一种非开挖导向仪的导向方法
【专利摘要】本发明公开了一种非开挖导向仪的导向方法，包括如下步骤：1)所述发射器产生一个不对称双极磁场；2)将所述接收仪移动到导向途径上的一个测量点，两个三维天线的其中一个测量得到该测量点的磁场强度的X轴、Y轴和Z轴的分量分别为Bx、By和Bz，根据磁场强度判断目标点和接收仪的空间位置关系从而确定最近的目标点，以及判断测量点在所述发射器的天线的中点的前半区域还是后半区域；3)将接收仪移动到目标点，两个三维天线的另外一个测得目标点的磁场强度X轴、Y轴和Z轴的分量分别为B2x、B2y and B2z，根据目标点的磁场强度计算两个三维天线的另外一个与所述发射器的夹角，从而得到钻进方向。
【专利说明】
-种非开挖导向仪的导向方法
技术领域
[0001] 本发明设及非开挖领域，尤其是一种非开挖导向仪的导向方法。
【背景技术】
[0002] 随着城市建设的大规模发展，需要在城市中铺设截污管或能源(液化气、天然气 等)供应管，较常用的方法是开挖槽来埋管埋线，运会造成环境污染，引起交通堵塞，并且存 在施工安全隐患。
[0003] 因此，目前也已开发使用了非开挖铺管技术，即一种利用岩±钻掘手段，在路面不 挖沟、不破坏大面积地表层的情况下，铺设、修复和更换地下管线的施工技术。使用非开挖 技术具有周期短、成本低、污染少、安全性能好等优点，而且不会影响正常的交通秩序。
[0004] 非开挖铺管技术应用较广的为水平导向前进法，其是利用非开挖导向仪引导装有 钻头的钻杆进行定向前进来实现。非开挖导向仪包括提供钻头实时的工况-深度、倾角W及 钟点方向，让地面的操作人员实时掌握钻孔轨迹W便对后续的操作进行及时的修正，W保 证按既定的路线轨迹精确定向，完成非开挖铺管。
[0005] 在非开挖导向仪中因无线结构简单方便而得到广泛应用。该仪器系统包括地下发 射器、地上跟踪接收仪W及同步显示器。在用非开挖技术安装地下设施时，首先需要打导向 孔，在打导向孔时，一个钻头内装有一个发射器。通过安装在地下钻头上的发射器发出一个 交变的双极磁场，由地面操作人员操作便携式的跟踪接收仪，在地面上寻找和跟踪地下钻 头及发射器的状态，发射器的状态包含发射器钟点位置，倾角，钻头的深度，及钻进的方向 等。
[0006] -种很理想的期望就是能直接找到接收仪和发射器的相对位置和方向，从而可直 接把接收仪放到发射器上方。但是由于精度问题，接收仪在目前的状态下不能满足导向的 精度要求。一些提高精度的方法由于要求多个天线并且天线间要求有足够大的距离，导致 便携式的设备上并不能实现。
[0007] 目前常用的导向方法是利用发射器发出的双极磁场的一些特征，通过几个步骤来 寻找和跟踪地下的发射器。如图1所示为发射器天线福射电磁场在垂直面上的分布图，发射 器1的天线的轴位于水平位置时，在垂直于水平面并通过天线轴的平面内有=条直线，运= 条线都通过天线的中屯、点，第一条线LO垂直于天线轴，另外两条L1、L2在第一条线LO的各一 边与第一条线LO夹角为36度，在运两条线L1、L2上，磁力线垂直于水平面，运两条线L1、L2上 的其中一点被用来作为参照点，用来作为找到发射器1位置及钻进发现的参照点，被称之为 特殊目标点。通过寻找运些目标点，有些能提供比较精确的寻找和跟踪方法，例如专利号为 US6496008B1的美国专利，描述了运样一种方法，利用发射器产生的双极磁场具有对称性， 同样强度和方向的磁力线可存在不止一个地点，运种方法利用了对称的运两个点（前目标 点和后目标点）在发射器天线的轴线上方及在运两点磁场和水平面垂直的特征。首先找到 离接收仪最近的一点，然后再找对称的另一个点，运种方式必需用前、后两个点。然而，利用 上述方法，图1中的2号点和5号点磁力线的大小和方向都一样，由此接收仪测量的磁场向量 没办法区分2号点和5号点，同样的问题发生在I号点和4号点，3号点和6号点。
[0008] 采用前、后点导向法提供了一个相对准确快速的导向方法，但运种方法还有很多 可W改进的地方。前、后点导向法要求操作人员在地下每增加一个钻杆都要往返于前、后点 之间。另外，在导向穿越道路时，往返前、后点可能会增加交通事故的机会;另外一个缺点是 在穿越水面时，找到前、后点并做标记来确定钻进方向并不实际。
【发明内容】
[0009] 本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的问题，提供一种快速而安 全的非开挖导向仪的导向方法。
[0010] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为:一种非开挖导向仪的导向方法， 所采用的非开挖导向仪包括发射器和接收仪，其特征在于:所述接收仪内设置有两个=维 天线，其中一个位于另一个天线的正上方并且具有一定的距离，所述导向方法包括如下步 骤：
[0011] 1)所述发射器产生一个不对称双极磁场；
[0012] 2)将所述接收仪移动到导向途径上的一个测量点，两个=维天线的其中一个测量 得到该测量点的磁场强度的X轴、Y轴和Z轴的分量分别为Bx、By和化，根据磁场强度判断第 一目标点和接收仪的空间位置关系从而确定最近的第一目标点，W及判断测量点在所述发 射器的天线的中点的前半区域还是后半区域；
[0013] 3)将接收仪移动到第二目标点，两个=维天线的另外一个测得第二目标点的磁场 强度X轴、Y轴和Z轴的分量分别为B2x、B2y and B2z，根据第二目标点的磁场强度计算两个 =维天线的另外一个与所述发射器的夹角，从而得到钻进方向。
[0014] 为确定发射器的位置，将接收仪从目标点沿钻进方向的相反方向移动，当两个= 维天线的另外一个的X轴的分量为0时，则接收仪位于所述发射器的正上方，得到发射器的 位置。
[0015] 为确保测量的可靠性，在每一次接收仪放到所述发射器的正上方时，接收仪中的 两个=维天线都测量所述发射器的深度，两个=位天线测量得到的深度的差值用于与两个 =维天线的距离比较，从而判断所述发射器产生的磁场是否受到干扰。
[0016] 在本发明一个优选的实施例中，在步骤1)中，所述发射器(1)利用相位调制不对称 信号产生不对称双极磁场。
[0017]在本发明另一个优选的实施例中，在步骤1)中，所述发射器（1)利用AM调制信号产 生不对称双极磁场。
[0018] 在步骤2)中，所述接收仪包括第一滤波器（21)、第二滤波器（22)，第一化L线路 (31)和第二化L线路(32)，所述接收仪接收所述发射器（1)产生的信号的频谱的两个峰值， 所述第一滤波器(21)过滤其中一个峰值，所述第二滤波器(22)过滤另一个峰值，所述第一 P化线路(31)将所述第一滤波器(21)滤波后的信号频率乘W系数a,所述第二化L线路(31) 将所述第二滤波器(22)滤波后的信号频率乘W系数b，根据两个化L线路输出的相位差，从 而判断测量点的极性。
[0019] 当利用相位调制不对称信号时，一个峰值频率为化*(N-1)/N，另一个峰值频率为 Fe*(化1)/N，系数a为(N-1V2,系数b为(化1)/2。
[0020]与现有技术相比，本发明的优点在于:通过发射器产生不对称双极磁场，使得地面 上的接收仪仅寻找一个目标点即可确定钻进方向和发射器深度，避免了操作人员的来回测 量，提高了操作的安全性和速度，也能实现在一些特定环境下的测量。
【附图说明】
[0021 ]图1为现有技术的发射器天线福射电磁场在垂直面上的分布图；
[0022] 图2为现有技术的发射器天线福射电磁场的空间分布图；
[0023] 图3为本发明的接收仪的天线的示意图；
[0024] 图4为第一天线测得的磁场在XY平面的示意图；
[0025] 图5为第一天线测得的磁场在XZ平面的示意图；
[0026] 图6为第一天线测得的磁场在YZ平面的示意图；
[0027] 图7为第二天线测得的磁场在XY平面的示意图；
[002引图8为第二天线测得的磁场在XZ平面的示意图；
[0029] 图9为第二天线调整后测得的磁场在XY平面的示意图；
[0030] 图10为接收仪位于发射器正上方的示意图；
[0031] 图11为在2号点垂直天线所接收磁场信号波形；
[0032] 图12为在5号点垂直天线所接收磁场信号波形；
[0033] 图13为一种相位调制不对称信号波形；
[0034] 图14为快速调制信号波形；
[0035] 图15为快速载波信号波形；
[0036] 图16为发送的载波信号波形；
[0037] 图17为接收仪同步调制后的信号波形；
[0038] 图18为接收仪判别后的信号波形；
[0039] 图19为接收仪在2号点接收到的信号波形；
[0040] 图20为接收仪在5号点接收到的信号波形；
[0041] 图21为接收仪的框图结构；
[0042] 图22为目标点的磁场俯视图；
[0043] 图23为测量点的磁场俯视图。
【具体实施方式】
[0044] W下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
[0045] -种非开挖导向仪的导向方法，所采用的非开挖导向仪包括发射器1和接收仪。
[0046] 参见图1和图2,常用的非开挖导向仪，其布置在地下的发射器1内设置有天线，天 线的轴和钻机钻室的轴同轴或平行，一个垂直于发射器1的天线的轴通过天线中点的平面， 由此将地面上的磁场空间分成两部分:第一平面A和第二平面B，第一平面A位于通过天线中 点的平面的一侧，第二平面B位于通过天线中点的平面的另一侧。
[0047] 参见图5,接收仪内设置有两个=维天线，其中一个位于另一个天线的正上方并且 具有一定的距离，两个=维天线分别为第一天线51和第二天线52,每个天线的=个轴都互 相垂直，天线的每个轴可W由两个串联的线圈组成，每个线圈都用铜锥屏蔽起来，两个=维 天线安装在一个不导电的壳体中，壳体通常可W为塑料壳体。其中第二天线52装在第一天 线51的正上方，两个天线的距离优选的可W是50厘米，两个天线的相对应的天线轴都指向 相同的方向。
[0048] 本发明的导向方法，接收仪中的一个天线用于寻找一个目标点，另一个天线则用 于确定发射器1的方向，具体地，包括如下步骤：
[0049] 1)发射器1产生一个不对称双极磁场；
[0050] 2)将接收仪移动到导向途径(从入钻点到出钻点之间的区域导向孔经过的路线） 上的一个测量点，两个=维天线的其中一个(第一天线51)测量得到该测量点的磁场强度的 X轴、Y轴和Z轴的分量分别为Bx、By和Bz，根据磁场强度判断目标点和接收仪的空间位置关 系从而确定最近的第一目标点T1。测量包括:测量点在所述发射器1的天线的中点的前半区 域(如第一平面A)还是后半区域(如第二平面B);第一目标点Tl和接收仪的空间位置关系包 括从接收仪到第一目标点Tl的方向、W及接收仪与第一目标点Tl的接近程度。
[0化1 ] 第一目标点Tl仿晋，参町,图4~图fi .如要，并且Bx，By，化是接收仪天线S个轴 向测定的磁场分量，则
，由此得到S个角度参数Ax，Ay，Az，
如果接收仪放置在发射器1的正上方，则通过最后3m内的 校准磁场强度B3m计算发射器1的距离，
.，计算X巧日yl :xl=Ax*D，yl = Bx蝴，并在 接收仪的显示屏上显示第一目标点Tl的坐标化x*xl，Ky*yl)，其中Kx和Ky是根据用于特定 定位系统的最佳用户经验的常数选择。
[0052] 方向和接近程度显示在接收仪的显示屏上，操作人员可根据方向和接近程度信息 将接收仪移动到目标点，参见图22和图23,从得到的磁场强度估算第一目标点Tl的空间位 置的方法，可W与【背景技术】中的文献相同，在此不再寶述。
[0053] 3)根据步骤2)得到的方向和接近程度，将接收仪移动到第二目标点T2,两个S维 天线中的另外一个(第二天线52)测得第二目标点T2的磁场强度X轴、Y轴和Z轴的分量分别 为B2x、B2y和B2z。
[0054] 接收仪的位置使得第一天线51正对第一目标点Tl,则第一天线51位置的磁场垂 直。而由于第二天线52和第一天线51相对于发射器1的距离差，第二天线52并不正对第一目 标点Tl，因此第二天线52位置的磁场并不是垂直的。
[0055] 参见图7和图8，通过第二天线52测得X和y方向的磁场分量:B2x和B2y。
[0056] 为了测量更为精确，转动接收仪，使得磁场强度沿着接收仪的前后轴，参见图9。
[0057] 根据第二目标点T2的磁场强度计算第二天线52与发射器1的夹角a,并且
-一旦发射器1轴线的方向被估算出来，则钻头钻进的方向就确定了。
[0058] 在本申请中，钻头入地之前，接收仪中的两个天线都要做深度校正。当接收仪处于 发射器1的正上方时，Bx在两个天线分量为零。两个=维天线都计算发射器1的深度，两个深 度的差值被用来评定是否外界因素影响深度的测量。如果深度差和两个天线的距离差异比 较大，说明深度测量已被外界因素影响，需要校正，还可用来判断是否磁场受到干扰，从而 确保测量深度的可靠性。
[0059] 参见图10,此时接收仪位于发射器1的正上方，由第一天线51测得磁场强度的=个 分量为Blx、Bly、Blz，计算第一天线51的总磁场强度；
，然后重复第二 天线52的测量
[0060] 通过最后3m内的校准磁场强度B3"计算发射器1的距离
，由此计算两个天线之间的距离差。
[0061] 在理想的情况下，两个天线之间的距离差为已知的固定差值。
[0062] 在上述导向方法的步骤1)和2)中，首先需要发射器1产生一个不对称的磁场，然 后，接收仪中的一个天线才能根据测量点的磁场强度判断测量点的极性。
[0063] 发射器1在地下沿导向途径产生和发射一个不对称双极磁场，运个磁场带有很小 或没有直流分量，利用运个不对称双极磁场，可W消除不对称双极磁场中的对称点的位置 的不确定性。
[0064] 在一个实施例中，发射器1产生不对称双极磁场的方式是利用AM调制信号，AM调制 信号所产生的不对称双极磁场可用于幅值调制信号，参见图11和图12,每一个字节都W正 半波形开始，不过波形的形状并不重要，可W是正弦波，也可W是方波。为方便描述，W下磁 场中点的标记沿用图1中所示。图11所示的为在2号点垂直天线所接收磁场信号波形，图12 所示的为在5号点垂直天线所接受磁场信号波形。由上述两幅图可知2号点和5号点的波形 是不一样的，由此可区分2号点和5号点。
[0065] 在另一个实施例中，发射器1产生不对称双极磁场的方式是利用相位调制不对称 信号，图13所示的信号可用来实现不对称双极磁场的产生及不对称的判别，W采用正弦信 号为例。
[0066] 每第N(N为波形半周期数，必须是奇数)个半周期，载波信号相位被反相，运个反相 极化了磁场但在同时产生了一个很小的直流分量，运个直流分量直接影响极化判别的精确 性。增力脚会减小直流分量，而减小N会使不对称判别更简单。优选的，N值为5~30。在此，W 在N= 5为例进行说明。图14所示为快速调制信号，图15所示为快速调制载波信号，上述的载 波信号用发射器1的实际数据进行相位调制。如果一个字节是0,载波信号本身被发送出去。 如果一个字节是1，则载波信号的相位被反相，每个字节包含M个载波信号的半周期，如图16 所示。
[0067] 地面上的接收仪使用下面的过程来解调和同步调制的信号。用图14所示的快速调 制的信号对接收到的信号求积(乘法），得到的信号如图17所示，W上相位调制的信号采用 通常的字节同步和字符同步方法。当接收到的信号约定取得同步后，接收仪可W分别出每 个字节是1还是0,如图18所示。
[0068] 然后，接收仪将接收到的信号和PROTO(X)L值相乘得到原始的极化信号。在2号点， 垂直于地面的天线接收到信号如图19所示;在5号点，垂直于地面的天线接收到信号如图20 所示。两个信号具有不同的不对称。接收仪可W得到个点的不对称，运样就避免了非极性不 对称磁场的不唯一性。
[0069] 接收仪采用了如图21所示的结构来判断信号的不对称。接收仪接收到信号的频谱 有两个峰值，其中第一个峰值频率为化*(N-1)/N，第二个峰值频率为Fc*(N+l)/N，Fc为载波 频率。
[0070] 接收仪内有两个滤波器用来滤波接收信号的峰值。其中第一个峰值对应第一滤波 器21，第二个峰值对应第二滤波器22。第一滤波器21后是第一化L线路31，第一化L线路31将 滤波后信号频率乘上系数a(在本实施例中，a为(N-1V2倍），信号频率在第一个滤波器21后 是(Fc*(N-l)/N*(N+l))。第二滤波器22后是第二化L线路32,第二化L线路32将滤波后信号 频率乘上系数b(在本实施例中，b为(N+l)/2倍），信号频率在第二化L线路32后是(Fc*(N- l)/N*(N+l))。取决于接收到的输入信号的极性，两个化L线路输出的信号相位差是0度或 180度。两个化L线路输出的信号都被输入到一个相位分别器4,如果相位差在-90度和90度 之间，则接收到的信号是正极性;如果相位差在-90度和90度之外，则接收到的信号是负极 性。由此，区分测量点的极性，判断测量点所在的为第一平面A还是第二平面B。
【主权项】
1. 一种非开挖导向仪的导向方法，所采用的非开挖导向仪包括发射器（1)和接收仪，其 特征在于:所述接收仪内设置有两个三维天线，其中一个位于另一个天线的正上方并且具 有一定的距离，所述导向方法包括如下步骤： 1) 所述发射器(1)产生一个不对称双极磁场； 2) 将所述接收仪移动到导向途径上的一个测量点，两个三维天线的其中一个测量得到 该测量点的磁场强度的X轴、Y轴和Z轴的分量分别为Bx、By和Bz，根据磁场强度判断第一目 标点(T1)和接收仪的空间位置关系从而确定最近的第一目标点(T1)，以及判断测量点在所 述发射器(1)的天线的中点的前半区域还是后半区域； 3) 将接收仪移动到第二目标点(T2)，两个三维天线的另外一个测得第二目标点(T2)的 磁场强度X轴、Y轴和Z轴的分量分别为B2x、B2y and B2z，根据第二目标点（T2)的磁场强度 计算两个三维天线的另外一个与所述发射器(1)的夹角，从而得到钻进方向。2. 如权利要求1所述的非开挖导向仪的导向方法，其特征在于:将接收仪从目标点沿钻 进方向的相反方向移动，当两个三维天线的X轴的分量为〇时，则接收仪位于所述发射器(1) 的正上方，得到发射器(1)的位置。3. 如权利要求2所述的非开挖导向仪的导向方法，其特征在于:在每一次接收仪放到所 述发射器（1)的正上方时，接收仪中的两个三维天线都测量所述发射器（1)的深度，两个三 位天线测量得到的深度的差值用于与两个三维天线的距离比较，从而判断所述发射器（1) 产生的磁场是否受到干扰。4. 如权利要求1所述的非开挖导向仪的导向方法，其特征在于:在步骤1)中，所述发射 器(1)利用相位调制不对称信号产生不对称双极磁场。5. 如权利要求1所述的非开挖导向仪的导向方法，其特征在于:在步骤1)中，所述发射 器(1)利用AM调制信号产生不对称双极磁场。6. 如权利要求4或5所述的非开挖导向仪的导向方法，其特征在于:在步骤2)中，所述接 收仪包括第一滤波器(21)、第二滤波器(22)，第一 PLL线路(31)和第二PLL线路(32)，所述接 收仪接收所述发射器（1)产生的信号的频谱的两个峰值，所述第一滤波器(21)过滤其中一 个峰值，所述第二滤波器(22)过滤另一个峰值，所述第一 PLL线路(31)将所述第一滤波器 (21)滤波后的信号频率乘以系数a，所述第二PLL线路(31)将所述第二滤波器(22)滤波后的 信号频率乘以系数b，根据两个PLL线路输出的相位差，从而判断测量点的极性。7. 如权利要求6所述的非开挖导向仪的导向方法，其特征在于：当利用相位调制不对称 信号时，一个峰值频率为Fc*(N-l )/N，另一个峰值频率为Fc*(N+l )/N，系数a为(N-1 )/2，系 数b为(N+l)/2。
【文档编号】E21B47/04GK106014385SQ201610585864
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月22日
【发明人】尤瑞·哈巴切肯, 金键
【申请人】黄山金地电子有限公司