钻孔雷达发射前端及天馈系统研制

摘要

钻孔雷达是探地雷达的一种,其工作于钻孔之中,利用发射天线向介质中发射高频电磁波,然后接收返回的电磁波,通过分析接收到的电磁波,来确定钻井周边的地下情况。钻孔雷达被广泛应用于环境保护、资源勘测和考古挖掘等诸多领域。钻孔雷达发射机和天线作为钻孔雷达电磁波的产生和发射单元,其性能的优劣直接决定了钻孔雷达的整体性能。因此,设计出高性能的钻孔雷达发射机及天线对弥补我国研发钻孔雷达系统,并应用于商业领域有着重要的意义。　　本文结合钻孔雷达工作环境的特殊性,研究并设计了钻孔雷达发射前端和天线系统,其中发射前端包括了触发信号产生电路和脉冲形成及增压电路。对于钻孔雷达的天线,分别设计了应用于井下的阻容混合加载偶极子宽带天线和工作于地面的非频变平面蝶形天线。　　钻孔雷达的发射前端主要是利用晶体管的雪崩原理来设计的,采用了 MARX电路形式,将多个雪崩管级联以获得高幅度、窄脉宽的脉冲信号,同时利用短路传输线将单极性脉冲转换成双极性脉冲,方便发射天线将信号辐射出去。在实施案例中,仿真设计并加工了一个峰峰值幅度为300V,峰峰脉宽4.5ns的双极性脉冲信号源,其所产生信号的3dB频带为25MHz-117MHz,信号的拖尾小,适用于钻孔雷达系统。　　阻容混合加载的偶极子天线是在分析了钻孔雷达井下天线的特点后设计的。其加载方式为 Wu-King加载方式,在75MHz-500MHz的频带内,驻波系数小于1.8。该天线比起采用纯电阻加载方式的天线,在效率方面有所提高。同时,该天线的横向尺寸小,结构简单,适于时域脉冲钻孔雷达系统使用。　　另外,针对钻孔雷达的孔地测量方法中地面天线的要求,还设计了一种指数形电阻加载的蝶形天线。该天线背面采用了填充吸波材料的屏蔽腔来屏蔽来自外界的干扰。采用微带巴伦对天线进行馈电,巴伦同时起到了阻抗变换和不平衡-平衡转换的作用。通过仿真分析表明,所设计的天线在0.49-1.65GHz的工作频带内,驻波系数小于1.9,辐射波形拖尾相对幅值小于10％,最小探测深度为20cm,能够满足超宽带工作的钻孔雷达的需要。

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第一章 绪论

1.1 研究背景和目的

1.2 钻孔雷达的发展与应用

1.3 钻孔雷达关键部件研究动态

1.4 本文主要内容和结构安排

第二章 脉冲体制钻孔雷达基本理论

2.1 钻孔雷达基本理论和主要参数

2.2 探测方法

2.3 时域脉冲钻孔雷达

2.4 雷达天线的基本理论

2.5 本章内容小结

第三章 钻孔雷达发射前端电路设计与实现

3.1 现有超宽带脉冲产生技术及特点

3.2基于雪崩三极管的脉冲源工作原理

3.3 纳秒级脉冲信号的频谱特性

3.4 窄脉冲产生电路设计与实现

3.5 本章内容小结

第四章 井下全向天线设计

4.1 钻孔雷达天线特点及技术

4.2 天线加载理论

4.3 全向钻孔雷达天线设计

4.4 天线发射接收仿真

4.5 本章内容小结

第五章 地面超宽带蝶形天线设计

5.1 蝶形天线

5.2 分布加载蝶形天线

5.3 屏蔽腔

5.4具有屏蔽腔的蝶形天线设计

5.5 巴伦的设计

5.6 指数加载蝶形天线的整体仿真

5.7 天线发射接收仿真

5.8 本章内容小结

第六章 总结及展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果