專利名稱：隧道單孔地質(zhì)雷達三維精細化成像天線遞送和傳動裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種天線遞送和傳動裝置，尤其涉及一種隧道單孔地質(zhì)雷達三維精細化成像天線遞送和傳動裝置。
背景技術(shù)：
近年來，在交通、水電、礦山等領(lǐng)域，隧道施工中面臨的地質(zhì)條件極為復雜，往往遭遇突水突泥、塌方等重大地質(zhì)災(zāi)害。因此，在隧道施工期間實施超前地質(zhì)預(yù)報對探明掘進面前方的復雜地質(zhì)情況、預(yù)防災(zāi)害發(fā)生具有重要作用。由于受到隧道觀測空間狹小、環(huán)境干擾強烈、自身分辨率與識別精度低等因素的影響，現(xiàn)有超前地質(zhì)預(yù)報方法(如:地震反射法、電磁類方法、直流電法類方法)對較小規(guī)模的地質(zhì)體定位和識別效果很差，如裂隙、中小溶洞等，無法滿足工程需求。針對上述問題，本實用新型提出了一種基于鉆孔地質(zhì)雷達技術(shù)的隧道三維精細化超前預(yù)報方法，設(shè)計了“孔中發(fā)射天線加掘進面全方位輻射狀接收測線”的三維觀測方法，利用已有的地質(zhì)鉆孔和隧道掘進面，布置地質(zhì)雷達孔中發(fā)射天線和孔外輻射狀接收測線，實現(xiàn)鉆孔周圍地質(zhì)情況的三維成像，解決了以往鉆孔雷達無法探測目標體方位角的關(guān)鍵問題。對于用于隧道三維超前地質(zhì)預(yù)報的鉆孔雷達技術(shù)而言，孔中發(fā)射天線的遞送和掘進面上接收天線的傳動是關(guān)鍵問題。以往的單孔鉆孔雷達僅用于地面探測，其發(fā)射天線和接收天線是一體化的，均需要放置在垂直的鉆孔中，由于鉆孔是垂直的，傳統(tǒng)鉆孔雷達技術(shù)均借助重力向鉆孔深部遞送發(fā)射和接收天線，通過遞送電纜長度控制鉆孔雷達天線在鉆孔中的位置和遞送距離。這種方式簡單易行，但依靠人力來遞送天線并測量遞送距離，工作效率低、遞送與定位的精度也不理想。本實用新型中提出的用于隧道三維超前預(yù)報的鉆孔地質(zhì)雷達技術(shù)與傳統(tǒng)的地面鉆孔雷達技術(shù)存在著根本性的差異，隧道三維超前預(yù)報的鉆孔地質(zhì)雷達天線的遞送具有如下問題:(I)本實用新型中發(fā)射天線與接收天線是分離的，發(fā)射天線位于鉆孔中，接收天線位于掘進面上，在遞送和傳送過程中二者的協(xié)調(diào)與控制難以人工實現(xiàn)，存在很大困難，需要設(shè)計一種對孔中發(fā)射天線和掘進面接收天線的遞送和傳動進行自動控制和協(xié)調(diào)的裝置；(2)隧道掘進面的鉆孔是水平的，無法依靠重力進行人工遞送發(fā)射天線，需要設(shè)計專門的智能化的遞送裝置來實現(xiàn)發(fā)射天線的精確遞送和定位；(3)本實用新型中，接收測線在掘進面上呈輻射狀布置，隧道掘進面面積較大(高和寬均在IOm左右)，依靠人工來移動接收天線效率低、安全性差，需要設(shè)計一種自動傳動裝置。針對上述問題，本實用新型針對“孔中發(fā)射天線加掘進面360°輻射狀接收測線”的三維鉆孔雷達超前探測技術(shù)，設(shè)計和實用新型了一種智能化自動化的天線遞送和傳動裝置，為實現(xiàn)隧道工程施工期高分辨率三維成像超前預(yù)報提供了設(shè)備支撐。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的就是為了解決上述問題，提供一種隧道單孔地質(zhì)雷達三維精細化成像天線遞送和傳動裝置，它具有提高三維定位精度的優(yōu)點。[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下技術(shù)方案:—種隧道單孔地質(zhì)雷達三維精細化成像天線遞送和傳動裝置，它包括發(fā)射天線的遞送裝置和接收天線的傳動裝置，發(fā)射天線的遞送裝置和接收天線的傳動裝置均與綜合控制系統(tǒng)連接，綜合控制系統(tǒng)與供電裝置連接。所述發(fā)射天線的遞送裝置包括遞送套管、遞送車、遞送桿和遞送動力裝置，所述遞送套管兩端設(shè)有卡槽，所述遞送套管中設(shè)有與遞送車車輪配套的輪槽，遞送車車輪卡在輪槽內(nèi)，所述遞送車上設(shè)有天線固定裝置，在遞送車的末尾設(shè)有一個螺口，遞送桿的兩端分別設(shè)有螺口螺口，遞送桿的螺口與遞送車的螺口連接，然后通過不斷互相拼接遞送桿，用于遞送車在鉆孔內(nèi)部的遞送和取出，遞送桿與遞送動力裝置連接。所述遞送動力裝置為電機，遞送動力裝置設(shè)在鉆孔外面。所述接收天線的傳動裝置包括傳動車和傳動軌道，傳動車與傳動軌道配合使用，所述傳動軌道固定在隧道掌子面上，隧道掌子面上設(shè)有若干條測線，以鉆孔為中心向外輻射的每一個方向均為一條測線，傳動軌道沿測線方向固定安裝。所述在隧道掌子面上設(shè)有六條測線，相鄰兩條測線之間的夾角為60°。所述傳動車前端設(shè)有雷達接收天線的卡槽，卡槽的一側(cè)設(shè)有程控電機，所述傳動車末端設(shè)有彈簧擋板裝置，所述彈簧擋板裝置包括彈簧板，彈簧板卡在彈簧板卡槽內(nèi)，彈簧板通過彈簧與傳動車末端連接，傳動車末端設(shè)有翻蓋板，在天線卡槽和彈板之間設(shè)有接收天線，所述傳動車的車輪為齒輪狀車輪，所述傳動軌道上設(shè)有輪槽，所述輪槽具有與傳動車車輪相吻合的齒輪狀結(jié)構(gòu)。所述綜合控制系統(tǒng)包括控制主機和蓄電池，所述控制主機用于控制遞送動力裝置和傳動車，所述控制主機分別通過控制遞送動力裝置和傳動車上的程控電機，從而控制發(fā)射天線的遞送裝置中的遞送桿的傳送距離以及傳動車在傳動軌道上的運動速度，所述蓄電池用于給控制主機供電。所述遞送和傳動的流程如下:第一步，由控制主機向發(fā)射天線遞送裝置發(fā)送指令，使其移動到鉆孔某一深度，在該位置固定停止，并發(fā)射雷達波；第二步，由控制主機向雷達接收天線傳動裝置發(fā)送指令，使得雷達接收天線沿著傳動導軌以一定的速度移動，在移動過程中接收雷達波，完成一條測線后，將雷達接收天線導軌由人工轉(zhuǎn)動到另一條測線進行測量，將測線測量完畢后，即完成了一個探測循環(huán)；第三步，由控制主機向發(fā)射天線遞送裝置發(fā)送指令，使雷達發(fā)射天線沿鉆孔以一定的間距移動到下一個位置，執(zhí)行下一個探測循環(huán)，直至探測完畢。本發(fā)明的有益效果:1.本發(fā)明解決了發(fā)射天線與接收天線是分離的,發(fā)射天線位于鉆孔中，接收天線位于掌子面上，在遞送和傳送過程中二者的協(xié)調(diào)與控制難以人工實現(xiàn)的難題。2.本發(fā)明解決了隧道掌子面的鉆孔是水平的，無法像傳統(tǒng)地質(zhì)雷達探測一樣依靠重力進行人工遞送發(fā)射天線，無法完成發(fā)射天線的精確遞送和定位的難題。3.本發(fā)明解決了接收測線在掌子面上呈輻射狀布置，隧道掌子面面積較大(高和寬均在IOm左右)，依靠人工來移動接收天線效率低、安全性差的難題。
圖1為本實用新型隧道掌子面上鉆孔和接收天線布設(shè)示意圖；圖2為本實用新型系統(tǒng)和方法的原理圖；圖3為本實用新型雷達天線分布立體剖面圖；圖4為本實用新型發(fā)射天線遞送裝置的示意圖；圖5為本實用新型發(fā)射天線遞送套管的示意圖；圖6為本實用新型發(fā)射天線遞送車的示意圖；圖7為本實用新型發(fā)射天線遞送桿的示意圖；圖8為本實用新型接收天線傳動裝置的示意圖；圖9為本實用新型接收天線傳動車的示意圖；圖10為本實用新型接收天線傳動車的細節(jié)圖；圖11為本實用新型接收天線傳動軌道的示意圖；圖12為本實用新型設(shè)備的連接示意圖；圖13(a)為本實用新型接收天線沿測線I探測的示意圖；圖13(b)為本實用新型接收天線沿測線2探測的示意圖；圖13(c)為本實用新型接收天線沿測線3探測的示意圖。其中，1.隧道掌子面，2.鉆孔，3.雷達發(fā)射天線，4.雷達接收天線，5.遞送車，
6.遞送套管，7.輪槽，8.卡槽，9.滾動輪，10天線固定裝置，11.“母”螺口，12.“公”螺口，13.傳動車，14.傳動軌道，15.程控電機，16.齒輪狀車輪，17.翻蓋版，18.彈簧，19.彈板卡槽，20.彈簧板，21.天線卡槽，22.齒輪狀軌道，23.控制主機，24.蓄電池，25.遞送桿，26.雷達發(fā)射天線遞送裝置，27.雷達接收天線傳動裝置。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖與實施例對本實用新型作進一步說明。實施例1運用實施例2所述天線遞送和傳動裝置的系統(tǒng)及方法如圖1、圖2所示，一種隧道施工中基于鉆孔地質(zhì)雷達技術(shù)的高分辨率三維成像超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括:雷達發(fā)射天線3、雷達接收天線4，雷達主機，雷達發(fā)射天線遞送裝置26、雷達接收天線傳動裝置27以及計算機等。該系統(tǒng)實現(xiàn)的方法:首先在隧道掌子面I中間位置打入一個鉆孔2，鉆孔2里面放置雷達發(fā)射天線3，在隧道掌子面I上按照輻射狀布置地質(zhì)雷達接收測線，鉆孔2中的雷達發(fā)射天線3借助天線遞送裝置遞送到鉆孔2某一深度并向隧道掌子面I發(fā)射雷達波信號，隧道掌子面I上的雷達接收天線4借助自動傳動裝置沿輻射狀雷達接收測線移動，依次掃描并采集雷達信號，完成一次發(fā)射采集循環(huán)。所述傳動軌道固定在隧道掌子面上，隧道掌子面上設(shè)有六條測線，相鄰兩條測線之間的夾角為60°，以鉆孔2為中心向外輻射的每一個方向均為一條測線，傳動軌道安裝測線方向固定。一次發(fā)射采集循環(huán)結(jié)束后，鉆孔2中的雷達發(fā)射天線3借助發(fā)射天線遞送裝置按等間距的形式向鉆孔2深部移動，再執(zhí)行下一次發(fā)射采集循環(huán)。最后當雷達數(shù)據(jù)全部采集完畢后，對探測數(shù)據(jù)實施約束反演并實施三維插值成像，實現(xiàn)對隧道掘進面前方地質(zhì)情況的三維精細化探測。一種隧道施工中基于鉆孔地質(zhì)雷達技術(shù)的高分辨率三維成像超前地質(zhì)預(yù)報方法，它包括以下步驟:第一步，預(yù)打鉆孔2;首先在隧道掌子面I上中間位置垂直打入一個深度為1、孔徑為d的鉆孔2 (如圖1)，其深度視實際勘察要求而定。第二步，制定探測方案；根據(jù)隧道施工的要求與現(xiàn)場的實際情況，初步制定雷達探測方案，確定雷達發(fā)射天線3在鉆孔I內(nèi)每次發(fā)射雷達波信號之間的間隔(如圖3)，以及雷達接收天線4在隧道掌子面I上自動傳動的相關(guān)速度參數(shù)。第三步，雷達發(fā)射天線3的布設(shè)；把每節(jié)長度為X的雷達發(fā)射天線3遞送套管6 —節(jié)一節(jié)地，通過遞送套管6兩端的卡槽8 (如圖5)拼接向鉆孔I深部插入，直到插入鉆孔I的最深處，然后把雷達發(fā)射天線3固定到遞送車5上(如圖6)，遞送車5的輪子插入遞送套管6的輪槽7中，遞送套管6起導向作用，方便遞送車5在遞送套管6中較平穩(wěn)地向深部移動，并根據(jù)步驟二確定的雷達發(fā)射天線3的間距，在遞送車5的尾部不斷拼接長度為y遞送桿25 (如圖7)，遞送距離m=n*y，其中η為遞送桿25的個數(shù)，并遞送桿25連接到遞送動力裝置上。第四步，雷達接收天線4的布設(shè)；首先把雷達接收天線4固定到傳動車13 (如圖9)上，雷達接收天線4的固定是通過傳動車13上的卡槽8和彈簧板20 (如圖10)實現(xiàn)的，雷達接收天線4固定好后，把傳動車13安裝到傳動軌道14 (如圖11)中，然后在隧道掌子面I上，按照“360°輻射狀接收測線”測線的布設(shè)規(guī)則(如圖1)固定傳動軌道14。第五步，設(shè)備的連接；雷達發(fā)射天線3和雷達接收天線4通過電纜與雷達主機連接，雷達主機通過電源線與蓄電池24連接，同時雷達主機通過通信電纜與計算機連接，并且遞送動力裝置和傳動車13通過通信電纜與控制主機23連接，控制主機23通過電源線與蓄電池24連接(如圖12 )，并保證設(shè)備的連接過程中處于斷電狀態(tài)。第六步，數(shù)據(jù)的采集；當保證設(shè)備都連接正確后，打開雷達主機電源以及計算機，然后打開控制主機23，根據(jù)步驟二確定的雷達發(fā)射天線3間隔和雷達接收天線4傳動速度，由控制主機23向雷達發(fā)射天線遞送裝置發(fā)送指令，使其移動到鉆孔2某一深度，在該位置固定停止，并發(fā)射雷達波，然后由控制主機23向雷達接收天線遞送裝置發(fā)送指令，使得雷達接收天線4沿著導軌以預(yù)設(shè)的速度移動，在移動過程中接收雷達波，完成一條輻射狀測線后，將雷達接收天線導軌由人工轉(zhuǎn)動到另一條輻射狀測線進行測量，將輻射狀測線測量完畢后，即完成了一個探測循環(huán)，如圖13 (a)、13 (b)、13 (c)所示；第七步，數(shù)據(jù)的循環(huán)采集；當?shù)谝粋€發(fā)射采集循環(huán)結(jié)束后，由控制主機23控制雷達發(fā)射天線3沿鉆孔2深度以一定的間距移動到下一個位置，執(zhí)行下一個探測循環(huán)，直至探測完畢；第八步，數(shù)據(jù)的預(yù)處理；包括:1、對原始雷達數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)編輯，其中即對原始雷達數(shù)據(jù)依次進行數(shù)據(jù)合并、廢道剔除、測線方向一致化、漂移處理；2、對雷達數(shù)據(jù)進行濾波處理，去除隨機噪聲的干擾等；第九步，雷達探測剖面波速層析反演成像計算；對預(yù)處理后的雷達數(shù)據(jù)進行反演計算，把每個測線剖面的雷達圖像建立網(wǎng)格，對于第η條射線上的第j個網(wǎng)格，每次反演迭代的慢度修正量Ciu.可由下式計算得到:[0052]
權(quán)利要求1.一種隧道單孔地質(zhì)雷達三維精細化成像天線遞送和傳動裝置，其特征是，它包括發(fā)射天線的遞送裝置和接收天線的傳動裝置，發(fā)射天線的遞送裝置和接收天線的傳動裝置均與綜合控制系統(tǒng)連接，綜合控制系統(tǒng)與供電裝置連接。
2.如權(quán)利要求1所述隧道單孔地質(zhì)雷達三維精細化成像天線遞送和傳動裝置，其特征是，所述發(fā)射天線的遞送裝置包括遞送套管、遞送車、遞送桿和遞送動力裝置，所述遞送套管兩端設(shè)有卡槽，所述遞送套管中設(shè)有與遞送車車輪配套的輪槽，遞送車車輪卡在輪槽內(nèi)，所述遞送車上設(shè)有天線固定裝置，在遞送車的末尾設(shè)有一個螺口，遞送桿的兩端分別設(shè)有螺口，遞送桿的螺口與遞送車的螺口連接，遞送桿與遞送動力裝置連接。
3.如權(quán)利要求2所述隧道單孔地質(zhì)雷達三維精細化成像天線遞送和傳動裝置，其特征是，所述遞送動力裝置為電機，遞送動力裝置設(shè)在鉆孔外面。
4.如權(quán)利要求1所述隧道單孔地質(zhì)雷達三維精細化成像天線遞送和傳動裝置，其特征是，所述接收天線的傳動裝置包括傳動車和傳動軌道，傳動車與傳動軌道配合使用。
5.如權(quán)利要求4所述隧道單孔地質(zhì)雷達三維精細化成像天線遞送和傳動裝置，其特征是，所述傳動車前端設(shè)有雷達接收天線的卡槽，卡槽的一側(cè)設(shè)有程控電機，所述傳動車末端設(shè)有彈簧擋板裝置，所述彈簧擋板裝置包括彈簧板，彈簧板卡在彈板卡槽內(nèi)，彈簧板通過彈簧與傳動車末端連接，傳動車末端設(shè)有翻蓋板，在天線卡槽和彈簧板之間設(shè)有接收天線，所述傳動車的車輪為齒輪狀車輪，所述傳動軌道上設(shè)有輪槽，所述輪槽具有與傳動車車輪相吻合的齒輪狀結(jié)構(gòu)。
6.如權(quán)利要求4或5所述隧道單孔地質(zhì)雷達三維精細化成像天線遞送和傳動裝置，其特征是，所述傳動軌道固定在隧道掌子面上，隧道掌子面上設(shè)有若干條測線，以鉆孔為中心向外輻射的每一個方向均為一條測線，傳動軌道沿測線方向固定安裝。
7.如權(quán)利要求6所述隧道單孔地質(zhì)雷達三維精細化成像天線遞送和傳動裝置，其特征是，所述在隧道掌子面上設(shè)有六條測線，相鄰兩條測線之間的夾角為60°。
8.如權(quán)利要求1所述隧道單孔地質(zhì)雷達三維精細化成像天線遞送和傳動裝置，其特征是，所述綜合控制系統(tǒng)包括控制主機和蓄電池，所述控制主機用于控制遞送動力裝置和傳動車，所述控制主機分別通過控制遞送動力裝置和傳動車上的程控電機，從而控制發(fā)射天線的遞送裝置中的遞送桿的傳送距離以及傳動車在傳動軌道上的運動速度，所述蓄電池用于給控制主機供電。
專利摘要本實用新型公開了一種隧道單孔地質(zhì)雷達三維精細化成像天線遞送和傳動裝置，其特征是，它包括發(fā)射天的遞送裝置和接收天線的傳動裝置，發(fā)射天的遞送裝置和接收天線的傳動裝置均與綜合控制系統(tǒng)連接，綜合控制系統(tǒng)與供電裝置連接。本實用新型采用全方位、全空間、多探測剖面、全自動的數(shù)據(jù)采集模式，實施三維全空間雷達波數(shù)據(jù)反演解譯方法，改變了傳統(tǒng)的探地雷探測方式及數(shù)據(jù)采集方式，并且接收到的雷達波信號為低損耗、低干擾的，獲得的信號更為精確，獲得的數(shù)據(jù)量更為豐富，能夠獲得工作面前方一定范圍內(nèi)地質(zhì)體的種類、大小以及空間位置等信息，可實現(xiàn)地質(zhì)異常體的高分辨率成像，為實現(xiàn)地下工程施工期高分辨率超前預(yù)報提供了可行的途徑。
文檔編號G01S13/89GK203164436SQ20132000962
公開日2013年8月28日 申請日期2013年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月9日
發(fā)明者徐磊, 李術(shù)才, 劉斌, 宋杰, 孔凡年, 聶利超, 林春金, 劉征宇, 孫懷鳳, 王傳武, 許新驥, 郝亭宇, 周浩, 李樹忱, 張慶松 申請人:山東大學