地下管线是城市基础设施的重要组成部分，它就如人体内的“神经”和“血管”，日夜担负着传送信息和输送能量的工作，是城市赖以生存和发展的物质基础，被称为城市的生命线。作为一种现代高新岩土技术，非开挖技术也在铺设地下管线中得到越来越广泛的应用。该技术是指在不开挖或少开挖地表的情况下，利用地质工程的技术手段，铺设、修复或更换各种地下管道和电缆的一种实用新技术。 在非开挖铺管工程中，导航仪是其中关键的技术硬件。只有通过导航仪，人们才能够准确地知道当前地下钻头的深度和位置、钻头的俯仰角、导向钻具的面角，而这三个参数是控制非开挖铺管导向钻进，使其按人们预定轨迹前行的重要参数。该仪器主要由地下探头、地面接收仪和钻机同步显示器三部分组成。工作时，置于钻头内的探头将钻头所处的位置和工况状态等参数，通过无线信号发射给地面接收仪，操作人员根据所接收的信号参数，及时修正和更改当前的操作，以保证钻头按照设计的线路完成施工。 目前，美国、英国等少数发达国家对于非开挖导航仪的研究处于国际领先地位。而我国在该仪器的研制上，无论是参数检测原理，还是参数检测技术或手段，都与国外仪器存在较大差距。因此，本课题作为钻探检测技术中的一个分支和前沿课题之一，具有极大的挑战性。为了设计一个精度高、可靠性好、实用性强的非开挖导航仪系统，并对无线近地表通讯系统的发展进行探索性的研究，本论文在充分分析非开挖导向钻进时的特殊条件和导航仪随钻实时检测的特点的基础上，介绍了导航仪各部分的系统构成，选择了合理的检测技术方法，并针对几个具体的参数(倾角、面向角、电量)，分析了其参数检测原理和参数检测传感器的选择或创新。另外，本文结合导航仪研究的重难点问题，包括：微弱信号传输系统，微弱信号处理系统和导航仪定位定深原理与方法，进行了论述。结合该课题的研究，本论文的主要内容是： 一、从介绍非开挖技术和导航仪入手，介绍了目前国内外导航仪的研究现状，论述了本课题的背景来源和该课题研究的重要意义。 二、在分析导航仪整体构成的基础上，从传感器测试原理的角度出发，研究了钻头倾角、工具面角、电池电量、温度等状态参数的检测原理，在满足地下导航仪工作要求的前提下选取合适的传感器，或进行传感器的创新性研究。对于倾角，选取了重力加速度传感器3140，通过其在空间姿态变化时会产生不同的垂直加速度分量原理进行测量，并对传感器温度补偿、量程迁移、安装精度等进行了分析；对于面角，利用光电二极管光照下的开关特性，研制了新型的十二分度面角传感器，较好的达到地下导向钻头对工具面角传感器的要求。 三、在分析国内外信号传输系统研究现状的基础上，研究了适用于非开挖导航仪无线传输的信号传输系统。理论与实践证明：在一定介质中，电磁波传播的距离和衰减特性是与其发射频率紧密相关的。我们选择的载波频率为8.192KHz，该频率地层穿透力强、衰减小、抗外界干扰能力强，且能携带有效信息量(满足一定波特率)。分析了发射天线部分的特点，通过调整磁棒类型、长短，绕制铜丝的粗细、匝数，设计了性能良好的发射天线系统，通过设计合理的功率放大部分加大发射功率，从而达到信号发射的最佳效果。通过分析信息传输系统的信噪比，自行设计了振幅键控(ASK)的编码方式。这种编码方式码时通时断，当波特率达到150bit/s或以上时，码的粘连多，解码后的误码率偏高。经过大量实验，地下探头发射信号的波特率选择在70-120bit/s之间。这种编码组合方法在自行设计的仪器硬件特色的基础，保证了正确解码，并同时满足了各参数检测的要求。 四、分析了微弱信号的处理方法。微弱信号处理可以分为两部分：模拟部分和数字部分。模拟部分处理方法包括前置放大处理、滤波处理、混频处理、程控增益放大处理、调制解调处理等，数字部分主要是指单片机智能系统，对经过模拟部分处理后的规则码型信号进行解码，得到地下钻探信息。研究设计了放大、滤波、混频、程控增益等硬件电路，得出规则码型后，以ATMEAL128为核心，以C语言为基础编制了单片机系统软件，设计了单片机智能系统，实现功能有：对接收的码型数据进行解码，对电池电量和深度两路模拟量进行A/D转换，控制液晶进行实时显示，响应键盘的人工干预信号，完成频率增益变化、存储信息等功能，提供高精度时钟基准信号，并控制双串口进行不同波特率的接收和发送。五、在研究管线探测仪器的基础上对导航仪定位、定深方法进行研究。分析了目前最常用的“信号极值”法和“两点一线”法的定位原理和方法。从地下电磁场分布原理入手，分析了测量磁场的水平分量Hr、测量磁场的垂直分量Hz、测量磁场的45°角分量H45l和H45τ和测量磁场水平分量垂向差值△H=△Hτmax四种定位方法，并对四种定位方法进行了评估，最终选择了水平分量Hr的测量方法。 六、通过总结，本文最后提出了使研究工作进一步深入的几点建议包括加强地下信号通讯系统理论研究探索、提高系统稳定性、利用PC机软件对数据进行分析处理等。