(57)【要約】      （修正有）【課題】地中レーダ装置の送信回路を小規模・省電力化する。【解決手段】送信装置から送信される送信信号として、周波数が時間に比例して変化するチャープ信号の振幅を周波数に対して変化させた後、さらに位相を周波数に対して非線形に変化させて出力する一方、受信装置における相関処理のための参照信号として、周波数が時間に比例して変化するチャープ信号の位相を周波数に対して非線形に変化させて出力する。【選択図】図２
2016090298.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数が時間に比例して変化するチャープ信号の位相を周波数に対して非線形に変化させ得るようにしたチャープ信号生成装置。
【請求項２】
前記チャープ信号は、振幅が周波数に対して変化するものであることを特徴とする請求項１記載のチャープ信号生成装置。
【請求項３】
前記チャープ信号の振幅変化は、前記チャープ信号の送信経路における周波数特性の損失を補償し得るものであることを特徴とする請求項２記載のチャープ信号生成装置。
【請求項４】
前記チャープ信号の位相変化は、前記チャープ信号の周波数に対して変化する振幅の予め定められた周波数帯域における変化量を許容範囲内に抑制し得るものであることを特徴とする請求項２又は３記載のチャープ信号生成装置。
【請求項５】
周波数が時間に比例して変化するチャープ信号の位相を周波数に対して非線形に変化させ得るようにしたチャープ信号生成装置を備えて構成した地中レーダ装置。
【請求項６】
前記チャープ信号生成装置は、
送信装置から送信される送信信号として、周波数が時間に比例して変化するチャープ信号の振幅を周波数に対して変化させた後、さらに位相を周波数に対して非線形に変化させて出力する一方、
受信装置における相関処理のための参照信号として、周波数が時間に比例して変化するチャープ信号の位相を周波数に対して非線形に変化させて出力する、
ことを特徴とする請求項５記載の地中レーダ装置。
【請求項７】
前記送信信号として出力される前記チャープ信号の振幅変化は、前記送信装置の送信経路における周波数特性の損失を補償し得るものであることを特徴とする請求項６記載の地中レーダ装置。
【請求項８】
前記送信信号として出力される前記チャープ信号の位相変化は、前記チャープ信号の周波数に対して変化する振幅の予め定められた周波数帯域における変化量を許容範囲内に抑制し得るものであることを特徴とする請求項６又は７記載の地中レーダ装置。
【請求項９】
前記参照信号として出力される前記チャープ信号の位相変化は、周波数が時間に比例して変化するチャープ信号の周波数に対して直線的に変化する位相特性に対して、前記送信信号として出力される前記チャープ信号の位相変化とは逆の変化を示すものであることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の地中レーダ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チャープ信号生成装置に関し、特に送信回路を小規模・省電力化し得るチャープ信号生成装置及び地中レーダ装置に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の地中レーダ装置は、地中に向けて電磁波を送信信号として送信し、地表面及び地中の埋設物で反射された反射波を受信すると共に、その受信信号を上記送信信号と同じ参照信号で相関処理し、地表面での反射波の受信信号と埋設物からの反射波の受信信号との時間差を検出することにより、埋設物までの距離を推定するものとなっていた（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２１０３９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような地中レーダ装置においては、分解能を上げると共に深い探査深度を確保することができるチャープ信号が送信信号として使用されている。このチャープ信号は、周波数が時間に比例して変化するものであり、一定の周波数帯域を有している。ところが、一般に、送受信アンテナ等を含む伝送経路の周波数特性は平坦ではない。例えば、高周波領域のアンテナ利得に対して低周波領域のアンテナ利得は低い。このような利得差を補うためには、低周波領域の信号成分の振幅を高周波領域の振幅に比べて大きくするように振幅周波数特性を調整及び変形させたチャープ信号を生成して使用することが考えられる。
【０００５】
この場合、低周波領域の振幅を増強したチャープ信号の低周波成分を飽和させることなく信号を増幅して、埋設物探査に必要十分な振幅の送信信号を得るためには、送信回路の増幅器として大規模・大電力のものが必要となるという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、このような問題点に対処し、送信回路を小規模・省電力化し得るチャープ信号生成装置及び地中レーダ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明によるチャープ信号生成装置は、周波数が時間に比例して変化するチャープ信号の位相を周波数に対して非線形に変化させ得るようにしたものである。
【０００８】
また、本発明による地中レーダ装置は、周波数が時間に比例して変化するチャープ信号の位相を周波数に対して非線形に変化させ得るようにしたチャープ信号生成装置を備えて構成したものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、チャープ信号の位相を周波数に対して非線形に変化させることができる。したがって、信号の送信経路における周波数特性の損失を補償するために、振幅が周波数に対して一定ではないチャープ信号が使用された場合にも、その信号の位相を周波数に対して非線形に変化させてチャープ信号の振幅を抑制し、時間軸上において略一定にすることができる。それ故、小規模・省電力の送信回路でも信号の飽和を回避して埋設物探索に必要十分な振幅の送信信号を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明による地中レーダ装置の一実施形態を示すブロック図である。
【図２】本発明によるチャープ信号生成装置の一実施形態を示すブロック図である。
【図３】振幅調整をしたチャープ信号を示す説明図である。
【図４】チャープ信号に対する位相調整指示を示す説明図である。
【図５】図３のチャープ信号を図４の指示に従って位相調整を行った後のチャープ信号を示す説明図である。
【図６】図５のチャープ信号に対するパルス圧縮処理結果を示す説明図である。
【図７】図３のチャープ信号に対するパルス圧縮処理結果を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明による地中レーダ装置の一実施形態を示すブロック図である。この地中レーダ装置は、地中に向けて電磁波を送信し、その反射波を受信して地中の埋設物を探査するもので、送信用チャープ信号生成装置１と、送信回路２と、相関用チャープ信号生成装置３と、タイミング制御部４と、相関用増幅回路５と、受信回路６と、相関器７と、出力部８と、を備えて構成されている。
【００１２】
上記送信用チャープ信号生成装置１は、周波数が時間に比例して変化するチャープ信号を生成するためのもので、図２に示すように、チャープ信号生成部９と、振幅周波数特性調整部１０と、位相周波数特性調整部１１とを備えて構成され、本発明によるチャープ信号生成装置となるものである。そして、上記チャープ信号生成部９、振幅周波数特性調整部１０及び位相周波数特性調整部１１には、夫々、外部から指示を与えて生成される信号の周波数変調、振幅の周波数特性の調整及び位相の周波数特性の調整を可能とする指示端子１２，１３，１４が設けられている。
【００１３】
詳細には、上記チャープ信号生成部９は、周波数が時間に比例して変化するチャープ信号を生成する部分であり、外部から指示端子１２に入力される、周波数を低周波から高周波（又はその逆方向）に時間に比例して変化させる周波数変調指示に基づいて信号を生成するようになっている。
【００１４】
また、上記振幅周波数特性調整部１０は、上記チャープ信号生成部９から入力したチャープ信号の振幅を周波数に対して変化させる部分であり、外部から指示端子１３に入力される、振幅を周波数に対して変化させる振幅調整指示に基づいてチャープ信号の振幅を変化させるようになっている。
【００１５】
より詳細には、上記振幅調整指示は、送信経路における周波数特性の損失を補償し得るもので、例えば送信アンテナ１５（図１参照）の周波数特性の低周波領域の利得損失を補償するよう低周波領域の信号成分の振幅を高周波領域の振幅に比べて大きくするように振幅周波数特性を調整及び変形させるものである。これにより、振幅周波数特性調整部１０から、図３に示すような低周波領域の振幅が増強されたチャープ信号が出力される。
【００１６】
さらに、上記位相周波数特性調整部１１は、上記振幅周波数特性調整部１０から入力したチャープ信号の位相を周波数に対して非線形に変化させる部分であり、外部から指示端子１４に入力される位相を周波数に対して非線形に変化させる位相調整指示に基づいてチャープ信号の位相を変化させるようになっている。
【００１７】
詳細には、上記位相調整指示は、図４に破線で示すように、位相調整がされていないチャープ信号（基準）の位相周波数特性であって、位相が周波数に対して線形に変化するものに対して、同図に実線で示すように位相を周波数に対して非線形に変化させるものである。
【００１８】
より詳細には、図４に破線で示す周波数が時間に比例して変化するチャープ信号（基準）の位相周波数特性対して、同図に実線で示すように、位相が周波数の変化に伴って遅れるように、且つその遅れ量が周波数に対して非線形に変化するように制御される。
【００１９】
このように、位相周波数特性調整部１１において、上記振幅周波数特性調整部１０から入力したチャープ信号の位相を周波数に対して非線形に変化させることにより、振幅調整された図３に示すチャープ信号が図５に示すように振幅抑制され、時間軸上で振幅が略一定のものに変化する。
【００２０】
上記送信回路２は、地中埋設物の探査に必要な強度の電磁波を送信し得るように、送信用チャープ信号生成装置１から入力したチャープ信号の振幅を増幅するもので、必要な周波数帯域で略フラットな周波数特性を有する増幅回路である。そして、送信アンテナ１５を備えて送信経路を構成している。
【００２１】
上記相関用チャープ信号生成装置３は、電磁波の地表面及び埋設物で反射して戻る反射信号を後述の相関器７で相関処理するための参照信号を生成するもので、周波数が時間に比例して変化するチャープ信号を生成すると共に、該チャープ信号の位相を周波数に対して非線形に変化させて出力するようになっている。そして、チャープ信号生成部と、位相周波数特性調整部とを備えて構成されている。
【００２２】
ここで、上記チャープ信号生成部は、送信用チャープ信号生成装置１のチャープ信号生成部９と同様に、周波数が時間に比例して変化するチャープ信号（送信用と同じチャープ信号）を生成する部分であり、外部から指示端子に入力される周波数を時間に比例して変化させる周波数変調指示（送信用と同じ周波数変調指示）に基づいて信号を生成するようになっている。
【００２３】
また、上記位相周波数特性調整部は、上記チャープ信号生成部から入力したチャープ信号の位相を周波数に対して非線形に変化させる部分であり、外部から指示端子に入力される位相を周波数に対して非線形に変化させる位相調整指示に基づいてチャープ信号の位相を変化させるようになっている。この場合、上記位相調整指示は、図４に破線で示すような周波数が時間に比例して変化するチャープ信号（基準）の位相周波数特性に対して、送信用チャープ信号生成装置１における位相周波数特性調整部１１の同図に実線で示す位相調整指示とは逆の変化を示すものである。
【００２４】
なお、上記相関用チャープ信号生成装置３は、上記送信用チャープ信号生成装置１と同じものを使用してもよい。この場合、送信用チャープ信号生成装置１の振幅周波数特性調整部１０に、振幅が周波数に対して一定となるような振幅調整指示を与え、位相周波数特性調整部１１には、図４に破線で示す基準に対して同図に実線で示す送信用位相調整指示とは逆の位相調整指示を与えるとよい。
【００２５】
上記タイミング制御部４は、送信用チャープ信号生成装置１によるチャープ信号の生成タイミングに同期させて、相関用チャープ信号生成装置３における参照信号の生成を制御するもので、送信用チャープ信号生成装置１及び相関用チャープ信号生成装置３にチャープ信号の生成指示を同時に与えるようになっている。
【００２６】
上記相関用増幅回路５は、相関用チャープ信号生成装置３で生成された参照信号の振幅を、後述の相関器７で受信信号の相関処理を行い得るレベルまで増幅するもので、必要な周波数帯域で略フラットな周波数特性を有する増幅回路である。
【００２７】
そして、上記送信用チャープ信号生成装置１、送信回路２、相関用チャープ信号生成装置３、タイミング制御部４、相関用増幅回路５及び送信アンテナ１５を含んで送信装置を構成している。
【００２８】
上記受信回路６は、電磁波が地表面及び地中の埋設物で反射されて戻る反射信号を受信し、それを解析に必要なレベルまで増幅するもので、必要な周波数帯域で略フラットな周波数特性を有する増幅回路である。そして、受信アンテナ１６を含んで受信経路を構成している。
【００２９】
上記相関器７は、上記受信回路６から入力した受信信号と上記相関用増幅回路５から入力した参照信号とを相関処理（パルス圧縮処理）して、図６に示すような時間幅の狭いパルス状の出力を得るものである。これにより、地表面で反射されて戻る反射信号をパルス圧縮処理して得られたパルス状出力のピーク発生時刻と、地中の埋設物で反射されて戻る反射信号をパルス圧縮処理して得られたパルス状出力のピーク発生時刻との時間差から地表面から埋設物までの距離を推定することができる。
【００３０】
なお、位相調整による振幅抑制をしない送信信号（基準）を地中に向けて送信し、その反射信号を上記送信信号（基準）と同じ参照信号により相関処理したパルス圧縮処理結果を図７に示す。図６，７から明らかなように、パルス圧縮処理の結果は、位相調整による振幅抑制をしたものとしなかったもとで全く同じ結果となり、本発明のように、位相調整による振幅抑制を行っても、レーダ性能に何ら影響がないことが分かる。
【００３１】
上記出力部８は、上記相関器７におけるパルス圧縮処理結果に基づいて地表面から埋設物までの距離を演算し、その演算結果を表示し及びプリントアウトするもので、表示部と記録部とを備えて構成されている。
【００３２】
そして、受信回路６、相関器７、出力部８及び受信アンテナ１６を含んで受信装置を構成している。
【００３３】
次に、このように構成された地中レーダ装置の動作について説明する。
先ず、タイミング制御部４からの指示に従って送信用チャープ信号生成装置１は、チャープ信号の生成を行う。即ち、チャープ信号生成部９の指示端子１２に入力される周波数変調指示に基づいて、チャープ信号生成部９において周波数が低周波から高周波に向かって（又はその逆方向に）時間に比例して変化するチャープ信号を生成する。なお、以下の説明においては、生成されるチャープ信号は、周波数が低周波から高周波に向かって時間に比例して変化するものである場合について述べる。
【００３４】
チャープ信号生成部９で生成されたチャープ信号は、振幅周波数特性調整部１０に入力する。そして、振幅周波数特性調整部１０において、振幅が周波数に対して非線形に調整及び変形される。詳細には、振幅周波数特性調整部１０の指示端子１３に入力される振幅調整指示に基づいて、入力したチャープ信号の振幅が周波数に対して非線形に変化される。上記振幅調整指示は、例えば送信アンテナ１５の低周波領域の利得損失を補償するように、低周波領域の振幅を高周波領域の振幅に対して増大させるものである。これにより、振幅周波数特性調整部１０からは、図３に示すように、低周波領域の振幅が高周波領域の振幅に対して増大されたチャープ信号が出力する。
【００３５】
振幅周波数特性調整部１０で振幅の周波数特性が調整されたチャープ信号は、位相周波数特性調整部１１に入力する。そして、位相周波数特性調整部１１において、チャープ信号の位相が周波数に対して非線形に調整される。詳細には、位相周波数特性調整部１１の指示端子１４に入力される位相調整指示に基づいて、入力したチャープ信号の位相が周波数に対して非線形に調整される。上記位相調整指示は、図４に破線で示すように、位相調整がされていないチャープ信号（基準）の位相周波数特性であって、位相が周波数に対して線形に変化するものに対して、同図に実線で示すように位相を周波数に対して非線形に変化させるものである。これにより、位相周波数特性調整部１１から、振幅周波数特性調整部１０において低周波領域の振幅が高周波領域の振幅に対して増大されたチャープ信号の振幅が図５に示すように抑制され、時間軸上で略フラットなチャープ信号が出力する。
【００３６】
送信用チャープ信号生成装置１で生成されたチャープ信号は、送信回路２において地中の埋設物探査に必要なレベルまで増幅され、送信信号として送信アンテナ１５から地中に向けて送信される。この場合、送信用チャープ信号生成装置１で生成されたチャープ信号は、振幅が低周波から高周波まで略一定であるため、送信回路２は、小規模・省電力のものを使用してもチャープ信号を低周波から高周波まで飽和させることなく必要レベルまで増幅することができる。
【００３７】
地中に向けて送信された送信信号は、地表面及び地中の埋設物で反射されて戻る。そして、この地表面及び地中の埋設物で反射された信号は、受信アンテナ１６によって受信され、受信回路６に入力される。さらに、受信回路６においては、入力した受信信号を後段の相関器７で相関処理可能なレベルまで増幅する。
【００３８】
受信回路６で増幅された受信信号は、相関器７に入力する。
一方、相関用チャープ信号生成装置３では、タイミング制御部４の指示に従って、送信用チャープ信号生成装置１におけるチャープ信号の生成に同期して参照信号が生成される。詳細には、相関用チャープ信号生成装置３のチャープ信号生成部の指示端子に入力される周波数変調指示（送信用と同じ周波数変調指示）に基づいて、上記チャープ信号生成部において周波数が低周波から高周波に向かって時間に比例して変化するチャープ信号が生成される。このチャープ信号は、送信用チャープ信号生成装置１のチャープ信号生成部９で生成されるチャープ信号と同じ特性を有するものである。
【００３９】
続いて、上記チャープ信号は、相関用チャープ信号生成装置３の位相周波数特定調整部において、位相が周波数に対して非線形に調整される。詳細には、上記位相周波数特性調整部の指示端子に入力される位相調整指示に基づいて、入力したチャープ信号の位相が周波数に対して非線形に調整される。上記位相調整指示は、図４に破線で示すように、位相調整がされていないチャープ信号（基準）の位相周波数特性であって、位相が周波数に対して線形に変化するものに対して、同図に実線で示すような送信用位相調整指示とは逆の関係を有するものである。
【００４０】
相関用チャープ信号生成装置３で生成された参照信号は、相関用増幅回路５に入力して後段の相関器７で受信信号を相関処理することが可能なレベルまで増幅される。そして、相関器７に入力される。
【００４１】
相関器７においては、受信回路６から入力する受信信号を相関用増幅回路５から入力する参照信号により相関処理（パルス圧縮処理）する。これにより、図６に示すような時間幅の狭いパルス状の出力が得られる。
【００４２】
出力部８においては、地表面で反射された反射波をパルス圧縮処理して得られたパルス状出力のピーク発生時刻と、地中の埋設物で反射された反射波をパルス圧縮処理して得られたパルス状出力のピーク発生時刻との時間差から地表面から埋設物までの距離を推定する。そして、その結果を表示部に表示する。また、必要に応じて上記結果をプリントアウトする。
【００４３】
本発明による地中レーダ装置は、地表面に沿って一方向に移動しながら、地中埋設物の探査が行われる。これにより、上記方向に沿った、地中埋設物の探査結果を取得することができる。
【００４４】
このように、本発明によれば、チャープ信号の位相を周波数に対して非線形に変化させることができる。したがって、信号の送信経路における周波数特性の損失を補償するために、振幅が周波数に対して変化するチャープ信号が使用された場合にも、その信号の位相を周波数に対して非線形に変化させてチャープ信号の振幅を抑制し、時間軸上で略一定にすることができる。それ故、小規模・省電力の送信回路でも信号の飽和を回避して埋設物探索に必要十分な振幅の送信信号を得ることができる。
【００４５】
また、チャープ信号の位相を周波数に対して非線形に変化させることができるようにしているので、地中レーダにおける参照信号として周波数が時間に比例して変化するチャープ信号の位相を周波数に対して非線形に変化させた信号を生成することができる。したがって、振幅周波数特性を調整及び変形し、位相周波数特性を調整したチャープ信号が地中に向けて送信された場合にも、地表面及び埋設物からの反射波を上記参照信号で相関処理して、チャープ信号の位相調整による振幅抑制をしない場合と同じパルス状の出力を得ることがでる。それ故、本発明のチャープ信号生成装置は、地中レーダ装置に適用することができる。
【００４６】
なお、以上の説明においては、チャープ信号生成装置が地中レーダ装置に使用されるものである場合について述べたが、本発明はこれに限られず、チャープ信号生成装置は、他のレーダ探査装置にも使用することができる。
【００４７】
上記実施形態は、本発明が理解及び実施できる程度に概略的に示したものであり、本発明はこれに限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲を逸脱しない限り種々に変更及び修正をすることができる。
【符号の説明】
【００４８】
１…送信用チャープ信号生成装置
３…相関用チャープ信号生成装置
７…相関器
９…チャープ信号生成部
１０…振幅周波数特性調整部
１１…位相周波数特性調整部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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