ミリ波の透過性を利用したドローン用不可視クラック検知レーダシステムの開発

利用毫米波透明度开发无人机隐形裂纹检测雷达系统

基本信息

批准号：
17H00367
负责人：
松田英昭
金额：
$ 0.35万
依托单位：
Akita National College of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Encouragement of Scientists
财政年份：
2017
资助国家：
日本
起止时间：
2017 至无数据
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-17H00367/
关键词：
ミリ波クラック検知導波管アレーアンテナ

项目摘要

ミリ波は空間分解能が高く, 直進性も高いため距離センサや障害物センサとして用いられている。また, 高い透過性も有しており, 壁紙などで隠れたコンクリートクラックの検知への応用も報告されている。マルチコプターに搭載可能な小型なミリ波センサを開発できれば, 人間では測定困難な場所でも構造物の状態を診断することが期待される。クラック検知を高精度で行うためには, 高い空間分解能を有する指向性アンテナが必要となることが想定される。本研究では76GHzのミリ波帯で動作する導波管スロットアレーアンテナの開発を行った。8スロットでアレー化することにより, メインビームのビーム幅を狭小化することができる。試作アンテナをクラック検知へ応用し, その能力を明らかにすることが本研究の目的であり, 測定系の構築と予備的な実験を行った。ミリ波アンテナの設計のためにFDTD法によるシミュレーションを行った。アンテナ両端にミリ波コンポーネントを接続する必要がある。当初, アンテナ両端にフランジをつけて接続する予定であったが, フランジで反射して放射パターンにリップルが発生することが分かった。そこで, アンテナの開口面よりフランジが高くならないよう導波路に曲がり部を設けて設計することとした。試作方法について検討した結果, 最終的には3つの部品(本体蓋側, 本体導波路側, 天板)を組み合わせて製作した。スロットは天板に設けたため, スロット条件の変更は天板の交換で対応するよう工夫した。次に, クラック検知能力を調べるため測定システムを構築した。クラックに見立てたスリットを用意し, 反射波のレベル差によりクラック検知能力を評価した。コンクリートと金属の2つの場合について実験を行い, 波長(約4mm)程度のクラック検知は十分に可能であることが分かった。また, クラックを紙で隠した場合でも一定の枚数までは透過して検出できることも確認した。

毫米波具有高空间分辨率和高线性性，因此它们被用作距离传感器和障碍物传感器。它也具有较高的透明度，据报道也用于检测墙纸和其他材料隐藏的混凝土裂纹。如果我们能够开发一个可以安装在多翼型物上的小毫米波传感器，则可以预期即使在人类难以测量的区域，结构的状况也将被诊断出来。假定要以高精度执行裂纹检测，将需要具有高空间分辨率的定向天线。在这项研究中，我们开发了一个波导插槽阵列天线，该天线在76GHz的毫米波带中运行。通过使用8个插槽来数，可以将主梁的光束宽度缩小。这项研究的目的是应用原型天线来破解检测并阐明其能力，我们进行了初步实验。使用FDTD方法进行毫米波天线的设计进行了模拟。毫米波成分必须连接到天线的两端。最初，计划将天线与法兰连接，但发现法兰在辐射模式中反射和涟漪。因此，决定使用弯曲部分设计波导，以使法兰不会在天线的开口表面上升高。研究原型方法后，我们最终创建了三个部分（身体盖侧，车身波导侧，顶板）。由于插槽安装在顶板上，因此我们设计了通过更换顶板来改变插槽条件的努力。接下来，构建了一个测量系统来研究裂纹检测能力。准备缝隙使它们看起来像裂缝，并根据反射波的水平差异评估裂纹检测能力。我们对两种情况（混凝土和金属）进行了实验，发现在波长（约4 mm）的裂纹检测足够可能。还可以确定，即使裂纹被纸隐藏，也可以通过一定数量的床单检测到。