[发明专利]一种井下地质探测雷达用定向偶极子天线

说明书

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Ф110mm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。