JPH10293174A

JPH10293174A - レーダアンテナ

Info

Publication number: JPH10293174A
Application number: JP9116189A
Authority: JP
Inventors: Itsukaku Segami; 一鶴瀬上; Toyohiko Oba; 豊彦大庭; Toshimitsu Nozu; 俊光野津; Morio Suzuki; 盛雄鈴木; Keijiro Ishii; 啓二朗石井; Yuji Kakizaki; 裕司柿崎
Original assignee: Kyushu Electric Power Co Inc; Koden Electronics Co Ltd
Current assignee: Kyushu Electric Power Co Inc; Koden Electronics Co Ltd
Priority date: 1997-04-18
Filing date: 1997-04-18
Publication date: 1998-11-04
Anticipated expiration: 2017-04-18
Also published as: JP3883251B2

Abstract

(57)【要約】〔課題〕広帯域の利得ー周波数特性を有する地中レーダ
用などのレーダアンテナを提供する。〔解決手段〕電気パルスなどの信号を放射する地中レ
ーダ用などのレーダアンテナを構成する送信アンテナの
利得の中心周波数(ft)と、この放射された信号の反射波
を受信する受信アンテナの利得の中心周波数(fr)とを、
それぞれの周波数帯が重なり合う限度内で異ならせてい
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、地中レーダなどに
利用されるレーダアンテナに関するものであり、特に、
広帯域化を図ることによって性能を向上させたレーダア
ンテナに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】水道管やガス管など地表から比較的浅い
位置に存在する地中の埋設物の有無を道路工事などに先
立って調査する目的で、地中レーダが開発されている。
この地中レーダは、ほぼ一定速度で移動する牽引車に搭
載された地上の送信アンテナから地中に一定周期で電気
パルスを送信し、地中の埋設物で反射されて戻ってきた
反射パルスを地上の受信アンテナで受信し、この受信し
た反射パルスの振幅と移動距離との関係を二次元画面表
示することにより、この地中レーダの操作者に埋設物の
有無に関する情報を提供するように構成されている。

【０００３】上述の地中レーダが船舶や車両に搭載され
る監視用のレーダ装置と異なる最も特徴的な点は、検査
対象が地下数十ｃｍから数ｍ程度の近距離に存在する埋
設物であるため、パルスを送信してからその反射パルス
を受信するまでの時間がｎsec のオーダーの短い値とな
るという点である。この結果、送信パルスはできるだけ
鋭いものが要求され、現在の技術レベルの限界ともいえ
る半値幅１ｎsec 程度の鋭いパルスが使用されている。
また、検査範囲が高々数ｍ以内の近距離に限定されてい
ても、電波が空中に比べて大きな減衰率の地中を伝播す
るため、放射パルスの振幅として150 ボルト程度もの大
きな値が要求される。

【０００４】更に、パルスを送信してからその反射パル
スを受信するまでの時間が数ｎsecの短い値であるた
め、送受共用のアンテナを送信器に接続した状態でパル
スを送信し、反射パルスが戻って来る前にこの送受共用
のアンテナを送信器から受信器に接続替えするというア
ンテナの送受共用化を実現することは、送信パルスの振
幅が大きいことも相まって、困難である。

【０００５】従って、従来の地中レーダにおいては、図
６の平面図に示すような形状の送信専用の送信アンテナ
Ｔと、受信専用の受信アンテナＲとを地面から僅かに離
してかつ地面にほぼ平行になるように設置していた。送
信アンテナＴと受信アンテナＲは、形状が同一であり、
従って、電気特性も、図７の利得ー周波数特性に示すよ
うに、同一である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の地中レーダは、地下数十ｃｍから数ｍ程度の近距離に
存在する埋設物を高い空間分解能のもとに弁別するうえ
で、半値幅が１ｎsec 程度の鋭い送信パルスを使用して
いる。このような鋭い送信パルスの高周波数成分は１GH
z もの高周波数域にまでわたっている。しかしながら、
送信アンテナと受信アンテナの利得を低周波数領域から
１GHz もの高周波領域までの広い周波数範囲にわたって
ほぼ一定とすることは困難である。

【０００７】この結果、送信用と受信用の各アンテナを
経て受信器に受信される反射パルス波形は、各アンテナ
による帯域制限を受け、振動が長時間にわたって持続す
る大きなリンギングを含むものになってしまい、空間分
解能が低下し、地中レーダとしての性能が低下するとい
う問題がある。従って、本発明の目的は、利得の周波数
帯域が広い地中レーダ用などのレーダアンテナを提供す
ることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記従来技術の課題を解
決するための本発明の地中レーダ用などのレーダアンテ
ナは、電気パルスなどの信号を放射する送信アンテナの
利得の中心周波数と、この放射された信号の反射波を受
信する受信アンテナの利得の中心周波数を、それぞれの
周波帯域が重なり合う限度内で異ならせている。

【０００９】

【実施例】図１は本発明の一実施例のレーダアンテナの
構成を示す平面図である。このレーダアンテナは、地中
レーダの空中線系を構成しており、１は平面状の送信ア
ンテナ、２は同じく平面状の受信アンテナ、３は送信ア
ンテナ１と受信アンテナ2との間を相互に電磁遮蔽する
ためのフェライトなどの電波吸収体を素材とする電磁遮
用隔壁である。送信アンテナ１と受信アンテナ２とは、
誘電体の基板の表面側だけに形成された30〜70μｍの一
様な厚みの銅箔から不要部分を剥離除去することにより
形成されている。

【００１０】ボータイアンテナなどと称される種類の送
信アンテナ１は、対向して配置される１対のエレメント
１ａ，１ｂと、不平衡線路を平衡線路に変換するための
バラントランスの取付け部１ｃと、４本の導体板１ｄ，
１ｅ，１ｆ，１ｇと、６個の抵抗器ｒとから構成されて
いる。同様に、受信アンテナ２は、対向して配置される
１対のエレメント２ａ，２ｂと、バラントランスの取付
け部２ｃと、４本の導体板２ｄ，２ｅ，２ｆ，２ｇと、
６個の抵抗器ｒとから構成されている。

【００１１】送信アンテナ１では、バラントランスから
引き出される２本の給電線の先端部分が、エレメント１
ａ，１ｂの互いに対向する先端部分のそれぞれに接続さ
れており、この先端部分の間に半値幅約１ｎsec 、ピー
ク値150 ボルト程度の鋭いパルス状の送信信号が供給さ
れる。供給された送信信号は、各エレメント１ａ，１ｂ
の先端部分から幅の広いそれぞれの末端部分に向けて電
圧振幅を増大させながら伝播してゆき、それぞれの末端
部分で最大の電圧値に達する。すなわち、エレメント１
ａと１ｂとから成る送信アンテナ１上に、中心周波数に
対応する波長の半分の長さ（半波長；λ／２）の定在波
が形成される。

【００１２】この送信アンテナ１では、各エレメント１
ａ，１ｂの末端部分で発生した反射波を再びそれぞれの
先端部分に向けて伝播させる代わりに、反射波のかなり
の部分を抵抗器ｒを通して導体板１ｄ，１ｅ，１ｆ，１
ｇの一端に導き、各導体板上をそれぞれの中心部分に向
けて伝播させたのち、抵抗器ｒを通して他の導体板に導
くことによって減衰させ、利得の広帯域化を図ってい
る。送信アンテナ１から放射された鋭いパルスは、この
送信アンテナ１を形成している誘電体基板の内部を銅箔
が形成されている表側から銅箔が形成されていない裏側
（紙面の表側から裏側）へと通過し、この誘電体基板の
裏面と地面との間の空隙を通過して地中に放射される。

【００１３】送信アンテナ１から地中に放射され、地中
の埋設物で反射され、地面と誘電体基板との間の空隙を
通過した反射パルスは、受信アンテナ２に受信される。
受信アンテナ２も、上述した送信アンテナ１と同様に、
各エレメント２ａ，２ｂの末端部分で発生した反射波を
再びそれぞれの先端部分に向けて伝播させる代わりに、
反射波のかなりの部分を抵抗器ｒを通して、導体板２
ｄ，２ｅ，２ｆ，２ｇの一端に導き、各導体板上をそれ
ぞれの中心部分に向けて伝播させたのち、抵抗器ｒを通
して他の導体板に導くことによって減衰させ、利得の広
帯域化を図っている。

【００１４】送信アンテナ１と受信アンテナ２のそれぞ
れには、それぞれのアンテナ利得の中心周波数に相当す
る半波長の長さの定在波が形成される。このため、図２
の利得ー周波数特性を示す概念図中に実線で例示するよ
うに、定在波が形成される長さ方向に大きな寸法を有す
る送信アンテナ１では、その利得Ｇt の中心周波数ｆt
が、定在波が形成される長さ方向に小さな寸法を有する
受信アンテナ２の利得Ｇr の中心周波数ｆr よりも低く
なる。

【００１５】図３は、図１に示したレーダアンテナを含
む地中レーダの送受信系の構成を示すブロック図であ
る。送信アンテナ１はバラントランス４を介して送信器
６に接続され、受信アンテナ２はバランストランス５を
介して受信器７に接続されている。プロセッサ８は、送
信器６からパルスの送信時点に関する情報を受け取ると
共に、受信器７から反射パルスの受信時点に関する情報
を受け取り、送信時点と受信時点の時間差から反射波を
生じさせた埋設物の地中深さを検出する。

【００１６】ここで、 Gｐ (ω) ：送信パルス信号の周波数特性 Gbt (ω) : バラントランスの周波数特性 Gt (ω) : 送信アンテナの周波数特性 Gb (ω) ：送信パルス信号が地中に入射する時の
周波数特性 Gg (ω) ：送信パルス信号が地中を通過する時の
周波数特性 Gref(ω) : 反射波が発生する時の周波数特性 Gr (ω) : 受信アンテナの周波数特性 Gramp (ω) : 受信器の周波数特性とする。

【００１７】この場合、送信器から受信器までの送信パ
ルスの全伝播経路にわたる周波数特性G(ω) は、 G( ω) ＝ Gp ・Gbt ・ Gｔ・Gb・Gg・Gref・ Gg ・Gb・Gr・ Gbt・Gramp ＝ Gp ・Gbt²・Gb² ・Gg² ・Gref・Gramp ・〔 Gｔ・ Gr 〕＝ Gp ・Gbt²・Gb² ・Gg² ・Gref・Gramp ・〔 Ga(ω）〕 Ga(ω）＝ Gt(ω）・ Gr(ω）となる。

【００１８】送信アンテナ１のアンテナ利得 Gt(ω）
と、受信アンテナ２のアンテナ利得Gr(ω）の積で定義
される Ga(ω）は、レーダアンテナの送受折り返し総合
利得と称することができ、これは図２中に点線で示すよ
うなものとなる。この送受折り返し総合利得の３dB低下
帯域幅は、図２中にｆw で示すように、送信アンテナ１
のアンテナ利得 Gｔの３dB低下帯域幅や、受信アンテナ
２のアンテナ利得 Gr３dB低下帯域幅よりも広くなる。

【００１９】これに対して、送信アンテナと受信アンテ
ナが同一の利得周波数特性を有する従来のレーダアンテ
ナについては、その送受折り返し総合利得も3 dB低下帯
域幅もは個々の送信アンテナと受信アンテナの利得や３
dB低下帯域幅と同一である。

【００２０】アンテナの３dB低下帯域ｆw に対する中心
周波数ｆo の比率ｆo/ｆw は、受信反射パルスの波形の
中に出現するリンギングの大きさを定める共振の先鋭度
（Ｑ）に該当する。従来のレーダアンテナの送受折り返
し総合利得について、典型的な一例として、中心周波数
ｆo を100MHz、３dB低下帯域幅ｆw を100 MHzと見積も
ればＱは１となる。これに対して、本実施例のレーダア
ンテナの送受折り返し総合利得については、典型的な一
例として、中心周波数ｆo を150MHz、３dB低下帯域幅ｆ
w を250 MHzとすればＱは0.75となる。

【００２１】送信パルスの波形が図４の（Ａ）に例示さ
れるように、半値幅１ｎsec 程度の鋭いパルスとしたと
き、上記従来の典型的な一例の共振の先鋭度Ｑが１程度
の送受折り返し総合利得を有するレーダアンテナを通し
て送信され、地中で反射されて受信される反射パルスの
波形の典型例は、図４の（Ｂ）に例示するように、大き
なリンギングを含むものとなる。これに対して、上記本
発明の典型的な一実施例の共振の先鋭度Ｑが0.75程度の
送受折り返し総合利得を有するレーダアンテナを通して
送信され、地中で反射され、受信される反射パルスの波
形の典型例は、図４の（Ｃ）に例示するように、それほ
どリンギングを含まないものとなる。

【００２２】図５に示すように、深さｄ１とｄ２の地中
に円筒断面形状の埋設物が存在する場合を想定する。従
来の狭帯域で高Ｑのレーダアンテナを使用して受信した
反射パルス波形は、（Ａ）の波形で例示するように、大
きなリンギングを含むものとなり、深度の異なる二つの
埋設物を弁別できない。これに対して、本実施例の広帯
域で低Ｑのレーダアンテナを使用して受信した反射パル
ス波形は、（Ｂ）の波形に例示するように、リンギング
をあまり含まないものとなり、深度の異なる二つの埋設
物を容易に弁別できる。

【００２３】送信アンテナと受信アンテナの利得の中心
周波数の差は、各利得の周波数帯域が重なり合う限度内
で、所望の送受折り返し総合利得に応じた適宜な値に設
定される。

【００２４】以上、広帯域化を図るために、抵抗器ｒと
細長い導体板とを用いて反射波を減衰させ構成を例示し
た。しかしながら、集中定数の抵抗器ｒの代わりに導体
板と同様の細長い抵抗板を用い、反射波をこの抵抗板上
に伝播させながら減衰させる構成を採用することもでき
る。

【００２５】また、地中レーダに適用する場合を例にと
って本発明のレーダアンテナを説明した。しかしなが
ら、接近警戒システムや夜間監視システムなど近接範囲
を高い空間分解能で探索する地中レーダ以外の他の適宜
なシステムにも本発明のレーダアンテナを適用すること
ができる。

【００２６】また、孤立パルスを送信する場合を例にと
って本発明のレーダアンテナを説明した。しかしなが
ら、バースト状の搬送波や、周波数変調波や、振幅変調
波など他の適宜な形式の信号を送信する場合にも、本発
明のレーダアンテナを適用できる。

【００２７】さらに、電磁波を送受信する装置に本発明
のレーダアンテナを適用する例を説明したが、音波や超
音波など他の適宜な波動を送受信する装置についても本
発明のレーダアンテナを適用することができる。

【００２８】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明のレ
ーダアンテナは、送受両アンテナの利得の中心周波数
を、それぞれの周波帯域が重なり合う限度内で異ならせ
る構成であるから、利得の帯域幅が拡大され、近接範囲
について高い空間分解能が必要とされる地中レーダなど
の性能を大幅に向上できるという効果が奏される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のレーダアンテナの構成を示
す平面図である。

【図２】上記実施例のレーダアンテナを構成する送信ア
ンテナと受信アンテナのそれぞれの利得ー周波数特性
と、送受折り返し総合利得ー周波数特性を例示する概念
図である。

【図３】上記実施例のレーダアンテナを含む地中レーダ
の関連部分の構成を示す機能ブロック図である。

【図４】上記実施例のレーダアンテナを使用した場合の
受信反射パルスの波形を、従来のレーダアンテナを使用
した場合と比較しながら説明するための概念図である。

【図５】上記実施例のレーダアンテナを使用した場合の
地中からの反射パルスの波形を従来のレーダアンテナを
使用した場合と比較しながら説明するための概念図であ
る。

【図６】従来の地中レーダのレーダアンテナの構成を示
す平面図である。

【図７】上記従来のレーダアンテナを構成する送信アン
テナと受信アンテナの利得ー周波数特性を例示する概念
図である。

【符号の説明】

1 送信アンテナ 1a,2b 1 対のエレメント 1c バラントランスの取付け部 1d-1g 抵抗体 2 送信アンテナ 2a,2b 1 対のエレメント 2c バラントランスの取付け部 2d-2g 抵抗体 3 電磁遮蔽用の隔壁ｒ抵抗器

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【手続補正書】

【提出日】平成９年５月２９日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図８

【補正方法】削除

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図９

【補正方法】削除

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者野津俊光東京都日野市多摩平六丁目22番12号 (72)発明者鈴木盛雄東京都八王子市鹿島1121ー５ジュネス鹿島408 号室 (72)発明者石井啓二朗山梨県都留郡上野原町4683ー５ (72)発明者柿崎裕司神奈川県相模原市西橋本４ー８ー45ー911

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】信号を送信する送信アンテナの利得の中心
周波数と、この送信された信号の反射波を受信する受信
アンテナの利得の中心周波数を、それぞれの周波帯域が
重なり合う限度内で異ならせたことを特徴とするレーダ
アンテナ。
【請求項２】請求項１において、前記送信アンテナが放射する信号はパルス信号であるこ
とを特徴とするレーダアンテナ。
【請求項３】請求項２において、前記送信された信号の反射は、十メートル以内の近傍で
行われることを特徴とするレーダアンテナ。
【請求項４】請求項３において、前記パルス信号は、地中レーダから地中に放射される電
気パルス信号であることを特徴とするレーダアンテナ。
【請求項５】地中に電波を放射したのち地中で発生した
反射波を受信し、前記電波の放射から前記反射波の受信
までの時間差からこの反射波を発生させた地中の埋設物
その他の反射体までの距離を検出する地中レーダにおい
て、前記電波を放射する送信アンテナの利得の中心周波数
と、前記反射波を受信する受信アンテナの利得の中心周
波数を、それぞれの周波帯域が重なり合う限度内で異な
らせたことを特徴とする地中レーダ。
【請求項６】請求項５において、前記送信アンテナが放射する信号はパルス信号であるこ
とを特徴とする地中レーダ。
【請求項７】請求項６において、前記送信された信号の反射は、十メートル以内の近傍で
行われることを特徴とする地中レーダ。