一种孔中双频探地雷达天线.pdf

本发明涉及一种孔中双频探地雷达天线，设置在基坑围护结构的预留孔中，用以探测基坑围护结构的病害，包括套管、管底密封块、管顶密封块、同轴电缆以及相对设置在套管内部的顶部天线极子和底部天线极子，每个天线极子均包括依次连接的圆锥形天线头、第一天线节、变频接头和第二天线节，所述的同轴电缆的头部分别与每个天线极子的圆锥形天线头连接，尾部与管顶密封块连接。与现有技术相比，本发明具有中心频率高、分辨率高、尺寸小、操作简单、可变频、材料强度高、质量轻、制作加工简单、成本低等优点。

1.  一种孔中双频探地雷达天线，设置在基坑围护结构的预留孔中，用以探测基坑围护结构的病害，其特征在于，包括套管(6)、管底密封块(8)、管顶密封块(9)、同轴电缆(5)以及相对设置在套管(6)内部的顶部天线极子和底部天线极子，每个天线极子均包括依次连接的圆锥形天线头(1)、第一天线节(2)、变频接头(4)和第二天线节(3)，所述的同轴电缆(5)的头部分别与每个天线极子的圆锥形天线头(1)连接，尾部与管顶密封块(9)连接。

2.  根据权利要求1所述的一种孔中双频探地雷达天线，其特征在于，所述的变频接头(4)为铜质接头组或亚克力接头组。

3.  根据权利要求2所述的一种孔中双频探地雷达天线，其特征在于，所述的探地雷达天线的工作频率为200-500MHz，当变频接头(4)为铜质接头组时，中心频率为270MHz，当变频接头(4)为亚克力接头组时，中心频率为500MHz。

4.  根据权利要求2所述的一种孔中双频探地雷达天线，其特征在于，所述的铜质接头组包括分离式铜质接头和整体式铜质接头，所述的亚克力接头组包括分离式亚克力接头和整体式亚克力接头，所述的整体式铜质接头或整体式亚克力接头设置在底部天线极子中，所述的分离式铜质接头或分离式亚克力接头设置在顶部天线极子中。

5.  根据权利要求1所述的一种孔中双频探地雷达天线，其特征在于，所述的变频接头(4)的外缘设有外螺纹，所述的第一天线节(2)和第二天线节(3)上分别设有内螺纹，所述的变频接头(4)分别与第一天线节(2)和第二天线节(3)通过螺纹连接。

6.  根据权利要求1所述的一种孔中双频探地雷达天线，其特征在于，所述的圆锥形天线头(1)、第一天线节(2)和第二天线节(3)均为铜质，圆锥形天线头(1)为实心圆锥体，第一天线节(2)和第二天线节(3)均为空心圆柱体。

7.  根据权利要求1所述的一种孔中双频探地雷达天线，其特征在于，所述的管顶密封块(9)上设有与同轴电缆(5)连接的同轴电缆接头(7)，所述的同轴电缆接头(7)通过螺钉固定在管顶密封块(9)上。

8.  根据权利要求1所述的一种孔中双频探地雷达天线，其特征在于，所述的 套管(6)、管底密封块(8)和管顶密封块(9)的材质均为亚克力，第一天线节(2)和第二天线节(3)与套管(6)之间填充有环氧树脂。

9.  根据权利要求1所述的一种孔中双频探地雷达天线，其特征在于，所述的同轴电缆(5)的内导体与底部天线极子的锥形天线头焊接，外导体与顶部天线极子的锥形天线头焊接。

10.  根据权利要求1所述的一种孔中双频探地雷达天线，其特征在于，所述的变频接头(4)外缘上还设有卡环。

一种孔中双频探地雷达天线
技术领域
本发明涉及一种雷达天线，尤其是涉及一种孔中双频探地雷达天线。
背景技术
近年来，对城市功能的深入开发已逐步转为对地下空间进行大规模、深层次的开发与利用，如轨道交通枢纽车站、跨江河重大工程以及高层建筑地下空间等。在地下工程的建设中，基坑围护结构是保障地下工程安全与环境安全的关键载体，但由于围护类型日趋复杂，施工工序繁复，工作质量难以控制，在加上地质情况多变等诸多不可预见的不利因素，将在很大程度上会影响到基坑围护结构的质量。围护结构常出现空洞、夹泥、裂缝、离析以及围护结构长度不足等严重质量病害，导致围护结构在基坑开挖中出现渗漏水、流砂、支撑开裂，甚至发生基坑内水土突涌、基坑塌陷等风险事件，严重影响到基坑本身的安全及周边地铁、隧道、地下管线及建(构)筑物等周边环境的安全。但是，对围护结构病害的检测目前并没有成熟的方法，现有的方法多是利用已有的桩基检测或地质勘探的技术与设备，缺乏针对性，因此检测效果无法保证。
围护结构通常插入地层的深度较大，因此，通过围护结构内的预留孔进行孔中探地雷达检测在理论和实践上都是较为可行的方案。天线作为探地雷达的核心部件之一，对检测工作的实施起着至关重要的作用。但目前已有的商业孔中探地雷达天线多用于地质调查领域，天线频率较低，尺寸较大，分辨力较低，无法满足围护结构病害检测的需求。因此，亟待开发出一种适用于围护结构病害检测的新型孔中探地雷达天线，具备以下特性：
1、工作频率。根据围护结构与病害的尺寸特点，要求电磁波在围护结构内部既能穿透一定距离，又能分辨出一定尺寸的病害。根据工程实践，天线需要在200MHz～500MHz频段内有较好的工作性能。
2、天线增益。高增益使天线的输入功率能够集中辐射到所需探测的范围内， 能够有效增加探地雷达的探测深度，可更加有效的检测围护结构内部的病害。
3、天线尺寸。由于围护结构上通常预留标准尺寸的测斜孔，因此天线尺寸严格受制于孔洞的尺寸。
专利号为CN102354794B的中国专利公开了一种井下地质探测雷大用全向柱形偶极子天线，该天线包括：由单极子天线管形柱体、锥形天线头，设于天线头与天线节之间及各天线节之间两端面座孔内的加载电阻及相应的压力弹簧、节间固定套，支撑管，螺母套组成的单极子天线，连接固定套，同轴电缆，该天线的中心频率仅为100MHz，且不能变频，限制了探测范围，结构复杂，成本较高，并且体积较大，只能适用于井下而不能适用于基坑围护结构。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种中心频率高、分辨率高、尺寸小、操作简单、可变频、材料强度高、质量轻、制作加工简单、成本低的孔中双频探地雷达天线。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种孔中双频探地雷达天线，设置在基坑围护结构的预留孔中，用以探测基坑围护结构的病害，包括套管、管底密封块、管顶密封块、同轴电缆以及相对设置在套管内部的顶部天线极子和底部天线极子，每个天线极子均包括依次连接的圆锥形天线头、第一天线节、变频接头和第二天线节，所述的同轴电缆的头部分别与每个天线极子的圆锥形天线头连接，尾部与管顶密封块连接。
所述的变频接头为铜质接头组或亚克力接头组。
所述的探地雷达天线的工作频率为200-500MHz，当变频接头为铜质接头组时，中心频率为270MHz，当变频接头为亚克力接头组时，中心频率为500MHz。
所述的铜质接头组包括分离式铜质接头和整体式铜质接头，所述的亚克力接头组包括分离式亚克力接头和整体式亚克力接头，所述的整体式铜质接头或整体式亚克力接头设置在底部天线极子中，所述的分离式铜质接头或分离式亚克力接头设置在顶部天线极子中。
所述的变频接头的外缘设有外螺纹，所述的第一天线节和第二天线节上分别设有内螺纹，所述的变频接头分别与第一天线节和第二天线节通过螺纹连接。
所述的圆锥形天线头、第一天线节和第二天线节均为铜质，圆锥形天线头为实 心圆锥体，第一天线节和第二天线节均为空心圆柱体。
所述的管顶密封块上设有与同轴电缆连接的同轴电缆接头，所述的同轴电缆接头通过螺钉固定在管顶密封块上。
所述的套管、管底密封块和管顶密封块的材质均为亚克力，第一天线节和第二天线节与套管之间填充有环氧树脂。
所述的同轴电缆的内导体与底部天线极子的锥形天线头焊接，外导体与顶部天线极子的锥形天线头焊接。
所述的变频接头外缘上还设有卡环。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、中心频率高、分辨率高：本发明的雷达天线的中心频率为270MHz和500MHz，远远大于市面上的天线的中心频率，特别能够适应基坑围护结构的复杂地质环境。
二、尺寸小：本发明为适应基坑围护结构中的预留测斜孔的孔径，高481mm，外径只有60mm，完全能够适应预留测斜孔的孔径。
三、操作简单、可变频：变频时只需将一组变频接头拧下，换上另一组变频接头即可改变频率，结构简单，操作方便。
四、材料强度高、质量轻：本发明密封和套管使用亚克力材料，高度高，满足工作环境中对天线的保护和密封要求，而且质量轻，便于携带、更换及耐用。
五、制作加工简单、成本低：天线的结构和封装材料均是规则形状，且其用材常见，加工工序少，便于研发改进。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为分离式变频接头的结构示意图。
图3为整体式变频接头的结构示意图。
图4为馈电点的结构示意图。
图5为仿真运行的回波损耗曲线坐标图。
其中，1、圆锥形天线头，2、第一天线节，3、第二天线节，4、变频接头，5、同轴电缆，6、套管，7、同轴电缆接头，8、管底密封块，9、管顶密封块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明的目的是提供一种孔中双频探地雷达天线，该天线根据不同探测实例，可分别在中心频率270MHz和500MHz左右工作，具有较高的增益以增加探测距离，其尺寸能够满足围护结构预留孔洞的要求。
实施例1：
如图1所示，一种孔中双频探地雷达天线，设置在基坑围护结构的预留孔中，用以探测基坑围护结构的病害，包括套管6、管底密封块8、管顶密封块9、同轴电缆5以及相对设置在套管6内部的顶部天线极子和底部天线极子，每个天线极子均包括依次连接的圆锥形天线头1、第一天线节2、变频接头4和第二天线节3，同轴电缆5的头部分别与每个天线极子的圆锥形天线头1连接，尾部与管顶密封块9连接。
变频接头4的外缘设有外螺纹，第一天线节2和第二天线节3上分别设有内螺纹，变频接头4分别与第一天线节2和第二天线节3通过螺纹连接，变频接头4外缘上还设有卡环，圆锥形天线头1、第一天线节2和第二天线节3均为铜质，圆锥形天线头1为实心圆锥体，第一天线节2和第二天线节3均为空心圆柱体，管顶密封块9上设有与同轴电缆5连接的同轴电缆接头7，同轴电缆接头7通过螺钉固定在管顶密封块9上，套管6、管底密封块8和管顶密封块9的材质均为亚克力，第一天线节2和第二天线节3与套管6之间填充有环氧树脂，同轴电缆5的内导体与底部天线极子的圆锥形天线头1焊接，外导体与顶部天线极子的圆锥形天线头1焊接，变频接头4可将第一天线节2和第二天线节3连接，从而增加天线长度以起到降低天线频率的作用。
如图4所示，同轴电缆5由天线一极内进入天线，在圆锥形天线头1处与天线焊接，其中内导体与顶部圆锥形天线头尖端相连，外导体与底部圆锥形天线头尖端相连，同轴电缆其余导电部分均不能与天线接触。
如图2和图3所示，变频接头4包括分离式接头和整体式接头，其中分离式接头用于连接顶部天线极子的天线节，整体式接头用于连接底部天线极子的天线节。
当变频接头4为铜质接头组时，工作中心频率为270MHz，铜质接头组包括分离式铜质接头和整体式铜质接头，整体式铜质接头设置在底部天线极子中，分离式铜质接头设置在顶部天线极子中。
本天线的具体尺寸如下：
圆锥形天线头1为圆锥体，锥高14mm，锥底直径48mm，锥体沿轴线钻孔，孔径2mm，两圆锥形天线头1的锥尖距离3mm；第一天线节2为空心圆柱体，高度110mm，外径48mm，壁厚3mm，在柱体末端制作内螺纹，螺纹高度20mm；第二天线节3为空心圆柱体，高度105mm，外径48mm，壁厚3mm，在柱体前端制作内螺纹，螺纹高度20mm；变频接头4为中部有突起的空心圆柱体，内径38mm，高度45mm，其中上下各20mm高度范围内制作外螺纹，外径42mm，中间5mm高度范围内外径48mm。套管6为亚克力管，高度481mm，外径60mm，壁厚5mm；管底密封块8为亚克力圆柱体，高度5mm，直径48mm；管顶密封块9为亚克力圆柱体，高度20mm，直径48mm，沿圆柱体轴线制作直径为10mm的孔洞用于安装同轴电缆接头。
实施例2：
当变频接头4为亚克力接头组时，工作中心频率为500MHz，亚克力接头组包括分离式亚克力接头和整体式亚克力接头，整体式亚克力接头设置在底部天线极子中，分离式亚克力接头设置在顶部天线极子中，本实施例中的其余部分均与实施例1相同。
如图5所示，图为分别使用铜制变频接头和亚克力制变频接头时数值仿真条件下的回波损耗曲线图，其中心频率分别为270MHz和500Mhz，回波损耗值分别达到-23dB和-25dB，说明在这两个频率附近天线有较好的工作性能。
表1为本发明的探地雷达天线与普通雷达天线的数据比较，由表中可知，本发明具有中心频率高、分辨率高、尺寸小、可变频、质量轻、制作加工简单、成本低等优点。
表1