KR900002200B1

KR900002200B1 - 탐사방법 및 장치

Info

Publication number: KR900002200B1
Application number: KR1019850008095A
Authority: KR
Inventors: 요시히로 미찌구찌; 가즈오 히라모도; 마사쓰구 니시; 후미노부 다까하시
Original assignee: 가부시기가이샤 히다찌세이사꾸쇼; 미다 가쓰시게
Priority date: 1984-10-31
Filing date: 1985-10-31
Publication date: 1990-04-04
Also published as: EP0180185A3; EP0180185A2; US4677438A; KR860003524A; JPS61107181A; DE3585204D1; EP0180185B1

Abstract

내용 없음.

Description

탐사방법 및 장치

제 1 도는 본원 발명의 일실시예의 구성블록도.

제 2 도는 종래의 초음파 탐상장치의 구성도.

제 3 도는 본원 발명의 원리설명에 관한 것으로서, 탐사장치 안테나와 탐사물의 위치관계를 나타낸 도면.

제 4 도는 종래의 매설물탐사장치의 구성의 블록도.

제 5 도는 제 1 도의 요부상세블록도.

제 6 도는 제 5 도의 각부의 파형을 설명하는 도면.

제 7 도는 제 5 도(170)의 구성을 나타낸 도면.

제 8 도, 제 9 도는 그 처리소프트웨어의 플로우차아트.

제 10 도는 탐사물표시와 송수기(送受器)의 위치관계에 차에 의한 반사파형이 상이를 설명하는 도면.

제 11 도는 피탐사물의 준재상황과 얻어지는 화상의 예를 나타낸 도면.

제 12 도는 본원 발명(160)의 다른 실시예를 나타내 구성도.

제 13 도는 그 파형관계를 나타낸 도면.

제 14 도는 탐사물로부터의 반사파형의 예를 나타낸 도면.

제 15 도는 영상이 얻어지는 위치관계를 나타낸 도면.

제 16 도는 영상화수법을 설명하는 모식도.

제 17 도는 얻어지는 상의 예를 나탄내 도면.

제 18 도는 상을 고정밀도화는 수법의 설명도와 얻어지는 상의 예를 나타낸 도면.

제 19 도, 제 20 도는 상세한 상재생에 사용하는 수법을 설명하는 도면.

제 21 도는 얻어지는 재생상의 일례를 나타낸 도면.

종래, 물체의 탐사방법으로서, 전파나 음파를 방사(放射)하여, 물체로부터의 반사파의 검출에 의해 탐사물체의 유무를 판정하고, 방사에서 반사파검출까지의 시간에 의해 물체의 위치를 구하는 방법이 있으며, 지중매설물의 탐사나 물질중의 탐상(探傷)에 적용되어 왔다.

전파를 사용한 종래의 지중매설물 탐사장치의 구성을 제 4 도에 나타낸다. 발진기(1)에서 고주파를 발진시켜, 송수신절환기(2)를 송신으로 절환하고, 안테나(6)에서 전파를 지중을 향해 방사한다. 지표면(8)하의 매설물(7)로부터의 반사파를 다시 송수신절환기(2)를 수신으로 절환하여 안테나(6)로 받아, 수신신호를 증폭기(3)를 통해서 표시장치(5)에 보낸다. 한편, 제어장치(4)에서는 발진기(1)로부터의 송신과 반사파의 수신의 시간차 및 전파전반(傳搬) 속도로부터, 매설물의 깊이를 산출하여 표시장치(5) 상에서의 표시점을 결정한다.

또, 매설물의 수평방향 위치는 전파방사 및 반사파검출을 위한 안테나(6)를 수평방향으로 이동시켜, 반사파강도 및 반가파검출까지의 시간의 수평방향 분포를 구하고, 반사파강도가 최대, 반사파검출시간이 최소로 되는 점에서 추정한다.

안테나(6)에서 방사된 전파는 지표면(8)에서 일부가 반사되고, 나머지가 지중에 전반(傳搬)한다. 지표면(8)에서 반사된 전파는 일부가 안테나(6)에 의해 반사되어 충분히 감쇠(減衰)하기까지 지표면(8)과 안테나(6)간에서 반사를 반복한다. 안테나의 지표면간의 거리를 h(m), 전파의 전반속도를 v(m/s)라고 하면, 지표면반사에 기인하는 신호는 방사에서 sh/v초 경과한 때부터 충분히 감쇠하기까지 수신된다. 따라서 전파의 방사로부터 반사파수신까지의 시간만으로 판단하면, 지표면(8)으로부터의 반사를 매설물(7)로부터의 반사파로 오인할 가능성이 있었다.

또, 전파의 지표면(8)에서의 반사율은 대략 0.3 이상이다. 한편, 지표면(8)을 투과하고, 지중을 전반하는 전파는 ±의 도전성에 의해 대폭 감쇠한다. 지표면(8)으로부터 깊이 1∼2m정도의 매설물(7)이 있을경우, 매설물(7)로부터의 반사파강도는 지표면(8)에서 반복해서 반사된 파의 강도보다 작아진다. 수신신호는 매설물(7)로부터의 반사파의 반사파와 지표면반사파의 겹침이므로, 종래의 장치에는 매설물(7)의 유무, 크기 및 그 깊이의 판정을 그릇칠 가능성이 있었다.

한편, 종래, 탐사물체의 위치를 높은 정밀도로 판별하는 신호 처리법으로서 개구합성법(開口合成法)이 사용되고 있다. 이것은 전파방사로부터 반사파수신까지의 시간에서, 안테나(6)과 반사체의 거리를 구하고, 안테나의 이동에 따른 반사체까지의 거리의 변화에 의거하여, 반사체의 위치를 판정하는 방법이다. 그러나, 상술한 바와같이 지표면(8)의 반사파와 매설물(7)로부터의 반사파를 분리할 수 없을 경우에는 매설물(7)의 위치판별이 곤란하다. 또한 종래의 개구합성법에서는 신호처리보다 앞서서 매설물(7)로부터의 반사파신호를 인식할 수 없다. 따라서 지표면(8)으로부터의 반사파만이 수신되고 있는 시간, 또는 반파가 없는 시간에 대해서도, 개구합성처리할 필요가 있어서 많은 처리시간을 필요로 했다.

상기 매설관탐사장치의 문제는 종래의 초음파탐상장치에도 볼 수 있다. 제 2 도에 종래의 초음파탐상장치의 구성을 나타낸다. 발진기(1)에서 송신된 펄스가 구동장치(10)에서 수평으로 움직여지는 탐촉자(探觸子)(9)로 초음파로 되어 피검체(11)안을 전반한다. 상처 등(12)으로부터의 반사파는 탐촉자(9)에서 수신되어, 방사에서 수신까지의 시간에 의해 상처 등(12)의 반사체의 위치를 판정한다. 탐촉자 끝부분에서는 전반매질이 변화하기 때문에, 초음파의 반사가 생긴다. 이것은 상술한 매설관 탐지장치에 관한 지표면에서의 전파의 반사에 해당한다. 따라서, 피검체표면 가까이의 상처 등으로부터의 반사파는 탐촉자 내부에서 반사한 초음파와 겹쳐, 상처 등(12)으로부터의 반사파로서 구별하기가 곤란했었다. 또한 초음파탐상에 대한 개구합성신호처리에 대해서도 상술한 매설관탐지장치와 똑같은 문제가 있었다.

본원 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 탐사물체로부터의 반파와 불필요한 바사파가 서로 혼입(混入)한 수신신호중에서, 탐사물제로부터의 반사신호를 추출하여 높은 정밀도의 탐사방법 및 탐사장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본원 발명에 의하면 매질(媒質)내에 존재하는 탐사목표를 향해 파동(波動)을 투사하고, 그 결과 발생한 반사파동을 수신하여, 그 수신신호를 신호처리장치에 입력하고, 그 신호처리장치의 처리결과를 표시기로 표시하는 방법에 있어서, 상기 수신신호에 기준신호를 걸어맞추고, 상기 수신신호중의 상기 매질 표면으로부터의 반사파동에 의거한 신호성분을 저역필터로 멈출 수 있는 주파수로 변환하고, 상기 걸어맞춘 신호를 상기 저역필터를 통과시켜, 이 저역필터를 지난 신호를 상기 신호처리장치에 입력하는 것을 특징으로 한 탐사방법과, 이 방법을 구체화하는 구성으로서, 탐사목표를 포함하는 매질에 파동을 투사하며, 상기 파동의 반사파동을 받는 송수신수단과, 상기 송수신 수단으로부터의 수신신호를 처리하는 신호처리장치와, 상기 신호처리장치의 처리결과를 표시하는 표시기를 구비한 장치에 있어서, 상기 수신신호와 같은 주파수의 신호를 발생하는 발진기와, 상기 발진기의 출력신호를 입력으로 하여 상기 출력신호의 이상(移相)을 조정하는 이상기와, 상기 이상기의 출력신호와 상기 수신신호를 각 입력으로 하여 각 입력을 적산(積算)하는 적산기와, 상기 적산기의 출력신호를 입력으로 하는 저역여파기기를 구비하며, 상기 저역여파기의 출력신호를 상기 신호처리장치에 입력한 매질내의 물체탐사장치가 얻어진다.

다음에 본원 발명의 각 실시예를 설명하지만, 이 설명에 앞서서 본원 발명의 원리적인 관점에서 기술한다.

이하, 본원 발명의 개요를 원리적인 관점에서 기술한다.

본원 발명에서는 먼저 수신신호와 따로 설치한 기준파신호의 적을 구한다. 각주파수(각주파수)를 w, 시간을 t, 위상차를 ø,ø'로 하고, 수신신호를 Asin(wt +ø), 기준파신호를 sin(wt +ø')라고 하면 양자의 적은 -

로 된다. 이것은

의 레벨의 직류성분에, 각(角)주파수가 2w인 교류성분이 중첩한 신호이다. 이 신호를 로우패스필터에 통하게 하여,

의 직류레벨을 얻는다.

송신파를 방사한 다음 최초에 수신되는 것이 매설물탐지장치에서의 지표(8)로부터의 반사파나, 초음파탐상장치에서의 탐촉자끝부분으로부터의 반사파이며, 이들 불필요한 반파의 위상 ø은 안테나나 탐촉자를 이동해도 변화하지 않는다. 그래서 기준파의 위상ø'을 적절히 선정하여,

로 함으로써 모든 안테나위치, 탐촉자위치에 있어서 불필요한 반사판의 출력을 0으로 할 수 있다.

한편, 탐사물체로부터의 수신신호에 대해서는 위상 ø은 안테나와 탐촉자의 이동과 함께 변화한다. 위상 ø의 변화를, 매설물탐사장치(13)를 예로 들어 제 3 도에 의거하여 설명한다. 매설물(7)의 깊이를 d, 매설물(7)과 안테나(6)의 수평방향거리를 x, 사용하는 전파의 파장을 η라고 하면, 위상ø는 다음처럼 나타낼 수 있다.

로우패스필터의 출력은

로 되므로, x의 변화에 따라 직류출력레벨로 변화한다.

따라서, 안테나(6)의 위치의 변화에 따른 위상 ø의 변화, 또는 로우패스필터의 직류출력변화를 검지하면, 매설물(7)로부터 반사파신호를 판정할 수 있다.

안테나(6)와 매설물(7)의 수평거리 x의 변화에 대한 위상 ø의 변화율, 및 로우패스필터출력 P의 변화율은 다음처럼 된다.

dø/dx, 또는 dP/dx의 어느 것을 검지해도 좋지만, (2)식, (3)식에서 알 수 있듯이 x=0에 있어서는 dø/dx=0,

으로 된다. 거리 x에 대한 지표면반사파의 위상변화율은 0이며, 지표면반사파를 분리하기 위해 ｜dødx｜, 및 ｜dP/dx｜가 0이상의 적당한 역치레벨을 넘었을 때에만, 위상변화를 검출한 것으로 판정한다.

이상에 의해 지표면 등으로부터의 불필요한 반사파를 제거하며, 또한 매설물 등의 탐사물체로부터의 반사파를 검출할 수 있다. 이와같이 검출한 탐사물체로부터의 반사파신호에 대해서만 개구합성처리하면, 불필요한 반사파나 반사파가 없는 수신신호에 대해서도 개구합성처리하는 것과 비해 단시간이며, 또한 높은 정밀도로 탐사물의 위치를 얻을 수 있다.

제 1 도는 본원 발명의 기본적인 구성을 나타낸 도면이다. (100)은 피탐사물(110)이 존재하는 매질이다. 예를 들어 초음파탐상의 경우, (100)은 배관재료나 압력용기재료이며, (110)은 재료중의 결함으로 된다. 또 수중의 물체를 발견할 경우는 (100)이 해구나 당수, (110)이 잠수함 등의 피탐사물표로 된다. (110)이 가스관이나 수도관 동일경우(100)이 매설매질인 아스팔트나 토사(土砂)로 된다. 피탐사물(110)의 탐사를 위해, 송수신기(120)를 설치하고, 펄스발진기(130)로부터의 신호를 송수절환기(140)를 통해 송수신기(120)에 보낸다. 송수신기(120)는 초음파탐상의 경우 초음파송수신기, 전파에 의한 탐사에서는 안테나가 사용된다. (150)은 송수절환기(140)의 출력을 받는 증폭기, (160)은 증폭기(150)의 출력을 받는 위상추출기이다. (170)은 위상추출기(160)의 출력을 받는 처리장치이며, (180)은 처리장치(170)의 처리결과를 받아 표시하는 표시기이다.

처리장치(170)에는 송수신기(120)의 위치를 구성하는 위치검출기(190)의 신호도 입력되어 있다. 이상의 설명에서 알 수 있듯이, 종래예와 다른 특징점은 위상추출기(160)와 처리장치(170)의 추가설치이다. 이 점을 중점적으로 설명한다.

펄스발진기(130)에서 발신된 펄스는 송수절환기(140)의 송신방향으로의 스위치동작에 의해 송수신기(120)에 가해져서, 이 송수신기(120)에서 매질(100)을 향해 방사되며, 그 결과로서 송수신(120)를 향해 반사파가 되돌아온다. 이 반사파를 송수신기(120)가 받아 전기적인 수신신호로 하고, 이 수신신호는 송수절환기(140)의 수신방향으로의 스위칭동작에 의해 증폭기(150)에 보내져서, 증폭시(150)에서 위상추출기(160)에 입력된다. 위상추출기(160)의 구성과 그 각부의 신호파형을 제 5 도, 제 6 도에 의거하여 설명한다.

증폭기(150)에서 위상추출기(160)에 입력되는 증폭기(150)의 출력파형은 제 6 도에 나타낸 증폭기(150)의 출력파형에 나타낸 것처럼, 표면반사와 탐사물(110)로부터의 반사가 혼재(混在)하는 신호파형으로 된다. 위상추출기(160)는 발진기(130)의 트리거출력에 동기하고 있다. 제 5 도에서, 발진기(130)의 트리거출력을 받아, 정현파발진기(1601)는 미리 설정한 시간, 또는 파수(波數)만큼 정현파를 발생한다. 정현파발진기(1601)의 발진주파수는 송수신기(120)에 보낸 주파수와 동일하게 한다. (1602)는 이상기이다. 이상기(1602)는 정현파 발진기(1601)의 출력의 위상을 어긋나게 하는 작용을 하며, 이 이상량은 제 6 도에서는 ø'이다. (1603)은 곱셈 소자이며, 이상기(1602)와 증폭기(150)의 출력의 곱셈처리를 한다. 곱셈결과, 파형에는 사용하고 있는 주파수의 2배의 성분이 나오지만, 이것을 사용주파수 이하를 통화시키는 저역필터(1604)를 통과시키면, 제 6 도중의 저역필터(1604)의 출력파형이 얻어진다. 이 곱셈처리와 필터링의 관계를 식에 의거하여 설명한다. 지금, 증폭기(150)의 출력을

An : 진폭

w : 2πf

f : 사용주파수

t : 시간

øn : 반사신호검출까지의 시간지연에 대응하는 위상

로 기술한다. (4)식의 뜻은 N개의 반사파형이, 펄스발신기(130)의 트리거가 있고 나서 각기 시간지연을 가지고 발생하는 것을 나타내고 있다. 이상기(1602)의 파형은 다음 식으로 된다.

s(t) = sin(wt +ø') (5)

따라서 적(積)은

이다. 다음에 상술한 바와 같이 사용주파수 f 이하의 저역필터를 적용하지만, 이 결과, (6)식의 2w 성분인 제 2 항을 제거할 수 있다. 따라서

로 된다. 만약 (7)식에서

J=1,2……로 되도록 ø'를 제어하면, n번째의 반사파형에 대해, 그 성분을 지울 수 있다. 즉, (8)식처럼 ø'를 정하면 (7)식에서

cos(øn-ø')=0 (9)

로 되기 때문이다. 이와 같은 위상제어를 표면반사파의 부분에 실시하면, 제 6 도중의 저역필터(1604)의 출력파형처럼, 표면반사를 소거할 수 있게 된다. 이 위상제어를 하는 것이 제 5 도의 검파기(1605), 샘플링장치(1606)와 이상기(1602)로 구성되는 피이드밸루우프이다. 검파기(1605)는 증폭기(150)의 출력이 아니라 곱셈소자(1603)의 출력을 검파해도 동일한 효과가 있다. 제 5 도중의 검파기(1605)의 출력신호를 검파하는 동작을 한다. 검파기(1605)는 증폭기(150)의 출력파형은 반사신호가 있는 부분을 나타내고 있다. 본원 발명에서는 표면반사를 소거하도록 위상피이드백 제어하기 위해 제 6 도의 검파기(1605)의 출력에 설정레벨(TL)을 설치하고, 이 성정레벨(TL)을 검파기(1605)의 출력이 넘었을때, 샘플링장치(1606)는 저역필터(1604)의 출력치를 샘플링한다. 이 값이 0이면 이상기(1602)의 이상량은 0이다. 샘플링장치(1606)의 출력의 크기에 따라 이상기(1602)의 이상량이 정해지기 때문에, 이들 피이드백에 의해 필연적으로 (8)식의 조건이 만족되도록 ø'를 정할 수 있다. 이것으로부터 표면반사를 지워, 탐사물로부터의 반사신호를 추출할 수 있다. 이출력은 처리장치(170)에 보내져서 영상처리된다.

다음에 본원 발명의 다른 기본부분인 처리장치(170)에 대해 상세히 설명한다. 처리장치(170)의 주요부분은 마이크로컴퓨터이며, 그 동작은 소프트웨어에 따른다. 처리장치(170)의 구성을 제 7 도에 나타낸다. (1701),(1702)는 A/D 변환기이며, 각기 검파기(1605)의 출력, 저역필터(1604)의 출력을 디지탈신호로 변환한다. (1703)은 디지탈신호의 버퍼소자이며, 송수신기(120)의 위치정보를 위치검출기(190)내의 엔코오더에서 디지탈화한 신호를 수신한다. 즉, A/D 변환기(1701)에서는 반사신호의 검파신호를, A/D 변환기(1702)에서는 반사신호와 정현파의 적의 저역필터링한 출력을, A/D 변환기(1703)에서는 송수신기(120)의 위치신호를 입력하게 된다. (1704)는 CPU이며, 프로그램메모리의(1705)의 프로그램에 따라 동작한다. (1706)은 파형메모리이며, A/D 변환기(1701), 및 (1702)의 출력을 일시 기억한다. 파형메모리(1706)의 메모리내용을 CPU(1704)에서 소프트웨어처리하여, 화상메모리(1707)에 전송한다. 화상메모리(1707)의 내용이 표시기(108)에서 화상으로서 표시되는 구성이다.

다음에 처리장치(170)의 화상메모리(1707)의 처리내용을 제 8도, 제 9도의 플로우차아트에 의거하여 설명한다. 처리내용은 두가지로 크게 나눌 수 있다. 첫째는 A/D 변환기(1701), (1702)에 얻은 파형을 파형메모리(1706)에 수록하는 부분이며, 둘째는 파형메모리(1706)의 내용을 연산처리하여 화상메모리(1707)에 기입하는 부분이다. 전자의 처리내용을 제 8 도에, 후자의 처리내용을 제 9 도에 나타낸다. 제 8 도를 설명한다. 프로그램을 스타아트하면, 설정시간의 경과를 기다려(8001), 송수신기(120)의 이동량을 테이터를 버퍼소자(1703)에서 읽어 넣는다(8002). 또한 파형테이터를 A/D 변환기(1701), (1702)에서 읽어넣는다(8003). 이 다음 단에서 이동량, 파형데이터를 메모리(1706)에 저장한다(8004). 데이터의 채취시간, 또는 채취회수 등의 종료조건을 채웠을때, 데이터의 채취처리는 종료한다(8005). 이 단계에 있어서, 파형메모리(1706)에는 송수신기(120)의 각 위치에 있어서의 파형데이터, 즉 반사신호의 검파파형과 위상제어한 반사신호의 파형이 기억된다. 이들 데이터가 다음의 메모리에 수록되어 있는 것으로 한다.

송수신기(120)의 위치데이터 : PO(l, k)

검파신호 데이터 : DE(l, k)

위상제어후의 반사파데이터 : RF(l, k)

여기서, PO, DE, RF는 2차원상의 메모리를 나타내며, l은 0에서 L까지의 값을 취하고, 이것이 채취하는 파형의 수를 결정한다. 또, K는 0에서 K까지의 값을 취하며, 하나의 파형을 (K+1)점에서 A/D 변환하여 샘플링한 것의 K번째의 값을 나타낸다.

다음의 상기 파형메모리(1706)에 수록되어 있는 데이터, PO(l, k), DE(l, k), RF(l, k)를 처리하는 내용에 대해 제 9 도의 처리플로우차아트에 의거하여 설명한다. 프로그램을 스타아트시키면 화상메모리(1707)를 클리어한다. 화상메모리(1707)는 K×L의 2차원상 메모리이다. 또한 l=0, k=0이라고 한다. 이들 처리가 제 9 도의 블록(9001)이다. DE(l, k), 즉 반사신호의 검파형이 미리 설정한 값을 넘고 있는지 어떤지를 판별한다(9002). 설정치를 DE(l, k)의 값이 넘어서고 있을 경우는 현상적으로 말해서 반사파가 존재하고 있다는 것을 뜻한다. 반사파가 있을 경우, 블록(9003)에 의해 GR을 연산한다. GR은

으로 구한다. (10)식의 분모는 송수신기(120)가 l에서 (l+1)까지는 사이에 이동한 거리를 나타내는 양이다.

또, (10)식의 분자는 반사파와 위상제어한 정현파의 적을 저역필터링한 출력, 즉 A/D 변환기(1702)에서 얻은 신호가, 1에서(1+1)까지의 변화하는 양이다. (10)식의 결과가 설정치의 범위에 들어 있는지를 판정한다(9004). GR이 설정범위에 있을 경우, 이 시점의 1,k에 대응하는 화상메모리(1707)의 메모리 G(1,k)에 DE(1,k)의 값을 격납한다(9005). 블록(9002)에서 DE(1,k)가 설정치 이하라고 판정되었을 경우, 및 블록(9004)에서 GR이 설정치 이상일 경우에는 메모리(1707)에는 아무것도 기입하지 않으며, k=k+1으로 갱신한다(9006). k가 (k-1)으로 되는 것을 판정하여(9007), 1을 증가시킨다(9008). 1인 L-1 이상인지 판정(9009)하여 1이 L-1까지 아상의 처리를 계속한다. 이상의 처리의 결과, 화상메모리(1707)에 데이터가 축적되는 부분은 DE중 반사파 신호가 존재하여 또한 GR의 값이 설정범위에 존재하는 부분이다. 다음에 이와같은 처리를 피탐사물의 영상화에 관련시키는 것을 나타낸다. 제 10 도는 송수신기(120)가 피탐사물(110)이 바로 위에서 가로방향으로 어긋났을 경우의 반사형의 관게를 나탄내 도면이다. 매질(100)내의 전파(傳播)속도는 통상 일정하므로, 송수신기(120)의 각 위치 A,B,C에 있어서의 피탐사물(110)로부터의 반사파수신타이밍은 각 위치 A,B,C에서 피탐사물(110)까지의 거리에 비례한다. 이 때문에 각 위치 A,B,C와 송수신기(120)을 움직여가면, 제 10 도의 파형처럼 피탐사물(110)의 반사파는 뒷쪽으로 이동해간다. 피탐사물(110)의 검출시각을 거리로 환산하여 도시하면 제 10 도의 파선으로 된다. 파선의 방정식은 피탐사물(110)을 정점으로 하는 쌍곡선으로 된다. 즉 피탐사물(110)이 깊이 d에 있는 것으로 하고, 송수신(120)가 피탐사물(110)의 정점에서 가로방향으로 x만큼 떨어졌다고 하면, 그 위치에서의 외관깊이 y는 다음 식으로 구해진다.

이것으로부터

(y/d)²-(x/d)²=1 (12)

라는 쌍곡선으로 얻는다. (9)식의 접근선(漸近線)은

y=±x (13)

이며, 경사 45°의 직선이다. (12),(13)식에서 알 수 있듯이, 쌍곡선의 경사는 정점, 즉 피탐사물(110) 부근에서는 0이며, 가장많이 커져서 ±45°이다. 피탐사물의 신호는 상술한 바와 같이 쌍곡선 형상의 경사가 45°보다 작은 특성을 지닌다. 따라서 미리 경사에 대해 어떤 설정치를 설치하고, 그 값보다 작은 것을 피탐사물로부터의 반사파라고 하면, 소음의 영향을 제외하고 피탐사물만을 검지할 수 있다. 또, 표면반사는 변화율(GR)이 0에 가까우며, 하한설정치를 설치하여 제거할 수 있다. 상기 처리, 판정을 하고 있는 것이 제 9 도의 블록(9003),(9004)이다. 이처럼 본원 발명에서는 피탐사물의 반사신호의 특성을 잘 포착하여 처리하여, 그 결과를 화상메모리(1707)에 수납하는 구성이다. 화상메모리(1707)의 내용은 표시기(180)에서 표시되며, 소음, 불필요한 표면반사파가 없는 선명한 영상을 얻는다. 표시기(180)에서 표시되는 상의 예를 다음에 설명한다.

제 11 도의 (a)는 매질중에 피탐사물이 존재하는 상황을 설명하는 도면이다. 동 도면의 (b)는 상기 처리결과로서, 화상메모리(1707)내에 축적되는 데이터를 나타내며, 이 축적내용이 표시화상과 1대 1로 대응하여 표시된다. 메모리의 축적내용은 상술한 것처럼 반사파의 강도정보이다. 이 때문에, 메모리내용을 강도변조하여 표시하면, 반사파강도가 강한 곳은 밝게, 또, 약한 곳은 어둡게 표시한다. 또한 상기 변화율 판정처리의 효과에 의해 피탐사물 이외의 소음, 표면파는 표시되는 일이 없으며, 명료한 영상을 얻을 수 있게 된다.

다음에 본원 발명의 실시예에 대해, 위상추출기(160)의 다름 구성예에 대해 설명한다. 제 12 도는 위상추출기(160)의 구성을 나타낸 도면이다. 본 실시예는 토사중의 탐사물을 찾아낼 경우 등에 사용되는 것으로서, 송수신기(120)로부터는 펄스형상의 전자파가 방출되며, 또 송수신기(120)에서 반사파가 검출된다. 이 경우, 사용하는 주파수가 높기 때문에 제 1 의 실시예처럼 반사파신호를 직접 곱셈처리 등의 아날로그 처리에 제공하기가 곤란하다. 이 때문에 샘플링장치(1602)를 사용하여 반사파신호를 샘풀링하여 주파수를 저하시킨 다음, 처리를 한다.

샘플링장치(1620)의 작용을 제 13 도에 의거하여 설명한다. 제 13 도에 있어서 증폭기(150)의 반사파형은 펄스발진기(130)의 트리거출력에 동기한 신호이다. 샘플링장치(1620)는 펄스발진기(130)의 트리거출력을 받고나서 △ti, △ti+1,…처럼 조금씩 지연시켜 그 시점에서의 증폭기(150)의 값을 샘플링한다. 이와 같은 조작을 함으로써 증폭시(150)의 출력파형의 주파수를 저하시킬 수 있다. 즉 샘플링장치(1620)의 출력은 증폭기(150)의 출력파형과 상사(相似)이며 시간축이 신장된 것으로 된다. 이 파형에 대해 제 1 의 실시예에 나타낸 처리를 한다. 즉 펄스발진기(130)의 트리거출력을 받아 정현파 발진기(1621)는 설정시간, 또는 설정파수만큼 발진한다. 정현파발진기(1621)의 발진주파수는 송수신기(120)에서 방사하며, 송수신기(120)에서 수신되는 주파수와, 펄스발진기(130)의 트리거출력주파 등으로 결정되는 주파수에 설정한다. (1622)는 이상기이며, 정현파발진기(1621)의 발진파형의 위상을 어긋나게 하는 작용을 한다. (1623)은 곱셈소자이며, 이상기(1622)의 출력과 샘츨링장치(1620)의 출력간의 곱셈을 실행한다. (1624)는 저역필터이다. (1625)는 검파기, (1626)은 샘플링장치이다. 샘플링장치(1626)의 값을 근거로 이상기 (1622)의 이상량을 제어한다. 각 기기 (1621)∼(1626)의 동작은 제 1 의 실시예를 나타내는 제 6 도의 출력파형을 갖는 각 기기(1601)∼(1606)의 동작과 같으며, 그 상세는 여기서는 생략한다. 본 실시예는 높은 주파수의 신호를 사용했을 경우라도, 샘플링장치(1620)에서 위상피이트백이 가능한 주파수대로 저하시키는 예이다. 위상추출기(160) 이후의 처리는 제 1 의 실시예와 같은 것을 사용할 수 있다.

제 3 의 실시예는 처리장치(170)의 처리내용을 일부 바꾸는 것이다. 이것은 제 9 도의 블록(9003)의 처리를 다음 식처럼 변경한다. 먼저

PR₀=cos-1[RF(1,k)/DE(1,k)] (14)

PR₁=cos-1[RF(1+1,k)/DE(1+1,k)] (15)

를 구하고, 다시 이 PR₀, PR₁을 근거로

을 연산한다. 이 GR의 값이 설정치의 범위에 있는지를 판정하여 영상화하는 것을 제 9 도의 처리내용과 동일하다.

(14)∼(16)식의 처리의 물리적의미에 대해 설명한다. (14),(15)식에 있어서, RF(1,k)는 (7)식의 값을 갖는 양이며, 반사파의 진폭 An과 위상에 관계한 양 cos(øn-ø)의 적이다. 또, DE(1,k)는 검파신호의 진폭치, 즉 어떤 1,k에 있어서의 An의 값을 나타내고 있다. 따라서 RF(1,k)/DE(1,k)는 (7)식에 있어서 진폭 An의 소거된 cos(øn-ø')라는 양으로 되어 있는 것이 명백하다. (14),(15)식처럼 역여현(逆艅弦)연산을 하면(øn-ø')의 값을 얻는다. 즉 PR₀는 (1,k)에 있어서의 반사파신호의 위상 그 자체를 나타내고 있다. 또 PR₁은 (1+1, k)에서의 위상을 나타낸다. 이것으로부터, ｜PR₀-PR₁｜은 송수기(120)가 [P(1,k)-P(1+1,k)]만큼 이동했을때의, 위상의 변화를 나타내고 있다. 따라서 GR은 단위거리만큼 (120)이 이동했을때의 위상차를 나타낸다. 바꾸어 말하면, GR은 (12)식의 접선의 경사를 나타내고 있으며, 피탐사물로부터의 신호에서는 0°에서 45°의 범위에 있다. 표면반사파는 변화율이 0°부근에 있으므로, 설정치를 적절히 선정하면 제거되지만, 피탐사물로부터의 반사신호는 제거되지 않고 영상된다. 상기와 같이 본 실시예에서는 순수하게 반사파의 위상정보에 착안하여 영상화하는 것에 특징이 있다.

다음에 각 기기(106), (170)에서 얻은 영상화정보를 개구합성하는 수법에 대해 설명한다. 개구합성처리의 설명상, 먼저 피탐사물의 반사파의 성질을 명백히 하고, 그 다음, 그 성질을 사용한 개구합성처리에 대해 언급한다. 이들 처리는 처리장치(170)의 소프트웨어처리로 되며, 그 처리결과를 화상메모리에 전송 표시하게 된다. 제 14 도에 나타낸 것처럼 반사체인 탐사물표(110)가 매질내에 있고, 이것을 송수신기(120)에 주사시킬 경우, 각 주사위치에서의 반사파형은 도면에 나타낸 것처럼 된다. 송수기(120)에서 발신한 파는 퍼져서 전파하므로, 탐사물(110)호부터의 반사파는 송수기(120)의 주사위치가 넓은 범위에서 수신할 수 있다. 주사위치 xi에서의 안테나로부터 매설물의 표면까지의 거리를 li로 나타낸다. 주사위치 xi에 있어서의 전파의 수신파형(1401)을 종축(縱軸)을 전압, 횡축을 전파를 발신한 시각으로부터의 경과시간으로 나타내면, 탐사물(110)로 부터의 반사파가 상승하는 시간 ti는 탐사물(110)과 송수기(120)의 거리 li은 다음과 같은 단계에 있다.

ti=2li/c (17)

여기서, c는 파(波)의 전파속도이다.

그래서, 송수기(120)에서 수신한 반사파의 상승시간 ti에서 탐사물(110)을 영상화할때, 송수기(120)에서 발신한 파동이 퍼지는 것을 고려하지 않고, 바꾸어 말하면 파가 y축에 평행으로 전파한다고 가정하면 탐사물(120)의 반사위치의 좌표(xi, yi)를 다음식에서 구하여 작도(作圖)하면 제 15 도에 나타낸 탐사물(110)의 영상(1501)을 얻는다.

y=li=cti/2 (18)

제(18)식에 구한 반사점의 좌표(xi, yi)에서 작도한 영상(1501)은 실제의 파는 퍼져서 전파하고 있으므로, 진짜 반사점에 비해 x 및 y 방향으로 확대되어 버려, 탐사물(110)의 표ㅍ면과는 꽤 다른 영상으로 된다. 따라서, 파동이 퍼져서 전파하는 것을 고려에 넣고, 탐사물(110)의 형상에 따른 반사면의 영상을 표시하는 방법에 대해 제 16 도에 모식도로 설명한다.

먼저, x-y평면에서, 주사위치 xi를 중심으로 반경 li의 원호(1690)을 굿는다. 원호(1690)는 주사위치 xi에서 발신한 전파의 퍼짐에 해당한 길이다. 수신파의 상승시각 ti가 얻어지다고 하는 것은 제 (18)식에 의해 반사위치는 원호(1690)상에 존재하게 된다. 마찬가지로 xo에서 xe에 이르는 각 주사위치에 의해, 각기 원호를 그려 가면, 제 17 도에 나타낸 바와 같은 탐사물(110)의 표면에 연한 상(1790)을 작도할 수 있다. 그러나, 이 방법에서는 탐사물(110)의 표면에 관계가 없는 여분의 원호가 그려지므로, 선명한 영상으로 하는 데는 다음에 설명하는 작도법을 사용한다. 즉 주사위치 xi에서 반사파가 발신후 ti에서 수신되었다고 하자.

따라서 반사체는 주사위치 xi에서 반경 li(li=cti/2)의 원호(1690)상에 존재하게 된다. 마찬가지로 xo에서 xe에 이르는 각 주사위치에 대해, 각기 원호를 그려 가면, 제 17 도에 나타낸 바와같은 탐사물(110)의 표변에 연한 상을 작도할 수 있다. 그러나 이 방법을 단지 사용하는 것만으로는 매설물(1)표면에 관계가 없는 여분의 원호가 그려져 버린다. 선명한 영상을 얻는 작도법을 다음에 설명한다.

제 17 도의 영상에서 틀(1795)안의 도면을 확대하여 제 18(a) 도에 나타낸다. 제 18(a) 도에 있어서, 원호(1690)는 탐사물(110)의 표면에 접하지만, 원호(1690)의 선분이 가늘기 때문에, 탐사물(110)의 표면을 선명하게 도형화 할 수 없다. 즉, 각 원호(1690)가 겹친 부분이 반사체가 존재할 가능성이 높은 위치로 간주할 수 있으므로, 제 18(a) 도의 원호(1690)가 겹친 위치만을 추출하여 표시한 것이 제 18(b)도이다. 점 (1810)은 2개의 원호(1690)가 교차한 위치이다. 선이 가는 원호일수록, 복수의 원호가 겹치는 부분이 적으며, 접형상의 교차부분이 탐사물(110)의 표면형상과는 동떨어진 영상을 형성한다. 그래서 원호의 선분을 굵게 하여 영상화하면 어떻게 되는가를 나타낸다. 제 18(c) 도에, 원호(1690a)를 굵게 해서 그린 도면을 나타낸다. 틀(1795)로 나타낸 부분에서, 원호(1690a)가 겹친 회수가 많은 부분만을 영상화하면 제 18(d) 도의 형상처럼 된다. 탐사물(110)에 대해 원호(1690a)가 4개 이상 겹친 부분을 도시한 것이 영상(1820)이다. 원호의 폭을 굵게 하면, 원호가 겹치는 부분은 점에서 면으로 퍼지지만, 그 영상은 탐사물(110)의 형상을 정확하게 재현할 수 없다. 그래서 원호의 선분을 굴게 하여, 그 겹친 부분에서 탐사물(110)의 형상을 정확하게 재현할 수 있는 방법을 다음에 기술한다.

먼저, 전파시간 it가 얻어졌을 경우, 주사위치 xi를 중심으로 하여, 반경 li(li=c+i/2)의 원호를 그린다. 단 이 원호는 파의 파면이라고 생각한다. 전파시간 ti에 대해 측정오차가 △t였다고 하면, 반경 li에서 반경 li+2△l(△l=c△t/8)까지는 강도 l, 반경 li+2△l에서 li+4△l까지는 강도 10, 또 반경 li에서 li+△l 및 반경 li+3△l에서 li+4△l까지는 강도 1j(j는 허수기호), 반경 li+△l에서 li+3△까지는 강도 -1j의 원호를 그린다. 즉, 전파시간 ti가 얻어지면, 반사체는 주사위치 xi에서, 반경li에서 li+4△l까지의 거리이며, 각도 θ의 범위 내에 존재하게 된다.

상기와 같이 구분한 원호의 강도로 실수부(實數部)와 허수부(虛數部)로 나타낸 것은 그 영역내에서 반사체의 존재를 확률분포도로서 나타낸 것에 해당한다. 다음에 영상의 표시방법을 상세히 설명한다.

제 19 도에 x-y평면을 구성하는 화면을 상정(相定)한다. 주사위치 xi를 중심으로 하여, 각도θ의 범위에서 반경 li, li+2

l, li+4

l의 원호(1910), (1920), (1930)를 그린다. 원호(1910)와 (1920)으로 둘러싸인 사선부의 영역의 화소의 값은 제 14 도에서 나타낸 반사파의 최대진폭 Pi로 한다. 원호(1920)와 (1930)으로 둘러싸인 영역의 화소의 값은 -Pi라고 한다. 마찬가지로 각 주사위치에 대해, 원호에 포함되는 각 화소에 Pi, -Pi의 값을 가산해 간다. 이 수순과 병행해서. 제 20 도에 나타낸 화면(제 19 도와 동일한 화면)에서의 각 화소의 수치 가산을 실시한다. 즉, 주사위치 xi를 중심으로 하여, 각도 θ의 범위에서 반경 li, l₁+

l, li+3

l, li+4

l의 원호(1910), (2010), (2020), (1930)을 그린다. 원호(1910)와 (1920), 또 원호(2020)와 (1930)으로 둘러싸인 각 화소에는 -Pi, 원호(2010)와 (2020)으로 둘러싸인 사선부의 각 화소에는 Pi를 각기 가산해 간다.

아하, 각 주사위치에 대해 똑같은 수순을 반복한다.

xo에서 xe에 이르는 모든 주사위치에 대해, 제 19 도, 및 제 20 도에서 설명한 가산수순을 종료하면, 제 19 도에 나타낸 화소의 값 P₅(x, y)와 제 20 도에 나타낸 화소의 값 P₆(x, y)에 대해, 다음 식에 따라 적분강도 Pw(x, y)를 산출한다.

Pw(x, y)=P₅(x, y)+P₆(x, y)²(19)

Pw(x, y)가 일정한 기준치 이상으로 되는 화소만을 표시하면, 제 21 도에 나타낸 것처럼, 탐사물(110) 표면에 충실한 영상(2100)을 얻는다. 상술한 바와 같이 제 19, 제 20 도에서 나타낸 수단, 제 (19)식에 의한 화소의 적분강도의 산출에 의해, 전파의 퍼짐에도 불구하고, 탐사물(110)의 형상대로의 선명한 영상이 얻어진다. 그리고 제 19, 제 20 도에서 설명한 수순의 각 화소에서 가산치 Pi, -Pi를 각기 +1, -1로 하더라도 영상(2100)의 매끄러움을 다소 손상되지만 상세한 영상을 표시할 수 있다.

이상 개구합성처리수법에 대해 기술했다. 상기한 바와 같이 본 처리법은 제 1 로부터 제 3 의 실시예에서 얻은 선명한 피탐사물의 상(像)만을 처리하는 구성으로 되어 있다. 이때문에 종래의 화면 전부의 데이터를 처리하는 수법과 비교하여 처리시간을 대폭 단축할 수 있다.

이상에 기술한 것처럼, 검출된 반사신호에, 그 주파수와 동일주파수의 기준신호를 곱셈한다. 기준신호의 위상을 특정의 반사신호가 지워지도록 제어할 수 있기 때문에, 표면파 등의 불필요한 신호를 제거할 수 있다. 또한 검출위상의 변화율을 구하여 탐사물만을 영상화한다. 또 탐사물로부터의 반사신호만을 개구합성하여 탐사물의 크기 등을 구한다.

따라서, 불필요한 반사파, 소음을 제거하고, 피탐사물표만의 영상을 얻을 수 있다. 또 그 상의 개구합성처리에 의해, 단시간으로 탐사물의 정밀도 높은 상을 재생할 수 있다. 이 때문에 정확하고 고속의 물표(物標)탐사를 할 수 있다.

이상과 같이, 본원 발명에 의하면 수신신호중의 불필요한 신호를 제거하여 확실한 탐사결과를 얻을 수 있다고 하는 효과가 얻어진다.

Claims

매질(媒質)내에 존재하는 탐사목표를 향해 파동(波動)을 투사(投射)하고, 그 결과 발생한 반사파동을 수신하여, 그 수신신호를 신호처리장치에 입력하며, 그 신호처리장치의 처리결과를 표시기로 표시하는 방법에 있어서, 상기 수신신호에 기준신호를 걸어맞추어서 상기 수신신호중의 상기 매질 표면으로부터의 반사파동에 의거한 신호성분을 저역필터로 멈출 수 있는 주파수로 변환하고, 상기 걸어맞춘 신호를 상기 저역필터를 지나게 하고, 이 저역필터를 지난 신호를 상기 신호처리장치에 입력하는 것을 특징으로 하는 탐사방법.
탐사목표를 포함하는 매질에 파동을 투사하며, 상기 파동의 반사파동을 받는 송수신 수단과, 상기 송수신 수단으로부터의 수신신호를 처리하는 신호처리장치와, 상기 신호처리장치의 처리결과를 표시하는 표시기를 구비한 장치에 있어서, 상기 수신신호와 같은 주파수의 신호를 발생하는 발진기와, 상기 발진기의 출력신호를 입력으로 하여 상기 출력신호의 이상(移相)을 조정하는 이상기와, 상기 이상기의 출력신호와 상기 수신신호를 입력으로 하여 각 입력을 적산하는 적산기와, 상기 적산기의 출력신호를 입력으로 하는 저역여파기를 구비하여, 상기 저역여파기의 출력신호를 상기 신호처리장치에 입력한 매질내의 물체탐사장치.