一種用于隧道超前地質(zhì)探測(cè)的單孔定向地質(zhì)雷達(dá)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于隧道超前地質(zhì)探測(cè)的單孔定向地質(zhì)雷達(dá)；它包括包括雷達(dá)天線外殼、高性能發(fā)射天線、正交定向接收天線和電磁波發(fā)射、接收及處理電路，雷達(dá)天線外殼的前后兩端分別通過(guò)固定或者活動(dòng)方式加裝前、后保護(hù)罩，雷達(dá)天線外殼內(nèi)部裝有發(fā)射電磁波的高性能發(fā)射天線、正交定向接收天線和電磁波發(fā)射、接收及處理電路，正交定向接收天線將接收到的電磁波送入電磁波接收電路，再將電磁波送入電磁波處理電路，正交定向接收天線本體采用隔板分成4份，每份內(nèi)設(shè)置一個(gè)接收天線單元，形成具有相位差的四個(gè)獨(dú)立的接收單元；本發(fā)明的有益效果：可實(shí)現(xiàn)鉆孔周圍一定范圍內(nèi)地質(zhì)情況的精細(xì)探查和方位角的準(zhǔn)確定位。
【專利說(shuō)明】 一種用于隧道超前地質(zhì)探測(cè)的單孔定向地質(zhì)雷達(dá)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種單孔定向地質(zhì)雷達(dá)，尤其涉及一種用于隧道超前地質(zhì)探測(cè)的單孔定向地質(zhì)雷達(dá)。
【背景技術(shù)】
[0002]鉆孔雷達(dá)方法是一種確定地下介質(zhì)分布的廣譜電磁技術(shù)，將發(fā)射天線和接收天線都放置在同一鉆孔中且間距固定，根據(jù)接收端電磁波的雙程走時(shí)、振幅和波形資料，可以推測(cè)出地下巖土介質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征。鉆孔雷達(dá)的解譯是在數(shù)據(jù)處理后所得的地質(zhì)雷達(dá)圖像剖面中，根據(jù)反射波組的波形與強(qiáng)度特征，通過(guò)同相軸的追蹤，確定反射波組的地質(zhì)特征。超前地質(zhì)鉆孔雷達(dá)被視為一種精細(xì)化超前預(yù)報(bào)方法，常用于隧道超前地質(zhì)探測(cè)中。隧道超前地質(zhì)探測(cè)是利用鉆探等手段，力圖在施工前掌握前方的巖石土體結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、狀態(tài)，以及地下水、瓦斯等的賦存情況和地應(yīng)力情況等地質(zhì)信息，為進(jìn)一步施工提供指導(dǎo)并避免發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，保證施工安全、順利進(jìn)行。
[0003]鉆孔雷達(dá)常用天線為偶極子天線，它能輻射和接收來(lái)自360°空間的信號(hào)，一般情況下利用單孔雷達(dá)測(cè)得的數(shù)據(jù)很難確定反射體的方位，而只能確定反射體的距離，因此大大降低了單孔鉆孔雷達(dá)的實(shí)用性，導(dǎo)致單孔鉆孔雷達(dá)在實(shí)際應(yīng)用中至今未得到認(rèn)可和推廣。為了估計(jì)反射體的方位，至少需要2個(gè)鉆孔的數(shù)據(jù)，而在工程現(xiàn)場(chǎng)，往往由于空間和時(shí)間因素的限制，僅能在單個(gè)鉆孔中進(jìn)行測(cè)量，因此迫切需要一種單孔定向鉆孔雷達(dá)，為工程實(shí)踐提供新的解決方法。
[0004]上世紀(jì)80年代初開始，國(guó)際上許多機(jī)構(gòu)開始研究鉆孔地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)與儀器。瑞典MALA公司研制出了 RAMAC單孔鉆孔定向雷達(dá)，RAMAC雷達(dá)采用了多根接收天線并通過(guò)光纖與雷達(dá)主機(jī)進(jìn)行通信，但是由于鉆孔很深，在雷達(dá)進(jìn)行光電信號(hào)轉(zhuǎn)換和遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸時(shí)，數(shù)據(jù)延遲等原因不可避免的導(dǎo)致了多路接收信號(hào)傳輸不同步，RAMAC雷達(dá)在系統(tǒng)時(shí)間精度方面存在缺陷，導(dǎo)致在實(shí)際工程中對(duì)異常體的方位角探測(cè)效果并不理想，因此，RAMAC單孔鉆孔定向雷達(dá)未得到推廣而且已經(jīng)停產(chǎn)，而目前世界上沒(méi)有成型的單孔鉆孔定向雷達(dá)設(shè)備。
[0005]綜上所述，單孔鉆孔地質(zhì)雷達(dá)存在以下兩個(gè)問(wèn)題:(1)常規(guī)單孔鉆孔雷達(dá)只能確定反射體的距離，無(wú)法定向給出地質(zhì)異常體的方位角；(2)已有的單孔定向地質(zhì)雷達(dá)在系統(tǒng)時(shí)間精度方面存在問(wèn)題，在實(shí)際工程中定向精度差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的就是為了解決上述問(wèn)題，提供一種用于隧道超前地質(zhì)探測(cè)的單孔定向地質(zhì)雷達(dá)，它具有地質(zhì)異常體角度定位精度高、系統(tǒng)時(shí)間精度高等優(yōu)點(diǎn)。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0008]一種用于隧道超前地質(zhì)探測(cè)的單孔定向地質(zhì)雷達(dá)，包括雷達(dá)天線外殼、高性能發(fā)射天線、正交定向接收天線和電磁波發(fā)射、接收及處理電路，所述雷達(dá)天線外殼的前后兩端分別通過(guò)固定或者活動(dòng)方式加裝前、后保護(hù)罩，所述雷達(dá)天線外殼內(nèi)部裝有發(fā)射電磁波的高性能發(fā)射天線、正交定向接收天線和電磁波發(fā)射、接收及處理電路，所述正交定向接收天線將接收到的電磁波送入電磁波接收電路，再將所述電磁波送入電磁波處理電路，所述正交定向接收天線本體采用隔板分成4份，每份內(nèi)設(shè)置一個(gè)接收天線單元，形成具有相位差的四個(gè)獨(dú)立的接收單元。
[0009]所述雷達(dá)外殼為玻璃鋼圓筒。
[0010]所述前、后保護(hù)罩均為流線型。
[0011 ] 所述高性能發(fā)射天線采用偶極子發(fā)射天線。
[0012]所述正交定向接收天線包括采用玻璃鋼筒體的天線外殼、經(jīng)隔板分成的四個(gè)鋁質(zhì)材料的接收天線單元和位于隔板交匯處的用于傳輸雷達(dá)波發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)的同軸電纜，所述采用偶極子天線的用電阻加載的接收天線單元外設(shè)有采用絕緣塑料的天線單元外殼，所述隔板采用絕緣塑料。
[0013]所述偶極子天線中每根天線長(zhǎng)度為1/4波長(zhǎng)，中間為高介電常數(shù)的填充介質(zhì)，兩對(duì)偶極子天線正交放置。
[0014]所述雷達(dá)電磁波發(fā)射電路包括MCU控制單元1、正弦波發(fā)生器、放大器、頻率采樣電路、調(diào)制電路、同步控制電路、功率放大器和發(fā)射天線，采用MCU控制單元I控制正弦波發(fā)生器產(chǎn)生寬頻段可變化的正弦波信號(hào)，通過(guò)放大器對(duì)所述正弦波信號(hào)進(jìn)行放大，并通過(guò)頻率采樣電路反饋到MCU控制單元I調(diào)整正弦波信號(hào)頻率；同時(shí)MCU控制單元I通過(guò)同步控制調(diào)制電路產(chǎn)生脈寬信號(hào)調(diào)制，將載波調(diào)制成脈沖信號(hào)并經(jīng)過(guò)兩級(jí)功率放大器輸入到發(fā)射天線。
[0015]所述雷達(dá)電磁波接收和處理電路包括4路獨(dú)立的接收單元、I個(gè)MCU控制單元II和I個(gè)FPGA處理單元，電磁波反射的信號(hào)經(jīng)過(guò)4路獨(dú)立的接收單元，再經(jīng)4路調(diào)諧、濾波、取樣和放大電路接收到對(duì)應(yīng)發(fā)射頻率的回波，MCU控制單元II調(diào)節(jié)調(diào)諧電路的參數(shù)，螺旋濾波器對(duì)高頻反射信號(hào)進(jìn)行濾波，再通過(guò)高頻放大器進(jìn)行信號(hào)放大，然后送入差頻取樣電路，差頻采樣電路對(duì)高頻信號(hào)與MCU控制觸發(fā)控制器產(chǎn)生的220Hz本振信號(hào)進(jìn)行混頻輸出中頻信號(hào)，中頻信號(hào)經(jīng)低頻放大器放大后再進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果送入MCU控制單元II進(jìn)行處理。
[0016]所述FPGA處理單元采用基于FPGA的高速處理器和4路同步A/D轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)方案，并使用數(shù)字電路同步邏輯技術(shù)和FIFO數(shù)據(jù)緩沖技術(shù)，F(xiàn)PGA處理單元對(duì)A/D采樣轉(zhuǎn)換器后的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存和預(yù)處理，并通過(guò)通信光纜將預(yù)處理后的數(shù)字信號(hào)傳輸至工控上位機(jī)。
[0017]利用上述用于隧道超前地質(zhì)探測(cè)的單孔定向地質(zhì)雷達(dá)，通過(guò)最優(yōu)化理論計(jì)算出不
良地質(zhì)體反射波的入射角，其目標(biāo)函數(shù)如下所示:
【權(quán)利要求】
1.一種用于隧道超前地質(zhì)探測(cè)的單孔定向地質(zhì)雷達(dá)，其特征是，包括雷達(dá)天線外殼、高性能發(fā)射天線、正交定向接收天線和電磁波發(fā)射、接收及處理電路，所述雷達(dá)天線外殼的前后兩端分別通過(guò)固定或者活動(dòng)方式加裝前、后保護(hù)罩，所述雷達(dá)天線外殼內(nèi)部裝有發(fā)射電磁波的高性能發(fā)射天線、正交定向接收天線和電磁波發(fā)射、接收及處理電路，所述正交定向接收天線將接收到的電磁波送入電磁波接收電路，再將所述電磁波送入電磁波處理電路，所述正交定向接收天線本體采用隔板分成4份，每份內(nèi)設(shè)置一個(gè)接收天線單元，形成具有相位差的四個(gè)獨(dú)立的接收單元。
2.如權(quán)利要求1所述一種用于隧道超前地質(zhì)探測(cè)的單孔定向地質(zhì)雷達(dá)，其特征是，所述雷達(dá)外殼為玻璃鋼圓筒。
3.如權(quán)利要求1所述一種用于隧道超前地質(zhì)探測(cè)的單孔定向地質(zhì)雷達(dá)，其特征是，所述前、后保護(hù)罩均為流線型。
4.如權(quán)利要求1所述一種用于隧道超前地質(zhì)探測(cè)的單孔定向地質(zhì)雷達(dá)，其特征是，所述高性能發(fā)射天線采用偶極子發(fā)射天線。
5.如權(quán)利要求1所述一種用于隧道超前地質(zhì)探測(cè)的單孔定向地質(zhì)雷達(dá)，其特征是，所述正交定向接收天線包括采用玻璃鋼筒體的天線外殼、經(jīng)隔板分成的四個(gè)鋁質(zhì)材料的接收天線單元和位于隔板交匯處的用于傳輸雷達(dá)波發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)的同軸電纜，所述采用偶極子天線的用電阻加載的接收天線單元外設(shè)有采用絕緣塑料的天線單元外殼，所述隔板采用絕緣塑料。
6.如權(quán)利要求5所述一種用于隧道超前地質(zhì)探測(cè)的單孔定向地質(zhì)雷達(dá)，其特征是，所述偶極子天線中每根天線長(zhǎng)度為1/4波長(zhǎng)，中間為高介電常數(shù)的填充介質(zhì)，兩對(duì)偶極子天線正交放置。
7.如權(quán)利要求1所述一種用于隧道超前地質(zhì)探測(cè)的單孔定向地質(zhì)雷達(dá)，其特征是，所述雷達(dá)電磁波發(fā)射電路包括MCU控制單元1、正弦波發(fā)生器、放大器、頻率采樣電路、調(diào)制電路、同步控制電路、功率放大器和發(fā)射天線，采用MCU控制單元I控制正弦波發(fā)生器產(chǎn)生寬頻段可變化的正弦波信號(hào)，通過(guò)放大器對(duì)所述正弦波信號(hào)進(jìn)行放大，并通過(guò)頻率采樣電路反饋到MCU控制單元I調(diào)整正弦波信號(hào)頻率；同時(shí)MCU控制單元I通過(guò)同步控制調(diào)制電路產(chǎn)生脈寬信號(hào)調(diào)制，將載波調(diào)制成脈沖信號(hào)并經(jīng)過(guò)兩級(jí)功率放大器輸入到發(fā)射天線。
8.如權(quán)利要求1所述一種用于隧道超前地質(zhì)探測(cè)的單孔定向地質(zhì)雷達(dá)，其特征是，所述雷達(dá)電磁波接收和處理電路包括4路獨(dú)立的接收單元、I個(gè)MCU控制單元II和I個(gè)FPGA處理單元，電磁波反射的信號(hào)經(jīng)過(guò)4路獨(dú)立的接收單元，再經(jīng)4路調(diào)諧、濾波、取樣和放大電路接收到對(duì)應(yīng)發(fā)射頻率的回波，MCU控制單元II調(diào)節(jié)調(diào)諧電路的參數(shù)，螺旋濾波器對(duì)高頻反射信號(hào)進(jìn)行濾波，再通過(guò)高頻放大器進(jìn)行信號(hào)放大，然后送入差頻取樣電路，差頻采樣電路對(duì)高頻信號(hào)與MCU控制觸發(fā)控制器產(chǎn)生的220Hz本振信號(hào)進(jìn)行混頻輸出中頻信號(hào)，中頻信號(hào)經(jīng)低頻放大器放大后再進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果送入MCU控制單元II進(jìn)行處理。
9.如權(quán)利要求7所述一種用于隧道超前地質(zhì)探測(cè)的單孔定向地質(zhì)雷達(dá)，其特征是，所述FPGA處理單元采用基于FPGA的高速處理器和4路同步A/D轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)方案，F(xiàn)PGA處理單元對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器采樣后的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存和預(yù)處理，并通過(guò)通信光纜將預(yù)處理后的數(shù)字信號(hào)傳輸至工控上位機(jī)。
10.如權(quán)利要求1所述一種用于隧道超前地質(zhì)探測(cè)的單孔定向地質(zhì)雷達(dá)，其特征是，通過(guò)最優(yōu)化理論計(jì)算出不良地質(zhì)體反射波的入射角，其目標(biāo)函數(shù)如下所示:
【文檔編號(hào)】G01V3/12GK103728668SQ201410007190
【公開日】2014年4月16日 申請(qǐng)日期:2014年1月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月7日
【發(fā)明者】李術(shù)才, 李堯, 劉斌, 徐磊, 聶利超, 孫懷鳳, 劉征宇, 宋杰, 林春金, 孟晗, 趙相浩, 牛健 申請(qǐng)人:山東大學(xué)