JPH08145648A

JPH08145648A - 深さ計測装置

Info

Publication number: JPH08145648A
Application number: JP30843994A
Authority: JP
Inventors: Yasumasa Hisada; 安正久田; Joji Sakurai; 譲治桜井; Masanobu Yajima; 正信谷島
Original assignee: National Space Development Agency of Japan
Current assignee: National Space Development Agency of Japan
Priority date: 1994-11-18
Filing date: 1994-11-18
Publication date: 1996-06-07
Anticipated expiration: 2012-07-23
Also published as: JP2632653B2

Abstract

(57)【要約】【目的】大開口のアンテナを用いることなく、観測対
象物の深さ方向の計測を高精度で行えるようにした深さ
計測装置を提供する。【構成】連続又はパルス状の進行波を送出する周波数
可変の発振器22と、該発振器22から送出される進行波を
送信電波として月面に向けて輻射するアンテナ24と、前
記発振器22から送出される進行波とアンテナ24から輻射
された送信電波が月面31及びレゴリス32の下面で反射さ
れ、アンテナ24で受信された反射波とを分離するための
方向性結合器23と、方向性結合器23を介して進行波と反
射波とを検出する進行波検出器25と反射波検出器26とで
深さ計測装置を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、月周回観測衛星等の
飛翔体に搭載され、観測対象物の誘電率の既知の表面構
造体の深さや厚さの分布を計測する深さ計測装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、月周回観測衛星等の飛翔体に搭載
され、観測対象物の表面構造体などの厚さを計測する装
置としては、米国のアポロ１１号の月周回観測衛星に搭
載され月面を覆う表土（レゴリス）の厚さを観測した月
地中探査レーダ装置がある。このレーダ装置は、図４の
概略図に示すように、月周回観測衛星１に搭載され、送
受信部２より単一の周波数の送信パルスを用い、しかも
搭載上の制約から比較的開口の小さいアンテナ３から、
月面４に向けて送出し、月面４の第１表面４−１及び第
２表面４−２からのエコー信号を受信して、レゴリスの
厚さ等を観測するように構成されていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな構成のレーダ装置を用いて月表面から離れた高さか
ら月表面を観測した場合、アンテナ３のビームパターン
５の端部（アンテナ３から最も距離が長い部分）と月面
４の第１表面４−１との１つの交点Ａからの、送信パル
ス信号ｆに対するエコー信号ｆ_A′が送受信部２に到達
し終わらない内に、アンテナ３から月面４に下ろした垂
直軸６と第２表面４−２との交点Ｂ（アンテナ３と第２
表面４−２との最も距離が短い部分）からのエコー信号
ｆ_B′が届き、しかも月面の第１表面のＡ点からのエコ
ー信号ｆ_A′のパワーの方が、第２表面のＢ点からのエ
コー信号ｆ_B′よりもかなり大きいため、ｆ_A′に
ｆ_B′が埋もれてしまい、ｆ_B′を分離することは困難
である。この態様を図５のタイミングチャートに示す。
なお、図５においてｆ_H′は月面４に下ろした垂直軸６
と月面の第１表面４−１との交点Ｈからのエコー信号を
示す。

【０００４】このように、送信ビームの広さに起因する
ビーム側方からのエコー信号の中に、目的とするレゴリ
スの厚さ情報となる衛星直下点方向の地中からのエコー
信号が埋もれてしまい、レゴリスの厚さが観測できない
という問題があった。

【０００５】これを回避するには、Ａ点からのエコー信
号ｆ_A′とＢ点からのエコー信号ｆ_B′を送受信部で物
理的に区別する必要があり、ｆ_A′が送受信部に届き終
わった後に、ｆ_B′が届くようにしなければならない。
これを実現するには、一般にはＡ点方向のエコー信号を
含まないようにするため非常に狭いビームを形成するこ
とが必要となり、これには大開口のアンテナが必要とな
り、また衛星高度ｈ（例えば100 km）に比べかなり薄い
といわれるレゴリスの厚さδｈ（５ｍ程度）を識別する
には、非常に狭い送信パルス幅が必要となり、レーダ装
置としては実現が極めて困難である。

【０００６】本発明は、従来の月地中探査等を行うレー
ダ装置の上記問題点を解消するためになされたもので、
大開口のアンテナを用いることなく、観測対象物の深さ
方向の計測を高精度で行えるようにした深さ計測装置を
提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段及び作用】上記問題点を解
決するため、本発明は、月周回観測衛星等の飛翔体に搭
載され、観測対象物表面から離れた位置から、月表面を
覆う表土等の観測対象物の誘電率の既知の表面構造体の
深さを計測するための深さ計測装置において、周波数可
変機能を有する連続する又はパルス状の進行波の発信源
となる発振器と、該発振器から出力される進行波を送信
電波として観測対象物表面方向に輻射するアンテナと、
前記発振器から出力される進行波と前記アンテナから輻
射された送信電波が観測対象物表面及びその表面構造体
の下面の境界面で反射され前記アンテナで受信された反
射波を分離するための方向性結合器と、該方向性結合器
を介して進行波を検出する進行波検出器と、前記反射波
を検出する反射波検出器とを備え、可変した周波数に対
する進行波検出器と反射波検出器の出力の比による電圧
定在波比の変化に基づいて前記表面構造体内での反射波
の共振状態を検出して、表面構造体の深さを測定するよ
うに構成するものである。

【０００８】このように、電圧定在波比が最小となる時
点で表面構造体内での反射波の共振状態を検出し、誘電
率等の定在波測定法の原理により、自由空間波長と観測
対象物の表面構造体の誘電率とに関連付けられた表面構
造体内の共振波長が得られ、この共振波長より表面構造
体の深さを高精度で求めることができる。

【０００９】

【実施例】次に実施例について説明する。まず実施例の
説明を行う前に、本発明において適用する“誘電率等の
定在波測定法”の原理について説明する。この測定法
は、図１に示すように、矩形導波管（ＴＥ₁₀波）11の中
に、直方体の試料12を導波管11内を満たすように入れ、
その両端面が導波管11の軸に直角となるように配置す
る。そして、その試料12だけで、ある波長の進行波に共
振する状態を作り、その時の試料12の長さＬから誘電率
や誘電体損失等の試料12の材料特性を測定する方法で、
例えば、東京大学宇宙航空研究所報告第４巻第３号
（Ｂ）pp476 〜 482に示されているように、よく知られ
ている技術である。そして、この測定に用いる装置にお
いては、図１に示すように、導波管11の一端には周波数
可変発振器13が、他端には無反射終端器14が設けられ、
また試料12の配置位置の前方には方向性結合器と検出器
とからなる定在波測定器15が配置されている。更に発振
器13の近傍に波長計16が配置され、発振器13と定在波測
定器15との間の導波管11内には可変減衰器が配置されて
いる。

【００１０】次に、このように構成された測定装置にお
ける測定動作について説明する。発振器13から送出され
る進行波の周波数を変化（スウィープ）させ、それぞれ
の周波数に対して定在波測定器15によって、発振器13か
らの進行波と試料12側からの反射波の比、すなわち電圧
定在波比（ＶＳＷＲ）を測定する。電圧定在波比が最小
となる周波数ｆ₀においては、厚さＬの試料12が１／２
波長板となり、発振器13からの進行波は試料12を通過
し、負荷である無反射終端器14に吸収されるものと考え
られる。

【００１１】この時の試料12が配設されている導波管か
らなる共振管内の進行波の波長Ｌ_goと、試料12の厚さＬ
とには、次式（１）で示す関係がある。ｎ×（Ｌ_go／２）＝Ｌ・・・・・・・（１）ここで、ｎは整数であり、厚さＬの異なるいくつかの試
料について測定を行うことにより、ｎは決定することが
できる。

【００１２】一方、マイクロ波工学では、共振管内の進
行波の波長Ｌ_goと試料12の複素誘電率εとの間には、次
式（２）で示す関係があることも、よく知られている。Ｌ_go＝Ｌ_m｛ε−（Ｌ_m／Ｌ_c）²｝^1/2 ・・・・・（２）ここで、Ｌ_mは自由空間波長で、Ｌ_cは導波管のカット
オフ波長である。

【００１３】したがって、上記（１），（２）式から、
試料12の厚さＬ、自由空間波長Ｌ_m，カットオフ波長Ｌ
_cがわかっていると、複素誘電率εを求めることができ
る。

【００１４】本発明は、この測定原理を、導波管規模で
はなく、人工衛星等の飛翔体から行う観測対象物の計測
に適用しようとするもので、例えば月周回観測衛星から
月面の表面のレゴリスの深さの計測に適用する場合は、
導波管に相当するものが月周回観測衛星と月面との間の
自由空間であり、試料に相当するものが月地表を覆うレ
ゴリスとなる。

【００１５】次に、本発明の具体的な実施例について説
明する。この実施例は、本発明を月地表を覆うレゴリス
の厚さの計測に適用したもので、図２にその計測態様の
概念図を示し、図３に計測装置の構成を示す。図２にお
いて、21は衛星高度ｈの月周回衛星で、該衛星21には深
さ計測装置が搭載されている。深さ計測装置は、図３に
示すように、周波数可変の発振器22と、該発振器22から
方向性結合器23を介して伝達された進行波を送信電波と
して輻射するアンテナ24と、方向性結合器23に接続され
た進行波検出器25及び反射波検出器26とで構成されてい
る。前記周波数可変の発振器22から出力される進行波
は、従来のレーダ装置のようにパルス状のもの、または
連続したもの（ＣＷ波）のどちらでもよく、周波数は月
地表のレゴリス中に潜り易いように、300 ＭHz以下（波
長１ｍ以上）のＶＨＦ帯を用いる。また方向性結合器23
は、発振器22から送出される進行波と、月面の第１表面
及び第２表面で反射されてアンテナ24で受信された反射
波とを、分離して取り出せる機能をもつもので、この方
向性結合器23と進行波検出器25と反射波検出器26とで、
定在波測定器27を構成している。アンテナ24としては、
従来のレーダアンテナと同様の２〜10ｍ程度のものが用
いられる。

【００１６】このような構成の深さ計測装置において、
周波数可変の発振器22より進行波を送出すると、方向性
結合器23を介して進行波検出器25で、その進行波の強度
を検出しながら、アンテナ24より月面31に向けて電波と
して輻射される。そして月面31の第１表面31−１あるい
は第２表面31−２から反射された反射波はアンテナ24で
受信され、方向性結合器23で進行波とは区別されて反射
波成分として分離され、その強さが反射波検出器26で検
出される。検出器25，26で検出された信号の比を算出す
ることにより、電圧定在波比が求められる。

【００１７】アンテナ24より輻射された電波が月面31か
らレゴリス32の中まで進入し、その深さに相当する月面
の第２表面31−２で反射された反射波は、レゴリス32の
深さＬとレゴリス32中の波長（共振管内波長に相当）Ｌ
_goの関係が（１）式を満たす周波数となったときには、
レゴリス32内で共振状態となり、アンテナ24側には戻ら
ない。したがって、この場合は、定在波測定器27におけ
る反射波検出器26で検出される反射波成分は、見かけ上
なくなり、電圧定在波比としては最小値を示す。共振し
ない周波数では、月面31の第１表面31−１と第２表面31
−２からの２つの反射波成分が混在するため、電圧定在
波比のレベルは、共振時のレベルより常に大きくなる。
したがって、電圧定在波比のレベルの最小値検出時に共
振状態となっていることを確認することができる。

【００１８】本発明に適用する定在波測定法は、本来は
先に述べたとおり試料の長さから誘電率を求めるもので
あるが、本実施例では逆に誘電率を既知として、試料に
対応するレゴリスの深さＬを求めるものであり、この場
合のレゴリスの誘電率としては、月面着陸して帰還した
アポロ探査機が持ち帰ったサンプルにより得られた数値
（約2.0 と言われる）を用いる。また（１）式における
整数ｎは、発振器の周波数を可変してみて、複数の電圧
定在波比の最小となる波長から、共振の高調波関係とし
て決定できる。

【００１９】また（２）式における導波管のカットオフ
波長Ｉ_cに相当する自由空間でのカットオフ波長は存在
しないので、Ｉ_c＝∞として扱う。したがって、本発明
において前記（２）式は変形されて、次式（３）のよう
に表される。Ｌ_go＝Ｌ_m／ε^1/2 ・・・・・・・（３）以上のようにして、電圧定在波比が最小となる共振時に
おいて、（３）式と（１）式より、レゴリス32の深さＬ
が求められる。

【００２０】なお、この時、月地中に入った信号の反射
波は、表面に垂直な成分のみが戻り、他の成分は表面で
乱反射してしまう。したがって、アポロ宇宙船に搭載さ
れたＶＨＦレーダの場合のように、測定精度（深さ方向
の分解能）がアンテナの開口寸法やビーム幅等で制約さ
れるようなこともなくなる。

【００２１】上記実施例では、本発明を月地中探査に適
用しレゴリスの深さを測定するものを示したが、本発明
はこれに限らず、従来の地球観測用、宇宙機搭載／移動
体用レーダでも、側方エコーと目標エコーが重なるよう
なケースが生じる、例えば航空機からの海中探査、地中
探査等、広範囲に亘って適用可能である。

【００２２】また、上記実施例における定在波測定器27
において、進行波検出器25に減衰器を前置したり、反射
波検出器26に増幅器を前置したりすることができ、より
高精度で定在波比の変化を検出することが可能となる。

【００２３】

【発明の効果】以上実施例に基づいて説明したように、
本発明によれば、連続波又はパルス波を用い、定在波を
測定する原理を適用して、従来の月地中探査レーダ装置
などでは原理的に困難であった観測対象物の表面構造体
の深さの測定を可能にすると共に、長大なアンテナを不
要とし、飛翔体への搭載を容易にした深さ計測装置を実
現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】誘電率等定在波測定法の原理を説明するための
図である。

【図２】本発明に係る深さ計測装置による深さ計測態様
の一例を示す概念図である。

【図３】本発明に係る深さ計測装置の実施例を示す概略
構成図である。

【図４】従来の月地中レーダ装置の構成例を示す概略図
である。

【図５】図４に示した従来例の動作及び問題点を説明す
るためのタイミングチャートである。

【符号の説明】

11 導波管 12 試料 13 周波数可変発振器 14 無反射終端器 15 定在波測定器 16 波長計 17 可変減衰器 21 月周回観測衛星 22 周波数可変発振器 23 方向性結合器 24 アンテナ 25 進行波検出器 26 反射波検出器 27 定在波測定器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】月周回観測衛星等の飛翔体に搭載され、
観測対象物表面から離れた位置から、月表面を覆う表土
等の観測対象物の誘電率の既知の表面構造体の深さを計
測するための深さ計測装置において、周波数可変機能を
有する連続する又はパルス状の進行波の発信源となる発
振器と、該発振器から出力される進行波を送信電波とし
て観測対象物表面方向に輻射するアンテナと、前記発振
器から出力される進行波と前記アンテナから輻射された
送信電波が観測対象物表面及びその表面構造体の下面の
境界面で反射され前記アンテナで受信された反射波を分
離するための方向性結合器と、該方向性結合器を介して
進行波を検出する進行波検出器と、前記反射波を検出す
る反射波検出器とを備え、可変した周波数に対する進行
波検出器と反射波検出器の出力の比による電圧定在波比
の変化に基づいて前記表面構造体内での反射波の共振状
態を検出して、表面構造体の深さを測定するように構成
したことを特徴とする深さ計測装置。