【摘 要】
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冲激体制雷达依据特定频带电磁波在复杂地下环境的远距离、高分辨率的综合探测优势,成为井下珍稀资源勘探与成像的重要工具。本文根据钻孔测井雷达中时域超宽带天线的应用,进行了如下三个方面工作。原理方面,对钻孔测井雷达的脉冲源,即高斯脉冲信号进行了时域频域特性的分析;之后从工程应用角度,列举了几种提升天线带宽的技术手段,重点推导了阻抗加载方式提升天线带宽性能的原理;随后分析了井下电磁环境对雷达波传播的影响。
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冲激体制雷达依据特定频带电磁波在复杂地下环境的远距离、高分辨率的综合探测优势,成为井下珍稀资源勘探与成像的重要工具。本文根据钻孔测井雷达中时域超宽带天线的应用,进行了如下三个方面工作。原理方面,对钻孔测井雷达的脉冲源,即高斯脉冲信号进行了时域频域特性的分析;之后从工程应用角度,列举了几种提升天线带宽的技术手段,重点推导了阻抗加载方式提升天线带宽性能的原理;随后分析了井下电磁环境对雷达波传播的影响。仿真设计方面,根据单孔测井的原理,优化设计出了一套全向发射-定向接收的钻孔测井雷达收发天线系统。第一个是用于发射的全向偶极子天线。首先对偶极子天线的馈电点进行渐变结构设计,初步调节天线的输入阻抗到50Ω附近;之后为改善天线的高频辐射方向图,对偶极子天线进行了电阻加载。优化后的发射天线在150MHz~1GHz内的S11参数均小于-10dB;同时在馈源半功率谱宽范围内,天线的主辐射方向具有一致性,远场探针处天线的时域辐射波形与二阶高斯脉冲信号十分吻合。其次是接收天线的设计,通过在天线背面加入吸波海绵来屏蔽后向辐射,实现天线的定向性。通过对馈电点的渐变结构设计和电阻加载的扫参优化来提升天线的工作带宽,改善天线的时域辐射特性。优化后的接收天线在160MHz～900MHz内的S11参数小于-10d B;时域方向图上,天线的场强前后比达到10:1,正向主瓣的半功率波束宽度为±50°。测试方面,分别对收发天线进行了S11参数的测量,对接收天线进行了时域方向图的测量,测量结果均与仿真结果较为吻合;对收发天线系统进行了空气环境中直达波信号的接收仿真与测试,测试结果与仿真结果高度一致;另一方面,对收发天线系统进行了套入玻璃钢管前后直达波信号的接收实测对比,分析了玻璃钢管对于收发天线的影响;对雷达整机进行了空气环境中反射波信号的接收仿真与测试,测试结果在考虑玻璃钢管对收发天线辐射特性的影响后,与仿真结果高度吻合;同时对雷达系统进行了空气环境中的目标物成像测试,根据成像图计算出的目标物与雷达距离和两者的实际距离十分吻合;最后对雷达系统进行了井下环境的实测,实测波形达到了成像要求。
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