特開2004−347533号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2004-347533 特許第5568237号公報Japanese Patent No. 5568237

したがって本発明の目的は、掘削機械の操作者に、対象領域に存在している地中埋設物を容易かつ確実に教示することができる地中レーダ探査装置を提供することである。 Therefore, an object of the present invention is to provide an underground radar exploration device capable of easily and surely teaching an operator of an excavation machine an underground buried object existing in a target area.

次の丸括弧( )内の段落および図面の番号は、明細書および図面の記載個所を示す。
本発明は、
a 操作者によって操作される操作装置2が設けられ、操作装置2の操作に応答して走行可能な掘削機本体3と、掘削機本体3に設けられ、操作装置2の操作に応答して移動可能な掘削部4と、を含む掘削機1に備えられる地中レーダ探査装置であって、
b 前記掘削部4は、
水平な傾動中心軸線L1に垂直な平面に沿って延びる一対の側壁12a、12bと、
前記側壁12a、12b間で傾動中心軸線L1に垂直な断面がC字状に湾曲した背後壁13と、
背後壁13から開口側(図6の斜め左下方、図7の左方)に延び、開口側縁部に複数の爪部材15が固定される平坦状の底板部14とによって、
掘削した土砂を収容する収容空間を構成するバケットであり、
掘削機本体3から延びるブーム9の先端部に設けられる平行四辺形リンク(10a〜10d、11a〜11d)によって、背後壁13の底板部14とは反対側の部分(図6の上部分)が傾動中心軸線L1に関して傾動可能に連結され、
ブーム9と平行四辺形リンク(10a〜10d、11a〜11d)とは、複動油圧シリンダCY1〜CY3によって駆動され、
c 前記掘削部4に並列に設けられた複数のアンテナ素子を有するアンテナ6であって、
背後壁13の背面における平行四辺形リンク(10a〜10d、11a〜11d)よりも底板部14寄り(図5の上方、図6の下方)には、ブーム9の先端部に臨んで外側(図5の斜め右上方、ならびに図7および図8の斜め右上方)に開放し内面側(図5の斜め左下方、ならびに図7および図8の斜め左下方)に膨らんだ凹部27が形成され(段落[0036])、この凹部27の空間に、アンテナ6が背後壁13の外側から組込んで外側には突出せず、内側へ埋め込んで取り付けられ(段落[0037、0039])、路面近傍の地中探査時(段落[0049])、アンテナ6は地中に向けて下向きの状態にされることができ(図1)、
このアンテナ6は、前記複数のアンテナ素子によって200MHzから3GHzまで周波数を段階的に高めながら走査して探査用電磁波を放射し、前記探査用電磁波の対象物体による反射波を受信するアンテナ6と、
d 前記掘削機本体3に設けられ、前記アンテナ6によって受信された反射波の受信信号の周波数毎に位相および振幅を測定して時間領域データに変換し、この時間領域データに基づいて、探査開始から終了までの画像信号を生成する信号処理部7と、
e 前記掘削機本体3に設けられ、前記信号処理部7によって生成された、掘削機本体3の走行方向、走行直角方向および深度方向(図30A〜図30C、図31A〜図31C)の3次元の画像信号の画像を表示する画像表示部8と、を備え、
f 前記信号処理部7は、
畳込みニューラルネットワークによって、前記アンテナ6によって受信した反射波の受信信号から対象物体を特徴とする複数のフレームを抽出し、抽出された各フレームを合成して、前記3次元の画像信号を生成し、生成された画像信号に基づいて、画像表示部8に、抽出した全ての対象物体を複数のフレームで3次元表示させ、検出した対象物体が地中の埋設管またはケーブル由来のものである場合、それらの埋設管またはケーブル由来のものでない場合の色(たとえば、白色の背景に黒色)とは異なる色(たとえば、赤色。段落[0056])で強調してフレームを前記3次元表示させることを特徴とする地中レーダ探査装置である。
Paragraphs and drawing numbers in parentheses () below indicate where the specification and drawings are written.
The present invention
a. An excavator main body 3 provided with an operating device 2 operated by an operator and capable of traveling in response to the operation of the operating device 2, and an excavator main body 3 provided in the excavator main body 3 and moving in response to the operation of the operating device 2. An underground radar exploration device provided in an excavator 1 including a possible excavator 4.
b The excavation section 4 is
A pair of side walls 12a and 12b extending along a plane perpendicular to the horizontal tilt center axis L1 and
A back wall 13 having a C-shaped cross section perpendicular to the tilt center axis L1 between the side walls 12a and 12b.
A flat bottom plate portion 14 extending from the back wall 13 to the opening side (diagonally lower left in FIG. 6 and left in FIG. 7) and to which a plurality of claw members 15 are fixed to the opening side edge portion.
It is a bucket that constitutes a storage space for accommodating excavated soil.
The parallelogram links (10a to 10d, 11a to 11d) provided at the tip of the boom 9 extending from the excavator main body 3 allow the portion of the back wall 13 opposite to the bottom plate portion 14 (upper portion of FIG. 6). It is connected so that it can be tilted with respect to the tilt center axis L1.
The boom 9 and the parallelogram links (10a to 10d, 11a to 11d) are driven by the double-acting hydraulic cylinders CY1 to CY3.
c An antenna 6 having a plurality of antenna elements provided in parallel in the excavation portion 4.
On the back surface of the back wall 13, closer to the bottom plate 14 (upper part of FIG. 5, lower part of FIG. 6) than the parallelogram links (10a to 10d, 11a to 11d), facing the tip of the boom 9 and outside (FIG. 6). An open recess 27 is formed on the inner surface side (diagonally lower left of FIG. 5 and diagonally lower left of FIGS. 7 and 8) open to the diagonally upper right of FIG. 5 and diagonally to the upper right of FIGS. 7 and 8. Paragraph [0036]), in the space of the recess 27, the antenna 6 is incorporated from the outside of the back wall 13 so as not to protrude to the outside, but is embedded and attached to the inside (paragraph [0037, 0039]), near the road surface. During ground penetrating (paragraph [0049]), the antenna 6 can be oriented downwards towards the ground (FIG. 1),
The antenna 6 is scanned by the plurality of antenna elements while gradually increasing the frequency from 200 MHz to 3 GHz to radiate the exploration electromagnetic wave, and receives the reflected wave by the target object of the exploration electromagnetic wave.
d The phase and amplitude of the received signal of the reflected wave received by the antenna 6 provided in the excavator main body 3 are measured and converted into time domain data, and the search is started based on the time domain data. A signal processing unit 7 that generates an image signal from to the end,
e Three-dimensional traveling direction, traveling perpendicular direction and depth direction (FIGS. 30A to 30C, FIGS. 31A to 31C) of the excavator main body 3 provided in the excavator main body 3 and generated by the signal processing unit 7. The image display unit 8 for displaying the image of the image signal of the above is provided.
f The signal processing unit 7
A plurality of frames featuring the target object are extracted from the received signal of the reflected wave received by the antenna 6 by the convolutional neural network, and the extracted frames are combined to generate the three-dimensional image signal. , When all the extracted target objects are displayed three-dimensionally in a plurality of frames on the image display unit 8 based on the generated image signal, and the detected target objects are derived from an underground pipe or cable. The three-dimensional display of the frame is emphasized in a different color (eg, red; paragraph [0056]) than the color (eg, black on a white background) when not derived from those buried pipes or cables. It is a characteristic underground radar exploration device .

また本発明は、前記信号処理部は、畳込みニューラルネットワークによって、前記アンテナによって受信した反射波の受信信号から前記対象物体を特徴とする複数のフレームを抽出し、抽出された各フレームを合成して、前記3次元の画像信号を生成することを特徴とする。 Further, in the present invention, the signal processing unit extracts a plurality of frames featuring the target object from the received signal of the reflected wave received by the antenna by the convolutional neural network, and synthesizes each of the extracted frames. It is characterized in that the three-dimensional image signal is generated.

また本発明は、前記アンテナは、漏洩電界強度が35μV/m以下に遮蔽されていることを特徴とする。 Further, the present invention is characterized in that the leakage electric field strength of the antenna is shielded to 35 μV / m or less.

また本発明は、前記信号処理部によって生成された画像信号を、前記画像表示部に無線通信によって送信する送信部を、さらに含むことを特徴とする。 The present invention is also characterized by further including a transmission unit that transmits an image signal generated by the signal processing unit to the image display unit by wireless communication.

本発明によれば、本発明に係る地中レーダ探査装置は、操作装置が設けられる掘削機本体と、掘削機本体に設けられるバケットなどの掘削部とを含む掘削機に備えられる。操作装置は、オペレータとも称される操作者によって操作され、この操作者による操作装置の操作に応答して、掘削機本体が走行するとともに、掘削部が掘削機本体に対して移動し、地面または地中の掘削作業が行なわれる。 According to the present invention, the underground radar exploration device according to the present invention is provided in an excavator including an excavator main body provided with an operating device and an excavating portion such as a bucket provided in the excavator main body. The operating device is operated by an operator, also called an operator, and in response to the operation of the operating device by the operator, the excavator main body travels and the excavator moves with respect to the excavator main body, and the ground or the ground or Underground excavation work is carried out.

掘削部には、アンテナの複数のアンテナ素子から200MHzから3GHzまで周波数を段階的に高めながら走査して探査用電磁波を放射し、探査用電磁波の地中に埋設された対象物体による反射波を受信するアンテナが設けられる。掘削機本体には、アンテナによって受信した反射波の受信信号に基づいて、3次元の画像信号を生成する信号処理部と、信号処理部によって生成された3次元の画像信号を表示する画像表示部とが設けられる。信号処理部は、反射波の受信信号から3次元の画像信号を生成し、この3次元の画像信号の画像が掘削機本体に設けられた画像表示部に表示される。 The excavated part radiates exploration electromagnetic waves by scanning from multiple antenna elements of the antenna while gradually increasing the frequency from 200 MHz to 3 GHz, and receives reflected waves from the target object buried in the ground of the exploration electromagnetic waves. An antenna is provided. The excavator main body has a signal processing unit that generates a three-dimensional image signal based on the received signal of the reflected wave received by the antenna, and an image display unit that displays the three-dimensional image signal generated by the signal processing unit. And are provided. The signal processing unit generates a three-dimensional image signal from the received signal of the reflected wave, and the image of the three-dimensional image signal is displayed on the image display unit provided in the excavator main body.

このように画像表示部には、対象物体によって反射された反射波による探査画像が3次元表示されるので、レーダ探査の経験のない操作者であっても、掘削対象領域の地中に埋設物が存在していることを容易かつ確実に認識し、埋設物の損傷を確実に回避することができる。 In this way, the image display unit displays a three-dimensional exploration image of the reflected waves reflected by the target object, so even an operator who has no experience in radar exploration can see buried objects in the ground in the excavation target area. It is possible to easily and surely recognize the existence of the buried object and surely avoid damage to the buried object.

また本発明によれば、信号処理部は、アンテナによって受信した反射波の受信信号から畳込みニューラルネットワークによって対象物体を特徴とする複数のフレームを抽出し、抽出された各フレームを合成して、3次元の画像信号を生成し、その画像が画像表示部に表示されるので、掘削機の操作者が地中探査画像に不慣れであっても、掘削対象領域の地中埋設物の有無を容易に認識することができる。 Further, according to the present invention, the signal processing unit extracts a plurality of frames featuring the target object by the convolutional neural network from the received signal of the reflected wave received by the antenna, synthesizes the extracted frames, and synthesizes the extracted frames. Since a three-dimensional image signal is generated and the image is displayed on the image display unit, even if the operator of the excavator is unfamiliar with the ground penetrating image, it is easy to see if there is an underground buried object in the excavation target area. Can be recognized.

また本発明によれば、アンテナは漏洩電界強度が35μV/m以下に遮蔽されているので、周囲への電波障害などの悪影響を与えるおそれがなく、電波法でいう微弱無線設備として広範囲に本発明を実施することができ、汎用性の高いに係る地中レーダ探査装置を提供することができる。 Further, according to the present invention, since the leakage electric field strength of the antenna is shielded to 35 μV / m or less, there is no possibility of adversely affecting the surroundings such as radio wave interference, and the present invention is widely used as a weak radio device according to the Radio Law. It is possible to provide a ground penetrating radar exploration device with high versatility.

また本発明によれば、信号処理部によって生成された画像信号を、送信部によって無線通信、たとえば無線LANなどによって画像表示部に送信されるので、信号処理部で生成された画像信号を画像表示部に送信するための通信ケーブルなどの信号線が不要となり、掘削機本体および掘削部の移動、掘削時の土砂、岩石、周辺の構造物などへの接触による断線、損傷が防がれ、掘削機本体に対する掘削部の移動範囲・移動方向の自由度が制限されることが防がれる。 Further, according to the present invention, since the image signal generated by the signal processing unit is transmitted to the image display unit by wireless communication, for example, wireless LAN, by the transmitting unit, the image signal generated by the signal processing unit is displayed as an image. Signal lines such as communication cables for transmitting to the section are no longer required, preventing disconnection and damage due to movement of the excavator body and excavation section, contact with earth and sand, rocks, and surrounding structures during excavation, and excavation. It is possible to prevent the degree of freedom of the movement range and movement direction of the excavated part with respect to the machine body from being limited.

本発明の一実施形態の地中レーダ探査装置を装備した掘削機1の地中探査時の状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state at the time of the underground exploration of the excavator 1 equipped with the ground penetrating radar exploration apparatus of one Embodiment of this invention. 掘削機1のブーム収納時の状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state at the time of boom storage of the excavator 1. 掘削機1の掘削時の状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state at the time of excavation of the excavator 1. 画像表示部8の正面図である。It is a front view of the image display unit 8. バケット4を底部側から見た斜視図である。It is a perspective view which saw the bucket 4 from the bottom side. バケット4を開口部側から見た斜視図である。It is a perspective view which saw the bucket 4 from the opening side. バケット4の断面図である。It is sectional drawing of the bucket 4. バケット4のアンテナ6の取付け部付近を示す部分拡大断面図である。It is a partially enlarged sectional view which shows the vicinity of the mounting part of the antenna 6 of a bucket 4. アンテナ6を裏面側から見た斜視図である。It is a perspective view which looked at the antenna 6 from the back side. アンテナ6を放射面側から見た斜視図である。It is a perspective view which saw the antenna 6 from the radiation surface side. 地中レーダの原理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the principle of the ground penetrating radar. 代表的な対象物質の比誘電率を示す図である。It is a figure which shows the relative permittivity of a typical target substance. レーダ探査の原理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the principle of radar exploration. レーダ探査によって取得される画像データを3次元的に示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the image data acquired by radar exploration three-dimensionally. アンテナ6のステップ周波数方式によるレーダ波形を示す図である。It is a figure which shows the radar waveform by the step frequency system of the antenna 6. 動作信号の周波数に対するスペクトルを示す図である。It is a figure which shows the spectrum with respect to the frequency of the operation signal. 本発明の実施形態に係る地中レーダ探査装置のレーダ波形を示す図である。It is a figure which shows the radar waveform of the ground penetrating radar exploration apparatus which concerns on embodiment of this invention. 地中の異物の反応による虚像の発生原理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the principle of the generation of a virtual image by the reaction of the foreign matter in the ground. 画像表示部8の表示面に表示された表示画像の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the display image displayed on the display surface of an image display unit 8. 虚像を含む探査画像の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the exploration image including a virtual image. 畳込みニューラルネットワークのシステム構成を示す図である。It is a figure which shows the system structure of the convolutional neural network. 入力したn層(ここに、nは正の整数)の画像データを畳込み処理して(n+1)層を作成するアルゴリズムを模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the algorithm which creates the (n + 1) layer by convoluting the image data of the input n layers (where n is a positive integer). 畳込み処理とプーリング処理とを複数回行なって生成された全結合層の表示画像30を示す図である。It is a figure which shows the display image 30 of the fully connected layer generated by performing the convolution process and the pooling process a plurality of times. 表示画像30中の埋設物ありの箇所の拡大図である。It is an enlarged view of the part with a buried object in the display image 30. 表示画像30中の埋設物なしの箇所の拡大図である。It is an enlarged view of the part without the buried object in the display image 30. 埋設物ありの箇所の教師データを示す図である。It is a figure which shows the teacher data of the place where there is a buried object. 埋設物ありの箇所の教師データを示す図である。It is a figure which shows the teacher data of the place where there is a buried object. 埋設物ありの箇所の教師データを示す図である。It is a figure which shows the teacher data of the place where there is a buried object. 埋設物ありの箇所の教師データを示す図である。It is a figure which shows the teacher data of the place where there is a buried object. 埋設物ありの箇所の教師データを示す図である。It is a figure which shows the teacher data of the place where there is a buried object. 埋設物ありの箇所の教師データを示す図である。It is a figure which shows the teacher data of the place where there is a buried object. 埋設物ありの箇所の教師データを示す図である。It is a figure which shows the teacher data of the place where there is a buried object. 埋設物ありの箇所の教師データを示す図である。It is a figure which shows the teacher data of the place where there is a buried object. 埋設物なしの箇所の教師データを示す図である。It is a figure which shows the teacher data of the part without a buried object. 埋設物なしの箇所の教師データを示す図である。It is a figure which shows the teacher data of the part without a buried object. 埋設物なしの箇所の教師データを示す図である。It is a figure which shows the teacher data of the part without a buried object. 埋設物なしの箇所の教師データを示す図である。It is a figure which shows the teacher data of the part without a buried object. 埋設物なしの箇所の教師データを示す図である。It is a figure which shows the teacher data of the part without a buried object. 埋設物なしの箇所の教師データを示す図である。It is a figure which shows the teacher data of the part without a buried object. 埋設物なしの箇所の教師データを示す図である。It is a figure which shows the teacher data of the part without a buried object. 埋設物なしの箇所の教師データを示す図である。It is a figure which shows the teacher data of the part without a buried object. 異物の存在箇所の表示画像を示す図である。It is a figure which shows the display image of the existence place of a foreign substance. 異物の存在箇所の表示画像を示す図である。It is a figure which shows the display image of the existence place of a foreign substance. 異物の存在箇所の表示画像を示す図である。It is a figure which shows the display image of the existence place of a foreign substance. 異物の存在箇所の表示画像を示す図である。It is a figure which shows the display image of the existence place of a foreign substance. 異物の存在箇所の表示画像を示す図である。It is a figure which shows the display image of the existence place of a foreign substance. 異物の存在箇所の表示画像を示す図である。It is a figure which shows the display image of the existence place of a foreign substance. 異物の存在箇所の表示画像を示す図である。It is a figure which shows the display image of the existence place of a foreign substance. 単一の埋設管を検出したときの表示画像を示す図である。It is a figure which shows the display image when a single buried pipe is detected. 複数の埋設管を検出したときの表示画像を示す図である。It is a figure which shows the display image when a plurality of buried pipes are detected. 複数の埋設管を検出したときの表示画像を示す図である。It is a figure which shows the display image when a plurality of buried pipes are detected.

(全体構成)
図1は本発明の一実施形態の地中レーダ探査装置を装備した掘削機1の地中探査時の状態を示す断面図であり、図2は掘削機1のブーム収納時の状態を示す断面図であり、図3は掘削機1の掘削時の状態を示す断面図であり、図4は画像表示部8の正面図である。本実施形態の地中レーダ探査装置は、掘削機1に装備される。掘削機1は、操作者によって操作される操作装置2が設けられ、操作装置2の操作に応答して走行可能な掘削機本体3と、掘削機本体3に設けられ、操作装置2の操作に応答して移動可能な掘削部であるバケット4とを含む。掘削機本体3は、一対の無端状の履帯19を有し、操作装置2の操作によって任意の方向に自走することができる。
(overall structure)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a state of an excavator 1 equipped with an underground radar exploration device according to an embodiment of the present invention at the time of underground exploration, and FIG. 2 is a cross-sectional view showing a state of the excavator 1 at the time of boom storage. 3A and 3B are cross-sectional views showing a state of the excavator 1 at the time of excavation, and FIG. 4 is a front view of the image display unit 8. The ground penetrating radar exploration device of the present embodiment is equipped on the excavator 1. The excavator 1 is provided with an operating device 2 operated by an operator, and is provided in an excavator main body 3 capable of traveling in response to the operation of the operating device 2 and an excavator main body 3 provided to operate the operating device 2. It includes a bucket 4 which is an excavator that can move in response. The excavator main body 3 has a pair of endless tracks 19 and can self-propell in any direction by operating the operating device 2.

地中レーダ探査装置は、バケット4に設けられ、探査用電磁波を放射し、探査用電磁波のターゲットとしての対象物体である地中埋設物5による反射波を受信するアンテナ6と、掘削機本体3に設けられ、アンテナ6によって受信した反射波の受信信号に基づいて、3次元の画像信号を生成する信号処理部7と、掘削機本体3に設けられ、信号処理部7によって生成された3次元の画像信号を表示する画像表示部8とを備える。 The ground penetrating radar exploration device is provided in the bucket 4, emits an electromagnetic wave for exploration, and receives an antenna 6 that receives a reflected wave from an underground buried object 5 which is a target object of the electromagnetic wave for exploration, and an excavator main body 3. A signal processing unit 7 that generates a three-dimensional image signal based on the received signal of the reflected wave received by the antenna 6 and a three-dimensional unit 7 that is provided in the excavator main body 3 and generated by the signal processing unit 7. It is provided with an image display unit 8 for displaying the image signal of.

画像表示部8は、たとえば液晶表示装置、プラズマ表示装置などのいわゆる車載用ディスプレイ装置によって実現することができる。画像表示部8の表示画面には、信号処理部7によって、掘削機1を運転する操作者に教示する情報として、次のように表示される。表示画面に表示される表示態様を一例として述べると、信号処理部7によって、現在の掘削情報および地中埋設管などが表示される第1表示画像8a、対象区間の解析結果が模式化した斜視図、任意の度の水平断面図などによって表示される第2表示画像8b、探査深度範囲を表す水平断面図が表示される第3表示画像8c、表示画面切換えボタンが表示される第4表示画像8d、および信号処理の種類を選択するための第5表示画像8eが表示される。
The image display unit 8 can be realized by a so-called in-vehicle display device such as a liquid crystal display device or a plasma display device. On the display screen of the image display unit 8, the signal processing unit 7 displays the following information as information to be taught to the operator who operates the excavator 1. To describe the display mode displayed on the display screen as an example, the signal processing unit 7 displays the current excavation information, the underground pipe, and the like in the first display image 8a, and the perspective in which the analysis result of the target section is schematicized. Fig second display image 8b displayed by such horizontal sectional view of an arbitrary depth of the third display image 8c horizontal cross-sectional view showing the probing depth range is displayed, the display screen 4 displays the switching button is displayed The image 8d and the fifth display image 8e for selecting the type of signal processing are displayed.

前述の第1〜第5表示画像8a〜8eを構成する表示内容を一例として述べると、次のとおりである。第1表示画像8aは、1本の埋設管が検出されたことを表す「探査埋設管本数:1本」、バケット4の地表面からの鉛直距離である掘削深さを表す「現在の掘削深度:−43.0cm」、検出された埋設管の深度を表す「埋設管1の深度:GL−50.0cm」、バケット4の先端部から埋設管までの最短距離を表す「1までの最短距離:13.0cm」、バケット4の先端部の近傍に埋設管が存在することを報知する接近アラームがオン状態であることを表す「接近アラーム:ON」などによって構成される。 The display contents constituting the first to fifth display images 8a to 8e described above will be described as an example as follows. The first display image 8a shows "the number of exploration buried pipes: 1" indicating that one buried pipe was detected, and "current excavation depth" indicating the vertical distance of the bucket 4 from the ground surface. : -43.0 cm "," Depth of buried pipe 1: GL-50.0 cm "representing the detected depth of the buried pipe," Shortest distance to 1 "representing the shortest distance from the tip of the bucket 4 to the buried pipe 13.0 cm ”,“ Approach alarm: ON ”, which indicates that the approach alarm for notifying the existence of the buried pipe in the vicinity of the tip of the bucket 4 is in the ON state, and the like.

第2表示画像8bは、任意の区間の解析結果が模式化した斜視図などによって構成され、操作者に調査した区間に存在する埋設物を視覚的に教示することができる。 The second display image 8b is composed of a perspective view in which the analysis result of an arbitrary section is schematicized, and can visually teach the operator the buried object existing in the section investigated.

第3表示画像8cは、任意の深度および区間の解析結果が模式化した水平断面図などによって構成され、操作者に調査した深度および区間に存在する埋設物を視覚的に教示することができる。 The third display image 8c is composed of a horizontal cross-sectional view or the like in which the analysis results of an arbitrary depth and section are schematicized, and can visually teach the operator the buried objects existing in the investigated depth and section.

第4表示画像8dは、表示される探査対象画像を斜視図、水平断面図、縦断面図、横断面図、拡大/縮小などの表示態様を切換えるための複数の選択ボタンなどによって構成され、操作者が状況に応じて適切な画面を選択して表示させることができる。 The fourth display image 8d is composed of a plurality of selection buttons for switching a display mode such as a perspective view, a horizontal cross-sectional view, a vertical cross-sectional view, a cross-sectional view, and enlargement / reduction of the displayed exploration target image, and operates. A person can select and display an appropriate screen according to the situation.

第5表示画像8eは、アンテナ6から放射される電磁波の放射強度、反射波に受信感度などを選択するための複数の選択ボタンなどによって構成され、操作者が状況に応じて適切な信号処理を選択することができる。 The fifth display image 8e is composed of a plurality of selection buttons for selecting the radiation intensity of the electromagnetic wave radiated from the antenna 6 and the reception sensitivity for the reflected wave, and the operator performs appropriate signal processing according to the situation. You can choose.

本実施形態では、バックホーなどに代表される建設機械である掘削機1が路面掘削中に埋設管やケーブル類などの地中埋設物5を引っ掛けて損傷すること防止するために、レーダ探査の経験を持たない掘削機のオペレータである操作者に、地中埋設物5の存否をレーダ探査画像から明瞭に認識することができることを想定した具体例について述べる。地中埋設物5を監視しながら掘削を行うには、重機オペレータの他に別途レーダオペレータを必要とするが、掘削深度が深くなると人間が掘削範囲に入って探査を繰り返すことは危険度が高く現実的ではない。そこで本実施形態では、人工知能AIをレーダ探査画像判定に応用し、掘削機1のオペレータ席の画像表示部8の画面に、誰にでも分かりやすく、地中埋設物5をリアルタイムで表示することによって、埋設物確認と掘削作業をレーダ画像解析の経験のない重機オペレータが一人で行えるように構成される。 In this embodiment, experience of radar exploration is performed in order to prevent the excavator 1, which is a construction machine represented by a backhoe, from being damaged by catching an underground buried object 5 such as a buried pipe or cables during excavation of a road surface. A specific example is described on the assumption that the existence or nonexistence of the underground buried object 5 can be clearly recognized from the radar exploration image to the operator who is the operator of the excavator who does not have the above. In order to excavate while monitoring the underground buried object 5, a separate radar operator is required in addition to the heavy equipment operator, but when the excavation depth becomes deep, it is highly dangerous for humans to enter the excavation range and repeat the exploration. Not realistic. Therefore, in the present embodiment, the artificial intelligence AI is applied to the radar exploration image determination, and the underground buried object 5 is displayed in real time on the screen of the image display unit 8 of the operator's seat of the excavator 1 in an easy-to-understand manner. This allows heavy equipment operators who have no experience in radar image analysis to perform buried object confirmation and excavation work by themselves.

前記従来技術のレーダ探査機は、路面から深度1.5m程度までの地中埋設物5を捉えることができるが、深い深度になるほど反射強度が弱くなるため、レーダ探査画像の判読は難しくなる。本実施形態によれば、掘削深度は0.5m程度であり、従来のレーダ探査機であっても最も感度が得られる範囲となることから、これを繰り返し行うことにより、常に高い精度の探査が可能であり、より安全な掘削作業を行うことが可能となる。また、探査→掘削→探査→掘削…を繰り返し行うことによって、地上からのレーダ探査可能な深度1.5m程度よりも深い深度までエンドレスで、地中埋設物5の監視を行いながら安全に掘削作業を繰り返し行うことが可能となる。 The radar probe of the prior art can capture the underground buried object 5 from the road surface to a depth of about 1.5 m, but the deeper the depth, the weaker the reflection intensity, so that the radar exploration image becomes difficult to read. According to this embodiment, the excavation depth is about 0.5 m, which is the range where the most sensitivity can be obtained even with a conventional radar probe. Therefore, by repeating this, high-precision exploration can always be performed. It is possible and it is possible to carry out safer excavation work. In addition, by repeating exploration → excavation → exploration → excavation ..., the excavation work is safe while monitoring the underground buried object 5 endlessly to a depth deeper than the depth of about 1.5 m that can be radar explored from the ground. Can be repeated.

本実施形態では、建設機械である掘削機1が、路面掘削中に埋設管やケーブル類などの地中埋設物5を引っ掛けて損傷すること防止するために、レーダ探査の経験を持たない掘削機のオペレータである操作者に、地中埋設物5の存否をレーダ探査画像から明瞭に認識することができる具体例について述べる。 In the present embodiment, in order to prevent the excavator 1, which is a construction machine, from being damaged by catching the underground buried objects 5 such as buried pipes and cables during excavation of the road surface, the excavator has no experience in radar exploration. A specific example in which the existence or nonexistence of the underground buried object 5 can be clearly recognized from the radar exploration image will be described to the operator who is the operator of the above.

図5はバケット4を底部側から見た斜視図であり、図6はバケット4を開口部側から見た斜視図であり、図7はバケット4の断面図であり、図8はバケット4のアンテナ6の取付け部付近を示す部分拡大断面図である。バケット4は、掘削機本体3から延びるブーム9の先端部に、4つのリンクピン10a,10b,10c,10dおよびリンク部材11a,11b,11c,11dによって構成される平行四辺形リンクによって、背後壁13の底板部14とは反対側の部分(図6の上部分)が、傾動中心軸線L1に関して傾動可能に連結される。傾動中心軸線L1は、掘削機1の姿勢にもよるが、常態としてはほぼ水平であり、4つのリンクピン10a〜10dの各軸線は、傾動中心軸線L1に平行である。リンクピン10dの軸線方向両端部は、リンク部材11cの一端にピン結合され、リンク部材11cの他端には、リンクピン10cの軸線方向両端部がピン結合される。リンク部材11cは、ブーム9の先端部によって構成される。図1のとおり、地中探査時、アンテナ6は地中に向けて下向きの状態にされる。 5 is a perspective view of the bucket 4 as viewed from the bottom side, FIG. 6 is a perspective view of the bucket 4 as viewed from the opening side, FIG. 7 is a cross-sectional view of the bucket 4, and FIG. 8 is a sectional view of the bucket 4. It is a partially enlarged sectional view which shows the vicinity of the mounting part of the antenna 6. The bucket 4 has a back wall at the tip of the boom 9 extending from the excavator main body 3 by a parallelogram link composed of four link pins 10a, 10b, 10c, 10d and link members 11a, 11b, 11c, 11d. A portion of 13 opposite to the bottom plate portion 14 (upper portion of FIG. 6) is tiltably connected with respect to the tilt center axis L1. The tilt center axis L1 is substantially horizontal in the normal state, although it depends on the posture of the excavator 1, and each axis of the four link pins 10a to 10d is parallel to the tilt center axis L1. Both ends in the axial direction of the link pin 10d are pin-coupled to one end of the link member 11c, and both ends in the axial direction of the link pin 10c are pin-coupled to the other end of the link member 11c. The link member 11c is composed of the tip end portion of the boom 9. As shown in FIG. 1, during the underground exploration, the antenna 6 is turned downward toward the ground.

リンク部材10dの軸線方向中間部には、複動油圧シリンダCY1のピストン棒CY11の先端部が回動自在に連結される。ブーム9は、2つのアーム21,22と、各アーム21,22の互いに隣接した各一端部をピン結合する連結ピン23と、掘削機本体3側の一方のアーム22の一端を掘削機本体3にピン結合する連結ピン24とを有する。掘削機本体33には、複動油圧シリンダCY2がたとえばトラニオン継手によって連結される。複動油圧シリンダCY2のピストン棒CY21の先端部は、中間ピン25によってアーム22の長手方向のほぼ中央部にピン結合される。中間ピン25には、複動油圧シリンダCY3が前述の複動油圧シリンダCY2と同様に、たとえばトラニオン継手によってピン結合され、この複動油圧シリンダCY3のピストン棒CY31の先端部は、他方のアーム21の一端にピン結合される。 The tip of the piston rod CY11 of the double-acting hydraulic cylinder CY1 is rotatably connected to the axial middle portion of the link member 10d. The boom 9 has two arms 21 and 22, a connecting pin 23 for pin-coupling each end of each arm 21 and 22 adjacent to each other, and one end of one arm 22 on the excavator body 3 side is the excavator body 3. It has a connecting pin 24 that is pin-coupled to. A double-acting hydraulic cylinder CY2 is connected to the excavator main body 33 by, for example, a trunnion joint. The tip of the piston rod CY21 of the double-acting hydraulic cylinder CY2 is pin-coupled to a substantially central portion in the longitudinal direction of the arm 22 by an intermediate pin 25. A double-acting hydraulic cylinder CY3 is pin-coupled to the intermediate pin 25 by, for example, a trannyon joint in the same manner as the above-mentioned double-acting hydraulic cylinder CY2, and the tip of the piston rod CY31 of the double-acting hydraulic cylinder CY3 is the other arm 21. It is pin-coupled to one end of the.

バケット4は、傾動中心軸線L1に垂直な平面に沿って延びる一対の側壁12a,12bと、傾動中心軸線L1に垂直な断面が略C字状に湾曲した背後壁13と、平坦状の底板部14とを有する。バケット4は、たとえば鋼鉄製である。背後壁13および底板部14の傾動中心軸線L1に平行な方向における両側の側縁部は、側壁12a,12bの周縁部に溶接などによって接合される。各側壁12a,12bと背後壁13と底板部14とは、掘削した土砂を、開口を介して収容可能な収容空間を構成する。底板部14には、開口に臨む、傾動中心軸線L1に平行な開口側縁部に、複数の爪部材15が傾動中心軸線L1に沿って互いに間隔をあけて整列して、ボルトおよびナットなどによって固定される。各爪部材15が変形または摩耗したときには、ボルトおよびナットを外して、新たなものと交換することが可能である。掘削部4は、水平な傾動中心軸線L1に垂直な平面に沿って延びる一対の側壁12a、12bと、前記側壁12a、12b間で傾動中心軸線L1に垂直な断面がC字状に湾曲した背後壁13と、背後壁13から開口側(図6の斜め左下方、図7の左方)に延び、開口側縁部に複数の爪部材15が固定される平坦状の底板部14とによって、掘削した土砂を収容する収容空間を構成するバケットである。 The bucket 4 has a pair of side walls 12a and 12b extending along a plane perpendicular to the tilting center axis L1, a back wall 13 having a substantially C-shaped cross section perpendicular to the tilting center axis L1, and a flat bottom plate portion. 14 and. The bucket 4 is made of steel, for example. The side edges of the back wall 13 and the bottom plate 14 on both sides in the direction parallel to the tilting center axis L1 are joined to the peripheral edges of the side walls 12a and 12b by welding or the like. The side walls 12a and 12b, the back wall 13, and the bottom plate portion 14 form a storage space that can accommodate the excavated earth and sand through the openings. On the bottom plate portion 14, a plurality of claw members 15 are aligned with each other along the tilting center axis L1 at an opening side edge parallel to the tilting center axis L1 facing the opening, and are aligned with each other by bolts, nuts, or the like. It is fixed. When each claw member 15 is deformed or worn, the bolt and nut can be removed and replaced with a new one. The excavated portion 4 has a pair of side walls 12a and 12b extending along a plane perpendicular to the horizontal tilting center axis L1 and a cross section perpendicular to the tilting center axis L1 between the side walls 12a and 12b curved in a C shape. The wall 13 and the flat bottom plate portion 14 extending from the back wall 13 to the opening side (diagonally lower left in FIG. 6, left in FIG. 7) and to which a plurality of claw members 15 are fixed to the opening side edge portion. It is a bucket that constitutes a storage space for accommodating excavated earth and sand.

背後壁13には、アンテナ6が背後壁13の外側から組込んで取り付けられる。このようにアンテナ6を背後壁13に外側から組込んで取付けられるのは、掘削時の土砂、岩石などの衝突による破損を防ぐためである。背後壁13へのアンテナ6の取付け部の構成について述べる。 An antenna 6 is assembled and attached to the back wall 13 from the outside of the back wall 13. The reason why the antenna 6 is incorporated and attached to the back wall 13 from the outside in this way is to prevent damage due to collision of earth and sand, rocks, etc. during excavation. The configuration of the attachment portion of the antenna 6 to the back wall 13 will be described.

背後壁13の背面における平行四辺形リンク(10a〜10d、11a〜11d)よりも底板部14寄り(図5の上方、図6の下方)には、ブーム9の先端部に臨んで外側(図5の斜め右上方、ならびに図7および図8の斜め右上方)に開放し内面側(図5の斜め左下方、ならびに図7および図8の斜め左下方)に膨らんだ凹部27が形成される。この凹部27の空間にアンテナ6と、アンテナ6を覆うカバー部材28とが嵌着される。カバー部材28は、アンテナ6からの電磁波の放射および反射波の入射を妨げない材料、たとえばベークライトから成る。カバー部材28によって、土砂、岩石、機材および工具などの衝突が防がれ、工事で生じた泥水、雨水、硬化前のコンクリートの付着などから防護され。電磁波の放射強度および入射強度の減衰が防がれる。 On the back surface of the back wall 13, closer to the bottom plate 14 (upper in FIG. 5, lower in FIG. 6) than the parallelogram links (10a to 10d, 11a to 11d) , facing the tip of the boom 9 and outside (FIG. 6). An open recess 27 is formed on the inner surface side (diagonally lower left of FIG. 5 and diagonally lower left of FIGS. 7 and 8) open to the diagonally upper right of FIG. 5 and diagonally to the upper right of FIGS. 7 and 8. .. The antenna 6 and the cover member 28 that covers the antenna 6 are fitted in the space of the recess 27. The cover member 28 is made of a material that does not interfere with the emission of electromagnetic waves from the antenna 6 and the incident of reflected waves, for example, bakelite. The cover member 28 prevents collisions of earth and sand, rocks, equipment and tools, and protects against muddy water, rainwater, and adhesion of concrete before hardening caused by construction work. Attenuation of the radiant intensity and incident intensity of electromagnetic waves is prevented.

(アンテナの構成)
図9はアンテナ6を裏面側から見た斜視図であり、図10はアンテナ6を放射面側から見た斜視図である。アンテナ6は、一列に複数のアンテナ素子が並んだ多配列アンテナから成り、バケット4の幅Bによってアンテナ素子の数は異なるが、いずれの場合も、バケット4の背面の外側に取り付けられ、表面から突起せず、内側へ埋め込む構成とする。多配列アンテナを使用することによって、地中の埋設管やケーブル類の埋設方向、埋設勾配、埋設深度などの情報を1回のアンテナ走査で取得することができる。
(Antenna configuration)
FIG. 9 is a perspective view of the antenna 6 as viewed from the back surface side, and FIG. 10 is a perspective view of the antenna 6 as viewed from the radiation surface side. The antenna 6 is composed of a multi-arranged antenna in which a plurality of antenna elements are arranged in a row, and the number of antenna elements varies depending on the width B of the bucket 4, but in each case, the antenna 6 is attached to the outside of the back surface of the bucket 4 and is mounted from the surface. It is configured to be embedded inside without protruding. By using a multi-arranged antenna, information such as the burial direction, burial gradient, and burial depth of buried pipes and cables in the ground can be acquired by one antenna scan.

アンテナ6は、エアーカップルタイプの多配列ステップ周波数方式超広帯域ダイポールアンテナを使用し、周波数帯域は50MHz〜10GHzの広帯域であり、浅層〜深層までのあらゆる深度帯で高い分解能で探査画像情報を得ることができる。本実施形態において、“浅層”とは、地面からの深さが0m以上0.1m以下の範囲であり、“深層”とは、地面からの深さが0.1mを超え2.0m以下の範囲である。バケット4の内部にアンテナ6を装着した場合、掘削前面方向の地中埋設物5を探査すると、アンテナ素子からの漏洩電界強度が電波法施行規則に規定される基準値、たとえば周波数帯が322MHzを超え10GHz以下の場合、電波発生源から半径3mの位置での電界強度が35μV/m以下であることを満足する必要があり、本実施形態では、アンテナ6の送受信の各アンテナ素子の一対毎に、フェライトによって漏洩電波を遮断できる構造とし、漏洩磁界強度が電波法施行規則に規定された基準値を満足することができるように構成される。 The antenna 6 uses an air couple type multi-arranged step frequency type ultra-wideband dipole antenna, has a wide frequency band of 50 MHz to 10 GHz, and obtains exploration image information with high resolution in all depth bands from shallow to deep layers. be able to. In the present embodiment, the "shallow layer" is a range in which the depth from the ground is 0 m or more and 0.1 m or less, and the "deep layer" is a depth from the ground of more than 0.1 m and 2.0 m or less. Is the range of. When the antenna 6 is mounted inside the bucket 4, when the underground buried object 5 in the front direction of excavation is explored, the leakage electric field strength from the antenna element is the reference value specified in the Radio Law Enforcement Regulations, for example, the frequency band is 322 MHz. When the frequency exceeds 10 GHz, it is necessary to satisfy that the electric field strength at a position with a radius of 3 m from the radio wave generation source is 35 μV / m or less. In this embodiment, for each pair of antenna elements for transmission and reception of the antenna 6. The structure is such that the leaked radio wave can be blocked by ferrite, and the leaked magnetic field strength can satisfy the standard value stipulated in the Radio Law Enforcement Regulations.

バケット4の背面に取付けられたアンテナ6は、外側には突出せず、内面側に膨らんだ構造となっており、掘削時の土砂などの被掘削物の接触などによる負荷が、直接アンテナ6の放射・入射面に作用しない構造としている。また、バケット4の内面側への突出量ΔLは3cm程度のものであり、掘削能力に与える影響はほとんど発生しない。 The antenna 6 attached to the back surface of the bucket 4 does not protrude outward and has a structure that bulges inward, and the load due to contact with the excavated object such as earth and sand during excavation is directly applied to the antenna 6. It has a structure that does not act on the radiation / incident surface. Further, the amount of protrusion ΔL to the inner surface side of the bucket 4 is about 3 cm, and there is almost no influence on the excavation ability.

掘削機1のブーム9の各関節部には、角度センサまたはエンコーダが取付けられており、各関節の動きから、アンテナ6の水平移動量および上下移動量を正確に計算して、地中埋設物5までの距離、掘削深度の情報がリアルタイムで信号処理部7に入力される。各関節の動きを検出する手法として、角度センサおよびエンコーダに代えて、直交3軸方向の加速度を検出する加速度センサが用いられてもよい。 An angle sensor or an encoder is attached to each joint of the boom 9 of the excavator 1, and the horizontal movement amount and the vertical movement amount of the antenna 6 are accurately calculated from the movement of each joint, and the buried object is buried in the ground. Information on the distance to 5 and the depth of excavation is input to the signal processing unit 7 in real time. As a method for detecting the movement of each joint, an acceleration sensor that detects acceleration in the orthogonal three-axis directions may be used instead of the angle sensor and the encoder.

(地中レーダの原理)
図11は地中レーダの原理を説明するための図である。路面下に向けて送信された電磁波は、均質な成分中では無反射の状態で進むが、電気的性質の異なる物質の境界面では反射波が生じる。図11に示すように、電磁波を送信アンテナから路面下に向けて放射すると、電磁波は電気的性質の異なる物質、たとえばコンクリート、鉄筋、空洞などの反射物体との境界面で反射し、再びコンクリート表面に出て、受信アンテナに到達する。その到達時間から、地中埋設物5を含む反射物体までの距離を計測し、アンテナを路面上で移動することによって、距離が最小値となる位置を平面上の位置として推定することができる。反射物体までの深さDは、以下の式1で示される。

Figure 0006970079
(Principle of ground penetrating radar)
FIG. 11 is a diagram for explaining the principle of ground penetrating radar. Electromagnetic waves transmitted under the road surface travel in a non-reflective state in a homogeneous component, but reflected waves are generated at the interface between substances having different electrical properties. As shown in FIG. 11, when an electromagnetic wave is radiated from a transmitting antenna toward the bottom of the road surface, the electromagnetic wave is reflected at a boundary surface with a substance having different electrical properties, for example, a reflective object such as concrete, a reinforcing bar, or a cavity, and is again on the concrete surface. And reach the receiving antenna. By measuring the distance to the reflecting object including the underground buried object 5 from the arrival time and moving the antenna on the road surface, the position where the distance becomes the minimum value can be estimated as the position on the plane. The depth D to the reflecting object is expressed by the following equation 1.

Figure 0006970079

図12は代表的な対象物質の比誘電率を示す図である。比誘電率とは、対象物質の誘電率と真空中の誘電率との比であり、地中の伝播損失に関わる。比誘電率が小さいほど伝播損失は小さくなる。したがって、比誘電率が小さいほど、探査深度は深くなる。 FIG. 12 is a diagram showing the relative permittivity of a typical target substance. The relative permittivity is the ratio of the permittivity of the target substance to the permittivity in vacuum, and is related to the propagation loss in the ground. The smaller the relative permittivity, the smaller the propagation loss. Therefore, the smaller the relative permittivity, the deeper the exploration depth.

(3Dレーダシステムの原理)
図13は3Dレーダシステムの原理を説明するための図であり、図14はレーダ探査によって取得される画像データを3次元的に示した説明図である。本実施形態の地中レーダ探査装置には、3Dレーダシステムが用いられる。3Dレーダシステムは、並列した複数のアンテナ素子によって構成されるマルチチャンネルアンテナアレイ方式が採用され、走査することによって20〜30測線に相当する、畳込みニューラルネットワークによる解析用の画像データを一度に取得することができる。さらに、送受信する周波数領域を、後述の図15に示されるように、200MHzから段階的に最小幅周波数を2MHz毎に高めていくステップ周波数方式が採用されるので、対象深度毎にアンテナを使い分ける必要がなくなり、各深度のデータを1つのアンテナアレイから取得することが可能である。このような構成によって、地中情報のより精度の高い3次元的な解釈を容易化、高精度化することができる。
(Principle of 3D radar system)
FIG. 13 is a diagram for explaining the principle of the 3D radar system, and FIG. 14 is an explanatory diagram showing image data acquired by radar exploration in three dimensions. A 3D radar system is used for the ground penetrating radar of the present embodiment. The 3D radar system employs a multi-channel antenna array system consisting of multiple antenna elements in parallel, and by scanning, image data for analysis by a convolutional neural network, which corresponds to 20 to 30 survey lines, is acquired at once. can do. Further, as shown in FIG. 15 described later, a step frequency method is adopted in which the minimum width frequency is gradually increased every 2 MHz from 200 MHz in the frequency domain to be transmitted and received, so it is necessary to use different antennas for each target depth. It is possible to acquire the data of each depth from one antenna array. With such a configuration, it is possible to facilitate and improve the accuracy of three-dimensional interpretation of underground information with higher accuracy.

また、アンテナ6は、エアーカップルボウタイポールペアによって構成されており、地上高を最大30cmまで離した状態で高速移動での探査が可能である。このような3Dレーダシステムは、信号処理部7のROM(Read Only Memory)などの記憶部にアプリケーションプログラムとして記憶されており、これを実行することによって、前述の畳込みニューラルネットワークによる解析用の3次元の画像データを取得することができる。 Further, the antenna 6 is composed of an air couple bow tie pole pair, and can be explored at high speed with the ground height separated by a maximum of 30 cm. Such a 3D radar system is stored as an application program in a storage unit such as a ROM (Read Only Memory) of the signal processing unit 7, and by executing this, 3 for analysis by the above-mentioned convolutional neural network is performed. Dimensional image data can be acquired.

(ステップ周波数方式について)
図15はアンテナ6のステップ周波数方式によるレーダ波形を示す波形図であり、図16は動作信号の周波数に対するスペクトルを示す図であり、図17は超高帯域周波数応答による波形分布を示す図である。ステップ周波数は、直線的に増加していく連続正弦波からなるレーダ波形である。3Dレーダシステムは、周波数毎に位相および振幅を測定し、それら取得データから時間領域プロファイル(A−スキャン)を構築するために逆フーリエ変換処理が行われる。3Dレーダシステムでは、周波数領域で収集したデータをコンピュータ上で前述の処理を行って、時間領域データに変換している。また信号処理部は、コンピュータ制御によって、探査開始から終了までに送受信する各周波数に及んで滞留時間(Dwell Time)を設定することが可能である。
(About the step frequency method)
FIG. 15 is a waveform diagram showing a radar waveform according to the step frequency method of the antenna 6, FIG. 16 is a diagram showing a spectrum with respect to the frequency of the operating signal, and FIG. 17 is a diagram showing a waveform distribution due to an ultra-high band frequency response. .. The step frequency is a radar waveform consisting of a continuous sine wave that increases linearly. The 3D radar system measures the phase and amplitude for each frequency, and an inverse Fourier transform process is performed to construct a time domain profile (A-scan) from the acquired data. In the 3D radar system, the data collected in the frequency domain is converted into the time domain data by performing the above-mentioned processing on the computer. In addition, the signal processing unit can set the dwell time (Dwell Time) over each frequency transmitted and received from the start to the end of the exploration by computer control.

比較例としてパルス波レーダについて述べると、パルス波レーダは、一定のパルス反復率(PRF)をもつ非常に短いパルス波を放出して、いくつかの連続パルスからトレースして時間領域を構築するストロボサンプリングが採用されている。ストロボサンプリングは、反射波の時間領域データを直接取得しているため、エネルギの損失が大きく、周波数領域も限定される。これに対し、前述の3Dレーダシステムで取得した生データは、周波数領域データの逆フーリエ変換で導出した時間領域データとして両方ともに取り込んで保存が可能である。3Dレーダで取得した時間領域データは、パルス波レーダで取得した時間領域データに相当するが、3Dレーダにおける周波数領域データは、より広範囲の周波数領域での処理を可能にする。 As a comparative example, a pulse wave radar is a strobe that emits a very short pulse wave with a constant pulse repetition rate (PRF) and traces from several continuous pulses to build a time region. Sampling is adopted. Since the strobe sampling directly acquires the time domain data of the reflected wave, the energy loss is large and the frequency domain is also limited. On the other hand, the raw data acquired by the above-mentioned 3D radar system can be captured and stored as time domain data derived by the inverse Fourier transform of the frequency domain data. The time domain data acquired by the 3D radar corresponds to the time domain data acquired by the pulse wave radar, but the frequency domain data in the 3D radar enables processing in a wider frequency domain.

超広帯域ボウタイモノポールを採用している3Dレーダシステムである本実施形態の地中レーダ探査装置は、前述の図17に示されるように、200MHzから最大3GHzの範囲まで連続した周波数帯域をカバーしている。したがって、パルス波レーダを用いて同様の調査を行うとすると、200MHz、400MHz、1000MHz、2000MHzのアンテナをそれぞれ用意しなくてはならないが、本実施形態の地中レーダ探査装置は、アンテナ6を取り換えることなく、200MHz以上3GHz以下の周波数帯域のデータを収集することが可能である。 The ground penetrating radar of the present embodiment, which is a 3D radar system that employs an ultra-wideband bow tie monopole, covers a continuous frequency band from 200 MHz to a maximum of 3 GHz, as shown in FIG. 17 above. ing. Therefore, if the same investigation is to be performed using a pulse wave radar, it is necessary to prepare antennas of 200 MHz, 400 MHz, 1000 MHz, and 2000 MHz, respectively, but the ground penetrating radar exploration device of the present embodiment replaces the antenna 6. It is possible to collect data in a frequency band of 200 MHz or more and 3 GHz or less without any problem.

(探査・掘削の手順)
本実施形態の地中レーダ探査装置による探査および掘削の手順は、次のとおりである。
(1)掘削対象路面にバケット4の爪先を接触させ、このときの深度をブーム9に取り付けられた角度センサまたはエンコーダによって計測し、深度0mとして信号処理部7の記憶装置に記憶させる。
(Procedure for exploration and excavation)
The procedure of exploration and excavation by the ground penetrating radar of this embodiment is as follows.
(1) The toe of the bucket 4 is brought into contact with the road surface to be excavated, the depth at this time is measured by an angle sensor or an encoder attached to the boom 9, and the depth is stored in the storage device of the signal processing unit 7 as 0 m.

(2)掘削前に路面上から掘削範囲を対象にレーダ探査を行い、路面近傍の地中に地中埋設物5が存在するか否かの確認探査を実施する。探査の結果は、運転席に設置した画像表示部8の表示画面に地下1.0m付近までの地中状況が、リアルタイムで3次元表示されることで、掘削開始の可否を操作者が容易かつ確実に判断することができる。 (2) Before excavation, radar exploration is conducted from the road surface to the excavation range, and confirmation exploration is carried out to confirm whether or not the underground buried object 5 exists in the ground near the road surface. The result of the exploration is that the display screen of the image display unit 8 installed in the driver's seat displays the underground condition up to about 1.0 m underground in three dimensions in real time, making it easy for the operator to decide whether or not to start excavation. You can make a definite judgment.

(3)1回の走査による掘削深度は、地中探査なしで掘削する場合は30cm〜50cm程度と考えられるため、掘削前の確認探査で得られた地中1.0m付近までの探査で地中埋設物5が存在しないと判断された場合は、一気に深度1.0mまでの掘削を行ってもよいが、安全側から掘削深度50cm毎に確認探査を実施することが望ましい。 (3) Since the excavation depth by one scan is considered to be about 30 cm to 50 cm when excavating without underground exploration, the exploration up to about 1.0 m in the ground obtained by the confirmation exploration before excavation If it is determined that the underground buried object 5 does not exist, excavation to a depth of 1.0 m may be carried out at once, but it is desirable to carry out confirmation exploration every 50 cm of excavation depth from the safety side.

(4)地中に地中埋設物5の反応があった場合、画像表示部8の表示画面には、リアルタイムで現在の掘削深度と地中埋設物5までの深度が表示されており、現在のバケット4の爪先から地中埋設物5までの最短距離も確認できる。また、爪先と地中埋設物5までの距離が20cm以下になった場合には、自動的に接近警報、たとえば運転席に備えられるブザーによる警報音の発生および警報ランプの点滅の両方または一方によって警報を発する機能を備えている。 (4) When there is a reaction of the underground buried object 5 in the ground, the current excavation depth and the depth up to the underground buried object 5 are displayed in real time on the display screen of the image display unit 8, and the present The shortest distance from the tip of the bucket 4 to the underground buried object 5 can also be confirmed. In addition, when the distance between the tip of the toe and the buried object 5 is 20 cm or less, an approach warning is automatically issued, for example, an alarm sound is generated by a buzzer provided in the driver's seat and the alarm lamp blinks or one of them. It has a function to issue an alarm.

図18は地中の異物の反応による虚像の発生原理を説明するための図であり、図19は画像表示部8の表示画面に表示された表示画像の一例を示す図であり、図20は虚像を含む探査画像の一例を示す図であり、図21は畳込みニューラルネットワークのシステム構成を示す図である。アンテナ6を用いて得られた探査信号の信号処理について述べる。アンテナ6によって受信した反射波による受信信号から明瞭な探査画像を取り出すために、画像データの認識に優れた畳込みニューラルネットワーク(Convolutional Neural Network;略称CNN)の導入によって、より高いレベルの特徴を学習し、地中埋設物5に特化した画像抽出を行うことができるとともに、物体の位置のずれに対して頑健であるので、特徴を検知する対象が入力データのどこにあっても高精度で検知することができる移動不変性を有する。 FIG. 18 is a diagram for explaining the principle of generation of a virtual image due to the reaction of a foreign substance in the ground, FIG. 19 is a diagram showing an example of a display image displayed on the display screen of the image display unit 8, and FIG. 20 is a diagram. It is a figure which shows an example of the exploration image including a virtual image, and FIG. 21 is a figure which shows the system structure of the convolutional neural network. The signal processing of the exploration signal obtained by using the antenna 6 will be described. In order to extract a clear exploration image from the signal received by the reflected wave received by the antenna 6, a higher level of features is learned by introducing a convolutional neural network (CNN) that excels in recognizing image data. However, since it is possible to perform image extraction specialized for the underground buried object 5 and it is robust against the displacement of the position of the object, it can detect the feature with high accuracy no matter where it is in the input data. Has a mobile invariance that can be.

図22は入力したn層(ここに、nは正の整数)の画像データを畳込み処理して(n+1)層を作成するアルゴリズムを模式的に示す図であり、図23Aは畳込み処理とプーリング処理とを複数回行なって生成された全結合層の表示画像30を示す図である。図23Bは表示画像30中の埋設物なしの箇所の拡大図であり、図23Cは表示画像30中の埋設物ありの箇所の拡大図である。ニューラルネットワークは、入力層、畳込み層、プーリング層、全結合層および分類層を含む。畳込み層は、入力した画像情報の特徴を抽出するためのものであり、複数の特徴マップによって構成される。各特徴マップの各ニューロンは、前の層の隣接するニューロンに接続され、新たな特徴マップを算出するために、入力された特徴マップと学習済みの畳込みカーネル(フィルタまたは特徴検出器ともいう。)との畳み込みを行い、その結果を活性化関数に与える。プーリング層は、特徴マップの解像度を低下させることによって空間的不変性を得るためのものであり、2つの畳込み層の間に位置している。各プーリング層の特徴マップは、対応する前の畳込み層の特徴マップに接続されており、平均プーリングおよび最大化プーリングを抽出する。いくつかの畳込み層とプーリング層とを重ね合わせることによって、より抽象的な特徴マップを抽出する。最後段の畳込み層およびプーリング層の後には、1または複数の全結合層が存在し、全結合層の各ニューロンは、前の層のすべてのニューロンにそれぞれ接続され、最終的な画像ファイルが抽出される。 FIG. 22 is a diagram schematically showing an algorithm for creating a (n + 1) layer by convolving the input image data of the n layers (where n is a positive integer), and FIG. 23A shows the convolution process. It is a figure which shows the display image 30 of the fully connected layer generated by performing the pooling process a plurality of times. FIG. 23B is an enlarged view of a portion without buried objects in the display image 30, and FIG. 23C is an enlarged view of a portion with buried objects in the display image 30. The neural network includes an input layer, a convolution layer, a pooling layer, a fully connected layer and a classification layer. The convolutional layer is for extracting the features of the input image information, and is composed of a plurality of feature maps. Each neuron in each feature map is connected to an adjacent neuron in the previous layer, and the input feature map and the trained convolution kernel (also called a filter or feature detector) are used to calculate a new feature map. ) And give the result to the activation function. The pooling layer is for obtaining spatial invariance by reducing the resolution of the feature map and is located between the two convolutional layers. The feature map of each pooling layer is connected to the feature map of the corresponding previous convolutional layer to extract the average pooling and the maximized pooling. A more abstract feature map is extracted by superimposing several convolutional layers and pooling layers. After the last convolutional layer and pooling layer, there is one or more fully connected layers, each neuron in the fully connected layer is connected to all the neurons in the previous layer, respectively, and the final image file is Be extracted.

図24A〜図24Hは埋設物ありの箇所の教師データを示す図であり、図25A〜図25Hは健全部の教師データを示す図である。埋設物なしの箇所を埋設物ありの箇所以外の位置から抽出した場合、図24Aのように画像データが抽出される。埋設物なしの箇所を一定の大きさの画像データとして抽出すると、図24Bのように画像データが抽出される。埋設物ありの箇所の教師データは、図24C〜図24Hの各例のような画像データとして抽出される。埋設物なしの箇所の教師データは、図25A〜図25Hの各例のような画像データとして抽出される。 24A to 24H are diagrams showing teacher data of a portion with a buried object, and FIGS. 25A to 25H are diagrams showing teacher data of a sound portion. When the part without the buried object is extracted from the position other than the part with the buried object, the image data is extracted as shown in FIG. 24A. When a portion without a buried object is extracted as image data of a certain size, the image data is extracted as shown in FIG. 24B. The teacher data of the place where there is a buried object is extracted as image data as in each example of FIGS. 24C to 24H. The teacher data of the portion without the buried object is extracted as image data as in each example of FIGS. 25A to 25H.

図26〜図29は異物の存在箇所の表示画像を示す図である。地下に異物が存在する場合には、図26〜図29の各例のように、複数の長方形の枠が赤色で重なって表示され、異物が存在する箇所が3次元で強調表示される。 26 to 29 are views showing display images of locations where foreign substances are present. When a foreign substance is present in the basement, as in each example of FIGS. 26 to 29, a plurality of rectangular frames are displayed overlapping in red, and the place where the foreign substance is present is highlighted in three dimensions.

図30A〜図30Cは単一の埋設管を検出したときの表示画像を示す図である。探査対象の全区間を探査した場合の検出結果は、図30Aのように検出した全ての埋設物が同一色のフレームで3次元表示される。各フレームが比較的に密に表示されている箇所は、埋設管であるとして、図30Bのように、他の色、たとえば白色の背景に黒色のフレームが表示されている場合、この他の色とは異なる色、たとえば赤色のフレームで強調して3次元表示される。また、全区間を探査し、埋設管由来のものであると判定した場合には、図30Cのように、赤色で埋設物のフレームだけが強調され、3次元表示される。
画像表示部8は、掘削機本体3に設けられ、図30A〜図30Cおよび次に述べる図31A〜図31Cのとおり、前記信号処理部7によって生成された、掘削機本体3の走行方向、走行直角方向および深度方向の3次元の画像信号の画像を表示する。
30A to 30C are views showing display images when a single buried pipe is detected. The detection result when the entire section to be explored is explored is displayed three-dimensionally in a frame of the same color for all the detected buried objects as shown in FIG. 30A. The place where each frame is displayed relatively densely is assumed to be an embedded pipe, and if a black frame is displayed in another color, for example, a white background, as shown in FIG. 30B, the other color is displayed. It is displayed in three dimensions by emphasizing it with a different color, for example, a red frame. Further, when the entire section is explored and it is determined that the frame is derived from the buried pipe, only the frame of the buried object is highlighted in red and displayed three-dimensionally as shown in FIG. 30C.
The image display unit 8 is provided in the excavator main body 3, and as shown in FIGS. 30A to 30C and FIGS. 31A to 31C described below, the traveling direction and traveling of the excavator main body 3 generated by the signal processing unit 7 are provided. Displays an image of a three-dimensional image signal in the perpendicular direction and the depth direction.

図31Aは単一の埋設管を検出したときの表示画像を示す図であり、図31Bは複数の埋設管を検出したときの表示画像を示す図であり、図31Cは複数の埋設管を検出したときの表示画像を示す図である。全区間を探査して検出された埋設物は、図31Aのように、すべての埋設物が3次元表示され、すべての埋設管が単一の埋設管であることが判る。また、すべての埋設物のうち、埋設管由来であると判定された場合には、図31Bのように、埋設管だけが前述と同様に、他とは異なる赤色で強調して3次元表示される。さらに、検出されたすべての埋設物のうち、埋設管以外の枠を除去すると、図31Cのように、埋設管だけが3次元表示される。 31A is a diagram showing a display image when a single buried pipe is detected, FIG. 31B is a diagram showing a display image when a plurality of buried pipes are detected, and FIG. 31C is a diagram showing a display image when a plurality of buried pipes are detected. It is a figure which shows the display image at the time of this. As shown in FIG. 31A, all the buried objects detected by exploring the entire section are displayed three-dimensionally, and it can be seen that all the buried objects are single buried pipes. Further, when it is determined that the material is derived from the buried pipe among all the buried objects, as shown in FIG. 31B, only the buried pipe is highlighted in red, which is different from the others, and displayed three-dimensionally. NS. Further, when the frame other than the buried pipe is removed from all the detected buried objects, only the buried pipe is three-dimensionally displayed as shown in FIG. 31C.

以上のように本実施形態によれば、パワーショベル、バックホーなどの掘削機械の土砂を掘削する掘削部であるバケット4に、アンテナ6が一体に設けられる。バケット4を用いて地面を掘削する際、アンテナ6の探査範囲内に地中埋設物5の存在を確認次第、バケット4を強制停止させることによって、事故を未然に防ぐことができる。このシステムによって、工事前の調査が不要になるので、施工期間が短縮できるだけでなく、作業者の不注意あるいは操作ミスが原因で起こる事故を大幅に減らすことができる。 As described above, according to the present embodiment, the antenna 6 is integrally provided in the bucket 4 which is an excavation part for excavating the earth and sand of an excavator such as a power shovel and a backhoe. When excavating the ground using the bucket 4, an accident can be prevented by forcibly stopping the bucket 4 as soon as the existence of the underground buried object 5 is confirmed within the exploration range of the antenna 6. This system eliminates the need for pre-construction surveys, which not only shortens the construction period, but also significantly reduces accidents caused by operator carelessness or operational mistakes.

本発明に係る地中レーザ探査装置は、バックホーなどの掘削機械に搭載して地中の埋設管やケーブル類の探査に実施されるだけではなく、たとえば紛争国などに残された埋設地雷の探査にも好適に実施することができる。また自動車や軌道車両に搭載することによって、高速移動しながら非接触で地中探査、トンネル覆工背面の空洞探査などにも好適に実施することが可能である。 The underground laser exploration device according to the present invention is mounted on an excavation machine such as a backhoe and is not only carried out for exploration of buried pipes and cables in the ground, but also for exploration of buried land mines left in conflict countries, for example. Can also be suitably carried out. In addition, by mounting it on an automobile or track vehicle, it is possible to suitably carry out ground penetrating radar and cavity exploration on the back surface of tunnel lining while moving at high speed.

1 掘削機
2 操作装置
3 掘削機本体
4 バケット
5 地中埋設物
6 アンテナ
7 信号処理部
8 画像表示部
9 ブーム
10a,10b,10c,10d リンクピン
11a,11b,11c,11d リンク部材
12a,12b 側壁
13 背後壁
14 底板部
15 爪部材
19 履帯
21,22 アーム
23 連結ピン
24 連結ピン
25 中間ピン
27 凹部
28 カバー部材
CY1,CY2,CY3 複動油圧シリンダ
CY11,CY21,CY31 ピストン棒
L1 傾動中心軸線
1 Excavator 2 Operation device 3 Excavator body 4 Bucket 5 Underground buried object 6 Antenna 7 Signal processing unit 8 Image display unit 9 Boom 10a, 10b, 10c, 10d Link pin 11a, 11b, 11c, 11d Link member 12a, 12b Side wall 13 Back wall 14 Bottom plate 15 Crawler belt 21, 22 Arm 23 Connecting pin 24 Connecting pin 25 Intermediate pin 27 Recess 28 Cover member CY1, CY2, CY3 Double-acting hydraulic cylinder CY11, CY21, CY31 Piston rod L1 Tilt center axis

Claims (3)

a 操作者によって操作される操作装置が設けられ、操作装置の操作に応答して走行可能な掘削機本体と、掘削機本体に設けられ、操作装置の操作に応答して移動可能な掘削部と、を含む掘削機1に備えられる地中レーダ探査装置であって、
b 前記掘削部は、
水平な傾動中心軸線に垂直な平面に沿って延びる一対の側壁と、
前記側壁間で傾動中心軸線に垂直な断面がC字状に湾曲した背後壁と、
背後壁から開口側に延び、開口側縁部に複数の爪部材が固定される平坦状の底板部とによって、
掘削した土砂を収容する収容空間を構成するバケットであり、
掘削機本体から延びるブームの先端部に設けられる平行四辺形リンクによって、背後壁の底板部とは反対側の部分が傾動中心軸線に関して傾動可能に連結され、
ブームと平行四辺形リンクとは、複動油圧シリンダによって駆動され、
c 前記掘削部に並列に設けられた複数のアンテナ素子を有するアンテナであって、
背後壁の背面における平行四辺形リンクよりも底板部寄りには、ブームの先端部に臨んで外側に開放し内面側に膨らんだ凹部が形成され、この凹部の空間に、アンテナが背後壁の外側から組込んで外側には突出せず、内側へ埋め込んで取り付けられ、路面近傍の地中探査時、アンテナは地中に向けて下向きの状態にされることができ、
このアンテナは、前記複数のアンテナ素子によって200MHzから3GHzまで周波数を段階的に高めながら走査して探査用電磁波を放射し、前記探査用電磁波の対象物体による反射波を受信するアンテナと、
d 前記掘削機本体に設けられ、前記アンテナによって受信された反射波の受信信号の周波数毎に位相および振幅を測定して時間領域データに変換し、この時間領域データに基づいて、探査開始から終了までの画像信号を生成する信号処理部と、
e 前記掘削機本体に設けられ、前記信号処理部によって生成された、掘削機本体の走行方向、走行直角方向および深度方向の3次元の画像信号の画像を表示する画像表示部と、を備え、
f 前記信号処理部は、
畳込みニューラルネットワークによって、前記アンテナによって受信した反射波の受信信号から対象物体を特徴とする複数のフレームを抽出し、抽出された各フレームを合成して、前記3次元の画像信号を生成し、生成された画像信号に基づいて、画像表示部に、抽出した全ての対象物体を複数のフレームで3次元表示させ、検出した対象物体が地中の埋設管またはケーブル由来のものである場合、それらの埋設管またはケーブル由来のものでない場合の色とは異なる色で強調してフレームを前記3次元表示させることを特徴とする地中レーダ探査装置。
An excavator main body that is provided with an operating device operated by an operator and can travel in response to the operation of the operating device, and an excavator that is provided in the excavator main body and can move in response to the operation of the operating device. An underground radar exploration device provided in the excavator 1 including,
b The excavated part
A pair of side walls extending along a plane perpendicular to the horizontal tilt center axis,
A back wall whose cross section perpendicular to the tilt center axis is curved in a C shape between the side walls,
With a flat bottom plate extending from the back wall to the opening side and fixing multiple claw members to the opening side edge,
It is a bucket that constitutes a storage space for accommodating excavated soil.
A parallelogram link at the tip of the boom extending from the excavator body connects the part of the back wall opposite to the bottom plate so that it can be tilted with respect to the center axis of tilt.
The boom and parallelogram link are driven by a double-acting hydraulic cylinder and
c An antenna having a plurality of antenna elements provided in parallel in the excavated portion.
On the back of the back wall, closer to the bottom plate than the parallelogram link, a recess is formed that faces the tip of the boom and opens outward and bulges inward, and the antenna is placed outside the back wall in the space of this recess. It is built in from and does not protrude to the outside, but is embedded and attached to the inside, and when exploring the ground near the road surface, the antenna can be turned downward toward the ground.
This antenna is an antenna that radiates an electromagnetic wave for exploration by scanning while gradually increasing the frequency from 200 MHz to 3 GHz by the plurality of antenna elements, and receives a reflected wave by the target object of the electromagnetic wave for exploration.
d The phase and amplitude of the received signal of the reflected wave received by the antenna, which is provided in the excavator main body, is measured and converted into time domain data, and the exploration starts and ends based on this time domain data. The signal processing unit that generates the image signals up to
e. An image display unit provided on the excavator main body and displaying an image of three-dimensional image signals in the traveling direction, the traveling perpendicular direction, and the depth direction of the excavator body generated by the signal processing unit is provided.
f The signal processing unit
A plurality of frames featuring the target object are extracted from the received signal of the reflected wave received by the antenna by the convolutional neural network, and the extracted frames are combined to generate the three-dimensional image signal. Based on the generated image signal, all the extracted target objects are displayed three-dimensionally in multiple frames on the image display unit, and if the detected target objects are derived from buried pipes or cables in the ground, they are displayed. An underground radar exploration device characterized by displaying the frame in three dimensions by emphasizing it with a color different from the color when it is not derived from the buried pipe or cable of the above.
前記アンテナは、漏洩電界強度が35μV/m以下に遮蔽されていることを特徴とする請求項1に記載の地中レーダ探査装置。 The ground penetrating radar exploration device according to claim 1, wherein the antenna is shielded from a leakage electric field strength of 35 μV / m or less. 前記信号処理部によって生成された画像信号を、前記画像表示部に無線通信によって送信する送信部を、さらに含むことを特徴とする請求項1または2に記載の地中レーダ探査装置。 The ground penetrating radar exploration device according to claim 1 or 2, further comprising a transmission unit that transmits an image signal generated by the signal processing unit to the image display unit by wireless communication.
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