光電界センサを用いたアレー型指向性ボアホールレーダの開発

光电场传感器阵列式定向钻孔雷达的研制

基本信息

批准号：
08J02326
负责人：
高山卓也
金额：
$ 0.38万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2008
资助国家：
日本
起止时间：
2008 至 2009
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-08J02326/
关键词：
指向性ボアホールレーダ相互結合き裂

项目摘要

これまでアレーアンテナを受信アンテナとして搭載したアレー型指向性ボアホールレーダを用いて実験を行った結果、それぞれの受信アンテナ素子の共振周波数付近において信号のコヒーレンスが低下する、アンテナ間結合の問題があった。このため解析には共振周波数よりも低い周波数の信号のみしか用いることができず、周波数帯域の低下に伴う分解能の低下、S/Nの低下を招いていた。この問題を解決するため、アンテナ素子上に付加したPINダイオードのバイアス状態の変化によりアンテナの長さを電気的に変化させるスイッチングアンテナを考案した。これによりアンテナ素子の共振周波数を変化させることが可能となり、アンテナ間結合の影響を高い周波数へ追いやることができる。室内実験、フィールド実験によって検証を行った結果30%ほどの周波数帯域の向上が可能であることが確認された。また改良した指向性ボアホールレーダを用いてフィールド実験によって地下き裂の三次元位置推定を行った。地下き裂は岩盤中の透水性などを評価する上で最も重要な要素であり、高レベル核廃棄物の地層処分、地下石油備蓄などの地下利用のためのサイト選定に必要とされる。それ以外にもトンネル掘削時の岩盤崩落事故の防止、高効率な地熱発電システムへの応用など社会的な必要性も多い。実験の結果地下き裂の三次元的な位置が特定され、それぞれのき裂がどのように組み合わさっているかについての推測が可能であることを示した。実験結果は再現性がよく信頼性のある結果であった。

先前使用配备阵列天线的阵列型定向钻孔雷达作为接收天线的实验表明，天线间耦合存在问题，在每个接收天线单元的谐振频率附近信号相干性下降。因此，只能使用频率低于谐振频率的信号进行分析，导致分辨率和信噪比随着频带的减小而降低。为了解决这个问题，我们设计了一种开关天线，通过改变连接到天线元件的 PIN 二极管的偏置状态，以电气方式改变天线的长度。这使得可以改变天线元件的谐振频率，并且可以将天线间耦合的影响推向更高的频率。经过实验室和现场实验验证，证实可以将频段提高约30%。此外，利用改进的定向钻孔雷达，通过现场实验进行了地下裂缝的三维位置估计。地下裂缝是评估岩石透水性的最重要因素，对于高放核废料地质处置和地下石油储存等地下使用选址是必要的。还有许多其他社会需求，例如防止隧道开挖过程中的岩石崩塌事故以及应用于高效地热发电系统。实验结果确定了地下裂缝的三维位置，并且表明可以推断出每个裂缝是如何组合的。实验结果具有高度的重复性和可靠性。