CN101397906A - 使用两个水平移位测量点的定位器 - Google Patents

Abstract

使用两个水平移位测量点的定位器，利用两个水平移位的三维天线确定磁场源位置。在优选的实施例中，两个三维天线被设置在接收器支架的相对两端。每个天线三维地检测来自磁场源或发射器的磁场。接收器被保持在水平面内且接收器在水平面内被移动直到在两个点中的每一处所测得的磁通角均为零为止以使得接收器处在正交于磁场源的轴的垂直面内。利用测得的磁场数据确定磁场源相对于接收器的三维深度和位置。接收器被沿由包含接收器的两个点的直线所确定的方向移动直到在两个点中的每一处所测得的磁场大小基本相同以使得接收器位于磁场源上方为止。

Description

使用两个水平移位测量点的定位器

技术领域

本发明整体上涉及定位地下目标的领域，并特别涉及在操作卧式钻床的领域内定位和追踪信号或发射器。

背景技术

水平定向钻孔(HDD)工艺通常使用循踪(walk-over tracking)技术来跟踪钻孔或设施安装过程，以迅速发现钻头或回拉扩孔钻头正上方的表面位置，并确定钻头或回拉扩孔钻头距离该表面位置的深度。主要的追踪工具是地下发射器和手持式表面接收器。设置在钻孔工具或回拉扩孔钻头内或与其非常接近的发射器通常发射出由单线圈偶极天线制造出的偶极磁场。发射出的偶极磁场可以同时被用于定位和与上方的地面接收器进行通信。

常规的接收器通常包含一个三天线装置，三个天线安装在三个直角坐标轴中的每一个上。当天线装置测量到偶极磁场时，每个天线的输出正比于沿特定天线的轴向测量的磁通密度的大小。数学分析来自天线的信号以提供关于钻孔工具相对位置的信息。定位偶极磁场，并由此定位钻孔工具的方法通常包括两步：沿z轴(纵向)确定其位置然后沿y轴(左右)确定其位置。本领域普通技术人员应该理解接收器能够利用在正交于所述表面并通过发射器轴延伸的垂直面(x-z平面)内测量的发射器生成的水平和垂直磁场分量的振幅和相位而沿纵向方向(沿z轴)定位发射器。在发射器并未处于水平面内因此发射器的斜度不为0的情况下，发射器的确定位置可能在接收器正下方也可能不在接收器正下方。接收器也能够利用在水平面(y-z平面)内的偶极磁场的振幅和相位而沿左右方向确定单个发射器的位置。但是，左右方向的确定只能在发射器前方或者后方使用，因为当接收器处于发射器正上方时(使得z＝0)对于偶极磁场来说没有y分量。目前没有满意的方法可以在天线装置位于发射器正上方时同时沿纵向和左右方向定位发射器。

发明内容

本发明涉及一种用于追踪地下磁场源的方法。该方法包括将接收器组件保持在基本水平的平面内，在接收器的两个不同点中的每一处同时三维地检测来自磁场源的磁场，在水平面内移动接收器，直到在两个点中的每一处所测得的磁通角均为零为止，然后利用测得的磁场数据三维地计算磁场源相对于接收器的位置。

本发明进一步涉及一种用于确定磁场源位置的接收器系统。接收器包括支架和处理器，支架包括把手，两个且仅仅两个由支架支撑并适用于检测来自磁场源的磁场的三维天线，处理器适用于从两个天线组件中的每一个接收天线信号并利用天线信号确定磁场源相对于支架的位置。支架适用于在用把手手持支架时将两个天线保持在基本水平的平面内。

在一个可选实施例中，本发明涉及一种用于检测来自磁场源的信号的接收器系统。接收器包括支架，由支架支撑并适用于检测来自磁场源的磁场的至少一个天线组件，适用于从至少一个天线组件接收信号并输出第一滤波信号的第一滤波器组件，适用于从至少一个天线组件接收信号并输出第二滤波信号的第二滤波器组件，和适用于分别从两个滤波器组件接收第一和第二滤波信号并确定关于来自磁场源的磁场的数据是否已被传送的处理器。第一滤波器组件包括至少一个窄带滤波器。第二滤波器组件包括至少一个宽带滤波器。

而本发明的另一种应用涉及一种用于引导钻孔工具组件向目标移动并经过目标的方法。该方法包括将包含位于基本水平的平面内的两个天线组件的接收器组件设置在目标位置，在两个天线组件中的每一个处同时三维地检测来自钻孔工具组件的磁场，然后利用通过两个天线组件测得的磁场计算钻孔工具组件在包含钻孔路径的竖直平面内的位置。接收组件被定位成使得两个天线组件均位于钻孔工具组件的预定钻孔路径上。

附图说明

图1是根据本发明构建的用于钻出水平钻孔的水平定向钻孔系统和追踪系统的示意图。

图2是根据本发明构造的接收器组件的透视图。

图3是用于本发明的天线组件部分切除后的透视图。

图4是构造用于检测和处理由钻孔工具发射的信号的便携式区域监测系统的方块图。

图5是示出了用于提高发射器定位精度的方法的流程图。

图6是一种发射器和倾斜的接收器之间关系的几何表示。

图7是另一种发射器和倾斜的接收器之间关系的几何表示。

图8是用于另一种接收器使用方法的接收器和发射器之间关系的示意图。

图9是在图8的方法中使用接收器时用于接收器显示的优选实施例的示意图。

具体实施方式

下面整体上参照附图，特别是参照附图1，在其中示出了本发明中使用的水平定向钻孔系统(“HDD”)系统10。图1通过演示能够不影响地上结构也就是用附图标记14表示的车行道或人行道而钻出钻孔12来说明水平定向钻孔的有效性。为了刺出或钻出钻孔12，带有钻头18的钻柱16通过旋转驱动系统20被旋转驱动。当HDD系统10被用于钻出钻孔12时，监控钻头18的位置对于钻孔的准确定位和随后的设施安装来说至关重要。本发明涉及一种用于在水平定向钻孔操作期间追踪和监控钻孔工具组件24的系统22和方法。尽管本发明被示出用于钻孔系统中，但是本发明也可以等价地应用于回拉扩孔操作，在该操作中钻孔被放大并准备用于所需设施的安装。

本发明的HDD系统10适用于在地下，例如在车行道14，建筑物，河流或其他障碍物下方，基本水平地设置服务设施。HDD系统10中使用的追踪系统22特别适用于提供钻孔工具组件24的准确的三维位置。本追踪系统22的定位和监控操作在其可以用单次移动或最小的协同移动而成功到达钻头18的上方位置方面是有利的。本发明相关的上述和其他优位置将通过下面对优选实施例的介绍而变得显而易见。

继续参照图1，HDD系统10包括通过钻柱16有效连接至钻孔工具组件24的钻床28。钻孔工具组件24优选地包括钻头18或其他定向钻孔工具，和电子装置30。电子装置30包括发射器32，或磁场源，用于发射穿过地面的信号。优选地发射器32包括发射出偶极磁场的偶极天线。电子装置30还可以包括用于检测钻孔工具组件24和钻头18的操作特性的多个传感器34。多个传感器34通常可以包括的传感器例如测量钻头18的滚动位置的滚动传感器，测量钻头斜度的斜度传感器，电子装置30内测量温度的温度传感器，和指示电池状态的电压传感器。多个传感器34所检测的信息优选地来自钻孔工具组件24上通过发射器32使用调制或其他公知技术发射的信号。

下面参照图2，示出了本发明的追踪系统22的优选实施例。追踪系统22包括接收器组件36。接收器组件36包括支架38，计算机处理器40，以及由支架支撑的第一和第二天线装置41和42。处理器40由支架38支撑并有效连接至天线装置41和42。支架38优选地为轻质结构并能够由操作人员利用把手44携带。在优选的实施例中，接收器组件36还包括视觉显示屏46和用于给接收器组件的各个部分供电的电池48。视觉显示屏46可以适用于提供追踪系统22相对于钻头18或发射器32的视觉描述，以及其他对操作人员来说有用的信息。接收器组件36还可以包括用于将信息从接收器组件发射到钻床10或其他远程系统(未示出)的发射天线(未示出)。

天线装置41和42被支撑在支架38上并以已知的距离和已知的相对位置被彼此分隔。优选地，天线装置41和42被设置在支架38上以使得当支架被保持在基本水平的平面内时，天线也将平躺在水平面内。更优选地，天线被以30英寸的距离彼此分隔。更优选地，支架38可以在天线装置41和42之间确定一个轴。本领域普通技术人员应该理解天线之间的距离或跨度越大，所能够提供的分辨率和精度就越高。也可以使用其他的接收器结构，只要天线装置41和42能够在每个支架38上的天线安装位置处的直角坐标系中分离出磁场即可。

天线装置41和42中的每一个都优选地为三维天线。更优选地，天线41和42适用于在其各自的支架38上的位置测量总磁场。优选地，每个天线41和42都包括三个正交的天线以沿其特定的灵敏度轴测量磁场。由三个正交天线所测得的每一个信号被平方，相加，再开平方之后即可获得总磁场。该计算假定每个天线的灵敏度相同且每个天线的中心与另外两个天线的中心重合以使得天线装置是在空间中的某单个位置处测量总磁场。测量和计算还被简化为天线41和42相对于彼此以同样的方式被定向和排列。但是，如果天线41和42并不是指向同一方向，也可以对计算进行修正(adjustment)以补偿排列的差异。

下面参照图3，图中示出了本发明中使用的天线41或42的优选实施例。天线42包括针对三个接收线圈54a，54b和54c中的每一个界定出三块面板52的支撑结构50。支撑结构50优选地由轻质塑料制成并以使三块面板52均在尺寸上相同的方式加工。更优选地，支撑结构50具有基本为立方体的形状且三块面板52中的每一块都界定出具有中心点的矩形有孔区域。更优选地，面板52是互相正交定向的以使得中心点重合。由于面板结构，线圈54也都具有重合的中心点，且其灵敏度也都基本相同。适合在本发明中使用的天线装置被更完整地公开在共同受让的申请号为11/382,644的美国专利申请中，在此以参见的方式引入其内容。本领域普通技术人员应该理解三维天线41和42的其他实施例，例如铁氧体棒形天线或印刷电路板也都可以被使用。

下面参照图4，示出了本发明的接收器组件36的优选实施例的方块图。天线装置41和42，如前所述，测量来自源发射器32的磁场的变化。检测到的磁场变化会导致响应于发射器32磁场的感应电压。来自天线41和42的电压被送至滤波器60和放大器62。滤波器60消除由天线41和42从局部噪声源接收的其他信号的影响。放大器62增大由天线41和42接收的信号。A/D转换器64被用于将模拟的波形信息转化为数字数据。

来自A/D转换器64的数字数据随后被送至中央处理器66(CPU)以计算发射器32相对于接收器组件36的位置。CPU 66可以包括数字信号处理器(DSP)和微控制器。CPU 66解码来自A/D转换器64的信息并用下面将要介绍的方式进行计算以确定发射器的位置。CPU 66还可以辨别磁场中发出的信息，以确定电池状态，斜度，滚动，以及关于钻孔工具组件24的其他信息。

接收器组件36也可以包括用于测量关于接收器组件36的操作信息的一个或多个传感器68。例如，一个或多个加速计，或者其他公知的斜度和定向传感器或者磁罗盘，可以提供关于接收器36的滚动位置或斜度的信息。来自传感器68的信息被送至A/D转换器64，在此DSP可以进行计算以对接收器36未被精确地保持在水平面内进行补偿。

在优选的实施例中，接收器组件36进一步包括具有多个按钮，操纵杆和其他输入装置的用户界面70。操作人员可以通过用户界面70输入信息供CPU 66使用。通过用户界面70输入或者由CPU 66确定或使用的信息可以在视觉显示屏72上显示给操作人员。接收器组件36还包括用于将信息从CPU 66传送到远程单元例如钻床10的无线电天线74。

接收器36优选地通过电池组件76和功率调节系统78供电。电池组件76可以包括多个C-电池型号的电池，不过也可以考虑其他的电源例如可再充电电池，太阳能电池或燃料电池。功率调节系统78可以包括线性调节器或开关模式调节器以给接收器36的各个部件供电。

本发明还给出了一种用于提高通过天线41和42接收的通信和信号的精度和处理效果的方法和滤波器装置。一种来自发射器32的信息通信的优选方法是开关键控(“OOK”)通信和差分相移键控(“DPSK”)通信的结合。在优选的方法中，同步序列包括短时间地关闭来自发射器32的信号。接收器36优选地被编程用于将本方案中的“关闭”时间识别为同步周期并给接收器提供测量噪声基底的机会。“关闭”时间优选地是足够接收器36测量噪声基底的时间。本通信方案的比特率优选地非常接近于从发射器32传送数据所需的最优比特率。随后，优选地使用传统的DPSK通信以将信息从发射器32传送至接收器36。本通信方案由于具有同步周期特点的发射器32一直向接收器36发射信号且接收器能够因此基本连续地定位发射器而更加有利。

利用本发明的通信方案发射的示例应该包括一个持续1秒钟的信息包。该信息包优选地以一个50ms的时段开始，在此期间发射器并不发射而处于“关闭”状态。然后发射器32被打开50ms的时段，在此期间不允许相移以使得相位基准可以被接收器36生成并辨识。随后，优选地在60bps下使用DPSK以有效发送剩余的54位信息。接收器36优选地将信息包解析为10个6位的非零字符。更优选地，第一个6位字符被作为同步序列处理，接下来的9个6位字符是数据。用于这些字符的协议可以用任何便利的方式构建以发射例如滚动位置，斜度，温度等信息。

在通信和发射来自发射器32的信息的另一种方法中，钻孔工具组件24的旋转被停止且工具组件和发射器被保持在恒定的滚动位置(rollposition)上。优选地，工具组件24和发射器32被旋转至预定的倾侧角并允许保持固定一段预定时间。更优选地，发射器32被允许保持固定至少五秒钟。如果发射器32保持预定的倾侧角(roll angle)一段时间，发射器32即可被编程为停止通信和发射未调制的简单载波信号。当发射器32被再次旋转时，调制信号的信息通信即被恢复。可选地，当发射器32被保持在恒定的滚动位置时，发射器可以发送未调制的滚动位置信号。未调制信号将向接收器36表明在发射未调制信号时可以更准确地进行深度测量。接收器36还可以调节滤波器特性以在发射未调制信号期间改变针对接收信号的频率响应。

为了改善对来自发射器32的信号的接收和检测，接收器36包括设置在处理器66内的数字信号处理(“DSP”)滤波器79(如图4所示)的两个平行组。尽管这里介绍的是软件实现的DSP滤波器，但是本发明也可以使用硬件实现的滤波器。第一组滤波器79a优选地包括宽带滤波器。第二组滤波器79b优选地包括窄带滤波器。窄带滤波器79b优选地具有大约10Hz的带宽。宽带滤波器79a优选地具有125-200Hz的带宽范围，并被用于从调制信号中解码信息和进行用于定位发射器32的计算。当发射器32仅发射一个载波信号时，发射器位置的确定只基于窄带滤波器79b的输出。当发射器32开始通信且宽带滤波器检测到发射的信号时宽带滤波器79a将再次被用于定位。宽带滤波器79a可以被用于验证通信，忽略随即的噪声和辨识同步字符。

下面参照图5，图中示出了表示由处理器66使用多个DSP滤波器79a和79b的流程图。来自发射器32的信号如图所示在400处到达滤波器。信号由窄带滤波器79b在402处接收和由宽带滤波器79a在404处接收。窄带滤波器79b仅在406处更新定位数据。宽带滤波器79a在408处更新定位数据并在410处解码信息。如果在412处发现解码信息已存在，那么接收器36内的处理器66就会认识到应该在414处使用408处的来自宽带滤波器79a的定位数据。如果在412处未发现对应信息，那么处理器66就在414处使用406处的来自窄带滤波器79b的定位数据。本领域普通技术人员应该理解如本文所述使用两组滤波器带来的好处是移除了更多的信号噪声从而提高了定位测量的精度。

本发明中的接收器组件36使用来自天线装置41和42的磁场测量值来直接移动接收器。通过适当的移动，接收器36可以在三维(3-D)空间内相对于接收器准确地定位发射器32。每个天线装置41和42在任何位置都能够获得三个可辨识的正交磁场分量。在上述的优选实施例中，每个装置41和42中的三个天线提供这些磁场测量值。

接收器组件36可以被用于在三维(3-D)空间内定位发射器32。当处于发射器32的区域内时，接收器36被用于通过使用在天线41和42处测量的磁通角来发现发射器平面(y轴，其中z＝0)。当天线41和42处的磁通角均为0时，接收器36即位于发射器平面内且发射器32相对于接收器的位置即可被确定。本领域普通技术人员应该理解磁通角测量值为0表明天线41和42处的磁通角与发射器32相对于水平面的斜度相同；表明接收器36处于发射器平面(y轴，其中z＝0)内。优选地，发射器32的位置被发射器确定在x-y-z坐标系的原点处。为了本发明的目的，z轴被指定为沿发射器32的轴向，y轴被指定为垂直于发射器轴向的水平轴，而x轴被指定为垂直于发射器轴向的垂直轴。因此，z轴是纵向量度，y轴是左右量度，而x轴是深度量度。

在优选的实施例中，并且特别是在操作人员对于钻孔工具24和钻孔路径12的位置已有大体概念的情况下，按如下方式使用接收器36。接收器组件36被保持为使天线装置41和42之间的轴基本垂直于预估的钻孔路径12。优选地，尽管可以用计算来补偿接收器的任意斜度，但是接收器36还是被保持在基本水平的平面内。更优选地，接收器36可以被允许偏离水平面不超过20度(20°)。接收器36随后被沿预估的钻孔路径12推进直到相对于每个天线41和42的磁通角测量值均为零(0)为止。

接收器36处于发射器32平面内时，发射器32相对于接收器的位置即可利用图6中的几何关系和公知的方程式而被确定。例如根据测量值和计算值，操作人员可以得到接收器36到发射器32正上方位置的左右偏移距离。接收器36也可以被左右移动直到由天线41和42测量的总磁场相等为止。当由天线41和42测量的总磁场相等且相对于每个天线41和42的磁通角测量值均为0时，接收器36即被定位在发射器的正上方(在此y＝z＝0)。确保零场测量值(沿x轴测量的磁场测量值)为0且总磁场测量值被最大化的接收器36的重复小幅移动能够允许更准确地指示发射器32的位置。当接收器36位于发射器正上方时，能够对发射器32深度进行准确的确定。在优选的实施例中，天线41和42的信号状态或大小通过显示屏72被告知操作人员。天线41和42的信息可以以数字形式或者用其他的图像技术例如虚拟气泡水平仪进行通信。

如上所述，接收器36可以包含传感器68来负责测量接收器的倾角(tilt)或斜度(pitch)并能够计算β。计算还可以被用于补偿发射器32的斜度。而且，如上所述，当发现天线41和42处的总磁场大小相等时则y值为0。但是，本领域普通技术人员应该理解如果磁场不平衡或者如果接收器36在后续步骤中被轻微移动则y值仍将由几何关系决定。

接收器36相对于发射器32的位置可以通过直接求解磁场方程获得。用于本系统的磁场方程是：

$B_{r,i}=k\·\frac{\sqrt{{3z}_i^2+r_i^2}}{r_i^4}$ 和

$B_{x,i}=3k\·\frac{x\·z_i}{r_i^5},$ 其中 $r_i^2=x^2+y_i^2+z_i^2.$

参照图7，示出了y_i和z_i之间的关系，我们有以下方程式：

$y_1=y+\frac{L}{2}\·\cos \left(\mathrm{\γ}\right)$     $z_1=z+\frac{L}{2}\·\cos \left(\mathrm{\γ}\right)$

$y_2=y-\frac{L}{2}\·\cos \left(\mathrm{\γ}\right)$     $z_2=z-\frac{L}{2}\·\cos \left(\mathrm{\γ}\right)$

下面可以求解该方程组以确定发射器32相对于接收器36的位置。在求解方程时，可以发现y和z的符号的不稳定。但是，这些符号的不稳定可以通过调整接收器36以确定是哪个天线装置在检测最大的总磁场大小而被发现。如果接收器36被沿z轴调整，磁场大小读数可以被用于确定接收器是在发射器32的前面还是后面。沿y轴调整接收器36，磁场大小读数可以被用于确定接收器是在发射器32的左边还是右边。该信息可以被提供给接收器36以使得能够进行正确的计算。可选地，一种使用接收器36的程序可以被禁止以表明何时将接收器保持在y轴或z轴上从而使接收器能够确定上述方程组中y和z的正确符号。

本发明还包括一种用于针对发射器32校准接收器36的新技术，其中需要用到校准常数k。优选地，接收器支架被设置在底面上使天线41和42之间的轴垂直于(沿z＝0的平面)发射器32的轴。从发射器32到接收器36设置位置的距离不需要被明确规定。随后通过天线41和42进行磁场测量。利用公知的磁场方程式和已知的天线之间的距离，即可确定常数k以在后面的测量中和接收器一起使用。

如果天线41和42都垂直于发射器32的轴并相隔一定的距离L，那么在每个天线杆处测得的磁场可以被写作：

$B_n=\frac{k}{d^3}$ 和 $B_f=\frac{k}{{(d+L)}^3},$

其中B_n是在距离发射器最近的天线处测得的磁场而B_f是在距离发射器最远的天线处测得的磁场。从最近的天线41或42到发射器32的距离d可以利用下面的方程求解：

$\frac{L\sqrt[3]{\frac{B_f}{B_n}}}{(1-\sqrt[3]{\frac{B_f}{B_n}})}=d$

随后通过再次使用磁场方程即可算出用于B_n或B_f的常数k。

在一个可选实施例中，即使发射器或钻孔路径12的大致位置是未知的，本发明的接收器36仍然可以被用于发现发射器32的位置。为了在这种情况下定位发射器32，首先在水平面内旋转接收器36直到在每个天线41和42处接收到的信号强度相同为止。随后将接收器36旋转90°并沿有天线装置41和42之间的轴确定的方向移动直到在每个天线41和42处接收到的信号强度再次相同为止。在该位置，接收器36就大致是位于发射器32上方的位置，且上述在发射器的位置和钻孔路径12大致已知时用于定位发射器的过程即可被用于精确定位发射器。

因此本发明可以被用于利用来自多个天线装置41和42的磁场测量值和上述的过程以及方程式来识别接收器36相对于发射器32的精确坐标。优选地利用视觉显示屏72将关于发射器32位置的信息提供给操作人员。本文中介绍的方法允许接收器组件36被用于迅速准确地定位钻孔工具组件24和发射器32，只需很少几个步骤和简单的计算即可。

下面参照图8，示出了使用本发明的一个可选实施例。在这个可选实施例中，接收器36被设计用作钻孔工具组件24的目标。如图8所示，接收器36被在地面上设置在工具组件24前方的目标位置。优选地，接收器36被设置成使得每个天线装置41和42都位于期望的钻孔路径12上。利用由接收器36提供给操作人员使用的信息，操作人员可以指引工具组件24以钻孔到达或者经过设置接收器的位置或者由接收器确定的位置，例如位于接收器下方特定深度的位置。利用接收器36作为目标还可以用于在工具组件沿障碍物例如建筑物，河流，或道路下方的推算定位路线行进，不可能进行钻孔路径的精确追踪的情况下引导钻孔工具组件24到达期望位置而证明是有利的。

提供给操作人员的信息优选地包括左/右操作引导，当前深度(x_c)，在设置接收器36的目标位置处的预定深度(x_p)，和距离接收器的水平偏移距离(z₀)等。为了确定左/右方向，可以使用由天线41和42测得的磁场磁通角。利用提供给操作人员的信息，操作人员可以沿磁通角的方向指引工作组件24且该组件可以开始向包含接收器的垂直平面行进，并因此向钻孔路径12行进。

利用图8所示的几何关系，钻孔工具组件24在包含钻孔路径12的垂直面内的位置可以被计算出来并提供给操作人员。钻孔工具组件24的位置优选地包括钻孔工具组件的深度(x_p)和钻孔工具组件的水平偏移距离(z₀)。优选地，接收器36可以假定钻孔工具位于期望钻孔路径12的垂直面内，从而使计算更简单且位于合理的精度范围内。可以使用下面的公式来提供所需的信息：

利用：来求解θ，

其中以天线41和42的信号强度的反正切函数进行计算。(因发射器32的斜度和接收器36的旋转而旋转)

当前深度：x_c＝r·sin(θ+P)

预定深度：x_p＝x_c-r·cos(θ+P)·tan(P)

水平偏移：z₀＝r·cos(θ+P)

两个天线41和42可用时，接收器36可以可视地给操作人员提供钻孔工具组件24向接收器行进并最终远离接收器的过程指示。在优选的实施例中，信息被图像显示在显示屏72上。下面参照图9，图中示出的是接收器36的显示屏72的优选实施例的示意图。显示屏72包括构成显示屏上的十字线的一部分的水平实线80以表示当发射器或钻孔工具组件24到达目标位置时发射器32的预定深度。水平虚线82表示发射器32的当前深度。垂直虚线84表示发射器32距离接收器36的水平偏移量。如果需要，左/右方向和大小用比例箭头86沿十字线的中间部分表示。其他的状态信息例如发射器32的斜度，滚动位置，和电池状态，工具组件24的温度，以及接收器36的电池状态等也可以被提供为操作人员信息并使用。

可以对本发明的设计和操作进行各种修正而不背离其精神。因此，尽管已经用目前认为是代表本发明的最佳实施例介绍了本发明主要的优选结构和操作模式，但是应该理解在所附的权利要求的保护范围内，本发明还可以在除了已经明确图示和说明的内容之外以其他方式实践。

Claims (33)

1、一种用于追踪地下磁场源的方法，所述方法包括：

将接收器组件保持在基本水平的平面内；

在所述接收器的两个不同点中的每一处同时三维地检测来自磁场源的磁场；

在水平面内移动所述接收器，直到在所述两个点中的每一处测得的磁通角均为零为止；以及

利用测得的磁场数据三维地计算所述磁场源相对于所述接收器的位置。

2、如权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：

沿由包含所述接收器的所述两个点的直线确定的方向移动所述接收器，直到在所述两个点中的每一处测得的磁场大小基本相同为止。

3、如权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：

显示所述磁场源相对于所述接收器的位置。

4、如权利要求2所述的方法，其中当检测信号的总磁场振幅相同时，在所述两个点中的每一处所测得的磁场大小相同。

5、如权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：

旋转所述接收器，直到在所述两个点中的每一处所测得的磁场大小相同为止；

在水平面内将所述接收器旋转90度；以及

沿由支架的两个点之间的轴所确定的方向移动所述接收器，直到在所述两个点中的每一处所测得的磁场大小相同为止。

6、如权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：

测量所述接收器的倾角；以及

修正在所述两个点中的每一处所测得的磁场的磁通角测量值以补偿所述倾角。

7、如权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：

接收包括所述磁场源的倾斜角在内的测量值；以及

修正在所述两个点中的每一处所测得的磁场的磁通角测量值以补偿所述倾斜角。

8、如权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：

将所述接收器设置在地面上；然后

计算所述磁场源和接收器之间的距离，使得所述距离包括所述磁场源的深度。

9、如权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：

利用测得的磁场数据计算偏移量，所述偏移量表示所述磁场源和接收器之间的水平距离。

10、一种用于确定磁场源位置的接收器系统，所述接收器包括：

支架；

两个且仅仅两个由所述支架支撑并适用于检测来自磁场源的磁场的三维天线；和

适用于从所述两个天线组件中的每一个接收天线信号并利用所述天线信号确定所述磁场源相对于所述支架的位置的处理器；

其中所述两个天线在天线被保持在基本水平的平面内时检测磁场。

11、如权利要求10所述的接收器系统，进一步包括：

适用于测量所述支架的方向的定向传感器；并且

其中所述处理器适用于利用所述天线信号和所述支架的方向来确定所述磁场源的位置。

12、如权利要求11所述的接收器系统，其中所述定向传感器是加速计。

13、如权利要求11所述的接收器系统，其中所述处理器通过利用所述支架的方向来修正所述天线组件倾斜的影响以确定所述磁场源的位置。

14、如权利要求10所述的接收器系统，其中所述天线组件包括三维天线。

15、如权利要求14所述的接收器系统，其中所述三维天线中的每一个都包括：

界定出有孔区域的第一线圈；

界定出有孔区域的第二线圈；和

界定出有孔区域的第三线圈。

16、如权利要求15所述的接收器系统，其中所述每一个线圈的有空区域都相同；并且

其中所述的线圈具有共同的中心点。

17、如权利要求10所述的接收器系统，其中所述天线组件被设置在所述支架的相对两端。

18、如权利要求17所述的接收器系统，其中所述天线组件被保持在基本水平的平面内。

19、如权利要求18所述的接收器系统，其中所述天线组件被分开大约30英寸。

20、如权利要求10所述的接收器系统，其中所述支架包括把手。

21、如权利要求20所述的接收器系统，其中所述支架适用于在通过所述把手持有所述支架时将所述两个天线保持在基本水平的平面内。

22、一种用于检测来自磁场源的信号的接收器系统，所述接收器包括：

支架；

由所述支架支撑并适用于检测来自磁场源的磁场的至少一个天线组件；

适用于从所述至少一个天线组件接收信号并输出第一滤波信号的第一滤波器组件，所述第一滤波器组件包括至少一个窄带滤波器；

适用于从所述至少一个天线组件接收信号并输出第二滤波信号的第二滤波器组件，所述第二滤波器组件包括至少一个宽带滤波器；和

适用于分析分别来自所述两个滤波器组件的所述第一和第二滤波信号并确定关于来自所述磁场源的磁场的数据是否已被传送的处理器。

23、如权利要求22所述的接收器系统，其中所述第一滤波器组件和第二滤波器组件是数字信号处理滤波器。

24、如权利要求23所述的接收器系统，其中所述第一滤波器组件和第二滤波器组件是在所述处理器内实施的。

25、如权利要求22所述的接收器系统，其中所述处理器通过分析所述第二滤波信号确定数据是否已被传送。

26、如权利要求22所述的接收器系统，其中所述处理器利用所述第一滤波信号确定所述磁场源相对于所述支架的位置。

27、如权利要求22所述的接收器系统，其中所述处理器利用所述第二滤波信号确定关于来自所述磁场源的磁场的传送数据。

28、一种用于引导钻孔工具组件向目标移动并经过目标的方法，所述方法包括：

在目标位置设置接收器组件，所述接收器组件包括位于基本水平的平面内的两个天线组件，使得所述两个天线组件都位于钻孔工具组件的预定钻孔路径上；

同时在所述两个天线组件中的每一个处三维地检测来自所述钻孔工具组件的磁场；

利用通过所述两个天线组件测得的磁场计算所述钻孔工具组件在包含所述钻孔路径的垂直平面内的位置。

29、如权利要求28所述的方法，其中所述钻孔工具组件的位置包括所述钻孔工具组件的深度和到所述钻孔工具组件的水平距离。

30、如权利要求28所述的方法，进一步包括以下步骤：

利用通过所述两个天线组件测得的磁场来计算所述钻孔工具组件是在所述钻孔路径的左侧还是右侧。

31、如权利要求28所述的方法，进一步包括以下步骤：

检测所述钻孔工具组件的斜度；以及

利用通过所述两个天线组件测得的磁场和所述钻孔工具组件的斜度来计算所述钻孔工具组件的预测深度以确定所述钻孔工具组件何时位于所述目标位置。

32、如权利要求28所述的方法，进一步包括以下步骤：

利用通过所述两个天线组件测得的磁场来确定所述钻孔工具组件是在接近还是已经远离所述目标位置。

33、如权利要求28所述的方法，其中所述目标位置是位于所述接收组件下方一段预定距离的位置。

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