CN102782525A - 电磁接近检测方法和单元 - Google Patents

Abstract

提出一种使用移动检测设备（1）通过以下步骤执行的针对掩埋结构（5/10）的电磁接近检测方法：将从结构（5/10）发射的电磁场（7/12）感测为模拟电信号；以及将该模拟电信号数字化为数字信号。通过分析数字信号执行掩埋结构的接近，其中该检测方法可以按照以下可选检测模式中的至少两种交替地执行：电力检测模式、无线电检测模式或主动检测模式。该方法的特征在于另外的切换操作模式，其中通过检测模式的如下最小交替速率的自动连续交替而完成按照上述检测模式中的至少两种检测模式的重复顺序检测，即，通过上述最小交替速率，在检测方法的单次执行中，检测区域（2）可以被所述至少两种检测模式覆盖。

Description

电磁接近检测方法和单元

本发明一般地涉及根据权利要求1所述的用于检测诸如施工工地处的地下管道或布线系统之类的掩埋结构的电磁接近检测方法以及根据权利要求14所述的用于这种结构的掩埋结构检测单元。

在施工工地上在挖掘之前或挖掘同时经常使用用于检测地下结构的设备。这种结构通常以用于提供电力、燃气、燃料、水或通信数据的服务和其它传导地下结构的形式出现。尽管大多数这些服务的位置已经从工地检查员的设计图已知，但是其位置可能是不确定的或可能存在其中没有提及的另外的服务。通常，这些地下结构仅被运土机的操作员在工作中简单地忽视。

在被开凿的沟槽或区域中进行挖掘的同时避免对地下结构的损坏是一项重要任务。因为对于服务的损坏可能导致严重影响和费用，在挖土之前或挖土同时，需要采取附加措施以能够检测工地上这种服务的接近，具体地作为深度信息。用于该目的的设备已知为线缆避开工具，也称为CAT。

定位地下服务的一种方式是检测服务本身发出的电磁场。为达此目的，服务需要具有发射可以在地面上方被检测的电磁场的自然出现的电信号。这对于开启的电力线或使用中的通信线缆工作良好，但是以这种方式几乎不能检测例如关闭的街灯的布线系统、未使用或低压通信线缆、燃气或水管道。

已经发展了很多不同的技术来检测如上所述的这些非信号承载类型的服务。如果服务本身是导电的，则如US 4,438,401所述，可以人工引入电磁场，该专利公开了一种系统，其中没有自然出现信号的金属性服务被直接连接到电信号发生器。这样，电信号可以耦合到服务，且因此也可以通过电磁场检测它。

如果因为服务是非传导性的而不能实现这点，US 5,194,812示出通过向比如燃气或非金属水管道之类的空心管道引入导体或通过在掩埋这些管道时在该服务附近铺设将用作电磁场发射器的导体使得这些管道可检测的解决方案。这样，通过向结构内部或附近的导体应用可检测信号，类似于传导服务，本身不具有自然出现的场的管道也可以被检测。

如申请EP 09166139所示，通过土钉或其它地面连接装置从AC电流源向土壤引入电流，也可以将场发射信号耦合到传导的地下结构。因为电流总是采用通过土壤的最小电阻路径，所以它最有可能沿着传导结构流动，因为其电阻比土壤材料的电阻低。这样，尽管传导结构并不自然地发射这种电磁场，也不能直接向其传导信号，不过这种传导结构可以通过其电磁场检测。

用于向地下服务应用信号的另一可能性是通过发射天线向地面发射电磁场。检测设备中的接收天线或传感器然后可以拾取由地下结构反射回来的无线电信号，且可以基于该信息确定服务的接近。文档US 4,600,356、US 5,592,092和US 6,437,726示出例如安装在反铲挖土机的铲斗上的这种设备。

所有上述检测系统的共同点在于地下结构需要发射足够强以在表面上方可检测的电磁场；尤其是考虑来自其它源的各种其它电磁场的背景噪声总是存在，该电磁场必须可以被不含糊地检测。

根据服务上存在的信号，不同服务发射的电磁场存在于不同频率范围中。

根据国家，电力线通常提供具有50Hz或60Hz的基频的电流，且因此发射具有相同基频的场。

与之对照，人工应用到结构（直接或通过土壤连接）的信号在频率方面通过国家相关的无线电通信规则限制和给出，例如以避免与无线电通信服务的干扰。在这种情况中，结构发射的场具有通过人工引入到结构的已知信号规定的频率。对于诸如线缆检测这样的一般地理监管用途，在UK允许的频率的具体示例是被一些CAT设备使用的8kHz或33kHz的频率。

从通信线发射的频谱是另一重要检测目标。可以期望源于这种服务的场在一定范围内出现，由此对于这些服务，并不能期望特殊的单个频率，而是必须考虑频率范围。尤其是，对于地理物理学推荐一万米范围中的低波长，因为它们很好地穿透土壤材料且因此也可以用于线缆检测目的。

为了覆盖上述所有这些频率范围，已知设备提供以下能够排他性选择的不同操作模式：

○电力操作模式，目标是来自具有50Hz或60Hz的基频的流经电力线的交流电流的电磁场。

○无线电操作模式，目标是通过通信线或类似服务发射的VLF（Very LowFrequency（极低频率））无线电频带范围（＝例如约15kHz至60kHz的范围中的极低频率无线电波）中的电磁场。

○主动操作模式，目标是通过无线电、土壤或直接传导或通过在结构内部引入发射导体（例如通过电流源应用于结构的8kHz或33kHz电流）主动应用到结构的信号规定的已知频率的电磁场。

文档US 4,085,360提及连续或同时监听不同频带的接收器仪器，所述频带中的一个是用于干线的50/60Hz，一个是从1kHz至10MHz的宽带。

US 2004/0189322公开了一种具有梳状滤波器的线缆检测设备，该梳状滤波器发射待检测信号的第一频率的奇数次谐波且抑制其偶数次谐波。通过分析所需频率的基频和谐波，SNR被改善。

使用不同操作模式的原因在于这一事实：接近检测的精度非常依赖于被评估的信号的信噪比。如GB 2 427 473所述，噪声随着带宽的平方缩放且当使用除了用于测量的感兴趣频率（例如，电力模式中的干线的50Hz或60Hz或者主动模式中的8kHz或33kHz）之外抑制所有频率的窄带通滤波器时可以实现好的检测结果。滤波可以模拟或数字地完成，通常使用两种类型的滤波的组合。在这种情况中，窄带通滤波器被定义为带宽低于中心频率值的10％、尤其低于约30Hz的滤波器。

另一方面，窄带滤波的缺点在于感兴趣的区域必须被扫描多于一次，对于不同操作模式其中之一都执行一次，以用于检测小频率带宽中所有类型的服务。尤其当通过有经验的技工完成时，这可能是耗时且昂贵的处理。

为了克服该缺点，存在诸如在US 7,403,012中公开的已知设备，其在单个设备中包含3个并行的不同检测路径。该方法是相当复杂的、高耗能的且构建起来十分昂贵，因为除了可以共享天线之外，整个信号调节和评估路径必须存在3次。

因此本发明的一个目的是改善地下结构的检测。

本发明的另一目的是在一个检测步骤中检测不同类型的结构而不需要以不同操作模式多次折回感兴趣的区域。

本发明的又一目的是减小检测方法或用于该方法的设备的复杂度、尺寸、努力和功耗。

本发明的特定目的是提供针对所有类型服务具有高检测精度的接近检测方法。

这些目的通过实现独立权利要求的特征获得。以可选或有利方式进一步发展的本发明的特征将在从属专利权利要求中描述。

使用移动检测设备通过以下步骤执行用于施工工地处诸如地下管道或布线这样的掩埋结构的电磁接近检测方法：感测从结构发射的电磁场作为诸如天线或传感器这样的检测装置的模拟电信号；以及将模拟电信号数字化为采样形式的数字信号，作为实时地使用确定采样速率获取的模拟电信号的强度的数字值。

在通过计算装置根据分析算法分析数字信号而确定掩埋结构的接近之前或期间，将执行对模拟和/或数字信号进行滤波的步骤。

可以以下面具体的交替可选的检测模式中的至少两种交替地执行检测方法：

●电力检测模式

其中具有供电干线的基频的电磁场、尤其是来自具有50Hz、60Hz或16.66Hz的基频的电力线的电磁场被检测，或

●无线电检测模式

其中无线电频率范围中的电磁场、尤其是来自发射在15kHz至60khz范围中的VLF频带中的无线电频率的通信线的电磁场被检测，或

●主动检测模式

其中具有被人工引入到结构的已知信号规定的频率的电磁场、尤其是约8kHz或33kHz的特定频率的人工引入电流产生的电磁场被检测，

其中，引入另外的切换操作模式（或交替检测模式），其特征在于，在上述检测模式中的至少两个检测模式中的重复顺序检测。

其中，电力检测模式仅基于供电干线的基频的更高次谐波来检测结构（5，10）。

这通过使用这种最小速率的交替来自动顺序交替检测模式而完成，使得在方法的单次执行中，检测区域可以被至少两个检测模式覆盖，该方法包含在检测区域上移动检测设备且由此扫描检测区域以发现地下结构。具体而言，检测模式每秒切换至少一次，优选地更快，通过控制器单元管理，由此使得通过在其中结构必须被检测且尤其还测量深度的检测区域上仅移动检测设备一次就可以准确地检测发射不同频率的电磁场的多个结构。

根据本发明的接近检测方法基于也被称为切换操作模式的新操作模式，其中检测模式以这种速度在至少两种检测模式之间自动且重复地交替：检测被用户体验为同时发生，允许在单次扫描中“一次”以多种检测模式扫描感兴趣的区域，这意味着设备的操作员仅需在感兴趣的区域上移动检测设备一次且由此即使在场具有不同基频的情况下也能够准确地检测发射电磁场的多种类型的服务。

使用“切换模式”，其中不同检测模式的数据处理是顺序的但是仍足够快以使得检测结果被用户体验为“同时”，这意味着用户并不一定像仅能够选择一种单独的检测模式那样必须在兴趣的检测区域上行走很多次。而且不需要在该应用领域中不常见的并行处理硬件，因为一般而言使用的DSP或μP不包含并行架构。使用顺序方法，不需要复杂和昂贵的并行处理并且可以减小整体计算努力，不仅导致较低的成本而且导致减小的功耗，这对于移动电池供电的设备是一个重要因素。

在切换模式中，使用诸如带宽等优化的检测参数完成每个不同频率的检测，尤其在可实现的SNR方面，导致比当一次分析所有模式的全频谱范围时能够获得检测精度更高的检测精度，且这样还可以降低功耗。

当改变检测模式时评估单元使用的检测算法和/或参数的更换通过控制单元管理。算法和参数包含在存储在设备内部或外部的软件产品内。

由此出现的不希望的影响是对于诸如具有50Hz或60Hz的基频的电力线这样的低频信号的检测需要相当长的时间。

在将检测模式切换至电力模式（这包括DSP程序中的变化且可以是天线的调谐或下述其它选项）之后，必须等待稳定时间，直到信号上的切换瞬时现象消失。50Hz的信号具有20ms的信号周期。如果例如需要4个循环用于稳定且需要另外4个循环用于检测且切换本身需要一定时间，则对于整个切换和检测步骤，可能需要约200ms的总时间。

在具有125μs的周期时间的主动检测模式中，按照8kHz的频率，对于该步骤仅需要在电力模式中花费的时间的一部分。

所以，在这两个模式之间切换的示例中，每秒约2次或3次的最大更新速率是合理的，这对于用户体验为同时而言是相当低的。

因此，检测所需时间的减小将带来进一步的正面影响且实现这点的一种方式是在慢且最耗时的电力检测模式中使用基频的谐波。

对于该特定应用，由于下面详细解释的原因，干线的基频的9次谐波具有特殊正面特性且因此被量化，但是其它谐波也可以这样，不过该特定谐波是优选实施方式之

由于电力线上非线性负载的存在，确定9次谐波的存在。因为存在下面详细讨论的相长的零序列谐波，还确定3次和9次谐波的存在。

在该申请中，9次谐波的采样将在电力检测模式中针对检测采样合理数目的信号周期所花费的时间减小到1/9（reduce by 9 fold）。这进而允许使用改进的切换速率以多于一个的检测模式的顺序采样，允许向用户呈现检测结果，使得检测看上去同时即“并行”发生，尽管在硬件和软件级并不是并行的。

术语“切换模式”被选择用于这种情况：例如电力模式和无线电模式的多种模式被顺序地执行且信息在基本相同的时间呈现给用户。

通过检测器的接收特性的另一（可能可选地）实施的天线的“调谐”，可以获得检测灵敏度的改善。通过在天线使用简单电容器和/或电阻器电路，可以获得系统的频率响应的附加滤波和调谐。当根据实际选择的检测模式改变模式以优化天线且由此例如在电力检测模式中将天线调谐到9次谐波处的窄频带或在无线电检测模式中将天线调谐到整个检测带宽上几乎平坦的频率响应时，这些电容器和/或电阻器可以快速切进或切出电路。

而且，根据实际使用的检测模式，通过改变ADC的采样速率和/或DSP的时钟速率，可以可选地完成多速率处理，且由此其针对完成实际任务实际所需的资源优化系统，且由此可以减小功耗和增加电池寿命，因为例如电力检测模式中的采样和/或数据处理的速率可以选择为比无线电模式中的速率低。

该方法的改进在于尽管检测模式被“组合”，但仍将使用与灵敏度、功耗、检测速度等相关的优化参数执行每一种检测模式。

很明显，本领域技术人员将意识到可以实现使用这种谐波采样技术的其它应用。

结构中的电流发射的电磁场被地面上方的检测单元感测。检测单元不需要到土壤的传导连接且因此可以无电性地面接触的情况下移动。如前所述，检测单元包含用于感测电磁场的某一种类的检测器，诸如像线圈、磁通计、霍尔/MR/GMR效应传感器之类产生对应于电磁场的电输出信号的用于电磁场的天线或其它传感器。在输出信号的一定滤波和放大以及数字化之后，计算单元分析电磁场的数字表示的特征（signature）且将掩埋结构的接近检测为距离信息且向用户提供该距离信息。

检测单元是可移动的，这意味着它可以构建为可以用于在挖掘前或挖掘的同时扫描服务的移动手持式设备。在待观察区域（该区域是其中结构必须被检测的检测区域）上方移动检测设备的同时执行实际检测方法，且如果结构存在，则设备告知用户实际接近。用户由此可以例如通过地面上的涂料、粉笔、带子或桩定位且标记其中地下服务被检测的位置且可选地还可以标记深度，帮助在后续挖土处理中避开这些结构。

作为另一选项，检测结果还可以尤其与诸如GPS位置数据之类的某种位置信息组合地存储在某一存储介质上，允许数据的进一步处理以及例如可以被引入到或匹配工作设计图或检查员地图的地下结构的地图的产生。这也可以以其它方式完成，其中已知服务的地图被加载到设备中且根据诸如GPS数据这样的位置信息，操作员被设备从地图引导到期望的服务位置。另一有用的效果可以归结为确保了感兴趣的地区的完全覆盖，因为例如通过在显示器上指示已经扫描的区域，可以基于位置信息识别扫描时被忽略的区域的一部分。设备的使用和活动数据可以被记录且存储在设备上或通过例如蓝牙的通信链接从设备加载到计算机。使用数据然后例如可以用于确认仪器是否被实际使用，且与上述GPS映射组合，还可以验证使用区域和时间。使用数据作为工地掩埋服务位置活动的数据日志，例如对于在事故情况中主张保险是有价值的。而且，可以分析用户行为以确定是否需要对于产品使用进行进一步的训练。用于位置信息收集的系统部件可以直接集成到检测设备或是可以附连到检测设备的可选的分离添加的部件，且该可选的分离添加的部件通过有线或无线连接建立与检测设备的控制器单元的通信链路。

手持式设备可以可选地在设备的底部附近装配自动电磁致动或手动致动的标记系统。它可以包含例如涂料喷漆机罐或用于一些粉末状标记材料（粉笔等）的释放机制，以用于在检测到结构时标记设备下方的表面。它可以在检测到结构时通过检测单元的电子设备自动触发。如果还通过考虑将（例如来自加速器或倾斜传感器的）一些倾斜传感器数据与接近检测结果组合地评估触发信号，例如通过仅当结构至少很接近地垂直位于检测设备下方时触发标记系统，可以获得益处。

标记系统还可以通过用户按压设备手柄的范围中的某一按钮手动触发。而且，在靠近检测中心轴的设备底部，在靠近机械致动标记机制的设备手柄附近某处，可以使用例如某种阀门形式的按钮。在切换检测模式中，还可以在例如标记的颜色或形状方面不同地标记检测的不同类型结构。标记系统可以直接集成到检测设备或可以由用户作为可选的附件附连。

通过移动设备，不仅可人为操作，而且构建为直接附连到诸如挖掘机、推土机、反铲挖土机或挖泥机之类的开凿机或其它运土机器的铁铲的检测设备允许在劳动中针对地下结构的实际工作区域的在线观察。因为其中结构可被检测的设备检测范围随着工具一同移动，可以在工作时有效地避免对于地下结构的损坏，而不需要在工作着手之前的在先的探查步骤。通过诸如车架或自动机器人之类的一些专用装置运用检测设备是另一选项。

在一种可能的实施方式中，电磁场通过布置在彼此相距已知距离的两个天线或传感器检测。可以根据两个天线拾取的信号的强度差异确定到作为电磁场的源的结构的距离。由此，结构的存在及其接近可以被确定且例如通过光学、声学或触觉装置呈现给设备的用户或以某一长度单位的值显示为距离（或深度）信息。

如上所述，可以根据在底部天线和顶部天线处的信号强度的差异和天线间的分隔距离评估距离值。在用于计算距离值（Depth）的公式（A）中，“Aerial_Seperation”是两个天线之间的间隔且变量“Bottom”和“Top”分别代表通过相应顶部天线和底部天线拾取的电磁场的强度。

$\mathrm{Depth}=\frac{\mathrm{Aerial}\_\mathrm{Seperation}}{(\frac{\mathrm{Bottom}}{\mathrm{Top}}-1)}---\left(A\right)$

所述评估并不限于使用两个天线或传感器。例如，更多的天线可以在不同方向中对准，且测量的信号或值可以叠加。

除了以某一长度单位的精确距离值的显示，还可以仅以诸如“无信号”、“远”（例如大于3m）、“近”（例如3m至50cm）、或者“浅”（例如，小于50cm）的大致级别向用户呈现距离，因为这些信息对于一些实际应用已经足够。

当在十分接近检测单元的地方或其它已知参考点检测到结构时，检测单元可以向开凿机的操作员发出警报信号。用于这种参考点的示例是具有固定到其臂的检测单元的开凿机处以相对于铲斗的已知位置布置的铲斗尖部。

下面参考在附图中示意性示出的工作示例，纯粹通过示例的方式更详细地描述或解释根据本发明的接近检测方法和根据本发明的设备和布置。具体地，

图1示出施工工地上的典型布置的示例，其中人们执行根据本发明的接近检测方法；

图2示出施工工地上的典型布置的示例，其中使用在挖掘机上安装的检测设备执行根据本发明的接近检测方法；

图3示出施工工地上的另一布置的示例，其中执行根据本发明的接近检测方法且通过土壤传导向不承载自然信号的传导地下结构主动引入电流，用于使得该地下结构以及地下电力线可被检测；

图4示出可用于执行根据本发明的检测方法的示例检测设备布置的示意图；

图5示出当供电干线处于检测范围中时通过检测设备的接收单元拾取的信号在时域和频域中的工作示例；

图6示出一个表格，该表格显示根据本发明的不同检测和操作模式以及在不同系统部件中所述模式使用的设置的示例；

图7a、b、c示出用于解释根据本发明的一个方面的谐波采样的图和表格；

图8示出根据本发明当在切换操作模式中使用接近检测方法时事件顺序的示例性图；

图的示意不应视为按比例绘制。

图1以3D剖面图的形式示出施工工地3的示例，其中必须由工人9或机器开凿的检测区域2必须被扫描以检查地下服务。

在所示示例中，待检测的掩埋结构5/10是地下服务，即，通信线缆10和供电干线5，如土壤的剖面图4以及通过指示其方向的虚线所示。该方法不限于一定数目的地下结构5/10的检测。

在以深度8掩埋的电力线结构5的内部，具有50Hz干线的基频的交流电流如箭头6示意流动，该交流电流导致由场线7的剖面示意的电磁场。

在诸如以深度13掩埋的电话线之类的通信线缆结构10内部，宽范围频率内的多个交流电流如箭头11示意流动，导致由场线12的剖面指示的电磁场。

技工携带针对执行根据本发明的方法而构建的检测设备1。为了扫描检测区域2，他必须在检测区域2上移动检测单元1，例如如粗线箭头14所指示。当这样做时通常使用的实践是一旦来回通过摆动检测单元检测到结构则试图沿着结构的路径，且在测量的最低距离值因此最大信号强度的方向中走动。例如，通过杆、涂料、粉笔、带子等可以在表面上标记地下结构的检测路径，由此不仅可以标记路径，而且可以告知作为服务5/10的深度8/13的信息的测量距离。

在先前技术中，技工必须在每一种检测模式中执行扫描该检测区域的任务以确保所有类型的结构都被覆盖。

根据本发明，这可以被省略并且检测区域仅必须以切换操作模式扫描一次，其中由设备以技工体验到检测为同时的速率自动执行检测模式的重复交替。这节省了时间且还减小了通过采用不同路径在每次扫描中改变检测区域的覆盖范围的风险。

而且，由此不仅可以确定地下结构的存在和深度，而且根据检测结构的检测模式，可以通过设备指示发现的服务的类型。如果技工明确查找例如必须修复的某一类型的地下服务，除了服务的存在和深度信息，服务类型的指示可能具有很大价值。

上述情况中的另一正面效果是：在切换操作模式中，不仅通过相应的单个检测模式将发现实际搜索的一种类型的服务，而且，诸如电力线的另一可能存在的服务将被检测设备指示，由此，例如可以排除在挖掘期间损坏和/或电击的风险。

不仅新的切换操作模式是本申请中的改进，而且如果像现有技术中已知的那样被静止地使用，单个检测模式受益于本发明，因为在非切换操作模式中，设备的整个电路针对当前选择的检测模式而充分地优化，由此通过适当的采样速率和/或优化的处理速度获得的例如优化的天线调谐、减小的功耗这样的效果是完全有效的。

图2示出装配有用于执行根据本发明的接近检测方法的检测单元22的开凿机21的特写图。如上面详细所述，掩埋在土壤中的结构5具有沿其流动的交流电流且因此发射电磁场。

如果结构5进入点线20标记的检测单元22的范围中，则警报信号23告知操作员结构的接近—在这种情况为电力线。这样，操作员可以极小心地从事工作或者开始在检测的结构5附近的部分手工地工作以避免对于结构的损坏和电击的风险。另外，如虚线所绘制，通信线缆10也掩埋在待开凿的区域内。

根据本发明能够切换接近检测模式的检测设备22能够同时检测两种服务，而如果区域不被扫描两次，使用仅以电力模式操作的现有技术检测单元则容易忽视通信线缆10，或反之亦然，导致附加成本和工作站上的延时，这二者都可以通过本发明避免。

如果在挖掘的同时在检测单元22下方检测到结构5/10内的电流的电磁场，则发出警报信号23/24。这种警报例如可以是给操作员的光学、声学或触觉信号以及电信号，这些信号例如可以用于使得开凿机21或其一部分失效。根据检测结构的实际检测模式，警报信号23可以变化以指示如上所述的服务类型。由于该原因，用于电力线5的警报23绘制得不同于用于通信的结构10的警报24。

警报信号23还可以包含关于结构的接近的附加信息，例如，从结构到限定参考点的距离值。如果结构5/10和作为参考点的开凿机21的铲斗之间的距离低于某一临界距离，将发出临界警报。该临界距离可以定义为固定值，或可以由操作员根据工地需要设置。可以发出临界警报以告知操作员结构靠近实际工作范围这一事实。可选地，临界警报还可以控制开凿机21的锁定机制或其一部分以避免开凿机铲斗和结构5/10的碰撞。

作为特殊示例，类似于在汽车中现有声学泊车距离控制技术领域中使用的警报，可以发出警报信号23，其中哔哔声的重复频率或音调频率随着朝目标的行进增加且最终当距离低于某一临界阈值时变成连续警报音调。

图3示出施工工地3，其中已知必定存在用于在地下某处连接家庭供水的塑料水管形式的结构19，但是其实际位置未知。因此，使用这种布置：在待开凿区域的某一距离内通过土钉34向土壤32引入例如33kHz的已知频率的交流电流31。因为干线管道19通过管道31连接到家庭，其中它们通过家庭铜管道接地，来自电流源35的电流31如使用31标记的双箭头指示得那样流动。因为管道31/19/31内的水是最小电阻路径，所以大多数电流31在管道31/19/31内流动且发射33kHz的已知频率的电磁场。同样在土壤32中前行的通信线缆10也根据由于用途而自然出现的电流发射电磁场。

在切换操作模式中使用的根据本发明的接近检测方法例如能够使用固定检测设备的开凿机21或通过使用移动检测设备的单次手动预工作扫描同时检测所有结构10/19/31且允许在工作期间避开它们。

而且，以这种方式将可以检测诸如供电干线、铸铁气管道等其它结构，每次检测都具有可能的最佳检测精度，因为每个结构以其专用检测模式检测。在该示例中，以设计为接收通过这种地下服务通常发射的无线电频率范围（例如，VLF带）中的信号的无线电模式检测通信线10，而以对于信号源35产生的已知单个频率（在这种情况下为所述的33kHz）敏感的主动模式检测水管19。

作为非常特殊的实施方式，检测单元还可以构建为发射电磁场且检测场的一部分是否被某一地下结构反射回来以得出关于结构存在的结论。在某些情况中，自然、引入和反射的电磁场的检测的组合可以帮助进一步确保或改善检测精度。

图4中的电路的示意图示出将用于根据本发明的接近检测方法的一种可能的实现方式的示例。

在此处示出的最简单的形式中，存在检测从地下服务发射的电磁场信号的两个天线，不过具有一个天线的设计也是可行的。使用可以在微处理器控制下切换的电容器来“调谐”天线，以用于不同检测模式。由此，接收路径的频率特性可以根据实际检测模式和在其中使用的频带调节。而且，如有需要，通过添加与切换电容器并联的电阻器，可以修改电路的Q因子。该处理与用于业余无线电站的天线的所谓匹配器的功能相当，不过实际目的和使用的频率范围不同。

来自天线的信号在进入ADC模拟-数字转换器之前必须被放大，根据选择的硬件，该ADC模拟-数字转换器可以是单独的芯片或数字信号处理器（DSP）的集成部件。例如，具有板上24位ADC的32位浮点音频DSP很好地适合该应用。放大还可以与模拟信号的有源或无源滤波组合，尤其用于在使用ADC采样信号时通过满足香农-奈奎斯特法则避免混淆现象的目的。在一个实施方式中，天线的调节还可以包括在增益和/或频率特性方面调节放大级或通过在增益和/或频率特性方面调节放大级完成。

从电磁场的理论已知，来自天线的信号强度正比于距地下服务的距离。DSP用于数字地对信号进行滤波且计算来自检测设备中彼此以已知距离布置的顶部和底部天线的信号之间的比率。

用于确定从底部天线到地下服务的距离（Depth）的表达式由公式（B）给出：

DSP用于对信号进行数字化滤波且计算滤波的底部和顶部信号的比率。ADC采样速率调节为用于所选模式的最大频率所需的最小采样速率以满足奈奎斯特法则且还减小确定距离所消耗的功耗和资源。处理的数据被传输到微处理器，该微处理器应用某些附加算法且例如通过在LCD屏幕上显示确定的服务距离而驱动向用户提供输出数据的用户界面。

可以执行以下操作模式：

a）电力模式：450Hz或540Hz窄带

b）无线电模式：15kHz至66kHz宽带

c）8kHz窄带

d）33kHz窄带

e）自动模式：这在至少两种模式a-d（例如电力和无线电模式）之间连续切换，实时扫描两个模式，且允许向用户呈现数据，好像这些模式被并行处理。

使用该方法，不需要并行处理，采用最小设计方法来减小成本和功率。

用于检测电磁场4和确定结构1的接近的移动检测单元3可以包括彼此相隔已知距离的用于检测电磁场的至少两个传感器，由此根据传感器处检测的场的不同，可以确定电磁场、尤其是沿着结构1流动的电流5发射的电磁场4的源的接近。

图5示出在某一施工工地收集的实际信号50及其频谱51。信号源于为办公室建筑提供3相50Hz电流的地下电力线缆。在频谱图51中，50Hz的基频52和更高次谐波可见，尤其是3次谐波53和9次谐波54清晰可见。

针对信号中谐波的主导的可能解释首先是信号的较好传播和用于这些较高频率的接收天线的改善的灵敏度。其第二解释是通过切换诸如PC、打印机等办公室设备的电源来主导的办公室的典型负载特性。

如上面所解释，因为9次谐波也是零序列谐波，所以其针对电力线缆的检测以某种方式预定，尽管这些频率的基频或任意其它谐波以及一些组合的使用也是可行的。

图6示出示例性表格，该表格示出设备的模式和在每种检测模式中可以做出优化的一些可能性。本发明的不同实施方式仅可以实现这些优化中的一些而跳过其它优化。

在“切换模式”列中，用词“交替的”表示上述设置依赖于实际有效的检测模式。实际有效的检测模式可以是在前面的列中发现的模式，或是针对一个或多个信号频率优化的另一专用模式。

表格中的示例性说明的优化参数是：

○接收天线的分别调谐，整个接收电路例如还包括放大和滤波器组件。根据检测模式，尤其通过设备的接收部分中的电容器或电阻器或网络的切换，针对实际模式中感兴趣的频率或频率范围进行优化。当在电力模式中使用9次谐波时，感兴趣的频率例如可以是所示的450Hz或560Hz，而不是当针对检测使用基频时的50Hz或60Hz。

○滤波器类型的调节，由此频率响应（截止频率、带宽、Q因子、增益…）的调节通过带宽和通带频率或频率范围的大致指示示例性描述。该滤波器可以是模拟和/或数字滤波器，由此数字滤波倾向于允许稳定的高阶滤波，通过数字参数的改变，可以在其频率响应中十分容易地调节该高阶滤波。

○通过将采样速率设置为某一频率，由此针对感兴趣的频率范围满足香农-奈奎斯特理论，但是该频率并不太高，采样速率被调节以节省能量和计算努力。

因此，在表格中呈现的值约是滤波的最高信号频率的大约两倍。当除了天线调谐之外还使用数字滤波时，采样速率必须选择较高以用于避免由于混淆导致的信号失真，因为这不受数字滤波的影响。

○计算单元的速度也可以根据采样速率调节，因为较少的数据每次也需要较小的计算。在该示例中，这以作为用于信号分析的DSP的核心的计算单元的低和高时钟速度这两种模式完成。

○根据实际的检测模式，用于信号分析的算法可以被调节、选择或代替。这通过用于在相应检测模式中使用的检测算法的术语“算法P、R、A”说明。

图7a示例性示出具有相位A、B和C的三相功率系统中的电流图。

尽管一般而言，9次谐波中的能量低于基频中的能量，因为用于电磁场的检测器的灵敏度对于较高频率增加，当采样9次谐波的较低能量时在改善的灵敏度方面没有损失。而且，可以使用较小的检测器，因为使用较小的接收天线可以感测较短的波长。

根据本发明的检测设备1、22因此可以包括具有针对干线频率的谐波而不是干线频率本身、尤其是大于300Hz的频率而优化的尺寸的天线或传感器41、42。

选择特定频率即9次谐波而不是宽功率频带允许使用非常窄带的滤波器来进行数据处理，如上所述，这增加了系统的信噪比。这导致当计算到地下服务的距离时增加的确定性。因为通过窄带滤波器，深度估算的确定性增加，例如可以建立小于0.3m的“避开地带”的确定以警告用户掩埋服务十分接近表面且当开凿时存在潜在的危害。

纯正弦电压是通过构建有精细分布的定子和以均匀磁场操作的场绕组的理想AC发电器产生的概念量。因为绕组分布或磁场都不均匀，产生电压波形失真且电压-时间关系从纯正弦函数偏离。生成时失真极小，但是毋庸置疑它存在，因此电压失真包含谐波。

应用于线性负载的正弦电压意味着负载引出的电流正比于应用的电压和负载的阻抗，电流波形因此遵循电压波形的包络。这些线性负载不使得电源的纯正弦波失真。线性负载的示例是电阻性加热器、白炽灯、和恒定速度感应和同步马达。

其它负载可能导致电流不成比例地随着电压改变。这些负载被归类为非线性负载，且在这种情况中，电流和电压具有不再是精确正弦而是包含失真的波形，由此基频（对于电力而言，为50Hz或60Hz）波形具有叠加在其上的很多附加波形，在基频正弦波内产生多个频率。该多个频率是基频的谐波。

非线性负载的示例是电池充电器、电子整流器、可变频率驱动器和切换模式电源。因为非线性电流流动通过设施的电学系统和分布/传输线，所以，由于与电网相关的不完美匹配阻抗，产生了附加的电压失真。因而，当电力被生成、分配和利用时，产生了电压和电流波形失真，其可以表示为基频的谐波成分。

三相系统的谐波可以分组为正（+）、负（-）和零（0）序列成分。

正序列谐波（谐波次数1，4，7，10，13等）产生在与基波相同的方向上旋转的磁场和电流。

负序列谐波（谐波次数2，5，8，11，14等）形成在与正频率设置相反的方向上旋转的磁场和电流。

零序列谐波（谐波次数3，9，15，21等）根本不旋转，因为它们彼此同相。

在相位A、B和C相差120度的三相功率系统中，这些频率的三次谐波倍数（180Hz）彼此完美地落在其它相位。这在图形方面和/或在数学方面可以被认为是：

相位A、B、C的谐波电流全都一致，即，不旋转。

如果我们扩展数学表格以包括较高奇数次谐波，我们注意到关于谐波频率的旋转或序列的样式：

诸如7次谐波这样与基波在相同序列中“旋转”的谐波被称为正序列。诸如5次谐波这样与基波在相反序列中“旋转”的谐波被称为负序列。因为彼此同相而根本不“旋转”的三倍谐波（该表格中示出的3次和9次谐波）被称为零序列谐波。

正-零-负-正的这种样式对于所有奇数次谐波无限连续，如同在图中发现的那样，其本身是表格中的表达。

用于线缆检测的零序列频率的有用效果在于它们总是同相且因此不能被抵消。

图7a、7b和7c用于更详细地解释在该文档中使用的“零次谐波”。

图7b的表格示出三个相位A、B和C以及其相应相位角。如最后一列所示，此处旋转方向是A-B-C。

在下面的行中，对于3次、5次、7次和9次谐波示出相同的情况，以示出关于这些谐波的旋转方向变化或者形成的场在3次和9次谐波的情况下根本不旋转。

图7c中，给出根据其旋转方向的谐波的分类列表，其中“+”行包含在与基频相同的方向中旋转的谐波，且“-”包含与基频相反地旋转的谐波。标记为“0”的行列举了根本不旋转的谐波且因此称为零次谐波。

很明显，谐波的列表并不完整且如有需要可以延伸到更高次。

图8a示出在根据本发明的检测方法中在切换操作模式中检测模式的可能序列的示例。其中，图示地说明电力模式、无线电模式和主动模式之间的自动重复交替。如前所述，在切换模式中使用的检测模式的数目可以从仅两个变化到任意数目。

因为主动模式的频率可以被无线电检测模式覆盖，所以仅在电力和无线电模式之间切换的实施方式是一个可应用的解决方案。与专用主动模式相比，源于诸如滤波器带宽或天线调谐之类的并不被较大地优化的参数的一些损失的灵敏度必须被考虑，但是可以通过确保在主动模式中应用足够强的信号而克服。

图8b的序列图说明通过重复执行改变模式和检测这两个主要步骤在切换操作模式中执行的步骤的示例。改变模式可以包括以下步骤，但不限于这些步骤，且示例性示出的所有步骤并不都是必须的。而且，事件的顺序可以不同于说明中示出的顺序。

○调谐天线以导致设备的接收部分针对如上面详细描述的所要切换的检测模式优化。

○调节信号-滤波以针对如上面详细描述的所要切换的检测模式优化信号的条件。

○改变用于分析和/或检测的DSP软件以及优化采样时间以适应于最低采样速率，由此通过如上面详细描述的所要切换的检测模式可以准确地检测结构。

○等待可能由检测模式的切换导致的瞬时现象导致且可能导致失真信号和中断的接近检测结果的信号稳定。

检测步骤包含：由调谐天线接收从掩埋结构发射的潜在地存在的电磁场作为模拟电信号，以及使用采样时间将模拟电信号数字化为数字信号，通过根据DSP软件的算法分析该数字信号，该数字信号用于检测掩埋结构的接近。

而且，根据事先调节的信号滤波的模拟和/或数字信号的滤波被包含在该示图中的检测步骤和向用户或用于结果的进一步处理的其它装置提供检测结果的步骤中。

在图8b中，由于简单化原因，这通过信号的采样和分析信号这两个步骤来示例说明。

图8c示出时序图，其中，示出仅检测A和检测B两种模式的交替。模式A和B可以是电力和无线电模式、电力和主动模式、无线电和主动模式，或者也可以是诸如电话模式、铸管模式、网络线缆模式等这样的针对待检测结构的相应类型优化的其它专用检测模式。

Claims (15)

1.一种使用移动检测设备（1，22）通过以下步骤执行的针对掩埋结构（5，10）、特别是在施工工地处的地下管道或布线的电磁接近检测方法：

·将从所述结构发射的电磁场（7，12）感测为模拟电信号（401），

·将所述模拟电信号（401）数字化为数字信号（402），

·对所述模拟信号（401）和/或所述数字信号（402）进行滤波，

·通过分析所述数字信号（402）确定所述掩埋结构的接近，

其中，可以按照下面的、特别是可替换选择的检测模式中的至少两种检测模式交替地执行所述检测方法：

·电力检测模式

其中，检测具有供电干线的基频的电磁场（7，12），特别是来自具有50Hz或60Hz的基频的电力线的电磁场（7，12），或

·无线电检测模式

其中，检测无线电频率范围中的电磁场（7，12），特别是来自发射在15kHz至60kHz的范围中的VLF带中的无线电频率的通信线的电磁场（7，12），或

·主动检测模式

其中，检测具有通过人工引入到所述结构（5，10）的已知信号（31）规定的频率的电磁场（7，12），特别是通过具有大约8kHz或33kHz的规定频率的人工引入电流产生的电磁场，

其特征在于：

另外的切换操作模式，其中，通过上述检测模式的自动连续交替而完成按照上述检测模式中的至少两种检测模式的重复顺序检测，

其中，所述电力检测模式仅基于供电干线的基频的更高次谐波检测所述结构（5，10），并且使用如下的最小交替速率完成所述检测模式的交替，即，通过所述最小交替速率，特别是每秒至少一次或十次的速率，在所述方法的单次执行中，检测区域（2）可以被所述至少两种检测模式覆盖，

并且由此使得通过在所述检测区域（2）上移动所述检测设备（1，22）仅一次就可以准确地检测发射不同频率的电磁场（7，12）的多个结构（5，10）。

2.根据权利要求1所述的接近检测方法，其特征在于：

通过以下任何一种方式在所述主动模式中人工引入所述已知信号（31）：

·电接触所述结构，或

·通过土壤（4）传导，或

·向所述结构引入信号承载导体，或

·向所述结构发射无线电信号，特别是经调制的无线电信号，

·上述方式的任意组合。

3.根据权利要求1所述的接近检测方法，其特征在于：

所述谐波是供电干线频率的基模的零序列谐波，特别地，由此所述谐波是所述供电干线的基频的9次谐波。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的接近检测方法，其特征在于：

所述检测模式的交替包括根据实际有效的检测模式通过感测电路中电子组件（43）的切换来调谐所述感测电路，所述感测电路特别地包括天线或磁传感器（41，42）。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的接近检测方法，其特征在于：

在所述电力检测模式和所述主动检测模式中，通过特别地具有小于其中心频率的10％的带宽的窄带滤波器来完成对所述电磁场，即，所述模拟信号（401）和/或所述数字信号（402）的滤波，并且滤波特性根据实际有效的检测模式改变。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的接近检测方法，其特征在于：

接近被确定为到地下结构的距离信息，特别地，其中，如果确定的距离信息低于特定阈值，则发出浅检测警报，特别地，其中，通过光学、声学、触觉或电学装置发出所述警报。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的接近检测方法，其特征在于：

使用彼此以已知距离布置的至少两个传感器或天线（41，42）完成所述感测，并且特别地根据来自所述传感器或天线（41、42）的信号（401）之间的能量的差异将所述结构的接近确定为距离信息。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的接近检测方法，其特征在于：

在频域中完成确定接近，这涉及所述数字信号（402）的从时域到频域的数学转换。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的接近检测方法，其特征在于：

根据检测所述结构的实际有效的检测模式完成一定类型的地下结构的指示。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的接近检测方法，其特征在于：

根据实际有效的检测模式调节每秒数字化的速率。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的接近检测方法，其特征在于：

根据实际有效的检测模式调节计算装置（46）的计算速度，和/或

根据实际有效的检测模式调节用于确定接近的在所述计算装置（46）上的算法。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的接近检测方法，其特征在于：

将检测结果映射到定位系统、特别是GPS设备和/或速度或加速度传感器的位置坐标，优选地用于在介质上存储所述映射。

13.根据权利要求12所述的接近检测方法，其特征在于：

根据由所述定位系统确定的移动速度和/或在确定距离时考虑所述设备的感测倾斜而调节检测模式的交替速率。

14.一种用于执行根据权利要求1至13中的一项所述的方法的掩埋结构检测单元（1，22），由此，根据从结构（5，10）发射的电磁场（7，12），结构的接近可以确定为距离信息，特别地，其中，所述结构（5，10）是施工工地（2）处的地下管道或布线系统，

所述检测单元（1，22）可在地面上方移动且包括：

·用于感测电磁场（7，12）且提供相应的模拟信号（401）的至少两个天线或传感器（41，42），

·将所述模拟信号（401）表示为数字信号（402）的数字化装置（45），

·以通过分析所述数字信号（402）而确定所述结构的接近的方式构建的评估单元（46），以及

·控制器单元（48），

所述检测单元（1，22）可以交替地按照以下检测模式中的至少两个检测模式中的一个检测模式操作：

·电力检测模式

其中，检测具有供电干线的基频的电磁场（7，12），特别是来自具有50Hz或60Hz的基频的电力线的电磁场（7，12），或

·无线电检测模式

其中，检测无线电频率范围中的电磁场（7，12），特别是来自发射在15kHz至60kHz的范围中的VLF带中的无线电频率的通信线的电磁场（7，12），或

·主动检测模式

其中，检测具有通过人工引入到所述结构（5，10）的已知信号（31）规定的频率的电磁场（7，12），特别是通过具有大约8kHz或33kHz的规定频率的人工引入电流产生的电磁场，

其特征在于：

所述控制器单元（48）以这种方式构建：在切换操作模式中，在上述检测模式中的至少两种检测模式之间自动顺序地交替，

其中，在所述电力检测模式中，仅基于供电干线的基频的更高次谐波检测所述结构（5，10），并且

所述切换操作模式使用如下的最小交替速率交替，即，通过所述最小交替速率，特别是每秒至少一次或十次的速率，在所述检测单元（1，22）在检测区域（2）上的单次移动中，所述检测区域（2）可以被所述至少两种检测模式覆盖。

15.根据权利要求14所述的掩埋结构检测单元（1，22），其特征在于：

所述检测单元（1，22）包括具有通过所述控制器单元（48）控制的可变特性的天线或传感器调谐电路（43）。

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