JP4172575B2 - レーダ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地下や構築物の内部を探知するレーダ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
地下や構築物の内部を探知するレーダ装置は、被探知対象に電磁波を照射するとともに被探知対象からの反射波を受信し、その受信波を処理することにより被探知対象の内部を探知する構成となっている。この種のレーダ装置は、例えば特開2000−193742、特開平11−142513、特開平10−62762、特開平6−324162等にも開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで近年、前述したレーダ装置については、更なる自動化の達成とともに、より詳細なデータを得る構成が望まれている。例えば、被検知対象の内部に存在する物体の材質を特定することも、その重要な課題の一つとされている。
【０００４】
被検知対象の内部に存在する物体の材質は、物体からの反射波、すなわち被検知対象の内部からの反射波の極性により金属又は非金属であるかを判定することが可能である。具体的には、反射波の極性が正であれば非金属（つまり空洞やプラスチック等）であり、負であれば金属である。
【０００５】
しかしながら、従来においては、受信波の処理に伴いそのような極性を判定するべく一般化されたアルゴリズムは提案されておらず、反射波の極性判定は、状況に応じてオペレータがＢモード表示画面のデータを参照して行われているのが現状である。
【０００６】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、被検知対象の内部からの反射波の極性を判定することができるレーダ装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
２つの同一周波数の正弦波（余弦波）が加算された場合、干渉が発生し、両者の位相差により極大あるいは極小をとる事は良く知られている。2つのインパルス波においては、以下の数１のように表される。
【０００８】
【数１】

【０００９】
添え字ｇ、ｈは２つのインパルス波を意味し、添え字ｉはインパルス波を構成する調波の次数である。θhgは２つの波の位相差を意味し、Ａiは２つのインパルス波を構成する同一調波間の干渉振幅であり、根号の中のcosθhgによって極大あるいは極小をとる。
【００１０】
本願第１請求項に記載した発明は、受信波Ｚ（ｔ）を処理することにより被検知対象の内部を探知するインパルス変調方式のレーダ装置において、当該レーダ装置は、インパルス送波と同じ周波数帯域を持つ基準波に基づいて前記受信波Ｚ（ｔ）を処理するものであり、前記受信波Ｚ（ｔ）の処理においては、前記受信波Ｚ（ｔ）をＡＤ変換して離散デジタル時系列信号Ｚ（ｎ）とし、前記離散デジタル時系列信号Ｚ（ｎ）をフーリエ変換してパワスペクトルＰ（ｆ）とし、前記パワスペクトルＰ（ｆ）を更にフーリエ変換（２回目）して振幅スペクトルＱ（ｔ）及び位相スペクトルＲ（ｔ）とし、前記振幅スペクトルＱ（ｔ）を利用して前記被検知対象の内部からの反射波の時間差スペクトルｔｒを得るとともに、前記位相スペクトルＲ（ｔ）を利用して前記時間差スペクトルｔｒに対応する位相Θtrを読み取ることにより、前記被検知対象の内部からの反射波の極性を判定する構成のレーダ装置である。尚、本願におけるインパルスとは、インパルス、モノパルス、及びモノサイクル等の総称である。このような構成によると、被検知対象の内部からの反射波の極性を効率よく判定することが可能である。
【００１１】
すなわち本発明は、被検知対象の内部からの反射波の極性を判定することにより、被検知対象の内部に存在する物体の材質を特定するという顕著な効果を達成したレーダ装置であり、地下や構築物の内部を探知するレーダ装置として、極めて好適に利用することが可能である。
【００１２】
本願第２請求項に記載した発明は、請求項１において、前記受信波に含まれる前記被検知対象の表面からの反射波を前記基準波として利用する構成のレーダ装置である。
【００１３】
一般に、受信波の処理においては、被探知対象の表面からの反射波は、被探知対象の内部の探知に対して妨害波となるため、これは低減又は除去することが好ましいとされている。この点本発明では、その反射波を基準波として積極的に利用する構成となっている。つまり本発明は、受信波に含まれる反射波同士の干渉を利用してその受信波を処理するものであり、このような構成によると、基準波を別途に用意せずとも受信波を処理することが可能となる。
【００１４】
本願第３請求項に記載した発明は、請求項１において、前記基準波としては、前記インパルス送波に基づいて作成したものを利用する構成のレーダ装置である。
【００１５】
基準波は、インパルス送波に基づいて作成することが可能である。特に本発明は、被検知対象の内部の浅い位置からの反射波の極性判定を行う場合に有効である。例えば、被検知対象の表面からの反射波を基準波とするもの（請求項２）は、基準波を別途に用意せずとも受信波の処理が可能となる利点があるものの、被検知対象の内部の浅い位置からの反射波の極性判定を行う場合には、被検知対象の表面からの反射波と内部からの反射波との干渉が満足に得られない故に、受信波の処理は不調となる。これに対し本発明によれば、そのような不都合は確実に回避される。
【００１６】
本願第４請求項に記載した発明は、請求項１乃至３のいずれかにおいて、前記２回目のフーリエ変換の振幅スペクトルを利用して、前記被検知対象の表面からの反射波を除去してなる構成のレーダ装置である。
【００１７】
すなわち２回目のフーリエ変換の振幅スペクトルを利用することによれば、被検知対象の表面からの反射波を除去するように構成することも可能である。
【００１８】
本願第５請求項に記載した発明は、請求項１乃至４のいずれかにおいて、前記２回目のフーリエ変換の振幅スペクトルに現れるピーク位置を利用して開口合成を行う構成のレーダ装置である。
【００１９】
つまり極性判定は、２回目のフーリエ変換で現れるピーク位置という狭い範囲で行うため、その範囲は、受信時間信号と比較すると分解能に優れたものとなる。これを開口合成に利用すれば、データの精度を一層向上することが可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１に示す本例のレーダ装置１は、地下又は構築物の内部を探知するインパルス変調方式ものであり、被探知対象にインパルス送波を照射し且つその反射波を受信するアンテナ装置２と、アンテナ装置２が受信した受信波を処理するデータ処理手段３と、データ処理手段３が受信波を処理してなる画像データを表示する画像表示手段４とを備えたものである。アンテナ装置２は、インパルス送波を送信する送信アンテナ（送信部）と、反射波を受信する受信アンテナ（受信部）と、それらを制御する制御部とを備えたものである。画像表示手段４には、受信波を処理してなる２次元画像や３次元画像等が表示される。特に、従来では反射波の極性の判定方法がなかったところ、本例の特徴は、これを実現して被検知対象の内部における物体の材質を特定することである。以下においては、その構成を詳細に説明する。
【００２１】
本例のレーダ装置１は、送受信アンテナが被検知対象からある程度離れている非接触のものであり、受信波には、被検知対象の表面からの反射波が含まれている。つまり最初の反射波は、被検知対象の表面からの反射波である。そこで本例においては、この表面反射波を基準波として受信波の処理を行う。この場合、基準波発生器は必要としない。
【００２２】
図２に示すように、データ処理手段３においては、先ずは任意の位置における受信波Ｚ（ｔ）をＡＤ変換して、離散デジタル時系列信号Ｚ（ｎ）とし、これをバッファメモリＡに格納する（ＳＴＥＰ１参照）。離散デジタル時系列信号Ｚ（ｎ）は所謂生データであり、図３には、これを示す模式図を例示する。
【００２３】
そして、バッファメモリＡのデータである離散デジタル時系列信号Ｚ（ｎ）をフーリエ変換してパワスペクトルＰ（ｆ）を得る。図４には、図３に対応するパワスペクトルＰ（ｆ）を示す模式図を例示する。ここで、離散デジタル時系列信号Ｚ（ｎ）のフーリエ変換では、横軸は周波数であることはいうまでも無い。尚、パワスペクトルＰ（ｆ）は、振幅スペクトルであっても良い。パワスペクトルＰ（ｆ）は、バッファメモリＢに格納する（ＳＴＥＰ２参照）。
【００２４】
被検知対象の内部からの反射波があれば、基準とした表面反射波との干渉がパワスペクルＰ（ｆ）に含まれている。干渉の極大・極小をとる周波数は、２πを法として干渉が生じるため周期性をもって現れる。さらに、この周期性は、反射極性により０あるいはπだけ移動している。
【００２５】
次に、１回目のフーリエ変換パワスペクトルＰ（ｆ）であるバッファメモリＢのデータを更にフーリエ変換する。そして、２回目のフーリエ変換によって得られた振幅スペクトルＱ(t)をバッファメモリＣに格納し、位相スペクトルＲ(t)をバッファメモリＤに格納する（ＳＴＥＰ３参照）。図５には、図４に対応する振幅スペクトルＱ(t)及び位相スペクトルＲ(t)を示す模式図を例示する。
【００２６】
この２回目のフーリエ変換では、スペクトルの横軸（図５においては縦軸）は干渉を起こす波間の位相差であるから、被検知対象表面からの反射波を基準として、被検知対象の内部から戻ってくる反射波の時間差スペクトルｔrが得られる。但し位相差軸上で最初に現れる山は、表面反射波自体のスペクトルである。
【００２７】
即ち２回目のフーリエ変換で得られる振幅スペクトルＱ(t)は、被検知対象の表面からの反射波と内部からの反射波との干渉の大きさを示し、位相スペクトルＲ(t)は、表面反射波を基準にした伝搬時間の位相と反射時の極性を含む位相を示すものである。
【００２８】
次に、反射極性の判定を行う。スペクトルＰ(ｆ)、振幅スペクトルＱ(t)には、干渉によるスペクトル以外に、表面反射波自体のスペクトルが含まれている。そこで被検知対象物内部の物体の極性判定は以下のように行う。
【００２９】
表面反射波は、距離減衰も殆どなく、空中伝搬であるため被検知対象の内部からの反射波のように被検知対象の質（例えば地中検知の場合の土質）などによる減衰もない。また、反射波の中では最大であり、周波数の範囲は大きく広がっている。そのため振幅スペクトルＱ(t)においても、表面反射波は最大の大きさであり、かつ時間差は０付近に現れる。ついては、表面反射波の影響が現れる範囲の時間差ｔｓは、あらかじめ実測して設定しておく。
【００３０】
先ず、バッファメモリＣから振幅スペクトルＱ(t)を読み出す。次に、ｔｓ以降のデータにおいて、最大ピーク値をとるｔｒを選択してバッファメモリＥに格納する（ＳＴＥＰ４参照）。ピーク位置の選択手法は多数あるため特定しない。
【００３１】
次に、バッファメモリＤから時間差tｒと対応する位相Θtrを読み取り（ＳＴＥＰ５参照）、cosΘtrの計算を行う（ＳＴＥＰ６参照）。ここで、cosΘtr=−１、であれば正極性、cosΘtr=１、であれば負極性である。尚、本例では表面反射波を基準波としたので、cosΘtrによる極性判定は上記のようになされるが、利用する基準波の位相が異なる場合は、極性判定のパターンは反転する。つまり、cosΘtr=−１、であれば負極性、cosΘtr=１、であれば正極性となる場合もある。
【００３２】
そして、被検知対象の内部からの反射波が正極性且つ反射に伴う減衰が最小であれば、その反射波は空洞により反射したものである。また、被検知対象の内部からの反射波が負極性且つ反射に伴う減衰が最小であれば、その反射波は金属により反射したものである。
【００３３】
更に金属が反射物体である場合、レーダ送受信アンテナと金属反射物体の間では、等間隔の時間差を持つ多重反射が生じることが多いため、２回目のフーリエ変換の振幅スペクトルＱ（ｔ）を、更に３回目のフーリエ変換を行うと、多重反射によるスペクトルが得られるため、反射物体が金属であるという判定を更に補強できる。
【００３４】
このように、本例のレーダ装置によれば、受信波の処理に伴い被検知対象の内部に存在する物体の材質を特定することができる。
【００３５】
また、本例のようにフーリエ変換を重ねて行う構成は、開口合成の処理に利用することも可能である。つまり極性判定は、２回目のフーリエ変換で現れるピーク位置という狭い範囲で行うため、その範囲は、受信時間信号と比較すると分解能に優れたものとなる。これを開口合成に利用すれば、データの精度を一層向上することが可能となる。
【００３６】
更に、連続波（Stepped-Frequency）の場合は、ステップ周波数を変えるごとに受信周波数と振幅とを記憶させていけば、得られる信号は１回目のフーリエ変換と等価なものである。従って、これをフーリエ変換すれば、２回目のフーリエ変換と同一の結果となる訳である。
【００３７】
次に、本発明の第２具体例を説明する。前述した第１具体例において、浅い位置の場合は干渉が得られないため、本例ではこれを解決する。つまり第１具体例では表面反射波を基準としたが、物体の位置が浅い場合、位相差が小さくなり、干渉の発生する周波数は極端に高くなるため、送受信周波数のスペクトラムの範囲内では干渉が発生しなくなる。この課題を解決するために、第２具体例では、別途基準波を作成する。基準波作成の方法は種々あるが、本例においては、理想インパルスレスポンスから、送信インパルスの送波周期を基本周波数として、逆フーリエ変換して作成する方法を採用する。但し基準波作成の方法は、これに限るものではない。
【００３８】
理想インパルスレスポンスの式ｓｉｎ（ｘ）/ｘを、送受信アンテナの周波数帯域幅で計算する。これで基準波の周波数スペクトラムが得られる。これを逆フーリエ変換して得た、離散時系列信号ｘｓ（ｎ）を基準波としてバッファメモリＦに格納しておく。
【００３９】
受信波Ｚ(t)の時系列信号をＡＤ変換して得た、離散時系列信号Ｚ(n)をバッファメモリＡ‘に格納する。バッファメモリＡ‘からＺ(ｎ)を読み出し、ｎをｎ＋τに変更しておいてバッファメモリＦから読み出したｘｓ（ｎ）を加算して、バッファメモリＡに格納する。τはあらかじめ必要に応じて決定しておく。以降の処理手順と内容は実施例１と同一であるが、２回目のフーリエ変換で得られる個々の反射波の位置が、時間差軸上でτだけ加算していることに留意すれば、判定を誤ることは無い。
【００４０】
こうすることで、受信波は基準波に対して常にτだけ時間差を持つことになり送受信周波数のスペクトラムの範囲内で干渉を発生させることができるので第１具体例では不可能であった、表面反射波による干渉スペクトラムが得られ被検知対象の浅い位置にある物体からの反射波による干渉スペクトルが得られる。
【００４１】
次に、本発明の第３具体例を説明する。本例は、表面反射波の除去を達成するものであり、その他の基本構成は前述した具体例と同様である。
【００４２】
２回目のフーリエ変換でＱ(t)から表面反射波が現れる時間位置がわかる。Ｒ(t)と合わせて、極性が負であることを事例１と同様にして確認する。Ｑ(t)の上記時間位置を０時間位置に移動してバッファメモリＳ(t)に記憶する。この処理をアンテナ位置ごとに処理する。
【００４３】
バッファメモリＳ(t)から、表面反射波を除去したいアンテナ位置を中心にして、―Ｌ／２〜＋Ｌ/２の範囲Ｌを読み出して平均化する。
【００４４】
表面反射波を除去したいアンテナ位置のＱ(t)データから、平均化された値を引いた結果に、移動量分を再移動して被検知対象内部の時間位置をもとに戻す。これで被検知対象内部の信号位置には関係なく、表面反射波の除去が終わった。
【００４５】
このように、表面反射波を除去するように構成することも可能である。
【００４６】
【発明の効果】
本発明は、受信波Ｚ（ｔ）を処理することにより被検知対象の内部を探知するインパルス変調方式のレーダ装置において、当該レーダ装置は、インパルス送波と同じ周波数帯域を持つ基準波に基づいて前記受信波Ｚ（ｔ）を処理するものであり、前記受信波Ｚ（ｔ）の処理においては、前記受信波Ｚ（ｔ）をＡＤ変換して離散デジタル時系列信号Ｚ（ｎ）とし、前記離散デジタル時系列信号Ｚ（ｎ）をフーリエ変換してパワスペクトルＰ（ｆ）とし、前記パワスペクトルＰ（ｆ）を更にフーリエ変換して振幅スペクトルＱ（ｔ）及び位相スペクトルＲ（ｔ）とし、前記振幅スペクトルＱ（ｔ）を利用して前記被検知対象の内部からの反射波の時間差スペクトルｔｒを得るとともに、前記位相スペクトルＲ（ｔ）を利用して前記時間差スペクトルｔｒに対応する位相Θtrを読み取ることにより、前記被検知対象の内部からの反射波の極性を判定する構成のレーダ装置である。このような構成によると、被検知対象の内部からの反射波の極性を効率よく判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本願発明の具体例に係り、レーダ装置を示すブロック図である。
【図２】 本願発明の具体例に係り、受信波の処理を示すフローチャートである。
【図３】 本願発明の具体例に係り、離散デジタル時系列信号を示す模式図である。
【図４】 本発明の具体例に係り、パワスペクトルを示す模式図である。
【図５】 本発明の具体例に係り、振幅スペクトル及び位相スペクトルを示す模式図である。
【符号の説明】
１ レーダ装置
２ アンテナ装置
３ データ処理手段
４ 画像表示手段

Claims (5)

1. 受信波を処理することにより被検知対象の内部を探知するインパルス変調方式のレーダ装置において、
   当該レーダ装置は、インパルス送波と同じ周波数帯域を持つ基準波に基づいて前記受信波を処理するものであり、
   前記受信波の処理においては、前記受信波をＡＤ変換して離散デジタル時系列信号とし、前記離散デジタル時系列信号をフーリエ変換してパワスペクトルとし、前記パワスペクトルを更にフーリエ変換（２回目）して振幅スペクトル及び位相スペクトルとし、前記振幅スペクトルを利用して前記被検知対象の内部からの反射波の時間差スペクトルを得るとともに、前記位相スペクトルを利用して前記時間差スペクトルに対応する位相を読み取ることにより、前記被検知対象の内部からの反射波の極性を判定することを特徴とするレーダ装置。
2. 前記受信波に含まれる前記被検知対象の表面からの反射波を前記基準波として利用することを特徴とする請求項１記載のレーダ装置。
3. 前記基準波としては、前記インパルス送波に基づいて作成したものを利用することを特徴とする請求項１記載のレーダ装置。
4. 前記２回目のフーリエ変換の振幅スペクトルを利用して、前記被検知対象の表面からの反射波を除去してなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載のレーダ装置。
5. 前記２回目のフーリエ変換の振幅スペクトルに現れるピーク位置を利用して開口合成を行うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載のレーダ装置。

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