JPH0244276A - 送信パルス可変型インパルス地下レーダ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 この発明は、地表面に設置したアンテナ（電極）と地表
面間に構成される静電容量を数ｎｓ以下の極めて短い時
間内に急速に充電して電極と地表面間に変位電流を発生
させ、この変位電流の垂直方向に対して磁界が発生する
原理を用いて地中に電磁波として放射し、この電磁波が
地下において反射して地表に戻ってくる波を捉え、地下
の構造を調べる地下レーダ装置、より具体的には地下レ
ーダ装置の広域バンドパルス発生用送信回路に関するも
のである。

〈従来の技術〉 この種の地下レーダ装置は、地下レーダモジュール部と
アンテナユニットとが同軸ケーブルによって接続され、
得られたデータの収録装置を備えている。特開昭６２−
７２１７号公報には地下レーダモジュール部とアンテナ
ユニットの構成と作用について記載がなされている。ち
なみに第８図に従って簡単に説明しておくと、地下レー
ダモジュール部１はスキャンゼネレータ２、スキャンコ
ントローラ３、ケーブルドライバー４、ＡＧＣアンプ５
およびＴＶＧアンプ６により構成され、アンテナユニッ
ト７はパルス発生器８、送信アンテナ９、受信アンテナ
１０、サンプリング部１１により構成されている。スキ
ャンゼネレータ２、スキャンコントローラ３では送信同
期信号、受信同期信号、サンプリング信号、その他あと
の信号処理で用いる各種タイミング信号を発生させ、こ
れ等はケーブルドライバー４で増幅され、同軸ケーブル
を介してアンテナユニット７に出力される。このうち送
信同期信号についてはパルス発生器８に入力され、送信
同期信号の入力タイミングで送信アンテナ９より立ち上
がりの鋭い電磁波パルスが地中に放射される。一方、地
中からの反射電磁波パルスについては受信アンテナ１０
で受信してサンプリング手法により低周波信号に変換し
たのち、レーダモジュール部１のＡＧＣアンプ５、ＴＶ
Ｇアンプ６を介してデータ処理部へ信号出力される。な
お、ＡＧＣアンプ５は入力信号をその振幅に反比例した
ゲインで増幅して出力し、ＴＶＧアンプ６は時間の経過
とともに入力信号のゲインを徐々に増大させて出力する
。

ところで従来のパルス発生器８では、ベース蓄積時間（
オンからオフに変化してらオンの状態が続く現象）の影
響を避けるため、トランジスタのアバランシェ領域にお
けるスイッチング方式が専ら用いられてきた。トランジ
スタのアバランシェ現象を利用したスイッチング回路は
マイクロ波を含む大きな雑音が生ずる。このことは例え
ばｒＮＨＫブックス　ラス　　半導体の話」１９６７年
３月発行（日本放送出版協会発行）２００頁第７４図に
は半導体のｐｎ接合における雑音について、［電子技術
Ｊ１９７３年１月号（日刊工業新聞社発行）２０頁第１
表には半導体素子としてのアバランシェ現象の雑音につ
いて、「電子技術Ｊ　１９７３年３月号（日刊工業新聞
社発行）２４頁第５図にはアバランシェ現象を用いたサ
ンプリングパルス発生回路のアバランシェ現象における
雑音について、それぞれ記載されている。

〈発明が解決しようとする課題〉 一般に地下レーダ装置による探査では、比抵抗、比誘電
率といった地盤条件に起因する電磁波の減衰のため探査
深度は著しく異なり、その到達距離に比例して指数関数
的に減衰する。従って送信出力の可変範囲が狭いもので
あると、浅層探査では地下からの強い反射信号のため受
信回路が飽和して再生信号を歪ませたり、反対に深層探
査では地下からの弱い反射信号のため受信不能となる恐
れがある。また、地中に伝播したインパルス電磁波の高
域周波数成分は到達距離に比例して減衰するため、送信
パルス幅固定の場合は、その送信出力のパルス幅が深層
探査に適合させた十分広いものであると、浅層探査では
分解能が低下して用が立たないといったことが生じる。

かかる欠点をなくすには送信信号の振幅とパルス幅を制
御可能とする送信回路でありたいが、従来のアバランシ
ェモードスイッチング利用の送信回路では、送信出力の
パルス幅は送信回路のコンデンサ容量によって一義的に
決まってしまい、送信パルス幅の変更は、トランジスタ
の電極間電位が零電位まで放電するため、サイリスタや
サイラトロンと同様に容易ではなく、更に送信出力の可
変範囲は努々２倍程度と極めて狭く、このほか温度変化
に対して安定性を欠き、電源電圧の変動で送信開始の時
刻を変動させてしまうため、不可能であった。ちなみに
アバランシェモードスイッチング利用の送信回路におけ
る出力特性の一例を示せば第９図のとおりで、５０〜４
００ＷＩ］Ｄでの狭い範囲なら送信出力は一応可変であ
るが、電源電圧が９０〜１００Ｖ（５０〜１５０ＷＤＤ
）の間は送信出力が非常に不安定となって時間的な揺ら
ぎ（ジッタ）やパルス幅の変化を生じさせ、電源電圧を
１５０ｖ以上としても送信出力は増加しないばかりか破
壊（ショート）を招くことになり、結局は比較的狭い電
源動作範囲に限定された。

この発明は、インパルス地下レーダ装置の送信方式とし
て送信信号にトランジスタのアバランシェ領域における
スイッチング効果を利用したものでは、地盤条件や探査
目的に応じた送信出力のパルス幅や振幅の変更が容易に
行えないという問題点に鑑み、これらの課題を解決する
ことを、その目的としてなされたものである６く課題を
解決するための手段〉 本発明者は、原理的にベース蓄積時間の影響がない多数
キャリヤのＦＥＴ素子を使ったスイッチング効果によっ
て、送信信号の振幅とそのパルス幅の制御を行えないか
と考え、実験を試みてきた。その結果、実験に供したＦ
ＥＴ素子のスイッチング時間は、素子内部補遺に起因す
るゲート寄生抵抗と入力容量の影響でメーカの仕様では
３０ｎｓ程度のスイッチング時間であるにもかかわらず
、実験に供した回路においては、意外なことに、３０ｎ
ｓよりも遥かに小さい送信パルス幅にまで制御が可能で
、送信出力しＦＥＴ素子の耐電圧特性まで可変であると
いう意外な事実が分かった。

この発明は、上記の知得に基いて完成したものである。

すなわち、この発明は、地表面もしくは地中内において
電気パルスを送信し、地中の埋設物もしくは地層境界か
らの電気パルスをサンプリング手法にて時間変換受信す
ることにより、物体の存在もしくは物体までの距離を探
査する地下レーダ装置において、送信回路素子としてＦ
ＥＴ素子を用いるようにしたものであって、これにより
従来極めて困難であった送信出力と送信パルス幅との可
変を可能ならしめたものである。

く作　用〉 送信回路素子にＦＥＴ素子を用いると、何故予期しない
働きを示すのか、その理由については現在のところ正確
にはわかっておらず、今後の解明に待たなければならな
いが、実験や探査を実施した結果およびその再現性から
、明らかに通常２００ｎｓ程度のスイッチング時間のト
ランジスタを用いて数ｎｓ程度の送信パルスを発生させ
るアバランシェスイッチング動作とは異なる現象で動作
しているといえる。大胆に推理すれば、ＦＥＴ素子は、
バルク素子であるため電子が移動度の大きいエネルギー
バンドから移動度の小さいエネルギーバンドに遷移する
ことにより生じる負性抵抗の発生もしくは、半導体のア
バランシェ現象を利用したインバット、トラパット、ト
ンネルダイオード構造の素子等と同様な負性抵抗の発生
、具体的にいうとドレンゲート−ソース間における何等
かの負性抵抗の発生、もしくはスイッチング速度を遅く
するゲート−ソース間の静電容量を打ち消すよ、うな負
性容量の発生、或いはアバランシェ状態でのプラズマ生
成・消滅による低電圧高電流と高電圧低電流の周期的動
作を繰り返すトラパット構造のような動作で、極めて超
高速といえるスイッチング動作が行われているのではな
いかと思われる。

〈実施例〉 第１図Ａはこの発明の実施例を示す回路図である。

ゲーブルドライバー４からの出力信号はパルス発生器８
に設けた単安定信号発生器の可変抵抗ＶＲ２に与えられ
、単安定信号発生器の可変抵抗ＶＲ２によって所望する
時間幅の信号に変換したものを送信回路の入力端子ＩＮ
Ｐに送る。

一方、高圧電源と接続する可変抵抗ＶＲＩを調整するこ
とによって送信出力を設定する。ＦＥＴ素子Ｑ４は入力
信号のパルス幅に応じて加えられた電源電圧までスイッ
チングする。このＦＥＴ素子Ｑ４の出力信号はコンデン
サＣ２とトランスＴ２で構成される結合回路によって、
二つのＰＥＴ素子Ｑｌ、Ｑ２で構成されるスイッチング
回路に結合される。このスイッチング回路の働きはＱＩ
　Ｑ２が共にオンになると、ＱｌはトランスＴ１の一方
の入力端子にトランスＴ２から供給された入力信号に等
しい電圧を印加する。Ｑ２は、ＣＩとで構成される結合
回路てらう一方の入力端子を接地電位に保つ、従って送
信パルス信号は、ＦＥＴ素子Ｑ４に入力される期間のみ
トランスＴＩの０ＵＴＩと０ＵＴ２のアンテナ出力端子
に出力される。なおトランスＴ１の入力端子に加わる電
圧の向きは互いに逆極性であり、かつ同一期間のみトラ
ンスに電流が流れるため、スイッチング終了時に発生す
る逆起電力が原因となる出力波形の歪みや分布容量の影
響はｆ無となり、インパルス地下レーダにおいては、探
査分解能が悪化する原因となるリンギングや、オーバー
シュートが発生しないようにしている。

いま可変抵抗ＶＲＩを調整したとすると、ＦＥＴ素子Ｑ
４の電源電圧が変化しトランスＴ２を介してＦＥＴ素子
素子上１２に注入される信号振幅が変化を受けるため、
トランスＴ１の出力端子間に発生する送信出力は変化す
ることになる。第２図Ａ〜Ｄに送信出力波形を示す、こ
の送信出力は、地表面に設置されたアンテナ（電極）に
注入すると、アンテナ（電極）と地表面間とで構成され
る静電容量を充電するため、送信パルスの送出１■間中
はアンテナ（電極）と地表面間に変位電流が流れ、この
地表面に流れる変位電流の垂直方向に対して磁界が発生
し、電磁波として地中に送信されることになる。送信パ
ルス幅の最大は各ＦＥＴ素子の結合段における時定数で
決まる。送信パルス幅の最小は、メーカの仕様で３０．
６０．３５０＋１３のスイッチング時間のＦＥＴ素子を
使ったにも拘らず、実験の結果では約２ｎｓという高速
であった。

第３図に入力パルス幅と出力パルス幅の関係を示す、こ
のように送信パルス幅の変更は入力パルス幅の変更で可
能であるから、探査深度が浅い場合に送信出力の逓減と
同時に幅の狭い送信パルスを用いてｉ？ＩＩＥ！分解能
を高めるようにすることが可能となる。

第４図にＦＥＴ素子Ｑ４の電源電圧と送信出力の関係を
示す、送信出力はｏ、ｏ６ｗｐｐから３ＫＷＤＩ）まで
可変となった。第４図中、実線で示した送信パルス幅１
０ｎｓの場合と点線で示した送信パルス幅５ｎｓの場合
とでは送信出力特性に若干の変化が見られるが、これは
主に回路構成部品（トランス）の周波数伝達特性の影響
と考えられる。

第５図Ａは本発明のＦＥＴ素子を用いた送信回路におけ
る送信雑音測定結果であって、送信信号と送信雑音の差
は３１　ｄＢｍである。第５図Ｂは比較例として行った
アバランシェ送信回路における送信雑音測定結果であっ
て、送信信号と送信雑音の差は１９ｄＢｍであった。こ
の送信雑音の違いは直接探査深度と受信品位の違いとし
て発現するから、その分、低出力での探査が可能となる
ことを意味している。

つぎにアスファルト舗装模型地慇下の埋設物探査例を示
すと、小出力送信においては第６図Ａの如く浅部の空洞
、埋設管が探査できているが、深度２ｍの空洞は余り明
瞭でない、逆に大出力送信においては第６図Ｂの如く深
度２ｍの空洞は探査できているが、浅部の分解能が劣っ
ている。まな粘土地盤における埋設管探査例を示すと、
浅部の分解能を向上させるべく送信パルス幅を狭くした
場合の探査結果である第７図Ａでは浅部からの信号は明
瞭であるが、深度２ｍの埋設管は余り明瞭でない、第１
図Ｂは、電磁波の地中伝播損失を逓減する目的で送信パ
ルス幅を広く設定した場合の探査結果である。浅部から
信号は不明瞭になっているが深部からの信号は明瞭にな
っている０以上の探査実験結果からしても、地盤条件や
探査深度に応じた最適な送信出力と送信パルス幅の設定
が大切であり、可変機能の重要性、有効性がわかる。

送信出力と送信パルス幅の可変制御手段は、第１図Ａの
例では手動操作する可変抵抗器ＶＲ１、ＶＨ２によって
いるが、本発明は決してこれに限定されるものではない
、すなわち地下レーダ装置において通常−射的に実施さ
れるＴＶＧ（時間制御増幅器）の制御信号を用いたり、
光半導体（ｃｄｓ）等の公知技術を用いて容易に自動制
御とすることが可能である。第１図Ｂは、第１図Ａの送
信出力制御の可変抵抗器ＶＲ１、送信パルス幅制御の可
変抵抗器ＶＲ２の代わりにオプト・アイソレータ等を用
いて、送信出力と送信パルス幅を自動的に制御を行う回
路例である。第１図Ｂの制御端子ＶＣに、サンプリング
周期に同期した制御電圧であるＴＶＧアンプ６の制御信
号をＦＥＴ素子Ｑ５のゲートに入力するとサンプリング
時間の経過と共に制御電圧が増加するため、ＦＥＴ索子
Ｑ５のドレインと電源間に接続されたオプト・アイソレ
ータＰＴ２に内蔵の発光素子（電球など）は制御電圧に
応じて光る。この光は同じくオプト・アイソレータＰＴ
２に内蔵の受光素子ｃｄｓで受光され、受光素子ｃｄｓ
は発光素子に流れる電流の増加に伴い抵抗値が低下する
特性であるため、始めの送信時刻においては送信出力を
小となし、送信終了時刻においては最大送信出力となす
自動制御ができる。送信パルス幅の自動制御ら送信出力
と同様に自動制御が可能である。ずなわちＦＥＴ素子Ｑ
３のゲートはＦＥＴ索子Ｑ５のドレインに接続されてお
り、制御端子ＶＣにおける制御信号の増加に従ってＦＥ
Ｔ索子Ｑ３の電流が逓減し、ＰＴＩに内蔵の発光素子の
光量が低下するため、ＰＴＩに内蔵の受光素子ｃｄＳの
抵抗値が増大するから、始めの送信時刻においては送信
パルス１福は狭く、送信終了時刻においては最大送信パ
ルス幅となす自動制御ができる。上記の送信信号を制御
するＦＥＴ累子Ｑ３およびＦＥＴ素子Ｑ５は、単独もし
くは組合わせて動作させることができるため、受信回路
の振幅に合致させた制御も可能である。従って始めの送
信時刻においては送信出力と送信パルス幅を小となし、
時間経過と共に送信出力と送信パルス幅を増加させ、こ
うして浅層探査で地下からの強い反射信号や透過信号の
ためアンテナユニット７のサンプリング部１１の受信回
路が飽和してしまう等の悪形響を防ぐことが可能であり
、受信回路のダイナミックレンジの拡大を目的とした特
開昭６２−７２１７号公報に見るサンプリングバイアス
調整方式と同様な効果が期待できる。なおＴＶＧ６の制
御信号以外に、ＡＧＣアンプ５やデータ処理部の信号と
組合わせた制御が可能であり、さらに探査能力の向上が
期待できる。

以上述べた実施例において、ＦＥＴ素子はＮチャンネル
形のエンハンスメント形として図示したが、Ｐチャンネ
ル形のエンハンスメント形でもよいし、デプリーション
形でもよい、つまり絶縁ゲート形（Ｍ　ＯＳ形）であれ
ば適用可能である。

〈発明の効果〉 本発明は、送信回路素子としてＦＥＴ素子を用いたこと
により、従来は不可能であった送信出力と送信パルス幅
の可変が可能となり、従来技術では不可能であった浅部
から深部に至るまでの、地盤条件と探査深度に応じた分
解能を兼ね備えたインパルス地下レーダ装置の構築が初
めて可能となった。

一般に地下からの信号の多くは多重伝播経路にて伝播す
るため、伝播経路によっては信号成分が互いに打ち消し
合って信号が消滅する部分が発生するものである。とこ
ろが、本発明に従って送信出力と送信パルス幅の制御を
繰り返し変化させると、常に送信スペクトルが拡散され
る結果、丁度消滅する周波数特性をもつ多重伝播経路と
一致する確率を小となすことができる。

また一定の周期で送信出力と送信パルス幅を可変とする
とアンテナ等から外部に漏洩する不要な電磁波のスペク
トルは常に拡散されるから、送信出力、送信パルス幅固
定の従来装置と比べて放送や通信等の狭帯域無線回路に
対する妨害の確率を小となすことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａは本発明の一実施例を示す回路図、第１図Ｂは
第１図Ａの可変抵抗器を用いた送信出力制御、送信パル
ス幅制御の代わりにオプト・アイソレータを用いて行う
回路例、第２図Ａ〜Ｄはその送信出力波形、第３図はそ
の入力パルス幅対出力特性図、第４図はその送信出力特
性、第５図Ａはその送信雑音の測定波形、第５図Ｂは従
来のアバランシェ送信回路における送信雑音の測定波形
、第６図ＡとＢは送信出力別の地下埋設物探査例、第７
図ＡとＢは送信パルス幅別の地下埋設物探査例、第８図
は地下レーダシステムにおけるアンテナユニット及びそ
の関連部分を示した説明図、第９図は従来のアバランシ
ェ送信回路の出力特性図である。 １・・・レーダモジュール部、７・・・アンテナユニッ
ト、８・・・パルス発生器、 １０・・・受信アンテナ、１１ Ｑｌ、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、 ＰＴＩ、ＰＴ２・・・オプト・ ９・・・送信アンテナ、 ・・・サンプリング部、 Ｑ５・・・ＦＥＴ素子、 アイソレータ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、地表面もしくは地中内において電気パルスを送信し
   、地中の埋設物もしくは地層境界からの電気パルスをサ
   ンプリング手法にて時間変換受信することにより、物体
   の存在もしくは物体までの距離を探査する地下レーダ装
   置において、送信回路素子としてＦＥＴ素子を用いたこ
   とを特徴とする送信パルス可変型インパルス地下レーダ
   装置。 ２、地表面もしくは地中内において電気パルスを送信し
   、地中の埋設物もしくは地層境界からの電気パルスをサ
   ンプリング手法にて時間変換受信することにより、物体
   の存在もしくは物体までの距離を探査する地下レーダ装
   置において、送信回路素子としてＦＥＴ素子を用い、送
   信パルス幅もしくは送信出力をサンプリング手法を用い
   た時間変換受信期間内で単独もしくは組合わせて可変と
   なしたことを特徴とする送信パルス可変型インパルス地
   下レーダ装置。 ３、地表面もしくは地中内において電気パルスを送信し
   、地中の埋設物もしくは地層境界からの電気パルスをサ
   ンプリング手法にて時間変換受信することにより、物体
   の存在もしくは物体までの距離を探査する地下レーダ装
   置において、送信回路素子としてＦＥＴ素子を用い、送
   信パルス幅もしくは送信出力をサンプリング手法を用い
   た時間変換受信期間内で単独もしくは組合わせてある一
   定の比例関係で可変となしたことを特徴とする送信パル
   ス可変型インパルス地下レーダ装置。