面向水平定向鉆的透地測深系統設計

王鑫，吳鍵，奚潤開，師恬恬，陳靈

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

0 引言

自從水平定向鉆進技術開發以來，西方國家的高校、科研院所和企業投入了大量的人力、物力對水平定向鉆進導向定位系統進行研究，經過40年的研究，取得了大量的研究成果[1]。美國電力工程研究所、美國DCI公司、美國Ditch Witch公司和英國雷迪公司等相繼開發了針對不同使用場景且功能強大的水平定向鉆進導向定位系統[2]。這些企業生產的導向定位設備基本上壟斷了世界的水平定向鉆進導向定位儀器市場。其中，美國DCI公司的獵鷹F系列，英國雷迪公司的RD385、DrillTrack系列是世界上最暢銷的導向定位儀器。這些公司的產品經過多年的發展和改進已經推出了成熟的產品，這些產品具有自動化水平高、測深定位精度高、探測范圍廣、故障率低的優點，能滿足大多數非開挖施工的要求。這些產品一經問世就牢牢占據了大部分的市場份額[3]。

我國的水平定向鉆進導向定位系統的發展落后于西方國家，直到21世紀初，國防科技大學在“863”項目的支持下與中聯重科公司合作，對水平定向鉆進導向定位系統進行了較為深入的研究[4-6]，研制出了基于單片機和DSP的地下鉆具姿態測量和導向定位系統，并設計了工程樣機。但是該樣機在實際應用中存在測深定位精度低、范圍小的缺點，與西方國家的產品相比還存在不小的差距。自“863”項目之后，國內的高校和研究機構對水平定向鉆進導向定位系統進行了一系列的研究，但是都沒有取得突破。西方國家憑借技術壁壘占據了我國的市場，而國外產品高昂的價格、維修的不便大大制約了我國水平定向鉆進技術的發展。

為加快我國水平定向鉆進導向系統的研制步伐，提高水平定向鉆的透地測深精度，本文提出一種基于磁感應的雙線圈測深模型的設計方案，并進行了系統研制和實驗驗證。具體過程闡述如下。

1 雙線圈測深模型

如圖1所示，由A、B兩個線圈組成接收天線陣列，同時接收發射天線產生的磁場，其中B線圈緊貼地面，A線圈在B線圈的正上方。A、B兩線圈的距離為d0，A、B兩線圈之間的介質為空氣；C線圈作為發射天線，在B線圈的正下方，B、C兩線圈之間的距離為d。B、C兩線圈之間的介質為土壤層。d就是需要測量的量。

圖1 雙線圈測深

假設3個天線都在一個豎直平面內，接收天線A、B的感應電動勢分別為φA、φB,離發射天線的距離分別為d+d0、d，由式(1)可以推導出接收線圈A和B的感應電動勢為

(1)

(2)

將上式繼續進行變化，即可得到雙天線測深模型，其測量公式為

(3)

從式(3)可以看出，消除了A對d的影響。

2 透地測深系統設計

2.1 信號發射模塊設計

發射模塊的主要功能：產生處于甚低頻段的20kHz電磁波信號并通過螺旋天線發射。如圖2所示，發射模塊主要可以分為信號發生模塊、功率放大模塊、天線模塊和電源模塊。

圖2 信號發射模塊結構框圖

信號發生模塊采用的是目前常用的DDS技術[7-9]，即直接數字頻率合成技術，其能夠實現頻率的快速切換，擁有較高的頻率分辨率，并且容易實現頻率、相位和幅度的程控變化。

DDS芯片是信號發生模塊的主要器件，也是整個模塊的核心。結合本系統的需求，主要從輸出信號的頻率分辨率、輸出信號的頻率范圍、功耗和性價比四個方面進行考量和篩選。最終選擇AD9834作為DDS芯片。

本系統設計的AD9834原理圖如圖3所示。

此外，AD9834的輸出是根據奈奎斯特采樣原理進行采樣的信號，其輸出頻譜包含基波和混疊信號(鏡像)，且鏡像頻率為參考時鐘頻率和所選輸出頻率的倍數，混疊鏡像的突出程度取決于輸出頻率和參考時鐘頻率的比值。如果比值非常小，混疊鏡像將非常突出且能量水平較高。為此本系統在輸出末端設計了一個低通濾波器，截止頻率為30kHz，以進一步抑制混疊鏡像效應。

圖3 AD9834原理圖(DDS模塊)

針對發射天線，本系統選擇PREMO公司的20kHz含芯螺線管天線(圖4)，具體型號為KGEA-BFCR系列的0422J。這款天線是目前市場上性能最好的甚低頻信號發射天線，尺寸為145mm×26mm(長×寬)，其最遠收發距離為4m，可以在-40 ℃～80 ℃的溫度范圍內正常工作。

圖4 PREMO公司的20kHz含芯螺線管天線

天線諧振式天線模塊的輸入阻抗為4 Ω，功率為16W，峰值電流為5A。為了滿足以上需求，本系統選擇DY-AP3001系列功放模塊。工作電壓為12V，信號輸入方式為單端輸入，輸入阻抗為1 000 Ω。當輸出負載為4 Ω時，輸出功率可達到20W，滿足天線正常工作的需求。

信號發射模塊的PCB圖如圖5所示。

圖5 發射模塊的PCB

2.2 信號接收模塊設計

信號接收模塊的主要功能包括：接受磁場信號，并將信號進行濾波放大處理，使信號滿足A/D采樣的需求。如圖6所示，接收模塊主要可以分為接收天線模塊、程控小信號放大模塊、硬件濾波模塊和電源模塊。

本系統采用的是雙天線測深法，雙天線測深法需要兩根互相平行的含芯螺線管線圈作為接收天線。由于尺寸限制，本系統中兩根天線之間的距離設置為30cm。此外，為了實現噪聲的采集，本系統利用磁場具有方向性這一特征，設計了專門的噪聲接收天線，再通過LMS自適應噪聲消除算法對采集的信號進行噪聲抵消。如圖7所示，天線A和B為兩根互相平行的信號接收天線，天線C與天線A和B互相垂直，位于A和B兩根天線中間。由于測深距離遠大于天線的尺寸，所以可以認為天線C接收到的噪聲信號就是天線A和B的噪聲信號。根據電磁場的接收特性，接收天線使用與發射天線相同型號的磁場天線。

圖6 接收模塊結構圖

圖7 接收天線陣列

當接收天線與發射天線之間的距離較遠時，接收天線產生的感應電動勢很小，會影響A/D采樣后的精度。此外，甚低頻電磁信號在傳輸過程中會收到較大的噪聲干擾。所以，首先需要對接收天線接收到的信號進行放大和濾波。信號的放大和濾波電路原理圖如圖8所示。

圖8 三通道信號調理原理圖

信號接收模塊采用的A/D采樣芯片為AD7606，這是一款8通道、16位電荷再分配逐次逼近型A/D采樣芯片，單通道的采樣頻率為200kHz。AD7606的原理圖如圖9所示。

圖9 AD7606及其周圍電路原理圖

本系統選擇的外部存儲器為W25Q64。W25Q64是華邦公司推出的一款大容量高速串行閃存產品，其容量為64 MB即8 M個字節。ADC的采樣頻率為200kHz，一次采樣的大小為2字節，所以3個通道1秒鐘采樣的數據量約為120KB個字節，理論上W25Q64可以存放66s的數據，滿足后續自適應噪聲消除算法的需求。W25Q64的原理圖如圖10所示。

圖10 W25Q64的原理圖

信號接收模塊的PCB圖如圖11所示。

圖11 信號接收模塊PCB圖

3 透地測深系統性能驗證

3.1 甚低頻段電磁波信號發射和接收實驗

為了驗證信號收發模塊的功能，搭建了如圖12所示的實驗平臺。

圖12 實驗平臺

實驗系統包括信號發射模塊、功率放大模塊、信號接收模塊、ADS1102CAL示波器、計算機終端等。設計了如下實驗：

1)通過軟件對AD9834進行配置，產生10kHz、15kHz、20kHz和25kHz的正弦波信號，并通過天線發射；

2)使用天線接收磁場信號，并通過信號調理濾波電路，將信號的幅值控制在-3V～3V。

實驗結果如圖13所示。

圖13 接收到的不同頻率的甚低頻信號

3.2 透地測深精度實驗

實驗搭建的測試平臺如圖14所示，包括1根天線、1個信號發射模塊、1個信號接收模塊和計算機終端。信號發射模塊通過螺線管天線發射20kHz的電磁波，信號接收模塊接收信號并把信號傳輸給計算機終端，計算機終端信號處理程序對數據進行處理，最后在上位機中顯示出最終數據。

圖14 透地測深系統

同樣，本文將測試地點分為3個場景，空曠的室外、有較多設備的室內和嘈雜的大街。受限于天線的發射功率，本次實驗將測試距離定為1m～4m，測試結果見表1。表1中D1、D2、D3分別表示在空曠的室外測得的距離、在有較多設備的室內測得的距離和在嘈雜的大街上測得的距離。

表1 3個場景下天線間距離的測量值 單位：m

4 結語

1)從甚低頻電磁信號收發實驗數據可以看出：本文設計的信號發生模塊能輸出多種甚低頻波形，并且信號接收模塊能夠把電壓的幅值控制在-3V～3V。

2)從透地測深精度實驗數據可以看出：在0～4m的范圍內，3個場景下的測量誤差一直保持在5%以內，與傳統的測深方式相比，誤差明顯降低，說明本文設計的測深系統具有較好的測深精度。