(57)【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、送受各アンテナにおいて定在波が形成される長さ方向の寸法を異ならせることにより、それぞれの周波数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た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、送受各アンテナにおいて定在波が形成される長さ方向の寸法を異ならせることにより、それぞれの周波数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レーダアンテナ。
【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レーダアンテナ。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかにおいて、
前記送信アンテナと前記受信アンテナは、離間して対向せしめられ給電点となる先端部分とこの先端部分よりも拡幅された末端部分を有する概ね三角形状の２個の導体板から成るダイポール部分と、このダイポール部分の２個の導体板の前記末端部分の間を抵抗器を介在させながら連結する導体を含む減衰部分とから構成され、
前記三角形状の導体板の先端部分から前記拡幅された末端部分までの長さを前記送信アンテナと前記受信アンテナとで異ならせることにより、各アンテナの利得の中心周波数を異ならせたことを特徴とするレーダアンテナ。
【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１GHz 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、送受各アンテナにおいて定在波が形成される長さ方向の寸法を異ならせることにより、それぞれの周波数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１ａ，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１ａ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１ａ，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，１ｇ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２ｄ，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、
0003883251.tif 000002
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 Gr ３dB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３dB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ｆw 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,1b     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        受信アンテナ
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
【図１】
0003883251.tif 000003
【図２】
0003883251.tif 000004
【図３】
0003883251.tif 000005
【図４】
0003883251.tif 000006
【図５】
0003883251.tif 000007
【図６】
0003883251.tif 000008
【図７】
0003883251.tif 000009