CN117348001B - 一种深地环境的双激发双接收井孔雷达探测***及方法 - Google Patents
一种深地环境的双激发双接收井孔雷达探测***及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117348001B CN117348001B CN202311658859.7A CN202311658859A CN117348001B CN 117348001 B CN117348001 B CN 117348001B CN 202311658859 A CN202311658859 A CN 202311658859A CN 117348001 B CN117348001 B CN 117348001B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- radar
- well
- transmitting
- signal
- coupling circuit
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 68
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 16
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 16
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims abstract description 14
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 claims abstract description 7
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 91
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 91
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 91
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims description 68
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 claims description 18
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 12
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 8
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 5
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 4
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 2
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 2
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 2
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 239000011435 rock Substances 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 235000011089 carbon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000005065 mining Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000005404 monopole Effects 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000013517 stratification Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
- G01S13/885—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for ground probing
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21F—SAFETY DEVICES, TRANSPORT, FILLING-UP, RESCUE, VENTILATION, OR DRAINING IN OR OF MINES OR TUNNELS
- E21F17/00—Methods or devices for use in mines or tunnels, not covered elsewhere
- E21F17/18—Special adaptations of signalling or alarm devices
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
- G01S7/28—Details of pulse systems
- G01S7/282—Transmitters
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
- G01S7/28—Details of pulse systems
- G01S7/285—Receivers
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
- G01V3/00—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation
- G01V3/18—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation specially adapted for well-logging
- G01V3/30—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation specially adapted for well-logging operating with electromagnetic waves
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
- Y02A90/30—Assessment of water resources
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geology (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Mining & Mineral Resources (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Geophysics (AREA)
- Geochemistry & Mineralogy (AREA)
- Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
Abstract
本发明涉及一种深地环境的双激发双接收井孔雷达探测***及方法，其***包括含有双激双发的井中设备和地面设备，地面设备根据预设的雷达参数生成雷达发射信号和控制命令，并进行信号预处理后经由同轴电缆发送至井中设备；井中设备接收雷达发射信号并向地层介质发射电磁波信号，并接收经过地层介质反射回来的电磁波信号，并经过信号处理后回传至地面设备；地面设备还根据接收到的电磁波信号进行分析，确定井周目标的目标参数信息。本发明可精确确定井周目标的目标参数信息，并通过计算机显示，设备轻便易操作，抗干扰能力强，通过采用双激发双接收技术，实现了对地层结构的富方位探测，能够穿透较深地层，实现深部地层的探测，提高了探测能力。
Description
技术领域
本发明涉及地质雷达技术领域，尤其涉及一种深地环境的双激发双接收井孔雷达探测***及方法。
背景技术
在地下空间开发利用范围逐渐由浅层向深部发展的趋势下，深部地下工程建设灾害频次高、类型多、风险大的特点逐渐凸显。同时，深地工程具有地层覆盖厚度大，地表环境复杂多变的特点，严重的制约了传统的地表勘察，存在长距离地面勘察密度低，地表物探探测信号弱，深部分辨率低等严重的技术挑战。深地工程地质探测主要以洞内超前地质预报-钻探相结合的技术体系为主，可以对掌子面前方一定范围内的不良地质进行了有效的探测，在深部地层高地温、高水压、高围岩“三高”条件影响下，当前常见主流探测设备面临智能化程度低、设备成本高、探测深度有限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。
常规使用的地面地质雷达，受场地、观测方式、电磁波干扰等的限制，导致穿透深度浅，一般在10m深度以内，信噪比低等等，不能有效勘探中深层不良地质体，存在勘测盲区，难以满足深地环境工程施工安全。井孔雷达是一种用于地质勘察、井孔探测的重要工具，具有对地层结构进行非破坏性探测的优点。然而，传统的井孔雷达***通常采用单激发单接收的方式，探测能力有限，其适用范围局限在20-30 m的短距离探测工作中，很难适用于深部地下工程远距离灾害源探测任务，无法满足复杂地层结构探测的需求。因此，急需一种新的井孔雷达***与装置，以提高探测能力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种深地环境的双激发双接收井孔雷达探测***及方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种深地环境的双激发双接收井孔雷达探测***，包括含有双激双发的井中设备和地面设备，位于井孔中的所述井中设备与位于地面的地面设备通过同轴电缆电连接；
所述地面设备，用于根据预设的雷达参数生成雷达发射信号，并进行信号预处理后经由所述同轴电缆发送至所述井中设备，以及向所述井中设备发生控制命令；
所述井中设备，用于接收所述雷达发射信号，并向地层介质发射所述雷达发射信号；还用于根据所述控制命令接收经过地层介质反射回来的雷达反射信号，并经过信号处理后回传至所述地面设备；
所述地面设备，还用于根据所述雷达反射信号进行分析，确定井周目标的目标参数信息。
本发明的有益效果是：本发明的深地环境的双激发双接收井孔雷达探测***，通过地面设备的生成雷达发射信号，通过含有双激双发的井中设备向地层介质发射所述雷达发射信号并进行接收后返回至地面设备进行分析处理，精确确定井周目标的目标参数信息，并通过计算机显示，设备轻便易操作，抗干扰能力强，通过采用双激发双接收技术，实现了对地层结构的富方位探测，能够穿透较深地层，实现深部地层的探测，边钻边探，提高了探测能力，实现超前预测，并且将井中设备置于井孔中，不会对地层造成破坏。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
进一步：所述地面设备包括计算机、矢量网络分析仪（VNA）、发射器和第二耦合电路，所述计算机与所述矢量网络分析仪电连接，所述矢量网络分析仪分别与所述发射器和第二耦合电路电连接，所述发射器与所述第二耦合电路电连接；
所述计算机，用于设置所述矢量网络分析仪的雷达参数，并控制所述矢量网络分析仪根据雷达参数生成驱动信号，以及向所述矢量网络分析仪发送控制命令；
所述发射器，用于根据所述驱动信号生成雷达发射信号，并输入至所述第二耦合电路；
所述第二耦合电路，用于在所述雷达发射信号中加载从所述矢量网络分析仪发送的控制命令，并经由所述同轴电缆发送至所述井中设备。
上述进一步方案的有益效果是：通过所述计算机控制所述矢量网络分析仪根据雷达参数息生成驱动信号，进而驱动所述发射器生成雷达发射信号，并输入至所述第二耦合电路，进行耦合处理后，由所述同轴电缆发送至所述井中设备，实现雷达发射信号的井中发射。
进一步：所述井中设备包括套筒、发射探头、接收探头、井中控制单元和第一耦合电路；所述发射探头、接收探头、井中控制单元和第一耦合电路分别设置在所述套筒内，所述发射探头、接收探头和第一耦合电路分别与所述井中控制单元电连接，所述第一耦合电路与第二耦合电路电连接；
所述发射探头用于接收所述雷达发射信号并向地层介质发射所述雷达发射信号；
所述第一耦合电路，用于对所述控制命令进行解耦合处理，并发送至所述井中控制单元；
所述井中控制单元，用于根据所述控制命令控制所述接收探头接收经过地层介质反射回来的雷达反射信号，并回传至所述第一耦合电路；
所述第一耦合电路，还用于对所述雷达反射信号进行耦合处理，并发送至所述第二耦合电路；
所述第二耦合电路还用于对所述雷达反射信号解耦合处理，并发送至所述矢量网络分析仪；
所述矢量网络分析仪用于对所述雷达反射信号进行分析，确定井周目标的目标参数信息，并发送至所述计算机进行显示。
上述进一步方案的有益效果是：通过所述发射探头将所述地面设备发送的雷达发射信号向地层介质发射所述雷达发射信号，并由所述井中控制单元控制所述接收探头接收经过地层介质反射回来的雷达反射信号，经过信号处理后由矢量网络分析仪进行分析，确定井周目标的目标参数信息，并发送至所述计算机进行显示，自动化探测，探测精度高，操作方便。
进一步：所述发射探头和接收探头的数量均为两个，所述套筒分为三段，两个所述发射探头分别设置在所述套筒的首尾两段内，两个所述接收探头设置在所述套筒的中段内。
上述进一步方案的有益效果是：通过设置双发双收探头，实现了对地层结构的富方位探测，大大提高了探测能力。
进一步：所述矢量网络分析仪用于对所述雷达反射信号进行分析，确定井周目标的目标参数信息的具体实现为：
根据所述雷达反射信号计算井旁目标的探测距离为：
其中，h为发射探头与井旁目标之间的距离；c为雷达在真空中的传播速度；t为电磁波在地层介质中的双程走时；ε r 为介质的相对介电常数。
上述进一步方案的有益效果是：通过对所述雷达反射信号进行分析，可以精确确定井周目标的目标参数信息，并通过计算机进行显示，大大提高了探测的精确性，探测结果方便直观。
进一步：所述第一耦合电路包括电容C1、电容C2、电感L1、电感L2、电阻R1、二极管D1和二极管D2，所述井中控制单元的数据端通过所述电容C1与所述电感L1的一端电连接，所述电感L1的另一端接地，所述电感L1与所述电感L2耦合，所述电感L2的一端通过所述电容C2与所述电阻R1的一端电连接，所述电阻R1的另一端、所述二极管D1的正极和二极管D2的负极分别与所述同轴电缆的正极电连接，所述二极管D1的负极、二极管D2的正极以及所述电感L2的另一端分别与所述同轴电缆的负极电连接。
上述进一步方案的有益效果是：通过所述电感和电容复合耦合技术，可以实现带通过滤，个例高压对电路元器件的损坏，保证电路安全可靠地运行，有利于保证探测结果的精度。
本发明还提供了一种深地环境的双激发双接收井孔雷达探测方法, 包括如下步骤：
地面设备根据预设的雷达参数生成雷达发射信号，并进行信号预处理后经由同轴电缆发送至井中设备；
所述井中设备接收所述雷达发射信号，并向地层介质发射所述雷达发射信号；
所述井中设备接收所述地面设备发送的控制命令，根据所述控制命令接收经过地层介质反射回来的雷达反射信号，并经过信号处理后回传至所述地面设备；
所述地面设备根据所述雷达反射信号进行分析，确定井周目标的目标参数信息。
本发明的深地环境的双激发双接收井孔雷达探测方法，通过地面设备的生成雷达发射信号，通过含有双激双发的井中设备向地层介质发射所述雷达发射信号并进行接收后返回至地面设备进行分析处理，精确确定井周目标的目标参数信息，并通过计算机显示，设备轻便易操作，抗干扰能力强，通过采用双激发双接收技术，实现了对地层结构的富方位探测，能够穿透较深地层，实现深部地层的探测，提高了探测能力，将井中设备置于井孔中，不会对地层造成破坏。
进一步：所述方法具体包括如下步骤：
计算机设置矢量网络分析仪的雷达参数，并控制所述矢量网络分析仪根据雷达参数生成驱动信号，并根据所述驱动信号生成雷达发射信号；
对所述雷达发射信号进行耦合处理，并经由同轴电缆发送至发射探头，所述发射探头接收所述雷达发射信号并向地层介质发射所述雷达发射信号；
向所述矢量网络分析仪发送控制命令，第二耦合电路在雷达发射信号中加载从所述矢量网络分析仪发送的控制命令，并经由所述同轴电缆发送至第一耦合电路；
第一耦合电路，用于对所述控制命令进行解耦合处理，并发送至井中控制单元；
所述井中控制单元根据所述控制命令控制所述接收探头接收经过地层介质反射回来的雷达反射信号，并回传至所述第一耦合电路；
所述第一耦合电路对所述雷达反射信号进行耦合处理，并发送至所述第二耦合电路；
所述第二耦合电路对所述雷达反射信号解耦合处理，并发送至所述矢量网络分析仪；
所述矢量网络分析仪对所述雷达反射信号进行分析，确定井周目标的目标参数信息，并发送至所述计算机进行显示。
上述进一步方案的有益效果是：通过所述计算机控制所述矢量网络分析仪根据雷达参数息生成驱动信号，进而驱动所述发射器生成雷达发射信号，并输入至所述第二耦合电路，进行耦合处理后，由所述同轴电缆发送至所述井中设备，实现雷达发射信号的井中发射，并由所述井中控制单元控制所述接收探头接收经过地层介质反射回来的雷达反射信号，经过信号处理后由矢量网络分析仪进行分析，确定井周目标的目标参数信息，并发送至所述计算机进行显示，自动化探测，探测精度高，操作方便。
进一步：所述矢量网络分析仪用于对所述雷达反射信号进行分析，确定井周目标的目标参数信息的具体实现为：
根据所述雷达反射信号计算井旁目标的探测距离为：
其中，h为发射探头与井旁目标之间的距离；c为雷达在真空中的传播速度；t为电磁波在地层介质中的双程走时；ε r 为介质的相对介电常数。
上述进一步方案的有益效果是：通过对所述雷达反射信号进行分析，可以精确确定井周目标的目标参数信息，并通过计算机进行显示，大大提高了探测的精确性，探测结果方便直观。
附图说明
图1为本发明一实施例的深地环境的双激发双接收井孔雷达探测***的结构示意图；
图2为本发明一实施例的第一耦合电路的电路示意图；
图3为本发明一实施例的深地环境的双激发双接收井孔雷达探测方法的流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，一种深地环境的双激发双接收井孔雷达探测***,包括含有双激双发的井中设备和地面设备，位于井孔中的所述井中设备与位于地面的地面设备通过同轴电缆电连接；
所述地面设备，用于根据预设的雷达参数生成雷达发射信号，并进行信号预处理后经由所述同轴电缆发送至所述井中设备，以及向所述井中设备发生控制命令；
所述井中设备，用于接收所述雷达发射信号，并向地层介质发射所述雷达发射信号；还用于根据所述控制命令接收经过地层介质反射回来的雷达反射信号，并经过信号处理后回传至所述地面设备；
所述地面设备，还用于根据所述雷达反射信号进行分析，确定井周目标的目标参数信息。
本发明的深地环境的双激发双接收井孔雷达探测***，通过地面设备的生成雷达发射信号，通过含有双激双发的井中设备向地层介质发射所述雷达发射信号并进行接收后返回至地面设备进行分析处理，精确确定井周目标的目标参数信息，并通过计算机显示，设备轻便易操作，抗干扰能力强，通过采用双激发双接收技术，实现了对地层结构的富方位探测，能够穿透较深地层，实现深部地层的探测，提高了探测能力，将井中设备置于井孔中，不会对地层造成破坏。
本发明的实施例中，对于深部地下环境而言，不同工程领域对于深部的界定也有所不同，土木工程、矿业工程等深部工程领域往往在1000米以下，某些特殊环境下500米或800米已是深部。
在本发明的一个或多个实施例中，所述地面设备包括计算机、矢量网络分析仪、发射器和第二耦合电路，所述计算机与所述矢量网络分析仪电连接，所述矢量网络分析仪分别与所述发射器和第二耦合电路电连接，所述发射器与所述第二耦合电路电连接；
所述计算机，用于设置所述矢量网络分析仪的雷达参数，并控制所述矢量网络分析仪根据雷达参数生成驱动信号，以及向所述矢量网络分析仪发送控制命令；
所述发射器，用于根据所述驱动信号生成雷达发射信号，并输入至所述第二耦合电路；
所述第二耦合电路，用于在所述雷达发射信号中加载从所述矢量网络分析仪发送的控制命令，并经由所述同轴电缆发送至所述井中设备。
通过所述计算机控制所述矢量网络分析仪根据雷达参数息生成驱动信号，进而驱动所述发射器生成雷达发射信号，并输入至所述第二耦合电路，进行耦合处理后，由所述同轴电缆发送至所述井中设备，实现雷达发射信号的井中发射。
在本发明的一个或多个实施例中，所述井中设备包括套筒、发射探头、接收探头、井中控制单元和第一耦合电路；所述发射探头、接收探头、井中控制单元和第一耦合电路分别设置在所述套筒内，所述发射探头、接收探头和第一耦合电路分别与所述井中控制单元电连接，所述第一耦合电路与第二耦合电路电连接；
所述发射探头用于接收所述雷达发射信号并向地层介质发射所述雷达发射信号；
所述第一耦合电路，用于对所述控制命令进行解耦合处理，并发送至所述井中控制单元；
所述井中控制单元，用于根据所述控制命令控制所述接收探头接收经过地层介质反射回来的雷达反射信号，并回传至所述第一耦合电路；
所述第一耦合电路，还用于对所述雷达反射信号进行耦合处理，并发送至所述第二耦合电路；
所述第二耦合电路还用于对所述雷达反射信号解耦合处理，并发送至所述矢量网络分析仪；
所述矢量网络分析仪用于对所述雷达反射信号进行分析，确定井周目标的目标参数信息，并发送至所述计算机进行显示。
通过所述发射探头将所述地面设备发送的雷达发射信号向地层介质发射所述雷达发射信号，并由所述井中控制单元控制所述接收探头接收经过地层介质反射回来的雷达反射信号，经过信号处理后由矢量网络分析仪进行分析，确定井周目标的目标参数信息，并发送至所述计算机进行显示，自动化探测，探测精度高，操作方便。
工作时，井孔内的发射探头向井周发射高频电磁脉冲信号，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，如地质分层、空洞、岩石、干冰、裂缝等，电磁波将会发生反射，进而由接收探头接收。矢量网络分析仪用于对所述雷达反射信号进行分析，并根据雷达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。
需要额外指出的是，本发明的实施例中，首先，由于随钻雷达工作方式的特殊性，钻孔有效直径仅有 ，因此所述发射探头和接收探头上的收发天线应满足宽带宽、功率容量高、体积小、拖尾干净等技术指标。除此之外，考虑到深地工作环境的特殊性，天线还应适应高温（至少100度）高压的环境。具体地，如果将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，因此本发明拟在钻铤四周进行刻槽，在0°，90°，180°，270°四个方位安装收发天线，以此组成天线阵列。
其次，在天线工作频带范围内，天线的阻抗往往随频率发生剧烈变化，本发明的实施例中，随钻雷达发射探头的天线馈电端的输入阻抗与脉冲信号源的输出阻抗达到阻抗匹配，理论上，无论采取何种匹配方式，都不可能完全消除由于二者阻抗不匹配所造成的信号反射。为了尽可能减小阻抗不匹配的影响，本发明的实施例中采用并联电阻式的带宽匹配方案，即在馈电脉冲源的两端并联电阻。
再者，由于深地工程地质灾害超前预报的需求，随钻雷达设备需要探测到更远的距离，考虑到时间域脉冲信号穿透能力强，传输距离远，分辨率高且成本低等特点，本发明的实施例中，采用时间域脉冲发射电路。考虑到井下空间有限，本发明通过地面设备产生大功率脉冲信号，再由线缆传输至井中，最终由发射天线将大功率脉冲信号辐射进入地层。
最后，脉冲信号的参数根据探测指标而定，脉冲的宽度越宽即中心频率越低，电磁波穿透介质的能力越强，探测距离越远，但仪器小型化难度较大；脉冲宽度越窄即中心频率越高，雷达***具有较高的分辨率且容易小型化，但探测距离变短。考虑到峰-峰值脉宽为1ns的一阶高斯脉冲频谱主要分布在80-700MHz之间，且容易实现，因此本发明采用一阶高斯脉冲作为发射探头的天线信号源。
在本发明的一个或多个实施例中，所述发射探头和接收探头的数量均为两个，所述套筒分为三段，两个所述发射探头分别设置在所述套筒的首尾两段内，两个所述接收探头设置在所述套筒的中段内。通过设置双发双收探头，实现了对地层结构的富方位探测，大大提高了探测能力。
本发明的实施例中，发射探头设置了低频通道，由一对单极子天线组成，在100-900 MHz的频段内工作，有效探测半径50m；高频通道频带范围为1-20GHz，有效探测半径15m；发射探头采用脉冲调制器生成不同极化的电磁波（水平极化波或垂直极化波），以一定的时序和频率连续发送电磁波到地层中。计算机主要用于显示雷达采集数据，可快速生成高清晰的地层图像。
实际中，套筒内还设置有实心塑料支柱，各电路、探头的天线均镶嵌设置与实心塑料支柱表面，保证在伸入井孔内时整个井中设备稳定、可靠地工作。
在本发明的一个或多个实施例中，所述矢量网络分析仪用于对所述雷达反射信号进行分析，确定井周目标的目标参数信息的具体实现为：
根据所述雷达反射信号计算井旁目标的探测距离为：
其中，h为发射探头与井旁目标之间的距离；c为雷达在真空中的传播速度；t为电磁波在地层介质中的双程走时；ε r 为介质的相对介电常数。
电磁波反射振幅强弱主要由存在电性差异界面的反射系数 R决定，其表达式为：
其中，ε1为界面上层介质的介电常数；ε2为界面下层介质的介电常数；R为反射系数，其中，R同时决定反射信号与入射信号之间的相位关系，当R为正时，两者相位相同；当R为负时，反射信号发生相位翻转。
通过对所述雷达反射信号进行分析，可以精确确定井周目标的目标参数信息，并通过计算机进行显示，大大提高了探测的精确性，探测结果方便直观。
具体地，如图2所示，所述第一耦合电路包括电容C1、电容C2、电感L1、电感L2、电阻R1、二极管D1和二极管D2，所述井中控制单元的数据端通过所述电容C1与所述电感L1的一端电连接，所述电感L1的另一端接地，所述电感L1与所述电感L2耦合，所述电感L2的一端通过所述电容C2与所述电阻R1的一端电连接，所述电阻R1的另一端、所述二极管D1的正极和二极管D2的负极分别与所述同轴电缆的正极电连接，所述二极管D1的负极、二极管D2的正极以及所述电感L2的另一端分别与所述同轴电缆的负极电连接。实际中，所述第一耦合电路与第二耦合电路采用相同的电路即可。
通过所述电感和电容复合耦合技术，可以实现带通过滤，个例高压对电路元器件的损坏，保证电路安全可靠地运行，有利于保证探测结果的精度。
如图3所示，本发明还提供了一种深地环境的双激发双接收井孔雷达探测方法,包括如下步骤：
S1：地面设备根据预设的雷达参数生成雷达发射信号，并进行信号预处理后经由同轴电缆发送至井中设备；
S2：所述井中设备接收所述雷达发射信号，并向地层介质发射所述雷达发射信号；
S3：所述井中设备接收所述地面设备发送的控制命令，根据所述控制命令接收经过地层介质反射回来的雷达反射信号，并经过信号处理后回传至所述地面设备；
S4：所述地面设备根据所述雷达反射信号进行分析，确定井周目标的目标参数信息。
本发明的深地环境的双激发双接收井孔雷达探测方法，通过地面设备的生成雷达发射信号，通过含有双激双发的井中设备向地层介质发射所述雷达发射信号并进行接收后返回至地面设备进行分析处理，精确确定井周目标的目标参数信息，并通过计算机显示，设备轻便易操作，抗干扰能力强，通过采用双激发双接收技术，实现了对地层结构的富方位探测，能够穿透较深地层，实现深部地层的探测，提高了探测能力，将井中设备置于井孔中，不会对地层造成破坏。
在本发明的一个或多个实施例中，所述方法具体包括如下步骤：
S11：计算机设置矢量网络分析仪的雷达参数，并控制所述矢量网络分析仪根据雷达参数生成驱动信号，并根据所述驱动信号生成雷达发射信号；
S12：对所述雷达发射信号进行耦合处理，并经由同轴电缆发送至发射探头，所述发射探头接收所述雷达发射信号并向地层介质发射所述雷达发射信号；
S13：向所述矢量网络分析仪发送控制命令，第二耦合电路在雷达发射信号中加载从所述矢量网络分析仪发送的控制命令，并经由所述同轴电缆发送至第一耦合电路；
S14：所述第一耦合电路对所述控制命令进行解耦合处理，并发送至井中控制单元；
S15：所述井中控制单元根据所述控制命令控制所述接收探头接收经过地层介质反射回来的雷达反射信号，并回传至所述第一耦合电路；
S16：所述第一耦合电路对所述雷达反射信号进行耦合处理，并发送至所述第二耦合电路；
S17：所述第二耦合电路对所述雷达反射信号解耦合处理，并发送至所述矢量网络分析仪；
S18：所述矢量网络分析仪对所述雷达反射信号进行分析，确定井周目标的目标参数信息，并发送至所述计算机进行显示。
通过所述计算机控制所述矢量网络分析仪根据雷达参数息生成驱动信号，进而驱动所述发射器生成雷达发射信号，并输入至所述第二耦合电路，进行耦合处理后，由所述同轴电缆发送至所述井中设备，实现雷达发射信号的井中发射，并由所述井中控制单元控制所述接收探头接收经过地层介质反射回来的雷达反射信号，经过信号处理后由矢量网络分析仪进行分析，确定井周目标的目标参数信息，并发送至所述计算机进行显示，自动化探测，探测精度高，操作方便。
在本发明的一个或多个实施例中，所述矢量网络分析仪用于对所述雷达反射信号进行分析，确定井周目标的目标参数信息的具体实现为：
根据所述雷达反射信号计算井旁目标的探测距离为：
其中，h为发射探头与井旁目标之间的距离；c为雷达在真空中的传播速度；t为电磁波在地层介质中的双程走时；ε r 为介质的相对介电常数。
通过对所述雷达反射信号进行分析，可以精确确定井周目标的目标参数信息，并通过计算机进行显示，大大提高了探测的精确性，探测结果方便直观。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种深地环境的双激发双接收井孔雷达探测***,其特征在于：包括含有双激发双接收的井中设备和地面设备，位于井孔中的所述井中设备与位于地面的地面设备通过同轴电缆电连接；
所述地面设备，用于根据预设的雷达参数生成雷达发射信号，并进行信号预处理后经由所述同轴电缆发送至所述井中设备，以及向所述井中设备发生控制命令；
所述井中设备，用于接收所述雷达发射信号，并向地层介质发射所述雷达发射信号；还用于根据所述控制命令接收经过地层介质反射回来的雷达反射信号，并经过信号处理后回传至所述地面设备；
所述地面设备，还用于根据所述雷达反射信号进行分析，确定井周目标的目标参数信息；
所述地面设备包括计算机、矢量网络分析仪、发射器和第二耦合电路，所述计算机与所述矢量网络分析仪电连接，所述矢量网络分析仪分别与所述发射器和第二耦合电路电连接，所述发射器与所述第二耦合电路电连接；
所述计算机，用于设置所述矢量网络分析仪的雷达参数，并控制所述矢量网络分析仪根据雷达参数生成驱动信号，以及向所述矢量网络分析仪发送控制命令；
所述发射器，用于根据所述驱动信号生成雷达发射信号，并输入至所述第二耦合电路；
所述第二耦合电路，用于在所述雷达发射信号中加载从所述矢量网络分析仪发送的控制命令，并经由所述同轴电缆发送至所述井中设备；
所述井中设备包括套筒、发射探头、接收探头、井中控制单元和第一耦合电路；所述发射探头、接收探头、井中控制单元和第一耦合电路分别设置在所述套筒内，所述发射探头、接收探头和第一耦合电路分别与所述井中控制单元电连接，所述第一耦合电路与第二耦合电路电连接；
所述发射探头用于接收所述雷达发射信号并向地层介质发射所述雷达发射信号；
所述第一耦合电路，用于对所述控制命令进行解耦合处理，并发送至所述井中控制单元；
所述井中控制单元，用于根据所述控制命令控制所述接收探头接收经过地层介质反射回来的雷达反射信号，并回传至所述第一耦合电路；
所述第一耦合电路，还用于对所述雷达反射信号进行耦合处理，并发送至所述第二耦合电路；
所述第二耦合电路还用于对所述雷达反射信号解耦合处理，并发送至所述矢量网络分析仪；
所述矢量网络分析仪用于对所述雷达反射信号进行分析，确定井周目标的目标参数信息，并发送至所述计算机进行显示；
所述发射探头和接收探头的数量均为两个，所述套筒分为三段，两个所述发射探头分别设置在所述套筒的首尾两段内，两个所述接收探头设置在所述套筒的中段内。
2.根据权利要求1所述的深地环境的双激发双接收井孔雷达探测***, 其特征在于：所述矢量网络分析仪用于对所述雷达反射信号进行分析，确定井周目标的目标参数信息的具体实现为：
根据所述雷达反射信号计算井旁目标的探测距离为：
；
其中，h为发射探头与井旁目标之间的距离；c为雷达在真空中的传播速度；t为电磁波在地层介质中的双程走时；为介质的相对介电常数。
3.根据权利要求1所述的深地环境的双激发双接收井孔雷达探测***, 其特征在于：所述第一耦合电路包括电容C1、电容C2、电感L1、电感L2、电阻R1、二极管D1和二极管D2，所述井中控制单元的数据端通过所述电容C1与所述电感L1的一端电连接，所述电感L1的另一端接地，所述电感L1与所述电感L2耦合，所述电感L2的一端通过所述电容C2与所述电阻R1的一端电连接，所述电阻R1的另一端、所述二极管D1的正极和二极管D2的负极分别与所述同轴电缆的正极电连接，所述二极管D1的负极、二极管D2的正极以及所述电感L2的另一端分别与所述同轴电缆的负极电连接。
4.一种深地环境的双激发双接收井孔雷达探测方法, 其采用权利要求1所述的深地环境的双激发双接收井孔雷达探测***，其特征在于，包括如下步骤：
地面设备根据预设的雷达参数生成雷达发射信号，并进行信号预处理后经由同轴电缆发送至井中设备；
所述井中设备接收所述雷达发射信号，并向地层介质发射所述雷达发射信号；
所述井中设备接收所述地面设备发送的控制命令，根据所述控制命令接收经过地层介质反射回来的雷达反射信号，并经过信号处理后回传至所述地面设备；
所述地面设备根据所述雷达反射信号进行分析，确定井周目标的目标参数信息；
所述方法具体包括如下步骤：
计算机设置矢量网络分析仪的雷达参数，并控制所述矢量网络分析仪根据雷达参数生成驱动信号，并根据所述驱动信号生成雷达发射信号；
对所述雷达发射信号进行耦合处理，并经由同轴电缆发送至发射探头，所述发射探头接收所述雷达发射信号并向地层介质发射所述雷达发射信号；
向所述矢量网络分析仪发送控制命令，第二耦合电路在雷达发射信号中加载从所述矢量网络分析仪发送的控制命令，并经由所述同轴电缆发送至第一耦合电路；
第一耦合电路，用于对所述控制命令进行解耦合处理，并发送至井中控制单元；
所述井中控制单元根据所述控制命令控制接收探头接收经过地层介质反射回来的雷达反射信号，并回传至所述第一耦合电路；
所述第一耦合电路对所述雷达反射信号进行耦合处理，并发送至所述第二耦合电路；
所述第二耦合电路对所述雷达反射信号解耦合处理，并发送至所述矢量网络分析仪；
所述矢量网络分析仪对所述雷达反射信号进行分析，确定井周目标的目标参数信息，并发送至所述计算机进行显示。
5.根据权利要求4所述的深地环境的双激发双接收井孔雷达探测方法, 其特征在于：所述矢量网络分析仪用于对所述雷达反射信号进行分析，确定井周目标的目标参数信息的具体实现为：
根据所述雷达反射信号计算井旁目标的探测距离为：
；
其中，h为发射探头与井旁目标之间的距离；c为雷达在真空中的传播速度；t为电磁波在地层介质中的双程走时；为介质的相对介电常数。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311658859.7A CN117348001B (zh) | 2023-12-06 | 2023-12-06 | 一种深地环境的双激发双接收井孔雷达探测***及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311658859.7A CN117348001B (zh) | 2023-12-06 | 2023-12-06 | 一种深地环境的双激发双接收井孔雷达探测***及方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117348001A CN117348001A (zh) | 2024-01-05 |
| CN117348001B true CN117348001B (zh) | 2024-02-13 |
Family
ID=89367222
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311658859.7A Active CN117348001B (zh) | 2023-12-06 | 2023-12-06 | 一种深地环境的双激发双接收井孔雷达探测***及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117348001B (zh) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113482594A (zh) * | 2021-07-06 | 2021-10-08 | 四川华晖盛世探测技术有限公司 | 一种钻孔雷达*** |
| CN115863957A (zh) * | 2022-12-09 | 2023-03-28 | 广州市建筑科学研究院集团有限公司 | 一种用于钻孔雷达定向探测的天线装置及其三维探测方法 |
| CN116522072A (zh) * | 2023-03-31 | 2023-08-01 | 吉林大学 | 一种雷达测井数据处理方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11561318B2 (en) * | 2019-04-02 | 2023-01-24 | Baker Hughes Oilfield Operations Llc | Systems and methods for radar detection |
-
2023
- 2023-12-06 CN CN202311658859.7A patent/CN117348001B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113482594A (zh) * | 2021-07-06 | 2021-10-08 | 四川华晖盛世探测技术有限公司 | 一种钻孔雷达*** |
| CN115863957A (zh) * | 2022-12-09 | 2023-03-28 | 广州市建筑科学研究院集团有限公司 | 一种用于钻孔雷达定向探测的天线装置及其三维探测方法 |
| CN116522072A (zh) * | 2023-03-31 | 2023-08-01 | 吉林大学 | 一种雷达测井数据处理方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 基于VNA的步进频率体制钻孔雷达***研发;董航;《中国博士学位论文全文数据库（电子期刊） 基础科学辑》(第08期);第1-2、25、32-33、41-42、81、131页 * |
| 煤矿井下探地雷达应用试验研究;禾永;《建井技术》;第38卷(第6期);第33-35、43页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117348001A (zh) | 2024-01-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4814768A (en) | Downhole pulse radar | |
| US8680865B2 (en) | Single well reservoir imaging apparatus and methods | |
| CN101482013B (zh) | 一种随钻井眼补偿电磁波电阻率测量装置 | |
| US9411068B2 (en) | 3D borehole imager | |
| WO2020078003A1 (zh) | 一种时间域瞬变电磁波测井边界远探测方法 | |
| US6556014B1 (en) | Device and method for measurement by guided waves on a metal string in a well | |
| CN201363137Y (zh) | 一种随钻井眼补偿电磁波电阻率测量装置 | |
| CN105589069B (zh) | 一种矿用钻孔雷达超前探水预报装置及方法 | |
| CN114089428B (zh) | 一种时间域电磁张量测井方法 | |
| Unterberger | Radar propagation in rock salt | |
| Mao et al. | Simulation and analysis of conductively guided borehole radar wave | |
| CN117348001B (zh) | 一种深地环境的双激发双接收井孔雷达探测***及方法 | |
| CN111812726A (zh) | 一种深层地质介电共振探测装置及其探测方法 | |
| CN110847882B (zh) | 一种用于实现钻探城市地下空间的***及方法 | |
| LU500191B1 (en) | Mining Borehole Radar Advanced Water Detection and Forecasting Device and Method | |
| US20230007871A1 (en) | Generating a subterranean map with ground penetrating radar | |
| CN103174411A (zh) | 一种用于水平井随钻探层测距雷达的电磁波源信号制式 | |
| US3412321A (en) | Oil-water contact location with frequency modulated electromagnetic energy | |
| JP2850994B2 (ja) | スロットアンテナを利用するボアホールレーダ | |
| Dang et al. | Detection imaging of impulse borehole well-logging radar | |
| US3412322A (en) | Discontinuity location by frequency modulation electromagnetic energy | |
| Ma et al. | Field test of directional borehole radar in a hydrocarbon production well | |
| Li et al. | Development of a single-borehole radar for well logging | |
| CN111538095B (zh) | 一种基于地面单钻孔内反射无线电波的地质勘探方法 | |
| Teng et al. | A Novel Lwd Tool Based on High-Frequency Electromagnetic Wave Used for Determining and Ranging Reservoir Boundary |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |