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.doc

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 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 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[2][21]。 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的可靠性及稳定性。同时，为了保证钻头能够长时