CN1147858A - 探测器 - Google Patents

Abstract

例如一穿透探测器(24)，其上具有相隔一定距离的天线(21，22，23)用于探测目标(26)如暗埋电缆的电磁信号，通过使用一适当的处理器(25)对信号分析可决定探测器和目标(26)之间的距离，它以在天线(21，22，23)之间距方向的(x)和垂直于该方向的(y)表示。生成一显示器以视觉显示探测器和目标(26)之间距离。若在探测器中加入一测倾传感器，处理器(25)则可补偿调整探测器的倾斜，从而决定探测器和目标(26)之间的水平和垂直距离。通过在一个位置测量探测器和目标(26)之间的距离，而预测它们在第二位置的距离，将探测器移到第二位置，测量在该第二位置处探测器和目标的距离，并比较预测值和实测值。

Description

探测器

本发明涉及一用于探测一导电目标的探测器。特别是(但并不局限于此)它涉及一用于探测一地下导体例如一暗埋的电缆或管道的探测器。

许多不同用途(电力、燃气、电信等)的暗埋电缆和管道网的剧增意味着对地面的任何挖掘可能是在暗埋的电缆或管道的邻近处，而且这种挖掘包含损坏或干扰暗埋电缆或管道的的危险，除非可以准确地知道暗埋电缆或管道的位置。

具体地说，电话、有线电视等光纤通讯系统使用的增长已大大增大了与挖掘有关的问题。这种光纤通讯系统具有比金属导体高得多的通讯能力，但由于损坏或干扰光纤通讯系统的代价是很大的。此外，如果出现损坏，修复光纤通讯线比修复金属通讯线更困难。基于这一原因，光纤通讯系统的所有者和/或经营者一般需要在光纤邻近处进行任何挖掘之前，通过合适的探测系统和直观检测来准确地确定光纤通讯线的位置。实践中，这意味着在邻近处进行任何大范围的挖掘之前，首先须进行一初始挖掘以允许对电缆进行正式检测。此外，每一次用于检测光纤通讯线的初始探测和挖掘都必须沿着光纤通讯线的长度反复地进行，并且这需要大量的时间和尝试。

通过一设置于一手持接收器内的合适的天线组件，一种传统的探测器检测一导体内信号流的交变场。这种装置适于探测光纤通讯线，因为为保护起见，这种通讯线都具有一金属壳，并且可向该金属壳施加一信号并对其进行检测。

在这种传统系统中，用户携带着接收器并反复地在邻近于目标导体处进行测量，直至接收器表明已发现了导体。然后，为了获得前述直观的检测，在由该探测器确定的位置处进行挖掘，直至管道、电缆或者光纤通讯线暴露出来。

本发明第一方面提供了一种具有至少两个天线的探测器，其天线间的间距是已知的，每一天线可测量该目标在两个天线间距方向并且垂直于该方向的电磁场分量，然后提供合适的处理装置来计算出确定探测器相对于产生电磁场的导体的方向与间距的座标信息。在下述说明中，对应于天线间距的方向将被标记为Z方向，而与该目标相交的垂直方向被标记为Y方向。因此，本发明可得出目标相对于探测器的X和Y座标信息。

探测器最好采用地面穿透探头的形式。则当探头穿透地面时，天线检测所要探测的地下目标导体的电磁信号，并能确定探头相对于地下目标的位置。因此，探头可朝向地下目标进入地面且使用者可获得反映探头离目标间距的信息，从而使探头更进一步地接近地下目标而不会产生冒由于外力碰撞而使得探头损坏地下目标的风险。

为确定探测器离目标的间距，探测器上必须提供至少两个隔开设置的天线。由这两个天线检测到的电磁场之差可用于计算探测器离目标的距离(即间距)，以向操作者产生合适的信息。最好提供三个或更多的天线，因为当探测器通过利用检测天线而靠近地下目标时，这可允许进行更精确的测量。当探测器为一地面穿透探头时，这尤为有益，因而当探头非常靠近地下目标时，其探测精度可得以改善。

至少地理论上通过检测两个天线处的电磁场并进行简单的三角学计算，可以确定目标相对于探测器的位置。然而在实践中，很有可能由导体产生的电磁场有偏位现象，例如由于具有其它邻近导体，因此最好给这种处理装置提供适当补偿以修正上述偏位误差。此外，虽然可以使天线具有共用中心的线圈，但使线圈具有偏移的中心通常更实用，但在这种情形中同样也须提供适当的补偿。

虽然可以使每一天线具有两轴线圈，但最好是提供三轴线圈，因为这可得出更进一步的信息，从而可确定目标延伸方向相对于Y方向的倾斜。

在一更进一步的改进中，探测器提供有测倾传感装置，从而可确定探测器因而也就是其X方向相对于垂直方向的倾斜。然后处理装置利用这一倾斜信息，与探测器的定向无关地以目标离探测器的垂直和水平间距(两参数)来确定目标所在的位置。这一点是重要的，因为很难使任何操作者保证探测器处于绝对垂直的状态。

本发明的这一方面可用于探测能传输电磁信号的任何导电目标。如前所述，本发明主要涉及通过向暗埋光纤通讯线的金属壳施加信号并且检测由其产生的电磁场来探测暗埋的光纤通讯线，但本发明并不仅限于该应用领域。

如前所述，探测器最好带有三个或多个天线，因为当探测器接近目标时，它可进行更精确的测量。由于可通过任一对天线来确定目标相对于探测器的位置，因此根据探测器与目标间的间距可以改变天线对的选择。当自动地进行时，这种天线对之间的转换就代表了本发明的一第二个不同的方面。

亦如前所述，本发明的探测器可以具有三轴天线，以用于确定要探测的目标的相对位置，以及目标的延伸方向相对于Y方向的倾斜角度。结果可以预测将由位于探测器当前位置近旁但仍隔开一定距离的目标所产生的磁场。如果探测器之后移向那位置，并测量磁场，则测得的磁场与预测磁场之间的对应性给出这种测量之置信度的大小。通过移动该探测器一预定的横向位移可以完成这一操作。但是，通过改变探测器相对于垂直轴的倾斜也可取得类似的效果。由于可由一测倾传感器测量倾斜的变化，则无须移动探测器一预定的距离，因为测倾传感器确定倾斜的任何变化。这就简化了操作者的动作，因为为了测量对目标探测的置信度，操作者仅需改变探测器相对于垂直轴的角度。因此，这种通过移动探测器来获得测量之置信度代表了本发明的一第三个独立方面。

如果探测器为一地面穿透探头，则由一钻探装置来构成这种探头是很正常的，通过操作者将该钻探装置钻入地面地下目标的邻近位置处。使用天线的信息，探测器可以使探头尖端更加接近地下目标，因为操作者获得有关于两者间间距的信息，并可正确地控制探头的移动。

探头可以有一外壳，而探头的其余部分则可从外壳上取下。然后，探头与外壳一起插入地面，直至到达了暗埋的目标，并且然后将探头的其余部分从外壳取下，以允许进行观测或维修。例如，可向外壳内插入一内窥镜以给出有关地下目标的直观信息。外壳可留下以用于后续进入，或用作一标识器。

另外，探头留下一空洞，因为这可允许通过内窥镜或其它检测装置对地下目标进行直观(视觉)检测，内窥镜或其它检测装置插入由探头留下的空间内，该空间是当探头达到与地下目标非常接近并离开地面而留下的。

当探头为一钻探装置时，天线的信息可用于控制该钻探装置。例如，当探头离地下目标很远时，钻探力可以较大从而探头可很快地移向地下目标。当探头接近地下目标时，并且为了防止外力碰撞的影响，钻探力可减小从而当探头到达与地下目标非常邻近处时，使钻探力极低。

在本发明的上述方面，天线检测目标的信号。一般地，是由一独立的发送器向目标导体施加信号。然而，如果一地面穿透探头使用这种系统来探测地下目标，由具有当探头穿透地面时可能会碰到其它目标的危险。对于非金属目标，可通过提供其它检测传感装置来解决这一问题，例如通过雷达或加速度计能保证探头的移动可停止或者刚好在碰撞到该目标之前停止。所述的其它检测装置也可用于有关固体目标的特定检测和/或探测任务。但是，如果地下目标有一导体，则探头可带有一发送器，它发送能在地下目标上进一步感应(其它)信号的信号，然后可检测到上述更进一步的信号。例如当在要探测的位置处有不同导体的稠密网络时，这可能是有益的。

另外，探头可根据作用于目标上的信号、例如50HZ或60HZ的交流电或无线电信号来检测和探测地下目标。

在另一改进中，目标上可能有一个或多个能发送一预定信号的装置。这种发送器是已知的，例如从畜牧业，它们被称作射频信息装置系统(RFID System)探测器上提供有用于检测这些发送装置的装置，因此可获得有关目标的进一步的信息。

在本发明中，可确定目标与探测器的空间关系。因此，根据本发明，可以产生一表示其空间关系的直观(视觉)显示，而不仅是例如改变频率的听觉信号。因此，这种直观显示的产生构成本发明的第四个方面。

在该第四个方面，探测器例如地面穿透探头的操作者为了控制探测器的移动，可以利用这一直观显示。当探测器为一地面穿透探头如一钻头时，用户可以改变显示并且改变钻头移动的方向，从而使钻头靠近地下目标。因此用户可以确保钻头总是朝向地下目标。由于用户可获知有关间距的直观显示(当探头接近目标时，可以改变显示的放大倍数)，因此当探头离目标非常邻近时，用户就可停止探头的移动。然而如前所述，最好是可根据本发明的第二个方面自动控制探头的移动速度，以减小意外损坏目标的危险。

该第四方面的直观显示最好是一平视显示，它可在用户的正常视线方向显示有关探头与地下目标的空间关系。这具有使用户同时观看显示并且同时观看探头的移动之优点。

实际上，这种(头顶)平视显示可以用于其它类型的探测器并且因而构成了本发明的第五个方面。

通常的情况是要探测的位置有若干相邻的目标。例如，需要不同用途类似线路的电缆意味着地面穿透探头的操作者常常需要了解该特定位置的所有地下目标。如果所有地下目标产生相同的电磁信号，则探测器的天线将仅记录所产生的总磁场。但是，如果向不同的地下目标施加不同的信号，例如不同频率的信号，则通过对所接收到的信号进行合适的调制，探测器可以区分不同的目标。因此，通过适当的分析，可以确定探测器离每一地下目标的间距，并且每一地下目标显示于显示器上。因此，操作者可以获知表示该位置处所有地下目标之位置的信息。这一点很重要，例如在确保地面穿透探头仅靠近具体有关的地下目标而避开其它地下目标方面。由于操作者获知有表示各目标的相关位置的直观显示，因为其相对于探测器的位置是已知的，所以操作者可以使地面穿透探头进入与一个地下目标非常接近的位置，而避免触及该位置处的其它地下目标。

作为向地下目标施加不同信号的一种变化形式，但实践中并不常用，如果地下目标携带有前述运行信号，且每一运行信号产生一用于区别具体地下目标的编码信号，则可以区分该位置处的地下目标。由于探测器然后可检测用于识别该位置处的地下目标数目的信息，因而该探测器可以将其接收到的信号分解成对应于不同目标的不同分量。

如前所述，地面穿透探头朝向地下目标穿入地面。对于很软的地面，只需用户向地面穿透探头施加作用力就可完成这一穿入，但最好提供一机械驱动装置。

根据本发明的第六个方面，这种驱动是由反转的质量来提供。如果两个质量绕一枢轴点以某角速度旋转，则在枢轴点会产生一净力，它取决于两质量间的相位以及质量本身。通过适当地设置这些质量以及其间的相位，可以使力的变化设置成使其向下力的幅度大于任何向上的力，即使对于整个时间的平均力为零。则为了使穿透探头移动，探头必须克服相对于地面间的摩擦，驱动力可设置成使向下的力足以将地面穿透探头压入地面，而向上力则不足以克服摩擦，从而不能使地面穿透探头上移相同的距离，所以具有一向下的净移动。类似地，通过调整质量旋转的相位，可以重新设置该系统，从而使向上力的大小超过向下力的大小，因此地面穿透探头将会从地面脱出。最好是使用两对这种质量以抵消横向力。

下面结合附图，以示例的方式详细描述本发明的实施例，其中：

图1是反映本发明所述的地面穿透探头与地下目标间关系的原理图；

图2表示从顶上看时图1所示的地面穿透头；

图3表示测量图1所示的地面穿透探头与两个地下目标间关系的原理图；

图4表示图1的地面穿透头相对于地下目标的移动；

图5A表示图1的地面穿透探头的实例；

图5B更详细地表示该实例的手柄；

图5C更详细地表示图5A之实例天线内线圈的布置；

图6表示用于图1之地面穿透探头的信号处理系统；

图7为表示本发明一探测器的具体实施例的原理图；

图8～10为图7的实施例中的工具头的视图，其中图8为横截面图，图9为平面剖视图，而图10则为一局部侧视图；

图11a和11b表示图8～10的工具头内偏心质量的运动；

图12为图8～10之工具头内所具有的加速度特性曲线；

图13为图7之探测器的平视显示器产生显示的原理图；

图14表示本发明另一实施例所述的便携式探测器；

图15更详细地表示了图14之实施例的探测器及其显示装置；而

图16示出了图15之显示装置产生的典型的显示。

正如上面已描述的，上面所讨论过的本发明的各个方面均基于检测探测器与(地下)目标的间距。本发明尤其涉及检测一地面穿透探头与一地下目标间的间距，但并不局限于此。下面结合图1～4描述构成这种检测之基础的基本原理。

首先参照图1，一地面穿透探头24上具有三个天线21、22、23。天线用于检测地下目标26、如地下带电的导体所产生的电磁场。这种能够检测这种(电磁)辐射的天线之结构其本身已公知，因此将不再进一步讨论。

一天线21设置于地面穿透探头24的尖端，或者离该尖端一已知的距离，另两个天线22、23则沿该地面穿透探头24分别离开第一天线21已知的距离S₁和S₂。地面穿透探头24确保天线21～23具有已知的间距和固定的方位，从而使被其检测到的信号可进行处理。

当地面穿透探头24进入地面接近于一带有一交流(AC)信号的地下目标26时，天线21和22将检测到电磁场，使得位置矢量V₁和V₂可被计算出，并且如以X和Y位置座标确定地面穿透探头24离地下目标26的间距。这种计算可通过一合适的处理器25完成，而该处理器25则经探头24与天线21～23相连。

因此，如果：

B为天线21处检测到的总磁场，

T为在天线22处检测到的总磁场，

Bh为在天线21处的水平分量，

Th为天线22处磁场的水平分量，

Bv为天线22处磁场的垂直分量，

则X和Y位置座标由下式给出： $Y=\frac{\mathrm{SI}\frac{\mathrm{Bh}}{B}(\frac{\mathrm{Bh}}{B}+\sqrt{\frac{B^2}{T^2}-\frac{{\mathrm{Bv}}^2}{B^2}})}{\frac{B^2}{T^2}-1}$ $X=Y\frac{\mathrm{Bv}}{\mathrm{Bh}}$

由于可以计算X和Y座标，因此可求出矢量V₁和V₂的位置。这些方程对于单个导体之简单情况来说是这样的，并且作为示例而给出。

此外，如果每一天线21～23都建立在一三轴正交天线系统上，也可得到第三向矢量V₃，如图2所示，从而推导出地面穿透探头24相对于地下导体26的平面转角θ。因此，通过测知X、Y座标以及θ角，用户可以得到反映地面穿透探头24、并且特别是其尖端离地下目标26之间距的信息。然后用户可指引(控制)该地面穿透探头24的移动以减少上述间距，例如(通过)使地面穿透探头24的尖端迅速接近地下目标26。

由上述描述可看出，为了确定地面穿透探头24的尖端与地下目标26的间距，仅需两个天线21、22。然而，当地面穿透探头24到达(靠近)地下目标时，可能需要利用第三天线23来确定间距，如图3所示。当间距小时，通过第一和第三天线21、23的测量可更加精确地测量到探头24之尖端离地下目标26的间距。

而且，图3还表示当探头24的尖端靠近地下目标26时，产生其它电磁场如目标27的效果下降了，因为仅当探头尖端离地下目标26很近时才使用天线23。天线间距与地下目标距离比率的变化将会降低来自于目标27的信号的相对效果，使之区别于所需的地下目标26。此外，已知的离地下目标26的近距离也能使确定信号流的方向以及大小比仅使用较远隔开的天线更可靠。

正如前面所提及，处理器25确定探头24的尖端离地下目标26的间距。因此，如果探头24方位的角度改变了，这也不会影响探头24尖端离地下目标26的间距。因此，如果地面穿透探头24从图4中的位置A向B转动一个角度φ，对地下目标26之位置的测量将不会变化。类似地，如果探头24横向移动，如移动到图4中的位置C，则从位置A到C的横向移动相应于目标26相对于探头24位置的变化。换言之，目标26会保持其绝对位置。

对导出的位置信号的精度可能构成阻碍的是探测器轴由其准确的垂直位置发生偏斜。这可由结合一任何合适的两轴测倾传感器来克服，该传感器产生与离垂直引力轴的角偏移置相对应的电子数据，通过对探测器的数据进行适当调整可计算目标的准确位置。

如图1和4所述的探测器系统实践上的局限在于它使用具有共用中心和垂直轴的天线阵列。而这在实际采用中是很难达到的，即使采用为(矩形)正交线圈所共用的圆芯；采用独立的螺线管电磁线圈和线圈芯，或者采用其它类型的相应的电磁场传感器阵列，要获得具有高度精确性的共用中心状态也是很难的。因此最好对从天线线圈中心的偏离加入数字补偿调整。

多天线探测器的位置数据精度的另一局限在于其电磁场的干扰。因此需要对所检测磁场的磁场干扰进行数学补偿调整，以提高探测精度，或为导出的数据建立一可靠性值(置信度)。

考虑到由天线接近的中心之偏离以及磁场干扰而必须进行的数学调整意味着前面关于确定X和Y的方程不能使用，而须要使用更复杂的方程(下面将要描述)。结合图1，但假定地面穿透探头24倾斜了一角度Ф，则： $V_2=\stackrel{V_1=\sqrt{x^2+y^2}}{\sqrt{{(x+s_1\cos \mathrm{\Φ})}^2+{(y+s_1\sin \mathrm{\Φ})}^2}}$

然后可以确定天线21与电缆的角度α以及天线22与电缆的角度β，则天线22的垂直线圈内的磁场为： $T_1=\frac{I\cos (\mathrm{\π}-\mathrm{\β})}{V_2}$ 其中I为电缆中的电流。

类似地，天线22线圈的一个水平线圈内的磁场为： $T_2=\frac{I\sin (\mathrm{\π}-\mathrm{\β})}{V_2}\·\cos \mathrm{\θ}$ 并且天线22之垂直于第一水平线圈的另一水平线圈内的磁场为： $T_3=\frac{I\sin (\mathrm{\π}-\mathrm{\β})}{V_2}\·\sin \mathrm{\θ}$ 类似地，天线21的垂直线圈内的磁场为： $B_1=\frac{I\cos (\mathrm{\π}-\mathrm{\α})}{V_1}$ 天线21的一个水平线圈内的磁场为： $B_2=\frac{I\sin (\mathrm{\π}-\mathrm{\α})}{V_1}\·\cos \mathrm{\θ}$ 并且天线21的另一水平线圈内的磁场为： $B_3=\frac{I\sin (\mathrm{\π}-\mathrm{\α})}{V_1}\·\sin \mathrm{\θ}$

由于由天线21、22测得的信号与磁场直接相关，在计算电缆的位置时可直接使用这些信号。

因此，天线22处的总磁场T为： $T=\sqrt{({T_1}^2+{T_2}^2+{T_3}^2)}$ 而天线21处的总磁场为： $B=\sqrt{({B_1}^2+{B_2}^2+{B_3}^2)}$ 因此V₁为一二次方程的解，并且有两个可能的解： ${V_1}^{\left(1\right)}=\frac{S_1}{(\frac{B}{T}-1)}(\sqrt{\frac{{B_2}^2+{B_3}^2}{B}}+\sqrt{\frac{{B_1}^2+{B_2}^2+{B_3}^2}{{T_1}^2+{T_2}^2+{T_3}^2}+\frac{{B_1}^2}{{B_2}^2+{B_3}^2}})$ ${V_1}^{\left(2\right)}=\frac{S_1}{(\frac{B}{T}-1)}(\sqrt{\frac{{B_2}^2+{B_3}^2}{B}}-\sqrt{\frac{{B_1}^2+{B_2}^2+{B_3}^2}{{T_1}^2+{T_2}^2+{T_3}^2}-\frac{{B_1}^2}{{B_2}^2+{B_3}^2}})$

选择解V₁ ⁽¹⁾和V₂ ⁽²⁾中的哪一个完全取决于天线22处水平磁场的(正负)符号： $V_2=\frac{S_1}{(1-\frac{B}{T})}\sqrt{\frac{{T_2}^2+{T_3}^2}{T}}+\sqrt{\frac{{T_1}^2+{T_2}^2+{T_3}^2}{{B_1}^2+{B_2}^2+{B_3}^2}-\frac{{T_1}^2}{{T_2}^2+{T_3}^2}}$

因此， $Y=(B_1-T_1)\·\left[\frac{V_1{V}_2}{B\·V_2-T\·V_1}\right]$ $X=\frac{V_1\sqrt{{B_2}^2+{B_3}^2}}{B}$

如果两水平线圈的轴线不相交，则须对上述计算进行修正。

确定两个天线21、22处一个方向的总的水平磁场(水平磁场之和)H₂

H₂＝B₂＋T₂

类似地，确定两天线21、22垂直方向的水平磁场之和H₃

H₃＝B₃＋T₃

则θ为H₂与H₃之比的反正切。

则如果两线圈轴线相距d，需对X进行修正为：

X_corr＝X＋dsinθ

然后对于探头倾斜的这些偏差加以了修正，并给出从下端传感器21到电缆26的垂直距离D以及从下端传感器21到电缆26的水平距离H

D＝XcosФ＋YsinФ

H＝XsinФ＋YcosФ

图5A～5C更详细地给出了为本发明之一实施例的地面穿透探头的一实例。

在该实施例中，三个天线150A、150B及150C被包置在管状壳160内，从而天线150A、150B和150C间的间距是固定的。因此这些天线相应于图1～4中的天线21～23。

每一天线150A、150B、150C的名义上水平的线圈151和152间成约90°夹角，并且还具有一名义垂直线圈153。当把它们设计置入具有小直径的管状壳160内时，线圈151、152、153不可避免地具有小的长径比，因此小的尺寸变化就会导致显著的垂直度的偏离。此外，每个天线150A、150B、150C的各线圈间的垂直间距意味着三根测量轴线并不共心，虽然这三个天线相互间的垂直间距可由支撑结构154非常精确地控制。支撑结构154一般是由硬质塑料制成，在其适当位置处设有槽，用于装配线圈，如图5C所示。支撑结构154固置于外管状壳160内。当该管用作地面上的便携式探测器时，可在其上设一手柄156，或者它可用作钻探场合中的地面穿透管。管状壳160上设有电气接线装置157(参见图5B)并且也可装设电路板或其它所需的检测装置，例如在158处，或者如在159处设置测倾传感器。

能用作图5中的检测装置158的一种可能的传感器是用于询问收发器型(transponder type)标志信号的传感器。这种标志信号技术已经公知，且传感器是以识别标志的方法来询问该信号。该信号输入一调频到其特定载波频率的收发器。然后探测器内的传感器158向收发器传送能量，通过一调频检波线圈由收发器内的电磁感应对能量进行转换，以向信号中继电路供能。中继电路的输出采用载波频率，但可通过适当装置进行调制，以对识别信号的数据进行编码，并且因而获得了信号所代表的目标。可通过传感器158的接收电路进行解调。当识辨出信号后，就会产生一适当的显示，下面将进行更详细的描述。

上面已提及，如果图1～4的探头横向移动、或转动，则对地下目标26之位置的测量值将不应变化。这就可方便测出地下目标26的置信度。参照图4，假设在位置A处对地下目标26的位置进行了测量，则移动地面穿透探头24一已知距离到位置C处。如果探测器的处理装置知道位置A和C间的横向间距，则通过位置A处的测量就可推算位置C处的测量结果。由于目标26的位置不会改变，并且由于位置A和C间的间距是已知的，因此在位置C处由天线21、21测得的磁场是可预测的。因此，如果将探头24移到位置C并进行测量，则可对位置C处的实际测量值与由位置之A处测量所作的预测值进行比较。如果两者一致，则置信度高和探测目标26的位置精确。但如果位置C处的预测值与其实测值间具有较大的偏差，则对目标26探测的精确性值得怀疑，这样其置信度就低。这一过程需要得知位置A和C间的间距。因此地面穿透探头24的使用者必须将探头移动上述已知的距离。这可能不方便或者实际上很难达到。然而，通过使探头24由图4中的位置A向B转动角度Ф，亦可取得相似的效果。再假设在位置A处进行了测量，则可预测位置B处的测量结果，此时假设已知转角Ф。通过参照图5所述的测倾传感器可以测量转角的值，并且将该角的测量用于上述预测。结果是，使用者无须将探头24移动一已知距离，因为可通过测斜传感器独立地测得倾斜的角度。因此，使用者(先)确定目标在位置A处的位置，(再)倾斜探头24任意合适的角度Ф，然后处理装置根据测得的倾斜角Ф计算出预测值，同时求得在该倾斜角Ф处的实测值。这使得可对实测值和预测值进行比较，以给出测量的置信度。

图6示出了每一天线21～23内的信号处理系统。从各个天线21～23得到的信号IP经放大器30和低通滤波器31传向模/数转换器32。低通滤波器31滤掉信号内所不希望的频率，从而由模/数转换器32产生的信号可传至一数字信号处理器33，以产生幅值和相位信号。图6也示出了该数字信号处理器33可用来控制放大器30的增益。因此由每一天线21～23产生的幅值和相位信号传到微机34，微机34计算X、Y以及θ等确定探头24与地下目标26间的关系的测量值，并且可将其存贮于一合适的记录系统35中和/或用于进行显示36(例如一平视显示器)。

图7示出了本发明的另一实施例。在该实施例中，地面穿透探头为由一工具头41驱动的钻探杆40。该钻探杆40包括前述天线21～23，但这些天线是被包置于钻探杆40内，因此在图7中不可见。工具头41通过基站42和电线43接收电能，基站42本身可包括有电源，或者是由一独立的供电装置44提供电能。该独立的供电装置44在图7的实施例中为车载式供电装置，因此整个系统可移动。基站42也包括前述处理器25，它通过电线45接收钻探杆40内天线的信号，电线45也与用户腰带上的包46相连。因此，该处理器可通过电线45与包46向平视显示器47输送信号，以使使用者马上可以获得有关钻探杆40的尖端离地下目标间的间距的视觉指示。

在基站42内可装备合适的存储器来存储由天线得到的数据，以提供有关钻探杆40相对于地下目标运动的一更永久的记录。如果该系统也被设置成能提供有关其它电磁场源的告示，或者提供有关钻探头40离地下目标非常近的告示，这些告示信号可通过电线45传向基站42和通过包46传向用户的耳机48。

下面参照图8～10描述工具头41对钻探杆40的驱动。

图8之剖视图表示钻探杆40是由一套筒50夹紧于空心轴51上，而空心轴51则刚性地固定于工具头41的壳体52上。手柄53经扭转组件54弹性地连接于壳体52上。在图8中，左侧的手柄53和扭转组件54为剖视，而右侧的手柄53及扭转组件54则为整体视图。扭转组件54降低由钻探头41传向使用者的振动。最好在邻近于一个手柄53处设置一控制开关55，使使用者可以控制钻探杆的动作。

由表示工具头41的平面视图的图9可看出，开关55经一电线56连接到控制电机58的控制装置57上。图10的侧视图中也示出了电机58，它还示出了电机58的独立的壳体59，并也表示了直角齿轮箱60。该齿轮箱60的轴61与电机58相连，并且通过一齿轮组62与一对反转轴63相联。每一这些轴63都刚性地与一偏心轮64相连并且空转地与一相位偏心轮65(phaSed eccentric)相连。采用空转的目的是可调整偏心轮旋转的净效应以使工具头41的壳体52振动，从而根据电机的旋转方向而向下或向上驱动钻探杆40。

下面结合图11a、11b和12a及12b描述这种驱动系统的原理。

首先考虑图11a所示的情况，图中质量m₁和m₂以相同的角速度w绕各自的轴P₁和P₂旋转，但转向相反。则在轴P₁和P₂的支撑区产生按正弦变化的净力f。

接着考虑还有两个质量m₃和m₄分别以角速度w₂绕轴P₁和P₂反向旋转的情况。则如图11b所示，产生仍然为正弦变化的力f₂。因此总的净力取决于质量和角速度，它(角速度)则确定这些质量旋转的相位。

由于力f₁和f₂都为正弦，显而易见一个周期内的净力将为零。因此乍一看地面穿透探头将不移动。然而，这没有考虑地面与地面穿透探头间的摩擦，在进行任何移动之前必须克服这一摩擦。此后才可设置或者向上或者向下的最大的力，并且由于该最大力比(任何)其它力能更大程度地克服摩擦力，所以这会产生地面穿透探头的净移动。

在本发明的该实施例中，轴线P₁和P₂对应于轴63，并且质量m₁和m₂相等，质量m₃和m₄也如此。此外，假设m₃和m₄较小，w₂为w₁的两倍。

再假设质量间的相位被选择或在周期内有一点，此时质量m₁和m₃同时位于点P₁之上并且类似地质量m₂和m₄位于点P₂之上。则合成加速度曲线如图12中的实线所示。图12表示向上加速度的最大值在周期内的任意时刻都大于向下加速度，虽然在整个周期内基于时间的平均加速度将为零。因此必须考虑地面穿透探头与地面之间的摩擦力。假设需要图12中的净加速度X来克服上述摩擦力。则从图12可看出，向上加速度足以克服摩擦阻力，因此地面穿透探头向上移动。然而向下加速度总是不够克服摩擦力，因此地面穿透探头总是没有移动。类似地，将质量的相位设置成使质量m₁和m₃位于点P₁之下并且质量m₂和m₄位于点P₂之下，则总(净)加速度对应于图12中的虚线。可容易看出向下加速度克服摩擦力，从而使地面穿透探头移动，而此时向上力则不这样。

因此，通过适当地控制质量间的相位，则可由旋转质量的作用以及其与摩擦力的相互作用来使地面穿透探头向上或向下运动。

再参照图7，平视显示器47给出有关地面穿透探头相对于地下目标之位置的视觉显示。该平视显示器的结构可采用由Fraser-Nash技术有限公司(Fraser-Nash Technology Limited)生产的显示器，在这种显示器中，一图像投影到一半透明球镜上从而使由该镜发来的光被调准并且可由离开一定距离的视察者看到。

本发明可产生的显示如图13所示。该显示器有三个视窗80、81和82。视窗81是对视窗80内出现之图像绕探头尖端的放大视图。每一视窗80和81显示出地面穿透探头的图像83，一对应于地面的区域84以及一关于地下目标的图像85。因此，使用者可看到地面穿透探头的图像83朝向地下目标图像85的靠近，并且因而可以控制地面穿透探头24的移动，以确得地面穿透探头24在地面内朝向地下目标26的正确的移动。因此，使用者可直接看到对应于地面穿透探头24与地下目标26间的间距的图像。可使用天线21和22来产生视窗80的图像，而可使用天线21和23来产生视窗81的图像。

视窗82具有一第一区域86，该区域给出相对于地面穿透探头纵轴的地下目标的图像85平面视图，并且也给出有关地面穿透探头24与地下目标26间间距的数字数据。

为了使图13中相应于地面的区域84具有一水平表面，则使探头包含一测倾传感器是有益的，因为该测倾传感器的信号可用于产生图13所示的显示。如果探头没有保持在一水平位置，则测倾传感器的信号可用于使图像83相对于区域84倾斜。这不仅对于给使用者给出“探头倾斜了”的告示是有益的，而且也使用户在需要倾斜地靠近目标时控制探头(因为直接接近目标之上的表面是困难的)。在没有这样的测倾传感器时，使用者必须保持探头垂直，但这可通过在探头本身之上设置一例如水准仪来取得。然而，在那种情况下，图13中的显示不会反映探头的倾斜并且对应于表面的区域84的边界将总是垂直于图像83，即使探头本身并不垂直。这不会影响探头向目标靠近的显示，即对应于图像83向图像85的靠近，但图13的显示对了解真实位置的帮助较小。

当一地面穿透探头进入地面向地下电缆移动时，可能产生的一问题是在该电缆的非常邻近处可能会有其它地下目标，例如其它实用电缆。如果都产生电磁信号，则由地面穿透探头的天线检测到的总信号将对应于检测到的合成信号，从而给出对有意义的地下目标之位置的不准确的测量。如上所述，可通过移动地面穿透探头一预定的距离，或使探头倾斜，和比较目标的预测位置与测量到的位置来验证测量是否不准。然而，虽然操作者将知道地下目标没有被准确地探测到，但他不可能对地下目标作准确的探测。但是，如果在将要探测的位置处的地下目标带有不同频率的交流电，则由每一地下目标产生的电磁信号将类似地处于不同的频率，并因而可通过对探测器进行调制而分解出这些信号。因此，如果操作者向在要探测的位置处的每一地下目标通过一合适的电源施加交流电，则探测器可确定以X和Y座标表示的探测器与每一地下目标之间的间距。此外，由于所有地下目标的位置相对于探测器是已知的，则其相互间的位置也是已知的。因此，图13所示的显示可示出一个以上的地下目标。这种第二地下目标的图像示于87。因此，通过向在要探测的位置处之地下目标施加不同信号，地面穿透探头的操作者可获得一示出该位置处所有目标的位置的显示，所以该地面穿透探头可被控制以靠近感兴趣的(有意义的)地下目标，并避开所有其它目标。

作为另一变型，每一地下目标可带有一运行信号。这些运行信号本身是已知的，并有一被调到特定载波频率的收发器。当收发器接收到一处于该载波频率的信号时，则通过一调频拾波线圈内的感应将能量转换给收发器的中继电路，以产生一输出，该输出被调制至载波频率的频率，从而输送用于识别运行信号的编码数据，并且因而识别了所需的目标。如果在一位置处的每一地下目标都携带这样的一运行信号，并且每一运行信号都被调频至不同的载波频率，则通过输入一由例如探测器本身所产生的处于载波频率的信号，可触发任一目标的运行信号以识别该目标。因此，探测器可识别该位置处的地下目标，并再次产生类似于图13的一直观(视觉)显示。

虽然图7～13的实施例使用一钻探杆来构成地面穿透探头，但本发明并不局限于使用这种钻探杆而可使用诸如刀铲(blade)之类的其它穿透探头。而且，虽然示出了采用电机驱动系统来驱动地面穿透探头，也可用其它驱动装置来产生一敲击或振动作用，例如气动、液压或电力装置。在钻探杆上也可设有一机械式止挡件，来限制钻探杆穿入地面一预定的深度。也可在钻探杆上设置其上连接套筒的结构，尤其是当地面松软时，以防止土壤崩坍并保持可见的插入。实际上，可设置合适的真空抽吸装置60(见图7)来吸走穿入地面位置处的物质，从而将非常接近于地下目标处的极细层的物质清理掉。

图14表示一便携式探测器的使用，它是图7所示钻探探头的变型。它包括一大致对应于图5之实施例的探测杆141、以及一信号处理和显示装置142，它一般是由肩或/和腰带支撑；它们分别示于图15中。

图16表示了显示装置142的一种典型形式的显示，它示出了地面和探测器的垂直横截面，以及关于目标线与探测器间间距的位置数据。

虽然上面已描述了探测器用于地下目标的主要应用，但其也可等效地应用于地面或地面以上的长导体，例如应用于探测一制导线。

Claims (28)

1.一具有一地面穿透探头的探测器，所述探头具有至少两个天线(21，22，23)，天线间具有预定的间距(51，52)，天线(21，22，23)用于检测由目标(26)导体发出的电磁信号；

其特征在于：

所述探测器具有用于分析电子信号的装置(25)以确定探测器(24)与目标(26)在天线间距(X)方向及与之垂直的(Y)方向的间距。

2.如权利要求1的探测器，其特征是该探测器包括一地面穿透探头(24)和天线(21，22，23)位于该地面穿透探头内。

3.如权利要求2的探测器，其特征是该地面穿透探头(24)为一钻探设备。

4.如权利要求3的探测器，它具有根据地面穿透探头(24)与目标(26)间的间距控制该地面穿透探头(24)的钻探力的装置。

5.如权利要求2～4之任一项的探测器，其特征是该地面穿透探头(24)具有一外壳(160)，并且该地面穿透探头的其余部分可从该外壳上分离。

6.如前述任一权利要求的探测器，它具有三个天线(21，22，23)。

7.如权利要求6的探测器，其特征是当探测器与目标间的间距大于一预定值时，所述分析装置(25)用于分析由所述三个天线的第一和第二天线所检测到的电磁信号；而当探测器与目标间的间距小于所述预定值时，所述分析装置(25)用于分析所述三个天线中的第一和第三天线的电磁信号。

8.如前述任一权利要求的探测器，它具有一用于在地下目标的导体产生感应信号的发送器。

9.如前述任一权利要求所述的探测器，它具有根据电磁信号产生一表示探头与目标(26)的空间关系的显示的装置。

10.如前述任一权利要求的探测器，其特征是所述的分析装置(25)用于预测可由所述的天线检测到的对应于探测器与目标间不同间距的电磁信号。

11.如前述任一权利要求的探测器，还包括一测倾传感器。

12.如前述任一权利要求的探测器，其特征是所述分析装置(25)在确定探测器与目标(26)的间距时可补偿电磁信号的干扰或波动。

13.如前述任一权利要求的探测器，其特征是每一天线(21，22，23)包括至少两个相互垂直的线圈(151，152，153)。

14.如权利要求13的探测器，其特征是每一天线(21，22，23)包括三个相互垂直的线圈。

15.如权利要求13或14的探测器，其特征是线圈的轴线相交。

16.如权利要求13或14的探测器，其特征是线圈的轴线不相交并且所述的分析装置(25)在确定探测器与目标(26)间的间距时可补偿线圈(151，152，153)的相对偏移。

17.前述任一权利要求的探测器与一目标的组合，所述目标具有至少一构成所述导体的运行信号，所述运行信号用于产生一编码信号，所述探测器具有向所述运行信号产生一输入信号以触发该编码信号的装置和用于从所述该运行信号来检测所述编码信号的装置。

18.使用一探测器来探测一目标(26)的方法，其中所述探测器具有第一、第二和第三天线(21，22，23)，该方法包括：

当所述探测器与所述目标(26)的间距大于一预定值时，通过所述第一和第二天线(21，22)检测该目标(26)的导体的电磁信号；及

当该探测器与该目标的间距小于所述预定值时，通过该第一(21)和该第三天线(23)检测所述目标(26)导体的电磁信号。

19.具有至少两个天线(21，22，23)，且天线间具有一预定间距的探测器，该天线(21，22，23)用于检测一目标(26)导体的电磁信号；

其特征在于：

该探测器具有预测电磁信号的装置(25)，根据对在一位置由该天线(21，22，23)所检测到的电磁信号的分析，可由该天线(21，22，23)在另一位置检测上述预测电磁信号。

20.如权利要求19的探测器，它还包括一测倾传感器。

21.用一具有至少两个天线(21，22，23)的探测器探测一目标(26)的方法，包括：

当该探测器位于第一位置时，用所述天线(21，22，23)检测目标(26)导体的电磁信号；

将该探测器由所述第一位置移向一第二位置；及

当该探测器位于所述第二位置时，用所述天线(21，22，23)检测目标(26)导体的电磁信号；

其特征在于：

当该探测器位于所述第二位置时，可根据在第一位置检测到的电磁信号进行预测可由该天线(21，22，23)检测的目标(26)导体的电磁信号；及

当该探测器位于所述第二位置时，对预测到的电磁信号与检测到的电磁信号进行比较。

22.如权利要求21的方法，其特征是该探测器由第一位置向第二位置倾斜，并且通过一测倾传感器来检测这一倾斜，而且测得的倾斜值用于预测可由探测器在第二位置检测的电磁信号。

23.一具有用于检测一目标导体之电磁信号的装置(21，22，23)的探测器，其特征在于：

所述探测器具有根据电磁信号生成一表示探测器与目标的空间关系之显示器(47)的装置。

24.如权利要求8或23的探测器，其特征是用于生成显示的装置(47)为用于探头操作者的一平视显示器。

25.任一权利要求8、23或24所述的一探测器与至少两个目标的组合，每一目标具有一导体并且每一导体产生电磁信号，每一导体的电磁信号不同，其特征是生成显示的装置用于显示这两个目标间的空间关系。

26.一探测器具有用于检测一目标(26)导体之电磁信号的装置，以及用于根据该电磁信号产生一显示的装置(47)，其特征在于：

用于产生一显示的装置为一平视显示器(47)。

27.一地面穿透探头，具有一将该探头驱入地面的驱动装置，该驱动装置具有一对质量件(M₁，M₂，M₃，M₄)，这些质量件可绕一枢轴点(P₁，P₂)转动，并且还具有将这些质量件以一相反的方向和具有预定的相位绕相应的枢轴点驱动的装置。

28.如权利要求27的探头，具有两对质量(M₁，M₂，M₃)，每对以在其质量件之间的预定相位绕一相应的枢轴点(P₁，P₂)驱动。

Images