用于钻孔雷达探测的四方向单极子定向天线系统及方法

1.本发明属于钻孔雷达探测技术领域，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。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.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。
4.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。
5.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。


技术实现要素：

6.本发明为了解决上述问题，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,本发明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。
7.根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
8.一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：
9.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；
10.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；
11.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；
12.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。
13.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。
14.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。
15.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。
16.作为可选择的实施方式，所述介质为大理石介质。
17.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。
18.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。
19.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。
20.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。
21.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。
22.上述系统的工作方法，包括以下步骤：
23.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；
24.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。
25.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
26.本发明提供的四方向单极子定向天线系统中，包括四组定向辐射单极子天线和金属反射板，所述辐射单极子天线形状为扇形，可最大限度的拓宽天线的带宽，使波形干净、拖尾小；在天线扇形弧顶与金属反射板顶端中心位置连接处具有电容
‑
电阻串联集中加载元件，可改善阻抗匹配，扩宽工作带宽。金属反射板横断面为以单极子天线为圆心的圆弧，可向前反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。具有较好的定向能力。
27.本发明提供的四方向单极子定向天线系统在所述顺次馈电装置的配合下，由运动速度计算出馈电周期，并对向不同方向定向的四个单极子发射天线依次馈电，无需旋转即可实现朝各方向定向辐射电磁波。再配合全向接收天线和馈电装置主机，即可对钻孔附近地质体进行定向探测。提高了钻孔雷达探测的方向性，同时实现无需旋转的定向钻孔探测，操作方便，使天线可以探入钻孔更深距离，扩大了探测范围。
28.本发明提供的四方向单极子定向发射天线采用特殊的轴向多方向排布方式，相比一般多方向阵列定向天线而言，减少了不同方向天线之间的干扰，同时避免了一般定向阵列天线径向排布所造成的天线直径过大的问题，配合集中电阻
‑
电容加载和介质加载的天线小型化技术，使该天线直径小，施工方便，可探入直径更小的钻孔进行探测。
29.本发明提供的四方向单极子定向发射天线中每一组天线均采用扇形单极子天线，相比常用的半波偶极子天线，单根天线长度、四天线组成的发射天线系统总长度都比较小，极大的方便了施工中钻孔中的探测操作。
30.金属反射板横截面为以单极子天线馈电点为圆心的圆弧，大理石介质同为一定直径的圆柱形，整个天线的圆柱型结构与常见的圆柱形钻孔有很好的共形能力，便于探测过程中的施工。
31.为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
32.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示
意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
33.图1为四方向单极子定向发射天线系统结构侧视图
34.图2为四方向单极子定向发射天线系统结构俯视图
35.图3为四方向单极子定向天线系统钻孔中工作示意图
36.图4为单个定向单极子发射天线的辐射波形方向图
37.图5为单个定向单极子发射天线回波损耗参数曲线图
38.图6为顺次馈电装置配合四方向单极子定向天线系统遍历扫描探测的工作原理框图
39.图中：1.扇形辐射单极子，2.天线间连接部分，3.发射天线套管，4.大理石介质，5.馈电点支撑部件，6.金属地板，7.金属反射板，8.集中电容
‑
电阻串联加载元件，9.馈电线，10.顺次馈电装置主机，11.四方向单极子定向发射天线，12.全向接收天线，13.天线外部套管，14.钻孔，15.异常体。
具体实施方式：
40.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
41.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
42.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
43.如图3所示，提供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：
44.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；
45.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；
46.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；
47.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。
48.下面就每个部分进行详细介绍。
49.四方向单极子定向发射天线系统结构如图1、图2所示，包括四组辐射单极子天线、天线间连接部分2及发射天线套管3。每一组辐射单极子天线主要包括扇形辐射单极子1、大理石介质4、馈电点支撑部件5、金属地板6、金属反射板7和集中电容
‑
电阻加载元件8，其中：扇形辐射单极子1嵌入大理石介质4内部，并由馈电点支撑部件5同金属地板6相连，金属反射板7从外部嵌入大理石介质4，扇形辐射单极子1与金属反射板7长度一致，在本实施例中，
均为146mm，金属反射板7位于扇形辐射单极子1的一侧。
50.扇形辐射单极子1与金属反射板7的顶端连接集中电容
‑
电阻串联加载元件8，在本实施例中，其电容为2.5
×
10^(
‑
11)f，电阻为100ω，用以改善阻抗匹配，扩展带宽。
51.四组天线的扇形辐射单极子1及金属反射板7分别朝向不同方向，配合顺次馈电装置工作实现无需旋转的定向探测，四组天线通过天线间连接部分2、发射天线套管3固定，各天线间的介质中嵌入的馈电线9连接顺次馈电装置主机10和四根天线的馈电点。
52.在本实施例中，金属反射板7的横断面为以扇形辐射单极子1为圆心的120
°
圆弧，可向前反射扇形辐射单极子1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。具有较好的定向能力。
53.四方向单极子定向天线系统在钻孔中的整个天线构成及探测原理示意如图3所示，四方向单极子定向发射天线11与全向接收天线12被共同固定在天线外部套管13中，并探入钻孔14进行匀速运动以进行定向探测，四方向单极子定向发射天线11中的某一天线在馈电周期内该天线的馈电时间工作，向反射板相反方向定向辐射电磁波，遇到地下异常体15反射的电磁波被全向接收天线12接收，通过顺次馈电装置主机的配合，可获知异常体的深度和方位角信息。
54.在本实施例中，单个定向单极子发射天线利用cst仿真的辐射波形方向图如图4所示，前后向波形幅值之比大于3：1，有较好的定向性能。
55.在本实施例中，单个定向单极子发射天线利用cst仿真的回波损耗参数如图5所示，在其工作频带100mhz
‑
250mhz中回波损耗参数小于
‑
10db，辐射效率较高，天线工作性能良好。
56.孔内行走装置包括天线管壁上安装的四方向移动轮和驱动电机及编码器，其中，编码器用以记录驱动电机圈数进而得出天线深入钻孔的距离，将深入距离通过线缆传给地面同时传给主机处理，用以协同控制四根天线的顺次馈电。
57.线缆传送装置包括线缆、测距轮，测距轮用以辅助确定天线探入孔中的距离。
58.顺次馈电装置在配合四方向单极子定向天线系统时进行遍历扫描时，工作原理如图6所示，天线在钻孔中进行匀速运动时，由连接驱动电机的编码器记录当前天线移动速度，并由顺次馈电装置主机10读取，由四方向定向发射天线总长度除以运动速度得到朝不同方向定向的四天线依次馈电的馈电周期。
59.顺次馈电装置主机10再按照馈电周期依次打开连接四根发射天线的馈电线进行顺次馈电，四发射天线依次向不同方向定向辐射电磁波；电磁波遇到异常体15发生反射，由全向接收天线接收反射波，传回地面主机的同时由顺次馈电装置主机10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15所在方位。
60.在本实施例中，进行探测时，可进行三种模式的测量：遍历扫描、共深度测量和共角度测量。进行遍历扫描时，天线在钻孔14中在行走装置的驱动下匀速在钻孔14内运动，由当前运动速度除以四方向定向发射天线总长度得到向四天线依次馈电的馈电周期，以保证可以探测到每个深度上每个方向的地质体，顺次馈电装置主机10与接收天线相连，对每个电线的馈电时刻进行记录的同时也记录全向接收天线12收到地质体反射电磁波信号的时刻，以确定地质体具体方位，如此即可确定整个钻孔周围一定范围内的地质体分布。
61.在进行共深度扫描时，天线只需在钻孔中移动四方向定向发射天线的长度，每移动四分之一发射长度，便由顺次馈电装置主机10记录编码器记录的天线移动数据，并切换为下一馈电方式，为下一根天线进行馈电，同时在对应时间段内记录全向接收天线12接收到的反射信号，如此可完成对钻孔中同一深度地层上各个方位的探测。
62.在进行共角度扫描时，顺次馈电装置主机10仅为一根辐射单极子天线馈电，随着天线在孔内移动，即可完成对钻孔周围同一角度内的探测。
63.本实施例提供的四方向单极子定向天线系统中，包括四组定向辐射单极子天线和金属反射板，所述辐射单极子天线形状为扇形，可最大限度的拓宽天线的带宽，使波形干净、拖尾小；在天线扇形弧顶与金属反射板顶端中心位置连接处具有电容
‑
电阻串联集中加载元件，可改善阻抗匹配，扩宽工作带宽。金属反射板横断面为以单极子天线为圆心的120
°
圆弧，可向前反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x：1的关系。具有较好的定向能力。
64.本实施例提供的用于钻孔雷达探测的四方向单极子定向天线系统在所述顺次馈电装置的配合下，由运动速度计算出馈电周期，并对向不同方向定向的四个单极子发射天线依次馈电，无需旋转即可实现朝各方向定向辐射电磁波。再配合全向接收天线和馈电装置主机，即可对钻孔附近地质体进行定向探测。提高了钻孔雷达探测的方向性，同时实现无需旋转的定向钻孔探测，操作方便，使天线可以探入钻孔更深距离，扩大了探测范围。
65.本实施例提供的四方向单极子定向发射天线采用特殊的轴向多方向排布方式，相比一般多方向阵列定向天线而言，减少了不同方向天线之间的干扰，同时避免了一般定向阵列天线径向排布所造成的天线直径过大的问题，配合集中电阻
‑
电容加载和介质加载的天线小型化技术，使该天线直径仅为70mm，包含固定套管直径为78mm，施工方便，可探入直径更小的钻孔进行探测。
66.本实施例提供的四方向单极子定向发射天线中每一组天线均采用扇形单极子天线，相比常用的半波偶极子天线，单根天线长度仅为150mm，每一连接部分长度50mm，四天线组成的发射天线系统总长度仅800mm，极大的方便了施工中钻孔中的探测操作。
67.本实施例提供的金属反射板横截面为以单极子天线馈电点为圆心的圆弧，大理石介质同为直径为70mm的圆柱形，整个天线的圆柱型结构与常见的圆柱形钻孔有很好的共形能力，便于探测过程中的施工。
68.当然，在其他实施例中，上述部件各参数可以根据情况进行调整，在此不再赘述。
69.本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd
‑
rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
70.本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实
现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
71.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
72.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
73.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
74.上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。