水平定向钻机钻头深度信息无线传输与信号处理系统的设计

1、题 目 水平定向钻机钻头深度信息无 线传输与信号处理系统的设计 英文题目 the design of information wireless transmission and processing system for depth information of horizontal directional drill - 28 -目 录目 录- 1 -第一章 绪 论- 2 -第一节 水平定向钻进技术概述- 2 -第二节 水平定向钻机施工的一般步骤- 2 -第三节 水平定向钻机导向系统的组成- 3 -第四节 国内外发展现状及对比- 4 -第五节 本课题研究的目的和意义- 4 -第二章 信号发射

2、系统的设计- 6 -第一节 信号发射源数学模型的建立- 6 -第二节 信号发射电路- 6 -第三节 电路相关参数的选择及信号频率的计算- 7 -第三章 信号接收系统的设计- 10 -第一节 信号接受基本原理- 10 -第二节 信号接收方案的对比和选择- 10 -第三节 信号接收电路与相关参数的计算- 12 -第四章 信号处理系统的设计- 16 -第一节 信号的运算处理- 16 -第二节 测量结果的显示- 20 -第五章 系统分析- 22 -第一节 误差来源分析- 22 -第二节 改进措施- 23 -结 论- 24 -致 谢- 25 -参考文献- 26 -附 录- 27 -第一章 绪 论第一节

3、水平定向钻进技术概述随着城市高度现代化和人民生活水平的不断提高，城市和农村对基础设施建设的要求也越来越高。特别是在城市，传统的开挖铺设管线方法给交通带来诸多不便，而要在穿越高速公路、铁路、文物保护区、建筑物等不允许开挖的情况下铺设管线，传统的开挖铺设管线方法就显得束手无策了。水平定向钻进 (horizontal directional drilling)一直是非开挖技术领域中占据主导地位并且发展最快的一种技术1，它是在地表不开挖的情况下进行管线的铺设、修复和更换的一种施工新技术。与传统的挖槽施工法相比，非开挖施工技术具有不影响交通、不破坏环境、施工周期短、施工综合成本低、社会效益显著等特点。它

4、可广泛用于穿越高速公路、铁路、建筑物、河流、闹市区、古迹保护区、农作物和植被保护区等，进行市政、供水、煤气、电力、石油、天然气等管线的铺设、更新或修复。第二节 水平定向钻机施工的一般步骤大多数的导向钻进是使用一种射流辅助切削钻头，钻头通常带有一个斜面，当钻头不停地回转而且不断前进时会钻出一个直线孔。但当钻头朝着某个方向给进而不回转时，钻孔发生偏斜。导向钻头内腔装有一个探头或发射器，探头也可以固定在钻头后面。当钻孔向前推进时，发射器发射出来的信号被地表接受器所接收而进行追踪，因此可以监视方向、深度和其它参数。(a)钻掘先导孔(b) 扩孔及管线铺设图1-1 水平地向钻机铺设管线示意图图1-1演示了

5、水平定向钻机铺设管道的一般过程。整个过程可以分为钻掘先导孔、扩孔及管线铺设两步进行。施工时，首先利用专门的定向钻机钻出小口径的导向孔，钻进过程中通过监测和控制手段使导向孔按照设计的轨迹延伸，从被穿越物(河流、公路等)的另一侧钻出地表，如图1-1（a）所示；然后卸下导向钻头换上大直径的扩孔钻头和直径小于扩孔钻头的待铺设管线，进行反向扩孔，同时将待铺设的管线回拖入钻孔，如图1-1(b)所示；当全部的钻杆柱被拉回时，铺设管线的工作同时完成。有时根据钻机的能力和待铺设管线的直径大小，可先专门进行一次或二次扩孔后再回拉管线221。图1-2则表示使用导向仪确定钻头在地下具体位置的操作过程。根据导向仪上箭头

6、所指指示的方向可以迅速确定钻头在地下具体位置，然后导向仪再根据信号接收线圈接收到的磁场强度就可以具体确定钻头在地下的深度，从而根据测量的信息来控制钻头在地下的前进方向，来完成整个钻进过程2。图1-2 地面定位测深过程示意图第三节 水平定向钻机导向系统的组成水平定向钻进轨迹测量系统是为了解决非开挖水平定向钻进随钻测量问题。作为被测对象的钻头，工作在不同的复杂的地质结构条件下，具有温度变化范围大、振动和冲击大等特点。另外，水平定向钻进实际作业过程中，需要消耗大量的人力和物力，控制不好其轨迹常常会造成事故的发生，如对地下原有公共设施造成破坏等不可挽回的损失。这意味着测量系统必须具备较强的适应性和较高

7、的可靠性及稳定性。同时，为了保证钻头能够长时间在地下作业的要求，要求钻头内部传感器信号采集电路和信号发射电路的功耗要低。典型的导向系统由三部分组成3 4 5:地下传感发射探头、地面手持式定位跟踪仪和远端监视设备。智能地下探头由测量单元、发射线圈、保护单元和电池等组成，完成钻孔倾角、方位角、工具面向角和温度等参数的测量，测得的数据经过微处理器进行处理并编码送给发射电路和发射线圈，编码信号被调制在高频载波上通过线圈向地表发射电磁波信号。地面手持式定位跟踪仪在地面上接收发送的电磁波信号，根据信号强弱对探头位置进行定位、测深，并将地下探头发送来的角度等各项参数在显示面板上显示出来，远端监视设备通过无线

8、的方式接收数据并显示，使钻具轨迹信息在远端即可观察到，保证操作人员顺利操作。第四节 国内外发展现状及对比图1-3 我国水平定向钻机数量增长图2从70年代初水平定向钻进技术在美国诞生开始，这一技术就迅速得到环保方面的青睐，开始不断发展和完善。80年代后，随着石油工业的复苏及电信工业突飞猛进的发展，水平定向钻进技术的应用领域开始产生飞跃。到了90年代初，经过前一阶段水平定向钻进技术的实践检验，hdd技术己成为首选的非开挖管线施工手段。在西方发达国家，非开挖施工技术的应用己经十分普遍，施工工作量急剧增加。如在德国，约10%的管道施工采用非开挖技术，个别城市如柏林采用非开挖技术铺设的管线达40%。经过

9、多年的发展，国外生产水平定向钻机的技术越来越成熟，在大型钻机的生产和导向仪的研发上都处于领先地位2223。与国外相比，我国的非开挖定向钻进施工还处于起步和推广阶段。由于政府的重视和环保意识的加强，非开挖定向钻进铺管技术得到了大力支持和提倡，最近10年得到了快速的发展。据中国非开挖技术协会调查统计，我国从1997年至2003年6年间，非开挖工程量和设备拥有量的年增长率均在50%以上。目前，我国己有不少单位研制出自己的定向钻机并成功投放市场，也涌现出一批专门或兼营定向钻进铺管的施工企业。尽管如此，与发达国家相比，我国非开挖技术产业发展还存在着许多问题。在研发方面，主要是投入的力度不够，缺乏产业规划

10、，没有组织系统的研发。此外，我国的定向钻机的生产还处于学习和模仿的阶段，产品难以满足复杂工程施工的需要。而对于大型高技术含量的定向钻机、导向仪以及自动化程度较高的探地雷达装备基本没有涉足。因此，利用我国现有的高新技术成果，开发研究非开挖定向钻进设备及应用技术，实现国产化，将对整个国民经济的发展起到巨大的带动作用，有利于我国可持续发展战略目标的实现6 7 8。第五节 本课题研究的目的和意义随着非开挖技术的迅猛发展，水平定向钻进技术以其独特的技术优势，在目前城市地下管线铺设工程中起着越来越重要的作用。相应的，对水平定向钻进的轨迹测量的要求也是越来越高。本文以水平定向钻进过程中对钻头轨迹的测量和定位

11、为研究方向，对轨迹的测量和定位过程中的关键技术进行研究。由于目前国内导向仪的生产都还处于实验阶段，还不能应用于实际工程之中，因此本课题着重研究水平定向钻机钻头信息的传输（无线传输）与信号处理，主要研究以下几个方面的内容：1.水平定向钻头信号发射源采用电磁波传递信号，建立发射源电磁波的数学模型，讨论电磁波在地层中传播时的衰减情况，从而确定采用中低频率的电磁波来传递信号以减少信号的衰减。2.研究分析现有深度测量的理论和方法，采用双线圈补偿法来接收信号。双线圈补偿法是利用地面固定间距的两个同向线圈来接受信号源发射的中长电磁波，该方法能实现电磁波的强度补偿，极大提高测量与定位的精度。3.根据上述研究内

12、容，制作实际可操作的信号无线传输和处理系统，分析该系统误差的来源，并提出改进措施。本文就水平定向钻进技术中的关键问题进行研究和分析，虽然取得了一些成绩，但由于作者水平的限制，仍存在着许多进一步需要研究的地方。如果能研制具有自主知识产权的水平定向钻机导向系统，并与国产的水平定向钻机配套使用，这必将有利于填补国内在高性能的定位与导向仪器方面的空白，产生巨大的经济效益和社会效益，对企业乃至国民经济的发展具有巨大的促进作用。第二章 信号发射系统的设计第一节 信号发射源数学模型的建立非开挖铺管导向钻进的地层深度一般在30m以内，土层的含水量多少不等，一些地层中还夹有岩石体。要实现钻头状态参数的无线传送和

13、钻头的定位与非接触式测量，在众多方法中，采用电磁波是较为合适和可行的高性价比方案。图2-1 发射单元的信号场分布时至今日，无线通信已延伸到星际空间，但对地面与地下之间通信技术的研究，仍显得十分薄弱。其主要原因是因为这种通信属电磁波在半导电媒质(地层)中的传播。由于地层结构复杂、多变、信号衰减大，且媒质各向异性，当电磁波在这种复杂的地质结构路径上传播时，预测其电磁场的分布规律就显得较为困难。在岩层中传递电磁波时，这种半导电媒质要吸收电磁波的能量。频率f越高或媒质的电导率越大，电波的振幅衰减越严重，穿透能力越弱，而实际施工时信号必须穿透几十米的地层到达地面接收。因此，其工作频率必须降到低频段才能具

14、有一定的穿透能力。低频段的无线电波波长较长，一般为几十千米，有很强的绕射能力，能穿越土层，岩层。这正是本课题选择低频段的原因所在。信号发射源的天线与信号传输距离相比很小，因此，可将信号发射源的天线看作是一磁偶极子，其周围的磁场呈椭圆形分布，如图2-1所示。电磁波在进行传播的时候，电场e与磁场b垂直于传播方向，并且e与b与距离成反比关系2。如公式（1）： 公式（1）其中，ls为地波衰减因子，通常ls1,它随波长和土壤介质的电性参数的变化而变化。当电磁波在近场(信号源附近)传播时，其特点是电场e与磁场b垂直于传播方向，且正比于1/r3,即： 公式（2） 公式（3）因此，在测量的过程中，由信号接收和

15、处理系统分析接受的信号强度，即可确定钻头的深度。第二节 信号发射电路在信号发射电路中，首先将传感器采集到的钻头的温度，倾角，面向角，电池电量等信号转换成低频信号，然后经放大器后输入到调制器。高频振荡器产生等幅高频振荡信号作为载波送入调制器，调制器用低频信号对载波进行幅度（或频率）调制形成调幅（或调频）波，再经高频功率放大器放大后送入发射天线向空间发射。由于本课题只研究根据磁场强度的信号来确定钻头的在地下的深度。其工作过程和原理可以用图2-2表示9 10。传感器电信号调制器放大器高频放大器高 频振荡器天线图2-2 信号发射原理实际制作的电路如图2-3所示。传感器的电信号经过电容c1耦合到由三极管

16、bg1组成的放大电路，对传感器的电信号进行放大。电容c3和电阻r3组成一个高频振荡器，产生一个高频信号。放大后的信号由电容c2耦合到由电阻r4、电容c4和c5组成的调幅电路进行调制。调制过后的信号由三极管bg2进行放大，最后由电感l和电容c6组成的振荡回路产生低频电磁波，由天线将信号发射出去11。根据前面的分析，在制作实际的信号发射电路以后，应满足以下要求：在调试的过程中要求能发射中低频电磁波，并能进行调频。工作工程中稳定性要好，噪声系数要小，增益适当，适当放大传感器的信号。同时电路的功耗要小，以尽可能满足钻头能长时间在地下作业的要求。信号输入图2-3 信号发射电路图第三节 电路相关参数的选择

17、及信号频率的计算 在图2-3所示的信号发射电路图中,三极管bg1和bg2的相关参数如下：1） 3ax31：低频，小功率三极管，锗，pnp型,功率:125mw，电流：125ma。主要用于工作频率较低、功率在1w以下的低频放大和功率放大等电路中。2） 3ag11：高频，小功率三极管，锗，pnp型。主要用于功率较低，工作频率不是很高的放大电路中对微弱信号进行放大。首先，单从信号的流程来看，这是一个二级放大电路，放大后的信号最后由lc回路产生振荡。因此，这里发射信号的频率与lc回路中器件参数的选择直接相关。由于传感器传送的信号比较微弱，因此三极管bg1采用基本共射放大电路的接法，即能放大电流又能放大电

18、压，并且输入电阻也较小，输出电阻较大，与基本共集电路和基本共基电路相比，能够更好的放大传感器的微弱电信号。三极管bg2也采用基本共射放大电路的接法，其主要作用是将调幅处理后的信号进行放大并送至lc振荡回路11。由于信号接收系统是根据接收到的电磁场的信号强度来判断钻头在地下的深度，并且只需验证该信号发射系统所发射的系统是不是低频信号，并不需要关心整个系统对信号放大的倍数，因此在这里只需计算发射系统中lc回路的振荡频率 12。从上述信号发射系统抽取lc振荡回路并作适当处理后可以简化成下列电路，如图2-4所示。 图2-4 lc振荡回路+-从信号输入端看进去，整个lc振荡回路的复导纳y可以表示为：11

19、 13 公式（4）lc振荡回路中，在信号频率很低的情况下，电容的容抗很大，整个lc回路呈电感性；在信号频率较高时，电感的感抗很大，整个lc回路呈电容性；当频率与谐振频率0相等的时候，lc回路才呈纯电阻性，且阻抗无穷大。这时候电路产生电流谐振。若令复导纳y的虚部为零，就可以求出谐振频率0： 公式（5）其中c5为可调的电容，电容变化范围为0.12.5f。当电容c5取最小值的时候，谐振频率0有最大值：当电容c5取最大值的时候，谐振频率0有最小值：从上述计算过程可以看出，lc振荡电路的谐振频率0在91.499.5hz之间，有一定的低频调频范围。而整个系统本身要求工作在比较低的频段，这样电磁波信号才能穿

20、越底层达到地面的时候有较小的损失，从而能更加准确地定位钻头再地下的深度。因此可以确定信号发射系统的元器件选择及参数设定比较合理，其中电容c4的电容较大，这样能保证lc回路能产生较低频率的信号，电容c6的电容较小且有一定的变化范围，用来调整整个回路的谐振频率，以满足使用要求。从前面的分析还可以知道，频率越低，电磁波信号在穿越层的过程之中的衰减就越少，因此在上述电路图的基础上，理论上还可采用较大的电容来实现更低频率的电磁波的产生。但是电容越大，电容元件的体积就越大，这与钻头内部有限的空间相矛盾。综合考虑发射频率的要求和钻头空间的要求，上述实验电路应该比较合理。第三章 信号接收系统的设计第一节 信号

21、接受基本原理在信号接收端，接收天线把无线电波接收下来。输入到调谐回路并根据lc谐振原理从中选择出所要接收的电磁波信号，经过高频放大器后送入解调器。解调是从高频已调波信号中取出调制信号的过程。对不同的调制方式，解调分为检波和鉴频两种。检波是对调幅信号进行解调，对应电路为检波器。鉴频是对调频信号进行解调，实现鉴频的电路称为鉴频器。下图中的解调器是检波器和鉴频器的总称，作用是解调出低频信号。解调出的低频信号为模拟电信号，然后传送至信号处理单元12 20。整个过程可以用图3-1表示：天线 输入电路放大器解调器信号处理单元图3-1 信号接收原理图第二节 信号接收方案的对比和选择导向仪经过多年的发展，时至

22、今日已提出多种信号接收方案，其中有两种信号接收方案应用较为普遍：双线圈几何法和双线圈补偿法，另外一种新兴的方法是十字交叉法，现就这三种方案的优劣加以分析比较。图3-2 双线圈几何测深方法的实现在双线圈几何法中2，导向仪的信号接受系统由两个相互平行并相隔一定距离的接受线圈组成。对其中任何一个线圈轴线的垂直平面内任意一点而言，该处磁场强度可以看作是水平分量h和垂直分量v的合成。由实验分析知道，水平分量与垂直分量的比值h/v和接收线圈与发射线圈中心的连线偏离发射线圈轴线的夹角满足一种特定的关系，如图3-2（c）所示。根据这一规律，我们可将此对应关系存入计算机，实测时根据比值查表求得夹角值,如图4-2

23、(a)，（b）所示。由于该方法是由相距一定距离的两组线圈1, 2来接收信号，接收线圈距离己知，分别查表求得两点与螺线管中心连线偏离反射线圈轴线的夹角1和2，根据三角关系即可确定螺线管的位置和深度。在这种方法中，也可采用测出两组接收线圈处磁场强度的绝对值，通过磁场衰减系数确定测量点到螺线管的距离r1和r2，如图3-2（b）所示。这样，任一点的位置就由夹角和距离r唯一确定，从而实现定位测深的目的。另一种实际可操作的方法是双线圈补偿法2。如图3-3所示，导向仪的接收系统同样由两个相互平行并相隔一定距离的接受线圈组成。图3-3 双线圈补偿法测深的实现根据第三章的分析可知，磁场中某点的磁场强度b与该点到

24、场源的距离r满足以下关系： 或 公式（6）其中k为与发射强度有关的比例系数。若两个接收线圈的磁场强度分别为： 公式（7） 公式（8）其中，c1和c2为地下探头所发电磁波到线圈1和线圈2的等效衰减常数。则有： 公式（9）由此式可推得： 公式（10）由于接收线圈之间的距离dd1, ，c1c2，则： 公式（11）因此，只要知道两接收线圈的磁场强度，即可求得钻头深度d1。十字交叉法是另外一种应用越来越普遍的信号接收原理。与前述两种信号接收原理不同。在十字交叉法中，信号接收天线由两个线圈组成，两个线圈在空间位置上呈90直角放置，同时空间距离很近，可以认为两个接收线圈与信号发射源之间的距离相等。如图3-4

25、所示。当两个线圈的交点（两个线圈中轴线的交点）处于信号发射线圈中轴线的垂直平面内的时候，通过线圈1和2的磁感线线条数相等，两个线圈接收到的磁场信号相等。一旦两个线圈的交点不在信号发射线圈中轴线的垂直平面内的时候，线圈1和线圈2接收到的磁场强度就不相等。这个时候根据线圈1和线圈2接收到的信号强度就可以迅速定位钻头在地下的位置是在测量人员的左方还是有右方。图3-4 十字交叉法测深的实现虽然很容易确定钻头在地下是偏左还是偏右，但是当两个线圈的交点处于信号发射线圈中轴线的垂直平面内的时候，不管在钻头的正前方还是在钻头的正后方，此时通过线圈1和线圈2的磁感线的条数始终是相等的，即两个线圈测得的磁场强度处

26、处相等，此时就很难判断钻头在地下是处于测量人员的前方还是后方。此时就要求测量人员先根据导向仪上的左右显示箭头先找出信号发射线圈中轴线的垂直平面，然后再根据导向仪显示的深度根据经验判断钻头在地下的具体位置和深度（当导向仪显示深度值最小的时候表示钻头正处于导向仪的正下方）。在上述三种方案中，双线圈几何法可以实现不在探头正上方位置处的定位测深，大大提高了适用范围。但由于其要求测量的参数多、传输信道又不完全相同，必然引起多项误差。在十字交叉法中，虽然容易找到钻头在地下是偏左还是偏右，但是要确定其具体位置，也要求进行多次测量，对操作人员要求较高。而双线圈补偿的电磁测深法主要具有以下优点：（a）可消除由于

27、发射单元因振动、温度变化等因素引起的发射功率不稳定造成的测量误差。（b）可消除土壤、地形及地层结构复杂、多变等因素对信号衰减的差异性因素的影响。（c）采用双线圈补偿法测深，取其比值来测量深度还可同时实现线圈接受灵敏度变化的自动补偿。双线圈补偿虽然有上述诸多优点，但也有一些缺点。影响其测量精度主要有以下几个方面：（1） 信号发射源附近谐波的影响；（2） 双线圈之间的距离；（3） 地层电导率；（4） 空间各种频率电磁波的干扰；（5） 电路中元器件的热噪声、散粒噪声所形成的白噪声的影响。因此与双线圈几何法和十字交叉法相比，双线圈补偿法省去了繁杂的测量过程，提高了工作效率，在实际中得到广泛的应用，因此

28、本文也以双线圈补偿法为信号接收方案。第三节 信号接收电路与相关参数的计算鉴于双线圈补偿法电路的制作，要求该电路能在一定距离内接到信号发射源发射的较弱的电磁波信号，并将其转化成模拟电信号，以输出给信号处理系统。同时灵敏度要高，信号选择性要好，抗干扰能力要强。如图3-5所示，采用两级放大的直接耦合放大电路11对信号进行放大。其中电容c1、c2和电感l构成一个lc滤波电路，其参数选择和信号发射电路中lc振荡信号发射器的参数完全一致，目的就是为了将信号发射源发射的电磁波信号从众多的空间电磁波信号中选择出来1214 20，并将其转换成模拟信号，电容c3将该模拟信号耦合到三极管bg1上进行第一次信号放大，

29、放大的信号再由三极管bg2进行第二次放大。二极管d、电阻r5和电容c4构成一个解调电路，将收到的高频调制信号解调成低频模拟信号，然后将该模拟信号送至信号处理器进行信号处理。各元器件的参数如图所示，其中三极管bg1 和bg2的性能如下所示：） 3dx6c：低频，小功率三极管，硅，npn型。主要用于工作频率较低、功率在1w以下的低频放大和功率放大等电路中。） 3dx11c：低频，大功率三极管，硅，npn型。主要用于功率较低的电路，对功率不是很大的信号进行放大。图3-5 信号接收电路由第三章的计算知道：lc滤波电路的谐振频率0介于91.499.5hz之间。当天线接收到发射源的电磁波信号以后，在lc滤

30、波回路中产生一个与信号发射源频率一样的频率（即0）的电信号，该电信号由电容c3耦合到三极管bg1上放大。由于电路采用多级放大方式，每一级的q点都可以按照单级放大电路求解11。三极管bg1的计算过程如下，其中：第二级为共集放大电路，根据基极回路方程求出ibq2，便可到ieq2和uceq2。即：由上述计算过程看出，信号接收系统将接收到的微小电磁波信号经过滤波放大后，模拟信号转变成在电压为4v附近浮动的一个随着时间变化的电压信号。在图3-5所示的信号接收电路图中，有一部份电路为以后信号处理做铺垫，那就是由二极管d、电容c5和电阻r7组成的一个解调电路10。在分析该电路前，先分析信号解调电路的基本工作

31、原理。信号发生器发出的信号要通过信号接收器接收后经解调器取信号，再输送到报信号处理器。前面已经知道，调制器的作用就是用调制信号去控制高频的载波，使载波的某些参数(幅度、频率和相位)随调制信号而变化。解调器的作用就是从携带调制信号的高频载波中取出调制信号。调制的方式可分为调幅、调频和调相。其相应的解调方式分为检波、鉴频和鉴相。+-uiuo+-i从己调幅波中取出调制信号的过程叫检波，检波电路有多种方式。我们就二极管基本检波电路进行分析检波原理。为保证正常工作输入信号(已调幅波)的幅度必须大于0.5v，这样的检波又称为大信号检波10 20。图3-6 二极管基本检波电路图3-6所示为二极管基本检波电路

32、，当输入信号第一个正半周到来时，二极管d导通，电流i对电容c充电，充电时间常数为r0 (r0为二极管d的导通电阻)随着电容c的充电，输出电压u0上升，二极管d两端电压为vd = ui - u0。当vd0时，二极管d截止，电容c向电阻r放电(放电时间常数为rc) , u0按指数曲线下降，由于rc远大于roc，所以电容c上的电荷尚未放完，下一个周期的ui又升到导通电压vd，二极管又导通，电容c再充电，周而复始。由图3-7可见，当输入信号是一调幅波时，输出电压就随着己调波的包络线而变化，为了不失真地从已调幅波中检出声频信号，时间常数rc应远大于载波周期tc。tuiotuooa) 解调前b) 解调后图

33、3-7 检波器输入信号与输出信号的波形由于检波二极管的特性与检波效果有直接关系，应选用正向特性好、反向电流小、截止频率高的二极管，一般选用2ap型二极管。检波电容的容量对检波性能也有很大影响，电容c容量大些，对滤除中频信号有利，可提高检波器效率，但电容c的容量过大，会由于放电时间过大而跟不上包络线的下降，导致非线性失真，故通常用容量为0.1f左右的电容。检波器负载电阻的大小也直接影响检波工作质量，电阻过大，同样会产生失真，而且检波效率低，但电阻过小也不行，这样会降低检波器的输入阻抗，影响中放大的增益和选择性，故选取10千欧的电阻器。综上分析,在设计的信号接收系统的检波电路中，各元件参数如下：电

34、容c：0. 1f，电阻r：10k，二极管d：2ap2型，其中最大整流电流为16ma,最高反向工作电压为30v，最高工作频率为150hz，这些参数均能满足该电路要求。这里还应该注意到，根据双线圈补偿法制作的信号接收电路，天线应为两根，但是图3-5所示的信号接收电路只有一根天线。这就涉及到信号的放大和处理的问题。如果两个接收线圈直接接入同一个信号接收系统，通过系统的滤波、放大和解调以后，还需要一个电路将两路信号区分出来，以方便后续系统的设计，从前面的分析知道，两个线圈接收到的都是微弱的电磁信号，为了实现公式（11）：需要对两个信号进行同等倍数的放大。从理论上来说，将这个两个信号经由同一电路进行滤波

35、、放大、解调和a/d转换后，两个信号所产生的误差一样，并且通过b1/b2可以消除信号接收到信号处理这个过程之间的误差，提高系统的测量精度。但是，两个线圈接收到的信号本身就很微弱，通过同一电路处理之后相差还是很小，这个时候为了实现上述公式，就需要一个电路区分它们，这个电路要把相差微小的两个信号区分出来本身就要求有很高的精度，这在设计上是一个难点，同时对系统的精度要求越高，成本也就越高。因此本文从多方面考虑，采用两个接收线圈接收到的信号分别处理的办法来实现信号的处理，即线圈1和线圈2的信号经过两个由相同元件构成的相同电路的滤波、放大和解调后，再进行信号的比较。虽然两个信号会产生不同的误差，但是这个

36、误差较小，并且通过b1/b2和开3次方后，产生的误差已经很小，同样可以满足系统精度方面的要求，还能节约成本15。因此，图3-5所示的信号接收电路只是一个线圈接收的信号的处理电路，在实际的电路制作过程之中，还需制作一个同样的电路来实现另外一个线圈的信号的处理。处理过的电压信号u1和u2被送至信号处理系统，进行信号的对比和结果的显示。第四章 信号处理系统的设计信号接收系统把接收到的信号转换成模拟电信号经放大后输出给信号处理系统，信号处理系统主要把模拟信号转换成数字信号，然后数码管上显示出来。跟据第四章的分析知道，信号接收系统最后生成的是两路模拟电信号，这两路模拟信号在实现信号的比较后经过适当的放大

37、，才能进行a/d转换。导向仪的信号处理过程其实是一个比较复杂的过程。本课题只研究根据磁场信号强度来确定深度的过程，属于整个导向仪信号处理的一部分。第一节 信号的运算处理集成运算放大电路11是一种直接耦合的多级放大电路。它的放大倍数非常高、输入电阻也高，输出电阻低，应用非常广泛。它的内部电路比较复杂，但一般由四部分组成：偏置电路、输入级电路、输出级电路和中间级电路。各部分电路特点为：1）输入级：一般由差动放大电路组成，它的特点是：输入电阻高，放大共模信号，抑制差模信号。2）输出级：一般由互补对称电路组成，它的特点是输出电阻小，输出功率大，带负载能力强。3) 中间级：一般由共射放大电路组成，它的特

38、点是电压放大倍数高。4) 偏置电路：一般由恒流源电路组成，它的特点是能提供稳定的静态电流，动态电阻很高，还可作为放大电路的有源负载。图4-1 集成运放电路符号利用集成运放作为基本元件，引入各种不同的反馈，就可以构成不同功能的实用电路。在运算电路中，以输入电压作为自变量，以输出电压作为函数；当输入电压变化时，输出电压将按照一定的规律变化，即输出电压反映输入电压某种运算的结果。因此，为了能够实现各种数学运算，集成运放必须工作在线性区（即引入负反馈）。利用集成运放能组成加、减、乘、除、对数、指数、积分和微分电路。因此本文也用集成运放电路来实现公式（11）的计算。下面采用分步分析的方法来在制作信号处理

39、电路。1） 首先，来实现除法运算：b1/b2。如图4-2所示，电路由指数运算电路、对数运算电路和减法运算电路组合而成11 16。在图4-2中，集成运算放大器a1和a2的管脚2分别接信号接收系统的两路电信号，a4管脚2和3接两路输入信号。其中集成运放器a1和三极管bg1，集成运放器a2和三极管bg2分别构成对数运算电路，输出电压uo1 和uo1的表达式如下：其中，is为三极管反向饱和电流，与三极管类型的选择有关。由于集成运放器的两个输入端为正相和负相输入端，一次在电压信号作比较值钱须对uo2进行反向运算。集成运放器a3起反相运算作用，输入信号为uo2，输出信号uo3的表达式为：ui1ui2uo图

40、4-2 信号处理电路：b1/b2的实现集成运放器a4是一个减法运算器，输出uo4：集成运放器a5和其中集成运放器a1和三极管bg3构成一个指数运算电路。输出电压uo为：到这里可以看出，利用指数运算电路、对数运算电路和减法运算电路的组合便可以实现除法的运算。为了保证输入信号ui1 和ui2在集成运放的过程中所产生的误差一样（在ui1 /ui2的时候可以消除），要求三极管bg1 和bg1、集成运放器a1 和a2为相同型号，有着完全相同的性能参数。集成运放器选用lm324，lm324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点。三极管选用3dx11c，大功率三极管，硅，np

41、n型。主要用于功率较低的电路，对功率不是很大的信号进行放大。因此，三极管bg1 和bg1、集成运放器a1 和a2的选用满足要求。为了方便计算和利于结果的简化，图中未标注下标的电阻r的阻值均选择5k，即限定电流又能方便计算。集成运放器接地电阻均选用1k阻值的电阻。2） 实现开3次方和减法运算：。如图4-3所示，电路由模拟乘法器和集成运放器构成11 16。在图5-3种，集成运放器a6 和a7也用lm324，模拟乘法器b1和b2选用sic4200。其中a6 、b1 和b2构成一个看立方云端电路，其输出电压uo1为：k为乘法模拟器的乘积系数（标尺因子）。集成运放器a7的反相输入端输入电压为+1v的稳定

42、电压，正相输入端的输入为uo1，则输出uo为：uouiuib1b2图4-3 信号处理电路：的实现由前面的计算过程知道：所以：3）实现除法运算： ，得到最终运算结果。电路图如图4-4所示。其中输入信号ui1是+1v的电压，输入信号ui2是图4-3所示电路运算的输出结果。与图4-3相比，同样实现除法功能，电路结构却稍有不同，这里不需要对+1v的电压进行方形处理，因此输入信号ui1 和ui2经过对数运算后直接进行加减运算11 16。集成运算器a8和a9的对数运算结果分别为：经过集成运算器a8进行加减运算后，输出结果为：ui1ui2uo图4-4 信号处理电路：的实现该信号经过a10进行指数运算处理后最

43、后的输出结果为：由于ui1= +1v，ui2是图5-3输出的信号结果，因此：在图4-4的电路图中，所有集成运放器都选择lm324，未标注脚标的电阻均选用5k的电阻，集成运放器接地管脚处接阻值为1k的电阻。到这里，信号的计算过程结束。在计算的过程之中，用最常见的原器件实现比较复杂的计算过程。在由集成运放器构成的多极运放电路中，级数越多，误差就越大，具体的误差分析在后面阐述。第二节 测量结果的显示在前面所述的计算过程中，信号一直以模拟量存在，为了对模拟量进行量化，使之能够准确的反映钻头在地下的深度，这里需要把模拟信号转换成数字信号，即模数准换（a/d转换）。数据的显示有两种方式：液晶显示和数码显示

44、，但是由于液晶显示成本高，电路设计复杂，而且考虑到要在导向仪上进行深度的显示，因此这里选择数码显示管进行深度的显示。由于现在的数码显示管都带有a/d转换的功能，因此，这里不再单独设计a/d转换电路，而是直接将信号处理单元输出的模拟信号送至数码显示管，由数码管内的a/d转换电路进行模数转换，再进行显示13 18。电路图如图4-5所示，数码显示管选用ilc7107，它本身为cmos电路，该芯片集成度高,转换精度高,抗干扰能力强,输出信号可直接驱动发光数码管,只需要很少的外部元件，可靠性高,调试维修方便。ui图4-5 深度信号的显示icl7107 的最大输入电压为199.9mv,模拟信号在输入icl

45、7107之前经过了多次当大处理，其峰值已可能超过199.9mv。因此，模拟信号在处理之前需进行分压处理，如图4-5所示，可以通过调节滑变阻器rwf1来实现，使得模拟信号的变化范围在icl7107的最大输入电压范围之内。管脚1输入+5v的工作电压。管脚26需要一个-5v的电压，这可以直接从+5v转化而来。具体方法如下：用一只 npn 三极管，两只电阻进行信号放大，把芯片 38 脚的振荡信号串接一个电阻连接到三极管基极，在三极管集电极串接一个电阻（为了保护），在正常工作时，使三极管的集电极电压保持在+3v左右,这样，在三极管的集电极有放大的交流信号，把这个信号通过电容c2和c3耦合到稳压二极管d1

46、和d2上，构成倍压整流电路，可以得到负电压供给icl7107的管脚26使用。选择合适的元器件使得这个负电压保持在-4v左右，不能超过-5v。管脚27,28,29分别接电容和电阻，如图4-5所示，构成一个阻容网络，这三个元件属于芯片工作的积分网络。管脚30，32，36通过滑动变阻器rwf2与+5v的电压相连，管脚37不接。滑动变阻器rwf2起着调零的作用。到这里，信号经过发射，接受，滤波，放大，运算和显示过后，完成整个处理过程，实现对地下钻头深度的测量。第五章 系统分析第一节 误差来源分析在任何检测系统中，微弱信号均须进行放大，任何微弱的误差都可能对系统最后的结果造成较大的误差。在本课题所涉及的

47、系统中，从信号的发射到最后的显示整个过程中都存在着许多不可避免的误差来源。这些来源有的可以通过改进设计方案来减小或消除，有的却是不可避免的。系统误差来源主要有以下几个方面：（1）定位信号受地质状况和管线网络的影响受城市已有管网的制约，新的管线铺设可能在地下3至10米左右的深度处，在其上方可能有各种金属和非金属管网，同时，掘进头在复杂的地质构造下，所发射的信号会大大衰减，掘进到上方已有各种管网的地方，电磁波信号有可能被屏蔽。另外发射频率还可能耦合在附近其它管线上，使定位发生误差，从而严重影响地面信号的接收和追踪。（2）定位信号严重受到城市空间电磁信号的干扰15大城市的空间电磁干扰问题非常严重，尤

48、其在地质条件复杂的区域，接受器接收到的信号本已经很弱，在加上空间电磁波的干扰，更加混淆了精确定位信号的提取和分析。虽然信号接收电路中有滤波电路，但是空间电磁波总能在信号接收器上产生微弱的信号，这种信号经过放大后对系统的测量精度也存在着一定的影响，也是测量过程中不可避免的一个因素。（3）信号发射源附近谐波的影响信号发射源附近的谐波对整个测量系统有很大的影响。这些信号的干扰无法用滤波器滤除干净，它们能加强信号源发射的电磁波信号，使导向仪接收到的信号强度比实际值大很多，从而极大地影响测量的精度。（4）地层电导率2；地层是一种半导体，电磁波在地层中传播的时候存在着能量的衰减，因为半导电媒质要吸收电磁波

49、的能量。电磁波信号频率f越高或媒质的电导率越大，电波的振幅衰减越严重，穿透能力越弱。而实际施工时信号必须穿透几十米的地层到达地面接收。因此，导向仪实际接收到的信号强度比理论上的信号强度要小，使得实际测量结果也偏小。（5）电路中元器件的热噪声、散粒噪声所形成的白噪声的影响17测量中，噪声是一种不希望的扰动信号，噪声无处不在，是限制和影响测量仪器的灵敏度、精确性和重复性的重要因素，它与信号共存。要提取有用的信号，就必须尽量减小或抑制元器件的噪声。对弱信号放大和传递影响最大的是元器件中的热噪声、散粒噪声所形成的白噪声和l /f的低频噪声。这些噪声也是无法用屏蔽措施来消除的。（6）方案设计所带来的误差

50、比如由第三章第三节信号接收电路的制作过程中知道，系统采用的是两个由相同参数构成的电路分别对两个线圈所接收到的信号进行滤波和放大，电路虽然较为简单，但是在信号的放大滤波的过程中，由于元器件的噪声的影响，可能会产生不同的误差。如果才用一个电路进行放大滤波，又给信号的分离带来困难。另外，在第四章第一节信号的运算处理过程中也存在着较大的误差。这是因为由集成运算器构成的电路的级数越多，运算结果所带来的误差也就越大。因此，如何改进设计方案，使得设计方案更加有利于减少系统的误差来源，这也是以后系统设计中所需特别重视的问题。综上所述，如何消除或减小误差队测量结果的影响，是后续信号处理要解决的一个关键性技术难题

51、。第二节 改进措施本课题所涉及到的信号的滤波，放大和处理过程，信号绝大部分时间是以模拟量的形式存在，只是在最后为了显示才将其转换成数字信号。模拟信号处理的目的是抑制随机噪声，提高信噪比。因此，我们综合采取了下面几种方法或措施来减小系统误差的来源，提高系统的精度。（1）如前所述，为减小元器件噪声的影响，可将两个线圈接收的信号交由一个信号滤波放大电路进行处理。但是这样做也就增加了后续的信号分离电路的制作难度。因此，采用哪种方式对信号进行滤波和放大也是一个值得深入探讨的问题。（2）由于电子技术的发展，单片机在越来越多的领域发挥着举足轻重的作用。本课题从注重信号处理的过程这点出发，为了体现整个过程对双线圈补偿法原理的实现，电路由简单的元器件组成，而并没有采用单片机。其实信号的运算处理过程完全