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【発明の名称】 線路盤下検査方法および装置
【発明者】 【氏名】木村 憲明
【住所又は居所】岡山県玉野市玉3丁目1番1号 三井造船株式会社玉野事業所内

【氏名】土井 恭二
【住所又は居所】岡山県玉野市玉3丁目1番1号 三井造船株式会社玉野事業所内

【氏名】森 康成
【住所又は居所】岡山県玉野市玉3丁目1番1号 三井造船株式会社玉野事業所内

【要約】 【課題】線路盤下の空洞の有無を地中レーダ方式で検出する。

【解決手段】鉄道軌道に沿って送信アンテナ素子列18と受信アンテナ素子列28を配列したアレイアンテナ34を軌道走行移動させる。アレイアンテナ34の移動単位毎に複数の送信アンテナ素子18iを切り替えながら電波を線路盤下に向けて発射するとともに、個々の送信アンテナ素子からの送信毎に複数の受信アンテナ素子20iで切替受信させる作業を繰り返す。アレイアンテナ34の進行方向、送受信距離および時間のパラメータによるパルスエコーデータを生成し、線路盤下の2次元断面映像を生成して空洞検知をなす。
【特許請求の範囲】
【請求項1】 鉄道軌道に沿って送信アンテナ素子列と受信アンテナ素子列を配列したアレイアンテナを軌道走行移動させつつ、前記アレイアンテナの移動単位毎に複数の送信アンテナ素子を切り替えながら電波を線路盤下に向けて発射するとともに、個々の送信アンテナ素子からの送信毎に複数の受信アンテナ素子で切替受信させる作業を繰り返すことにより、前記アレイアンテナの進行方向、送受信距離および時間のパラメータによるパルスエコーデータを生成し、このデータから線路盤下の2次元断面映像を生成して検知をなすようにしたことを特徴とする線路盤下検査方法。
【請求項2】 鉄道軌道の走行体に前記軌道に沿って送信アンテナ素子列と受信アンテナ素子列を配列したアレイアンテナを有し、送信アンテナ素子群を素子単位で切り替える送信アンテナ切替手段と受信アンテナ素子群を素子単位で切り替える受信アンテナ切替手段とを有し、前記送信アンテナ切替手段による切替処理毎に選択された送信アンテナ素子から発射された電波の反射波を複数の受信アンテナ素子で同時或いは順次に受信する処理を前記送信アンテナ素子単位で切替処理する信号を送出する制御手段を有し、前記受信アンテナ素子での受信信号から線路盤下の2次元画像データを求める演算手段と、この演算手段による画像データを入力して線路盤下の2次元映像を表示する画像表示手段とを有してなることを特徴とする線路盤下検査装置。
【発明の詳細な説明】【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は線路盤下を検査方法および装置に係り、軌道上を走行始動しながら線路盤下の空洞などの有無をリアルタイムに検査するに好適な方法および装置に関する。
【0002】
【従来の技術】鉄道路線は基盤を構成している路盤に軌道を形成しており、軌道は路盤上に形成された道床と、この上に間隔を置いて設置された枕木にレールを敷設して形成される。車輌の走行路はレールによって規制されているため、鉄道路線ではバラストを敷き詰めた道床の締め固め作業が行われている。
【0003】ところで、路盤となっている地下の内部に空洞があると、路面の陥没などにより大きな事故につながる可能性がある。このため、地下空洞の有無を予め検知することが事故回避の観点から望ましい。このような観点から、地中レーダを用いて線路盤下の空洞検査をすることが考えられる。地中レーダを用いて検査する方法は、送信アンテナ一つと受信アンテナ一つを組み合わせた地中レーダで計測するものである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、現状では地中レーダなどを用いて精度よく検査することができない。線路面にある枕木は土に比べて電波を通し難いコンクリート製がほとんどで、更に悪いことには、その中には鉄筋が入っており、この部分に電波を透過させて地中の計測は困難であるからである。
【0005】すなわち、図6(1)に示したように、1つの送信アンテナ52と1つの受信アンテナ54とを備えた地中レーダ50を、矢印56のようにレール(鉄道軌道)58に沿って移動させ、同図(2)に示したように、送信アンテナ52から送信電波60を地中62に放射して地中62に存在する空洞64を探査する場合、空洞64がレール58を支持、固定している枕木66の下方に存在すると、例えば受信アンテナ54が空洞64の上方に位置する枕木66の上を通過するときに、送信電波60の空洞64からの反射波68が枕木66の下面で地中側に反射され、反射波68が受信アンテナ54に入射せず、空洞64を検出することができない。
【0006】また、送信アンテナ52が枕木66を通過するときには、送信アンテナ52から発射した送信電波60が枕木66によって反射され、送信電波60が地中62に放射されず、空洞64を検出することができない。すなわち、レール58に沿ってアンテナ52、54を走査すると、得られる映像は、枕木66の下方部分が遮蔽されたものとなり、これから地中62の構造を認識するのは困難であった。
【0007】本発明は、第1に、線路面下にある空洞などを検知するために最適のマルチパス方式地中レーダシステムを提供することを目的とする。また、第2にはアンテナシステムがどの位置にあっても一部の経路は枕木の影響を受けない様にできるシステムを提供することを目的としている。また、第3に、枕木の影響を大きく軽減した画像を取得することができるシステムを得ることを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明に係る線路盤下検査方法は、鉄道軌道に沿って送信アンテナ素子列と受信アンテナ素子列を配列したアレイアンテナを軌道走行移動させつつ、前記アレイアンテナの移動単位毎に複数の送信アンテナ素子を切り替えながら電波を線路盤下に向けて発射するとともに、個々の送信アンテナ素子からの送信毎に複数の受信アンテナ素子で切替受信させる作業を繰り返すことにより、前記アレイアンテナの進行方向、送受信距離および時間のパラメータによるパルスエコーデータを生成し、線路盤下の2次元断面映像を生成して検知をなすように構成したものである。
【0009】また、本発明に係る線路盤下検査装置は、鉄道軌道の走行体に前記軌道に沿って送信アンテナ素子列と受信アンテナ素子列を配列したアレイアンテナを有し、送信アンテナ素子群を素子単位で切り替える送信アンテナ切替手段と受信アンテナ素子群を素子単位で切り替える受信アンテナ切替手段とを有し、前記送信アンテナ切替手段による切替処理毎に選択された送信アンテナ素子からの発射された電波の反射波を複数の受信アンテナ素子で同時に受信する処理を前記送信アンテナ素子単位で切替処理する信号を送出する制御手段を有し、前記受信アンテナ素子での受信信号から線路盤下の二次元画像データを求める演算手段と、この演算手段による画像データを入力して線路盤下の二次元映像を表示する画像表示手段とを有してなるものである。
【0010】
【作用】上記のごとくなっている本発明は、複数の送信アンテナ素子有す得る送信アンテナ素子列と複数の受信アンテナ素子を有する受信アンテナ素子列とを鉄道軌道に沿って移動させ、送信アンテナ素子列の各送信アンテナ素子を順次切り替えて電波を放射し、受信アンテナ素子列の各受信アンテナ素子によってその反射波を受信するようになっているため、一部の送信アンテナ素子または一部の受信アンテナ素子が枕木の上方に存在したとしても、他の送信アンテナ素子によって地中に電波を放射することができ、また他の受信アンテナ素子によってその反射波を受信することができるため、枕木の下方に空洞などが存在している場合であっても、枕木の影響をあまり受けずに空洞などを確実に検出することができる。
【0011】
【発明の実施の形態】以下に本発明に係る線路盤下検査装置の具体的実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施形態においては、線路盤下の空洞検査に適用した場合について説明する。
【0012】本実施形態に係る線路盤下検査装置である空洞検査装置は、図1(2)に示すように、線路盤下の地中にある空洞64などを検知するための装置である。装置の全体構成は、図1(1)に示すようなブロック図で表せられる。この空洞検査装置1は、レーダ本体10とアレイアンテナ34とを備えている。そして、アレイアンテナ34は、送信アンテナ素子列18と受信アンテナ素子列20とからなっている。そして、レーダ本体10は、送信部と受信部とからなり、送信部は発振器12、方向性結合器14、増幅器16を介して送信アンテナ素子列18に出力し、受信部は受信アンテナ素子列20により受信された反射波を増幅器22で増幅し、ミキサ24、フィルタ26を介して必要な受信信号を求めるように構成されている。
【0013】送信アンテナ素子列18は、n個の受信アンテナ素子18i(i=1、2、3、………、n)を一列に並べて構成してある。また、受信アンテナ素子列20は、n個の受信アンテナ素子20i(i=1、2、3、………、n)を一列に並べて構成してある。そして、送信アンテナ素子18iと受信アンテナ素子20iとが隣り合わせに並んだアレイ構造となっており、これらのアンテナ素子18i、20iが送信・受信対としてその全ての組合せが選ばれるようにしている。
【0014】送信・受信対としてその全ての組合せを選ぶ処理を行なわせるため、送信アンテナ切替器(SPNT切替器)28と受信アンテナ切替器(SPNT切替器)30が設けられており、送信アンテナ切替器28により選択された送信アンテナ素子18iにより検出用電波42を地中62に放射し、当該選択された一つの送信アンテナ素子18iによる送信中に全ての受信アンテナ素子20iが反射波44を受信するように前記受信アンテナ切替器30で受信アンテナ素子20iを切り替えるとともに、全ての受信アンテナ20iによる受信作業が終了した後に、送信アンテナ素子18i(i=1、2、3、……、n)を隣接する次の送信アンテナ素子18(i+1)に切り替えるようにしている。この切替制御は、レーダ本体10の統括制御をなすシステム制御回路32のスイッチング回路により行なわせる。
【0015】ここで、前記送信アンテナ素子列18と受信アンテナ素子列20からなるアレイアンテナ34は、鉄道軌道(レール)36に沿って送信アンテナ素子18iと受信アンテナ素子列20iとが配列してあって、これを軌道走行移動させるようにしている。アレイアンテナ34は、アンテナ素子18i、20iの送受信面を線路盤下に向けるように台車(図示せず)に搭載し、これらが一体で図1(2)の矢印Aのように軌道敷設方向へ移動することで計測すべき軌道ラインに沿った線路盤下方領域をカバーする。この場合、アンテナ素子18i、20iの配列間隔は、図1(1)に示してあるように、レール36を支えている枕木38の間隔より小さくなるように設定するとともに、アレイアンテナ34の全体長さは複数の枕木38に跨るような長さとなるように設定すればよい。
【0016】なお、図1(2)においては、送信アンテナ素子列18の送信アンテナ素子18iと、受信アンテナ素子列20の受信アンテナそし20iとを便宜的に一列に配置して示してある。
【0017】このようなアレイアンテナ34を素子配列方向(軌道方向)に沿って移動させつつ、前記アンテナ切替器28、30で送信・受信対としてその全ての組合せを選ぶ処理を行なわせることにより、それぞれの中から一つずつ選ばれた任意の一対について、パルスエコーデータが得られるようになっている。発振器12の出力周波数は、実施形態の場合、100MHz〜1.5GHz程度までの広帯域で、ベースバンドパルスが得られるようになっている。あるいは、この範囲の周波数を順に発生させるFMCW方式を用いても良い(この場合には、周波数→時間にフーリエ変換を用いる)。FMCW方式の場合のアンテナ素子切替タイミングとレーダの動作タイミングを図2に示す。なお、図2においては、理解を容易にするため、送信アンテナ素子18iと、受信アンテナ素子20iとを交互に、かつ同一直線上に配置している。
【0018】空洞検査装置1のシステム制御回路32は、図示しない距離センサの出力信号に基づいて、アレイアンテナ34が矢印Aのように移動すると、所定の移動距離ごとに進行方向トリガパルスaを出力するようになっている。そして、システム制御回路32は、図2に詳細を示したように、進行方向トリガパルスaの1パルスにつき、全ての送信アンテナ素子18nを順次切り替える信号bを送信アンテナ切替器28に出力する。また、システム制御回路32は、各送信アンテナ切替信号bの1パルスにつき、全ての受信アンテナ素子20nを順次切り替える信号cを受信アンテナ切替器30に出力する。さらに、システム制御回路32は、各受信アンテナ切替信号cに同期して発振器12を制御し、発振器12が出力する送信信号の周波数を山形に変化させる。
【0019】システム制御回路32は入力された計測信号とともに、各トリガ信号、送信周波数切替え信号とともに、解析処理部40にデータ転送をなすようにしている。解析処理部40には、次のようなセンサ画像処理ソフトウェアが搭載されている。図3において、アレイアンテナ34のアンテナ素子18i、20iは、アレイアンテナ34の進行方向となるy軸方向に配列されている。検出用電波42の送信点をP1(x,y1,z)、受信点をP2(x,y2,z),反射点をQ(x,η,ζ)とするとき、電波の経路はP1→Q→P2となる。Y−Z断面の映像を求めるには次のような方法を用いればよい。
【0020】すなわち、アレイアンテナ34が移動した結果得られる全データの中から点Qを通る伝播経路の全てについて伝播時間を考慮した遅延時間補正をした後、重ね合わせればよい。レーダ受信信号φは、電波の減衰がなければ次のように書ける。
【数1】

【0021】ここで、ri,ti,w(t)はそれぞれ反射係数、電波の反射点までの往復時間及びレーダパルス波形である。物体中の各反射点までの距離に対応して時間の遅延tiがある。ここで反射係数は図3のη,ζに依存している。このような時系列データがy1,y2の自由度に対応した数だけ計測される。像を再構成するためには、図3において、先ずP1,P2とQとを選択する。この選択には、枕木38の下方の空洞64を検出するため、レール36の敷設方向であるY方向と直交した方向のX方向の変化を無視し、4つの独立変数(y1,y2,η,ζ)に対応した4自由度がある。この変数の組一つにつきレーダの時系列データψ(t)が対応している。電波の伝播パス(P1→Q→P2)に対応した計測時系列波形ψ(t)からQ点での反射振幅を、この伝播に要する所要時間を計算して求め、点Qに割当てる。上記の4つの独立変数ににつきこの操作を実施し、各点へ割当てられた数値を各点ごとに加算すると像が再構成できる。
【0022】そこで、送信アンテナ素子の位置を(x,y1,z)、受信アンテナ素子の位置を(x,y2,z)、媒体中(地中)の点Q(空洞64の位置)を(x,η,ζ)とすると、【数2】

【数3】

【0023】また、P1→Q→P2の伝播時間tP1QP2は、【数4】

となる。ここでcは電波の物質中の速度である。
【0024】このとき点Qへ割当てられる値Ωは、【数5】

となる。2次元画像を得るには、y1,y2に関して総和し、2次元映像関数をΦ(η,ζ)とすると、【数6】

を求めればよい。
【0025】上記構成の空洞検査装置1により、空洞検査のシミュレーションを行なった。このシミュレーションにおいては、地中の70cmの深さに空洞に代えて被検査物体を埋め込んでおき、地表面に50cmの間隔で枕木38を配置し、地表面から10cmの高さにアンテナ走査ラインを設定した。枕木38は、通常に市販されているコンクリート製のものを使用した。そして、空洞検査のシミュレーションに先立って枕木38による電波の透過性を調べた。図4は、その結果を送・受信アンテナがx方向に並んだシングルペア方式(送・受1対のアンテナを持つレーダ)に対して示したものである。
【0026】図4の横軸は、アンテナを移動させる方向に平行配置した複数の枕木38の内の、任意の1つの中心を原点とした距離(単位cm)を示し、縦軸は電波の透過強度を示していて、電波が完全に透過している場合を「1」、完全に遮蔽されている場合を「0」としている。図から明らかなように、50cm間隔で配置した枕木38の存在するところで、電波が枕木38によって完全に遮蔽されることがわかる。
【0027】図5は、上記のように枕木と被検査物体を配置した空洞検査シミュレーションの結果を示したもにである。この図5は、アンテナ素子をそれぞれ7つ(素子間隔25cm)有する送信アンテナ素子列18と受信アンテナ素子列20とからなるアレイアンテナ34を用いてシミュレーションの結果を示している。そして、図5は、枕木38のある場合の、シングルペア方式と、マルチパス方式レーダとの検出反射振幅(反射波強度)を枕木38の無い場合と比較したものである。
【0028】なお、図5の横軸は埋設した被検査物体からの距離(単位cm)を示し、縦軸は電波の反射は強度を示していて、枕木の存在しないときの最大反射波強度を「1」としている。そして、図5の曲線αは枕木38を設置しないときの反射波強度であり、曲線βは送受信アンテナ素子をそれぞれ7つずつ設けたマルチパス方式による反射波強度を示し、曲線γはシングルペア方式による反射波強度を示している。図5から明らかなように、マルチパルス方式の場合、曲線Bに示したように、反射波の検出振幅に大きな落ち込みがないことが解る。
【0029】地中レーダの場合には、通常Bモードと呼ばれる断面図(横軸をセンサの進行方向、縦軸を深さ方向として表示)を用いて、オペレータが地中の構造を判断する。上記のことが、どのようにBモード画像に影響するかが図から明らかであり、マルチパス方式では、常にいずれかの送受信アンテナ素子18i、20iのペアでデータが得られ、データの欠損が無い良好なデータが得られることが解る。従って、線路盤下の鮮明な画像を得ることができる。これに対して、従来の地中レーダのようなシングルペア方式では、曲線Cに示したように、枕木38の存在する位置においてデータの欠損が生じ、枕木38の下方に空洞64が存在する場合、検出することができない。
【0030】このように、本実施形態の空洞検査装置1は、線路盤下の空洞などの検査に有効と思われるマルチパス方式地中レーダシステムを採用することにより、通常のシングルペア方式の地中レーダでは線路盤上にある枕木38により、レーダのデータに欠損ができるのに対してこの課題が解決できる。
【0031】
【発明の効果】以上説明したように、本発明では、鉄道軌道に沿って送信アンテナ素子列と受信アンテナ素子列を配列したアレイアンテナを軌道走行移動させつつ、前記アレイアンテナの移動単位毎に複数の送信アンテナ素子を切り替えながら電波を線路盤下に向けて発射するとともに、個々の送信アンテナ素子からの送信毎に複数の受信アンテナ素子で切替受信させる作業を繰り返すことにより、前記アレイアンテナの進行方向、送受信距離および時間のパラメータによるパルスエコーデータを生成し、このデータから線路盤下の2次元断面映像を生成して空洞検知をなすようにしたので、アンテナシステムがどの位置にあっても線路盤下にある空洞などを枕木の影響を受けることなく検知することができ、検出空洞部分を高速表示することができる。
【出願人】 【識別番号】000005902
【氏名又は名称】三井造船株式会社
【住所又は居所】東京都中央区築地5丁目6番4号
【出願日】 平成13年9月28日(2001.9.28)
【代理人】 【識別番号】100091306
【弁理士】
【氏名又は名称】村上 友一 (外1名)
【公開番号】 特開2003−107169(P2003−107169A)
【公開日】 平成15年4月9日(2003.4.9)
【出願番号】 特願2001−302485(P2001−302485)