JP2020003506A - チャープ式マルチ地中レーダシステム - Google Patents

Abstract

【課題】検出物標の分解能を維持しつつ、探査深度の増大を図ることができる地中レーダシステムを提供する。【解決手段】チャープ方式の地中レーダを複数、同一場所で使用可能にしたマルチレーダシステム。複数のレーダシステムを同一場所にて同時使用しても、隣同士のアンテナで受信信号に干渉が発生しないようにするため、それぞれのレーダが送受信する時間帯を管理する方式を採用している。長い時間送信信号を送信するので高出力が得られ、探査深度を増加することが可能になるチャープ波が長いパルス波であることから受信回路においてインパルスに変換するパルス圧縮回路を採用して分解能向上を実現した。【選択図】図６

Description

この発明は地中レーダシステムに関する。特に、高分解能で探査深度の深い地中レーダシステムに関する。

過去に作られた道路で地下に空洞が発生して陥没等の事故が発生することがある。地下に発生する空洞のうち、将来、事故につながる見込みある空洞を未然に発見する手法として、マイクロ波帯の電磁波を用いた地中レーダ方式によるものが知られている。代表的な方式としては、パルス方式、ＦＭＣＷ方式、連続波方式、チャープ方式、符号化方式などがあり、それぞれ探査能力において、特徴を持っている。

地中レーダ方式による探査の場合、人が手で押す地中レーダが使用されることがある。人が手で押す地中レーダで道路を探査する場合、一般の交通を一時的に遮断して探査を行う必要がある。

そこで、近年は、交通に支障のない車両で牽引された地中レーダシステムの探査手法が実施されている。

地中レーダ方式による探査の手法や、これに採用されるレーダ装置、システムについても従来から種々の提案が行われている（特許文献１、２、非特許文献１）。

パルス方式の地中レーダで道路等を探査する場合、例えば、その道路の探査領域幅が仮に２．５ｍあるとすると、地中レーダに配備されているアンテナサイズは一般的に０．５ｍ角のため、５側線を往復又は片道５回探査する必要がある。

従来の地中レーダは、一般的に手押し方式のため、１側線探査にも仮に距離１００ｍあれば時速４Ｋｍとして片道３分前後の時間が必要である。５側線では、往復で実施することを考慮するとしても最低でも３０分弱の探査時間がかかる。そこで、パルス方式の地中レーダのアンテナを複数、道路横断方向に並べて牽引台車に搭載し、路面空洞探査を車両走行によって行っている。

従来から採用されているパルス方式の地中レーダでは、一定の繰り返し周期において送信するパルスの幅が数ナノ秒のため、送信出力が微弱である。このため、探査能力においてその深度に限界がある。

ここで、パルス幅を広げて送信出力を増大させると、其の広げた分に相当する検出物標の分解能が悪くなる。

このため、パルス方式の地中レーダには、原理的に探査できる深度及び分解能に限界があった。

特開２００２−８２１６２号公報 特開２００９−５８３０８号公報

電子情報通信学会論文誌 B Vol.J83-B No.1 pp113-120「遅延相関器を用いたチャープ信号パルス圧縮地中レーダ」（冨澤良行、荒井郁男）

検出物標の分解能を維持しつつ、探査深度の増大を図ることができる地中レーダシステムを提供する。

［１］
チャ−プ式地中レーダアンテナを備えている複数のレーダ装置で構成され、地中の反射信号を受信して探査を行うチャープ式マルチ地中レーダシステムであって、
個々の前記レーダ装置の前記チャ−プ式地中レーダアンテナからの送信用の個々の送信信号があらかじめ定められている所定の間隔ずつずれていると共に、
個々の前記レーダ装置が取得する受信信号が前記送信信号に同期してあらかじめ定められている所定の間隔ずつずれている
チャープ式マルチ地中レーダシステム。

［２］
チャープ波のパルス波をインパルスに変換パルス圧縮回路を受信回路が備えている［１］のチャープ式マルチ地中レーダシステム。

［３］
チャ−プ式地中レーダアンテナを備えている複数のレーダ装置で構成され、地中の反射信号を受信して探査を行うチャープ式マルチ地中レーダシステムであって、
送信信号出力が、常に、複数レーダの中の一つのアンテナでしか行われず、その際、地下からの反射信号の受信が残りの他のすべてのレーダのアンテナで行われ、
前記送信信号出力を行うアンテナが前記一つのアンテナから、あらかじめ定められている所定の間隔で、順次、前記残りの他のアンテナに切り替えられていくことで、前記複数のレーダ装置で、前記送信信号出力を行った他の全てのアンテナからの受信データを取得する
チャープ式マルチ地中レーダシステム。

［４］
チャープ波のパルス波をインパルスに変換パルス圧縮回路を受信回路が備えている［３］のチャープ式マルチ地中レーダシステム。

この発明によれば、検出物標の分解能を維持しつつ、探査深度の増大を図ることができる地中レーダシステムを提供することができる。

本発明の一実施形態における周波数制御波形の一例を表す図。 本発明の一実施形態における送信信号のチャープ波形の一例を表す図。 本発明の一実施形態における遅延回路を制御する「周波数」対「遅延制御波形」の一例を表す図。 本発明の一実施形態におけるパルス圧縮波形の一例を表す図。 図３図示の「周波数」対「遅延制御波形」で制御される遅延回路を用いたパルス圧縮回路の構成の一例を表す図。 本発明の一実施形態におけるチャープ式レーダの構成概要の一例を説明する図。 本発明の一実施形態におけるチャープ式レーダのブロック図の一例。 本発明の一実施形態におけるサンプリングパルスの一例を表す図。 本発明の一実施形態におけるチャープ式マルチ地中レーダシステムの構成概要の一例を説明する図。 全レーダ同時同期管理方式において個々のレーダ装置からの信号時間を所定の短い時間ずつずらすことに使用されるマルチレーダトリガーパルス制御波形のタイミング制御を説明する図。 図９図示の実施形態におけるアンテナ配列の一例を表す図。 遅延相関を用いたパルス圧縮の原理を説明する図。 受信回路においてチャープ波の長いパルス波をインパルスに変換するパルス圧縮に遅延相関器が使用される場合のタイミングの一例を表す図。 全レーダ同時同期管理方式で一のレーダからのみ送信信号が行われ他のすべてのレーダで受信が行われている状態を説明する図。 全レーダ同時同期管理方式で図１４図示の状態に引き続いて、他の一のレーダからのみ送信信号が行われて、その他のすべてのレーダで受信が行われている状態を説明する図。

この実施形態では、検出物標の分解能を維持しつつ、探査深度の増大を図るべくチャープ方式の地中レーダを採用している。

チャープレーダーではチャープ信号発生器で生成したチャープ信号を周波数変換、増幅してアンテナからパルス状の送信波を送信する。ターゲット（検出物標）、例えば、埋設物や、比誘電率又は導電率の異なる境界面などで反射した反射波をアンテナで受信し、周波数変換、増幅し、サンプリングしたレーダ受信データに基づいてターゲット（検出物標）、例えば、埋設物や、比誘電率又は導電率の異なる境界面などの探知を行う。

このようなチャープ方式の地中レーダの原理を説明すると次の通りである。

送信信号のチャープ波形は、図1に示す周波数制御波形に従って、図２に示すようにキャリヤ信号をＦＭ変調した長いパルス波である。図１図示のように周波数は時間とともに直線的に変化する。

このようなチャープ波は、長い時間送信信号を送信するので高出力が得られ、探査深度を増加することが可能になる。

この実施形態では、このパルス波が、長いパルス波であることから、分解能を向上させるため、受信回路においてインパルスに変換する機構を採用している。

本実施形態では、受信回路でインパルスに変換する機構をパルス圧縮回路と呼んでいる。

一例として、図３に示す周波数対遅延制御波形で制御される遅延回路を用いたパルス圧縮回路の構成を図５に示す。この圧縮回路に受信したチャープ信号を通すことにより、図４に示すパルス圧縮波形が得られる。

チャープ方式のパルス波が長いパルス波であることから、分解能を向上させるため、受信回路においてインパルスに変換するパルス圧縮の方式としては、図５図示の方式の他、ＳＡＷデバイスを利用する方式や、デジタル処理、図１２に示す遅延相関回路でパルス圧縮を行う方式にすることもできる。

例えば、図１３にタイミングの一例を示したように、受信回路においてチャープ波の長いパルス波をインパルスに変換するパルス圧縮に遅延相関器を使用することもできる。

上述したいずれかの方式でチャープ信号を圧縮することで、高分解能で探査深度の深い地中レーダシステムを実現するものである。

上述したいずれかの方式のパルス圧縮方式を用いることにより、従来技術のパルス式地中レーダと同等以上の狭いインパルスが得られる。そこで、検出物標、例えば、埋設物や、比誘電率又は導電率の異なる境界面などの分解能を維持することが可能になる。

これにより、従来のパルス式地中レーダに比較して、パルス幅を広くした分に相当する探査深度の増大を得ることができる。

図６は、上述した原理に基づいて実現するチャープ式地中レーダの実施形態の一例を示すものである。

図７に、この実施形態に係るチャープ方式の地中レーダの一例としてそのブロック図を示す。

ここでタイミング回路から入力したトリガーパルスに従い、チャープ発生回路で図２に示すチャープ波形を発生させ、送信回路、バラントランスを経て広帯域送信アンテナに給電する。

地中に放射されたチャープ波は、埋設物や、比誘電率又は導電率の異なる境界面があるとそこで反射し、その反射波は、広帯域受信アンテナで受信される。

この受信信号は、バラントランスを経てＲＦ受信回路で増幅され、サンプルホールド回路で低周波信号波形に伸長される。

一例としては、１２５ｎｓの時間領域を１．２５ｍｓの時間に１万倍伸長する。

この伸長の方法としては、タイミング回路から入力するサンプリングパルスが図８に示すようにトリガーパルスの周期Ｔに対して順次ｔ＝０．１ｎｓだけずらして入力させ、受信信号のチャープ波形をサンプルホールドする方式を採用することができる。

この動作によって高周波と相似波形の低周波チャープ信号が得られる。

この低周波チャープ信号を可変利得回路から、上記で説明したパルス圧縮回路へ入力し、図４に示すパルス信号を得る。

これをレーダシステムの受信信号として取り扱うことで、深深度探査で高分解能の地中レーダシステムが実現できる。

この実施形態では、長い時間送信信号を送信するので高出力が得られ、探査深度を増加することが可能になるチャープ波が長いパルス波であることから、受信回路においてインパルスに変換するパルス圧縮回路を採用することで分解能向上を実現している。

そして、この実施形態では、このようにしたチャープ方式の地中レーダを採用して地中レーダのアンテナを複数、道路横断方向に並べて牽引台車に搭載し、路面空洞探査を車両走行にて可能にするシステムを構築した。

ここで、通常のチャープ方式の地中レーダは、連続性のある信号を長時間使用するため、チャープ信号波形をパルス波形に変換する際にタイムサイドローブが長く尾を引く。これは、受信信号の微弱信号に妨害を与え、探査能力を低下させる。

そこで、本実施形態では、地表面からの反射波とターゲット（検出物標）、例えば、埋設物や、比誘電率又は導電率の異なる境界面などからの反射波が極力重ならない、時間的に短いチャープ信号数十ナノセックの時間幅を用いることによって微弱信号の検出向上を計り、深深度探査能力向上が期待できる短チャープ方式地中レーダを採用した。

この実施形態では、この方式を基本とした短チャープレーダを複数台使用し、短時間に必要な地中情報を得ることを可能にした。

ここで複数のレーダシステムを同一場所にて同時使用すると、隣同士のアンテナで受信信号に干渉が発生する。この干渉によって、探査性能が低下するため、干渉を除かなければ、複数のレーダシステムを使って同時に複数の探査データ受信信号を得た利点が発揮されない。

複数のレーダシステムを同一場所にて同時使用すると、隣同士のアンテナで受信信号に干渉が発生する。この実施形態ではこの干渉を除くことを可能にしている。

例えば、複数のレーダシステムを同一場所にて同時使用しても、隣同士のアンテナで受信信号に干渉が発生しないようにするため、それぞれのレーダが送受信する時間帯を管理する方式を採用している。

これにより、複数のレーダシステムを同一場所にて同時使用しても、隣同士のアンテナで受信信号に干渉が発生することなしに、レーダが動作し、高分解能の地中反射信号が得られるようにした。

この実施形態では、複数配備されるレーダにおけるそれぞれのレーダが送受信する時間帯（タイミング）を管理する方式として次のものを採用し、これによって、チャープ式マルチ地中レーダシステムを実現している。

この実施形態では、以下で説明する、全レーダ同時同期管理方式あるいは、順次送信アンテナ切り替えによる全受信アンテナ動作方式を採用することでこの問題を解決している。

全レーダ同時同期管理方式
複数使用される全てのレーダの動作するタイミングを管理する方式である。

チャ−プ式地中レーダアンテナを複数使用して地中の反射信号を受信するシステムで、受信信号同志の干渉を避けるため、個々のレーダ装置の信号時間を所定の短い時間ずらして送信する、例えば、１２５ｎｓごとにずらして送信し、同時に受信回路のサンプリングトリガーの位置も前記のように送信信号の時間をずらす送信トリガーに従ってずらす方式からなる、複数レーダで構成されたチャープレーダシステムである。

チャープ式マルチ地中レーダシステムを構成する複数レーダにおける各レーダが全くの同一タイミングで動作することがないように、例えば、所定のマルチレーダトリガーパルス制御波形によるタイミング制御で、個々のレーダ装置の信号時間を所定の短い時間、例えば、それぞれ１２５ｎｓずつずらせて動作させる。この送信タイミングに同期させて、受信回路のサンプリングパルスも各レーダ装置でそれぞれ所定の短い時間、例えば、１２５ｎｓずつずらせて動作させる。これによって、受信信号もそれぞれの送信信号に同期して受信タイミングが所定の短い時間、例えば、１２５ｎｓずつずれるようにする。

このようにして、受信信号同志の干渉を避けることができる。

この全レーダ同時同期管理方式の場合、各レーダ装置の動作時間は、所定の短い時間ずつ、例えば、１２５ｎｓずつずれているのでそれぞれのレーダの受信信号が干渉することは、回避される。

この方式を採用することで、複数のレーダを接近させて同一場所で動作させても、干渉することなく、チャープ式地中レーダの高探知能力を得ることができる。

順次送信アンテナ切り替えによる全受信アンテナ動作方式
チャ−プ式地中レーダアンテナを複数使用して地中の反射信号を受信するシステムで、受信信号同志の干渉を避けるため、送信信号を常に一つのアンテナで行い、それに対する地下からの反射信号を他のすべてのアンテナで受信し、送信信号を出力するアンテナを順次切り替え、それに応じて受信信号は常に他のすべての受信アンテナで受信する、複数レーダで構成されたチャープレーダシステムである。

チャープ式マルチ地中レーダシステムを構成する複数レーダの中で、常に一つのアンテナでしか送信が行われないようにし、その時、残りの他のすべてのレーダは前記一つのアンテナで行われた送信信号に対する地下からの反射信号を受信するようにし、前記前記一つのアンテナが送信を行う時間を所定の短時間、例えば、１．２５ｍｓにし、その短い時間間隔、例えば、１．２５ｍｓ間隔（１２５０回サンプリング）で、前記の送信を行うレーダを前記一のレーダから残りの他のいずれかのレーダへ順次変えていく。順次これを繰り返すことで、複数のレーダ装置で、全ての受信データが得られる。

これによって、地中レーダを複数配列して地中探査をする際に発生する干渉を防ぐことができる。

この順次送信アンテナ切り替えによる全受信アンテナ動作方式の場合、一つのレーダが送信しているとき、全ての他のレーダが受信信号を受信しているが、送信信号は一つのレーダからしか送信されていないので、受信信号が干渉することは発生しない。

この方式を採用することで、複数のレーダを接近させて同一場所で動作させても、干渉することなく、チャープ式地中レーダの高探知能力を得ることができる。

複合方式
上述した全レーダ同時同期管理方式と、順次送信アンテナ切り替えによる全受信アンテナ動作方式とを組み合わせ、任意の複数のレーダ装置で送受信すると同時に送信を停止しているレーダ装置の受信回路を動作させる、複数レーダで構成されたチャープレーダシステムである。

このようにしても複数のレーダを接近させて同一場所で動作させても、干渉することなく、チャープ式地中レーダの高探知能力を得ることができる。

上述したように、本発明は地中レーダ装置に関する。チャープ式マルチ地中レーダシステムで、最小探知距離及び分解能の劣化を伴うことなく、送信電力の増大を伴うチャープ式地中レーダである。

最大探知距離の拡大及び距離分解能の向上を可能としたパルス圧縮レーダ回路を使用して、複数の受信データを同時に受信できる地中レーダシステムである。

本発明では、チャープ方式を使用し、複数レーダを使用したマルチレーダシステムを採用している。すなわち、チャープ方式の地中レーダを複数、同一場所で使用可能にしたマルチレーダシステムを採用している。

図９に本発明の実施形態に係るチャープ式マルチ地中レーダシステムの一例を示す。

この場合のアンテナ配列の一例を図１１に示した。

図１１図示の実施例では、地中レーダ装置を８セット搭載できる車両で牽引可能な台車としている。ここでは、道路の内部を詳細把握するべく、小型レーダを７台、より深い深度を探査するため、中型レーダ１台を図１１図示のように配列した。

このとき、７台の小型レーダのアンテナは、図１１に示す配置から、探査が道路幅２．５ｍの範囲に入るよう道路幅方向にスライドさせて２ｍ〜２．５ｍの任意の幅を探査できるようにしている。

この実施例では、全レーダの動作するタイミングを管理する全レーダ同時同期管理方式を採用した。

図１０に示すマルチレーダトリガーパルス制御波形のタイミング制御にもとずいて各レーダ全くの同一タイミングでは動作しないようにそれぞれ１２５ｎｓずつずらせて動作させた。

この送信タイミングに同期して図８に示すサンプリングパルスも各レーダ装置でそれぞれ１２５ｎｓずつずらせて動作させた。

この操作によって受信信号もそれぞれの送信信号に同期して受信タイミングが１２５ｎｓずつずれるようにしたものである。

これによって、図１１図示のように複数のアンテナを配置した時に、近傍のアンテナ同士で干渉しあい、不要信号が発生して本来の探査能力を低下させてしまう問題を解決している。

実施例１と同様に、地中レーダ装置を８セット搭載できる車両で牽引可能な台車としている。ここでは、道路の内部を詳細把握するべく、小型レーダを７台、より深い深度を探査するため、中型レーダ１台を図１１図示のように配列した。

このとき、７台の小型レーダのアンテナは、図１１に示す配置から、探査が道路幅２．５ｍの範囲に入るよう道路幅方向にスライドさせて２ｍ〜２．５ｍの任意の幅を探査できるようにしている。

この実施例では、順次送信アンテナ切り替えによる全受信アンテナ動作方式を採用した。

図１４に示す形態で送信レーダを１．２５ｍｓ間隔（１２５０回サンプリング）で順次変えた。

図１４では、小型レーダ１の送信アンテナだけが送信し、他の小型レーダは、全て受信機能だけが動作している。図１５では、小型レーダ２の送信アンテナだけが送信し、他のレーダは、全て受信機能だけが動作している。

１．２５ｍｓ間隔で順次これを繰り返すことによって、複数のレーダ装置で、全ての受信データを得ることができる。

これによって、地中レーダを複数配列して地中探査をする際に発生する干渉を防ぐことができる。

以上、添付図面を参照して本発明の実施形態、実施例を説明したが、本発明はこれらに限られることなく、特許請求の範囲の記載から把握される技術的範囲において種々に変更可能である。

Claims (4)

1. チャ−プ式地中レーダアンテナを備えている複数のレーダ装置で構成され、地中の反射信号を受信して探査を行うチャープ式マルチ地中レーダシステムであって、
   個々の前記レーダ装置の前記チャ−プ式地中レーダアンテナからの送信用の個々の送信信号があらかじめ定められている所定の間隔ずつずれていると共に、
   個々の前記レーダ装置が取得する受信信号が前記送信信号に同期してあらかじめ定められている所定の間隔ずつずれている
   チャープ式マルチ地中レーダシステム。
2. チャープ波のパルス波をインパルスに変換パルス圧縮回路を受信回路が備えている請求項１記載のチャープ式マルチ地中レーダシステム。
3. チャ−プ式地中レーダアンテナを備えている複数のレーダ装置で構成され、地中の反射信号を受信して探査を行うチャープ式マルチ地中レーダシステムであって、
   送信信号出力が、常に、複数レーダの中の一つのアンテナでしか行われず、その際、地下からの反射信号の受信が残りの他のすべてのレーダのアンテナで行われ、
   前記送信信号出力を行うアンテナが前記一つのアンテナから、あらかじめ定められている所定の間隔で、順次、前記残りの他のアンテナに切り替えられていくことで、前記複数のレーダ装置で、前記送信信号出力を行った他の全てのアンテナからの受信データを取得する
   チャープ式マルチ地中レーダシステム。
4. チャープ波のパルス波をインパルスに変換パルス圧縮回路を受信回路が備えている請求項３記載のチャープ式マルチ地中レーダシステム。

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