偶极天线阵列方位井眼雷达（Borehole Radar）系统

偶极天线阵列方位井眼雷达（Borehole Radar）系统

井眼雷达是探地雷达（GPR，Ground Penetrating Radar）的一种。常规井眼雷达多数采用非方位偶极天线，为准确确定目标的三维位置，一般需通过在多口井眼中布置雷达。如果能使用一种方位井眼雷达，则在单个井筒中就可获得所需三维信息。以前有一种利用电介质控制发射模式并使用机械旋转的背腔式缝隙天线，还有一种在空间成“8”型的交叉环天线，这些天线的发射模式都适用于方位井眼雷达。

在井筒内一周布置数个天线单元也可实现方位井眼雷达，但是用传统的傅里叶变换来处理这些天线的阵列信号很难获得足够的空间分辨率。这是由于大于0.3m的工作波长要比天线可用空间长得多。为了解决此问题，通过把MUSIC算法（用于计算发射空间位置和信号参数的算法）修正得适合方位井眼雷达系统以计算目标的空间位置，为了保证测量精确度采用这种自适应算法是非常必要的，并设计出一种光调制器偶极天线。光调制器采用马赫－策德尔干涉仪将偶极天线上的电信号转换为光信号。采用光调制器的优点是可以很容易地把偶极天线布置在井筒中。应用该天线结构目前已经研制出井眼同轴馈电环形偶极天线（CFCAB，The Coaxial－Fed Circular Dipole Array in a Borehole）阵列方位井眼雷达系统。该雷达系统由井筒中一组环形偶极天线阵列构成，每个天线单元由一根较细的同轴电缆进行馈电，这些天线可以在薄的居中导电圆柱体中集中。电池和射频开关、激光二极管等电子线路器件布置在此圆柱体中。为了使天线适应井筒环境，系统中设计了绝缘柱状层面，并对CFCAB进行了优化设计以避免天线组件和频率范围在100～300MHz的导电圆柱体之间的干扰。

在信号处理设计中，对格林函数矩量法（MoM）进行了修正，以适应多柱面偶极天线。利用井径、电磁波传播（EPT）、声波和电阻率测井等井周信息，计算出井眼结构和互耦影响，用数值积分方法对格林函数进行分析评价。

该项技术已通过现场试验验证。实验1，把CFCAB布置在井1中，发射器布置在井2中，在CFCAB上可测到直达波并可准确地计算出直达波方位；实验2，把所有天线单元布置在同一口井中，来测量表层土壤和花岗岩的接触面，所测反射波方位角与岩心分析结果一致。用CFCAB获得的界面反射点空间位置与实际界面相接近。

（信息来源：［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 编译 赵舒平 审校）