JP2023547513A - 空間内の物体の電波探知のための装置、及びｇｐｒシステム - Google Patents

Abstract

空間内の物体の電波探知のための装置（１００）であって、周波数変調連続波ＦＭＣＷ発生器（１０１）、前記発生器（１０１）に接続された送受信アンテナ（１０２）、その入力部において前記発生器（１０１）及び前記アンテナ（１０２）に接続され、その出力部においてフィルタ（１０４Ａ、１０４Ｂ）に接続されている、入力信号を二乗する非線形四極子（１０３Ａ）を備える装置。波伝播媒質（３００）に近接して位置する波反射物体（３０１）を検出するように適合された地中侵入レーダーシステム（２００）であって、空間内の物体の電波探知のための装置（１００）、エコー信号増幅器（２０１）、アナログ／デジタルエコー信号変換器（２０２）、処理及び視覚化回路（２０３）を備えるシステム。

Description

本発明の目的は、空間内の物体の電波探知のための装置、及び地中侵入レーダー（ｇｒｏｕｎｄ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ ｒａｄａｒ：ＧＰＲ）システムである。

ＧＰＲで使用されるように適合された、又はパルス技術を使用した運動センサとして動作するように適合された、空間内の物体の電波探知のための装置が、従来技術から知られている。これらの装置の動作原理は、波を反射する可能性のある物体に向けて短くて強い電磁パルスを放出し、次いで波を反射する物体からこれらのパルスの反射を受信することからなる。受信した信号の遅延が物体の距離へと変換され、それらの強度により、これらの物体の物理的特性が判定される。ＧＰＲ用途において十分な測定精度を達成するために、電波探知装置が発生させるパルスは非常に短くなくてはならず、このことは、必要な範囲を維持しながら、その一方でそれらのパワーが非常に高くなくてはならないことを意味する。実際に、比較的浅いＧＰＲ測定で、これらは数十キロワットオーダーのパルスパワーである。パルス技術を使用する、物体の電波探知のための装置は、スペクトル測定の分野において効率に限界がある。それらの動作は特定の周波数で実施され、広い周波数範囲の測定を行うには、複数回のアンテナ変更及び繰り返しの測定が必要である。

米国特許出願ＵＳ２０２０１５０２６０Ａ１から、レーダーターゲットを検出する方法が知られており、この方法は、信号セグメントのシーケンスを含むデジタルレーダー信号の提供を備える。シーケンス内のそれぞれの信号セグメントは、送信されるレーダー信号のチャーピングに適切に関連付けられている。この方法はさらに、シーケンスの連続した信号セグメントのうちの第１のサブシーケンスに基づき、１つ又は複数のレーダーターゲットを検出することを備える。検出されたレーダーターゲットごとに、距離値及び速度値が判定される。重複した信号成分を有するレーダーターゲットのグループが検出された場合には、信号セグメントのシーケンスの第２のサブシーケンスに基づき、次いでレーダーターゲットのグループに設定された速度値に基づき、レーダーターゲットのグループからレーダーターゲットごとに、対応するスペクトル値が計算される。

ＧＰＲを含むレーダーで使用されるように適合された、又は周波数変調連続波（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ－Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ－Ｗａｖｅ：ＦＭＣＷ）を使用した運動センサとして動作するように適合された、空間内の物体の電波探知のための装置。これらの装置は、通常、ホモダイン受信機を使用する。

独国特許出願ＤＥ１０２００９０４５６７７Ａ１から、時間信号を記録するための評価段階を有するレーダーセンサが知られており、この時間信号は、周波数が上昇している間の中間周波数信号の振幅の時間応答を示す。センサの変化の程度により、時間領域信号が周波数スペクトルに変換され、その記憶装置が、送信信号及び受信信号の周波数間の関係を示す出力のパワーを記憶する。センサは、時間領域信号の出力のパワーを補償するフィルタ及び窓関数発生器を備える。この解決手段の特別な特徴は、振幅が正規化されたホモダイン信号を得るためのパワー平準化である。

干渉を低減するために共有される近傍内で動作するように適合されたレーダー運動検出器が、米国特許ＵＳ１０６７０７００Ｂ２から知られている。干渉は、時間及び／又は周波数の同期によって低減される。主レーダー運動センサは、第１の周波数を有する第１のレーダー信号を送信する。二次レーダー運動検出器は、第１の周波数との干渉を最小限に抑える第２の周波数を有する第２のレーダー信号を判定する。干渉は、付加的な送信調整、例えばパルス幅縮小、又は周波数及び／又は時間の差によっても低減される。レーダー運動センサを備える装置は、複数のセンサで構成されてよく、運動センサから放出される信号間の干渉を軽減するために、異なる方向にレーダー信号を放出するように適合されてよい。

従来技術から知られている解決手段においては、いわゆるデッドゾーンの存在が問題となる。このゾーンは、物体の電波探知のための装置から波反射物体までの、検出が不正確であるか又は全く不可能な距離を含む。大きなデッドゾーンは、パルス技術により製造された、物体の電波探知のための装置の特別な特徴である。これらの装置は、短いパルスの高いパワーに起因して、電磁放射の放射量も多いことを特徴とし、これはそれらに近接した他の電波装置に悪影響を及ぼし、それらの動作に干渉することがある。

特にホモダイン回路を使用して構築された、従来技術から知られている解決手段では、使用される発生器の位相ノイズによって反射される信号をマスクすることが問題となる。この現象は、空間内で物体を検出するための装置のアンテナのごく近位に位置する、波を反射する物体を検出するときに、特に目立つ。この現象は、検出の品質及び正確さに悪い影響を及ぼす。

したがって、上述した欠点のない、ＧＰＲシステムにおいて使用されるか又は運動センサとして使用されるように適合された、空間内の物体の電波探知のための装置を提供することが好都合である。

本発明は、空間内の物体の電波探知のための装置であって、周波数変調連続波ＦＭＣＷ発生器、前記発生器に接続された送受信アンテナ、その入力部において前記発生器及び前記アンテナに接続され、その出力部において前記フィルタに接続されている、入力信号を二乗する非線形四極子を備える装置に関する。

好ましくは、それを介して前記アンテナが前記発生器に接続されている遅延ラインを、装置が備える。

好ましくは、前記遅延ラインが、波準拠した（ｗａｖｅ－ｃｏｎｆｏｒｍｅｄ）送信ライン、又はＬＣ遅延回路、又は表面音響波（ｓｕｒｆａｃｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｗａｖｅ：ＳＡＷ）に基づく遅延回路の形態である。

好ましくは、前記フィルタが、ローパスフィルタ又はバンドパスフィルタである。

好ましくは、非線形四極子が、ＦＥＴ又はダイオードサーキュラ混合器に基づく。

また、本発明は、空間内の物体の電波探知のための装置であって、周波数変調連続波ＦＭＣＷ発生器、前記発生器に接続された送受信アンテナ、その第１の入力部において、前記発生器及び前記アンテナに接続され、その第２の入力部において、前記発生器に接続され、その出力部において、前記フィルタに接続された混合器を備える装置に関する。

好ましくは、前記混合器が、その第２の入力部において、付加的な遅延ラインを介して前記発生器に接続されている。

好ましくは、前記混合器が、その第１の入力部において、遅延ラインを介して前記アンテナに接続されている。

好ましくは、前記付加的な遅延ラインが、波準拠した送信ライン、又はＬＣ遅延回路、又は表面音響波ＳＡＷに基づく遅延回路の形態である。

好ましくは、前記遅延ラインが、波準拠した送信ライン、又はＬＣ遅延回路、又は表面音響波ＳＡＷに基づく遅延回路の形態である。

好ましくは、前記フィルタが、ローパスフィルタ又はバンドパスフィルタである。

本発明はさらに、波伝播媒質に近接して置かれた波反射物体を検出するように適合された地中侵入レーダー（ＧＰＲ）システムであって、空間内の物体の電波探知のための装置、エコー信号増幅器、アナログ／デジタルエコー信号変換器、及び処理及び視覚化回路を備えるシステムを含む。

好ましくは、システムは、地面である波伝播媒質内の波反射物体を検出するように適合されている。

好ましくは、システムは、金属、及び／又は誘電体、及び／又は強磁性体の物体を検出するように適合されている。

本発明による装置は、その設計のおかげで、従来技術から知られているパルスレーダーとは異なりデッドゾーンがないことを特徴とする。それは非常に弱い電磁放射を有する（１０ｍＷ～１Ｗ）。

遅延ラインを使用したおかげで、本発明による装置は、発生器の位相ノイズの影響が大幅に低減される（２０～４０ｄＢ）ことを特徴とし、これは検出器システムが簡素であるにも関わらず大きい侵入範囲（砂地において１ｍ～１５ｍ）が得られることにつながる。

本発明による装置は、単一のアンテナ及び簡素な電子回路の使用に起因して、設計が大幅に簡素化されていることを特徴とする。

高度に簡素化されたその設計を有する装置の利点は、１００％超の広いＦＭ同調バンドの使用が容易なことであり、ひいてはアンテナの近くに位置する反射物体の距離を測定するための分解能が良好（１０ｃｍ～５ｃｍ）で精度が高いことである。

典型的な実施形態において、本発明による装置は、ＦＭＣＷ発生器の同調範囲が３００～１６００ＭＨｚであることを特徴とする。

本発明によるＧＰＲシステムは、軽量（アンテナ及びハウジングの種類に応じて２ｋｇ～２５ｋｇ）であり、電力消費量が少ない（主にデジタルデータ処理回路に応じて１０～３０Ｗ）。

本発明の主題は、図面内の実施形態に示してある。

非線形四極子を使用した、第１の実施形態による、空間内の物体の電波探知のための装置を示す。 非線形四極子及び単一の遅延ラインを使用した、第２の実施形態による、空間内の物体の電波探知のための装置を示す。 混合器を使用した、第３の実施形態による、空間内の物体の電波探知のための装置を示す。 混合器及び単一の遅延ラインを使用した、第４の実施形態による、空間内の物体の電波探知のための装置を示す。 混合器及び単一の遅延ラインを使用した、第５の実施形態による、空間内の物体の電波探知のための装置を示す。 混合器及び２つの遅延ラインを使用した、第６の実施形態による、空間内の物体の電波探知のための装置を示す。 第７の実施形態による、ＧＰＲシステムを示す。

［実施形態１］
図１は、非線形四極子１０３Ａを使用した、空間内の物体の電波探知のための装置１００を示す。装置は、周波数変調連続波ＦＭＣＷ発生器１０１を備える。送信／受信アンテナ１０２は、発生器１０１に接続されている。入力信号を二乗する非線形四極子１０３Ａは、その入力部において発生器１０１及びアンテナ１０２に接続されており、その出力部においてローパスフィルタ１０４Ａに接続されている。発生器１０１の出力部、アンテナ１０２の入力部、及び非線形四極子１０３Ａの入力部が接続されているノードは、共通ノードである。

非線形四極子１０３Ａは、差動周波数を有する信号を取得するために使用される。四極子１０３Ａの入力部において、発生器１０１からの信号、及びアンテナ１０２から返送される信号が、同時に印加される。信号の和を二乗した結果、一連の信号が生成されるが、それらの信号の中に、発生器の周波数及びアンテナから返送される信号の周波数の差を構成する差動周波数を有する信号が存在している。それは、中間周波数を有する信号である。ローパスフィルタ１０４Ａは、この信号を分離するために使用される。ローパスフィルタ１０４Ａの出力部における信号は、ＦＭＣＷレーダーエコーの特定の信号であり、この信号が、ＧＰＲシステム２００を含むレーダーシステムによってさらに処理されてもよいし、又は運動検出に使用されてもよい。

非線形四極子１０３Ａは、トランジスタのゲートが共通ノードに接続されているＦＥＴとともに実装されてよい。ＦＥＴは、ゲート電圧及びドレイン電流の間の関係として定義される放物線状の遷移特徴を有する。また、非線形四極子１０３Ａは、二乗回路内で動作しているダイオードサーキュラ混合器とともに実装されてもよい。この用途において、発生器１０１（ヘテロダイン）入力部及び信号入力部は、互いに接続される。

［実施形態２］
図２は、実施形態１にあるような要素を含む空間内の物体の電波探知のための装置１００を示す。この装置は、ローパスフィルタ１０４Ａの代わりにバンドパスフィルタ１０４Ｂが使用されている点で、実施形態１に示す装置と異なる。さらに、装置１００は遅延ライン１０５を備えており、この遅延ライン１０５を介してアンテナ１０２が発生器１０１に接続されている。

遅延ライン１０５を使用したおかげで、装置１００の動作に対する発生器の位相ノイズの影響が、著しく低減される。発生器の位相ノイズの低減のおかげで、短距離にわたる測定の場合に、装置１００のＦＭＣＷレーダーエコーの出力信号の信号対ノイズ比（ｓｉｇｎａｌ－ｔｏ－ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ：ＳＮＲ）の著しい改善が達成される。発生器１０１は、位相ノイズを特徴とする高周波発生器であり、そのパワーは、発生器の搬送周波数から離れるにつれて低下する。実施形態１による装置では、発生器から直接来る信号は、アンテナから返送される信号と乗算され、後者の信号は、障害物まで行って戻る特定の経路を通過してきている。信号を反射した障害物がアンテナに近い場合、それはわずかな遅延で返送され、元の信号との乗算（非線形四極子１０３Ａにおける二乗）により、発生器の強い位相ノイズをあらわにし、これが反射信号をマスクする。本実施形態において遅延ラインの形態の付加的な遅延を加えることにより、位相ノイズが低減し、ＦＭＣＷレーダーエコーの出力信号の信号対ノイズ比ＳＮＲが改善される。

遅延ライン１０５は、発生器１０１及びアンテナ１０２の出力部に波準拠した対称的又は非対称的な送信ラインとして実装されてよい。遅延ライン１０５は、アナログのオシロスコープで使用されるものに類似した受動素子上のＬＣ遅延回路の形態を取ってもよい。また、遅延ライン１０５は、表面音響波ＳＡＷに基づく遅延回路の形態を取ってもよい。

［実施形態３］
図３は、周波数変調連続波ＦＭＣＷ発生器１０１、及び発生器１０１に接続された送受信アンテナ１０２を備えた、空間内の物体の電波探知のための装置１００を示す。その第１の入力部において発生器１０１及びアンテナ１０２に接続され、その第２の入力部において発生器１０１に接続された混合器１０３Ｂを、装置１００は備える。混合器１０３Ｂの出力部において、発生器の周波数及びアンテナから返送される信号の周波数の差である差動周波数を有する信号が取得される。それは、中間周波数を有する信号である。ローパスフィルタ１０４Ａは、この信号を分離するために使用される。ローパスフィルタ１０４Ａの出力部における信号は、ＦＭＣＷレーダーエコーの特定の信号であり、この信号が、ＧＰＲシステム２００を含むレーダーシステムによってさらに処理されてもよいし、又は運動検出に使用されてもよい。

［実施形態４］
図４は、実施形態３にあるような要素を含む空間内の物体の電波探知のための装置１００を示す。この装置は、中で混合器１０３Ｂがその第２の入力部において付加的な遅延ライン１０６を介して発生器１０１に接続されている点が、実施形態３に示す装置と異なっている。付加的な遅延ラインは、実施形態２で使用される遅延ライン１０５に類似した特徴を有する。

［実施形態５］
図５は、実施形態３にあるような要素を含む空間内の物体の電波探知のための装置１００を示す。この装置は、混合器１０３Ｂがその第１の入力部において遅延ライン１０５を介してアンテナ１０２に接続されている点が、実施形態３に示す装置と異なっている。遅延ライン１０５は、実施形態２で使用される遅延ライン１０５に類似した特徴を有する。さらに、本実施形態では、ローパスフィルタ１０４Ａの代わりにバンドパスフィルタ１０４Ｂが提供されている。

［実施形態６］
図６は、実施形態５にあるような要素を含む空間内の物体の電波探知のための装置１００を示す。この装置は、中で混合器１０３Ｂがその第２の入力部において付加的な遅延ライン１０６を介して発生器１０１に接続されている点が、実施形態５に示す装置と異なっている。付加的な遅延ライン１０６は、実施形態２で使用される遅延ライン１０５と類似した特徴を有する。付加的な遅延ラインを使用したおかげで、ＦＭＣＷレーダーエコーの出力信号の信号対ノイズ比ＳＮＲがさらに改善される。

［実施形態７］
図７は、地面を構成する波伝播媒質３００に近接して位置する波反射物体３０１を検出するように適合されたＧＰＲシステム２００を示す。このシステムは、実施形態１に記載の、空間内の物体の電波探知のための装置１００を備え、この装置１００はさらに遅延ライン１０５を備えており、この遅延ライン１０５を介してアンテナ１０２が発生器１０１に接続されている。このシステムはさらに、空間内の物体の電波探知のための装置１００の出力部において接続されたエコー信号増幅器２０１を備える。増幅器２０１は、出力部において、アナログ／デジタルエコー信号変換器２０２の入力部に接続されており、この変換器は、サンプリングされた信号を、処理及び視覚化回路２０３に提供する。

発生器１０１は、線形変調されたＦＭ信号を生成し、このＦＭ信号は、遅延ライン１０５を介してアンテナ１０２へ、及び非線形四極子１０３Ａの入力部へルーティングされる。アンテナ１０２は、地中の、例えば砂中の波伝播媒質３００を通って進む波を放射する。波反射物体３０１に到達すると、波は反射され、アンテナ１０２に返送される。アンテナは、返送波の電磁場を電圧信号に変換し、この電圧信号が、遅延ライン１０５を介して非線形四極子１０３Ａの入力部に到達する。返送信号は、遅延ラインにおける伝播時間の２倍に加えて、アンテナ１０２から波反射物体３０１までの経路に沿った伝播時間の２倍、発生器信号に対して遅延される。四極子の入力部におけるこの信号は、発生器１０１によって生成された信号に付加される。二次の非線形四極子は、両方の信号の和を二乗する。出力された積は、差動周波数、発生器信号、及び返送信号を有するエコー信号を含む。ＦＭＣＷ変調を使用したおかげで、差動周波数は、遅延ライン１０５における遅延、及び波伝播媒質３００における遅延の和に比例する。差動周波数の測定値に基づき、媒質の波遅延成分が計算される。次いで、媒質における波の既知速度に基づき、アンテナ１０２からの波反射物体３００の距離が判定される。ローパスフィルタ１０４Ａは、エコー差動信号を分離するために使用される。エコー信号は、次いでエコー信号増幅器２０１によって増幅され、アナログ／デジタルエコー信号変換器２０２によってデジタル信号へと変換される。処理及び視覚化回路において、アナログ／デジタルエコー信号変換器２０１からのデジタル信号に対して、フーリエ変換（Ｆｏｕｒｉｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ：ＦＦＴ）が行われ、このおかげで、エコーの差動周波数が読み取られる。エコーの個々の差動周波数が、アンテナ１０２からの波反射物体３００の距離へと変換された後、処理及び視覚化回路においてそれらをさらに処理及び視覚化することが可能である。

記載したＧＰＲ２００の構造は、波伝播媒質３００のもの以外に、電気的パラメータ、すなわち導電率、電気透過性、磁気透過性などを有する物体３０１を検出するのに適している。特に金属、及び／又は誘電体、及び／又は強磁性体の物体などである。

ＧＰＲシステム２００の技術的パラメータを、以下に提示する。

変調形式：ＦＭ線形三角
発生器の電力：１００ｍＷ
ＦＭ再同調範囲：３００ＭＨｚ～１６００ＭＨｚ
再同調範囲パーセント：１３７％
ＦＭ再同調速度：１００μｓ
エコーの差動周波数範囲：０～５ＭＨｚ
深さにおける分解能：５ｃｍ
乾燥砂の１ｍ^２の領域で金属物体の検出範囲は、２０ｍである。

［物体の電波探知のための装置及びＧＰＲシステムの他の特徴］
物体の電波探知のための装置１００において、ローパスフィルタ１０４Ａ及びバンドパスフィルタ１０４Ｂは、差動周波数の値に応じて交換可能に使用されてよく、実施形態１から６は、これらのフィルタの使用を限定することを意図していない。

ＧＰＲシステム２００は、ローパスフィルタ１０４Ａ又はバンドパスフィルタ１０４Ｂのいずれを有する構成においても、実施形態１から６による物体の電波探知のための装置１００のいずれかを有する構成に設計されてよい。

１００ 空間内の物体の電波探知のための装置
１０１ 周波数変調連続波ＦＭＣＷ発生器
１０２ 送受信アンテナ
１０３Ａ 非線形四極子
１０３Ｂ 乗算器
１０４Ａ ローパスフィルタ
１０４Ｂ バンドパスフィルタ
１０５ 遅延ライン
１０６ 付加的な遅延ライン
２００ ＧＰＲシステム
２０１ （中間周波数の）エコー信号増幅器
２０２ アナログ／デジタルエコー信号変換器
２０３ 処理及び視覚化回路
３００ 例えば砂である地中の波伝播媒質
３０１ （金属又は誘電体又は強磁性体の物体である）波反射物体

Claims (14)

1. 周波数変調連続波ＦＭＣＷ発生器、
   前記発生器に接続された送受信アンテナ、
   その入力部において前記発生器及び前記送受信アンテナに接続され、その出力部においてフィルタに接続されている、入力信号を二乗する非線形四極子、
   前記フィルタ
   を備える、空間内の物体の電波探知のための装置。
2. それを介して前記送受信アンテナが前記発生器に接続されている遅延ラインを備える、請求項１に記載の装置。
3. 遅延ラインが、波準拠した送信ライン、又はＬＣ遅延回路、又は表面音響波（ＳＡＷ）に基づく遅延回路の形態である、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記フィルタが、ローパスフィルタ又はバンドパスフィルタである、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記非線形四極子が、ＦＥＴ又はダイオードサーキュラ混合器に基づく、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
6. 周波数変調連続波ＦＭＣＷ発生器、
   前記発生器に接続された送受信アンテナ、
   その第１の入力部において、前記発生器及び前記送受信アンテナに接続され、
   その第２の入力部において、前記発生器に接続され、
   その出力部において、フィルタに接続された
   混合器、
   前記フィルタ
   を備える、空間内の物体の電波探知のための装置。
7. 前記混合器が、その第２の入力部において、付加的な遅延ラインを介して前記発生器に接続されている、請求項６に記載の装置。
8. 前記混合器が、その第１の入力部において、遅延ラインを介して前記送受信アンテナに接続されている、請求項６又は７に記載の装置。
9. 付加的な遅延ラインが、波準拠した送信ライン、又はＬＣ遅延回路、又は表面音響波（ＳＡＷ）に基づく遅延回路の形態である、請求項７又は８に記載の装置。
10. 前記遅延ラインが、波準拠した送信ライン、又はＬＣ遅延回路、又は表面音響波（ＳＡＷ）に基づく遅延回路の形態である、請求項８又は９に記載の装置。
11. 前記フィルタが、ローパスフィルタ又はバンドパスフィルタである、請求項６から１０のいずれか一項に記載の装置。
12. 請求項１から１１のいずれか一項に記載の空間内の物体の電波探知のための装置、
    エコー信号増幅器、
    アナログ／デジタルエコー信号変換器、
    処理及び視覚化回路
    を備える、波伝播媒質に近接して位置する波反射物体を検出するように適合された地中侵入レーダーシステム。
13. 地面である前記波伝播媒質内の波反射物体を検出するように適合された、請求項１２に記載の地中侵入レーダーシステム。
14. 金属、及び／又は誘電体、及び／又は強磁性体の物体を検出するように適合された、請求項１２又は１３に記載の地中侵入レーダーシステム。

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