CN118327554B - 一种随钻雷达天线搭载装置及随钻雷达天线搭载系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种随钻雷达天线搭载装置及随钻雷达天线搭载系统，涉及地下工程超前预测技术领域,该随钻雷达天线搭载装置包括：设于钻铤(1)的周向的第一刻槽(11)内的发射电磁波的发射天线(10)，设于钻铤(1)的周向的第二刻槽(12)内、接收由电磁波在地质目标上产生的反射信号的接收天线(20)，设于钻铤(1)的第三刻槽(13)内、自接收天线(20)采集反射信号的集成电路板(30)，为集成电路板(30)供电的电源(40)。在深部地下工程建设过程中，钻探的同时采用随钻雷达天线搭载装置对掌子面前方一定范围内的地质进行探测，从而达到钻探过程中随时能够对掌子面前方一定范围内的不良地质进行有效的探测。

Description

一种随钻雷达天线搭载装置及随钻雷达天线搭载系统

技术领域

本发明涉及地下工程超前预测技术领域,具体涉及一种随钻雷达天线搭载装置及随钻雷达天线搭载系统。

背景技术

现阶段深部地下灾害超前预报面临设备自动化程度低、探测深度有限、勘探数据单一且实时性差等诸多现实问题，难以满足精细化探测和灾害主动防治需求，严重制约深部地下空间开发、深地资源开发利用等国家重大战略的实施。

当前隧道工程建设一般采用前期地勘方式形成隧道沿线工程地质初步资料，

而隧道建设工程是一个动态的过程，隧道前方的岩土体结构、性质、状态，以及地下水、瓦斯等的赋存情况、地应力情况等地质信息都有可能因为隧道施工而发生变化，从而与建设前期拿到的地质初步资料存在偏差。所以，采用前期地勘方式形成隧道沿线工程地质初步资料的方式，不可避免的遗漏大量不良地质信息。

在隧道开挖过程中一般采用地震波法、地质雷达法、超前钻探、加深炮孔以及掌子面素描等方式对围岩等级及掌子面前方不良地质赋存情况进行探测，探测范围有限，一般在10m深度以内，若要采用钻孔雷达方式还需要停工-钻孔-探测，影响整体工期，不能及时探明工程地质灾害源并进行超前预处理。

发明内容

本发明实施例提供一种随钻雷达天线搭载装置及随钻雷达天线搭载系统，能够解决现有技术中的采用前期地勘方式形成隧道沿线工程地质初步资料的方式，不可避免的遗漏大量不良地质信息的技术问题。

为达上述目的，一方面，本发明实施例提供一种随钻雷达天线搭载装置，所述的随钻雷达天线搭载装置设于钻铤上，所述的随钻雷达天线搭载装置，包括：

设于所述钻铤的周向的第一刻槽内的发射电磁波的发射天线，设于所述钻铤的周向的第二刻槽内、接收由所述电磁波在地质目标上产生的反射信号的接收天线，

设于所述钻铤的第三刻槽内、自所述接收天线采集所述反射信号的集成电路板，为所述集成电路板供电的电源。

另一方面，本发明实施例提供一种随钻雷达天线搭载系统，包括地面控制系统，以及前述的随钻雷达天线搭载装置，所述的随钻雷达天线搭载装置通过自带的无线传输单元连接于所述地面控制系统。

上述技术方案具有如下有益效果：在深部地下工程建设过程中，钻探的同时，采用随钻雷达天线搭载装置对掌子面前方一定范围内的地质进行探测。探测原理为：发射天线和接收天线均采用雷达天线，在进行工程地质探测时，井孔内的发射天线向井周发射电磁波，当电磁波在传播过程中遇到与地层中存在电性差异的介质(即目标)，如地质分层、空洞、岩石、干冰、裂缝、断裂、破碎带、岩溶和地下水等，电磁波将会发生反射，进而由接收天线接收。地面控制系统，根据反射信号形成底层介质图像，可以呈现出电磁波在传播过程中由于反射、绕射及折射造成的振幅、频率和相位等变化信息，并可用于分析和反演井周目标的位置、大小和相对介电常数等关键参数，从而达到在钻探的过程中随时能够对掌子面前方一定范围内的不良地质进行有效的探测。钻孔后无需取出钻杆，可以直接探测，提高效率，实现一边钻孔一边探测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的随钻雷达天线搭载装置的结构示意图；

图2是本发明实施例的钻铤横截面示意图；

图3是本发明实施例的天线搭载方式示意图；

图4是本发明实施例的天线覆盖范围示意图

图5是本发明实施例的集成电路板示意图。

附图标记表示为：

1、钻铤；11、第一刻槽；12、第二刻槽；13、第三刻槽；

10、发射天线；20、接收天线；30、集成电路板；40、电源；50、吸波材料层；60、第一玻璃钢。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1和图2所示，结合本发明的实施例，提供一种随钻雷达天线搭载装置，所述的随钻雷达天线搭载装置设于钻铤1上，所述的随钻雷达天线搭载装置，包括：

设于所述钻铤1的周向的第一刻槽11内的发射电磁波的发射天线10，设于所述钻铤1的周向的第二刻槽12内、接收由所述电磁波在地质目标上产生的反射信号的接收天线20，

设于所述钻铤1的第三刻槽13内、自所述接收天线20采集所述反射信号的集成电路板30，为所述集成电路板30供电的电源40。

在深部地下工程建设过程中，钻探的同时，采用随钻雷达天线搭载装置对掌子面前方一定范围内的地质进行探测。探测原理为：发射天线10和接收天线20均采用雷达天线，在进行工程地质探测时，井孔内的发射天线10向井周发射电磁波，可为脉冲信号，当电磁波在传播过程中遇到与地层中存在电性差异的介质(即目标)，如地质分层、空洞、岩石、干冰、裂缝、断裂、破碎带、岩溶和地下水等，电磁波将会发生反射，进而由接收天线20接收。地面控制系统，根据反射信号形成底层介质图像，可以呈现出电磁波在传播过程中由于反射、绕射及折射造成的振幅、频率和相位等变化信息，并可用于分析和反演井周目标的位置、大小和相对介电常数等关键参数，从而达到在钻探的过程中随时能够对掌子面前方一定范围内的不良地质进行有效的探测。钻孔后无需取出钻杆，可以直接探测，提高效率，实现一边钻孔一边探测。

优选地，如图1、图2、图3和图4所示，所述第一刻槽11具有四个，四个所述第一刻槽11周向均布设置，每个所述第一刻槽11内均对应设有一个所述发射天线10，每个所述发射天线10沿长度方向与所述钻铤1同向设置，每个所述发射天线10的信号发射范围为90-120度，即天线辐射方位角为90-120度；

所述第二刻槽12具有四个，四个所述第二刻槽12周向均布设置；每个所述第二刻槽12内均对应设有一个所述接收天线20，每个所述接收天线20与所述钻铤1沿长度方向同向设置，每个所述接收天线20的信号接收范围为90-120度，即天线辐射方位角为90-120度。

常规的偶极子天线拥有细长的外形、超宽的工作带宽，满足一般井中雷达性能需求；但是偶极子天线一种全向辐射的天线，探测过程中很难获取目标的方位角信息，无法对目标进行三维定位，所以无法判断目标的位置和方向。可见，目标的方位信息获取在工程探测中是十分重要的，而本发明实施例利用四个全向的发射天线10进行发现电磁波，通过分析四个接收天线20接收的回波信号(即由所述电磁波在地质目标上产生的反射信号)的幅度和相位差来获取目标的方位角信息。

每个发射天线10的发射仅有90-120度、每个接收天线20的接收范围仅有90-120度时，就将原本的全向功能的天线限制为定向天线，从而获取目标的方位角信息，同时四个发射天线10组成的天线阵列又能覆盖井孔360度的发射方向范围，四个接收天线20组成的天线阵列又能覆盖井孔360度的方向范围，实现全方位的探测，全方位指的是井孔径向360°的探测范围。

优选地，当钻孔有效直径仅有120-150mm时，第一刻槽11、第二刻槽12和第三刻槽13也很浅，约为25mm。

优选地，每个所述第一刻槽11的内壁匹配设有保证所述发射天线10的信号发射范围的吸波材料层50，

每个所述第二刻槽12的内壁匹配设有保证所述接收天线20的信号接收范围的吸波材料层50。

因为目标的方位信息获取在工程探测中十分重要，所以在发射天线10所在的第一刻槽11的内壁设有吸波材料层50，在接收天线20所在的第二刻槽12的内壁设有吸波材料层50，通过波材料层50将电磁波吸收，那么电磁波使得每个发射天线10的信号发射范围控制在90-120度，周向均布设置的4个发射天线10所能形成的信号发射范围刚好够形成井孔径向360°的探测范围，实现全方位探测。

优选地，所述吸波材料层50为铁氧体层。所有的铁氧体均可作为例吸波材料层50，如为锰锌、镍铜锌、镁铜锌、镍镁锌以及平面型六角晶系的超高频软磁铁氧体等，铁氧体为现有材料，容易获取，使用方便。

优选地，如图3所示，在所述发射天线10的外壁包设第一玻璃钢60，将包设在所述第一玻璃钢60内的远离匹配的所述吸波材料层50侧的所述发射天线10设于所述第一刻槽11内的吸波材料层50上，且所述第一玻璃钢60的外表面与未被设置所述第一刻槽11时的所述钻铤1的外表面基本吻合；

在所述接收天线20的外壁包设第二玻璃钢，将包设在所述第二玻璃钢内的所述接收天线20设于所述第二刻槽12内的吸波材料层50上，且所述第二玻璃钢的远离匹配的所述吸波材料层50侧的外表面与未被设置所述第二刻槽12时的所述钻铤1的外表面基本吻合。

为了防止泥浆对四个发射天线10所组成的天线阵列、四个接收天线20所组成的天线阵列产生侵蚀，在每个发射天线10、每个接收天线20的外部包设玻璃钢，玻璃钢对电磁波无传输损耗。

优选地，在所述集成电路板30的外壁封装环氧树脂层，在环氧树脂层之外包设第三玻璃钢，所述第三玻璃钢嵌入所述第三刻槽13内，且所述第三玻璃钢的远离所述第三刻槽13的内壁的外表面与未被设置所述第三刻槽13时的所述钻铤1的外表面基本吻合。

在所述集成电路板30的外壁封装高硬度的环氧树脂层，以保护集成电路板30，为了防止泥浆对集成电路板30产生侵蚀，在每个集成电路板30的外部包设玻璃钢。

优选地，每个所述发射天线10为一对单极子天线，对应两种频率通道：低频率通道和高频率通道，其中，低频率通道的频带范围为100-900MHz，对应的有效探测半径为50m，高频通道的频带范围为1-20GHz，对应的有效探测半径为15m。

采用双激发双接收，即两种频率通道，工作时可以根据探测目标的范围选择对应的频率通道，低频的信号有效半径大精度低，高频的信号有效半径大精度高，双通道设计可以优势互补，提供高清晰的地层图像。

尤其是，很多隧道不仅很长，埋深也很大，在修建和运营过程中岩爆、塌方、断层等地质灾害时有发生，这就很有必要在进行隧道施工的同时对隧道前方的地质情况进行详细勘查，以防发生涌水、瓦斯突出、岩爆、大变形等地质灾害。采用本发明实施例的随钻雷达天线搭载装置，能够实现边施工边对隧道前方的地质情况进行详细勘查的目的。

优选地，如图5所示，所述集成电路板30(即主控板)包括连接于所述接收天线20的前置放大滤波电路、连接于所述前置放大滤波电路的同步采集芯片，同步采集芯片具有高分辨率，所述集成电路板30还包括存储单元，所述集成电路板30还包括连接于所述同步采集芯片和所述存储单元的微控制器单元，所述微控制器单元通过无线传输单元连接于地面控制系统，所述地面控制系统用于将电磁波发送给集成电路板30，所述微控制器单元用于通过控制大功率射频开关将电磁波传输给所述发射天线10。

具体地，集成电路板30是用来实现反射信号的高分辨率数据采集以及接收天线20所对应的天线阵列的同步采集。集成电路板30由微控制器单元(Microcontroller Unit，MCU，负责总控制)、前置放大滤波电路、具有高分辨率的同步采集芯片(即高分辨率采集电路)、存储单元以及MCU外围设备组成。

进一步地，考虑到井中设备整体功耗等问题，选用低功耗多接口的控制芯片，这里采用STM32F103系列控制芯片，其主要优点包括：体积较小，芯片集成度高，拥有丰富的片上资源且可靠性高，运行稳定。

考虑井下工作条件复杂，反射信号的信噪比较低且动态范围大等特点，对同步采集芯片的分辨率和动态性能要求较高，传统的逐次逼近型模数转换器ADC无法满足采样需求，因此拟采用Σ-Δ型ADC，其具有分辨率高、线性度好、成本低等特点。并且还需对接收天线20所对应的天线阵列的进行同步采集，为达到高分辨率和同步的需求，拟选用ADI公司的型号为AD7771的模数转换器ADC，AD7771具体为8通道、24位同步采集芯片的模数转换器ADC。

在模数转换器ADC对反射信号进行模数转化之前，为了避免信号异常对ADC的损坏，以及有效提高反射信号的信噪比，采用多级前置放大滤波电路，通过硬件实现信号处理。

完成雷达信号通过模数转换后，再储存至存储单元中，同时还需将完整的雷达数据传输给地面工作站进行处理与解释。因此，考虑到井下仪器工作条件不稳定，可能存在掉电的情况，要保证存储但愿在失去供电的情况下数据不丢失，且兼备体积小、抗震等特性，拟选用NAND FLASH作为存储单元。

无线传输单元，短距离可以采用蓝牙传输，距离较长时可以采用中间布设中继器的方式延长传输距离。另外也可以借助钻井液、钻杆实现数据传输。

电磁波来自地面控制系统，地面控制系统的大功率脉冲发射电路将电磁波传到集成电路板30上的稳压电路，然后通过微控制器单元MCU控制大功率射频开关，将电磁波传输给发射天线，发射天线将电磁波发生出去。电磁波在地层传播，遇到结构变化等异常情况时反射回来，通过接收天线20接收反射波，再经过前置滤波放大电路进行滤波放大后保存在存储单元中，利用无线技术传输给地面控制系统进行处理和解释。

优选地，所述集成电路板30还包括连接于所述微控制器单元、实现自所有所述接收天线20同步采集所述反射信号的信号同步单元。

因为有四个接收天线20同时采集反射信号，各个接收天线20之间可能存在时间差，需要进行信号同步的操作。采用ADI公司的AD7771采集芯片可以达到高分辨率和同步的需求，8通道是严格按照时钟序列同步的。

集成电路板30中的电池转化与管理，用于将电池在为控制器单元、前置放大滤波电路、同步采集芯片、存储单元等分别供电时转化为相应所需的功率。

时钟电路、复位电路、调试电路可采用现有技术。

结合本发明的实施例，还提供一种随钻雷达天线搭载系统，包括地面控制系统，以及前述任一所述的随钻雷达天线搭载装置，所述的随钻雷达天线搭载装置通过自带的无线传输单元连接于所述地面控制系统。

地面控制系统由工作站、控制单元(数据通信接口)和大功率脉冲发射电路组成，其中，大功率脉冲发射电路为发射天线10提供电磁波。

综上，针对现有技术中存在的技术问题,结合实际应用背景，本发明实施例主要解决集成电路板30、发射天线10、接收天线20如何搭载在钻探设备中、以及加装何种保护和电磁屏蔽材料等问题。本发明实施例提供一种适用于深地工程的随钻雷达天线搭载装置，具体为：

(1)由于随钻设备的特殊性，无法加装测量短节，因此只能将仪器固定至钻铤上。采用在钻铤1上刻槽的方式，将集成电路板30和发射天线10和接收天线20固定在钻铤1上，使其符合随钻的要求。

(2)在发射天线10和接收天线20背后的刻槽上加装吸波层，满足全方向探测的要求。

由于随钻雷达系统结构的特殊性，收发天线安装在钻铤的刻槽中，无法采集到全方位的雷达信号，本发明在钻铤四周进行刻槽，在0°、90°、180°和270°四个方位安装收发天线，以此组成天线阵列。

(3)在发射天线10、接收天线20和集成电路板30的外部包裹玻璃钢等材料防止泥浆对发射天线10和接收天线20和集成电路板30的侵蚀，且玻璃钢对电磁波无传输损耗，适用于深地工程钻探环境。

(4)采用无线传输技术，实现接收天线20最终与地面控制系统的数据实时传输。

(5)地面控制系统对采集的反射信号进行实时处理和分析，生成钻孔周围实时地质信息图。

本发明实施例的随钻雷达天线搭载装置，适用于深地工程复杂环境，不用停工后钻孔探测，直接随钻探测，能够在钻探的同时实现洞内超前地质预报即钻探相结合，提升探测效率。

特别是穿越复杂地质条件的深埋长大隧道，对全线地质情况进行精细化探测，可为隧道施工方法、设备选型、工期规划以及不良地质规避和超前处理提供先验信息，实现深地工程地质的立体透视以及突涌水、塌方等重大灾害的安全防控，极大提升隧道建设进度，显著降低隧道建设过程中地质灾害发生概率。

在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要比清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本发明处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本发明单独的优选实施方案。

为使本领域内的任何技术人员能够实现或者使用本发明，上面对所公开实施例进行了描述。对于本领域技术人员来说；这些实施例的各种修改方式都是显而易见的，并且本文定义的一般原理也可以在不脱离本公开的精神和保护范围的基础上适用于其它实施例。因此，本公开并不限于本文给出的实施例，而是与本申请公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。

上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然，为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的，但是本领域普通技术人员应该认识到，各个实施例可以做进一步的组合和排列。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括，”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。此外，使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种随钻雷达天线搭载装置，其特征在于，所述的随钻雷达天线搭载装置设于钻铤(1)上，所述的随钻雷达天线搭载装置，包括：

设于所述钻铤(1)的周向的第一刻槽(11)内的发射电磁波的发射天线(10)，设于所述钻铤(1)的周向的第二刻槽(12)内、接收由所述电磁波在地质目标上产生的反射信号的接收天线(20)，

设于所述钻铤(1)的第三刻槽(13)内、自所述接收天线(20)采集所述反射信号的集成电路板(30)，为所述集成电路板(30)供电的电源(40)；

所述第一刻槽(11)具有四个，四个所述第一刻槽(11)在所述钻铤(1)的第一高度处周向均布设置，每个所述第一刻槽(11)内均对应设有一个所述发射天线(10)，每个所述发射天线(10)与所述钻铤(1)沿长度方向同向设置，每个所述发射天线(10)的信号发射范围为90-120度；

所述第二刻槽(12)具有四个，四个所述第二刻槽(12)在所述钻铤(1)的第二高度处周向均布设置；每个所述第二刻槽(12)内均对应设有一个所述接收天线(20)，每个所述接收天线(20)与所述钻铤(1)沿长度方向同向设置，每个所述接收天线(20)的信号接收范围为90-120度，其中，所述第一高度和所述第二高度不重合；

每个所述发射天线(10)的发射范围为90-120度、每个所述接收天线(20)的接收范围为90-120度时，能够将原本的全向功能的天线限制为定向天线，利用四个所述发射天线(10)进行发射电磁波、四个所述接收天线(20)接收所述电磁波在地质目标上产生的反射信号，通过分析四个所述接收天线(20)接收的回波信号的幅度和相位差能够获取目标的方位角信息；同时四个所述发射天线(10)组成的天线阵列能够覆盖井孔360度的发射方向范围，四个所述接收天线(20)组成的天线阵列能够覆盖井孔360度的接收方向范围，实现井孔径向360度的全方位的探测。

2.根据权利要求1所述的随钻雷达天线搭载装置，其特征在于，

每个所述第一刻槽(11)的内壁匹配设有保证所述发射天线(10)的信号发射范围的吸波材料层(50)，

每个所述第二刻槽(12)的内壁匹配设有保证所述接收天线(20)的信号接收范围的吸波材料层(50)。

3.根据权利要求2所述的随钻雷达天线搭载装置，其特征在于，所述吸波材料层(50)为铁氧体层。

4.根据权利要求2所述的随钻雷达天线搭载装置，其特征在于，

在所述发射天线(10)的外壁包设第一玻璃钢(60)，将包设在所述第一玻璃钢(60)内的所述发射天线(10)设于所述第一刻槽(11)内的吸波材料层(50)上，且所述第一玻璃钢(60)的远离匹配的所述吸波材料层(50)侧的外表面与未被设置所述第一刻槽(11)时的所述钻铤(1)的外表面基本吻合；

在所述接收天线(20)的外壁包设第二玻璃钢，将包设在所述第二玻璃钢内的所述接收天线(20)设于所述第二刻槽(12)内的吸波材料层(50)上，且所述第二玻璃钢的远离匹配的所述吸波材料层(50)侧的外表面与未被设置所述第二刻槽(12)时的所述钻铤(1)的外表面基本吻合。

5.根据权利要求1所述的随钻雷达天线搭载装置，其特征在于，

在所述集成电路板(30)的外壁封装环氧树脂层，在环氧树脂层之外包设第三玻璃钢，所述第三玻璃钢嵌入所述第三刻槽(13)内，且所述第三玻璃钢的远离所述第三刻槽(13)的内壁的外表面与未被设置所述第三刻槽(13)时的所述钻铤(1)的外表面基本吻合。

6.根据权利要求1所述的随钻雷达天线搭载装置，其特征在于，

每个所述发射天线(10)为一对单极子天线，对应两种频率通道：低频率通道和高频率通道，其中，低频率通道的频带范围为100-900MHz，对应的有效探测半径为50m，高频通道的频带范围为1-20GHz，对应的有效探测半径为15m。

7.根据权利要求1所述的随钻雷达天线搭载装置，其特征在于，所述集成电路板(30)包括连接于所述接收天线(20)的前置放大滤波电路、连接于所述前置放大滤波电路的具有高分辨率的同步采集芯片，

所述集成电路板(30)还包括存储单元，

所述集成电路板(30)还包括连接于所述同步采集芯片和所述存储单元的微控制器单元，所述微控制器单元通过无线传输单元连接于地面控制系统，所述地面控制系统用于将电磁波发送给集成电路板(30)，

所述微控制器单元用于通过控制大功率射频开关将电磁波传输给所述发射天线(10)。

8.根据权利要求7所述的随钻雷达天线搭载装置，其特征在于，所述集成电路板(30)还包括连接于所述微控制器单元、实现自所有所述接收天线(20)同步采集所述反射信号的信号同步单元。

9.一种随钻雷达天线搭载系统，其特征在于，包括地面控制系统，以及权利要求1-8任一所述的随钻雷达天线搭载装置，所述的随钻雷达天线搭载装置通过自带的无线传输单元连接于所述地面控制系统。