ポラリメトリックにより検知性能を高めた不発弾除去のためのレーダ技術の開発

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K04084
• Research Institution: Niihama National College of Technology
• Principal Investigator: 城戸 隆 新居浜工業高等専門学校, 電子制御工学科, 教授 (70390995)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 地中レーダー / 広帯域アンテナ / 指向特性 / 偏波特性 / 地雷 / 不発弾

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、不発弾除去のため十分な性能のレーダ技術の開発が望まれているなかで、様々な状態で埋設される不発弾に対応するため、広帯域なレーダ・アンテナ・ユニットに対し、ポラリメトリック手法を適合させて高性能化することで、従来のパルスレーダを上回る圧倒的な不発弾検知性能を実現する地中レーダ技術を実現することを目的としている。
超広帯域アンテナを有する連続波周波数掃引ポラリメトリック適用型地中レーダが、深部にある不発弾の検知に対して、深度性能及び分解能の高次の両立が可能であることが先例研究で判明している。本研究は先例研究に基づき個別の不発弾にポラリメトリック手法を適合させて高性能化することで従来のパルスレーダと比較して、圧倒的に上回る不発弾検知性能を実現する地中レーダを開発することを目的としている。
初年度では、ポラリメトリック広帯域レーダ・アンテナ・ユニットの設計のために、ワークステーション上にこれまでより大規模で厳密な電磁波シミュレーションを行える環境を構築すること。さらに電波吸収体やバック・キビティーを取付け、空中への電磁波の放射を抑え、地中への電磁波放射に最適化した広帯域アンテナ・ユニットの設計を開始した。
今年度は、先例研究で到達・実現した広帯域アンテナ・ユニットのさらなる広帯域化を図る。そのためにまず、シミュレーション上で形状の最適化により広帯域化の目処を立て、次に、実際に基板加工機などを用いて広帯域アンテナ・ユニットを試作し、帯域特性を評価検証する。同時に、広帯域化されたアンテナの指向性・偏波特性をシミュレーション上で評価することが目標となる。
最終年度には、今年度に試作して広帯域化されたアンテナの指向性・偏波特性を評価検証するともに、不発弾を模擬した金属パイプの検出実験を行い、不発弾検知性能の評価検討を行う。成果を学会、論文で発表・報告する予定である。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

最終的に空中への電磁波の放射を抑え地中への電磁波放射に最適化した広帯域アンテナ・ユニットの設計を行うために、シミュレーション上に広帯域アンテナ・ユニットを構成し、送受信アンテナ間のS21振幅や位相の周波数特性のシミュレーションを開始した。
先例研究で到達・実現した広帯域アンテナ・ユニットのさらなる広帯域化を図る目的で、シミュレーション上で先例研究の広帯域アンテナ形状を再度構築して比較基準とし、各新規形状のアンテナに対してシミュレーションを繰り返すことで、S21振幅の周波数特性が広帯域となる方向で、さらなるアンテナ形状の最適化を行った。
地中レーダでは、広帯域ボウタイアンテナが用いられる。市販の地中レーダでは、ほぼ正三角形の形状であるが、我々の先例研究においては、五角形型ボウタイアンテナ、五角形ベース曲線型ボウタイアンテナがより広帯域化であることを報告している。今年度は、七角形ボウタイアンテナ及び七角形ベース曲線型ボウタイアンテナの形状の最適化に取り組んだ。その結果、周波数帯域幅（fH－fL）と上限周波数対下限周波数比（fH / fL）のそれぞれに対して先例研究を上回る最高値が得られた。
各アンテナの比較を同一条件とするため、各アンテナの全長は333mmで揃えている。アンテナタイプ：周波数帯域幅 (GHz) /上限周波数対下限周波数比で示す。従来及び先行研究の結果は、正三角形ボウタイアンテナ：0.888 GHz/5.382、五角形ボウタイアンテナ：0.984 GHz/6.809である。それに対し、今回得られた成果は、七角形ボウタイアンテナ：1.002 GHz/7.164、七角形ベース曲線型ボウタイアンテナ：0.996 GHz/7.128である。七角形ベース曲線型ボウタイアンテナに関しては、まだ最適化が不十分であり、さらなる改善が見込める。今後改善を予定している。

Strategy for Future Research Activity

１．ポラリメトリック広帯域レーダ・アンテナ・ユニット技術の確立
前年度でやり残した七角形ベース曲線型ボウタイアンテナの形状の最適化を終える。最適化されたアンテナの指向特性、偏向特性を評価する。シミュレーション環境で設計されたポラリメトリック広帯域アンテナ・ユニットの試作を行い、実地模擬環境で性能試験を行う。
２．ポラリメトリック広帯域レーダ・システム技術の確立
ポラリメトリック広帯域アンテナ・ユニットと周波数掃引型ベクトルネットワークアナライザ（VNA）を一体化してシステム化を行う。
３．ポラリメトリック広帯域レーダ技術に関する成果の学会発表、論本投稿

Causes of Carryover

今年度はソフトウエアのライセンス使用権のみの支出を予定しおり、他の物品などの購入予定が無かっために端数が生じた。