一种用于定向探测的钻孔雷达系统

本发明用于钻孔雷达探测领域，特别是涉及一种用于定向探测的钻孔雷达系统。

背景技术：

1、钻孔雷达是一种用于地球物理勘探的重要手段，被广泛应用于探测钻孔周围溶洞、地层断裂带、地下管线、石油矿藏分布等，其中，钻孔雷达天线是用于定向探测的钻孔雷达系统收发信号的重要组成部分，其性能的优劣对用于定向探测的钻孔雷达系统起着重要作用，但受限于实际应用中钻孔井眼的尺寸，钻孔雷达的发射天线与接收天线往往选用向360°辐射电磁波的全向偶极子天线，因此传统的单孔反射雷达虽可以获得地下目标物的深度、大小与距离等信息，但无法获得其方位，而且为了获取目标物的方位信息，需要进行多个钻孔的跨孔测量或使用带反射板的定向雷达天线进行360°机械旋转，这些方法都会导致探测和施工的成本与难度显著增加，且定向精度低。

技术实现思路

1、本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种用于定向探测的钻孔雷达系统，其能够判断出钻孔周围地质异常体的具体方位，实现定向的功能。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、一种用于定向探测的钻孔雷达系统，包括沿钻孔方向依次设置的发射天线和接收天线，所述发射天线能够向钻孔周围地质体辐射信号，所述接收天线用于接收钻孔周围地质异常体反射的信号，所述接收天线包括沿内周设置的多个第一偶极子天线单元，所述第一偶极子天线单元包括与沿钻孔方向依次设置的第一金属臂和第二金属臂，所述第一金属臂包括沿钻孔方向间隔设置的第一上金属臂和第一下金属臂，所述第一上金属臂与所述第一下金属臂之间设有第一加载电阻进行电连接，所述第二金属臂包括沿钻孔方向间隔设置的第二上金属臂和第二下金属臂，所述第二上金属臂与所述第二下金属臂之间设有第二加载电阻进行电连接。

4、优选的，所述发射天线包括第二偶极子天线单元，所述第二偶极子天线单元包括沿沿钻孔方向依次设置的第三金属臂和第四金属臂，所述第三金属臂包括沿钻孔方向间隔设置的第三上金属臂和第三下金属臂，所述第三上金属臂与所述第三下金属臂之间设有第三加载电阻进行电连接，所述第四金属臂包括沿钻孔方向间隔设置的第四上金属臂和第四下金属臂，所述第四上金属臂与所述第四下金属臂之间设有第四加载电阻进行电连接。

5、优选的，包括沿钻孔方向延伸的同轴电缆，所述第一金属臂和所述第二金属臂之间连接有第一馈电装置，所述第三金属臂和所述第四金属臂之间连接有第二馈电装置，所述同轴电缆与所述第一馈电装置和所述第二馈电装置相连，在钻孔外部的地面上设有雷达主机，所述同轴电缆的顶端连与所述雷达主机相连，所述雷达主机上连接有用于处理信号的计算机。

6、优选的，所述接收天线包括第一壳体，多个所述第一偶极子天线单元绕所述第一壳体的内周设置，所述第一壳体内设有第一固定材料管，所述第一固定材料管位于多个所述第一偶极子天线单元的内周，所述第一固定材料管内沿钻孔方向设有第一通道，所述发射天线包括第二壳体，所述第三金属臂和所述第四金属臂内设在所述第二壳体内，所述第三金属臂和所述第四金属臂内沿钻孔方向设有第二通道，所述同轴电缆穿过所述第一通道与所述第一馈电装置相连，穿过所述第二通道与所述第二馈电装置相连。

7、优选的，所述第二壳体的内周设有第二固定材料管，所述第三金属臂和所述第四金属臂均位于所述第二固定材料管和所述第二壳体之间，所述第二通道设在所述第二固定材料管的轴线位置处，所述第二固定材料管上设有用于放置所述同轴电缆的凹槽。

8、优选的，所述第一下金属臂的下端为由上至下逐渐变窄的圆锥形，所述第二上金属臂的上端为由下至上逐渐变窄的圆锥形，所述第三下金属臂的下端为由上至下逐渐变窄的圆台形，所述第四上金属臂的上端为由下至上逐渐变窄的圆台形。

9、优选的，所述第一加载电阻、所述第二加载电阻、所述第三加载电阻和所述第四加载电阻的阻值大小范围均为为10ω～350ω，所述同轴电缆的外表面上沿钻孔方向设有刻度。

10、优选的，所述第一加载电阻位于所述第一金属臂的中间位置处，所述第二加载电阻位于所述第二金属臂的中间位置处，所述第三加载电阻位于所述第三金属臂的中间位置处，所述第四加载电阻位于所述第四金属臂的中间位置处。

11、优选的，钻孔内设有套管，所述发射天线和所述接收天线均位于所述套管中，所述发射天线为井中全向偶极子发射天线，所述接收天线为井中阵列接收天线。

12、优选的，所述第一偶极子天线单元设有6个，6个所述第一偶极子天线单元沿所述套管的周向间隔60°依次分布，所述第一偶极子天线单元的直径小于所述套管直径的五分之一。

13、上述技术方案中的一个技术方案至少具有如下优点或有益效果之一：该用于定向探测的钻孔雷达系统的发射天线钻孔周围地质体360°辐射电磁波，接收天线接收钻孔周围地质异常体反射的电磁波，并通过对接收天线内的多个第一偶极子天线单元同时接收到的来自目标物的反射电磁波信号进行处理，可以高精度地判断出钻孔周围地质异常体的具体方位，实现定向的功能，其中，第一加载电阻和第二加载电阻的设置显著改善了天线的阻抗匹配，拓宽了天线的工作带宽，使波形干净，拖尾小，使天线的辐射能力达到最强，该用于定向探测的钻孔雷达系统具有体积小、重量轻、发射信号保真度高、工作频带宽和抗干扰能力强的特点，能够通过向地层发射电磁波，利用电磁波在地层中的传播特性来获取地层信息，从而解释地下构造，特别是具有高精度测量目标方位角的能力，探测范围广，抗干扰能力强，在地质勘探领域具有很好的应用前景。

14、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种用于定向探测的钻孔雷达系统，其特征在于：包括沿钻孔方向依次设置的发射天线和接收天线，所述发射天线能够向钻孔周围地质体辐射信号，所述接收天线用于接收钻孔周围地质异常体反射的信号，所述接收天线包括沿内周设置的多个第一偶极子天线单元，所述第一偶极子天线单元包括与沿钻孔方向依次设置的第一金属臂和第二金属臂，所述第一金属臂包括沿钻孔方向间隔设置的第一上金属臂和第一下金属臂，所述第一上金属臂与所述第一下金属臂之间设有第一加载电阻进行电连接，所述第二金属臂包括沿钻孔方向间隔设置的第二上金属臂和第二下金属臂，所述第二上金属臂与所述第二下金属臂之间设有第二加载电阻进行电连接。

2.根据权利要求1所述的用于定向探测的钻孔雷达系统，其特征在于：所述发射天线包括第二偶极子天线单元，所述第二偶极子天线单元包括沿沿钻孔方向依次设置的第三金属臂和第四金属臂，所述第三金属臂包括沿钻孔方向间隔设置的第三上金属臂和第三下金属臂，所述第三上金属臂与所述第三下金属臂之间设有第三加载电阻进行电连接，所述第四金属臂包括沿钻孔方向间隔设置的第四上金属臂和第四下金属臂，所述第四上金属臂与所述第四下金属臂之间设有第四加载电阻进行电连接。

3.根据权利要求2所述的用于定向探测的钻孔雷达系统，其特征在于：包括沿钻孔方向延伸的同轴电缆，所述第一金属臂和所述第二金属臂之间连接有第一馈电装置，所述第三金属臂和所述第四金属臂之间连接有第二馈电装置，所述同轴电缆与所述第一馈电装置和所述第二馈电装置相连，在钻孔外部的地面上设有雷达主机，所述同轴电缆的顶端连与所述雷达主机相连，所述雷达主机上连接有用于处理信号的计算机。

4.根据权利要求3所述的用于定向探测的钻孔雷达系统，其特征在于：所述接收天线包括第一壳体，多个所述第一偶极子天线单元绕所述第一壳体的内周设置，所述第一壳体内设有第一固定材料管，所述第一固定材料管位于多个所述第一偶极子天线单元的内周，所述第一固定材料管内沿钻孔方向设有第一通道，所述发射天线包括第二壳体，所述第三金属臂和所述第四金属臂内设在所述第二壳体内，所述第三金属臂和所述第四金属臂内沿钻孔方向设有第二通道，所述同轴电缆穿过所述第一通道与所述第一馈电装置相连，穿过所述第二通道与所述第二馈电装置相连。

5.根据权利要求4所述的用于定向探测的钻孔雷达系统，其特征在于：所述第二壳体的内周设有第二固定材料管，所述第三金属臂和所述第四金属臂均位于所述第二固定材料管和所述第二壳体之间，所述第二通道设在所述第二固定材料管的轴线位置处，所述第二固定材料管上设有用于放置所述同轴电缆的凹槽。

6.根据权利要求3所述的用于定向探测的钻孔雷达系统，其特征在于：所述第一下金属臂的下端为由上至下逐渐变窄的圆锥形，所述第二上金属臂的上端为由下至上逐渐变窄的圆锥形，所述第三下金属臂的下端为由上至下逐渐变窄的圆台形，所述第四上金属臂的上端为由下至上逐渐变窄的圆台形。

7.根据权利要求3所述的用于定向探测的钻孔雷达系统，其特征在于：所述第一加载电阻、所述第二加载电阻、所述第三加载电阻和所述第四加载电阻的阻值大小范围均为为10ω～350ω，所述同轴电缆的外表面上沿钻孔方向设有刻度。

8.根据权利要求2所述的用于定向探测的钻孔雷达系统，其特征在于：所述第一加载电阻位于所述第一金属臂的中间位置处，所述第二加载电阻位于所述第二金属臂的中间位置处，所述第三加载电阻位于所述第三金属臂的中间位置处，所述第四加载电阻位于所述第四金属臂的中间位置处。

9.根据权利要求1所述的用于定向探测的钻孔雷达系统，其特征在于：钻孔内设有套管，所述发射天线和所述接收天线均位于所述套管中，所述发射天线为井中全向偶极子发射天线，所述接收天线为井中阵列接收天线。

10.根据权利要求9所述的用于定向探测的钻孔雷达系统，其特征在于：所述第一偶极子天线单元设有6个，6个所述第一偶极子天线单元沿所述套管的周向间隔60°依次分布，所述第一偶极子天线单元的直径小于所述套管直径的五分之一。

技术总结
本发明公开了一种用于定向探测的钻孔雷达系统，包括沿钻孔方向依次设置的发射天线和接收天线，发射天线能够向钻孔周围地质体辐射信号，接收天线用于接收钻孔周围地质异常体反射的信号，接收天线包括沿内周设置的多个第一偶极子天线单元，第一偶极子天线单元包括与沿钻孔方向依次设置的第一金属臂和第二金属臂，第一金属臂包括沿钻孔方向间隔设置的第一上金属臂和第一下金属臂，第一上金属臂与第一下金属臂之间设有第一加载电阻进行电连接，第二金属臂包括沿钻孔方向间隔设置的第二上金属臂和第二下金属臂，第二上金属臂与第二下金属臂之间设有第二加载电阻进行电连接，该用于定向探测的钻孔雷达系统体积小、重量轻、探测范围广，抗干扰能力强。

技术研发人员：刘海,张尚杨,孟旭,王尧,崔杰
受保护的技术使用者：广州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21