一种用于隧道超前地质探测的单孔定向地质雷达的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于隧道超前地质探测的单孔定向地质雷达；它包括包括雷达天线外壳、高性能发射天线、正交定向接收天线和电磁波发射、接收及处理电路，雷达天线外壳的前后两端分别通过固定或者活动方式加装前、后保护罩，雷达天线外壳内部装有发射电磁波的高性能发射天线、正交定向接收天线和电磁波发射、接收及处理电路，正交定向接收天线将接收到的电磁波送入电磁波接收电路，再将电磁波送入电磁波处理电路，正交定向接收天线本体采用隔板分成4份，每份内设置一个接收天线单元，形成具有相位差的四个独立的接收单元；本发明的有益效果：可实现钻孔周围一定范围内地质情况的精细探查和方位角的准确定位。
【专利说明】 一种用于隧道超前地质探测的单孔定向地质雷达
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种单孔定向地质雷达，尤其涉及一种用于隧道超前地质探测的单孔定向地质雷达。
【背景技术】
[0002]钻孔雷达方法是一种确定地下介质分布的广谱电磁技术，将发射天线和接收天线都放置在同一钻孔中且间距固定，根据接收端电磁波的双程走时、振幅和波形资料，可以推测出地下岩土介质的结构特征。钻孔雷达的解译是在数据处理后所得的地质雷达图像剖面中，根据反射波组的波形与强度特征，通过同相轴的追踪，确定反射波组的地质特征。超前地质钻孔雷达被视为一种精细化超前预报方法，常用于隧道超前地质探测中。隧道超前地质探测是利用钻探等手段，力图在施工前掌握前方的岩石土体结构、性质、状态，以及地下水、瓦斯等的赋存情况和地应力情况等地质信息，为进一步施工提供指导并避免发生地质灾害，保证施工安全、顺利进行。
[0003]钻孔雷达常用天线为偶极子天线，它能辐射和接收来自360°空间的信号，一般情况下利用单孔雷达测得的数据很难确定反射体的方位，而只能确定反射体的距离，因此大大降低了单孔钻孔雷达的实用性，导致单孔钻孔雷达在实际应用中至今未得到认可和推广。为了估计反射体的方位，至少需要2个钻孔的数据，而在工程现场，往往由于空间和时间因素的限制，仅能在单个钻孔中进行测量，因此迫切需要一种单孔定向钻孔雷达，为工程实践提供新的解决方法。
[0004]上世纪80年代初开始，国际上许多机构开始研究钻孔地质雷达探测技术与仪器。瑞典MALA公司研制出了 RAMAC单孔钻孔定向雷达，RAMAC雷达采用了多根接收天线并通过光纤与雷达主机进行通信，但是由于钻孔很深，在雷达进行光电信号转换和远距离信号传输时，数据延迟等原因不可避免的导致了多路接收信号传输不同步，RAMAC雷达在系统时间精度方面存在缺陷，导致在实际工程中对异常体的方位角探测效果并不理想，因此，RAMAC单孔钻孔定向雷达未得到推广而且已经停产，而目前世界上没有成型的单孔钻孔定向雷达设备。
[0005]综上所述，单孔钻孔地质雷达存在以下两个问题:(1)常规单孔钻孔雷达只能确定反射体的距离，无法定向给出地质异常体的方位角；(2)已有的单孔定向地质雷达在系统时间精度方面存在问题，在实际工程中定向精度差。
【发明内容】
[0006]本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种用于隧道超前地质探测的单孔定向地质雷达，它具有地质异常体角度定位精度高、系统时间精度高等优点。
[0007]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0008]一种用于隧道超前地质探测的单孔定向地质雷达，包括雷达天线外壳、高性能发射天线、正交定向接收天线和电磁波发射、接收及处理电路，所述雷达天线外壳的前后两端分别通过固定或者活动方式加装前、后保护罩，所述雷达天线外壳内部装有发射电磁波的高性能发射天线、正交定向接收天线和电磁波发射、接收及处理电路，所述正交定向接收天线将接收到的电磁波送入电磁波接收电路，再将所述电磁波送入电磁波处理电路，所述正交定向接收天线本体采用隔板分成4份，每份内设置一个接收天线单元，形成具有相位差的四个独立的接收单元。
[0009]所述雷达外壳为玻璃钢圆筒。
[0010]所述前、后保护罩均为流线型。
[0011 ] 所述高性能发射天线采用偶极子发射天线。
[0012]所述正交定向接收天线包括采用玻璃钢筒体的天线外壳、经隔板分成的四个铝质材料的接收天线单元和位于隔板交汇处的用于传输雷达波发射信号和接收信号的同轴电缆，所述采用偶极子天线的用电阻加载的接收天线单元外设有采用绝缘塑料的天线单元外壳，所述隔板采用绝缘塑料。
[0013]所述偶极子天线中每根天线长度为1/4波长，中间为高介电常数的填充介质，两对偶极子天线正交放置。
[0014]所述雷达电磁波发射电路包括MCU控制单元1、正弦波发生器、放大器、频率采样电路、调制电路、同步控制电路、功率放大器和发射天线，采用MCU控制单元I控制正弦波发生器产生宽频段可变化的正弦波信号，通过放大器对所述正弦波信号进行放大，并通过频率采样电路反馈到MCU控制单元I调整正弦波信号频率；同时MCU控制单元I通过同步控制调制电路产生脉宽信号调制，将载波调制成脉冲信号并经过两级功率放大器输入到发射天线。
[0015]所述雷达电磁波接收和处理电路包括4路独立的接收单元、I个MCU控制单元II和I个FPGA处理单元，电磁波反射的信号经过4路独立的接收单元，再经4路调谐、滤波、取样和放大电路接收到对应发射频率的回波，MCU控制单元II调节调谐电路的参数，螺旋滤波器对高频反射信号进行滤波，再通过高频放大器进行信号放大，然后送入差频取样电路，差频采样电路对高频信号与MCU控制触发控制器产生的220Hz本振信号进行混频输出中频信号，中频信号经低频放大器放大后再进入A/D转换器转换，转换结果送入MCU控制单元II进行处理。
[0016]所述FPGA处理单元采用基于FPGA的高速处理器和4路同步A/D转换器的设计方案，并使用数字电路同步逻辑技术和FIFO数据缓冲技术，FPGA处理单元对A/D采样转换器后的数据进行储存和预处理，并通过通信光缆将预处理后的数字信号传输至工控上位机。
[0017]利用上述用于隧道超前地质探测的单孔定向地质雷达，通过最优化理论计算出不
良地质体反射波的入射角，其目标函数如下所示:
【权利要求】
1.一种用于隧道超前地质探测的单孔定向地质雷达，其特征是，包括雷达天线外壳、高性能发射天线、正交定向接收天线和电磁波发射、接收及处理电路，所述雷达天线外壳的前后两端分别通过固定或者活动方式加装前、后保护罩，所述雷达天线外壳内部装有发射电磁波的高性能发射天线、正交定向接收天线和电磁波发射、接收及处理电路，所述正交定向接收天线将接收到的电磁波送入电磁波接收电路，再将所述电磁波送入电磁波处理电路，所述正交定向接收天线本体采用隔板分成4份，每份内设置一个接收天线单元，形成具有相位差的四个独立的接收单元。
2.如权利要求1所述一种用于隧道超前地质探测的单孔定向地质雷达，其特征是，所述雷达外壳为玻璃钢圆筒。
3.如权利要求1所述一种用于隧道超前地质探测的单孔定向地质雷达，其特征是，所述前、后保护罩均为流线型。
4.如权利要求1所述一种用于隧道超前地质探测的单孔定向地质雷达，其特征是，所述高性能发射天线采用偶极子发射天线。
5.如权利要求1所述一种用于隧道超前地质探测的单孔定向地质雷达，其特征是，所述正交定向接收天线包括采用玻璃钢筒体的天线外壳、经隔板分成的四个铝质材料的接收天线单元和位于隔板交汇处的用于传输雷达波发射信号和接收信号的同轴电缆，所述采用偶极子天线的用电阻加载的接收天线单元外设有采用绝缘塑料的天线单元外壳，所述隔板采用绝缘塑料。
6.如权利要求5所述一种用于隧道超前地质探测的单孔定向地质雷达，其特征是，所述偶极子天线中每根天线长度为1/4波长，中间为高介电常数的填充介质，两对偶极子天线正交放置。
7.如权利要求1所述一种用于隧道超前地质探测的单孔定向地质雷达，其特征是，所述雷达电磁波发射电路包括MCU控制单元1、正弦波发生器、放大器、频率采样电路、调制电路、同步控制电路、功率放大器和发射天线，采用MCU控制单元I控制正弦波发生器产生宽频段可变化的正弦波信号，通过放大器对所述正弦波信号进行放大，并通过频率采样电路反馈到MCU控制单元I调整正弦波信号频率；同时MCU控制单元I通过同步控制调制电路产生脉宽信号调制，将载波调制成脉冲信号并经过两级功率放大器输入到发射天线。
8.如权利要求1所述一种用于隧道超前地质探测的单孔定向地质雷达，其特征是，所述雷达电磁波接收和处理电路包括4路独立的接收单元、I个MCU控制单元II和I个FPGA处理单元，电磁波反射的信号经过4路独立的接收单元，再经4路调谐、滤波、取样和放大电路接收到对应发射频率的回波，MCU控制单元II调节调谐电路的参数，螺旋滤波器对高频反射信号进行滤波，再通过高频放大器进行信号放大，然后送入差频取样电路，差频采样电路对高频信号与MCU控制触发控制器产生的220Hz本振信号进行混频输出中频信号，中频信号经低频放大器放大后再进入A/D转换器转换，转换结果送入MCU控制单元II进行处理。
9.如权利要求7所述一种用于隧道超前地质探测的单孔定向地质雷达，其特征是，所述FPGA处理单元采用基于FPGA的高速处理器和4路同步A/D转换器的设计方案，FPGA处理单元对A/D转换器采样后的数据进行储存和预处理，并通过通信光缆将预处理后的数字信号传输至工控上位机。
10.如权利要求1所述一种用于隧道超前地质探测的单孔定向地质雷达，其特征是，通过最优化理论计算出不良地质体反射波的入射角，其目标函数如下所示:
【文档编号】G01V3/12GK103728668SQ201410007190
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2014年1月7日 优先权日:2014年1月7日
【发明者】李术才, 李尧, 刘斌, 徐磊, 聂利超, 孙怀凤, 刘征宇, 宋杰, 林春金, 孟晗, 赵相浩, 牛健 申请人:山东大学