CN1646943A - 用于定位掩埋体的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种定位导电土壤(508)中的掩埋体(512)的方法和装置(604，606)，其通过以下步骤来进行定位：在一发送线圈中建立一直流，周期性地结束所述发送线圈中的直流，以使用时域感应在所述导电土壤中建立一涡流，接收由穿过所述导电土壤的所述涡流产生的磁场，以及使用所述接收的磁场来定位所述掩埋体。

Description

用于定位掩埋体的方法和装置

技术领域

本发明涉及时域感应系统和方法，并且更具体地涉及用于识别掩埋体的时域感应系统和方法，其中，所述掩埋体包括至少是部分被掩埋的物体。

背景技术

精确的地下地图在挖掘期间避免了对已有的设施，例如水，气以及电线的损坏。例如，在挖掘沟道以安装新管道之前，施工队必须知道哪里埋有管道以避免损坏它们。缺少施工地点的精确地图导致导致成千上万的管道被破坏以及数十亿的修理花费。

常规的管道定位装置需要一操作员将一发送器直接连接到一管道。在完成所述连接之后，常规装置在所述管道被暴露的地方将一单频率电流发射到该管道中(例如通过连接到消防水龙头处的一水管道)。所述常规装置随后测量在一地表面上得到的磁场。这样的常规装置不能定位至少是部分地暴露在地面上的管道，因为直接连接到这些管道是不可能的。另外，这些常规装置能够在只有单个管道穿过一地点时确定一管道的深度和方向。如果多个管道被埋入有关区域，这些常规装置不能正确地定位它们。

其他类型的常规功能定位装置，其不需要直接地连接到一管道的一暴露的部分，包括波传播系统，例如地面穿透雷达(GPR)装置。基于GPR的波传播应用定位系统在土壤导电性相对低时工作很好，但是当土壤导电性相对高时，由于通过前面所述土壤到达所述管道之前波迅速衰减而不能良好工作。

另一种类型的系统适合用于在导电的土壤中的采矿应用以定位掩埋体。但是这些装置被设计用来检测导电的矿石，聚合体，含水土层，岩床，以及掩埋的垃圾，但是这样的系统不适合于定位掩埋体例如管道，原因是这些系统中的发射天线的几何形状不允许这些系统有效地与具有管道几何形状的掩埋体耦合。例如，McNeill的美国专利5,654,637中描述的一常规的系统，标题为“Method for Detecting Buried High ConductivityObjects Including Scaling of Voltages for Eliminating Noise of a ParticularDepth”(“‘637专利”)，具有一个正方形的发送线圈以及安置在不同高度的两个正方形的接收线圈。在所述‘637专利中描述的系统从所述接收线圈的输出电压的比例来估计掩埋体例如桶的深度。所述系统通过将所述掩埋体模型化为一球形来估计计算其深度。常规系统中使用的球模型不适合于很多种掩埋目标，包括管道，因为由一球发射的场不同于由一细长的物体，例如一管道，发射的场。另外，一单个的正方形线圈不能耦合到直接在其下方的管道，因为通过所述管道的横截面的总感应电流是零，并且所述发射的磁场因远离所述管道而迅速地衰减掉。因此，常规系统在检测掩埋体例如管道时受到其自身能力的严格限制。

符合本发明的一时域感应系统能够克服所述常规系统的缺点。另外，符合本发明的一时域感应系统能够配置在一移动车辆，拖车，或者便携的机架上，以使在所述系统移动时能够形成地表面下图象。

发明内容

本发明提供了用于感应瞬间涡流以及测量由所述瞬间涡流发射的场定位掩埋体的方法和装置。本发明的附加的特征和优点将在后面的描述中阐述，并且将从所述说明变得明显，或者可以通过实施本发明而了解。本发明的特征和其他的优点将通过在说明书以及权利要求以及附图中特别指出的所述方法和装置中认识和获得。

为了获得根据本发明的这些以及其他的优点，如所实施的以及广义地描述的，根据本发明的一系统使用时域感应来识别掩埋体。一种用于定位导电土壤中的掩埋体的装置包括一个发送线圈，一直流发电机，用于向所述发送线圈送电，一时域发送器电流控制器，一磁场检测器，以及一定位器，其使用接收的由穿过所述导电土壤的一涡流产生的磁场来定位所述掩埋体。一种用于定位导电土壤中的掩埋体的方法包括在一发送线圈中建立一直流，周期性地结束所述发送线圈中的直流，以使用时域感应在所述导电土壤中建立一涡流，接收由穿过所述导电土壤的所述涡流产生的磁场，以及使用所述接收的磁场来定位所述掩埋体。

前面的概括描述以及后面的详细描述是典型和示范性的，并且目的是提供如权利要求的本发明的进一步的解释。

附图说明

这里所包括的构成本说明书一部分的附图示出了本发明的实施方式，且与上面给出的本发明的总体描述以及下面给出的所述实施方式的详细描述，用于解释本发明的原理。

图1是符合本发明的使用时域感应来识别掩埋体的一装置的实施方式的框图；

图2是符合本发明的一发送线圈单元的实施方式的框图；

图3是符合本发明的一发送线圈和一接收器的一实施方式的示意图；

图4是符合本发明的使用时域感应来识别掩埋体的一方法的流程图；

图5是符合本发明的具有一时域感应系统的一移动车辆的示意图；

图6是符合本发明的具有一时域感应系统的一移动车辆的示意图；以及

图7是是符合本发明的具有一时域感应系统的一便携单元的示意图。

具体实施方式

公开了一种使用时域感应来识别掩埋体的方法和装置。如这里使用的，“掩埋体”包括完全或者部分被掩埋的物体。图1示出了符合本发明的使用时域感应来识别掩埋体的一装置的实施方式。图1的装置包括系统控制器102，发送线圈单元110以及接收器112。系统控制器102包括时域发送器电流控制器104，直流(“DC”)发电机106，以及定位器108。

系统控制器102为所述系统提供信号处理和信号控制功能。时域发送器电流控制器104控制直流发电机106。适合的商业上可获得的时域发送器电流控制器104以及DC发电机106的例子包括：Geoinstruments的SIROTEM Mk3，GEONICS的TEM47，以及ZONGE的NT20。直流发电机106将一DC信号输入到发送循环单元110。时域发送器电流控制器104控制，例如DC发电机106将一信号施加到发送线圈单元110的接通和断开周期。系统控制器102也包括定位器108，其处理从接收器112接收的信号以确定掩埋体位于什么地方。

使用感应来定位物体在很多雷达不成功的情况下可工作良好。考虑，例如一平面波，其在均匀的土壤中传播，具有导磁率μ₀＝1.256×10^-6H/m，相对介电常数ε_r，以及电导率σ。假定该平面波为具有角频率ω＝2πf的时间谐波。如果所述波沿着所述z轴线传播，所述平面波特性可以使用等式e^ikz来模型化，其中

$k=\sqrt{{\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r+\mathrm{i\ω}{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{\σ}}$

是传播常数。这里，ε₀＝8.85·10^-12F/m并且 $i=\sqrt{-1}.$ 在所述土壤中穿过时所述平面波的衰减由e^-Im(k)z给出，其中Im(k)指示k的虚部。在1996年IEEPress第33页上Daniel的“Surface Penetrating Radar”中的表后面记载有，对于典型的土壤，ε_r是在从2到30的范围中，并且σ是在从10^-6S/m到1S/m的范围中。为了说明雷达方法与根据本发明的感应之间的差别，考虑本发明在具有ε_r＝10以及σ＝0.2S/m湿土中进行操作。典型的用于雷达系统和感应系统的频率分别是400MHz和20kHz。

使用这些参数值，并考虑用于所述传播常数的表达式，所述平面波的衰减对于一雷达信号是e^-(11.0/m)z，而对一感应信号是e^-(0.13/m)z。因此，每传播一米，雷达信号衰减95dB，而所述感应信号衰减仅17dB。结果，在此情况下，仅有所述感应系统可以用于定位被埋入地下超过几厘米的管道，因为其更不易受到基于雷达的系统的高信号衰减。

发送线圈单元110将所述系统产生的信号发到所述系统下面的地中。发送线圈单元110的一实施方式的一框图如图2中所示。如图2中所示，发送线圈单元110包括发送线圈202以及一个可选的线圈几何单元204。发送线圈202传导从直流发电机106接收的DC电流信号。发送线圈202的一实施方式是矩形线圈形状的天线，长度上是大约2米，能够在从0到30khz的频率范围内工作。

线圈几何单元204确定发送线圈202的配置。发送线圈的几何形状是可以控制的以适应不同物体定位应用。例如，当测量停车场时，一更宽的线圈会比较合适。街道的测量可以使用窄的线圈，而正方形的线圈适合于定位埋入地下的垃圾。线圈几何单元204为发送线圈202确定一个适当的形状，使所述线圈牢固地耦合到任意方位的掩埋体。线圈几何单元204的实施方式包括，例如软件，其在给出了特定的测量应用的条件下计算并报告一适当的线圈几何形状，一电动-机械结构，其使一线圈呈现一适当的几何形状，以及一选择器，其在为预先配置的几何形状的发送线圈单元110内的线圈中进行选择。

图3是符合本发明的由线圈几何单元204确定的发送线圈202的一配置的示意图。在图3中，线圈302，304，以及306包括发送线圈202。线圈302和306互相平行。直流发电机106向线圈302和306送电，其建立一瞬间的磁场，所述磁场环绕平行于发送线圈202的移动方向的导体。也接收来自直流发电机106的信号的线圈304创建环绕垂直于运动方向的导体的磁场。电流流过所述线圈的方向由每个线圈中的箭头来指示。因此，当所述线圈经过具有任意方向的物体时，将产生强电流。本专业技术人员将知道其他发送线圈几何形状符合本发明，包括例如，具有平行于地表面的轴的线圈。另外，线圈302，304，以及306可以每个由一个更小线圈的阵列所组成。

接收器112从所述地接收由从发送线圈单元110发射的信号所导致的瞬间磁场。接收器112测量作为时间函数的所述磁场。见例如，GEONICS有限公司(Limited)，Technical Note TN-7，J.D.Mcneill，1980年10月，第5页，图2。符合本发明的接收器112的一实施方式是一接收器元件308的阵列，其与发送线圈202定位在一起如图3中所示。商业上可以得到的适合用于接收器112的接收器阵列元件包括，例如Geoinstmments的具有SIROTEM Mk 3的RVR-3X线圈，GEONICS的PROTEM接收器，以及ZONGE的具有GDP-32的TEM/3磁天线。

定位器108处理来自接收器112的一信号以确定一目标掩埋体的位置。符合本发明的用于定位掩埋体的技术包括，例如，参数转换(见例如，美国专利号＿，与本专利申请同时提交，由Michael Oristaglio，ThorkildHansen，以及Douglas Miller完成的，标题“Method and Apparatus forLocating Objects Using Parametric Inversion”被整体结合在这里以供参考)以及使用球模型的技术。

图4是使用例如符合本发明的图1中的装置来定位一掩埋体的方法的流程图。时域发送器电流控制器104导致直流发电机106向发送线圈单元110中的所述线圈输送电流(步骤402)。时域发送器电流控制器104随后迅速终止流向所述线圈的DC信号，根据例如，线性斜坡函数(步骤404)。本领域的技术人员将会意识到，用于调制电流信号到发送线圈单元110的其他DC(直流)信号控制函数与本发明相一致。包括，但不限于指数、正弦和余弦函数。根据此感应定律，此急剧的终止产生在导电土壤和其他导体中感应涡流的发送线圈单元110的初始瞬时场。更具体的关于感应现象的描述请见Geonics Limited，Technical Note TN-7，J.D.McNeill，October 1980，“Electromagnetic Methods in AppliedGeophysics，”Chapter 6，Society of Exploration Geophysicists，1991。该感应的涡流随时间衰减，且趋向集中于高导电的区域，并导入细长的物体，如导电的管道。

对于一个固定强度的DC信号，感应的磁能随着发送线圈单元110中的线圈的尺寸而增加。因此，由时域发送器电流控制器104控制的DC信号的关断时间随着线圈尺寸而降低。与本发明相一致的时域发送器电流控制器提供关断时间，例如，对于每一边长度为大约100米的线圈，大约为5-50毫秒。当发送线圈单元110中采用更小的线圈时(例如，具有20米边长的矩形线圈)，时域控制器104对直流发电机106产生的信号建立更短的关断时间，例如，大约1.5毫秒。与本发明相一致的适于定位掩埋管道的一个关断时间对3米线圈是10毫秒。NT 20，例如，能够实现这些关断时间。

当发送线圈单元110通过一个埋入地下的导电性物体时，由感应涡流引起的磁场，在一段时间之后，例如100-300皮秒的范围内，大约等于沿导电性物体流过线路电流的磁场。众所周知，来自线路电流的磁场唯一地确定线路电流的位置。因此，接收器112接收由感应的涡流导致的地表面上的磁场(步骤406)。定位器108处理从接收器112接收的磁场信号，以确定所述掩埋体的位置(步骤408)。如果所述掩埋体是不导电的，则感应的涡流将不能在上述物体占据的区域流动，因此产生涡流空隙。接收器112检测到的磁场将由该空隙降低，且定位器108因此能够识别不导电物体的位置。

对上述每个元件所描述的时域感应系统功能都可以以与上面所述不同地分布或组合，并且仍然落入本发明的范围中。例如，一个与本发明相一致的系统可以通过采用执行中央存储器中存储的软件的一个单一的处理器或处理器组来实现，其中，该软件涉及上述每个系统操作。而且，与本发明范围相一致的实施例中，其中描述的函数可以完全通过硬件，或通过在硬件和软件元件中分配上述函数的实施例来实现。

如上述定义的时域感应系统元件的操作提供一个有效的系统，以快速且精确地对所掩埋体进行定位。因此，根据本发明，所揭示的系统元件可以设在多种类型的结构中，包括便携式的和移动的结构，以允许对有关区域的快速且精确的实时测量。

图5是根据本发明的具有一个时域感应系统的移动车辆504的示意图。发送线圈单元和接收器单元506连接到臂505，臂505连接回车辆504，如图5所示。单元506可以包括发送线圈和至少一个接收天线。车辆504可以沿箭头502所示的方向移动。单元506的发送线圈单元部分感应涡流进入地面509。该感应的涡流产生表征所述掩埋体的磁场，如地下管道512，单元506的接收器单元部分可以接收反射的波形。车辆504后部的模块514可以包括系统控制器102的元件，其控制单元506并处理由单元506中的接收器所接收的信号，该内容在图1中有更详细的描述。它还可以为操作者在显示器516上显示所测量区域的图像。

图6是根据本发明的具有一个拖车606的移动车辆604的示意图，该拖车606具有与本发明相一致的时域感应系统。在图6所示的实施例中，发送线圈单元和接收器607位于拖车606中，其连接到车辆604。拖车606，由车辆604拉动，沿箭头602的方向移动。图6的移动车辆还包括显示器516和模块514，如图5中对移动车辆的上述描述。

图7是具有根据本发明的时域感应系统的便携式机架704。在图7所示的实施例中，发送线圈单元和接收器707都位于便携式机架704内。用户712可以采用一个手柄706来引导便携式机架704经过地面508。便携机架704可以具有，例如车轮710或者试车场(没有示出)。便携机架704的一实施方式也可以被制作得足够轻以允许一操作者承载所述整个系统，从而减少对车轮，试车场，或者类似结构的要求，以引导所述机架经过所述地面。

对于本专业技术人员来说很明显可以在不脱离本发明的精神或者范围的情况下对所公开的实施方式进行各种修改和变化。因此本发明目的是在于覆盖落入本发明的权利要求以及它们的等价内容的范围内的修改和变化。

Claims (28)

1.一种用于定位导电土壤中的掩埋体的方法，包括：

在至少一发送线圈中建立一直流；

周期性地结束所述至少一个发送线圈中的直流，以使用时域感应在所述导电土壤中建立一涡流；

接收由穿过所述导电土壤的所述涡流产生的磁场；以及

使用所述接收的磁场来定位所述掩埋体。

2.如权利要求1所述的方法，还包括：

选择一线圈几何形状。

3.如权利要求1所述的方法，还包括：

选择一线圈几何形状以将所述至少一个发送线圈的磁场耦合到一掩埋体。

4.如权利要求1所述的方法，其中定位所述掩埋体的步骤包括子步骤：

测量由流过所述掩埋体的所述涡流产生的一磁场。

5.如权利要求1所述的方法，其中定位所述掩埋体的步骤包括子步骤：

测量被所述掩埋体衰减的一磁场，所述掩埋体阻碍了流过所述导电土壤的涡流。

6.如权利要求1所述的方法，其中定位所述掩埋体的步骤包括子步骤：

使用一参数转换算法。

7.如权利要求1所述的方法，其中定位所述掩埋体的步骤包括子步骤：

使用一球模型。

8.一种用于定位导电土壤中的掩埋体的装置，包括：

至少一发送线圈；

向所述至少一个发送线圈供电的一直流发电机；

一时域发送器电流控制器；

一磁场检测器；以及

一定位器，用于使用所接收的由穿过所述导电土壤的一涡流产生的磁场来定位所述掩埋体。

9.如权利要求8所述的装置，包括：

三个矩形的发送线圈。

10.如权利要求8所述的装置，包括：

至少两个平行的发送线圈。

11.如权利要求8所述的装置，其中

所述至少一个发送线圈的一轴线平行于所述地面。

12.如权利要求8所述的装置，其安装在一移动平台上。

13.如权利要求8所述的装置，其安装在一便携机架上。

14.一种用于定位导电土壤中的掩埋体的装置，包括：

用于在至少一发送线圈中建立一直流的装置；

用于周期性地结束所述至少一个发送线圈中的直流，以使用时域感应在所述导电土壤中建立一涡流的装置；

用于接收由穿过所述导电土壤的所述涡流产生的磁场的装置；以及

用于使用所述接收的磁场来定位所述掩埋体的装置。

15.如权利要求14所述的装置，还包括：

用于选择一线圈几何形状的装置。

16.如权利要求14所述的装置，还包括：

用于选择一线圈几何形状以将所述至少一个发送线圈的所述磁场耦合到一掩埋体的装置。

17.如权利要求14所述的装置，其中用于定位所述掩埋体的装置包括：

用于测量由流过所述埋入地下物体的涡流产生的磁场的装置。

18.如权利要求14所述的装置，其中用于定位所述掩埋体的装置包括：

测量被所述掩埋体衰减的一磁场，所述掩埋体阻碍了流过所述导电土壤的涡流。

19.如权利要求14所述的装置，其中用于定位所述掩埋体的装置包括：

用于使用一参数转换算法的装置。

20.如权利要求14所述的装置，其中用于定位所述掩埋体的装置包括：

用于使用一球模型的装置。

21.一种用于计算机中的计算机程序产品，其适于定位导电土壤中的一掩埋体，所述计算机程序产品包括一计算机可读媒介，用于存储计算机可读代码装置，其在由所述计算机执行时，启动所述计算机来定位一掩埋体，并且其中所述计算机可读代码装置包括计算机可读指令，用于使所述计算机执行一方法，包括：

在至少一个发送线圈中建立一直流；

周期性地结束所述至少一个发送线圈中的直流，以使用时域感应在所述导电土壤中建立一涡流；

接收由穿过所述导电土壤的所述涡流产生的磁场；以及

使用所述接收的磁场来定位所述掩埋体。

22.一种用于定位一媒介中的掩埋体的方法包括：

在至少一发送线圈中建立一直流；

结束所述至少一个发送线圈中的直流，以使用时域感应在所述媒介中建立一涡流；

接收由穿过所述媒介的所述涡流产生的磁场；以及

使用所述接收的磁场来定位所述掩埋体。

23.如权利要求22所述的方法，还包括：

选择一线圈几何形状。

24.如权利要求22所述的方法，还包括：

选择一线圈几何形状以将所述至少一个发送线圈的所述磁场耦合到一掩埋体。

25.如权利要求22所述的方法，其中定位所述掩埋体的步骤包括子步骤：

测量由流过所述掩埋体的所述涡流产生的一磁场。

26.如权利要求22所述的方法，其中定位所述掩埋体的步骤包括子步骤：

测量被所述掩埋体衰减的一磁场，所述掩埋体阻碍了流过所述媒介的涡流。

27.用于在导电媒介中定位一掩埋体的装置，包括：

一时域感应单元；以及

一定位器，用于使用由所述时域感应单元触发的一信号来定位所述掩埋体，而不是仅排他地使用一球模型。

28.用于定位导电媒介中的一掩埋体的方法，包括：

使用时域感应感生一信号进入所述媒介；以及

在所述导电媒介中使用所述时域感应的信号来定位所述掩埋体，而不是仅排他地使用一球模型。

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