JP2003107146A - 電磁波レーダ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電磁波レーダ装置の不感帯とリンギングを低減
するとともに、深部微小欠陥の識別能力を向上する。 【解決手段】給電点１３をアンテナ中央に位置する２枚
のエレメント導体１ａからなる送信アンテナＡと、受電
点１４をアンテナ中央に位置する２枚のエレメント導体
１ｂからなる受信アンテナＢとが並列に設置される電磁
波レーダにおいて、各アンテナの一方のエレメント導体
１ａ，１ｂの角端部に装荷された抵抗４ａ，４ｂと、そ
の一方と対を成す他方のエレメント導体１ａ，１ｂの角
端部に装荷された抵抗４ａ，４ｂとを電気的に接続し、
各抵抗４ａの値を、電磁波レーダ外側に面した導体端部
に装荷された各抵抗４ｂよりも大きくする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電磁波をレーダ波と
して用いた電磁波レーダ装置に係り、特に地中探査や建
造物内部探査に用いる電磁波レーダ装置に適する技術に
属する。

【０００２】

【従来の技術】図３は従来の電磁波レーダの例である。
送信アンテナＡは給電点１３を中央に位置する２枚の三
角形状のエレメント導体１ａよりなっており、一般にボ
ウタイ・アンテナと呼ばれる。受信アンテナＢも同様に
受電点１４を中央に位置する２枚の三角形状のエレメン
ト導体１ｂよりなるボウタイ・アンテナの構成を有す
る。

【０００３】各アンテナＡ，Ｂのエレメント導体１ａ，
１ｂは受電点又は給電点同士が隣接する配置で図３のよ
うに絶縁物基盤２上に並列に設置される。各アンテナの
エレメント導体１ａ，１ｂの周囲には導電性のシールド
３が設けられ、エレメント導体１ａ，１ｂから気中への
不要放射を防止すると共に、外部雑音の進入を防いでい
る。

【０００４】電磁波レーダ装置によるレーダ探査は送信
アンテナのエレメント導体１ａの給電点１３にパルス状
の電圧を印加し、地中あるいは建造物中に電磁波を放射
して、地中あるいは建造物中の配管や空洞などの欠陥と
いう検出すべき標的で反射した前記電磁波を反射波とし
て受信アンテナのエレメント導体１ｂに受けて電気的受
信信号とし、その得られた受信信号から配管や欠陥の有
無，位置などの情報を得る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】その受信信号にはコン
クリート内の空洞などの標的からの反射波以外に地表面
からの反射などの不要入射波やリンギングが重畳され、
標的からの反射波の識別が困難になることがある。

【０００６】そのため、図３のように各アンテナのエレ
メント導体１ａ，１ｂとシールド３とを電気的抵抗４を
介して電気的に接続し、整合をとることで上記リンギン
グを抑える対策が為される。しかし、抵抗４により整合
をとることでリンギングは小さくなるものの、送信アン
テナのエレメント導体１ａと受信アンテナのエレメント
導体１ｂがシールド３を介して接続されているために、
送信アンテナのエレメント導体１ａからの信号が直接受
信アンテナのエレメント導体１ｂに入射し、大振幅の直
接波が受信信号に重畳され地表付近の標的からの反射波
が検出できなくなる、いわゆる不感帯が生じる問題があ
る。

【０００７】また、直接波を抑える目的で図６に示すよ
うに各アンテナのエレメント導体１ａ，１ｂのエレメン
ト導体端部に装荷した電気的抵抗４を電気的に接続し、
シールド３と各アンテナのエレメント導体１ａ，１ｂ間
は電気的に分離した場合、送信アンテナのエレメント導
体１ａから受信アンテナのエレメント導体１ｂへの直接
波は低減するものの、シールド３とアンテナ間の反射が
原因となるリンギングが受信信号に重畳され、遠方にあ
る標的からの微弱な反射波の識別が困難になる問題が生
じる。

【０００８】したがって、本発明の目的は、コンクリー
トや地表などの検査対象表面付近の標的からの反射波や
遠方にある標的からの反射波を正確に識別できる電磁波
レーダ装置を提供することを目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の第１手段は、電
磁波レーダ装置において、少なくとも一対の送信用エレ
メント導体を有する送信アンテナと、前記送信アンテナ
に隣接して配置され、少なくとも一対の受信用エレメン
ト導体を有する受信アンテナと、前記送信用エレメント
導体にパルス信号を与える発振器と、前記受信用エレメ
ント導体に誘起された電気情報を電気信号として入力す
る受信器と、前記受信器から出力された電気信号を入力
する信号処理手段と、前記各アンテナの周辺に設けられ
た導電性のシールドとを備え、前記一対の送信用エレメ
ント導体の前記受信アンテナ側の部分を、相互に第１の
電気抵抗を介して接続し、前記一対の送信用エレメント
導体の前記受信アンテナとは反対側の部分を、相互に前
記第１の電気抵抗よりも抵抗値の小さな第２の電気抵抗
を介して接続し、前記一対の受信用エレメント導体の前
記送信アンテナ側の部分を、相互に第３の電気抵抗を介
して接続し、前記一対の受信用エレメント導体の前記送
信アンテナとは反対側の部分を、相互に前記第３の電気
抵抗よりも抵抗値の小さな第４の電気抵抗を介して接続
してあるものである。

【００１０】同じく第２手段は、電磁波レーダ装置にお
いて、少なくとも一対の送信用エレメント導体を有する
送信アンテナと、前記送信アンテナに隣接して配置さ
れ、少なくとも一対の受信用エレメント導体を有する受
信アンテナと、前記送信用エレメント導体にパルス信号
を与える発振器と、前記受信用エレメント導体に誘起さ
れた電気情報を電気信号として入力する受信器と、前記
受信器から出力された電気信号を入力する信号処理手段
と、前記各アンテナの周辺に設けられた導電性のシール
ドとを備え、前記一対の送信用エレメント導体の前記受
信アンテナ側の部分を、相互に第１の電気抵抗を介して
接続し、前記一対の送信用エレメント導体の前記受信ア
ンテナとは反対側の部分を第２の電気抵抗を介して接続
し、前記一対の受信用エレメント導体の前記送信アンテ
ナ側の部分を、相互に第３の電気抵抗を介して接続し、
前記一対の受信用エレメント導体の前記送信アンテナと
は反対側の部分を、相互に第４の電気抵抗を介して接続
し、前記送信用エレメント導体と受信用エレメント導体
は第５の電気抵抗を介して前記導電性のシールドに接続
してあるものである。

【００１１】前記第２手段において、前記第１の電気抵
抗の抵抗値よりも第２の電気抵抗の抵抗値が少ないよう
に設定され、前記第３の電気抵抗の抵抗値よりも第４の
電気抵抗の抵抗値が少ないように設定されていることが
好ましい。

【００１２】また、第５の電気抵抗の抵抗値は第１から
第４までのいずれの電気抵抗の抵抗値よりも大きいこと
が好ましい。

【００１３】さらには、第１の電気抵抗の抵抗値に対す
る第２の電気抵抗の抵抗値の比、及び第３の電気抵抗の
抵抗値に対する第４の電気抵抗の抵抗値の比が、それぞ
れ４対１であることが好ましい。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の第１実施例を以下に説明
する。図１は本発明である電磁波レーダ装置の構成を示
したものである。電源１１は導電性シールド３内部の発
信器１２と電力線１９を介して接続されており、電源１
１から電力を受けた発信器１２は数nS程度以下の非常に
幅の狭いパルスをエレメント導体１ａの給電点１３に供
給する。

【００１５】そのパルスは発信器１２から給電点１３へ
一定時間間隔で発信される。送信アンテナＡは２枚で一
対の三角形状のエレメント導体１ａからなっており、各
エレメント導体１ａが隣接しあっていて、隣接して向か
い合うアンテナ中心部の給電点１３に発信器１２からの
パルス信号が供給される。各エレメント導体１ａは絶縁
物基盤２上に配置される。受信アンテナＢは２枚で一対
の三角形状のエレメント導体１ｂからなっており、各エ
レメント導体１ｂが隣接しあっている。したがって、各
アンテナＡ，Ｂは互いに隣接しあう。

【００１６】エレメント導体１ａに供給されたパルス状
の電気的な信号は、エレメント導体１ａ上を流れる表面
電流となり、この電流により空間に電磁波が放出され
る。その電磁波は、空気やコンクリート，土などの媒質
中を伝搬し、媒質中に存在する空洞や金属などの反射体
（標的ともいう。）からの反射波が受信アンテナＢのエ
レメント導体１ｂに受信されて検出される。

【００１７】受信アンテナのエレメント導体１ｂも送信
アンテナのエレメント導体１ａと同様に三角形状の隣接
しあうエレメント導体２枚の構造となっており、絶縁物
基盤２上に送信アンテナのエレメント導体１ａと並列に
設置される。各エレメント導体１ｂの隣接しあう各端部
は受電点１４とされる。

【００１８】標的で反射した各エレメント導体１ａから
の電磁波を反射波として各エレメント導体１ｂが受ける
と、その各エレメント導体１ｂの上に表面電流が誘起さ
れ、受信アンテナＢ中心部の受電点１４から受信器１５
へと電気信号となって伝達する。

【００１９】受信器１５は記録装置１６、ならびにオシ
ロスコープ１７，信号処理装置１８と信号線２０を介し
て接続されており、受信器１５により高周波サンプリン
グした受信信号を所望する有意の信号に処理してオシロ
スコープ１７や処理装置１８画面上で確認することが可
能となっている。したがって、サンプリング信号を所望
の有意な信号に処理する信号処理手段として、記録装置
１６及びオシロスコープ１７並びに信号処理装置１８を
備えている。そのうちのずれか一つのみをサンプリング
信号を所望の有意な信号に処理する信号処理手段として
備えていても良い。

【００２０】また、各アンテナは絶縁物基板２上に設置
され、電磁波放射面以外の周囲を箱型の導電性シールド
３で囲むことにより、気中への不要電磁波放射や外部か
らの雑音入射を防いでいる。

【００２１】図２は上面から見た電磁波レーダ装置のア
ンテナ部分の構造を示したものであり、送信アンテナの
各エレメント導体１ａの形状の三角形の内給電点１３と
されている一角端部を除く他の一角端部には抵抗４ａが
他の角端部には抵抗４ｂが電気的接続手段で接続されて
装荷されており、もう一方のエレメント導体１ａの三角
形の二角端部に前述と同様に装荷された抵抗４ａ，４ｂ
と電気的に接続されている。

【００２２】受信アンテナＢの各エレメント導体１ｂも
同様にエレメント導体の受電点１４を除く角端部に抵抗
４ａ，４ｂを装荷し、各抵抗４ａ同士が、及び各抵抗４
ｂ同士が電気的に接続されている。これにより、各アン
テナの各エレメント導体１ａ，１ｂにおいてレーダ中央
シールド６側に面した各抵抗４ａを通る電流ループ５ａ
と、レーダ外側に面した各抵抗４ｂを通る電流ループ５
ｂが形成される。

【００２３】上記の抵抗４ａ，４ｂのうち、送信アンテ
ナＡのエレメント導体１ａと受信アンテナＢのエレメン
ト導体１ｂが対向しているレーダ中央シールド６側の電
流ループ５ａ上の抵抗４ａを、レーダ外側の電流ループ
５ｂ上の抵抗４ｂよりも大きな値とすることで、アンテ
ナのエレメント導体に流れる電流が主としてレーダ外側
の電流ループ５ｂを通り、レーダ中央シールド６側の電
流ループ５ａに流れる電流は低減される。

【００２４】これにより中央シールド６への電磁誘導
や、送信アンテナ１ａから受信アンテナ１ｂへの電磁誘
導が低減される。レーダ外側の電流ループ５ｂの電流に
よるシールド３への誘導は、シールド３側面と各アンテ
ナ１ａ，１ｂの間に電波吸収材７を設置することで低減
している。尚、シールド３や中央シールド６は導電性の
材料で構成され、中央シールド６がシールド３内の空間
を受信アンテナＢ側と送信アンテナ側Ａとの区画に独立
したシールド領域を提供するように分けている。

【００２５】以上により、各アンテナ１ａ，１ｂとシー
ルド３は電気的に分離しているため、送信アンテナ１ａ
から受信アンテナ１ｂに直接流入する電流は無くなり、
直接波強度は大幅に低減される。また送信アンテナ１ａ
に流れる表面電流によるシールド３や受信アンテナ１ｂ
への誘導が低減されるために受信信号のリンギングが抑
制される。

【００２６】従来例と本第１実施例との比較を以下に示
す。実験は図４に示すように、深さ５０cmのところに空
洞８を設けたコンクリート９上にレーダを設置して測定
したものである。図３に示すアンテナのエレメント導体
１ａ，１ｂとシールド３を抵抗を介して接続した構造
（接続型）では反射波を受信して得られる受信波は図５
となり、リンギングが抑えられているものの、送信アン
テナ１ａからの直接波が大きく、地表付近の信号はこの
直接波に覆われてしまう。さらに、その受信波のピーク
強度により受信信号の表示強度幅が決定されるため、相
対的に空洞８からの反射波強度が小さくなり、識別が難
しくなっている。

【００２７】また、図６に示すアンテナのエレメント導
体１ａ，１ｂとシールド３を分離し、装荷した抵抗４の
値が全て等しい構造（単純分離型）では反射波を受信し
て得られる受信波は図７となり、直接波は接続型と比較
して１／２程度と小さいものの、リンギングが発生して
おり、空洞８からの反射波がリンギングに隠れてしまい
識別ができない。

【００２８】図１と図２に示すアンテナのエレメント導
体１ａ，１ｂとシールド３を分離し、レーダ中央側の抵
抗４ａをレーダ外側の抵抗４ｂよりも大きく、抵抗値の
比率を４：１とした本発明の実施例では空洞８からの反
射波を受信して得られる受信波は図８となり、直接波は
接続型の１／２以下になり、さらにリンギングは単純分
離型の１／４以下になっており、明確に空洞８からの反
射波が識別できる。

【００２９】次に第２実施例を図９により説明する。第
２実施例は第１実施例にさらに以下の構成と作用を付加
したものである。付加した内容は以下のとおりで、その
他は第１実施例と同じである。即ち、送受各アンテナの
エレメント導体１ａ，１ｂと周囲の導電性シールド３
を、エレメント導体１ａ，１ｂ間に装荷した抵抗４ａ，
４ｂよりも大きな抵抗４ｃを介して接続している。

【００３０】このような構成で各アンテナＡ，Ｂの各エ
レメント導体１ａ，１ｂとシールド３間が電気的に接続
されたことにより両者の電位差が減少し、各アンテナ
Ａ，Ｂの各エレメント導体１ａ，１ｂとシールド３間の
反射が低減し、リンギングが減少する。さらに、各アン
テナＡ，Ｂの各エレメント導体１ａ，１ｂとシールド３
間の抵抗４ｃが各アンテナＡ，Ｂの各エレメント導体１
ａ，１ｂ間に装荷されている抵抗４ａ，４ｂよりも大き
いために、電流は主としてエレメント上の電流ループ５
ａ，５ｂに流れ、シールド３への流入が抑えられるため
に直接波も抑制される。

【００３１】第２実施例の構成で空洞８からの反射波を
受信して得られる受信波は図１０となり、接続型に対し
て直接波が１／２以下になりコンクリート９表面近傍の
不感帯が除去されている。

【００３２】図１１は第３実施例を示しており、各アン
テナＡ，Ｂの各エレメント導体１ａ，１ｂと、各エレメ
ント導体１ａを囲むループ状導体１０や各エレメント導
体１ｂを囲むループ状導体１０を絶縁物基板２上に配置
した。各ループ状導体１０は電気的導体であり、その各
ループ状導体１０と各エレメント導体１ａ，１ｂは電気
的な抵抗４ａ，４ｂを介して電気的に接続される。さら
にループ状導体１０はシールド３と電気的な抵抗４ｃを
介して接続する。その他の構成や抵抗４ａ，４ｂ，４ｃ
の大小関係は、第２実施例と同様である。

【００３３】この場合においても悪影響を及ぼす電流は
抵抗を通じて主としてループ状導体１０を流れ、直接波
が抑制される。また、アンテナ１ａ，１ｂとシールド３
間が電気的に接続されたことによりアンテナ１ａ，１ｂ
とシールド３間の反射が無くなり、リンギングが減少す
る。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、電磁波を用いたレーダ
装置において、直接波の低減による探査物表面近傍の不
感帯を除去することが可能となり、さらにリンギングを
低減することで深部微小欠陥の識別が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例による電磁波レーダ装置の
全体構成図である。

【図２】第１実施例のアンテナ部分の平面図である。

【図３】従来の電磁波レーダ装置（接続型）のアンテナ
部分の斜視図である。

【図４】本発明の各実施例と従来例との比較試験で用い
た試験構成図である。

【図５】図３の接続型レーダ装置による受信波の受信強
度グラフ図である。

【図６】従来の電磁波レーダ装置（単純分離型）のアン
テナ構成部品の平面配置図である。

【図７】図６の単純分離型レーダ装置による受信波の受
信強度グラフ図である。

【図８】本発明の第１実施例による電磁波レーダ装置に
よる受信波の受信強度グラフ図である。

【図９】本発明の第２実施例による電磁波レーダ装置の
アンテナ構成部品の平面配置図である。

【図１０】本発明の第２実施例の電磁波レーダ装置によ
る受信波の受信強度グラフ図である。

【図１１】本発明の第３実施例による電磁波レーダ装置
のアンテナ構成部品の平面配置図である。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ…エレメント導体、２…絶縁物基板、３…シ
ールド、４ａ，４ｂ，４ｃ…抵抗、５ａ，５ｂ…電流ル
ープ、６…中央シールド、７…電波吸収材、８…空洞、
９…コンクリート、１０…ループ状導体、１１…電源、
１２…発信器、１３…給電点、１４…受電点、１５…受
信器、１６…記録装置、１７…オシロスコープ、１８…
信号処理装置、１９…電力線、２０…信号線、Ａ…送信
アンテナ、Ｂ…受信アンテナ。

フロントページの続き (72)発明者 道口 由博 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発研究所内 (72)発明者 浅野 稔 茨城県日立市幸町三丁目２番２号 株式会 社日立エンジニアリングサービス内 Ｆターム(参考） 5J070 AB01 AC01 AD02 AD13 AD20 AE11 AK22

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも一対の送信用エレメント導体を
   有する送信アンテナと、前記送信アンテナに隣接して配
   置され、少なくとも一対の受信用エレメント導体を有す
   る受信アンテナと、前記送信用エレメント導体にパルス
   信号を与える発振器と、前記受信用エレメント導体に誘
   起された電気情報を電気信号として入力する受信器と、
   前記受信器から出力された電気信号を入力する信号処理
   手段と、前記各アンテナの周辺に設けられた導電性のシ
   ールドとを備え、 前記一対の送信用エレメント導体の前記受信アンテナ側
   の部分を、相互に第１の電気抵抗を介して接続し、前記
   一対の送信用エレメント導体の前記受信アンテナとは反
   対側の部分を、相互に前記第１の電気抵抗よりも抵抗値
   の小さな第２の電気抵抗を介して接続し、 前記一対の受信用エレメント導体の前記送信アンテナ側
   の部分を、相互に第３の電気抵抗を介して接続し、前記
   一対の受信用エレメント導体の前記送信アンテナとは反
   対側の部分を、相互に前記第３の電気抵抗よりも抵抗値
   の小さな第４の電気抵抗を介して接続してある電磁波レ
   ーダ装置。
2. 【請求項２】少なくとも一対の送信用エレメント導体を
   有する送信アンテナと、前記送信アンテナに隣接して配
   置され、少なくとも一対の受信用エレメント導体を有す
   る受信アンテナと、前記送信用エレメント導体にパルス
   信号を与える発振器と、前記受信用エレメント導体に誘
   起された電気情報を電気信号として入力する受信器と、
   前記受信器から出力された電気信号を入力する信号処理
   手段と、前記各アンテナの周辺に設けられた導電性のシ
   ールドとを備え、 前記一対の送信用エレメント導体の前記受信アンテナ側
   の部分を、相互に第１の電気抵抗を介して接続し、前記
   一対の送信用エレメント導体の前記受信アンテナとは反
   対側の部分を第２の電気抵抗を介して接続し、 前記一対の受信用エレメント導体の前記送信アンテナ側
   の部分を、相互に第３の電気抵抗を介して接続し、前記
   一対の受信用エレメント導体の前記送信アンテナとは反
   対側の部分を、相互に第４の電気抵抗を介して接続し、 前記送信用エレメント導体と受信用エレメント導体は第
   ５の電気抵抗を介して前記導電性のシールドに接続して
   ある電磁波レーダ装置。
3. 【請求項３】請求項２において、前記第１の電気抵抗の
   抵抗値よりも第２の電気抵抗の抵抗値が少ないように設
   定され、 前記第３の電気抵抗の抵抗値よりも第４の電気抵抗の抵
   抗値が少ないように設定されている電磁波レーダ装置。
4. 【請求項４】請求項２又は請求項３において、第５の電
   気抵抗の抵抗値は第１から第４までのいずれの電気抵抗
   の抵抗値よりも大きくされている電磁波レーダ装置。
5. 【請求項５】請求項１から請求項４において、第１の電
   気抵抗の抵抗値に対する第２の電気抵抗の抵抗値の比、
   及び第３の電気抵抗の抵抗値に対する第４の電気抵抗の
   抵抗値の比が、それぞれ４対１である電磁波レーダ装
   置。