CN102509900B - 一种井下地质探测雷达用定向偶极子天线 - Google Patents

Abstract

该发明属于井下地质探测雷达用定向偶极子天线，包括：天线壳体，设于壳体内的三根根偶极子天线及绕天线的中心线背靠背对应设置的三个反射板，分别填充于偶极子天线与反射板及壳体之间的低损耗、高损耗及绝缘介质，电缆引出线；各偶极子天线包括两个单极子天线、在各单极子天线的天线头与天线节之间及在各天线节之间分别设有一加载电阻。该发明具有直径小、可深入到1000m以下的深井中探测，发射和接收频率低，探测范围宽、工作频带宽，在0-500M频段内s11曲线十分平坦、且在-10dB以下，在40M-500M频率范围内波动仅为1.6dB；波形主副比值达2.5，尾部振荡很小、主峰10ns以后的拖尾小于主峰的1/40，以及整个系统的生产和使用成本低等特点。

Description

一种井下地质探测雷达用定向偶极子天线

技术领域

本发明属于地质探测雷达用定向偶极子天线，特别是一种井下地质探测雷达用定向偶极子天线，该天线工作在0-500MHz频段、地质探测雷达通过该天线可深入到钻探井内对地层深处进行探测、以便获得地层深处的地质状况或待测资源特性、方位等准确数据，为有关管理及决策部门提供科学依据。 

背景技术

地质探测雷达是一种高效的浅层地球物理探测技术，它通过发射高频脉冲电磁波，利用地下介质电性参数的差异，根据回波的振幅、相位等特征来分析和推断地下介质结构和物质特征。地质探测雷达一般采用的方法都是在地表或者待测体表面进行的，然而由于地下或者待测体内部的结构比较复杂，仅仅依靠这些方法所获得的数据去推断地质或待测资源特性、方位等信息其准确性很难达到要求；应用钻孔雷达进行更深层探测就成为了一种必要手段。天线作为钻孔雷达成像系统的核心部件，直接影响着雷达的探测范围和精度。为了辐射易于识别、保真性好的波形，需要天线具有较宽带宽；同时天线工作频率越低，在岩土中传播距离越远、雷达探测范围越大，从而在带宽足够情况下低频天线就成为一种理想选择。 

然而作为地质探测用的钻探井、其孔径往往较小(孔径一般在Φ110mm左右)，对于定向天线来说、所采用的反射板或者引向器与天线的距离至少需要达到1/4波长，这对于工作在米波的天线来说，井孔的直径远远不够。为解决这一问题，最常见的方法是在天线周围填充高介电常数物质、如水(相对介电常数80)等。然而对于中心频率低至50M天线，其辐射波在水中1/4波长即约166mm，定向天线的直径则将达近400mm，这对于地质钻探井来说其孔径实在太小、也难以达到要求。此外，为了能够识别反射波，必须要求天线辐射波形尾部波纹非常小；在低频下各频率对应波长相差数倍(频率50M波长为150M波长的3倍)，不同频率的电磁能量在反射面上反射相位差比较复杂，从而造成时域电场波形极不整洁，不利于对雷达目标反射波的辨认；对于较小的反射体，雷达反射波幅度很小，如果波形不整洁，则影响雷达对目标的识别。 

常规定向天线、如在《一种用于钻孔中的宽带定向角反射器天线》(“A broadband directional corner reflector antenna for borehole applications”1989年6月26日-30日举行的天线与传播学会国际研讨会出版的《天线与传播学会国际研讨会》论文集中第278-281页，作者Bob M.Duff等)一文公开的一种采用三角形平板叶状偶极子加角反射器的定向天线。该定向天线反射器夹角为90度，振子离反射器夹边32mm；偶极子半振子长108mm、宽27mm，形状为直角三角形(其中一角度为14度)。三角形平板所在平面与角反射器二等分平面共面(即位于角反射器的角平分面上)。偶极子中心相距2.54mm，采用黄铜材料、厚度0.254mm，振子末端加载140欧姆电阻；反射器前端填充TiO₂粉末、相对介电常数110，后端填充射频吸 波泡沫材料。整个天线直径为76mm，装在长318mm、直径83mm套管内；谐振频率475M、带宽300M。该天线在下井使用时需要天线系统作机械旋转、否则只能在一个方向上工作，而当天线位于井深1000m以下时、其系统的旋转则难以实现；此外，该天线采用直角反射器、其结构固然简单，但是将对反射器反射的脉冲波形相位造成严重影响，加之采用末端电阻加载，带内波动较大，带宽较窄，天线辐射脉冲波形的主峰与副峰之比不明显、脉冲波形拖尾较大且持续时间较长，严重影响了对于目标回波的提取；尤其是当目标回波完全淹没在直耦波拖尾震荡之中时将造成回波信号无法提取。 

发明内容

本发明的目的在于针对背景技术存在的缺陷，研究设计一种井下地质探测雷达用定向偶极子天线，该天线可工作在50-500MHz频段，并达到简化天线结构、减小天线直径，有效提高地质雷达的性能、探测范围和效率，以便获得地层深处的地质状况或待测资源特性、方位等准确数据，为有关管理及决策部门提供科学依据等目的。 

本发明的解决方案是针对地质钻探井的特点，采用顺轴向设置三根偶极子天线、每根偶极子天线的内侧设置一反射板以对三个方向实现定向，各偶极子天线与对应的反射板之间、及与壳体之间分别采用不同电导率的介质填充，在确保波形整洁(清晰)的前提下实现波形对称和主副比明显，并有效减小天线直径；同时在各偶极子天线的天线节之间设置加载电阻、以改善天线表面的电流分布及Sll(天线馈电点电压反射系数)曲线的形态，吸收高频分量、降低辐射波形尾部的振荡，并使辐射中心频率向低频段移动；本发明即以此实现其发明目的。因此，本发明井下地质探测雷达用定向偶极子天线包括天线壳体，设于壳体内的偶极子天线、反射板及其填充介质，电缆引出线；关键在于壳体内所设偶极子天线为顺轴向、等间隔(弧度)设置三根，每根偶极子天线的内侧设一个反射板，三个反射板绕天线的中心线背靠背设置，每根偶极子天线包括设于同一轴线上的两个单极子天线、在各单极子天线的天线头与天线节之间以及在各天线节之间分别设有一加载电阻；各天线头与天线节之间连同其加载电阻、以及各天线节之间连同其加载电阻均通过天线节固定套将三者对应固定成一体，而在各偶极子天线与对应的反射板之间填充低损耗介质材料、而与壳体之间填充高损耗介质材料，而在高损耗介质材料与对应的反射板之间及各反射板与反射板之间均通过绝缘介质隔离，三根偶极子天线中的两个单极子天线头分别通过电缆的内、外导线经三个反射板背靠背围成的中心部位(亦即壳体的中心部位)引出。 

上述每根偶极子天线的内侧设一个反射板，所设反射板为内环面呈柱形抛物面的反射板。所述单极子天线，每根单极子天线包括1个天线头及由5-9个柱体形天线节，在天线头与天线节之间的两端面上以及在各天线节之间的两端面上分别设有用于安装加载电阻的座孔及其嵌于各座孔内的加载电阻。而所述各单极子天线的天线头与天线节之间以及在各天线节之间分别设有一加载电阻；当各单极子天线采用1个天线头及7个天线节时、天线头与天线节之 间所加载的电阻阻值为1-2欧姆，各天线节之间所加载的电阻阻值由内至外依次为3-4欧姆、5-7欧姆、8-10欧姆、14-16欧姆、23-27欧姆、55-65欧姆；当各单极子天线采用9个天线节时、前7个加载的电阻阻值与采用1个天线头及7个天线节时对应相同，而后两个天线节之间的电阻阻值则分别为140-160欧姆及280-320欧姆。所述低损耗介质的相对介电常数为7、电导率为0.04-0.06S/m的经掺炭或掺铜粉处理的聚氯乙烯树脂或聚氨酯树脂材料，所述高损耗介质的相对介电常数(电容率)为7、电导率为0.95-1.05S/m的经掺炭或掺铜粉处理的聚氯乙烯树脂或聚氨酯树脂材料。 

本发明由于采用顺轴向设置三根偶极子天线、每根偶极子天线的内侧设置一柱形抛物面反射板以对三个方向实现定向，并可通过比较三个接收天线电压波形幅度，容易将目标H面方位角定位在60度以内；在各天线头与天线节之间及在各天线节之间分段加载电阻来改变天线表面电流分布、吸收高频电磁成分，并使天线辐射波形中心频率向低频移动；在各偶极子天线与对应的反射板之间、及与壳体之间分别采用不同电导率的介质材料填充、在确保波形整洁(清晰)的前提下实现波形对称和突出了主副比。因而，本发明具有直径小(小于90mm)、可深入到1000m以下的深井中探测，并可发射和接收频率很低的电磁波，使雷达具有较大的探测范围；工作频带宽，在50-500M频段内s11曲线十分平坦、且在-10dB以下，在40M-500M频率范围内波动仅为1.6dB；波形主副比突出(比值为2.5)，尾部振荡很小、主峰10ns以后的拖尾小于主峰的1/40，以及整个系统的生产和使用成本低等特点。本发明可作为钻孔雷达中定向发射或者接收天线用。 

附图说明

图1.为本发明定向偶极子天线及具体实施方式所采用各偶极子天线结构示意图； 

图2.为本发明定向偶极子天线横向剖视图(经各偶极子天线A-A部位剖视)； 

图3.为本发明具体实施方式仿真运行的S11(天线馈电点电压反射系数)曲线图(坐标图)； 

图4.为本发明具体实施方式仿真运行的天线辐射的电场波形曲线图(坐标图)。 

图中：1.天线节，2-1.天线头连接固定套、2-2.天线节固定套，3.加载电阻，4.天线头，5.同轴电缆、5-1.(同轴电缆)内导线、5-2.(同轴电缆)外导线，6.壳体，7.反射板，8.低损耗介质填充料，9.高损耗介质填充料，10.绝缘介质填充料。 

具体实施方式

本实施方式：壳体6采用玻璃钢筒体，长为628mm，内、外直径分别为Φ69mm、Φ89mm；本实施方式所设三根偶极子天线中的各单极子天线均由7个直径为Φ6mm、长40mm的铝质圆柱体天线节1组成，两个单极子天线头4相距20mm；各天线头4采用圆锥台天线头，其前(内)端直径Φ2mm、后端直径Φ6mm、长20mm，材质为金属铝；各加载电阻3直径Φ3.5mm、长为15mm圆柱体电阻，其阻值：天线头4与内端天线节之间的阻值为1欧姆、各天线节之间所加 载的电阻阻值由内至外依次为3欧姆、6欧姆、9欧姆、15欧姆、25欧姆、60欧姆；各天线节固定套2-2，长9mm、外径Φ12mm，与加载电阻4及天线节1配合处内径分别为Φ3.5mm及Φ6mm，材质为绝缘塑料；天线头连接固定套2-1材质亦为绝缘塑料、外径Φ12mm、长50mm，内孔两端为与天线头4配合的锥孔、轴向长12mm，内端供电缆内、外导线引出孔的直径Φ2mm；反射板7材料为铝，厚度为1mm、轴向高628mm，120°背靠背紧贴、顺轴向共设三个，内环面采用y＝0.03x²的抛物线方程生成的柱形抛物面；本实施方式三根偶极子天线分别设于相应反射板的轴对称面上、与壳体6的中心线平行、且分别与对应反射板抛物面的顶部相距24mm，各偶极子天线中的两极分别通过电缆的内、外导线经三个反射板7背靠背围成的中心部位(亦即壳体的中心部位)引出；各偶极子天线与对应的反射板之间在以壳体6的中心线为圆心、以27mm为半径所包围区域内填充低损耗介质8，本实施方式低损耗介质填充料8采用经掺炭处理的电导率为0.05S/m的聚氯乙烯树脂；在低损耗介质8与壳体6及绝缘介质填充料10之间填充高损耗介质填充料9、本实施方式高损耗介质填充料采用经掺炭处理的电导率为1.00S/m的聚氯乙烯树脂；而绝缘介质填充料10则采用聚氯乙烯绝缘树脂。 

本实施方式采用中心频率100M、带宽120M、底宽10ns一阶高斯脉冲激励，在相对介电常数为8的岩石背景下进行仿真运行，其中： 

S11(天线馈电点电压反射系数)曲线图非常平坦，在40M-500M频率范围内波动仅为1.6dB，附图3即为该曲线坐标图； 

而天线辐射的电场波形整洁，主副比值为2.5、主峰10ns以后的拖尾小于主峰的1/40，因此波形容易被识别，附图4即为该曲线坐标图。 

Claims (5)

1.一种井下地质探测雷达用定向偶极子天线，包括天线壳体，设于壳体内的偶极子天线、反射板及其填充介质，电缆引出线；其特征在于壳体内所设偶极子天线为顺轴向、等间隔设置三根，每根偶极子天线的内侧设一个反射板，三个反射板绕天线的中心线背靠背设置，每根偶极子天线包括设于同一轴线上的两个单极子天线、在各单极子天线的天线头与天线节之间以及在各天线节之间分别设有一加载电阻；各天线头与天线节之间连同其加载电阻、以及各天线节之间连同其加载电阻均通过天线节固定套将三者对应固定成一体，而在各偶极子天线与对应的反射板之间填充低损耗介质材料、而与壳体之间填充高损耗介质材料，而在高损耗介质材料与对应的反射板之间及各反射板与反射板之间均通过绝缘介质隔离，三根偶极子天线中的两个单极子天线头分别通过电缆的内、外导线经三个反射板背靠背围成的中心部位引出。

2.按权利要求1所述井下地质探测雷达用定向偶极子天线，其特征在于所述反射板为内环面呈柱形抛物面的反射板。

3.按权利要求1所述井下地质探测雷达用定向偶极子天线，其特征在于所述单极子天线，每根单极子天线包括1个天线头及5-9个柱体形天线节，在天线头与天线节之间的两端面上以及在各天线节之间的两端面上分别设有用于安装的座孔及嵌于各座孔内的加载电阻。

4.按权利要求1或3所述井下地质探测雷达用定向偶极子天线，其特征在于所述各单极子天线的天线头与天线节之间以及在各天线节之间分别设有一加载电阻；当各单极子天线采用1个天线头及7个天线节时、天线头与天线节之间所加载的电阻阻值为1-2欧姆，各天线节之间所加载的电阻阻值由内至外依次为3-4欧姆、5-7欧姆、8-10欧姆、14-16欧姆、23-27欧姆、55-65欧姆；当各单极子天线采用9个天线节时、前7个加载的电阻阻值与采用1个天线头及7个天线节时对应相同，而后两个天线节之间的电阻阻值则分别为140-160欧姆及280-320欧姆。

5.按权利要求1所述井下地质探测雷达用定向偶极子天线，其特征在于所述低损耗介质的相对介电常数为7、电导率为0.04-0.06S/m经掺炭或掺铜粉处理的聚氯乙烯树脂或聚氨酯树脂材料，所述高损耗介质的相对介电常数为7、电导率为0.95-1.05S/m经掺炭或掺铜粉处理的聚氯乙烯树脂或聚氨酯树脂材料。

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