隧道定向钻孔雷达设备及其探测方法技术

本发明专利技术提供隧道定向钻孔雷达设备及其探测方法，所述隧道定向钻孔雷达设备包括旋转装置、滑轮机构和上位机，所述滑轮机构用于使得所述旋转装置在钻孔内上下移动，所述上位机与所述旋转装置有线或者无线连接，所述上位机用于显示所述旋转装置的探测数据以及对所述旋转装置的探测数据进行三维成像。本发明专利技术可以实现一次入孔的任意角度的多个角度的探测，提高了探测精度，操作方便。操作方便。操作方便。

【技术实现步骤摘要】
隧道定向钻孔雷达设备及其探测方法


[0001]本专利技术属于钻孔雷达
，具体涉及隧道定向钻孔雷达设备及其探测方法。

技术介绍

[0002]本部分提供的仅仅是与本公开相关的背景信息，其并不必然是现有技术。
[0003]钻孔雷达作为地球物理勘探领域的新兴技术，在过去数十年中取得了长足的发展，具有深入钻孔近距离探测异常体、分辨率高、克服孔外干扰的优势。钻孔雷达探测方式主要分为单孔测量、跨孔测量和孔
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地(垂直剖面)测量三种方式。跨孔测量需要两个或以上的钻孔，三维成像则至少需要三个或以上钻孔，跨孔和孔
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地测量均需要固定一个天线同时多次移动另一个天线，工作量大，成本较高，因此实际应用中以单孔测量为主。
[0004]目前实际应用中的钻孔雷达天线为全向偶极子天线，辐射出的电磁波H面方向图为360
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，在应用过程中仅能探测得到异常体距地表和钻孔的距离，而无法确定异常体相对于钻孔的实际方位，这导致钻孔雷达的实际应用受到了限制，定向钻孔雷达天线的研究目前有一定进展，但是还存在增益较低导致探测深度不足，不同频点方向性差异大导致探测确定度降低等问题。在定向钻孔雷达天线设计中，回波损耗参数、增益、定向性等参数是互为拮抗的多个参数，目前已有的定向钻孔雷达牺牲了较多增益来得到较好的回波损耗参数和定向性，但是由于增益作为定向钻孔雷达天线的重要参数，较低的增益会导致定向钻孔雷达天线的探测深度不足。不同频点的定向钻孔雷达天线的定向性具有较大差异会影响定向钻孔雷达探测效果，同时，目前的定向钻孔雷达天线设计过程中未考虑到钻孔环境的影响，可能会导致探测过程出现异常体识别失准的问题。
[0005]现有控制主机多采用基于时域脉冲体制的外置主机，定向钻孔雷达天线在部分应用场景下需要深入钻孔数十上百米，定向钻孔雷达天线与控制主机通过同轴电缆相连，信号在传输过程中损失极大，以SYWV
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12同轴电缆为例，100m线缆传输216.25MHz信号损失10.44dB，会极大降低传输信号的信噪比，此外，时域脉冲信号相比于步进频率信号平均功率较低，等效带宽较窄，定向钻孔雷达的探测深度和效果受限。
[0006]在定向钻孔雷达实际应用过程中，无论是在隧道掌子面超前钻孔中移动旋转，还是在竖直井中移动旋转都比较困难，因此目前试验中主要采用两种方案：一种是多个定向钻孔雷达天线同时安装(通常是3～4个)，朝向不同的方向，从而接收不同方向的反射电磁波实现定向钻孔雷达的定向性；另一种采用发射天线与接收天线一个角度进入钻孔后探测，探测后拿出发射天线与接收天线旋转另一个角度后再进入钻孔进行探测，每次探测一个角度，多次探测实现定向钻孔雷达定向探测，这两种方案都有一定局限性，一方面使得探测成本增加，另一方面探测方式决定了探测精度较低。
[0007]由于定向钻孔雷达设备的不成熟，定向钻孔雷达的成像技术特别是三维成像技术主要基于地表探地雷达和对空雷达，而在实际应用过程中，地表探地雷达在成像时无需考虑雷达的方向性，而对空雷达无需考虑整个被探测区域的成像，因此定向钻孔雷达缺少实用有效的专用三维成像技术。

技术实现思路

[0008]鉴于上述问题，本专利技术提出了一种隧道定向钻孔雷达设备，包括旋转装置、滑轮机构和上位机，所述滑轮机构用于使得所述旋转装置在钻孔内上下移动，所述上位机与所述旋转装置有线或者无线连接，所述上位机用于显示所述旋转装置的探测数据以及对所述旋转装置的探测数据进行三维成像。
[0009]在本专利技术的一些实施例中，所述旋转装置包括第一外壳以及依次设置在第一外壳内的旋转驱动机构、接收天线、控制主机和发射天线，所述旋转驱动机构驱动所述发射天线、控制主机和接收天线同步转动，所述控制主机向所述发射天线提供发射信号，所述接收天线用于接收发射天线的发射信号在钻孔方向上的回波信号，所述控制主机还用于对所述接收天线接收的回波信号转换成探测数据，所述探测数据包括异常地质体的每个反射点的位置和电性参数。
[0010]在本专利技术的一些实施例中，所述上位机包括:
[0011]收发模块，所述收发模块与所述旋转装置的控制主机有线或无线连接，用于接收控制主机的探测数据以及向控制主机发送指令，所述探测数据包括异常地质体的每个反射点的位置和电性参数；
[0012]第一探测数据集构建模块，将收发模块接收的探测数据按照探测时距离钻孔口的深度进行分组，获得每一个深度对应的第一探测数据集；
[0013]排序模块，将每个第一探测数据集中的探测数据按照探测时旋转装置的旋转角度进行排列，将一个旋转角度对应的探测数据作为一道数据，得到每个第一探测数据集的多道数据；
[0014]第二探测数据集构建模块，筛除每个第一探测数据集的每道数据中小于电性阈值的探测数据，得到每个第二探测数据集；
[0015]方位角获得模块，通过最大信号法、等信号法或中间值法获得每个第二探测数据集对应的方位角，从而得到每个深度对应的方位角；
[0016]第三探测数据集构建模块，将同一深度的探测数据进行叠加，得到每一个深度的全向探测收据构成的第三探测数据集；
[0017]切片模块，通过第三探测数据集及其每个深度对应的方位角构建三维数据体，对三维数据体按照方位角进行切片，获得多个切片；
[0018]偏移成像处理模块，对切片模块获得的多个切片进行偏移成像处理；
[0019]三维成像模块，将偏移成像处理模块处理后的切片通过坐标转换到三维空间，得到三维成像。
[0020]在本专利技术的一些实施例中，所述接收天线或/和所述发射天线包括第一天线辐射体、第一填充体、第二填充体和第一反射板，所述第一天线辐射体包括微带线、多个振子、多个分形组件和第一馈电点，所述多个振子和多个分形组件分别相对于第一馈电点对称设置，一部分振子相对于第一馈电点呈对数周期天线设置，另一部分振子与所述分形组件组合呈树状，所述第一天线辐射体设置在所述第二填充体上，所述第一填充体与所述第一反射板连接形成所述接收天线或/和发射天线的第三外壳，所述第一填充体内形成有容纳第二填充体的空间；
[0021]优选地，所述接收天线或/和所述发射天线还包括第一集总元件，所述第一集总元
件连接在所述微带线和第一反射板之间。
[0022]在本专利技术的一些实施例中，所述接收天线或/和所述发射天线包括第三填充体、第二天线辐射体和第二反射板，所述第三填充体填充在第二反射板和第二天线辐射体之间，所述第三填充体上设置有固定所述第二天线辐射体的凹槽，所述第二天线辐射体包括第二馈电点、多个辐射体、多个铁氧体和多个电阻，所述多个辐射体、多个铁氧体和多个电阻均相对于第二馈电点对称设置，所述铁氧体设置在相邻辐射体之间，所述电阻设置在相邻的铁氧体之间的相邻的辐射体之间；
[0023]优选地，所述接收天线或/和所述发射天线还包括第二集总元件，所述第二集总元件连接在第二天线辐射体和第二反射板之间。
[0024]在本专利技术的一些实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种隧道定向钻孔雷达设备，其特征在于，包括旋转装置、滑轮机构和上位机，所述滑轮机构用于使得所述旋转装置在钻孔内上下移动，所述上位机与所述旋转装置有线或者无线连接，所述上位机用于显示所述旋转装置的探测数据以及对所述旋转装置的探测数据进行三维成像；其中，所述旋转装置包括第一外壳以及依次设置在第一外壳内的旋转驱动机构、接收天线、控制主机和发射天线，所述旋转驱动机构驱动所述发射天线、控制主机和接收天线同步转动，所述控制主机向所述发射天线提供发射信号，所述接收天线用于接收发射天线的发射信号在钻孔方向上的回波信号，所述控制主机还用于对所述接收天线接收的回波信号转换成探测数据，所述探测数据包括异常地质体的每个反射点的位置和电性参数；其中，所述上位机包括:收发模块，所述收发模块与所述旋转装置的控制主机有线或无线连接，用于接收控制主机的探测数据以及向控制主机发送指令，所述探测数据包括异常地质体的每个反射点的位置和电性参数；第一探测数据集构建模块，将收发模块接收的探测数据按照探测时距离钻孔口的深度进行分组，获得每一个深度对应的第一探测数据集；排序模块，将每个第一探测数据集中的探测数据按照探测时旋转装置的旋转角度进行排列，将一个旋转角度对应的探测数据作为一道数据，得到每个第一探测数据集的多道数据；第二探测数据集构建模块，筛除每个第一探测数据集的每道数据中小于电性阈值的探测数据，得到每个第二探测数据集；方位角获得模块，通过最大信号法、等信号法或中间值法获得每个第二探测数据集对应的方位角，从而得到每个深度对应的方位角；第三探测数据集构建模块，将同一深度的探测数据进行叠加，得到每一个深度的全向探测收据构成的第三探测数据集；切片模块，通过第三探测数据集及其每个深度对应的方位角构建三维数据体，对三维数据体按照方位角进行切片，获得多个切片；偏移成像处理模块，对切片模块获得的多个切片进行偏移成像处理；三维成像模块，将偏移成像处理模块处理后的切片通过坐标转换到三维空间，得到三维成像。2.根据权利要求1所述的隧道定向钻孔雷达设备，其特征在于，所述接收天线或/和所述发射天线包括第一天线辐射体、第一填充体、第二填充体和第一反射板，所述第一天线辐射体包括微带线、多个振子、多个分形组件和第一馈电点，所述多个振子和多个分形组件分别相对于第一馈电点对称设置，一部分振子相对于第一馈电点呈对数周期天线设置，另一部分振子与所述分形组件组合呈树状，所述第一天线辐射体设置在所述第二填充体上，所述第一填充体与所述第一反射板连接形成所述接收天线或/和发射天线的第三外壳，所述第一填充体内形成有容纳第二填充体的空间；优选地，所述接收天线或/和所述发射天线还包括第一集总元件，所述第一集总元件连接在所述微带线和第一反射板之间。3.根据权利要求1所述的隧道定向钻孔雷达设备，其特征在于，所述接收天线或/和所
述发射天线包括第三填充体、第二天线辐射体和第二反射板，所述第三填充体填充在第二反射板和第二天线辐射体之间，所述第三填充体上设置有固定所述第二天线辐射体的凹槽，所述第二天线辐射体包括第二馈电点、多个辐射体、多个铁氧体和多个电阻，所述多个辐射体、多个铁氧体和多个电阻均相对于第二馈电点对称设置，所述铁氧体设置在相邻辐射体之间，所述电阻设置在相邻的铁氧体之间的相邻的辐射体之间；优选地，所述接...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘斌，张凤凯，刘征宇，冯泽亮，王佳兴，李尧，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：