偶極天線陣列方位井眼雷達(dá)（Borehole Radar）系統(tǒng)

偶極天線陣列方位井眼雷達(dá)（Borehole Radar）系統(tǒng)

井眼雷達(dá)是探地雷達(dá)（GPR，Ground Penetrating Radar）的一種。常規(guī)井眼雷達(dá)多數(shù)采用非方位偶極天線，為準(zhǔn)確確定目標(biāo)的三維位置，一般需通過在多口井眼中布置雷達(dá)。如果能使用一種方位井眼雷達(dá)，則在單個(gè)井筒中就可獲得所需三維信息。以前有一種利用電介質(zhì)控制發(fā)射模式并使用機(jī)械旋轉(zhuǎn)的背腔式縫隙天線，還有一種在空間成“8”型的交叉環(huán)天線，這些天線的發(fā)射模式都適用于方位井眼雷達(dá)。

在井筒內(nèi)一周布置數(shù)個(gè)天線單元也可實(shí)現(xiàn)方位井眼雷達(dá)，但是用傳統(tǒng)的傅里葉變換來處理這些天線的陣列信號很難獲得足夠的空間分辨率。這是由于大于0.3m的工作波長要比天線可用空間長得多。為了解決此問題，通過把MUSIC算法（用于計(jì)算發(fā)射空間位置和信號參數(shù)的算法）修正得適合方位井眼雷達(dá)系統(tǒng)以計(jì)算目標(biāo)的空間位置，為了保證測量精確度采用這種自適應(yīng)算法是非常必要的，并設(shè)計(jì)出一種光調(diào)制器偶極天線。光調(diào)制器采用馬赫－策德爾干涉儀將偶極天線上的電信號轉(zhuǎn)換為光信號。采用光調(diào)制器的優(yōu)點(diǎn)是可以很容易地把偶極天線布置在井筒中。應(yīng)用該天線結(jié)構(gòu)目前已經(jīng)研制出井眼同軸饋電環(huán)形偶極天線（CFCAB，The Coaxial－Fed Circular Dipole Array in a Borehole）陣列方位井眼雷達(dá)系統(tǒng)。該雷達(dá)系統(tǒng)由井筒中一組環(huán)形偶極天線陣列構(gòu)成，每個(gè)天線單元由一根較細(xì)的同軸電纜進(jìn)行饋電，這些天線可以在薄的居中導(dǎo)電圓柱體中集中。電池和射頻開關(guān)、激光二極管等電子線路器件布置在此圓柱體中。為了使天線適應(yīng)井筒環(huán)境，系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了絕緣柱狀層面，并對CFCAB進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)以避免天線組件和頻率范圍在100～300MHz的導(dǎo)電圓柱體之間的干擾。

在信號處理設(shè)計(jì)中，對格林函數(shù)矩量法（MoM）進(jìn)行了修正，以適應(yīng)多柱面偶極天線。利用井徑、電磁波傳播（EPT）、聲波和電阻率測井等井周信息，計(jì)算出井眼結(jié)構(gòu)和互耦影響，用數(shù)值積分方法對格林函數(shù)進(jìn)行分析評價(jià)。

該項(xiàng)技術(shù)已通過現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)1，把CFCAB布置在井1中，發(fā)射器布置在井2中，在CFCAB上可測到直達(dá)波并可準(zhǔn)確地計(jì)算出直達(dá)波方位；實(shí)驗(yàn)2，把所有天線單元布置在同一口井中，來測量表層土壤和花崗巖的接觸面，所測反射波方位角與巖心分析結(jié)果一致。用CFCAB獲得的界面反射點(diǎn)空間位置與實(shí)際界面相接近。

（信息來源：［1］Geoscience and Remote Sensing.IEEE Trans.，2004，42（1）：45－58；［2］Geoscience and Remote Sensing.IEEE Trans.，2009，47（4）：1073－1088；［3］Asia－Pacific Radio Science Conference，2010唐宇 肖圣 編譯 趙舒平 審校）