一种可穿透10m地层的无线电波多路参数发射与接收器

1.本发明涉及浅地层近水平钻进中的孔底随钻参数的自动检测与智能分析，特别是一种可穿透10m地层的无线电波多路参数发射与接收器。


背景技术：

2.浅地层水平定向钻进有可能通过无线电波将钻孔工程参数（如钻具受力应变、围压变化、振动载荷等）实时传送到地面，从而清楚把握地下钻进工况，为科学判断地下工况和智能调控钻进规程提供客观依据。这种无线电波的数据传输涉及地下传感器组件、地下发射系统、地面接收系统、地面数据处理单元及其与它们相配套的指令程序。而在此整套技术体系中，地下多路参数的编码载波发射和地面接收的解调译码是一对关键的技术环节。只有将传感器检测到的数据通过编码加载到有利于穿透地层的无线电波频率上发射，才能在地面接收到这一相关信号，继而还必须将接收到的信号进行解调和码的解译，才能还原出所需求证的原本地下工程参数。本发明将这套编码和载波技术实施于特制的单片机系统中（置于地下管具中）；解调和译码由地面接收机中的特制接口单元及在所连接电脑中专门开发的软件系统予以实现。


技术实现要素：

3.本发明的目的是解决无线电波传输钻进数据时的信号编码和载波发射、解调和译码的技术问题。提供一种可穿透10m地层的无线电波多路参数发射与接收器，本发明设计一种可穿透10m地层的无线电波多路参数发射与接收器，其特征在于：由信号发射模块和信号接收模块组成，所述的信号发射模块由传感器接口、信号调理电路、数据采集模块、载波发生器、串行编码器、功率放大器和发射磁性天线构成，传感器接口依次串接信号调理电路，数据采集模块和串行编码器，串行编码器输出端并接载波发生器和功率放大器，功率放大器输出端串接发射磁性天线；所述的信号接收模块由接收磁性天线、滤波放大器、整形译码器、数据采集模块、数据处理模块、数据显示模块构成；接收磁性天线依次串接滤波放大器、整形译码器、数据采集模块、数据处理模块、数据显示模块。信号发射模块安装在位于地下的扩孔钻头后端。信号接收模块安装在地面的地面接收机内。所述载波发生器生成的载波为幅值为5伏特、频率为8.192khz的方波。本发明的优点是：能将地下扩孔钻头后端的发射模块的信号转化为标准电压信号；然后数据采集模块用于接收上一步处理好的标准电压信号根据编码规则进行解码，发射后，由地面接收后得到多路传感器所测得的数据并解码，并用数据显示模块将已解码的多路传感器数据进行图像化显示与存储。根据穿透地层无线电波最佳频率范围及单片机数据编码和信号发生、串行码载波发射、接收机的电脑程序解调和译码等技术，可穿透10m地层完成无线电波多路参数发射与接收。
附图说明
4.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
5.图1是本发明的发射及接收模块原理图，图2是本发明的应用示意图，图3是本发明的串行编码流程图，图4是本发明的串行解码流程图，图1中：1-传感器接口，2-信号调理电路，3-数据采集模块，4-载波发生器，5-串行编码器，6-功率放大器，7-发射磁性天线，8-接收磁性天线，9-滤波放大器，10-整形译码器，11-数据采集模块，12-数据处理模块，13-数据显示模块。
6.图2中：13-地面接收机，14-电磁波信号，15-信号发射机，16-扩孔钻头，17-钻杆。
具体实施方式
7.为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
8.图中一种可穿透10m地层的无线电波多路参数发射与接收器，其特征在于：由信号发射模块和信号接收模块组成，所述的信号发射模块由传感器接口、信号调理电路、数据采集模块、载波发生器、串行编码器、功率放大器和发射磁性天线构成，传感器接口依次串接信号调理电路，数据采集模块和串行编码器，串行编码器输出端并接载波发生器和功率放大器，功率放大器输出端串接发射磁性天线；所述的信号接收模块由接收磁性天线、滤波放大器、整形译码器、数据采集模块、数据处理模块、数据显示模块构成；接收磁性天线依次串接滤波放大器、整形译码器、数据采集模块、数据处理模块、数据显示模块。信号发射模块安装在位于地下的扩孔钻头后端。信号接收模块安装在地面的地面接收机内。所述载波发生器生成的载波为幅值为5伏特、频率为8.192khz的方波。
9.实施例，所述传感器接口、信号调理电路、数据采集模块、载波发生器、串行编码器、功率放大器和发射磁性天线构成了信号发射模块。其中，所述传感器接口用于连接各类传感器；所述信号调理电路用于将不同的传感器输出电压统一转换为所述数据采集模块可以采集到的信号范围内；所述数据采集模块用于采集经过调理的多路传感器信号；所述串行编码器用于将多路传感器信号转换成为一路有特定顺序的信号，方便数据传输；所述载波发生器用于产生一个5～50khz的载波信号，与所述串行编码器编码后的信号进行编码；所述功率放大器用于将编码调制后的信号进行功率放大；所述发射磁性天线用于将放大后的信号以电磁波的形式进行发射。
10.所述接收磁性天线、滤波放大器、整形译码器、数据采集模块、数据处理模块、数据显示模块构成了信号接收模块。其中所述接收磁性天线用于接收所述发射磁性天线所发射的电磁波信号；所述滤波放大器用于去除信号噪声，并将有效信号进行放大；所述整形译码器用于将所接收到的信号转化为标准电压信号；所述数据采集模块用于接收上一步处理好的标准电压信号；所述数据处理模块用于将接收到的信号根据编码规则进行解码，得到多路传感器所测得的数据；所述数据显示模块用于将上述已解码的多路传感器数据进行图像化显示与存储。
11.将所述传感器接口、信号调理电路、数据采集模块、载波发生器、串行编码器、功率放大器和发射磁性天线构成的信号发射模块装入所述信号发射机中；将所述接收磁性天线、滤波放大器、整形译码器、数据采集模块、数据处理模块、数据显示模块构成的信号接收
模块装入所述信号接收机中。
12.开始钻进后传感器将所测数据以电压形式发送至所述信号调理电路，所属调理电路将电压信号进行线性缩放至0-5v，并将调理后的电压信号发送至所述数据采集卡，所属数据采集卡将上述模拟信号转换为数字信号，所述串行编码器按图3流程将上述数字信号进行编码，所述载波发生器生成的载波为幅值为5伏特、频率为8.192khz的方波，与上述数字信号进行调制，调制后使用所述功率放大器将调制后的信号电压放大50倍，交由所述磁性发射天线进行电磁波发射，至此发射部分完毕。
13.所述频率为8.192khz的电磁波在地层中损耗较低，被所述磁性接收天线接受到后，所述滤波放大器首先过滤其他频率的杂波，并对有效信号进行放大处理，所述整形译码器将放大后的有效信号进行解调，解调后的信号被所属数据采集模块记录，并发送至数据处理模块，按图4流程进行解码。至此，所有传感器测试的第一个数据传输完毕，以此规律开始向下传输剩余测试数据，直至全部数据传输完毕。最终通过所述数据显示模块对所有数据进行图形化显示与存储。


技术特征：
1.一种可穿透10m地层的无线电波多路参数发射与接收器，其特征在于：由信号发射模块和信号接收模块组成，所述的信号发射模块由传感器接口、信号调理电路、数据采集模块、载波发生器、串行编码器、功率放大器和发射磁性天线构成，传感器接口依次串接信号调理电路，数据采集模块和串行编码器，串行编码器输出端并接载波发生器和功率放大器，功率放大器输出端串接发射磁性天线；所述的信号接收模块由接收磁性天线、滤波放大器、整形译码器、数据采集模块、数据处理模块、数据显示模块构成；接收磁性天线依次串接滤波放大器、整形译码器、数据采集模块、数据处理模块、数据显示模块。2.权利要求1所述的一种可穿透10m地层的无线电波多路参数发射编码与接收译码器，其特征在于：信号发射模块安装在位于地下的扩孔钻头后端。3.权利要求1所述的一种可穿透10m地层的无线电波多路参数发射与接收器，其特征在于：信号接收模块安装在地面的地面接收机内。4.权利要求1所述的一种可穿透10m地层的无线电波多路参数发射与接收器，其特征在于：所述载波发生器生成的载波为幅值为5伏特、频率为8.192khz的方波。

技术总结
本发明设计一种可穿透10m地层的无线电波多路参数发射与接收器，在地下连续发射无线电波串行编码信号（信号源自于地下传感器检测到的钻具应变、钻具围压、钻具振动等多路电量参数），在地面实时接收该信号序列并译码为原本的多路变量参数。该电磁波载波频率设计为有利于穿透一般土层和岩石层的5～50kHz，调制信号经过信号调理、采集、编码和放大，以串行方式经磁性天线连续向地面接收机发送；地面接收机经过信号的选频、滤波放大，将该编码信号通过数据采集卡通讯给计算机，计算机按所编指令程序对编码序列进行译码，还原出多路数据。还原出多路数据。还原出多路数据。


技术研发人员：张建 乌效鸣 徐永华 林朋皓 朱永刚 徐晗 倪宾 朱旭明 王健荣 邱峰
受保护的技术使用者：中国地质大学（武汉）
技术研发日：2022.09.07
技术公布日：2022/12/5