CN101676518A - 水平导向钻随钻探测预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水平导向钻随钻探测预警系统，其包含：地下随钻探测系统和地面信号处理与预警显示系统，两者通过两芯通讯电缆连接，实现数据高速通讯；该地下随钻探测系统在施工过程中工作于地下，采用主动声波探测技术进行探测，完成地下管线探测的数据采集和传输；该地面信号处理与预警显示系统工作于地面，完成地下随钻探测系统的控制和探测数据的处理与显示，并根据地下障碍物的危险程度进行声音和指示灯报警。本发明将探测工艺和钻进施工工艺结合起来，实现随钻探测预警，并且能有效探测出地下的水平导向钻行进轨迹附近1米左右的障碍物，探测精度较高，有效降低施工风险。

Description

水平导向钻随钻探测预警系统

技术领域

本发明涉及一种新型的随钻探测预警设备，用于水平导向钻导向钻进或回扩工艺中，随钻探测导向钻四周1m范围内的障碍物分布状况，在遇到障碍管线时及时向水平钻机操作人员告警。

背景技术

水平导向钻是近年来兴起的一种新型建设非开挖施工设备。在管线施工过程中，它能有效保护原有的建设设施，且环境破坏性和干预性小，施工精度高、周期短，受到了人们的广泛重视。目前，在城市管线建设中，已普遍采用水平导向钻进行施工，取得了明显的经济和社会效益。

但是，事情总具有两面性。水平导向钻施工技术在带来经济效益和社会效益的同时，其施工安全性和风险问题也日益突出。如果不能准确掌握地下原有管线的分布状况，施工时很可能会破坏原有管线，导致通信和电力供应中断、燃气和上下水管泄漏等事故，不仅造成巨大的财产损失，影响交通和居民的正常生活，甚至会引起人身伤亡事故。

对非开挖施工特别是水平导向钻进施工来说，施工风险问题是一个国际性的难题，美、欧、日等发达国家投入了大量经费来突破这个问题。

对国内来讲，由于技术条件和发展阶段的限制，水平导向钻进施工的风险问题更加突出，主要表现在三个方面：

其一，是国内的地质条件多样。我国地域广大，不同地质条件分布很不一样；

其二，是不同时期铺设的管线共存。既有近期铺设的管线，也有50、60年代铺设的管线，更有早在解放前甚至日伪时期铺设的管线；

第三，国内对地下管线的管理不太规范。现存的地下管线资料不准确、不完整，甚至是部分资料缺失。

从历史发展上看，地下管线探测技术起源于地球物理探测技术，相关设备的开发几乎和地下寻矿设备同时出现。大约在二十世纪初期，西方发达国家就有了探测地下管线和地下其他金属导体的专利，这就是早期的金属探测器。但一直到了二战后，地下管线探测技术才真正得到了蓬勃发展。这实际上是由地下管线探测需求的特殊性所决定的。随着世界各国国民经济的发展，城市建设规模不断扩大，地面建筑物越来越多，地下设施越来越密集。同时，空间和地面的干扰越来越多，管线的施工类型和工艺多种多样。在这种背景下，要准确掌握地下管线准确的分布，必然需要高精度、高分辨率的管线探测技术和设备。到了二十世纪八十年代，由于电子技术的飞速发展，各种新型元器件和高性能计算机的不断出现，使得提高地下管线探测设备的精度有了物质基础，各种新型探测方法和探测设备不断涌现。

我国的地下管线探测研究起步较晚，但发展速度很快。尤其是二十世纪八十年代以来，随着我国大规模经济建设和城市建设的发展，地下管线数量的迅速增加，大大促进了地下管线探测技术的发展。中国地质大学、东南大学、上海微波技术研究所等单位就地下管线探测理论、方法、技术以及仪器设备等方面的问题进行了很有成效的探索和研究，开发了多种型号的地下管线探测仪器。总的来说，目前我国地下管线探测技术还处于起步阶段，很多技术尚不成熟，不少技术难点还有待于进一步研究和解决。

目前，国内外探测地下管线的方法有多种，表1是目前常见的几种地下管线探测技术及设备。

目前，发展比较成熟和应用最广泛的地下管线技术有两种：其一是探地雷达技术，其二是电磁感应地下管线探测技术。

探地雷达是一种用于确定地下介质分布的广谱(1MHz～1GHz)电磁技术。雷达发射天线向地下发射高频电磁波，电磁波在地下介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化，当遇到不同的电性界面时，就会发生反射，反射波到达地面被接收天线接收后，通过雷达主机精确地记录反射回波的时间、相位、振幅、波长等特征，通过数据处理、图像合成等手段，便得到反映地下目标物的分布位置和状态。在产品方面，目前国内大部分是引进产品。典型设备有美地球物理勘探公司(GSSI)的SIR探地雷达，加拿大EKKO探地雷达和瑞典RAMAC探地雷达。在100MHz频率天线条件下，在光滑水平反射界面，地下介质的衰减为0.1dB/m时，EKKO型雷达的最大探测深度为376m，SIR型雷达为112m，RAMAC型雷达为300m；在粗糙反射界面条件下，EKKO型雷达的最大探测深度为247m，SIR型雷达为178m，RAMAC型雷达为209m，不同类型的雷达系统各自的最大测深存在较大差异。而在高耗介质(10～100dB/m)，雷达最大探测深度取决于地下介质的电性属性。无论是在光滑水平反射界面，还是在粗糙反射界面条件下，在地下介质的衰减为10～100dB/m时，不同类型的雷达系统最大测深相差不大。

类型	典型产品	基本原理	性能
				探地雷达	SIR-10H(美地球物理勘探公司)、加拿大Sensor&Software公司的EKKO系列	基于电磁波的反射特性。由发射天线向地下发送高频短脉冲电磁波，接收天线接收从地下目标(电性差异界面)反射至地表的电磁波来研究目标体。	可探测各种金属和非金属管线。一般探测深度小于2m，分辨率较高，但遇水衰减比较严重。
地下管线探测仪	Subsite 70、METROTECH810/850、RD400系列	电磁探测基于电磁感应原理，当发射机将交变电磁场施加到埋设于地下的导体上，导体内便有电流流过，在其周围形成交变磁场。利用接收机中的接收线圈探测而得到信号。探测人员可依据接收机表头的读数变化规律，来探查深埋于地下的金属目标。	一般用于浅层地下管线探测，容易受到干扰，适用于铁质管线
				表面波探测	河海大学土木工程学院	根据表面波频散曲线的波动情况可确定障碍物的位置、大小、埋置深度和与周围介质大概的硬度比.	处于发展中
声波法		利用声波层析成像。在被测对象边界上测量到的一组电压，计算被测对象内部的电阻率分布，以获得媒质分布图像，实现无扰动的可视化测量。	声波衰减比较严重

磁测法

880B(美国麦特公司)

利用导磁率相对较高的材料对磁力线具有聚集效果这个特点，通过高精度地磁测量系统，观察地磁的磁异常情况，探测地下管线。

需要高精度的探测设备，容易受到干扰，适用于铁质管线

表1.1目前主要的地下管线探测技术

电磁探测是另一种重要的地下管线探测技术。电磁探测基于一个非常简单的基本原理，即电磁感应原理，当发射机将交变电磁场施加到埋设于地下的导体上，导体内便有电流流过，在其周围形成交变磁场。利用接收机中的接收线圈探测而得到信号。探测人员可依据接收机表头的读数变化规律，来探查深埋于地下的金属目标。根据场源的不同，探测方法可分为以下几类：

(1)被动源法。该方法所应用的场源不是由发射机发射供电而产生，而是应用地下目标本身传播的交变信号(如电力电缆的50Hz市电信号)作为场源，这种场源称为被动源。

(2)主动源法。人为地通过发射机将已知交变电磁场施加于目标上。该方法根据施加交变电磁场方法的不同又可分为直接法和感应法两种。直接法将发射机输出一端与被探测的目标的某一点直接相连接，另一端与另一点或与地相连接，构成一个闭合电路。感应法利用置于管线上端的发射机，建立一个垂直于管线的磁场，使得管线产生感生电动势，从而形成感应电流，再由感应电流产生感应电磁场，最后由接收机接收信号。

(3)夹钳法。是利用电磁感应原理，来产生一个与直接法相类似的电磁场的方法。只是发射机与管线之间没有电气的接触，发射机通过一个可分离的环状夹钳夹住管线，在夹钳中有一组线圈，通交流电后便可产生交变磁场，从而产生感生电动势。

(4)示踪电磁法。是借助于示踪装置追踪信号。

目前多数管线探测设备采用电磁探测原理制成，商用设备很多，如美Subsite 70地下管线探测仪，英国雷迪公司的RD4000系统地下管线探测仪。国内有北京世超勘探技术联合开发公司开发的PGD-968管路电缆探测仪等。

目前，尽管国内外有各种各样的地下管线探测设备，但总体来说，存在下面一些问题：

(1)存在探测盲点。地下管线探测仪或地质雷达是一种地面探测设备，受地质条件、设备探测精度等条件的限制，在导向钻行进轨迹附近区域往往存在探测“盲区”，实际存在的管线却探测不到，给安全施工带来隐患。对探地雷达来讲，对施工现场的地形条件要求较高，施工现场地面要比较平整，很多时候难以完全满足。另外，对地质条件要求较高，对含水量丰富的土质，信号衰减比较严重，当地下管线埋深大于5m时，探测效果会大打折扣。对地下管线探测仪来讲，要求施工现场原有管线分布较为规则，如果管线分布比较复杂，探测的准确性会受到很大的影响；如果管线分布较深，往往探测不到。另外，地下管线探测仪原理上只适用于探测金属管线。

(2)抗干扰能力差。在利用地下管线探测仪时这个问题尤为突出，当被测管线周围存在旁侧管线时，探测仪的读数误差很大。同时，各种游散电磁场也会对探测仪造成影响，铁栅栏、路灯、桥墩等常见市政设施往往会影响探测结果，甚至在路面上停放的汽车也会造成意外影响。如果干扰过大，探测仪可能超出量程，造成探测盲区，给后续的钻进施工带来风险。这种效应在桥梁附近施工时相当明显。

(3)对探测人员素质要求过高。一般来讲，如果地下原有管线分布情况比较单一，探地雷达或地下管线探测仪都能很好地满足探测任务。但是，对于类似上海市这样市政建设开展较早的城市来说，地下管线的分布一般都比较复杂，只有积累相当丰富的探测经验，才能准确掌握原有管线的分布状况。即便如此，探测人员的疏漏，仍有可能造成灾难性的后果。

(4)探测工艺和施工工艺相对脱节。从水平导向钻进的整个施工工艺上讲，原有管线探测处于施工的准备阶段，探测和钻进施工是相对独立的。准备工作进行得再细，也不能完全避免实际施工过程中可能遇到的风险。正是由于探测工艺和施工工艺的相对脱节，才造成和加剧了施工风险。

从水平导向钻进施工角度看，不管采用哪种探测方式，最终结果都是为了在施工过程中规避原有管线和施工障碍，从这个意义上讲，只有与水平导向钻施工钻孔相邻的管线和障碍才是探测所最关心的。因此，很自然的想法是将探测设备小型化并置于地下，使其类似于导航仪，在导向钻钻进或者回拉扩孔过程中，同步探测钻头周围管线和障碍的分布情况，并将钻头周围管线的位置实时向导向钻机操作者进行警告。这样，可以有效缩小设备的探测范围，减小探测盲区，避免钻头周围不相干干扰的影响，提高探测精度。同时，将探测工艺和钻进施工工艺结合起来，减少其它不相干因素对钻进工艺的影响，从而降低施工风险。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水平导向钻随钻探测预警系统，其将探测工艺和钻进施工工艺结合起来，实现随钻探测预警，并且能有效探测出地下的水平导向钻行进轨迹附近1米左右的障碍物，探测精度较高，有效降低施工风险。

为达上述目的，本发明提供一种水平导向钻随钻探测预警系统，其包含：地下随钻探测系统和地面信号处理与预警显示系统，两者通过两芯通讯电缆连接，实现数据高速通讯；

所述的地下随钻探测系统在施工过程中工作于地下，采用主动声波探测技术进行探测，完成地下管线探测的数据采集和传输；所述的地面信号处理与预警显示系统工作于地面，完成地下随钻探测系统的控制和探测数据的处理与显示，并根据地下障碍物的危险程度进行声音和指示灯报警。

所述的地下随钻探测系统由控制器(MPU)、第一FPGA(现场可编程门阵列)控制逻辑电路、声波信号激发模块、探测信号采集模块、电源管理模块和高速数据传输模块构成；所述的控制器分别和声波信号激发模块、探测信号采集模块、高速数据传输模块以及第一FPGA控制逻辑电路实现电路连接；所述的第一FPGA控制逻辑电路还分别和声波信号激发模块以及探测信号采集模块通过电路连接；

所述的控制器和第一FPGA控制逻辑电路用来接收地面指令和数据，生成激励信号驱动声波信号激发模块向土层中发送声波信号，并将采集到的探测数据转换成预定格式的串行数据向地面信号处理与预警显示系统进行传递；所述的声波信号激发模块用来将控制器发出的数字激励信号转换成具有一定功率的声波激励信号；所述的探测信号采集模块用来采集地下随钻探测系统附近土体的声波响应信号；所述的高速数据传输模块用来将探测指令、声波激励信号和探测响应数据转换成约定格式的串行数据，完成地下随钻探测系统与地面信号处理与预警显示系统之间的数据高速传送；所述的电源管理模块用于变换供电电压，使其能满足地下随钻探测系统的各电路模块的正常工作要求，并根据地下随钻探测系统的工作状态，将其处于节电状态。

所述的声波信号激发模块由依次通过电路连接的D/A(数/模)转换器、信号隔离与功率放大电路、以及声波发射探头构成；该D/A转换器分别与控制器和第一FPGA控制逻辑电路通过电路连接；其中，所述的声波发射探头是稀土铽镝铁大磁致伸缩材料的声波发射探头；

所述的D/A转换器用来将控制器输出的数字信号转化为模拟信号，信号隔离与功率放大电路用来对D/A转换器输出的模拟信号进行隔离放大，降低对控制器和D/A转换器等电路的干扰，以驱动发射探头发出高强度的声波信号；所述的声波发射探头用来将控制器发出的经过D/A转换并隔离放大后电信号转换为声波信号。

所述的探测信号采集模块由通过电路依次连接的声波接收探头单元、信号调理电路和A/D(模/数)转换器构成；该声波接收探头单元包含第一声波接收探头和第二声波接收探头，其分别和信号调理电路连接；该A/D转换器分别与控制器和第一FPGA控制逻辑电路通过电路连接；

所述的声波接收探头用来将土体中传播的声波信号转换为电信号，以便后续处理；所述的信号调理电路用来对声波接收探头接收到的声波信号进行滤波和放大，将信号电平调整在A/D转换器对应的电压范围，该A/D转换器对接收到的声波信号进行模数转换，以满足后续电路处理的要求。

所述的高速数据传输模块包含与控制器连接的第二FPGA控制逻辑电路，分别与该第二FPGA控制逻辑电路连接的第一数据接收器、数据缓存、和第一数据发送器，与第一数据接收器连接的第一耦合电路，与第一数据发送器连接的第二耦合电路，分别与第一耦合电路和第二耦合电路连接的第一自适应均衡电路，以及和该第一自适应均衡电路连接的第一变压器；

所述的高速数据传输模块由地下随钻探测系统的控制器进行控制；

所述的第二FPGA控制逻辑电路用于对第一数据接收器和第一数据发送器进行时序控制；

所述的数据缓存电路用于接收和发送数据的先进先出(FIFO)数据缓冲；

所述的第一数据接收器用于完成数据接收；其是采用Hotlink(热链路)总线的Hotlink数据接收器；

所述的第一数据发送器用于完成数据发送；其是采用Hotlink总线的Hotlink数据发送器；

所述的第一自适应均衡电路用于接收信号幅度进行自适应补偿，以提高接收信号质量，降低误码率；

所述的第一变压器用于充当信号传输变压器，输出一路差分信号对接信号传输电缆，可降低传输电缆上的共模干扰。

所述的电源管理模块包含依次电路连接的振动开关，触发器，功率放大电路，继电器，电源变换模块，电池组和清零电路；其中，所述的电池组还分别连接触发器，功率放大电路和继电器；所述的清零电路还与触发器以及控制器连接；

所述的振动开关用于感应水平导向钻的振动，当水平导向钻处于静止状态时，则振动开关处于关断状态，当水平导向钻存在一定强度的振动式，则振动开关输出触发脉冲；

所述的触发器用于锁定振动开关输出的脉冲信号；

所述的功率放大电路在触发器的控制下，驱动继电器；

电池组用于对整个地下随钻探测系统供电，当继电器闭合时，接通电压到电源变换模块，变换出多路电源向地下随钻探测系统的各电路模块供电，当继电器断开时，该电池组工作在节电状态，只向振动开关和触发器供电；

所述的电源变换模块为DC-DC(直流-直流)电源变换模块，用于将直流供电电源变换成地下随钻探测系统的各个电路模块所需的电压并供电；

所述的清零电路用于在地下随钻探测系统的控制器的控制下，输出清零脉冲，将触发器设置在初始工作状态，切断直流继电器，将电池组与电源变换模块分离。

所述的电源管理模块的工作过程如下：

当水平导向钻换杆或第一次启动后，钻机带动钻杆转到，振动开关输出脉冲信号，触发器输出高电平信号，经功率放大后，驱动功率放大电路闭合继电器，电池组与电源变换模块接通，变换出地下随钻探测系统的各个电路模块所需的电压，启动地下随钻探测系统开始工作。当进行换杆操作或探测完成后，地面信号处理与预警显示系统发出断电指令，由地下随钻探测系统的控制器发出清零指令，驱动清零电路将触发器电路拉至低电平，切断继电器，关闭电源。当工作在断电状态下，电池组只需维持振动开关和触发器的电压，从而最大限度地进行节电，保证下随钻探测系统有足够的工作时间。

所述的地下随钻探测系统安装在位于水平导向钻钻杆与回括器或导向板之间的地下随钻探头内部。所述的地下随钻探头采用分段舱体设计，包括探头舱和电路舱；该探头舱内安装有声波发射探头、第一声波接收探头、第二声波接收探头和电池组；所述的电路舱内安装有随钻探测处理电路，其包括声波信号激发模块、探测信号采集模块、电源管理模块和高速数据传输模块。所述的探头舱和电路舱之间采用航空插座进行电气连接，通过螺纹和密封圈进行机械连接，以有效防水和承载扭矩。

所述的地下随钻探测系统的工作原理如下：

当水平导向钻换杆或第一次启动后，钻机带动随钻探测系统转动，唤醒电源管理模块，向随钻探测系统供电，启动系统工作。控制器通过高速数据传输模块接收地面信号处理与预警显示系统发出的指令和设定的激励信号，经D/A转换器转换后输出一定频率范围、一定幅值形状的模拟信号，信号通过信号隔离与功率放大电路后，驱动声波发射探头发射声波信号。同时，声波接收探头接收水平导向钻回括器或导向板附近土体的响应信号，经信号调理电路预处理后，由A/D转换器采样后，打包压缩通过高速数据传输模块发送到地面信号处理与预警显示系统进行分析处理。

所述的地下随钻探测系统的具体工作流程包含以下步骤：

步骤1、地下随钻探测系统进行初始化，然后进入自检状态；

步骤2、自检通过后，开始进入数据接收准备状态；

步骤3、判断第一接收器接收到激励缓冲区的数据类型，并根据各个类型进行相应的数据处理；

步骤4、判断激励缓冲区的数据是否发送完毕，如果是，则一帧数据采集完成，将数据进行打包，将数据向地面数据处理系统进行传递，传递结束后，转入步骤2；如果不是，则直接转入步骤2。

所述的步骤3，具体包含以下步骤：

步骤3.1、判断是否接收到地面信号处理与预警显示系统发出的电缆检查命令，如果是，则向地面数据处理系统发送检查状态字，并转入步骤2；如果不是，则转入下一步继续处理；

步骤3.2、判断是否接收到地面信号处理与预警显示系统发出的激励信号命令，如果是，将激励信号缓冲区状态标志清0，并转入步骤2；如果不是，则转入下一步继续处理；

步骤3.3、判断收到的激励信号命令是否是激励信号头标志数据，如果是，则清空缓冲区，并解析该数据，确定待接收的数据长度，分配对应大小的内存，然后转入步骤2，如果不是，则转入下一步继续处理；

步骤3.4、判断收到的激励信号命令是否是声波激励信号数据，如果是，则解析该数据，确定数据的序号，并将其放置到缓冲区的对应位置，然后转入步骤2；如果不是，转下一步继续处理；

步骤3.5、收到的激励信号命令是否是激励信号尾标志数据，如果是，将缓冲区标志置1，然后向地面数据处理系统发送接收成功标志，并转入步骤2；如果不是，转下一步继续处理；

步骤3.6、判断接收到的激励命令是否是开始探测命令，如果是，发送激励信号缓冲区的数据至D/A转换器，激发发射探头发出预定模式的波信号，同时启动A/D转换器采集土壤介质返回的信号，并将其存入接收响应信号缓冲区。

所述的地面信号处理与预警显示系统包含计算机，与该计算机通过USB总线连接的USB控制器，分别与该USB控制器连接的第二数据接收器，第二数据发送器和FPGA逻辑控制电路，连接第二数据接收器的第三耦合电路，连接第二数据发送器的第四耦合电路，分别连接该第三耦合电路和第四耦合电路的第二自适应均衡电路，以及连接该第二自适应均衡电路的第二变压器；

所述的计算机主要完成地下探测数据的解算、地下系统的探测控制和水平导向钻施工轨迹的解算；

所述的第二数据接收器、第三FPGA逻辑控制电路、第二数据发送器、第三耦合电路、第四耦合电路、第二自适应均衡电路和第二变压器之间进行高速数据串行传输，其工作原理同地下随钻探测系统中高速数据传输模块的各个电路模块的功能相对应，即：

所述的第三FPGA控制逻辑电路用于对第二数据接收器和第二数据发送器进行时序控制；

所述的第二数据接收器用于完成数据接收；其是采用Hotlink总线的Hotlink数据接收器；

所述的第二数据发送器用于完成数据发送；其是采用Hotlink总线的Hotlink数据发送器；

所述的第二自适应均衡电路用于接收信号幅度进行自适应补偿，以提高接收信号质量，降低误码率；

所述的第二变压器用于充当信号传输变压器，输出一路差分信号对接信号传输电缆，可降低传输电缆上的共模干扰；

所述的USB控制器主要完成USB总线和Hotlink总线之间的数据转换。

所述的地面信号处理与预警显示系统的具体工作流程包含以下步骤：

步骤1、地面信号处理与预警显示系统进行初始化设置和自检；

步骤2、自检通过后，地面处理计算机根据用户要求生成宽频激励信号，该激励信号可以包括线性扫频信号、非线性扫频信号和M序列信号等几种类型；

步骤3、地面处理计算机向地下随钻探测系统发出电缆检查命令，然后进入数据接收准备状态；

步骤4、判断第二数据接收器接收到的数据类型，并进行相应的数据处理。

所述的步骤4，具体包含以下步骤：

步骤4.1、第二数据接收器如果接收到的数据是电缆检查数据，将接收数据与预定的电缆检查代码比较，如果通过，说明数据通信电路工作正常，进入下一步处理；如果不正常，继续发送电缆检查命令，如果一直不能通过，需关机检查；

步骤4.2、地面处理计算机发送激励信号数据直至所有激励信号发送完毕，进入数据接收准备状态，并将接收到的数据进行解析，如果是电路检查数据，转步骤4.1处理；其他，则转下一步；

步骤4.3、第二数据接收器如果接收到的是响应信号头数据，则将接收到的数据进行解压缩，并存入对应缓冲区中；转下一步处理，如果是其他，则继续进入数据接收准备状态；

步骤4.4、第二数据接收器如果接收到的响应信号尾部数据，则调用目标位置解算程序，对土壤特性进行分析，确定是否存在障碍物或现存管线；当存在障碍或现存管线时，发出声音和指示灯报警。

其中，步骤4.4中所述的目标位置解算的具体步骤包含：

步骤4.4.1、对接收到的响应信号进行转换，接收到的数据是12位二进制数据，将其转换为真实的电压信号数据；

步骤4.4.2、对步骤4.4.1得到的数据进行预处理，消除直流偏置；

步骤4.4.3、对接收到的两路探测信号进行快速傅里叶变换(FFT)，利用FFT进行互谱计算，提取相位差信息；

步骤4.4.4、进行FFT变换后，信号相位被压缩在-180°和180°之间，相位发生缠绕，对其进行展开；

步骤4.4.5、根据得到的真实相位信息，确定两路探测信号之间的传输延迟，这种延迟与频率相关，即提取信号的频散特性；

步骤4.4.6、受带宽限制，频散特性数据在某些频率点上是无效的，对其进行拟合；

步骤4.4.7、根据拟合的频散曲线，确定频散曲线的突变区或拐点，拐点的位置即为可疑目标点的位置；

步骤4.4.8、根据步骤4.4.7中得到的拐点位置，与初始化设定的报警阈值比较，如果在危险区，则系统开始报警。

本发明提供的水平导向钻随钻探测预警系统，其具有以下优点：

1.利用声波探测技术，实现了随钻探测预警，能有效探测出地下的水平导向钻行进轨迹附近1米左右的障碍物，并且探测精度较高，有效降低施工风险。

2.结合水平导向钻的结构特点，实现了地下探测电源的自启动和节电管理。

3.采用HotLink总线，实现了廉价、可靠、小型化的高速远距离数据传输。

4.利用表面波原理，实现了一种地下孔径内探测估计土层介质属性的新型探测技术。

附图说明

图1为本发明提供的水平导向钻随钻探测预警系统的总体结构框图；

图2为本发明中的地下随钻探测系统的电路结构框图；

图3为本发明中的高速数据传输电路的电路结构框图；

图4为本发明中的高速数据传输电路的发送控制状态的示意图；

图5为本发明中的高速数据传输电路的接收控制状态的示意图；

图6为本发明中的电源管理模块的电路结构框图；

图7为本发明中的地下随钻探测单元的安装示意图；

图8为本发明中的地下随钻探测单元的内部结构示意图；

图9为本发明中的地下随钻探测单元的工作流程图；

图10为本发明中的地面信号处理与预警显示系统的电路结构框图；

图11为本发明中的地面信号处理与预警显示系统的工作流程图；

图12为本发明中的地面信号处理与预警显示系统中目标位置解算的流程图。

具体实施方式

以下结合图1～图12，详细说明本发明的一较佳实施方式。

如图1所示，本发明提供一种水平导向钻随钻探测预警系统，其包含：地下随钻探测系统1和地面信号处理与预警显示系统2，两者通过两芯通讯电缆3连接，实现数据高速通讯；

所述的地下随钻探测系统1在施工过程中工作于地下，采用主动声波探测技术进行探测，完成地下管线探测的数据采集和传输；所述的地面信号处理与预警显示系统2工作于地面，完成地下随钻探测系统的控制和探测数据的处理与显示，并根据地下障碍物的危险程度进行声音和指示灯报警。

如图2所示，所述的地下随钻探测系统1由控制器11(型号：C8051F047)、第一FPGA控制逻辑电路12(型号：XC3S1500)、声波信号激发模块13、探测信号采集模块14、电源管理模块15和高速数据传输模块16构成；所述的控制器11分别和声波信号激发模块13、探测信号采集模块14、高速数据传输模块16以及第一FPGA控制逻辑电路12实现电路连接；所述的第一FPGA控制逻辑电路12还分别和声波信号激发模块13以及探测信号采集模块14通过电路连接；

所述的控制器11和第一FPGA控制逻辑电路12用来接收地面指令和数据，生成激励信号驱动声波信号激发模块13向土层中发送声波信号，并将采集到的探测数据转换成预定格式的串行数据向地面信号处理与预警显示系统2进行传递；所述的声波信号激发模块13用来将控制器12发出的数字激励信号转换成具有一定功率的声波激励信号；所述的探测信号采集模块14用来采集地下随钻探测系统1附近土体的声波响应信号；所述的高速数据传输模块16用来将探测指令、声波激励信号和探测响应数据转换成约定格式的串行数据，完成地下随钻探测系统1与地面信号处理与预警显示系统2之间的数据高速传送；所述的电源管理模块15用于将15V供电电压变换成+5V、±15V的电压，使其能满足地下随钻探测系统1的各电路模块的正常工作要求，并根据地下随钻探测系统1的工作状态，将其处于节电状态。

所述的声波信号激发模块13由依次通过电路连接的12位D/A转换器131(型号：LTC2631)、信号隔离与功率放大电路132、以及声波发射探头133构成；该12位D/A转换器131分别与控制器11和第一FPGA控制逻辑电路12通过电路连接；其中，所述的声波发射探头133是稀土铽镝铁大磁致伸缩材料的声波发射探头；所述的信号隔离与功率放大电路132包含信号隔离放大器(型号：OPA2277)和功率放大电路(型号：TA8250)；

所述的D/A转换器131用来将控制器输出的数字信号转化为模拟信号，信号隔离与功率放大电路132用来对D/A转换器131输出的模拟信号进行隔离放大，降低对控制器11和D/A转换器131等电路的干扰，以驱动声波发射探头133发出高强度的声波信号；所述的声波发射探头133用来将控制器11发出的经过D/A转换并隔离放大后电信号转换为声波信号。

所述的探测信号采集模块14由通过电路依次连接的声波接收探头单元、信号调理电路141和12位A/D转换器142(型号：AD574)构成；该声波接收探头单元包含第一声波接收探头143和第二声波接收探头144，其分别和信号调理电路141连接；该A/D转换器142分别与控制器11和第一FPGA控制逻辑电路12通过电路连接；

所述的声波接收探头143和144(型号：GYH-2)用来将土体中传播的声波信号转换为电信号，以便后续处理；所述的信号调理电路141用来对声波接收探头143和144接收到的声波信号进行滤波和放大，将信号电平调整在A/D转换器142对应的电压范围，该A/D转换器142对接收到的声波信号进行模数转换，以满足后续电路处理的要求。

如图3所示，所述的高速数据传输模块16包含与控制器11连接的第二FPGA控制逻辑电路161，分别与该第二FPGA控制逻辑电路161连接的第一数据接收器162、数据缓存163、和第一数据发送器164，与第一数据接收器162连接的第一耦合电路165，与第一数据发送器164连接的第二耦合电路166，分别与第一耦合电路165和第二耦合电路166连接的第一自适应均衡电路167，以及和该第一自适应均衡电路167连接的第一变压器168；

所述的高速数据传输模块16由地下随钻探测系统1的控制器11进行控制；

所述的第二FPGA控制逻辑电路161(型号：XC3S1500)用于对第一数据接收器162和第一数据发送器164进行时序控制；

所述的数据缓存电路163(型号：IDT7200)用于接收和发送数据的先进先出数据缓冲；

所述的第一数据接收器162用于完成数据接收；其是采用Hotlink总线的Hotlink数据接收器(型号：CY7B933)；

所述的第一数据发送器164用于完成数据发送；其是采用Hotlink总线的Hotlink数据发送器(型号：CY7B923)；

因为对水平导向钻而言，由于施工距离较大，通常超过几十米，甚至超过100米，而水平导向钻每段钻杆的距离为4米左右，施工过程中需不断更换钻杆，为减少接线麻烦，提供数据传输的可靠性，故采用两线制的串行总线进行通讯。另外，为保证探测数据处理的实时性，必须尽可能提高数据通信的速度，故采用HotLink总线进行数据接收和发送，其不仅具有高的数据传输速率(50Mbps～1.5Gbps)，还可以采用多种传输介质并且符合许多业界标准等优点，很适合水平导向钻地下探测的工况要求。

所述的第一自适应均衡电路167(型号：ML6674)用于接收信号幅度进行自适应补偿，以提高接收信号质量，降低误码率；

考虑到信号传输距离较远，存在较严重的“长线效应”，会严重降低信号传输质量，故本发明采用有源自适应均衡电路167对接收信号幅度进行自适应补偿，以提高信号传输的质量，自适应均衡电路167的信号接收部分是一个带有反馈环路的自适应均衡滤波器，反馈信号经判决后确定传输线长度并给出适当的控制信号，来调整均衡器的参数，补偿接收信号的幅度和相位。同时，自适应均衡电路167的接收部分提供了基线漂移补偿电路，对所接收数据的直流成分不均衡所引起的直流漂移进行监测和补偿，始终保持正确的判决门限，减小了信号传输的抖动，大大减小误码率。

所述的第一变压器168(型号：CL3242)用于充当信号传输变压器，输出一路差分信号对接信号传输电缆，可降低传输电缆上的共模干扰；

由于变压器是数据长线传输系统中收发终端基本而且也是常用的组成部分，并且传输电缆中存在的各种噪声和干扰受很多因素的影响，不确定性很高，如果将数据收发器直接与传输线连接，干扰严重时会导致数据无法传送，因此采用变压器将终端与传输线隔离变得尤为重要。并且根据变压器初级和次级阻抗的换算，很容易满足阻抗匹配的要求。由于共模电流在传输中容易产生很大的辐射噪声，因此变压器的另外一个作用就是抑制传输线上的共模信号，共模扼流圈对共模噪声表现出高阻抗，而对差模信号则表现出很低的阻抗，从而可以大大减小共模信号产生的干扰。本发明采用的型号为CL3242的芯片作为hotlink总线信号传输的变压器，该CL3242芯片内部集成了匝数比为1∶1的变压器和共模扼流圈，体积小，有较低的插入损耗和回波损耗，并且符合业界标准，偏置电流小，工作温度范围宽，能很好地满足要求。

为保证数据的正确传输，合理的控制逻辑也是非常必要的，本发明采用的第二FPGA控制逻辑电路161的发送控制器和接收控制器的各个状态为：

如图4所示，所述的第二FPGA控制逻辑电路161的发送控制器共包括三个状态：空闲状态，发送状态和测试状态。其中，当Hotlink发送控制器在复位以后进入空闲状态；当发送允许且数据缓存电路163满的时候，则仍然保持空闲状态，当发送允许且数据缓存电路163没有溢出的时候，进入到发送状态发送数据，并且不断向FIFO中写入数据直到溢出；当发送结束或FIFO为空，则返回空闲状态；如果测试允许，进入测试状态；测试结束后返回空闲状态。FIFO的读端口连接到HOT Link发送器的并行输出端口。

如图5所示，所述的第二FPGA控制逻辑电路161的接收控制器共包括四个状态：等待状态，接收状态，帧同步状态和测试状态。其中，当Hotlink接收控制逻辑在复位以后进入帧同步状态，帧同步状态后进入等待状态；当第一数据发送器164的解码标志为低电平(即解码未完成)且FIFO不为空，进入到接收状态接收数据，并不断从FIFO中读出数据直到解码完成或FIFO空；当第一数据发送器164的解码标志为高电平(即解码完成)或FIFO为空，返回等待状态；当解码完成且结果并无错误时，一直处于等待状态；如果测试允许，进入测试状态；测试结束后返回空闲状态。FIFO的写端口连接到HOT Link接收器的并行输出端口。

如图6所示，所述的电源管理模块15包含依次电路连接的振动开关151，触发器152，功率放大电路153，继电器154，电源变换模块155，电池组156和清零电路157；其中，所述的电池组156还分别连接触发器152，功率放大电路153和继电器154；所述的清零电路157还与触发器152以及控制器11连接；

所述的振动开关151(型号：SW-180)用于感应水平导向钻的振动，当水平导向钻处于静止状态时，则振动开关处于关断状态，当水平导向钻存在一定强度的振动式，则振动开关151输出触发脉冲；

所述的触发器152(型号：74LS74)用于锁定振动开关151输出的脉冲信号；

所述的功率放大电路153在触发器152的控制下，驱动继电器154(型号：G2R-1A4-12V)

电池组156用于对整个地下随钻探测系统1供电，当继电器154闭合时，接通电压到电源变换模块155，变换出多路电源向地下随钻探测系统1的各电路模块供电，当继电器154断开时，该电池组156工作在节电状态，只向振动开关151和触发器152供电；

所述的电源变换模块155(型号：NR12D12/50A或WRH39-12S5)为DC-DC电源变换模块，用于将15V的供电电压变换成+5V、±15V的电压，以满足地下随钻探测系统1的各个电路模块所需的电压并供电；

所述的清零电路157用于在地下随钻探测系统1的控制器11的控制下，输出清零脉冲，将触发器152设置在初始工作状态，切断直流继电器154，将电池组156与电源变换模块155分离。

所述的电源管理模块15的工作过程如下：

当水平导向钻换杆或第一次启动后，钻机带动钻杆转到，振动开关151输出脉冲信号，触发器152输出高电平信号，经功率放大后，驱动功率放大电路153闭合继电器154，电池组156与电源变换模块155接通，变换出地下随钻探测系统1的各个电路模块所需的电压，启动地下随钻探测系统1开始工作。当进行换杆操作或探测完成后，地面信号处理与预警显示系统2发出断电指令，由地下随钻探测系统1的控制器11发出清零指令，驱动清零电路157将触发器152拉至低电平，切断继电器154，关闭电源。当工作在断电状态下，电池组156只需维持振动开关151和触发器152的电压，从而最大限度地进行节电，保证下随钻探测系统1有足够的工作时间。

如图7a所示，所述的地下随钻探测系统1安装在位于水平导向钻钻杆4与回括器5之间的地下随钻探头7的内部。如图7b所示，所述的地下随钻探测系统1也可以安装在位于水平导向钻钻杆4与导向板6之间的地下随钻探头7的内部。如图8所示，所述的地下随钻探头7采用分段舱体设计，包括探头舱71和电路舱72；该探头舱71内安装有声波发射探头133、第一声波接收探头143、第二声波接收探头144和电池组156；所述的电路舱72内安装有随钻探测处理电路，其包括声波信号激发模块13、探测信号采集模块14、电源管理模块15和高速数据传输模块16。所述的探头舱71和电路舱72之间采用航空插座进行电气连接，通过螺纹和密封圈进行机械连接，以有效防水和承载扭矩。

所述的地下随钻探测系统1的工作原理如下：

当水平导向钻换杆或第一次启动后，钻机带动随钻探测系统转动，唤醒电源管理模块15，向随钻探测系统1供电，启动系统工作。控制器11通过高速数据传输模块16接收地面信号处理与预警显示系统2发出的指令和设定的激励信号，经D/A转换器131转换后输出一定频率范围、一定幅值形状的模拟信号，信号通过信号隔离与功率放大电路132后，驱动声波发射探头133发射声波信号。同时，声波接收探头143和144接收水平导向钻回括器5或导向板6附近土体的响应信号，经信号调理电路142预处理后，由A/D转换器141采样后，打包压缩通过高速数据传输模块16发送到地面信号处理与预警显示系统2进行分析处理。

如图9所示，所述的地下随钻探测系统1的具体工作流程包含以下步骤：

步骤1、地下随钻探测系统1进行初始化，然后进入自检状态；

步骤2、自检通过后，开始进入数据接收准备状态；

步骤3、判断第一接收器162接收到的数据类型，并根据各个类型进行相应的数据处理；

步骤3.1、判断是否接收到地面信号处理与预警显示系统2发出的电缆检查命令，如果是，则向地面数据处理系统发送检查状态字，并转入步骤2；如果不是，则转入下一步继续处理；

步骤3.2、判断是否接收到地面信号处理与预警显示系统2发出的激励信号命令，如果是，将激励信号缓冲区状态标志清0，并转入步骤2；如果不是，则转入下一步继续处理；

步骤3.3、判断收到的激励信号命令是否是激励信号头标志数据，如果是，则清空缓冲区，并解析该数据，确定待接收的数据长度，分配对应大小的内存，然后转入步骤2，如果不是，则转入下一步继续处理；

步骤3.4、判断收到的激励信号命令是否是声波激励信号数据，如果是，则解析该数据，确定数据的序号，并将其放置到缓冲区的对应位置，然后转入步骤2；如果不是，转下一步继续处理；

步骤3.5、收到的激励信号命令是否是激励信号尾标志数据，如果是，将缓冲区标志置1，然后向地面数据处理系统发送接收成功标志，并转入步骤2；如果不是，转下一步继续处理；

步骤3.6、判断接收到的激励命令是否是开始探测命令，如果是，发送激励信号缓冲区的数据至D/A转换器，激发发射探头发出预定模式的波信号，同时启动A/D转换器采集土壤介质返回的信号，并将其存入接收响应信号缓冲区；

步骤4、判断激励缓冲区的数据是否发送完毕，如果是，则一帧数据采集完成，将数据进行打包，将数据向地面数据处理系统进行传递，传递结束后，转入步骤2；如果不是，则直接转入步骤2。

如图10所示，所述的地面信号处理与预警显示系统2包含便携式计算机21，与该便携式计算机21通过USB总线连接的USB控制器22(型号：CY7C68013)，分别与该USB控制器22连接的第二数据接收器23(型号：CY7B933)，第二数据发送器24(型号：CY7B923)和FPGA逻辑控制电路25(型号：XC3S1500)，连接第二数据接收器23的第三耦合电路26，连接第二数据发送器24的第四耦合电路27，分别连接该第三耦合电路26和第四耦合电路27的第二自适应均衡电路28(型号：ML6674)，以及连接该第二自适应均衡电路28的第二变压器29(型号：CL3242)；

所述的计算机21主要完成地下探测数据的解算、地下系统的探测控制和水平导向钻施工轨迹的解算；

所述的第二数据接收器23、第三FPGA逻辑控制电路25、第二数据发送器24、第三耦合电路26、第四耦合电路27、第二自适应均衡电路28和第二变压器29之间进行高速数据串行传输，其工作原理同地下随钻探测系统1中高速数据传输模块16的各个电路模块的功能相对应，即：

所述的第三FPGA控制逻辑电路25用于对第二数据接收器23和第二数据发送器24进行时序控制；

所述的第二数据接收器23用于完成数据接收；其是采用Hotlink总线的Hotlink数据接收器；

所述的第二数据发送器24用于完成数据发送；其是采用Hotlink总线的Hotlink数据发送器；

所述的第二自适应均衡电路28用于接收信号幅度进行自适应补偿，以提高接收信号质量，降低误码率；

所述的第二变压器29用于充当信号传输变压器，输出一路差分信号对接信号传输电缆，可降低传输电缆上的共模干扰；

所述的USB控制器22主要完成USB总线和Hotlink总线之间的数据转换。

如图11所示，所述的地面信号处理与预警显示系统2的具体工作流程包含以下步骤：

步骤1、地面信号处理与预警显示系统2进行初始化设置和自检；

步骤2、自检通过后，地面处理计算机21根据用户要求生成宽频激励信号，该激励信号可以包括线性扫频信号、非线性扫频信号和M序列信号等几种类型；

步骤3、地面处理计算机21向地下随钻探测系统1发出电缆检查命令，然后进入数据接收准备状态；

步骤4、判断第二数据接收器23接收到的数据类型，并进行相应的数据处理：

步骤4.1、第二数据接收器23如果接收到的数据是电缆检查数据，将接收数据与预定的电缆检查代码比较，如果通过，说明数据通信电路工作正常，进入下一步处理；如果不正常，继续发送电缆检查命令，如果一直不能通过，需关机检查；

步骤4.2、地面处理计算机21发送激励信号数据直至所有激励信号发送完毕，进入数据接收准备状态，并将接收到的数据进行解析，如果是电路检查数据，转步骤4.1处理；其他，则转下一步；

步骤4.3、第二数据接收器23如果接收到的是响应信号头数据，则将接收到的数据进行解压缩，并存入对应缓冲区中；转下一步处理，如果是其他，则继续进入数据接收准备状态；

步骤4.4、第二数据接收器23如果接收到的响应信号尾部数据，则调用目标位置解算程序，对土壤特性进行分析，确定是否存在障碍物或现存管线；当存在障碍或现存管线时，发出声音和指示灯报警。

由于土壤介质中目标位置的解算是较为关键的部分，其基本原理是利用土壤介质存在特性差异时，两个接收探头接收到的瑞雷波信号会发生频散现象，即瑞雷波的传播速度与频率相关，土层差异会造成频散曲线的跳变。如图12所示，其工作过程的具体步骤包含：

步骤4.4.1、对接收到的响应信号进行转换，接收到的数据是12位二进制数据，将其转换为真实的电压信号数据；

步骤4.4.2、对步骤4.4.1得到的数据进行预处理，消除直流偏置；

步骤4.4.3、对接收到的两路探测信号进行快速傅里叶变换(FFT)，利用FFT进行互谱计算，提取相位差信息；

步骤4.4.4、进行FFT变换后，信号相位被压缩在-180°和180°之间，相位发生缠绕，对其进行展开；

步骤4.4.5、根据得到的真实相位信息，确定两路探测信号之间的传输延迟，这种延迟与频率相关，即提取信号的频散特性；

步骤4.4.6、受带宽限制，频散特性数据在某些频率点上是无效的，对其进行拟合；

步骤4.4.7、根据拟合的频散曲线，确定频散曲线的突变区或拐点，拐点的位置即为可疑目标点的位置；

步骤4.4.8、根据步骤4.4.7中得到的拐点位置，与初始化设定的报警阈值比较，如果在危险区，则系统开始报警。

本发明提供的水平导向钻随钻探测预警系统，其具有以下优点：

1.利用声波探测技术，实现了随钻探测预警，能有效探测出地下的水平导向钻行进轨迹附近1米左右的障碍物，并且探测精度较高，有效降低施工风险。

2.结合水平导向钻的结构特点，实现了地下探测电源的自启动和节电管理。

3.采用HotLink总线，实现了廉价、可靠、小型化的高速远距离数据传输。

4.利用表面波原理，实现了一种地下孔径内探测估计土层介质属性的新型探测技术。

Claims (21)

1.一种水平导向钻随钻探测预警系统，其特征在于，包含：地下随钻探测系统和地面信号处理与预警显示系统，两者通过两芯通讯电缆连接实现数据高速通讯；

所述的地下随钻探测系统在工作于地下，采用主动声波探测，进行地下管线探测的数据采集和传输；

所述的地下随钻探测系统包含控制器、第一现场可编程门阵列控制逻辑电路、声波信号激发模块、探测信号采集模块、电源管理模块和高速数据传输模块；所述的控制器分别和声波信号激发模块、探测信号采集模块、高速数据传输模块以及第一现场可编程门阵列控制逻辑电路实现电路连接；所述的第一现场可编程门阵列控制逻辑电路还分别和声波信号激发模块以及探测信号采集模块通过电路连接；

所述的控制器和第一现场可编程门阵列控制逻辑电路接收地面指令和数据，生成激励信号驱动声波信号激发模块向土层中发送声波信号，并将采集到的探测数据转换成预定格式的串行数据向地面信号处理与预警显示系统进行传递；

所述的声波信号激发模块将控制器发出的数字激励信号转换成具有一定功率的声波激励信号；

所述的探测信号采集模块采集地下随钻探测系统附近土体的声波响应信号；

所述的高速数据传输模块将探测指令、声波激励信号和探测响应数据转换成约定格式的串行数据，进行地下随钻探测系统与地面信号处理与预警显示系统之间的数据高速传送；

所述的电源管理模块用于变换供电电压，满足地下随钻探测系统的各电路模块的正常工作要求，并根据地下随钻探测系统的工作状态，将其处于节电状态；

所述的地面信号处理与预警显示系统工作于地面，进行地下随钻探测系统的控制和探测数据的处理与显示，并根据地下障碍物的危险程度进行声音和指示灯报警。

2.如权利要求1所述的水平导向钻随钻探测预警系统，其特征在于，所述的声波信号激发模块由依次通过电路连接的数/模转换器、信号隔离与功率放大电路、以及声波发射探头构成；该数/模转换器分别与控制器和第一现场可编程门阵列控制逻辑电路通过电路连接。

3.如权利要求2所述的水平导向钻随钻探测预警系统，其特征在于，所述的声波发射探头是稀土铽镝铁大磁致伸缩材料的声波发射探头。

4.如权利要求1所述的水平导向钻随钻探测预警系统，其特征在于，所述的探测信号采集模块由通过电路依次连接的声波接收探头单元、信号调理电路和模/数转换器构成；所述的模/数转换器分别与控制器和第一现场可编程门阵列控制逻辑电路通过电路连接。

5.如权利要求4所述的水平导向钻随钻探测预警系统，其特征在于，所述的声波接收探头单元包含第一声波接收探头和第二声波接收探头，其分别和信号调理电路连接。

6.所述的高速数据传输模块包含与控制器连接的第二现场可编程门阵列控制逻辑电路，分别与该第二现场可编程门阵列控制逻辑电路连接的第一数据接收器、数据缓存、和第一数据发送器，与第一数据接收器连接的第一耦合电路，与第一数据发送器连接的第二耦合电路，分别与第一耦合电路和第二耦合电路连接的第一自适应均衡电路，以及和该第一自适应均衡电路连接的第一变压器。

7.如权利要求6所述的水平导向钻随钻探测预警系统，其特征在于，所述的第一数据接收器是采用Hotlink总线的Hotlink数据接收器。

8.如权利要求6所述的水平导向钻随钻探测预警系统，其特征在于，所述的第一数据发送器是采用Hotlink总线的Hotlink数据发送器。

9.如权利要求1所述的水平导向钻随钻探测预警系统，其特征在于，所述的电源管理模块包含依次电路连接的振动开关，触发器，功率放大电路，继电器，电源变换模块，电池组和清零电路；所述的电池组还分别连接触发器，功率放大电路和继电器；所述的清零电路还与触发器以及控制器连接。

10.如权利要求9所述的水平导向钻随钻探测预警系统，其特征在于，所述的电源变换模块为直流-直流电源变换模块。

11.如权利要求1所述的水平导向钻随钻探测预警系统，其特征在于，所述的地下随钻探测系统安装在位于水平导向钻钻杆与回括器之间的地下随钻探头内部。

12.如权利要求1所述的水平导向钻随钻探测预警系统，其特征在于，所述的地下随钻探测系统安装在位于水平导向钻钻杆与导向板之间的地下随钻探头内部。

13.如权利要求11或12所述的水平导向钻随钻探测预警系统，其特征在于，所述的地下随钻探头为分段舱体，包括探头舱和电路舱；

所述的探头舱和电路舱之间通过航空插座进行电气连接，通过螺纹和密封圈进行机械连接；

所述的探头舱内安装有声波发射探头、第一声波接收探头、第二声波接收探头和电池组；

所述的电路舱内安装有随钻探测处理电路，其包括声波信号激发模块、探测信号采集模块、电源管理模块和高速数据传输模块。

14.所述的地下随钻探测系统的具体工作流程包含以下步骤：

步骤1、地下随钻探测系统进行初始化，然后进入自检状态；

步骤2、自检通过后，开始进入数据接收准备状态；

步骤3、判断第一接收器接收到激励缓冲区的数据类型，并根据各个类型进行相应的数据处理；

步骤4、判断激励缓冲区的数据是否发送完毕，如果是，则一帧数据采集完成，将数据进行打包，将数据向地面数据处理系统进行传递，传递结束后，转入步骤2；如果不是，则直接转入步骤2。

15.如权利要求14所述的水平导向钻随钻探测预警系统，其特征在于，所述的步骤3具体包含以下步骤：

步骤3.1、判断是否接收到地面信号处理与预警显示系统发出的电缆检查命令，如果是，则向地面数据处理系统发送检查状态字，并转入步骤2；如果不是，则转入下一步继续处理；

步骤3.2、判断是否接收到地面信号处理与预警显示系统发出的激励信号命令，如果是，将激励信号缓冲区状态标志清0，并转入步骤2；如果不是，则转入下一步继续处理；

步骤3.3、判断收到的激励信号命令是否是激励信号头标志数据，如果是，则清空缓冲区，并解析该数据，确定待接收的数据长度，分配对应大小的内存，然后转入步骤2，如果不是，则转入下一步继续处理；

步骤3.4、判断收到的激励信号命令是否是声波激励信号数据，如果是，则解析该数据，确定数据的序号，并将其放置到缓冲区的对应位置，然后转入步骤2；如果不是，转下一步继续处理；

步骤3.5、收到的激励信号命令是否是激励信号尾标志数据，如果是，将缓冲区标志置1，然后向地面数据处理系统发送接收成功标志，并转入步骤2；如果不是，转下一步继续处理；

步骤3.6、判断接收到的激励命令是否是开始探测命令，如果是，发送激励信号缓冲区的数据至数/模转换器，激发发射探头发出预定模式的波信号，同时启动模/数转换器采集土壤介质返回的信号，并将其存入接收响应信号缓冲区。

16.如权利要求1所述的水平导向钻随钻探测预警系统，其特征在于，所述的地面信号处理与预警显示系统包含计算机，与该计算机通过USB总线连接的USB控制器，分别与该USB控制器连接的第二数据接收器，第二数据发送器和现场可编程门阵列逻辑控制电路，连接第二数据接收器的第三耦合电路，连接第二数据发送器的第四耦合电路，分别连接该第三耦合电路和第四耦合电路的第二自适应均衡电路，以及连接该第二自适应均衡电路的第二变压器。

17.如权利要求16所述的水平导向钻随钻探测预警系统，其特征在于，所述的第二数据接收器是采用Hotlink总线的Hotlink数据接收器。

18.如权利要求16所述的水平导向钻随钻探测预警系统，其特征在于，所述的第二数据发送器是采用Hotlink总线的Hotlink数据发送器。

19.如权利要求1所述的水平导向钻随钻探测预警系统，其特征在于，所述的地面信号处理与预警显示系统的具体工作流程包含以下步骤：

步骤1、地面信号处理与预警显示系统进行初始化设置和自检；

步骤2、自检通过后，地面处理计算机根据用户要求生成宽频激励信号，该激励信号可以包括线性扫频信号、非线性扫频信号和M序列信号等几种类型；

步骤3、地面处理计算机向地下随钻探测系统发出电缆检查命令，然后进入数据接收准备状态；

步骤4、判断第二数据接收器接收到的数据类型，并进行相应的数据处理。

20.如权利要求19所述的水平导向钻随钻探测预警系统，其特征在于，所述的步骤4具体包含以下步骤：

步骤4.1、第二数据接收器如果接收到的数据是电缆检查数据，将接收数据与预定的电缆检查代码比较，如果通过，说明数据通信电路工作正常，进入下一步处理；如果不正常，继续发送电缆检查命令，如果一直不能通过，需关机检查；

步骤4.2、地面处理计算机发送激励信号数据直至所有激励信号发送完毕，进入数据接收准备状态，并将接收到的数据进行解析，如果是电路检查数据，转步骤4.1处理；其他，则转下一步；

步骤4.3、第二数据接收器如果接收到的是响应信号头数据，则将接收到的数据进行解压缩，并存入对应缓冲区中；转下一步处理，如果是其他，则继续进入数据接收准备状态；

步骤4.4、第二数据接收器如果接收到的响应信号尾部数据，则调用目标位置解算程序，对土壤特性进行分析，确定是否存在障碍物或现存管线；当存在障碍或现存管线时，发出声音和指示灯报警。

21.如权利要求20所述的水平导向钻随钻探测预警系统，其特征在于，步骤4.4中所述的目标位置解算的具体步骤包含：

步骤4.4.1、对接收到的响应信号进行转换，接收到的数据是12位二进制数据，将其转换为真实的电压信号数据；

步骤4.4.2、对步骤4.4.1得到的数据进行预处理，消除直流偏置；

步骤4.4.3、对接收到的两路探测信号进行快速傅里叶变换，利用傅里叶进行互谱计算，提取相位差信息；

步骤4.4.4、进行傅里叶变换后，信号相位被压缩在-180°和180°之间，相位发生缠绕，对其进行展开；

步骤4.4.5、根据得到的真实相位信息，确定两路探测信号之间的传输延迟，这种延迟与频率相关，即提取信号的频散特性；

步骤4.4.6、受带宽限制，频散特性数据在某些频率点上是无效的，对其进行拟合；

步骤4.4.7、根据拟合的频散曲线，确定频散曲线的突变区或拐点，拐点的位置即为可疑目标点的位置；

步骤4.4.8、根据步骤4.4.7中得到的拐点位置，与初始化设定的报警阈值比较，如果在危险区，则系统开始报警。

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