新型水下發(fā)射功率自調整的定向鉆傳感器

蔣 哲 王曉朋 周東榮 周怡和

（交通運輸部上海打撈局，上海 200090）

0 背 景

利用非開挖水平定向鉆在海水中進行施工作業(yè)可以用來進行線纜鋪設、沉船打撈等，其中無線控向因為其操作簡單、施工時間短所以經(jīng)常被選用做水平定向鉆施工的輔助導向方法。無線控向時選擇合適的探棒發(fā)射功率是比較重要的，要兼顧施工的最大深度和施工所花費的時間長度；在海水中施工和在陸地上施工不同的是，在海水中施工時可以通過檢測探棒當前的水壓，來計算當前位置與水平面位置的距離，就可以讓探棒根據(jù)當前的實際深度來自動調節(jié)其發(fā)射功率，深度大時選擇大的發(fā)射功率，深度淺時選擇小的發(fā)射功率，這不僅有利于某次的施工，而且針對不同的施工環(huán)境，都不用再刻意的去選擇或者定制新探棒，是一種比較合理的適用于海水施工的探棒工作模式。

針對這種海水施工探棒需求，關鍵的一點是要建立好所選頻率的電磁波在不同介電常數(shù)海水中的傳播規(guī)律模型并進行參數(shù)的計算，當模型建立起來后，就可以根據(jù)實際的探棒工作深度來進行發(fā)射功率調整，使探棒在不同海水深度都可以滿足海平面上的接收機對信號的接收要求；文獻[1]建立了海水中電磁波的麥克斯韋波動方程，使用分離變量法和雙重貝塞爾函數(shù)法求解了海水中磁場的傳播模型；文獻[2]通過建立海平面和海底的磁場關系，建立了磁場在海水分層結構中的衰減關系；文獻[3]建立海-空交界面的磁場透射模型，進行了仿真和參數(shù)識別，并進行了設立中繼節(jié)點增大傳輸深度的嘗試。

1 解決問題的方法

傳統(tǒng)的理論分析模型都是建立了復雜的數(shù)學公式，這些公式計算復雜，參數(shù)很難的得到解算，在具體工程實踐上很難應用。因此，我們在考慮理論模型的基礎上，選擇簡化的、可使用性強的模型；通過前邊參考文獻的分析，我們確定磁場的傳播和距離、海水的介電常數(shù)、電導率、磁導率等相關，這樣我們建立以下兩個模型公式：

（1）Dx=K*(A3/Ax)'(1/a)+b：電磁波信號值的傳輸距離計算公式。其中Dx為實時距離，A3 為探棒在海水中3 m 時的信號值，Ax為探棒在Dx距離處的信號值，k為增益值，a為衰減值，b為偏置；當某一海水確定后，k,a,b即為確定值。

（2）a=f(e)，衰減值和介電常數(shù)的函數(shù)關系，此關系一般為比較復雜，包括海水中的流動，趨膚效應等，但是實際實踐時，我們采用多點計算后的插值法來進行近似處理。

建立好以上兩個模型后，要進行模型參數(shù)的測定。針對某一個海水介電常數(shù)值e0，我們采用以下方法：將探棒放入海水中記錄A1,A2,A3 一直到A10,通過matlab 的擬合可以近似計算出k0,a0,b0,此處我們將k0,a0,b0記做a0;同樣的方法在介電常數(shù)為e1 時，可以得出a1；取得n 組(e,a)對應關系后，可以通過曲線擬合，得出介電常數(shù)和模型參數(shù)的對應關系a=f(e)。

2 產品設計和調試

（1）根據(jù)探棒要實現(xiàn)的功能，設計硬件結構如圖1 所示。

圖1 功率自調整探棒硬件框圖

包括檢測水深的水壓傳感器、檢測水質介電常數(shù)的傳感器、檢測姿態(tài)的加速度傳感器、將采集信息以電磁波的形式進行發(fā)射的調制電路和天線，電池一般選用動力鋰電池，放電能力強，MCU 選用耐高溫的32 位高性能芯片，調節(jié)發(fā)射功率時使用其先進的PWM 管理功能。

（2）完成電磁波海水模型建模和參數(shù)識別后，存儲到MCU 的掉電保存區(qū)，以便后續(xù)使用，軟件上設計探棒的具體工作流程為：將發(fā)射功率從最小到最大分為m 檔，初始在空氣中上電時的功率為最小檔1 檔，接收機能解析的最小幅值為經(jīng)驗設定值Amin，以上的參數(shù)測試都是出廠時測定；具體施工時將探棒傳感器放入鉆頭后進行空氣中的3 m 標定,記錄3 m 時的信號幅值為A3；工作室探棒將根據(jù)水深和介電常數(shù)自動調整發(fā)射功率，讓發(fā)射到接收機的幅值始終大于最小可工作幅值，讓施工順利進行；調整發(fā)射功率的流程如圖2 所示：

圖2 探棒發(fā)射功率自動調整框圖

（3）產品實物圖

自調整探棒一方面包含的傳感器多，另一方面要將功率做大，以覆蓋更大使用范圍，產品實物見圖3。

圖3 自調整探棒和普通探棒的比較

3 取得的有益效果和結論

定向鉆的施工過程一般分為3 個階段：鉆頭深度逐漸加深階段、鉆頭到達指定深度后調平鉆進階段、鉆頭快要到達指定目標時深度逐漸減小直到出土階段。傳統(tǒng)方法為了保證在最大深度時依然能夠工作，必須全程將整個傳感器設置在最大發(fā)射功率，這樣造成了功率的浪費。本文所述的傳感器可測算低頻磁場信號在不同介電常數(shù)水中的距離衰減規(guī)律，從而可很方便計算出傳輸距離，并根據(jù)介電常數(shù)和水深，動態(tài)調整發(fā)射功率檔位的規(guī)則，并且自動完成調整，讓接收機的使用者感覺不到功率的改變，在維持正常工作的同時，節(jié)省功耗，大大延長傳感器作業(yè)時長。