JP3039509B2 - 地中探査レーダ装置及び方法 - Google Patents

地中探査レーダ装置及び方法

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、地中探査レーダ装
置及び方法に関し、特に地表面からの不要反射波を抑圧
する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】地中探査レーダは、地上に設置されたレ
ーダの送信アンテナから地中に向かって電波を発射し、
地中の目標物からの反射波を地上の受信アンテナで受信
することにより、地中の目標物を検出するものである。
【0003】地中に向かって発射した電波の一部は地中
に透過するが、大部分は地表面で反射し、再び受信アン
テナで受信される。この地表面からの強い反射波の影響
により、地中の目標物からの反射波を検出することが困
難となる。そこで、地表面反射波の影響を低減するため
に従来はSTC(Sensitivity TimeC
ontrol)処理を行っていた。
【0004】図6は従来のSTC処理を用いた地表面反
射波抑圧方式の一例を示すブロック図である。同図にお
いて送信波と受信波によるビート信号は、A/D変換器
7によりディジタル信号に変換される。このディジタル
化されたビート信号をSTC処理器21に入力する。S
TC処理器21は入力したビート信号の周波数に対して
図7(a)に示すような受信利得の特性を有する。周波
数が低い、つまり地中の浅い部分からの反射波の受信利
得は低く、周波数が高くなるほど、つまり地中の深い部
分からの反射波ほど受信利得が高くなる。このため、図
7(b)に示すビート信号を入力すると図7(c)に示
すように浅部の地表面反射波が抑圧されて、目標物から
の反射波が強調される。このSTC処理後の信号は画像
化処理器14に入力し、表示器15で画像表示を行う。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】地表面反射波の影響を
低減するために従来行っていたSTC処理では、地表面
付近からの反射波の受信利得を最も低くしている。この
ため、地表面付近に目標物があった場合、この目標物か
らの反射波も抑圧されてしまい、検出が困難になるとい
う問題点があった。
【0006】本発明の目的は、不要な地表面からの反射
波のみを効果的に抑圧することにより、地表面付近に埋
設された目標物であっても検出することができる地中探
査レーダ装置及び方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
に、本発明の地中探査レーダはFM−CW波を送信波と
するものであって、レーダの送信波と受信波をミキシン
グして得られたビート信号をディジタル化し、そのディ
ジタル化したビート信号を記憶するためのメモリと、メ
モリから読出したビート信号を周波数スペクトルに変換
するためのフーリエ変換手段と、その周波数スペクトル
の最大値を検出するための最大値検出手段と、検出した
周波数スペクトルの最大値成分を時間領域に戻すための
逆フーリエ変換手段と、メモリに記憶されているビート
信号から逆フーリエ変換手段の出力信号を減算する減算
処理手段とを具備し、減算手段の出力により目標物を探
査する地中探査レーダ装置あるいは方法が得られる。
【0008】更に、本発明においては、減算手段の出力
をメモリに記憶したあと読出し、フーリエ変換手段、最
大値検出手段、逆フーリエ変換手段及び減算手段による
一連の処理を繰返す地中探査レーダ装置あるいは方法が
得られる。
【0009】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態の構成
について、図面を参照して説明する。図1は本発明の実
施の形態を示すブロック図である。
【0010】図1で、FM−CW(周波数変調−連続
波)レーダ送信波を発生する送信機1は方向性結合器2
に接続され、この出力の一方は送信アンテナ3に、もう
一方は受信アンテナ4で受信された信号と合成するため
にミキサ5に接続されている。ミキサ5の出力であるビ
ート信号はアンプ6に入力され、その出力はA/D変換
器7に入力される。ディジタル化されたビート信号を一
時的に記憶するためにメモリ8が接続されている。
【0011】メモリ8に記憶された信号は読出されたあ
と、後段のフーリエ変換器9、最大値検出器11、逆フ
ーリエ変換器12による一連の処理(後から詳細に説
明)がなされ、減算器13に供給される。減算器13に
は、他方、メモリ8からこの一連の処理が施される信号
が読出されて減算器13に供給されている。減算器13
の出力信号は再びメモリ8へ供給されて記憶される。ま
た、フーリエ変換器の後段にある繰返し処理制御器10
は、フーリエ変換から減算までの一連の処理の繰返し回
数を制御する。更に、画像化処理器14はフーリエ変換
器9の出力であるフーリエ変換出力を画像化し、表示器
15で表示する。
【0012】次に、先の一連の処理を説明する。フーリ
エ変換器9はメモリ8から読出した信号をフーリエ変換
して周波数領域の信号である周波数スペクトルを出力す
る。この信号は繰返し処理制御器10を通して最大値検
出器11に送られ、ここで最大値をもつ周波数スペクト
ルが検出され、検出結果は逆フーリエ変換器12へ送ら
れる。逆フーリエ変換器12では、最大値をもつ周波数
スペクトルが再び時間領域の信号に変換され、減算器1
3に供給される。
【0013】次に、図1のブロック図及び図2、図3及
び図4の信号波形の例を用いて、本実施例の動作につい
て説明する。送信機1で発生したFM−CW波は、方向
性結合器2を介して送信アンテナ3から地面に向けて発
射される。地表面及び地中からの反射波は受信アンテナ
4で受信され、ミキサ5で方向性結合器2で分配された
送信波と合成されてビート信号となる。例えば、図2
(a)で実線で示した送信波16のような三角波を送信
アンテナ3から送信した場合、反射波は距離に比例した
時間遅れをもって受信アンテナ4で受信され、図2
(a)の破線で示した受信波17のようになる。これら
送信波16と受信波17を合成した結果、図2(b)に
示すようなビート信号18が得られる。ビート信号はア
ンプ6で増幅後、A/D変換器7でディジタル信号に変
換し、必要な区間、例えば、送信波1周期分の周波数が
一定な区間を取り出してメモリ8に記憶する。この結
果、メモリ8には図2(c)に示すような時間Tのビー
ト信号が記憶される。
【0014】メモリに記憶されたビート信号は、フーリ
エ変換器9で周波数スペクトルに変換される。図2
(c)のビート信号の場合、フーリエ変換した結果、図
3(a)に示すような周波数スペクトルが得られる。こ
こで、fb はビート周波数で、送信アンテナから反射
物体までの距離で決まる周波数である。
【0015】また、実際には、地表面からの強力な反射
波と、目標物からの微弱な反射波が存在する場合があ
り、このような場合は図3(b)に示すように、周波数
スペクトルは地表面反射波の周波数スペクトル19と目
標物からの反射波の周波数スペクトル20を含むことに
なる。本発明では、前述した一連の処理により、地表面
反射波の周波数スペクトル19を抑制し、目標物からの
反射波の周波数スペクトル20を的確に抽出できるよう
にする。
【0016】繰返し処理制御器10は、前述の一連の処
理を所定の回数、例えば予め指定されている回数実施し
たか否かを判定する。所定の回数実施していればここで
処理を終了し、実施していなければ、前記フーリエ変換
器9の出力である周波数スペクトルを最大値検出器11
に渡す。最大値検出器11では、周波数スペクトルの最
大値成分、つまり地表面からの反射波成分を抽出する。
図3(b)の場合、周波数fg の成分が最大値として
検出され、図3(c)に示すような成分が抽出される。
この最大値成分を逆フーリエ変換器12にて時間領域の
信号に変換し、メモリ8で取り出した区間と同じく、時
間Tの区間の信号を取り出す。図4(a)は、図3
(c)の最大値成分を逆フーリエ変換した信号を示し、
連続した周波数fg の信号となる。この信号から時間
Tの区間を取り出した信号(図4(b))が、逆フーリ
エ変換器12から出力される。
【0017】次の減算処理器13では、メモリ8に記憶
されている地表面反射波を含んだビート信号を読出し、
この信号から地表面反射波成分である逆フーリエ変換器
12の出力を減算する。この結果、図3(b)に示す地
表面反射波の周波数スペクトル19だけが抑圧されて、
目標物からの反射波のスペクトル20を抽出することが
できるようになる。このようにして、接近した2つの周
波数成分fg とftとを分離し、不要な周波数成分の
みを抑圧する。この結果、地表面近くに目標物が埋設さ
れていても、地表面反射波と目標物からの反射波の分離
が可能となる。
【0018】実際には、最大値検出器11における最大
値周波数成分の検出の時に、周波数スペクトルが離散的
であるために、厳密な最大値を求めることができない。
図4(c)に示すように、本来の最大値成分fg と、
検出される最大値成分fg′にわずかに差が生じる。こ
の結果、減算処理器13において、検出した最大値成分
を減算しても、十分に地表面反射波が抑圧できない場合
がある。そのため、減算されたビート信号は、一連の地
表面反射波抑圧処理が繰返し実施できるように、前記メ
モリ8に記憶され、フーリエ変換器9で周波数スペクト
ルに変換される。繰返し処理制御器10で処理を繰返す
か否かを判定し、繰返す場合は最大値検出器11以降の
処理を繰返す。画像化処理器14では、フーリエ変換器
9の出力である周波数スペクトルを画像表示するための
処理を行い、表示器15にて画像表示する。
【0019】図5に本発明を用いた、地表面反射波除去
のシミュレーション計算例を示す。図5(a)は地表面
反射波抑圧前の周波数スペクトルである。この図から周
波数fg を最大とする地表面からの強い反射波がある
ことがわかる。また周波数ft 付近に存在する目標物
からの反射波成分は地表面からの反射波の影響で判別で
きない。図5(b)は地表面反射波抑圧を1回実施した
時の周波数スペクトルである。この図では周波数fg
付近の地表面反射波成分が、抑圧実施前と比較し約25
dB低減されている。また周波数ft 付近の目標物か
らの反射波成分が判別できるようになった。しかし、地
表面反射波成分の最大レベルに対し、目標物からの反射
波成分の最大レベルは6〜7dB程低い。図5(c)は
地表面反射波抑圧を3回実施した時の周波数スペクトル
である。周波数fg 付近の地表面反射波成分が抑圧さ
れ、周波数ft 付近の目標物からの反射波成分が全信
号成分のうち最大レベルを持っている。目標物からの反
射波成分の最大レベルに対し、地表面反射波成分の最大
レベルは約10dB低いレベルまで抑圧されている。
【0020】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
地中探査レーダの受信信号から地表面反射波成分を特定
して抑圧することができるので、地表面反射波の影響を
受けやすい地表付近の目標物からの反射波であっても検
出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態を示す図。
【図2】本発明の実施の形態における各部の波形を示す
図で、(a)は送信波及び受信波を示し、(b)は送信
波と受信波のビート信号を示し、(c)は区間Tで切り
出された信号を示す。
【図3】本発明の実施の形態における各部の波形を示す
図で、(a)は図2(c)の波形をフーリエ変換した波
形を示し、(b)は地表面反射波の周波数スペクトルと
目標物からの反射波の周波数スペクトルが重なっている
場合を示し、(c)は最大値検出器の出力を示す。
【図4】本発明の実施の形態における各部の波形及び動
作を示す図で、(a)は逆フーリエ変換した出力を示
し、(b)は(a)の出力を区間Tで切り出した出力を
示し、(c)は最大値周波数検出における周波数スペク
トルの離散的な誤差の影響を説明する。
【図5】本発明による地表面反射波除去のシミュレーシ
ョンを示す図で、(a)は原形波、(b)は一連の除去
処理を1回行った場合を示し、(c)は3回行った場合
を示す。
【図6】従来の地表面反射波抑圧のための構成を示す
図。
【図7】図6の従来例の動作を説明する図で、(a)は
STC処理における受信利得の周波数特性を示し、
(b)は入力ビート信号を示し、(c)はSTC処理に
より地表面反射波が抑圧された信号を示す。
【符号の説明】
1 送信機 2 方向性結合器 3 送信アンテナ 4 受信アンテナ 5 ミキサ 6 アンプ 7 A/D変換器 8 メモリ 9 フーリエ変換器 10 繰返し処理制御器 11 最大値検出器 12 逆フーリエ変換器 13 減算処理器 14 画像化処理器 15 表示器 16 送信波 17 受信波 18 ビート信号 19 地表面反射波の周波数スペクトル 20 目標物からの反射波の周波数スペクトル 21 STC処理器

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 受信レーダ波信号をディジタル信号に変
    換するA/D変換器と、ディジタル信号を格納するメモ
    リと、メモリから読出された信号を周波数スペクトルに
    変換するフーリエ変換手段と、フーリエ変換手段からの
    出力を受け周波数スペクトルの最大値部分を検出する最
    大値検出手段と、最大値検出手段により検出された周波
    数スペクトル成分を時間領域に戻す逆フーリエ変換手段
    と、前記メモリから読出された信号から逆フーリエ変換
    手段からの出力信号を減算する減算手段とを具備し、減
    算手段からの信号により目標物を探査することを特徴と
    する地中探査レーダ装置。
  2. 【請求項2】 前記減算手段からの出力信号をメモリに
    格納したあと、再び読出し、前記フーリエ変換手段、最
    大値検出手段、逆フーリエ変換手段及び減算手段での処
    理プロセスを繰返すことを特徴とする請求項1記載の地
    中探査レーダ装置。
  3. 【請求項3】 前記フーリエ変換手段の出力を受け画像
    化して表示する手段を具備する請求項1又は2記載の地
    中探査レーダ装置。
  4. 【請求項4】 FM−CW波を送信波とする地中探査レ
    ーダにおいて、レーダの送信波と受信波をミキシングし
    て得られたビート信号をディジタル化し、そのディジタ
    ル化したビート信号を記憶するためのメモリと、前記メ
    モリから読出したビート信号を周波数スペクトルに変換
    するためのフーリエ変換手段と、その周波数スペクトル
    の最大値を検出するための最大値検出手段と、検出した
    周波数スペクトルの最大値成分を時間領域に戻すための
    逆フーリエ変換手段と、前記メモリに記憶されているビ
    ート信号から前記逆フーリエ変換手段の出力を減算する
    減算処理手段とを備えることを特徴とする地中探査レー
    ダ装置。
  5. 【請求項5】 前記減算手段からの信号をメモリに格納
    したあとこれを読出し、前記フーリエ変換手段、最大値
    検出手段、逆フーリエ変換手段及び減算手段で構成され
    る一連の処理を再度行うことを特徴とする請求項4記載
    の地中探査レーダ装置。
  6. 【請求項6】 FM−CW波を地中に向けて送信し、地
    表で反射波を受信し、受信した受信波と送信波とのビー
    ト信号を抽出し、ビート信号をメモリに格納し、メモリ
    から読出された信号をフーリエ変換により周波数領域の
    信号に変換し、周波数領域に変換された信号の最大周波
    数領域を検出し、検出された周波数領域の信号を逆フー
    リエ変換により時間領域の信号に変換し、前記メモリか
    ら読出された信号から逆フーリエ変換により時間領域に
    変換された信号を減算し、減算された信号から地中探査
    を行う地中探査レーダ方法。
  7. 【請求項7】 減算された信号をメモリに格納し、これ
    を読出し、前記フーリエ変換、最大周波数領域検出、逆
    フーリエ変換及び減算からなる一連の処理を繰返すこと
    を特徴とする請求項6記載の地中探査レーダ方法。
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