用于钻孔雷达探测的四方向单极子定向天线系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种用于钻孔雷达探测的四方向单极子定向天线系统及方法,包括钻孔雷达定向天线系统、顺次馈电装置、钻孔内行走装置和线缆传送装置，其中：所述钻孔雷达定向天线系统包括四方向定向发射单极子天线组，全向接收天线及套管，四方向定向发射单极子天线组用于依次向每个方向定向辐射电磁波，所述全向接收天线用于接收所述反射波，四方向定向发射单极子天线组和全向接收天线都设置于套管内；顺次馈电装置用于顺序控制所述钻孔雷达定向天线系统，以依次向同一深度不同方向定向辐射电磁波，实现无需旋转的探测；孔内行走装置设置于套管外侧，带动整个所述钻孔雷达定向天线系统在钻孔内移动；线缆传送装置用于将所述钻孔雷达定向天线系统的探测结果传输至地面上设置的处理器以及顺次馈电装置。本发明专利技术无需旋转即可向多方向定向，直径尺寸小于工程钻孔尺寸，且定向性能稳定、不产生互耦。不产生互耦。不产生互耦。

【技术实现步骤摘要】
用于钻孔雷达探测的四方向单极子定向天线系统及方法


[0001]本专利技术属于钻孔雷达探测
，具体涉及一种用于钻孔雷达探测的四方向单极子定向天线系统及方法。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]钻孔雷达方法是一种确定地下介质分布的广谱电磁技术。根据所探测地下介质电阻率的不同，钻孔雷达探测方法目前分为单孔反射测量、跨孔测量以及孔中
‑
地面测量。在进行单孔测量时，雷达的发射天线发射高频宽带电磁波，接收天线接收来自地质体的反射波，两天线被放置在同一钻孔中工作，并根据接收到反射波的双程走时、振幅等数据，计算出地质体的方位、形状和距离。在探测中，介电常数和电导率是影响探测的两个最主要参数，地质体和围岩的介电常数、电导率相差越大，反射越明显，越容易被探测到。目前，传统钻孔雷达在单孔测量中由于发射、接收天线均采用全向天线而只能确定目标地质体的深度，无法确定其方位角，工程中实用性很差；若要获得地质体的方位角信息，还需在3个钻孔及以上进行跨孔测量，施工难度大，成本极高。因此，可进行单孔测量的定向钻孔雷达更符合工程需要。
[0004]按照天线结构和工作原理的不同，现有的定向钻孔雷达可分为带反射板的定向钻孔雷达和阵列接收天线类的定向钻孔雷达。其中阵列接收天线类的定向钻孔雷达结构复杂，且难以解决互耦问题，在实际工程中一般不采用。带反射板的定向钻孔雷达的定向天线一般由偶极子或辐射单极子天线及其发射或接收方向的反射板组成，并填充特殊材料，从而构成指向天线，结构简单，定向性能好。但是，目前带反射板的定向钻孔雷达在探测时，其发射和接收天线部分在钻孔中必须进行360
°
的不间断机械旋转，其目的是使单向辐射天线对同一深度地层每个角度进行探测，以确定地质体的方位角。在工程应用中，使深入直径十几厘米的钻孔几百米深的天线进行旋转，操作难度极大，且进行旋转的机械结构较为脆弱，大大提高探测成本，并给施工带来极大不便。除此之外，该类天线必须进行旋转的缺点也限制了其探入钻孔的深度，当钻孔深度接近1000米时，由于旋转结构不易操作，该类天线无法旋转从而不能进行定向探测，探测范围十分有限。
[0005]为保证钻孔中电磁波的穿透深度，天线一般工作在米级，而对于反射板天线而言，反射板至少需要距离天线四分之一波长，这就要求用于钻孔雷达的天线需要通过小型化技术在保证穿透深度的情况下，缩小天线直径，以适应钻孔十几厘米的直径尺寸。若在圆柱形钻孔的径向方向上叠加天线和反射板数量，向不同方向辐射，可以使其无需旋转即可进行定向探测，但多天线叠加的设计会使天线尺寸过大，无法探入钻孔，且径向上的多天线结构容易产生互耦，影响定向性能。若采用传统带反射板的半波偶极子天线在钻孔轴向叠加天线和反射板数量，也可实现无需旋转的多方向定向，但该设计仅发射天线就长达数米，给探测过程带来极大不便，且长度过长，无法完成天线的顺次馈电从而无法快速进行遍历扫描
探测。

技术实现思路

[0006]本专利技术为了解决上述问题，提出了一种用于钻孔雷达探测的四方向单极子定向天线系统及方法,本专利技术无需旋转即可向多方向定向，直径尺寸小于工程钻孔尺寸，且定向性能稳定、不产生互耦。
[0007]根据一些实施例，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]一种用于钻孔雷达探测的四方向单极子定向天线系统，包括钻孔雷达定向天线系统、顺次馈电装置、钻孔内行走装置和线缆传送装置，其中：
[0009]所述钻孔雷达定向天线系统包括四方向定向发射单极子天线组，全向接收天线及套管，四方向定向发射单极子天线组用于依次向每个方向定向辐射电磁波，所述全向接收天线用于接收所述反射波，四方向定向发射单极子天线组和全向接收天线都设置于套管内；
[0010]所述顺次馈电装置用于顺序控制所述钻孔雷达定向天线系统，以依次向同一深度不同方向定向辐射电磁波，实现无需旋转的探测；
[0011]所述孔内行走装置设置于套管外侧，带动整个所述钻孔雷达定向天线系统在钻孔内移动；
[0012]所述线缆传送装置用于将所述钻孔雷达定向天线系统的探测结果传输至地面上设置的处理器以及顺次馈电装置。
[0013]作为可选择的实施方式，所述四方向定向发射单极子天线组包括四组辐射单极子天线、反射板、介质及电容
‑
电阻串联集总加载元件，四组辐射单极子天线朝向不同方向，且各组辐射单极子天线通过介质隔开一定距离；每组辐射单极子天线都配置有一反射板，所述电容
‑
电阻串联集总加载元件连接各组辐射单极子天线弧顶和相弧形金属反射板顶端中心位置。
[0014]作为进一步的限定，所述四组辐射单极子天线沿套管轴向、不同方向依次布设。
[0015]作为可选择的实施方式，所述全向接收天线为半波偶极子天线，用以接收地质体反射的电磁波。
[0016]作为可选择的实施方式，所述介质为大理石介质。
[0017]作为可选择的实施方式，所述反射板为金属弧形反射板，设置于辐射单极子天线一侧，所述辐射单极子天线之间设置有金属地板。
[0018]作为进一步的限定，所述反射板的横断面为以辐射单极子天线为圆心的一段圆弧，用于向前反射辐射单极子天线发出的后向电磁波，使天线辐射信号在远离反射板一段中心位置达到最强，在方向图中满足信号前后比大于3：1的关系。
[0019]作为可选择的实施方式，所述顺次馈电装置包括主机，所述主机被配置为具有顺次开关功能，依次导通四个辐射单极子天线的馈电线，实现在一个时间周期内顺次向四个方向定向辐射电磁波，以完成无旋转的各方向定向探测。
[0020]作为可选择的实施方式，所述孔内行走装置包括所述套管管壁上安装的四方向移动轮、驱动电机及编码器，所述驱动电机用于驱动所述移动轮的运动，所述编码器用以记录驱动电机圈数进而得出定向天线系统深入钻孔的距离，将深入距离通过线缆传给地面，也
传给主机处理，用以协同控制顺次馈电。
[0021]作为可选择的实施方式，所述线缆传送装置包括线缆和测距轮，所述线缆用于连接顺次馈电装置和所述钻孔雷达定向天线系统，测距轮设置于所述套管管壁上，用以辅助确定天线探入孔中的距离。
[0022]上述系统的工作方法，包括以下步骤：
[0023]钻孔雷达定向天线系统在钻孔内运动时，由记录当前钻孔雷达定向天线系统的移动速度，并由顺次馈电装置读取，根据四方向定向发射天线总长度除以运动速度，计算得到朝不同方向定向的四天线依次馈电的馈电周期；
[0024]顺次馈电装置按照馈电周期依次控制四个辐射单极子天线，使其依次向不同方向定向辐射电磁波，电磁波遇到地址体发生反射，由全向接收天线接收反射波，记录接收天线接收到反射波的时刻；在进行后续信号处理时，对比接收到反射波的时刻与馈电周期内各发射天线馈电时间对比即可判断异常体所在方位。
[0025]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0026]本专利技术提供的四方向单本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于钻孔雷达探测的四方向单极子定向天线系统，其特征是：包括钻孔雷达定向天线系统、顺次馈电装置、钻孔内行走装置和线缆传送装置，其中：所述钻孔雷达定向天线系统包括四方向定向发射单极子天线组，全向接收天线及套管，四方向定向发射单极子天线组用于依次向每个方向定向辐射电磁波，所述全向接收天线用于接收所述反射波，四方向定向发射单极子天线组和全向接收天线都设置于套管内；所述顺次馈电装置用于顺序控制所述钻孔雷达定向天线系统，以依次向同一深度不同方向定向辐射电磁波，实现无需旋转的探测；所述孔内行走装置设置于套管外侧，带动整个所述钻孔雷达定向天线系统在钻孔内移动；所述线缆传送装置用于将所述钻孔雷达定向天线系统的探测结果传输至地面上设置的处理器以及顺次馈电装置。2.如权利要求1所述的一种用于钻孔雷达探测的四方向单极子定向天线系统，其特征是：所述四方向定向发射单极子天线组包括四组辐射单极子天线、反射板、介质及电容
‑
电阻串联集总加载元件，四组辐射单极子天线朝向不同方向，且各组辐射单极子天线通过介质隔开一定距离；每组辐射单极子天线都配置有一反射板，所述电容
‑
电阻串联集总加载元件连接各组辐射单极子天线弧顶和相弧形金属反射板顶端中心位置。3.如权利要求2所述的一种用于钻孔雷达探测的四方向单极子定向天线系统，其特征是：所述四组辐射单极子天线沿套管轴向、不同方向依次布设。4.如权利要求1所述的一种用于钻孔雷达探测的四方向单极子定向天线系统，其特征是：所述全向接收天线为半波偶极子天线，用以接收地质体反射的电磁波。5.如权利要求1所述的一种用于钻孔雷达探测的四方向单极子定向天线系统，其特征是：所述反射板为金属弧形反射板，设置于辐射单极子天线一侧，所述辐射单极子天线之间设置有金属地板。6.如权利要求5所述的一种用于钻孔雷达探测的四方向单极子定向天线系统，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘斌，姜雨辰，张凤凯，李文翰，范克睿，王佳兴，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：