信号传输原理

目前世界上专用于非开挖铺管导向钻进的导航仪种类较多，它们的工作原理和组成部分各有区别，但按地下信号传递到地面的方式可分为有线式和无线式两大类。有线导向仪是将探测到的钻头的深度、倾角、工具面角等信号用电缆传输到地面；无线式则是用电磁波等方式向地面无线发射地下测得的信号。

两种测量方式各有其优缺点，有线式的信号传输抗干扰性强，不受深度限制，但电缆线的安装和现场操作难度大，且钻头深位采用间接计算法得到；无线式可以直接探测到包括钻头深位在内的所有地下信号，操作便利，但地下发射机的制作技术难度大，信号传递距离有限，且在使用过程中易受干扰。

7.3.1 有线式导航仪信号传输

有线定位系统是靠探测器后面引出的绝缘线路来提供电源和钻头信息的，但是每次添加钻杆时，须装设新的电缆线。使用有线定位系统所花的时间比行走定位系统要多得多，因此一般情况下都优先选用无线导航仪，当遇到无线导航仪无法完成的工程时再选用有线导航仪。有线式导航仪用电缆将地下探测到的信号传输到地面，其缆线的结构形式主要有嵌壁式和穿接式两种。

图7－9 嵌壁式钻杆结构示意图

1、5—缆线插接头；2—敷嵌电缆；3—钻杆；4—集流环

嵌壁式是在钻杆内壁上沿钻杆轴向加工出镶嵌沟槽，预先将绝缘电缆线敷嵌在每根钻杆上，再用特制的钻杆接头连接钻杆，使各段电缆能相互连接。特制接头可采用内插外旋形式［图7－9（a）］或集流环形式［图7－9（b）］。

穿接式是将电缆线通过钻杆内腔从孔底穿接至地面（图7－10）。由于钻进施工中需要不断旋接钻杆，所以电缆须按钻杆长度分段，每段缆线之间用特制的密封插拔接头快速连接。使用时，每加接一根钻杆就要穿接一段缆线。当然，在机上钻杆与动力头之间还要设有专门的单动集流环机构。

图7－10 穿接式钻杆电缆连接示意图

1—上连接接头；2—电缆；3—钻杆；4—下连接接头

有线式导航仪虽然能将孔底探测到的倾角、方位角、钻具面角等参数通过导线传输到地面，而对于钻头的当前深度和位置，因无测距功能，则只能通过对倾角和方位角的间接计算得到，其原理如图7－11所示。

以已钻钻孔轨迹上的某已知点D1（X0，Y0，Z0）（常取开孔位置）为原点，利用已钻轨迹上所测得的若干组倾角和方位角数据（θi，αi），通过一定的空间几何关系，计算单位进尺地下空间钻头的位置Di（Xi、Yi、Zi），逐步递推到当前钻头所处的位置（X、Y、Z）。设钻孔孔口为相对坐标系原点O，开孔方位方向为X轴正方向，逆时针旋转90°为Y轴正方向，垂直向上为Z轴正方向。当测量好钻孔的深度、倾角、方位角后，利用均角全距法计算钻孔各测点坐标，显然，这一间接计算结果的精度受数据点（θi，αi）组数N的影响很大， N越大计算越精确。一般用较高速度的检测系统加之处理较密集采样点的运算程序，就可以满足导向钻进速度下的计算精度要求。这在理论上是完全成立的。

图7－11 钻孔空间轨迹计算原理图

然而在实际钻进时，已钻钻孔轨迹在运动钻杆的干扰下会存在一定的移变，这在软土和钻孔弯曲度较大时表现明显，由此将带来一部分测算误差。

7.3.2 无线式导航仪信号传输

非开挖导航仪是由地球物理探测仪器发展而来，英国和美国等发达国家的相关技术走在前列，仪器改进和提高的重点都是放在测深功能、输出功能、抗干扰能力和轻便化方面，输出功能也从指针显示改进到液晶显示，同时都具有智能化的直读测深功能。常用的无线导航仪主要由地下探头、手持式地表接收机和远程同步监视器三大部分组成。

7.3.2.1 探头

探头由壳体、传感器、编码器、发射器、电源等组成，如图7－12所示。置于导向钻头内部的传感器把钻头的状态信息（如倾角、工具面向角）和其他有用信息（如电池电量、温度）按一定规律编码，并把有用信号调制到电磁波上，通过内部发射器传到地表，由地面接收机将信号译码并显示出来。电磁波频率一般为8～33k Hz，探头直径一般为20～40mm、长400mm。电源多用碱性干电池，寿命为12～20h。为延长电池使用寿命、降低探头发热量、减少孔内事故，一般探头内有一套自我保护系统，它使探头连续工作一段时间后自动关闭、休眠，此外还有强振动状态下自动关闭等自我保护功能。

图7－12 地下探头内部结构示意图

7.3.2.2 手持式地面跟踪仪

手持式地面跟踪机是接收探头信号的地面跟踪仪器，由解码器、微处理器、显示器等组成，用来探明地下探头发射出的电磁波信号的具体位置，并对接收到的信号进行滤波、放大、整形、解码、运算等处理，得到探头的定位和定深信号。接收机还配有同步发射器，将从探头接收的信息再发射出去，使同步显示器也同时得到孔内信息，以便及时调整参数，减少信息传递失误。接收机也是该仪器最关键的部件之一，它的精度、误码率决定了整个仪器的性能。

7.3.2.3 远程同步监视器

远程同步监视器，又称为同步器，放置在钻机旁显示孔内信息，由信号接收模块和显示器组成。钻头内的探头信号通过手持式地面跟踪仪处理之后，运用射频发送方式，把信号第二次发射到同步监视器，同步器实时显示出探头状态信号，供司钻人员及时观察、掌握钻头状态信息并进行控制。同步器显示的内容一般有：钻头工具面向角、倾角、某点深度信号以及同步器自身电池电量信号等。显示器多为液晶数码显示，直观方便。

由于非开挖的施工条件和环境相对以电磁原理来工作的导航仪来说是恶劣的，因此无线导航仪多采用双频发射器，可以在孔内改变发射频率，根据周边环境的情况选择发出信号的强弱，提高抗干扰性能；有的仪器可在监视器上直接显示钻进实时轨迹。

7.3.2.4 信号传输

兼顾电磁波传播距离和对土、岩体的穿透能力等因素，探头一般采用了几千赫兹到几十千赫兹的发射频率。根据参数检测的方式，用调制式发送方法，接收机收到信号后进行放大、滤波及整形，得到预处理信号，一部分电路对该信号进行解调，复原调制信号即可获得导向钻进孔内参数（图7－13），另一部分电路对该信号强度衰减梯度的检测得到对应的深度参数。信号传递一般采用调制式发送原理，如图7－13所示，把钻头倾角、面向角、钻头温度的电量通过传感器转变成电信号后再进行编码，形成一定映射关系的二值码，并把该信息作为调制信号，去调制一定频率的电磁波，通过定功率发射线圈向地面发送。图7－14 （a）、（b）分别为探头发射码和地表跟踪器接收、放大、滤波后解调出的对应码信号。码信号再按编码规律进行解码，还原出各参数的量值，并实时显示出来。

图7－13 导航仪总体构成示意图

图7－14 探头发射码和地表跟踪器解调出的对应码信号

为了把解调处理后形成的二值码还原成真实的参数，软件上采取了一定规律的编码方法，如图7－15所示，将代表参数种类的信息作为地址，后面紧接参数的示值大小，接收机接收到码信号后首先识别地址，再读入相应的参数量，以此类推，得到相应的导向参数。

图7－15 导向参数编码基本原理