一种用于隧道超前地质预报的单孔定向探测雷达天线的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种钻孔定向雷达天线，尤其涉及一种用于隧道超前地质预报的单孔定向探测雷达天线。
【背景技术】
[0002]钻孔地质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。钻孔地质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。
[0003]与普通地面板状地质雷达相比，钻孔地质雷达具不受探测深度限制且具有分辨率高的优势，因此钻孔地质雷达被认为是一种精细化探测方法被引入到隧道超前地质预报领域。在隧道超前预报中，为了得到掌子面前方不良地质体的实际情况，往往会实施超前钻探，但由于“一孔之见”，极易遗漏灾害源，成为人们十分关注的问题。针对上述问题，将钻孔雷达天线放入已有钻孔中，可获取钻孔周围一定范围内不良地质体的赋存情况，可较好的解决“一孔之见”的问题，扩展已有钻孔的利用率和综合效益。
[0004]常见的钻孔雷达天线为偶极子天线，它能辐射和接收来自360°空间的信号，可以确定反射体在钻孔深度方向上的位置及其与钻孔垂直方向上的距离，但是很难确定反射体的方位角，这大大降低了单孔雷达的实用性，难以满足实际工程需要。为了确定反射体的方位，至少需要3个钻孔进行综合探测和分析，但是对方位角解算的准确性很低，可靠性难以保证，而且在实际工程中很难做到钻取3个钻孔，相比单个钻孔而言，3个及3个以上钻孔耗费大量的时间和经济成本，很难被施工单位接受。因此迫切需要发明一种单孔钻孔定向地质雷达，为解决超前钻探的“一孔之见”问题和实现精细化超前预报提供新的解决方法。
[0005]从上世纪80年代初开始，国际上许多机构开始研宄钻孔定向雷达技术，目前主要有定向发射和定向接收两种方式:(I)荷兰T&A-RADAR公司的3D-BHR雷达系统，采用定向发射方式，由于定向发射天线存在设计缺陷，定向发射角度较大，地质异常体方位角定位分辨率低，且天线尺寸、重量过于巨大，在实际工程中的应用十分有限；(2)瑞典MALA公司的RAMAC雷达系统，采用定向接收方式，采用四根全向子接收天线组成接收天线阵列，通过对四根子接收天线采集的数据进行优化获取异常体的方位角，但是由于天线阵列间距较小且存在互耦干扰，导致地质异常体的方位角定位分辨率很低，实际探测效果并不理想，目前已经停产。
[0006]总体来讲，目前国内外还没有可用有效的单孔定向地质雷达仪器，单孔地质雷达主要存在以下几个问题:(I)普通单孔雷达只能确定反射体的距离，无法给出地质异常体的方位角，难以满足实际工程需要；(2)现有单孔定向雷达系统复杂且对地质异常体的定位分辨率低，在实际工程中的应用有限；(3)现有单孔雷达探测过程自动化程度低，操作繁琐复杂，对探测过程中天线旋转角度、递送距离等参数的控制准确性低，从而影响实际探测效果。
【发明内容】
[0007]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预报的单孔定向探测雷达天线，采用旋转定向发射天线和定向接收天线来实现定向探测，且设计了钻孔雷达天线的孔内自动行走装置，具有以下优点:可实现钻孔周围一定范围内地质异常体的精细探查和方位角的准确定位；本探测方案可明显提高探测的方向性，对异常体的方位角的分辨率明显提高，满足实际工程的需要；整个探测过程无需人工对天线及线缆进行递送回收操作，极大的提高了探测效率和准确率。
[0008]为实现上述目的，本发明采用下述技术方案:
[0009]一种用于隧道超前地质预报的单孔定向探测雷达天线，其特征在于:包括钻孔定向雷达天线、孔内自动行走装置、线缆和线缆收送机；所述钻孔定向雷达天线包括一外壳，所述外壳包裹转子和定子，所述转子内设有定向发射天线和定向接收天线，用以定向发射和接收电磁波，所述转子的两端与定子连接，所述转子可绕自身纵轴旋转，以实现径向全方位探测；所述定子上设有孔内自动行走装置，可带动钻孔定向雷达天线在钻孔内前后移动；所述转子和所述定子通过线缆与雷达主机进行信号传输和移动控制；所述线缆由雷达主机控制线缆收送机进行自动收送。
[0010]所述转子为细长圆柱体，内部装有定向发射天线和定向接收天线；所述定向发射天线包括金属反射板，所述金属反射板的横断面为抛物线形。
[0011]所述定向发射天线包括两根偶极子天线，所述偶极子天线在所述金属反射板的凹侧对称放置组成二元天线阵列，其对称中心位于横断面为抛物线形的金属反射板的焦点处；所述定向发射天线可通过金属反射板的反射实现定向发射电磁波。
[0012]所述定向接收天线的结构与所述定向发射天线的结构相同，用以定向接收电磁波。
[0013]在所述金属反射板和所述偶极子天线之间填充电磁波吸收材料，所述电磁波吸收材料设有电缆过孔，所述电缆过孔可供钻孔定向雷达天线的线缆通过；所述偶极子天线由纯铜加工而成，所述偶极子天线中设有多组加载电阻-电容。
[0014]所述转子两端通过高频旋转接头与所述定子连接，所述定子不可转动，所述定子包括前端定子和后端定子，所述后端定子部分设有伺服电机模块，所述伺服电机模块带动转子绕两端定子连线中心轴转动。
[0015]所述定子上设有移动轮和驱动模块，所述移动轮和驱动模块共同构成孔内自动行走装置；所述驱动轮模块包括驱动电机和光电编码器，所述驱动电机驱动移动轮转动进而带动钻孔定向雷达天线实现孔内的自动行走功能，所述光电编码器通过记录驱动电机转动的圈数得到钻孔定向雷达天线在水平钻孔中前后移动的距离。
[0016]所述定子的横断面为圆形，在其水平竖直方向的等四分相位处分别设有四个移动轮和与之相连的驱动轮模块，所述移动轮的外侧露出所述外壳。
[0017]在所述后端定子上设有姿态检测模块，所述姿态检测模块由加速度计、陀螺仪和罗盘组成，可分别获得钻孔定向雷达天线在钻孔中移动时的加速度、角速度和地磁夹角信息，进而得到钻孔定向雷达天线在钻孔内的姿态信息。
[0018]在所述前端定子上设有传感器组，所述传感器组包括摄像头、探照灯和距离传感器，用以获取所述钻孔定向雷达天线在钻孔内的位置信息。
[0019]所述定子的中心设有定子线缆过孔，可供线缆通过，所述后端定子尾部通过线缆与雷达主机连接。
[0020]所述线缆收送机内部设有绕线电机模块、线缆收送机控制器和卷线盘，所述线缆绕在卷线盘上，绕线电机模块带动卷线盘转动，线缆收送机控制器通过光电编码器得到的天线移动距离控制卷线盘的转速。
[0021]所述线缆收送机中设有线缆收送控制器和线缆受力传感器，线缆收送机控制器通过光电编码器传输的天线移动距离和线缆受力传感器传输的线缆受力信息对绕线电机模块的转速进行控制。
[0022]