CN103728668B - 一种用于隧道超前地质探测的单孔定向地质雷达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于隧道超前地质探测的单孔定向地质雷达；它包括雷达天线外壳、高性能发射天线、正交定向接收天线和电磁波发射、接收及处理电路，雷达天线外壳的前后两端分别通过固定或者活动方式加装前、后保护罩，雷达天线外壳内部装有发射电磁波的高性能发射天线、正交定向接收天线和电磁波发射、接收及处理电路，正交定向接收天线将接收到的电磁波送入电磁波接收电路，再将电磁波送入电磁波处理电路，正交定向接收天线本体采用隔板分成4份，每份内设置一个接收天线单元，形成具有相位差的四个独立的接收单元；本发明的有益效果：可实现钻孔周围一定范围内地质情况的精细探查和方位角的准确定位。

Description

一种用于隧道超前地质探测的单孔定向地质雷达

技术领域

本发明涉及一种单孔定向地质雷达，尤其涉及一种用于隧道超前地质探测的单孔定向地质雷达。

背景技术

钻孔雷达方法是一种确定地下介质分布的广谱电磁技术，将发射天线和接收天线都放置在同一钻孔中且间距固定，根据接收端电磁波的双程走时、振幅和波形资料，可以推测出地下岩土介质的结构特征。钻孔雷达的解译是在数据处理后所得的地质雷达图像剖面中，根据反射波组的波形与强度特征，通过同相轴的追踪，确定反射波组的地质特征。超前地质钻孔雷达被视为一种精细化超前预报方法，常用于隧道超前地质探测中。隧道超前地质探测是利用钻探等手段，力图在施工前掌握前方的岩石土体结构、性质、状态，以及地下水、瓦斯等的赋存情况和地应力情况等地质信息，为进一步施工提供指导并避免发生地质灾害，保证施工安全、顺利进行。

钻孔雷达常用天线为偶极子天线，它能辐射和接收来自360°空间的信号，一般情况下利用单孔雷达测得的数据很难确定反射体的方位，而只能确定反射体的距离，因此大大降低了单孔钻孔雷达的实用性，导致单孔钻孔雷达在实际应用中至今未得到认可和推广。为了估计反射体的方位，至少需要2个钻孔的数据，而在工程现场，往往由于空间和时间因素的限制，仅能在单个钻孔中进行测量，因此迫切需要一种单孔定向钻孔雷达，为工程实践提供新的解决方法。

上世纪80年代初开始，国际上许多机构开始研究钻孔地质雷达探测技术与仪器。瑞典MALA公司研制出了RAMAC单孔钻孔定向雷达，RAMAC雷达采用了多根接收天线并通过光纤与雷达主机进行通信，但是由于钻孔很深，在雷达进行光电信号转换和远距离信号传输时，数据延迟等原因不可避免的导致了多路接收信号传输不同步，RAMAC雷达在系统时间精度方面存在缺陷，导致在实际工程中对异常体的方位角探测效果并不理想，因此，RAMAC单孔钻孔定向雷达未得到推广而且已经停产，而目前世界上没有成型的单孔钻孔定向雷达设备。

综上所述，单孔钻孔地质雷达存在以下两个问题：(1)常规单孔钻孔雷达只能确定反射体的距离，无法定向给出地质异常体的方位角；(2)已有的单孔定向地质雷达在系统时间精度方面存在问题，在实际工程中定向精度差。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种用于隧道超前地质探测的单孔定向地质雷达，它具有地质异常体角度定位精度高、系统时间精度高等优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于隧道超前地质探测的单孔定向地质雷达，包括雷达外壳、高性能发射天线、正交定向接收天线和电磁波发射、接收及处理电路，所述雷达外壳的前后两端分别通过固定或者活动方式加装前、后保护罩，所述雷达外壳内部装有发射电磁波的高性能发射天线、正交定向接收天线和电磁波发射、接收及处理电路，所述正交定向接收天线将接收到的电磁波送入电磁波接收电路，再将所述电磁波送入电磁波处理电路，所述正交定向接收天线本体采用隔板分成4份，每份内设置一个接收天线单元，形成具有相位差的四个独立的接收单元。

所述雷达外壳为玻璃钢圆筒。

所述前、后保护罩均为流线型。

所述高性能发射天线采用偶极子发射天线。所述正交定向接收天线包括采用玻璃钢筒体的天线外壳、经隔板分成的四个铝质材料的接收天线单元和位于隔板交汇处的用于传输雷达波发射信号和接收信号的同轴电缆，所述采用偶极子天线的用电阻加载的接收天线单元外设有采用绝缘塑料的天线单元外壳，所述隔板采用绝缘塑料。

所述偶极子天线中每根天线长度为1/4波长，中间为高介电常数的填充介质，两对偶极子天线正交放置。

所述雷达电磁波发射电路包括MCU控制单元I、正弦波发生器、放大器、频率采样电路、调制电路、同步控制电路、功率放大器和发射天线，采用MCU控制单元I控制正弦波发生器产生宽频段可变化的正弦波信号，通过放大器对所述正弦波信号进行放大，并通过频率采样电路反馈到MCU控制单元I调整正弦波信号频率；同时MCU控制单元I通过同步控制调制电路产生脉宽信号调制，将载波调制成脉冲信号并经过两级功率放大器输入到发射天线。

所述雷达电磁波接收和处理电路包括4路独立的接收单元、1个MCU控制单元II和1个FPGA处理单元，电磁波反射的信号经过4路独立的接收单元，再经4路调谐、滤波、取样和放大电路接收到对应发射频率的回波，MCU控制单元II调节调谐电路的参数，螺旋滤波器对高频反射信号进行滤波，再通过高频放大器进行信号放大，然后送入差频取样电路，差频采样电路对高频信号与MCU控制触发控制器产生的220Hz本振信号进行混频输出中频信号，中频信号经低频放大器放大后再进入A/D转换器转换，转换结果送入MCU控制单元II进行处理。

所述FPGA处理单元采用基于FPGA的高速处理器和4路同步A/D转换器的设计方案，并使用数字电路同步逻辑技术和FIFO数据缓冲技术，FPGA处理单元对A/D采样转换器后的数据进行储存和预处理，并通过通信光缆将预处理后的数字信号传输至工控上位机。

利用上述用于隧道超前地质探测的单孔定向地质雷达，通过最优化理论计算出不良地质体反射波的入射角，其目标函数如下所示：

$\mathrm{\Φ}\left({\mathrm{\α}}_i\right)=\underset{i=i_1}{\overset{i_2}{\Σ}}{(v_i{\mathrm{cos\α}}_i+h_i{\mathrm{sin\α}}_i)}^2$

其中Φ为最大能量，α为反射波的入射角，v为在钻孔垂直面上的信号，h为在钻孔长度方向上的信号，i为第i次取样。

本发明的有益效果：

1 本发明设计了一种基于正交定向接收天线的单孔定向地质雷达的设计方案，由4根独立的偶极子接收天线单元组成，通过测取四者的相位差等信息，可实现钻孔周围一定范围内地质情况的精细探查和方位角的准确定位；

2 本发明在雷达天线内部集成雷达信号发射、接收、数字信号转换和处理模块，使用高速A/D采集雷达接收到的信号，通过高速FPGA对数据进行储存和预处理，最后通过光缆将预处理后的抗干扰的数字信号传输至上位机，最大限度的减少了高频模拟信号在传输时可能受到的干扰，并且减少了数据传输量以及长距离信号传输可能造成的信号延迟，保证雷达探测系统具有很高的时间测量精度，从而保证了地质异常体角度定位的精度；

3 本发明的雷达信号触发电路采用MCU控制单元，通过频率采样模块反馈到MCU控制单元调整正弦波信号频率，实现发生频率精确可控，可以根据实际情况使雷达工作在最佳频率下；雷达信号接收电路中，MCU控制单元可以调节调谐电路的参数，最大限度的提高雷达信号的接收灵敏度。

附图说明

图1为本发明正交定向接收天线结构示意图；

图2为本发明正交定向接收天线横截面图；

图3为本发明电磁波触发电路原理框图；

图4为本发明电磁波接收和处理电路原理框图；

图5为本发明整体结构示意图。

图中：1.天线外壳，2.隔板，3.填充介质，4.天线单元外壳，5.天线单元，6.同轴电缆，7.正弦波发生器，8.放大器，9.调制电路，10.功率放大器，11.同步控制电路，12.频率采样电路，13.MCU控制单元I，14.发射天线，15.接收单元，16.调谐电路，17.螺旋滤波器，18.高频放大器，19.差频取样电路，20.低频放大器，21.A/D转换器，22.FPGA处理单元，23.通信光缆I，24.工控上位机，25.MCU控制单元II，26.触发控制器，27.雷达外壳前保护罩，28.雷达外壳，29.雷达外壳后保护罩，30.正交定向接收天线，31.高性能发射天线，32.电磁波发射、接收及处理电路，33.螺纹，34.通信光缆II，35.泡沫材料。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

一种用于隧道超前地质探测的单孔定向地质雷达，如图5所示，包括雷达外壳28、高性能发射天线31、正交定向接收天线30和电磁波发射、接收及处理电路32，所述雷达外壳28的前后两端分别通过通过螺纹33加装雷达外壳前保护罩27、雷达外壳后保护罩29，以方便安装和拆卸，所述雷达外壳28外面加装一层具有缓冲作用的柔软泡沫材料35，可以起到防止玻璃钢外壳磨损和被异物压坏的作用，所述雷达外壳28内部装有发射电磁波的高性能发射天线31、正交定向接收天线30和电磁波发射、接收及处理电路32，所述正交定向接收天线30将接收到的电磁波送入电磁波接收电路，再将所述电磁波送入电磁波处理电路，所述正交定向接收天线30本体采用隔板2分成4份，每份内设置一个接收天线单元5，形成具有相位差的四个独立的接收单元，并通过通信光缆II34与工控上位机24进行通信。

所述雷达外壳28为玻璃钢圆筒。

所述雷达外壳前保护罩27和雷达外壳后保护罩29均为流线型，可以起到防水和阻止异物进入雷达内部的作用，最大限度的对雷达部分进行保护并减少雷达在钻孔中被卡住的可能性。

所述高性能发射天线31采用偶极子发射天线。

所述正交定向接收天线，如图1和图2所示，包括采用玻璃钢筒体的天线外壳1、经隔板2分成的四个铝质材料的接收天线单元5和位于隔板2交汇处的用于传输雷达波发射信号和接收信号的同轴电缆6，所述采用偶极子天线的用电阻加载的接收天线单元5外设有采用绝缘塑料的天线单元外壳4，以增加频带宽度，天线发射频率为200～300MHz，所述隔板2采用绝缘塑料，通过4个独立天线接收单元接收经过地质体响应后的电磁波相位差信息，可以得出地质异常体的方位角信息。

所述偶极子天线中每根天线长度为1/4波长，中间为高介电常数的填充介质3，TiO2粉末，其相对介电常数为110，以增加天线单元间的等效长度，减小天线尺寸，两对偶极子天线正交放置，对四个天线单元5进行适当馈电，可将四个天线单元5在钻孔的垂直面上综合成一环形天线，因此在钻孔的垂直面上具有方向性。在钻孔的长度方向上，天线单元5长度选为对应中心频率的半波长，因此接收天线在包含钻孔的平面上也有方向性。对于定向天线，由于要记录小的相位差，时间或频率精度就显得尤其重要，对天线的要求主要是定向和宽带。例如所述天线单元外壳4采用绝缘塑料，所述天线单元5采用铝质材料，所述天线单元5用电阻加载，以增加频带宽度，天线发射频率为200～300MHz。通过4个独立天线接收单元接收经过地质体响应后的电磁波相位差信息，可以得出地质异常体的方位角信息。

所述雷达电磁波发射电路包括MCU控制单元I 13、正弦波发生器7、放大器8、频率采样电路12、调制电路9、同步控制电路11、功率放大器10和发射天线14，采用MCU控制单元I13控制正弦波发生器7产生宽频段可变化的正弦波信号，通过放大器8对所述正弦波信号进行放大，并通过频率采样电路12反馈到MCU控制单元I 13调整正弦波信号频率，实现发生频率精确可控；同时MCU控制单元I 13通过同步控制调制电路11产生脉宽信号调制，将载波调制成脉冲信号并经过两级功率放大器10输入到发射天线14，实现电磁波的发射。

所述雷达电磁波接收和处理电路，如图4所示，包括4路独立的接收单元15、1个MCU控制单元II 25和1个FPGA处理单元22，电磁波反射的信号经过4路独立的接收单元15，再经4路调谐、滤波、取样和放大电路接收到对应发射频率的回波，MCU控制单元II 25根据发射电磁波的频率调节调谐电路16的参数，螺旋滤波器17对高频反射信号进行滤波，滤除干扰噪声，再通过高频放大器18进行信号放大，然后信号送入差频取样电路19，差频采样电路19对高频信号与MCU控制触发控制器26产生的220Hz本振信号进行混频输出中频信号，中频信号经低频放大器20放大以提高整机灵敏度，之后再进入A/D转换器21转换，转换结果送入MCU控制单元II 25进行处理，同时MCU对触发控制器26进行反馈控制。

所述FPGA处理单元22采用基于FPGA的高速处理器和4路同步A/D转换器21的设计方案，并使用数字电路同步逻辑技术和FIFO数据缓冲技术，所述A/D转换器21采用大于等于12bit 1GHz的采集模块，以提高雷达的时间测量精度，所述FPGA处理器选用高速FPGA并外扩大容量SRAM以处理A/D转换器21产生的巨大数据量，FPGA处理单元22对A/D转换器21采样后的数据进行储存和预处理，并通过通信光缆I 23将预处理后的数字信号传输至工控上位机24，节约了数据传输到主机的时间，因此可以使用更高的数据采样率，从而提高了4根独立天线单元的相位差的测量精度，进而保证地质异常体角度定位的精度。

由于不良地质体的方位角等价于发现不良地质体反射波的入射角，来自定向天线的信号具有较低的信噪比，通过最优化理论计算出不良地质体反射波的入射角，其目标函数如下所示，从而可实现对不良地质体的精确定位：

$\mathrm{\Φ}\left({\mathrm{\α}}_i\right)=\underset{i=i_1}{\overset{i_2}{\Σ}}{(v_i{\mathrm{cos\α}}_i+h_i{\mathrm{sin\α}}_i)}^2$

其中Φ为最大能量，α为反射波的入射角，v为在钻孔垂直面上的信号，h为在钻孔长度方向上的信号，i为第i次取样。

利用上述雷达的探测方法，其特征是，采用由四个独立的接收单元组合而成的正交定向接收天线30，通过对四者之间的相位差等信息进行优化计算提取方位角信息；在天线内部集成雷达信号发射、信号接收和处理电路，减少信号传输延迟，提高系统的时间精度。

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。

Claims (8)

1.一种用于隧道超前地质探测的单孔定向地质雷达，其特征是，包括雷达外壳、高性能发射天线、正交定向接收天线和电磁波发射、接收及处理电路，所述雷达外壳的前后两端分别通过固定或者活动方式加装前、后保护罩，所述雷达外壳内部装有发射电磁波的高性能发射天线、正交定向接收天线和电磁波发射、接收及处理电路，所述正交定向接收天线将接收到的电磁波送入电磁波接收电路，再将所述电磁波送入电磁波处理电路，所述正交定向接收天线本体采用隔板分成4份，每份内设置一个接收天线单元，形成具有相位差的四个独立的接收单元；

所述电磁波发射电路包括MCU控制单元I、正弦波发生器、放大器、频率采样电路、调制电路、同步控制电路、功率放大器和发射天线，采用MCU控制单元I控制正弦波发生器产生宽频段可变化的正弦波信号，通过放大器对所述正弦波信号进行放大，并通过频率采样电路反馈到MCU控制单元I调整正弦波信号频率；同时MCU控制单元I通过同步控制调制电路产生脉宽信号调制，将载波调制成脉冲信号并经过两级功率放大器输入到发射天线；

所述雷达外壳为玻璃钢圆筒。

2.如权利要求1所述一种用于隧道超前地质探测的单孔定向地质雷达，其特征是，所述前、后保护罩均为流线型。

3.如权利要求1所述一种用于隧道超前地质探测的单孔定向地质雷达，其特征是，所述高性能发射天线采用偶极子发射天线。

4.如权利要求1所述一种用于隧道超前地质探测的单孔定向地质雷达，其特征是，所述正交定向接收天线包括采用玻璃钢筒体的天线外壳、经隔板分成的四个铝质材料的接收天线单元和位于隔板交汇处的用于传输雷达波发射信号和接收信号的同轴电缆，所述接收天线单元采用偶极子天线用电阻加载，其外部设有采用绝缘塑料的天线单元外壳，所述隔板采用绝缘塑料。

5.如权利要求4所述一种用于隧道超前地质探测的单孔定向地质雷达，其特征是，所述偶极子天线中每根天线长度为1/4波长，中间为高介电常数的填充介质，两对偶极子天线正交放置。

6.如权利要求1所述一种用于隧道超前地质探测的单孔定向地质雷达，其特征是，所述电磁波接收及处理电路包括4路独立的接收单元、1个MCU控制单元II和1个FPGA处理单元，电磁波反射的信号经过4路独立的接收单元，再经4路调谐、滤波、取样和放大电路接收到对应发射频率的回波，MCU控制单元II调节调谐电路的参数，螺旋滤波器对高频反射信号进行滤波，再通过高频放大器进行信号放大，然后送入差频取样电路，差频采样电路对高频信号与MCU控制触发控制器产生的220Hz本振信号进行混频输出中频信号，中频信号经低频放大器放大后再进入A/D转换器转换，转换结果送入MCU控制单元II进行处理。

7.如权利要求6所述一种用于隧道超前地质探测的单孔定向地质雷达，其特征是，所述FPGA处理单元采用基于FPGA的高速处理器和4路同步A/D转换器的设计方案，FPGA处理单元对A/D转换器采样后的数据进行储存和预处理，并通过通信光缆将预处理后的数字信号传输至工控上位机。

8.如权利要求1所述一种用于隧道超前地质探测的单孔定向地质雷达，其特征是，通过最优化理论计算出不良地质体反射波的入射角，其目标函数如下所示：

$\mathrm{\Φ}\left({\mathrm{\α}}_i\right)=\underset{i=i_1}{\overset{i_2}{\Σ}}{(v_i{\mathrm{cos\α}}_i+h_i{\mathrm{sin\α}}_i)}^2$

其中Φ为最大能量，α为反射波的入射角，v为在钻孔垂直面上的信号，h为在钻孔长度方向上的信号，i为第i次取样。