偶極天線陣列方位井眼雷達（Borehole Radar）系統

偶極天線陣列方位井眼雷達（Borehole Radar）系統

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

在井筒內一周布置數個天線單元也可實現方位井眼雷達，但是用傳統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（用于計算發射空間位置和信號參數的算法）修正得適合方位井眼雷達系統以計算目標的空間位置，為了保證測量精確度采用這種自適應算法是非常必要的，并設計出一種光調制器偶極天線。光調制器采用馬赫－策德爾干涉儀將偶極天線上的電信號轉換為光信號。采用光調制器的優點是可以很容易地把偶極天線布置在井筒中。應用該天線結構目前已經研制出井眼同軸饋電環形偶極天線（CFCAB，The Coaxial－Fed Circular Dipole Array in a Borehole）陣列方位井眼雷達系統。該雷達系統由井筒中一組環形偶極天線陣列構成，每個天線單元由一根較細的同軸電纜進行饋電，這些天線可以在薄的居中導電圓柱體中集中。電池和射頻開關、激光二極管等電子線路器件布置在此圓柱體中。為了使天線適應井筒環境，系統中設計了絕緣柱狀層面，并對CFCAB進行了優化設計以避免天線組件和頻率范圍在100～300MHz的導電圓柱體之間的干擾。

在信號處理設計中，對格林函數矩量法（MoM）進行了修正，以適應多柱面偶極天線。利用井徑、電磁波傳播（EPT）、聲波和電阻率測井等井周信息，計算出井眼結構和互耦影響，用數值積分方法對格林函數進行分析評價。

該項技術已通過現場試驗驗證。實驗1，把CFCAB布置在井1中，發射器布置在井2中，在CFCAB上可測到直達波并可準確地計算出直達波方位；實驗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果一致。用CFCAB獲得的界面反射點空間位置與實際界面相接近。

（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）