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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Ortungseinheit und ein Verfahren
zum Orten bzw. Lokalisieren eines elektrisch leitenden Objekts.
Die Ortungseinheit und das Verfahren sind insbesondere geeignet
zum Messen der Position und Orientierung von vergrabenen Untergrundobjekten,
wie Kabel und Röhren.
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ZUSAMMENFASSUNG
DES STANDES DER TECHNIK
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Gegenwärtig gibt
es eine zunehmende Verbreitung von Untergrundobjekten, wie eine
Verkabelung, Röhrenverbindungen,
Schächte
etc., die Versorgungsgegenstände
wie Gas, Elektrizität
und Telefonleitungen führen.
Demzufolge ist es kritisch geworden, dass Personen, die z.B. bei
Ausgrabungsarbeiten beteiligt sind, den Ort der Objekte kennen,
bevor die Arbeiten begonnen werden, sodass durch eine zufällige Beschädigung unnötige Kosten
und Unannehmlichkeiten nicht auftreten.
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Die
US-A-4.390.836 beschreibt zum Beispiel eine Ortungseinheit und ein
Verfahren zum Bestimmen der Position einer vergrabenen Pipeline
und zum Erfassen eines Leckstroms in ihrer isolierenden Beschichtung.
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Ein
anderes typisches Zielobjekt für
eine Ortungseinheit ist ein Kabel, welches eine leitende Komponente
umfasst, beispielsweise eine Metallumhüllung oder eine Verdrahtung.
Ein elektromagnetisches Feld, welches empfänglich für eine Erfassung durch eine
Ortungseinheit ist, kann in einem derartigen Kabel zum Beispiel
durch die Anwendung eines Signals auf die Kabelhülle oder auf die Verdrahtung über einen
geeigneten Sender oder einen Wechselstrom, der durch das Kabel geführt wird,
erzeugt werden.
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Vergrabene
faseroptische Kommunikationssysteme weisen wegen der Schwierigkeit
einer Reparatur von zerstörten
faseroptischen Kabeln und der potentiell großen Anzahl von Kunden, die
durch die Beschädigung
betroffen sein können,
besonders hohe Kosten in Verbindung mit ihrer Beschädigung auf.
Faseroptische Kabel haben jedoch gewöhnlicherweise eine schützende Metallumhüllung, die
verwendet werden kann, um sie lokalisierbar zu machen, wie voranstehend
beschrieben.
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Die
WO-A-95-30913 offenbart eine Ortungseinheit in der Form einer Bodenpenetrationssonde, die
beabstandete Antennen innerhalb der Sonde aufweist, wobei jede der
Antennen elektromagnetische Signale von einem vergrabenen Untergrundobjekt, beispielsweise
einem Kabel, erfasst. Die elektromagnetischen Signale von den Antennen
werden analysiert, um die Trennung der Ortungseinheit und des Objekts
in der Richtung der Beabstandung der Antennen und auch in der senkrechten
Richtung zu bestimmen. Dies ermöglicht,
dass eine Anzeige visuell die Trennung der Ortungseinheit und des
Objekts zeigt.
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In
der Anordnung, die in der WO-A-95-30913 offenbart ist, weisen die
Antennen identische Antennenelement-Felder auf, wobei die Antennenelement-Felder
durch Erfassungsspulen gebildet sind. Obwohl es möglich war,
dass jede Antenne ein Feld mit einer horizontalen und einer vertikalen
Spule aufweist, offenbart die WO-A-95-30913 auch Anordnungen, bei
denen jede Antenne drei zueinander senkrechte Spulen zum Erfassen
von Magnetfeldern aufweist, eine Spule in der Richtung der Beabstandung der
Antennen und die anderen zwei in zwei zueinander senkrechten Richtungen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist auf die Erkennung gestützt, dass von Antennen, die
alle nicht identisch sind, eine ausreichende Information abgeleitet werden
kann. In ihrer größten Allgemeinheit
schlägt die
vorliegende Erfindung deshalb eine Ortungseinheit mit wenigstens
zwei voneinander beabstandeten Antennen vor, wobei diese Antennen
Antennenelement-Anordnungen aufweisen, die nicht identisch sind.
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Beim
Ableiten der Position eines versteckten Objekts relativ zu der Ortungseinheit
ist eine wichtige Messung der Abstand zwischen der Ortungseinheit und
dem versteckten Objekt, gemessen in der Längsrichtung der Ortungseinheit.
Diese Richtung (die nachstehend als die X Richtung bezeichnet wird)
ist besonders wichtig, wenn die Ortungseinheit eine Bodenpenetrationssonde
ist.
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Obwohl
die Antennen, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden,
nicht alle identisch sind, müssen
sie insgesamt ausreichende unterschiedliche Messungen des elektromagnetischen Felds
von dem versteckten Objekt bereitstellen, um zu ermöglichen,
dass der Ort dieses versteckten Objekts bestimmt wird. Deshalb muss
die Anordnung der Detektoren für
elektromagnetische Felder (Antennenelemente) der Antennen bestimmte
minimale Bedingungen erfüllen.
Somit weisen die zwei oder mehreren Antennen zum Messen von elektromagnetischen
Feldern zusammen wenigstens vier Detektoren für elektromagnetische Felder
(Antennenelemente) auf, von denen die ersten und zweiten Antennenelemente
Feldkomponenten in einer Richtung (der Y Richtung) messen, die senkrecht
zu einer ersten Richtung ist, in der die ersten und zweiten Antennenelemente
angeordnet sind (der X Richtung), die hier auch als die Richtung
der Trennung der ersten und zweiten Antennenelemente definiert ist.
Diese Komponenten werden dann verwendet, um die Trennung der Antennen
und des versteckten Objekts in einer Richtung (der X Richtung) zu
bestimmen, die parallel zu der Richtung der Trennung der ersten
und zweiten Antennenelemente ist. Das dritte Antennenelement in
der X Richtung misst Komponenten und das vierte Antennenelement
misst Komponenten in einer Richtung (der Z Richtung), die zueinander
senkrecht zu der X und Y Richtung ist. Die Antennenelemente sind unter
den Antennen so verteilt, dass wenigstens eine Antenne eine Komponentenrichtung
misst, die nicht durch wenigstens eine der anderen Antennen gemessen
wird. Eine geeignete Verarbeitungseinrichtung verwendet die Unterschiede
zwischen (und manchmal die Absolutwerte) der Messungen, die von den
Antennenelementen durchgeführt
werden, um eine Positions- und
Orientierungs-Information eines Zielobjekts in Bezug zu der Ortungseinheit
abzuleiten.
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Ein
Vorteil von Anordnungen in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung ist, dass eine einfachere Ortungseinheit
mit weniger Antennenelementen bereitgestellt werden kann, die Ortungseinheit
aber trotzdem in der Lage ist, einen Betreiber mit ähnlicher
Richtungs-, Abstands- und Orientierungs-Information zu versorgen, die für einen
Betreiber der Ortungseinheit der WO-A-95-30913 verfügbar ist.
Somit kann Information bereitgestellt werden, die ähnlich zu
der Information ist, die durch die Ausführungsform der Ortungseinheit
der WO-A-95-30913 zugeführt
wird, aber mit einer Ortungseinheit, die nur vier Antennenelemente
aufweist.
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Normalerweise
werden die Antennen innerhalb einer Gehäuse-Ortungseinheit angeordnet
sein, sodass eine Antenne in der Nähe von einem Ende der Ortungseinheit
ist und die anderen Antennen dann beabstandet davon innerhalb des
Gehäuses angeordnet
sind. Die Ortungseinheit wird dann verwendet werden, wobei die eine
Antenne in der Nähe von
einem Ende davon vorzugsweise ein Ende ist, welches am nächsten zu
dem versteckten Objekt gebracht wird. Diese eine Antenne wird deshalb
die stärksten
Signale erfassen und somit wird bevorzugt, dass eine Antenne durch
die ersten und dritten Antennenelemente, die vorher erwähnt wurden,
gebildet wird. Dies bedeutet, dass die Messungen der Y Richtung
und eine der Messungen in der X Richtung auf die stärksten Felder
gestützt
sind, die durch die Ortungseinheit erfasst werden.
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Das
zweite Antennenelement ist dann in einer zweiten Antenne, die von
der ersten in der X Richtung beabstandet ist. Es würde auch
möglich sein,
dass das vierte Antennenelement in der zweiten Antenne enthalten
ist, oder sogar in der ersten, aber es wird bevorzugt, dass es ein
Teil der dritten Antenne ist und diese dritte Antenne zwischen den
ersten und zweiten Antennen angeordnet ist, wobei sämtliche
drei Antennen eine gemeinsame Achse teilen.
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In
einer weiteren Entwicklung umfasst die zweite Antenne das zweite
und ein fünftes
Antennenelement, wobei das fünfte
Antennenelement in der Lage ist Feldkomponenten in der X Richtung
zu messen. Die Messung einer zusätzlichen
X Komponente durch die Ortungseinheit kann durch die Verarbeitungseinrichtung
verwendet werden, um die Positions- und Orientierungs-Berechnungen
zu ergänzen, die
voranstehend beschrieben wurden. Jedoch ist es oft der Fall, insbesondere
in städtischen
Situationen, dass das elektromagnetische Feld, dass durch ein Objekt
erzeugt wird, durch Felder verzerrt wird, die durch andere leitende
Objekte, beispielsweise parallele Kabel, erzeugt werden. Wenn dies
auftritt können eine
X Komponenten-Amplitude und -Phaseninformation, die durch das dritte
und fünfte
Antennenelement gemessen wird, durch eine in geeigneter Weise konfigurierten
Verarbeitungseinrichtung verwendet werden, um eine Kompensation
für die
Verzerrung bereitzustellen.
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Während einer
elektromagnetischen Erfassung kann auch eine Common-Mode-Störung bzw. Interferenz
ein Problem sein. Dies tritt auf, wenn elektromagnetische Signale
nicht nur von dem Objekt, sondern auch Quellen, wie einem Sender
oder angrenzenden Metallarbeiten, empfangen werden. Bei einer anderen
Entwicklung umfasst die dritte Antenne deshalb das vierte und ein
sechstes Antennenelement, wobei das sechste Antennenelement in der Lage
ist Feldkomponenten in der Y Richtung zu messen. Die Bereitstellung
einer dritten Y Komponenten-Messung kann die Verarbeitungseinrichtung
(die wiederum in geeigneter Weise konfiguriert ist) in die Lage
versetzen eine Common-Mode-Störung
zu erfassen und zu kompensieren.
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Ein
Typ von Antennenelement, welches sich für die Zwecke unseres Vorschlags
eignet, ist ein Spulen-Antennenelement. Wenn ein elektromagnetisches
Feld durch eine derartige Spule geht, dann ist die Achse der Spule
die Richtung der Feldkomponente, die von dem Antennenelement gemessen
wird. Jedoch können
die Formen und Dimensionen von geeigneten Spulen vielfältig sein.
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Typischerweise
sind die Antennen entlang eines Empfängers angeordnet, der in der
Form eines Blatts sein kann, welches im Wesentlichen in einer Ebene
liegt, die die X und Y Richtungen enthält. Wenn die Ortungseinheit
eine in der Hand gehaltene Einrichtung ist, wird normalerweise das
proximale Ende des Empfängers
an einem Ende des Körpers der
Ortungseinheit angebracht, wobei der Körper einen Griff an dem anderen
Ende aufweist. Die erste Antenne wird dann gewöhnlicherweise in Richtung auf
das distale Ende des Empfängers
hin angeordnet.
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Wenn
z. B. Untergrundkabel mit einer in der Hand gehaltenen Einrichtung
lokalisiert werden, hält der
Betreiber die Ortungseinheit (Lokalisierungseinheit) so, dass der
Empfänger
nach unten weist. Durch Schwenken des Empfängers nach links und rechts
(in der X-Y Ebene eines Blatt-Empfängers), wenn er geht, kann
er dem Verlauf eines Kabels folgen, wobei er durch Anzeigen geführt wird,
die durch einen Ausgang von der Verarbeitungseinrichtung gesteuert
werden. Die Anzeigen können
Darstellungen auf einem LCD Bildschirm und/oder ein Audiosignal, das
von einem Lautsprecher emittiert wird, sein.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Ausführungsformen
des Vorschlags werden nun ausführlich
mit Hilfe eines Beispiels unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren
beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht der Beziehung zwischen drei Antennen und einem
Kabelzielobjekt;
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2 eine
Entsprechung zur 1, die aber nur die X-Y Ebene
zeigt;
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3 die
Antennen der 1, gedreht um einen Winkel θ um ihre
gemeinsame Achse;
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4 die
Antennen der 2, versetzt um einen Abstand
d in der Y Richtung; und
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5 einen
schematischen blattförmigen Empfänger.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG
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Wie
voranstehend beschrieben ist ein grundlegendes Betriebsprinzip der
Ortungseinheit, dass durch Verschieben und Drehen der Ortungseinheit ein
Betreiber Messungen verwenden kann, die von Signalen abgeleitet
werden, die durch die Antennenelemente erfasst werden, um die Position
und Orientierung eines leitenden Objekts festzustellen, wobei ein
typisches Objekt ein vergrabenes Untergrundkabel ist.
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In
einer ersten Ausführungsform,
die in 1 gezeigt ist, weist die Ortungseinheit drei Antennen
auf, die entlang einer Achse 1 angeordnet sind, die der
X Richtung entspricht. Die Antennen werden in einem Gehäuse (in 1 nicht
gezeigt) angeordnet sein, wobei dieses Gehäuse so orientiert werden wird,
dass eine erste der Antennen am nächsten zu der erwarteten Position
eines Untergrundkabels 2 ist, dass lokalisiert werden soll.
Die erste Antenne 3 weist zwei Antennenelemente auf, die
Feldkomponenten in der X bzw. Y Richtung messen. Die zweite Antenne 5,
die die Antenne ist, die am weitesten von der ersten Antenne weg
ist, weist ebenfalls zwei Antennenelemente auf, die Komponenten
in der X bzw. Y Richtung messen. Die dritte Antenne 4,
die in der Mitte zwischen der ersten und zweiten Antenne angeordnet
ist, weist ein einzelnes Antennenelement auf, welches Komponenten
in der Z Richtung misst.
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Wenn
ein Kabel 2 einen Strom führt, erzeugt dieser ein achsensymmetrisches
elektromagnetisches Feld 6, wie schematisch in 2 gezeigt.
Eine Absicht des Betreibers ist an einer Situation anzukommen, bei
der die Ortungseinheit so positioniert ist, dass ihre Achse 1 senkrecht
und in Richtung auf das Kabel gerichtet ist und die Kabelrichtung
der Z Richtung entspricht. Wenn dies auftritt werden die Y Komponenten,
die durch die erste 3 und zweite 5 Antenne gemessen
werden, maximiert werden (für
einen gegebenen Abstand der Ortungseinheit von dem Kabel), und die
X Komponenten die durch die erste 3 und zweite 5 Antenne
gemessen werden, werden Null sein, genauso wie die Z Komponente,
die durch die dritte Antenne 4 gemessen wird. Ferner können die
relativen Stärken
der Y Komponenten, die an der ersten und zweiten Antenne gemessen
werden, durch die Verarbeitungseinrichtung verwendet werden, um
den Abstand des Kabels von der Ortungseinheit zu berechnen. Wenn
die Ortungseinheit in dieser Situation ist, kennt der Betreiber
somit die Richtung, den Abstand und die Orientierung des Kabels
in Bezug auf die Ortungseinheit.
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Der
Betreiber kann in Richtung auf die obige Situation durch Messsignale
von den Antennen geführt
werden, wenn die Ortungseinheit in Bezug auf das Kabel verschoben
oder gedreht wird.
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Wenn
unter Bezug auf die obige Situation die Ortungseinheit somit eine
Drehung θ um
ihre Achse 1 (wie in 3 gezeigt)
durchlaufen hat, wird die Stärke
der Y Komponenten, die durch die erste 3 und zweite 5 Antenne
gemessen werden, verringert werden, während die durch die dritte
Antenne 4 gemessene Z Komponente vergrößert werden wird. Diese Information
kann durch die Verarbeitungseinrichtung verwendet werden, um die
Winkelverschiebung θ des
Kabels 2 um die Achse zu berechnen.
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Wenn
die Ortungseinheit ferner um einen Betrag d von der voranstehend
beschriebenen Situation in eine Richtung senkrecht zu dem Kabel 2 (wie in 4 gezeigt)
versetzt worden ist, dann werden die zwei Y Komponenten-Messungen
verringert werden, während
die X Komponenten, die durch die erste 3 und zweite 5 Antenne
gemessen werden, vergrößert werden.
Diese Information kann durch die Verarbeitungseinrichtung verwendet
werden, um den Versetzungsbetrag d zu berechnen, und zwar in einer ähnlichen
Weise wie diejenige, die in der WO-A-95-30913 beschrieben ist.
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Oft
gibt es andere Kabel 6 (wie in 4 gezeigt)
in der Nähe
des Objektkabels, die eine Feldverzerrung verursachen können. Es
kann dann nicht mehr vernünftig
sein ein achsensymmetrisches Feld, zentriert auf dem Objektkabel,
anzunehmen. Der Hauptzweck des X Antennenelements in der zweiten Antenne
ist dann der Verarbeitungseinrichtung zu erlauben die Verzerrung
zu kompensieren.
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Wenn
die Antennenelemente Spulen-Antennenelemente sind, müssen die
Achsen der Spulen nicht zentral innerhalb jeder Antenne übereinstimmen.
Die WO-A-95-30913 beschreibt auch Berechnungen, die durch die Verarbeitungseinrichtung
ausgeführt
werden können,
um Abweichungen von der Zentrizität der Spulen der Antennen zu
kompensieren.
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Eine
schematische Ansicht eines blattförmigen Empfängers 7, der eine
zweite Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist, ist in 5 gezeigt. Dieser
Empfänger
erlaubt einer Ortungseinheit wie voranstehend beschrieben betrieben
zu werden, aber im Vergleich mit der ersten Ausführungsform weist er eine zusätzliche
Antennenelement-Spule auf, die in der dritten Antenne zum Messen
von Y Feldkomponenten angeordnet ist. Wie voranstehend erwähnt erlaubt
dies der Ortungseinheit eine Kompensation für eine Common-Mode-Störung bereitzustellen.
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Der
Empfänger 7 weist
ein proximales 8 und distales 9 Ende in Bezug
auf einen Ortungseinheits-Körper, an
dem er angebracht werden kann, auf. Die erste Antenne 3,
die in Richtung auf das distale Ende des Empfängers hin gerichtet ist, weist
X 10 und Y 11 Komponentenspulen auf; die zweite
Antenne 5, die in Richtung auf das proximale Ende des Empfängers hin
angeordnet ist, weist ebenfalls X 12 und Y 13 Komponentenspulen
auf; und die dritte Antenne 4, die in der Mitte zwischen
den ersten beiden angeordnet ist, weist Y 14 und Z 15 Komponentenspulen
auf. Die X und Y Komponentenspulen haben alle ihre Spulenachsen
in der Ebene des Blatts, während
die Z Komponentenspule ihre Achse senkrecht zu dem Blatt (d. h.
aus dem Papier heraus) aufweist. Die X und Y Komponentenspulen sind
ungefähr
100 mm lang und ungefähr
25 mm im Durchmesser an ihren breitesten Punkten. Die Z Komponentenspule
ist ebenfalls ungefähr
25 mm im Durchmesser, ist aber jedoch nur ungefähr 25 mm lang. Das Blatt umfasst ein
Gehäuse
(nicht gezeigt), das die Antennen abdeckt und schützt.
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In
einer weiteren Ausführungsform
zeigt die Ortungseinheit auf einen Bildschirm, beispielsweise einer
LCD, die X und Y Verschiebungen des Objekts in Bezug auf die distale
Spitze des Empfängers und/oder
den Winkel θ an.
Die Anzeige kann eine alphanumerische und/oder graphische sein.
Jedoch werden eine Verschiebungs- und Winkel-Information ebenfalls
durch ein Audiosignal dargeboten. Somit kann die Ortungseinheit
einen Lautsprecher umfassen, der einen Audioton mit einer sich verändernden Höhe in Abhängigkeit
von der Verschiebung d oder von dem Winkel θ emittiert. In einer Ausführungsform,
die sowohl visuelle als auch hörbare
Anzeigen umfasst, kann der Betreiber dem Verlauf eines Kabels dadurch
folgen, dass er bei einem gemäßigten Schritt
geht und das Empfängerblatt
von einer Seite zur anderen (in der X-Y Ebene) schwenkt, während er
die Anzeige betrachtet und dem Audioton zuhört.
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Eine
Abnutzung des Empfängers,
insbesondere des distalen Endes, kann wegen der vielen Möglichkeiten,
bei denen der Empfänger
während
einer normalen Verwendung auf dem Boden schleift, ein Problem sein.
Deshalb kann der Empfänger
eine ersetzbare Abnutzungshaube aufweisen, die von dem Empfänger entfernt
werden kann, nachdem eine übermäßige Abnutzung
aufgetreten ist, und die durch eine andere ersetzt werden kann.
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Die
Ortungseinheit umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, die die Signale
verarbeitet, die durch die Antennenelemente erzeugt werden, und die
die voranstehend erwähnten
Berechnungen ausführt.
Die WO-95-30913 beschreibt ein Verfahren zum Erreichen der Signalverarbeitung,
die die Verwendung eines Verstärkers
umfasst. Die voranstehend beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung können
einen manuellen Controller, z. B. einen Stellknopf aufweisen, um
die Verstärker-Verstärkung zu
steuern. Wenn die durch die Antennenelemente erzeugten Signale sich
wegen irgendwelcher Gründe
verändern
(z. B. weil ein Kabel momentan durch ein anderes Objekt abgeschirmt wird
und das elektromagnetische Feld abgeschwächt wird), kann der Betreiber
in dieser Weise manuell die Verstärkung für eine Kompensation einstellen.
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Die
Ortungseinheit kann auch eine Tastatur aufweisen, die verwendet
werden kann, um z.B. Betriebsmoden zu steuern oder die Verarbeitungseinrichtung
zu programmieren. Die Tastatur kann angrenzend zu dem Anzeigebildschirm
sein oder kann optional entfernbar und erreichbar sein, wobei sie
in diesem Fall mit der Verarbeitungseinrichtung über z.B. eine Infrarotverbindung
kommunizieren kann. Die Verarbeitungseinrichtung kann auch über eine Merkmalskarte
(Feature Card) programmierbar sein, die auch verwendet werden kann,
um den Betriebsmodus der Ortungseinheit zu steuern.