面向水平定向钻的透地测深系统设计

王鑫，吴键，奚润开，师恬恬，陈灵

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)

0 引言

自从水平定向钻进技术开发以来，西方国家的高校、科研院所和企业投入了大量的人力、物力对水平定向钻进导向定位系统进行研究，经过40年的研究，取得了大量的研究成果[1]。美国电力工程研究所、美国DCI公司、美国Ditch Witch公司和英国雷迪公司等相继开发了针对不同使用场景且功能强大的水平定向钻进导向定位系统[2]。这些企业生产的导向定位设备基本上垄断了世界的水平定向钻进导向定位仪器市场。其中，美国DCI公司的猎鹰F系列，英国雷迪公司的RD385、DrillTrack系列是世界上最畅销的导向定位仪器。这些公司的产品经过多年的发展和改进已经推出了成熟的产品，这些产品具有自动化水平高、测深定位精度高、探测范围广、故障率低的优点，能满足大多数非开挖施工的要求。这些产品一经问世就牢牢占据了大部分的市场份额[3]。

我国的水平定向钻进导向定位系统的发展落后于西方国家，直到21世纪初，国防科技大学在“863”项目的支持下与中联重科公司合作，对水平定向钻进导向定位系统进行了较为深入的研究[4-6]，研制出了基于单片机和DSP的地下钻具姿态测量和导向定位系统，并设计了工程样机。但是该样机在实际应用中存在测深定位精度低、范围小的缺点，与西方国家的产品相比还存在不小的差距。自“863”项目之后，国内的高校和研究机构对水平定向钻进导向定位系统进行了一系列的研究，但是都没有取得突破。西方国家凭借技术壁垒占据了我国的市场，而国外产品高昂的价格、维修的不便大大制约了我国水平定向钻进技术的发展。

为加快我国水平定向钻进导向系统的研制步伐，提高水平定向钻的透地测深精度，本文提出一种基于磁感应的双线圈测深模型的设计方案，并进行了系统研制和实验验证。具体过程阐述如下。

1 双线圈测深模型

如图1所示，由A、B两个线圈组成接收天线阵列，同时接收发射天线产生的磁场，其中B线圈紧贴地面，A线圈在B线圈的正上方。A、B两线圈的距离为d0，A、B两线圈之间的介质为空气；C线圈作为发射天线，在B线圈的正下方，B、C两线圈之间的距离为d。B、C两线圈之间的介质为土壤层。d就是需要测量的量。

图1 双线圈测深

假设3个天线都在一个竖直平面内，接收天线A、B的感应电动势分别为φA、φB,离发射天线的距离分别为d+d0、d，由式(1)可以推导出接收线圈A和B的感应电动势为

(1)

(2)

将上式继续进行变化，即可得到双天线测深模型，其测量公式为

(3)

从式(3)可以看出，消除了A对d的影响。

2 透地测深系统设计

2.1 信号发射模块设计

发射模块的主要功能：产生处于甚低频段的20kHz电磁波信号并通过螺旋天线发射。如图2所示，发射模块主要可以分为信号发生模块、功率放大模块、天线模块和电源模块。

图2 信号发射模块结构框图

信号发生模块采用的是目前常用的DDS技术[7-9]，即直接数字频率合成技术，其能够实现频率的快速切换，拥有较高的频率分辨率，并且容易实现频率、相位和幅度的程控变化。

DDS芯片是信号发生模块的主要器件，也是整个模块的核心。结合本系统的需求，主要从输出信号的频率分辨率、输出信号的频率范围、功耗和性价比四个方面进行考量和筛选。最终选择AD9834作为DDS芯片。

本系统设计的AD9834原理图如图3所示。

此外，AD9834的输出是根据奈奎斯特采样原理进行采样的信号，其输出频谱包含基波和混叠信号(镜像)，且镜像频率为参考时钟频率和所选输出频率的倍数，混叠镜像的突出程度取决于输出频率和参考时钟频率的比值。如果比值非常小，混叠镜像将非常突出且能量水平较高。为此本系统在输出末端设计了一个低通滤波器，截止频率为30kHz，以进一步抑制混叠镜像效应。

图3 AD9834原理图(DDS模块)

针对发射天线，本系统选择PREMO公司的20kHz含芯螺线管天线(图4)，具体型号为KGEA-BFCR系列的0422J。这款天线是目前市场上性能最好的甚低频信号发射天线，尺寸为145mm×26mm(长×宽)，其最远收发距离为4m，可以在-40 ℃～80 ℃的温度范围内正常工作。

图4 PREMO公司的20kHz含芯螺线管天线

天线谐振式天线模块的输入阻抗为4 Ω，功率为16W，峰值电流为5A。为了满足以上需求，本系统选择DY-AP3001系列功放模块。工作电压为12V，信号输入方式为单端输入，输入阻抗为1 000 Ω。当输出负载为4 Ω时，输出功率可达到20W，满足天线正常工作的需求。

信号发射模块的PCB图如图5所示。

图5 发射模块的PCB

2.2 信号接收模块设计

信号接收模块的主要功能包括：接受磁场信号，并将信号进行滤波放大处理，使信号满足A/D采样的需求。如图6所示，接收模块主要可以分为接收天线模块、程控小信号放大模块、硬件滤波模块和电源模块。

本系统采用的是双天线测深法，双天线测深法需要两根互相平行的含芯螺线管线圈作为接收天线。由于尺寸限制，本系统中两根天线之间的距离设置为30cm。此外，为了实现噪声的采集，本系统利用磁场具有方向性这一特征，设计了专门的噪声接收天线，再通过LMS自适应噪声消除算法对采集的信号进行噪声抵消。如图7所示，天线A和B为两根互相平行的信号接收天线，天线C与天线A和B互相垂直，位于A和B两根天线中间。由于测深距离远大于天线的尺寸，所以可以认为天线C接收到的噪声信号就是天线A和B的噪声信号。根据电磁场的接收特性，接收天线使用与发射天线相同型号的磁场天线。

图6 接收模块结构图

图7 接收天线阵列

当接收天线与发射天线之间的距离较远时，接收天线产生的感应电动势很小，会影响A/D采样后的精度。此外，甚低频电磁信号在传输过程中会收到较大的噪声干扰。所以，首先需要对接收天线接收到的信号进行放大和滤波。信号的放大和滤波电路原理图如图8所示。

图8 三通道信号调理原理图

信号接收模块采用的A/D采样芯片为AD7606，这是一款8通道、16位电荷再分配逐次逼近型A/D采样芯片，单通道的采样频率为200kHz。AD7606的原理图如图9所示。

图9 AD7606及其周围电路原理图

本系统选择的外部存储器为W25Q64。W25Q64是华邦公司推出的一款大容量高速串行闪存产品，其容量为64 MB即8 M个字节。ADC的采样频率为200kHz，一次采样的大小为2字节，所以3个通道1秒钟采样的数据量约为120KB个字节，理论上W25Q64可以存放66s的数据，满足后续自适应噪声消除算法的需求。W25Q64的原理图如图10所示。

图10 W25Q64的原理图

信号接收模块的PCB图如图11所示。

图11 信号接收模块PCB图

3 透地测深系统性能验证

3.1 甚低频段电磁波信号发射和接收实验

为了验证信号收发模块的功能，搭建了如图12所示的实验平台。

图12 实验平台

实验系统包括信号发射模块、功率放大模块、信号接收模块、ADS1102CAL示波器、计算机终端等。设计了如下实验：

1)通过软件对AD9834进行配置，产生10kHz、15kHz、20kHz和25kHz的正弦波信号，并通过天线发射；

2)使用天线接收磁场信号，并通过信号调理滤波电路，将信号的幅值控制在-3V～3V。

实验结果如图13所示。

图13 接收到的不同频率的甚低频信号

3.2 透地测深精度实验

实验搭建的测试平台如图14所示，包括1根天线、1个信号发射模块、1个信号接收模块和计算机终端。信号发射模块通过螺线管天线发射20kHz的电磁波，信号接收模块接收信号并把信号传输给计算机终端，计算机终端信号处理程序对数据进行处理，最后在上位机中显示出最终数据。

图14 透地测深系统

同样，本文将测试地点分为3个场景，空旷的室外、有较多设备的室内和嘈杂的大街。受限于天线的发射功率，本次实验将测试距离定为1m～4m，测试结果见表1。表1中D1、D2、D3分别表示在空旷的室外测得的距离、在有较多设备的室内测得的距离和在嘈杂的大街上测得的距离。

表1 3个场景下天线间距离的测量值 单位：m

4 结语

1)从甚低频电磁信号收发实验数据可以看出：本文设计的信号发生模块能输出多种甚低频波形，并且信号接收模块能够把电压的幅值控制在-3V～3V。

2)从透地测深精度实验数据可以看出：在0～4m的范围内，3个场景下的测量误差一直保持在5%以内，与传统的测深方式相比，误差明显降低，说明本文设计的测深系统具有较好的测深精度。