KR20140053944A - 안테나 혼선을 사용한 대지 관통 레이더 통신을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents
안테나 혼선을 사용한 대지 관통 레이더 통신을 위한 시스템 및 방법 Download PDFInfo
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Abstract
매장된 물체(26)를 검출하기 위한 트랜스듀서(40, 40')를 갖는 물체 검출 시스템(24)이 개시되어 있다. 트랜스듀서는 강인한, 전자기 관통 구조물(42) 내에 봉입된다.
Description
본 발명은 대지 관통 레이더와 통신하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 매장된 물체의 검출시 안테나 혼선을 사용하는 대지 관통 레이더 통신을 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
잘 개발된 기반시설 혼잡 영역에서 다수의 굴착이 수행된다. 다수의 도시 영역에서 지하 공간의 혼잡은 표면으로부터 매장된 기반시설의 위치를 정확하게 파악하는 것의 곤란성 및 열악한 기록 유지와 조합하여, 기계적 굴착 동안 다수의 비의도적 기반시설 타격을 초래해 왔다. 기반시설 타격은 작업 중단 주문 및 지연과, 매장된 기반시설에 대한 기계적 손상과, 소송, 보험, 작업중단 및 수리에 연계한 다수의 비용을 초래할 수 있다.
본 발명의 예시적 실시예에 따라서, 대지 관통 레이더와 통신하는 방법이 제공된다. 이 방법은 대지를 관통하도록 구성된 툴과 각각 결합된 검출기 및 송신기를 제공하는 단계와, 송신기로 대지 관통 신호를 통신하는 단계와, 검출기로 대지 관통 신호로부터의 혼선을 검출하는 단계를 포함한다. 이 방법은 혼선의 특성에 기초하여 대지에 대해 검출기와 송신기 중 적어도 하나의 위치를 결정하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 다른 예시적 실시예에 따라서, 대지 관통 레이더와 통신하는 방법이 제공된다. 이 방법은 툴과, 툴에 결합된 검출 시스템을 제공하는 단계를 포함한다. 검출 시스템은 송신기와 수신기를 포함하고, 툴은 대지를 관통하도록 구성된다. 이 방법은 송신기로 대지 관통 신호를 통신하는 단계와, 송신기와 수신기 사이의 신호 결합에 기초하여 대지에 대한 검출 시스템의 위치를 결정하는 단계를 더 포함한다. 이 방법은 검출 시스템이 대지와 접촉한다는 것을 결정할 때, 대지 관통 신호의 크기를 증가시키는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 또 다른 예시적 실시예에 따라서, 대지 관통 레이더와 통신하는 방법이 제공된다. 이 방법은 툴과 툴에 결합된 검출 시스템을 제공하는 단계를 포함한다. 검출 시스템은 송신기 및 수신기를 포함하고, 대지 속에 위치된 물체를 검출하도록 구성된다. 이 방법은 관통부를 생성하기 위해 툴로 대지를 관통하는 단계와, 송신기와 물체 사이에서 신호를 통신하는 단계와, 수신기로 신호로부터의 혼선을 식별하는 단계를 더 포함한다. 이 방법은 신호의 혼선에 기초하여 대지의 유전 특성을 결정하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 또 다른 예시적 실시예에 따라서, 새시와, 새시를 지지하도록 위치된 복수의 트랙션 장치와, 새시에 의해 지지되고 대지를 관통하도록 구성된 작업 툴을 포함하는 건설 차량이 제공된다. 차량은 대지 관통 신호를 통신하도록 구성된 송신기와 대지 관통 신호로부터 혼선을 검출하도록 구성된 검출기를 포함하는 검출 시스템을 더 포함한다. 송신기 및 검출기는 작업 툴에 장착된다. 검출 시스템은 대지 관통 신호로부터의 혼선의 특성에 기초하여 대지에 대한 검출기 및 송신기 중 적어도 하나의 위치를 결정하도록 구성된다.
본 발명의 다른 예시적 실시예에 따라서, 대지에 위치된 물체를 검출하도록 구성된 검출기 조립체가 제공된다. 검출기 조립체는 내부 영역을 갖는 하우징 구조체를 포함한다. 검출기 조립체는 하우징 구조체의 내부 영역에 위치된 안테나를 더 포함한다. 안테나는 대지 관통 신호를 통신하도록 구성된다. 유전 매체가 하우징 구조체 둘레에 몰딩된다. 하우징 구조체 및 유전 매체는 대지와 안테나 사이의 대지 관통 신호의 통신 동안 신호 손실을 실질적으로 감소시키도록 협력한다.
본 발명의 또 다른 예시적 실시예에 따라서, 대지 관통 레이더와 통신하는 방법이 제공된다. 이 방법은 작업 툴과, 트랜스듀서와, 트렌스듀서를 수용하기 위한 내부 영역을 갖는 하우징 구조체를 제공하는 단계를 포함한다. 이 방법은 하우징 구조체 둘레에 유전 매체를 몰딩하는 단계와, 하우징 구조체의 내부 영역에 트랜스듀서를 고정하는 단계와, 작업 툴에 하우징 구조체와 트랜스듀서를 결합시키는 단계를 더 포함한다. 또한, 이 방법은 관통부를 생성하기 위해 작업 툴로 대지를 관통하는 단계와, 관통 단계 동안 트랜스듀서로 대지 관통 신호를 통신하는 단계를 더 포함한다.
첨부 도면과 연계하여 이루어지는 본 발명의 실시예에 대한 이하의 설명을 참조로 본 발명의 상술한 특징 및 다른 특징을 더 명백히 알 수 있을 것이며, 본 발명 자체를 더 양호하게 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 대지 속에 위치된 물체를 검출하기 위해 굴착기 버킷의 팁을 향해 위치된 대지 관통 레이더를 구비하는, 영역을 굴착하는 굴착기를 예시하는 굴착기의 측면 입면도.
도 2는 대지 속에 위치된 물체를 송신하고 검출하는 송신 안테나와 수신 안테나를 포함하는 레이더를 예시하는 대지 관통 레이더의 개략도.
도 3은 가상선으로 도시된 봉입된 트랜스시버 안테나를 포함하는 굴착기 버켓 치형부의 일부의 사시도.
도 4는 도 3의 봉입된 안테나의 금속화 층의 평면도.
도 5는 굴착기 버킷 상에 장착된 도 3의 안테나의 도면.
도 6a는 토양을 구성하는 대지 위에 위치된 송신 및 수신 안테나를 구비하는 도 2의 안테나에 의해 검출된 신호의 도식도.
도 6b는 송신 및 수신 안테나가 대지와 접촉하여 위치된 상태에서 안테나에 의해 검출된 신호를 도시하며, 대지 속에 위치된 플라스틱 배관을 나타내는 피크를 예시하는 도 6a와 유사한 도면.
도 7a는 자질 토양 내에 어떠한 물체도 존재하지 않는 사질 토양(sandy soil)으로 구성된 대지 위에 위치된 송신 및 수신 안테나가 위치되어 있는 상태에서 도 3의 안테나에 의해 검출된 신호의 도식도.
도 7b는 송신 및 수신 안테나가 대지와 접촉하여 위치되어 있는 상태에서 안테나에 의해 검출된 신호를 예시하며, 사질 토양 내에 위치된 강철 배관을 나타내는 피크를 예시하는 도 7a와 유사한 도면.
도 8a는 사질 토양 내에 어떠한 물체도 존재하지 않는 상태로 사질 토양으로 구성된 대지 위에 송신 및 수신 안테나가 위치되어 있는 상태에서 도 3의 안테나에 의해 검출된 신호의 도식도.
도 8b는 송신 및 수신 안테나가 대지와 접촉하여 있는 상태에서 안테나에 의해 검출된 신호를 예시하며, 사질 토양 내에 위치된 폴리에틸렌 배관을 나타내는 피크를 예시하는 도 8a와 유사한 도면.
도 9a는 토양 내에 위치된 물체가 없는 상태에서 도 3의 안테나에 의해 검출된 신호의 도식도.
도 9b는 토양 내의 약 6 in(152 mm) 깊이에 강철 배관이 위치되어 있는 상태에서 강철 배관에 의해 검출된 신호의 도식도를 예시하는 도 9a와 유사한 도면.
도 9c는 강철 배관이 토양 내의 약 10 in(254 mm) 깊이에 위치되어 있는 상태에서 검출된 신호의 도식도를 예시하는 도 9a와 유사한 도면.
도 10은 비발디 안테나와 네 개의 디스콘(discone) 안테나를 포함하는 치형부를 예시하는 예시적 버킷 치형부의 사시도.
도 11은 도 10의 버킷 치형부의 단부도.
도 12는 디스콘 안테나의 어레이의 단부도.
도 13은 디스콘 안테나 어레이의 조합의 상면도.
도 14는 그 위에 장착되어 있는 디스콘 안테나 어레이를 도시하는 굴착기 버킷의 도면.
도 15a는 두 개의 물체가 대지 속에 위치되어 있는 상태에서 대지와 접촉하여 위치된 안테나 어레이의 제 1 검출기에 의해 검출된 신호의 도식도.
도 15b는 두 개의 물체가 대지 속에 위치되어 있는 상태에서 대지와 접촉하여 위치된 안테나 어레이의 트랜스시버에 의해 송신 및 검출된 신호의 도식도를 예시하는 도 15a와 유사한 도면.
도 15c는 두 개의 대상물이 대지 속에 위치되어 있는 상태에서 대지와 접촉하여 위치된 안테나 어레이의 제 2 검출기에 의해 검출된 신호의 도식도를 예시하는 도 15a와 유사한 도면.
도 16a는 도 15a 및 도 15b에서 예시된 신호의 교차 상관의 도식도.
도 16b는 도 15a 및 도 15c에서 예시된 신호의 교차 상관의 도식도.
도 16c는 도 15b 및 도 15c에서 예시된 신호의 교차 상관의 도식도.
도 17a는 도 15a 및 도 15b의 교차 상관 신호에 기초한 매설된 물체의 잠재적 위치를 예시하는 예시적 쌍곡선.
도 17b는 도 15a 및 도 15c의 교차 상관 신호에 기초한 매설된 물체의 잠재적 위치를 예시하는 예시적 쌍곡선.
도 17c는 도 15b 및 도 15c의 교차 상관 신호에 기초한 매설된 물체의 잠재적 위치를 예시하는 예시적 쌍곡선.
도 18은 두 개의 매설된 물체의 추정된 위치를 도시하는 중첩된 도 17a 내지 도 17c의 쌍곡선의 도면.
도 19a는 송신 및 수신 안테나가 대지 위에 위치되어 있는 상태에서, 도 2의 물체 검출 시스템에 의해 검출된 신호의 예시적 도식도.
도 19b는 송신 및 수신 안테나가 대지와 접촉하여 위치되어 있는 상태에서 물체 검출 시스템에 의해 검출된 신호를 도시하는 도 19a와 유사한 도면.
도 2는 대지 속에 위치된 물체를 송신하고 검출하는 송신 안테나와 수신 안테나를 포함하는 레이더를 예시하는 대지 관통 레이더의 개략도.
도 3은 가상선으로 도시된 봉입된 트랜스시버 안테나를 포함하는 굴착기 버켓 치형부의 일부의 사시도.
도 4는 도 3의 봉입된 안테나의 금속화 층의 평면도.
도 5는 굴착기 버킷 상에 장착된 도 3의 안테나의 도면.
도 6a는 토양을 구성하는 대지 위에 위치된 송신 및 수신 안테나를 구비하는 도 2의 안테나에 의해 검출된 신호의 도식도.
도 6b는 송신 및 수신 안테나가 대지와 접촉하여 위치된 상태에서 안테나에 의해 검출된 신호를 도시하며, 대지 속에 위치된 플라스틱 배관을 나타내는 피크를 예시하는 도 6a와 유사한 도면.
도 7a는 자질 토양 내에 어떠한 물체도 존재하지 않는 사질 토양(sandy soil)으로 구성된 대지 위에 위치된 송신 및 수신 안테나가 위치되어 있는 상태에서 도 3의 안테나에 의해 검출된 신호의 도식도.
도 7b는 송신 및 수신 안테나가 대지와 접촉하여 위치되어 있는 상태에서 안테나에 의해 검출된 신호를 예시하며, 사질 토양 내에 위치된 강철 배관을 나타내는 피크를 예시하는 도 7a와 유사한 도면.
도 8a는 사질 토양 내에 어떠한 물체도 존재하지 않는 상태로 사질 토양으로 구성된 대지 위에 송신 및 수신 안테나가 위치되어 있는 상태에서 도 3의 안테나에 의해 검출된 신호의 도식도.
도 8b는 송신 및 수신 안테나가 대지와 접촉하여 있는 상태에서 안테나에 의해 검출된 신호를 예시하며, 사질 토양 내에 위치된 폴리에틸렌 배관을 나타내는 피크를 예시하는 도 8a와 유사한 도면.
도 9a는 토양 내에 위치된 물체가 없는 상태에서 도 3의 안테나에 의해 검출된 신호의 도식도.
도 9b는 토양 내의 약 6 in(152 mm) 깊이에 강철 배관이 위치되어 있는 상태에서 강철 배관에 의해 검출된 신호의 도식도를 예시하는 도 9a와 유사한 도면.
도 9c는 강철 배관이 토양 내의 약 10 in(254 mm) 깊이에 위치되어 있는 상태에서 검출된 신호의 도식도를 예시하는 도 9a와 유사한 도면.
도 10은 비발디 안테나와 네 개의 디스콘(discone) 안테나를 포함하는 치형부를 예시하는 예시적 버킷 치형부의 사시도.
도 11은 도 10의 버킷 치형부의 단부도.
도 12는 디스콘 안테나의 어레이의 단부도.
도 13은 디스콘 안테나 어레이의 조합의 상면도.
도 14는 그 위에 장착되어 있는 디스콘 안테나 어레이를 도시하는 굴착기 버킷의 도면.
도 15a는 두 개의 물체가 대지 속에 위치되어 있는 상태에서 대지와 접촉하여 위치된 안테나 어레이의 제 1 검출기에 의해 검출된 신호의 도식도.
도 15b는 두 개의 물체가 대지 속에 위치되어 있는 상태에서 대지와 접촉하여 위치된 안테나 어레이의 트랜스시버에 의해 송신 및 검출된 신호의 도식도를 예시하는 도 15a와 유사한 도면.
도 15c는 두 개의 대상물이 대지 속에 위치되어 있는 상태에서 대지와 접촉하여 위치된 안테나 어레이의 제 2 검출기에 의해 검출된 신호의 도식도를 예시하는 도 15a와 유사한 도면.
도 16a는 도 15a 및 도 15b에서 예시된 신호의 교차 상관의 도식도.
도 16b는 도 15a 및 도 15c에서 예시된 신호의 교차 상관의 도식도.
도 16c는 도 15b 및 도 15c에서 예시된 신호의 교차 상관의 도식도.
도 17a는 도 15a 및 도 15b의 교차 상관 신호에 기초한 매설된 물체의 잠재적 위치를 예시하는 예시적 쌍곡선.
도 17b는 도 15a 및 도 15c의 교차 상관 신호에 기초한 매설된 물체의 잠재적 위치를 예시하는 예시적 쌍곡선.
도 17c는 도 15b 및 도 15c의 교차 상관 신호에 기초한 매설된 물체의 잠재적 위치를 예시하는 예시적 쌍곡선.
도 18은 두 개의 매설된 물체의 추정된 위치를 도시하는 중첩된 도 17a 내지 도 17c의 쌍곡선의 도면.
도 19a는 송신 및 수신 안테나가 대지 위에 위치되어 있는 상태에서, 도 2의 물체 검출 시스템에 의해 검출된 신호의 예시적 도식도.
도 19b는 송신 및 수신 안테나가 대지와 접촉하여 위치되어 있는 상태에서 물체 검출 시스템에 의해 검출된 신호를 도시하는 도 19a와 유사한 도면.
대응하는 참조 부호는 다수의 도면 전반에 걸쳐 대응하는 부분을 나타낸다. 본 명세서에 설명된 예시는 본 발명의 예시적 실시예를 예시하며, 이런 예시는 어떠한 방식으로도 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 해석되지 않는다.
이하에 설명된 실시예는 전체를 설명하는 것이거나 또는 본 발명을 이하의 상세한 설명에 개시된 정확한 형태에 한정하고자 하는 것은 아니다. 대신, 본 기술 분야의 다른 숙련자가 그 교지를 활용할 수 있도록 실시예가 설명되어 있다.
굴착기(10)가 도 1에 도시되어 있으며, 이는 새시(12)와, 트랙과 같은 복수의 트랙션 장치(14)를 포함하고, 트랙션 장치는 대지(16) 위로 새시(12)를 지지 및 추진한다. 굴착기(10)는 대지(16)에 트렌치, 홀, 피트(pit) 또는 다른 만입부(22)를 생성하기 위해 대지(16)을 투과하도록 구성된 작업 툴 또는 버킷(20)을 지지하는 붐(18)을 더 포함한다. 굴착기(10)는 도 2에 도시된 물체 검출 레이더 시스템(24)을 더 포함하며, 이는 대지(16) 속의 기반시설 배관 및 배선 같은 물체(26)를 검출하도록 구성된다. 비록, 도 1에 굴착기(10)가 도시되고 본원에서 설명되지만, 백호우(backhoe), 로더(loader), 불도저, 그레이더(grader) 및 다른 건설 차량 같은 다른 건설 차량이 물체 검출 시스템(24)을 구비할 수 있다. 또한, 비록, 트랙션 장치(14)가 트랙으로서 도시되어 있지만, 바퀴 같은 다른 트랙션 장치가 건설 차량(10)에 제공될 수 있다.
물체 검출 레이더 시스템(24)의 부분은 버킷(20) 상에 장착된다. 본 발명의 양호한 실시예에 따라서, 검출 시스템(24)은 버킷(20) 상에 장착된 송신기(28) 및/또는 수신기/검출기(30)를 포함한다. 예로서, 도 1에 도시된 실시예에 따라서, 송신기(28) 및 검출기(30)는 버킷(20)의 하나 이상의 치형부(32)에 장착된다. 또한, 송신기(28) 및 검출기(30)는 불도저 또는 그레이더 블레이드, 로더 또는 백호우 버킷 또는 다른 작업 툴 같은 다른 건설 장비 작업 툴 상에 장착될 수 있다.
송신기(28) 및 검출기(30)가 치형부(32) 상에 장착된 장착된 상태에서, 송신기(28) 및 검출기(30)는 만입부(22)의 굴착 동안 대지(16)와 직접 접촉한다. 대지(16)와 직접 접촉하여 송신기(28) 및 검출기(30)를 배치함으로써, 트랜스듀서와 대지(16) 사이의 대지 관통 신호의 통신 동안 신호 손실이 감소된다.
송신기(28)는 전자기파를 방출하도록 구성되고 수신기(30)는 전자기파를 검출하도록 구성된다. 일 실시예에서, 송신기(28) 및 검출기/수신기(30)는 초음파 광대역(UWB) 통신을 사용한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 검출 시스템(24)은 Picosecond Pulse Labs Generator Model 4500D 같은 신호 생성기(34)와, Tektronix Oscilloscope Model DSA 8200 같은 신호 검출 모니터(36)를 포함한다. 신호 생성기(34)는 대지(16) 내로 대지 관통 신호를 방출하는 송신기(28)에 신호를 제공하고, 모니터(36)에 트리거 신호를 제공한다. 배관과 같은 물체(26)는 대지 관통 신호를 반사하고, 검출기(30)는 물체(26)로부터 반사된 신호를 검출한다. 모니터(36)는 육안 분석을 위한 반사된 신호의 시각적 표현을 제공한다. 프로세서(39)를 갖는 컴퓨터(37)는 또한 검출기(30)로 제공된 신호를 분석하기 위해 사용될 수 있다.
송신기(28) 및 검출기(30)의 일 실시예가 도 3에 비발디 안티포달 안테나(Vivaldi antipodal antenna)로서 도시되어 있다. 송신기(28) 및 검출기(30) 각각은 비발디 안테나(40) 및 안테나(40)를 동봉하는 본체(42)를 포함한다. 안테나(40)는 전자기파를 분석을 위해 사용될 수 있는 신호로 검출/변환하는 전자기 트랜스듀서이다. 후술된 바와 같이, 다른 유형의 안테나 및 다른 트랜스듀서도 본 발명에 따라 사용될 수 있다.
안테나/트랜스듀서(40)의 제조 이후, 안테나/트랜스듀서(40)는 본체(42)를 형성하는 하나 이상의 재료 내에 동봉됨으로써 안테나(40) 주변의 보호 케이싱 또는 외피를 제공한다. 도 3에 예시된 바와 같이, 본체(42)는 예시적으로 베이스 단부(66)와 베이스 단부(66) 반대편의 절삭 단부(68)를 포함한다. 절삭 단부(68)는 예시적으로 베이스 단부(66)보다 더 넓지만, 본체(42)의 다른 구성도 제공될 수 있다. 본체(42)의 베이스 단부(66)에 결합된 케이블(48)은 안테나(40)와 신호 생성기(34) 사이의 전기적 연결을 제공한다(도 2). 도 5에 예시된 바와 같이, 절삭 단부(68)는 본 명세서에 설명된 바와 같이 절삭 에지(50)를 포함한다.
본 발명의 양호한 실시예에 따라서, 도 3의 본체(42)는 고강도 유전 매체로 이루어진다. 유전 재료는 폴리머 또는 세라믹 재료일 수 있으며, 이는 본체(42)의 내구성을 향상시키기 위해 예로서 마이크로파이버 또는 나노파이버 같은 파이버 보강재를 포함할 수 있다. 예로서, 일 실시예에 따라서, 본체(42)는 대략 4의 유전 상수를 갖는 고 모듈러스 폴리우레아(modulus polyurea)로 이루어질 수 있다. 다른 예시적 재료는 강성 폴리우레탄, 에폭시, 다른 열가소성 또는 열경화성 재료 및 다른 비전도성 재료를 포함한다. 또한, 본체(42)는 그 내구성 및/또는 그 내마모성을 증가시키기 위해 재료로 코팅될 수 있다. 또한, 본체(42)는 신호 누설, 울림(ringing) 또는 다른 간섭을 감소 또는 방지하기 위해 인접한 전도성 표면으로부터 안테나(40)를 절연시키기 위해 탄소 또는 다른 전자기 절연 재료로 코팅될 수 있다. 바람직하게는, 유전 매체는 대지(16)와 대략 동일한 유전 상수를 갖는다. 본 발명에 따라서, 유전 매체는 약 1 내지 약 20의 범위의 유전 상수를 갖지만 다른 값을 가질 수도 있다. 일 실시예에서, 유전 매체는 안테나(40)와 대지(16) 사이의 신호 통신 동안 신호 손실을 감소시키도록 기능한다.
일 실시예에서, 본체(42)는 수신 안테나(40)를 수용하기 위한 포켓을 형성하도록 삽입체 둘레에 몰딩된다. 예로서, 도 3에 예시된 삽입체(49)를 참조하시오. 삽입체(49)는 안테나(40)를 수용하도록 크기설정된 내부 영역을 포함한다. 본체(42)의 유전 재료를 삽입체(49) 둘레에 몰딩한 이후, 안테나(40)는 이차 조립 동작에서 삽입체(49)의 내부 영역 내에 삽입될 수 있다. 대안적으로, 안테나(40)는 삽입체(49) 둘레에 본체(42)를 몰딩하기 이전에 삽입체(49) 내에 고정될 수 있다. 일 예에서, 본체(42)는 삽입체(49) 둘레에 형성된 사출 폴리우레탄으로 이루어진다. 열경화성 또는 열가소성 재료 및 프로세스의 다른 유형은 삽입체(49) 둘레에 본체(42)를 몰딩하기 위해 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 삽입체(49)는 본체(42)와 유사한 유전 특성을 갖는 고강도 유전 재료로 구성된다. 일 실시예에서, 삽입체(49)는 고강도 하우징 구조체를 안테나(40) 둘레에 제공하는 강성 플라스틱 또는 다른 폴리머 재료로 구성된다. 안테나(40)는 삽입체(49) 내에 고정되기 이전에 사전조립될 수 있거나, 삽입체(49) 내에 조립될 수 있다. 삽입체(49)와 같은 삽입체 구조체는 본 명세서에 설명되고 도 10 내지 도 11에 예시된 디스콘 안테나(40') 같은 다른 유형의 안테나나 안테나 어레이를 수용하기 위해 사용될 수 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 안테나(40)는 상부 및 하부 접지판(44)을 포함하는 3 평면의 재료들을 포함하고, 접지판(44) 사이에는 전도판(46)이 개재되어 있다. 접지판들 사이에 직접적으로 위치되어 있는 전도판(46)의 부분은 도 4에 가상선으로 도시되어 있다. 전도판(46)은 구리로 이루어지는 것이 바람직하지만, 다른 금속 및 다른 전도성 재료로 이루어질 수 있다. 유전/접지판(46)은 에폭시, 세라믹, Teflon®-상표 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 다른 재료로 이루어질 수 있다. 일 실시예에서, 안테나(40)는 도 4에 도시된 바와 같이 약 135 mm(5.2 in) 길이 및 약 45 mm(1.8 in) 높이이다.
동작시, 안테나/트랜스듀서(40) 및 본체(42)는 도 5에 도시된 바와 같이 치형부(32)에 장착되거나 다른 방식으로 결합된다. 일 실시예에서, 생크 장착부는 치형부(32)에 본체(42)를 결합하기 위해 사용된다. 신호 생성기(34)로부터의 신호는 케이블(48)을 통해 안테나(40)에 제공된다. 굴착 동안, 도 1에 도시된 바와 같이, 안테나(40) 및 본체(42)는 먼지 및 다른 재료가 굴착될 때 대지(16)에 반복적으로 위치된다. 결과적으로, 안테나(40)는 종종 트랙(14)의 최저위 부분 아래에 위치된다. 또한, 안테나(40)는 굴착 공정 동안 굴착기(10)에 의해 생성된 만입부(22)와 같은 관통부 내에 위치된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 송신기(28) 및 검출기(30)의 안테나(40)는 치형부(32)가 토양(16) 내에 관통부를 생성할 때 동시에 토양(16) 내에 위치된다. 일 실시예에서, 안테나(40)는 버킷(20)의 각 치형부(32)에 결합된다. 일 실시예에서, 송신기(28) 및 다수의 검출기(30)가 버킷(20)의 치형부(32)에 결합된다.
관통부 내에 위치되어 있는 동안, 송신기(28) 및 검출기(30)의 안테나(40)에 의해 신호가 송신 및 검출된다. 안테나(40) 및 유전 본체(42)가 치형부(32) 상에 장착되기 때문에, 이들은 치형부(32)의 절삭 에지(50)를 형성하는 본체(42)의 부분을 갖는 치형부(32)의 절삭 요소를 형성하도록 협력한다. 따라서, 굴착과 동시에, 물체(26)가 검출된다. 또한, 본체(42) 및 안테나(40)가 관통부(22) 내로 하강되고 관통부(22)의 생성을 보조할 수 있기 때문에, 물체(26)는 어떠한 굴착도 시작되기 이전에 물체(26)를 검출하기를 시도하는 경우보다 안테나(40)에 더 근접하고 더 쉽게 검출된다. 일 실시예에서, 본체(42)는 굴착 동안 안테나(40)를 보호하기 위해 안테나(40)와 토양 사이에 위치된다. 결과적으로, 안테나(40)에 의해 송신 및 수신된 신호는 반사된 신호의 수신 및 신호의 각각의 전송 동안 안테나(40)로부터의 그 경로 상에서 본체(42)를 통과한다.
검출기(30)로부터의 예시적 출력이 도 6a 내지 도 9c에 제공되어 있다. 도 6a에서, 각각의 안테나(40)와 대지(16) 사이의 직접적 접촉 없이 대지(16) 위에 송신기(28) 및 검출기(30)의 안테나/트랜스듀서(40)가 위치될 때의 신호가 도시되어 있다. 검출기(30)의 안테나(40)와 송신기(28)의 안테나(40) 사이의 혼선을 나타내는 피크(52)가 도시되어 있다. 도 6b에서, 각각의 송신기(28) 및 검출기(30)의 안테나(40)는 대지(16)와 직접 접촉하여 배치된다. 혼선 피크(52)를 도시하는 것에 추가로, 테스트 토양 속 4 in(102 mm)에 매설되어 있는 2 in(51 mm) 직경 폴리에틸렌 배관의 존재를 나타내는 제 2 피크(54)가 도시되어 있다. 결과적으로, 버킷(20)의 경로 내에 플라스틱 천연 가스 배관 같은 물체(26)가 존재한다는 것을 나타내는 인지가능한 표시가 제공된다. 훈련된 굴착기(10) 작업자는 배관(26)에 충돌하는 것을 피하기 위해 이 표시를 인지할 수 있다. 유사하게, 컴퓨터(37)가 구배 같은 사전결정된 특성을 충족시키는 혼선 피크(52) 이후 임의의 피크를 인지하도록 프로그램될 수 있다. 컴퓨터(37)가 이런 피크 또는 다른 사전결정된 특성을 검출하는 경우, 이는 경보를 전송하고, 버킷(20)의 추가 이동을 중단시키거나 다른 방식으로 버킷(20)이 배관(26)에 충돌하는 것을 피하기를 시도할 수 있다.
물체(26)를 검출하는 것에 추가로, 검출기(30)에 의해 검출된 반사도 대지(16) 내에 매설된 물체(26)의 특성을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 예로서, 도 7a 및 도 7b는 4 in(102 mm) 깊이에서 사질 토양 내에 매설된 2 in(51 mm) 금속 배관을 위한 검출기(30)의 출력을 예시한다. 도 7a에서, 송신기(28) 및 검출기(30)의 안테나/트랜스듀서40)는 대지(16) 위에 있다. 도 7b에서, 송신기(28) 및 검출기(30)의 안테나(40)는 대지와 직접 접촉하고, 금속 배관을 나타내는 특유의 "필기체 v"(53) 패턴을 제공한다. 도 8a 및 도 8b는 2 in(51 mm)의 깊이에서 사질 토양 내에 매설된 1 in(25 mm) 폴리에틸렌 배관을 위한 검출기(30)의 출력을 예시한다. 도 8a에서, 송신기(28) 및 검출기(30)의 안테나(40)는 대지(16) 위에 있다. 도 8b에서, 송신기(28) 및 검출기(30)의 안테나(40)는 대지와 직접적으로 접촉하며, 플라스틱 배관을 나타내는 특유의 "w" 패턴(55)을 제공한다. 굴착기(10)의 훈련된 작업자는 배관의 유형을 결정하기 위해 금속, 폴리에틸렌 및 다른 배관의 특유의 패턴(53, 55)을 인지할 수 있다. 유사하게, 컴퓨터(37)는 패턴(53, 55)의 형상 같은 사전결정된 특성을 충족시키는 혼선 피크(52) 이후 임의의 피크를 인지하도록 프로그램될 수 있다. 검퓨터(37)가 이런 패턴 또는 다른 사전결정된 특성을 검출하는 경우, 이는 금속 또는 플라스틱 같은 배관의 유형의 표시를 전송할 수 있다.
물체(26)의 존재 및 유형을 결정하는 것에 추가로, 검출기(30)에 의해 검출된 반사도 버킷(20)(또는 임의의 다른 굴착기(10)의 부분)으로부터 물체(26)의 거리를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 검출기(30)에 의해 검출된 반사의 추가적 표현이 도 9a 내지 도 9c에 제공된다. 도 9a에서, 테스트 토양 내에 어떠한 물체(26)도 배치되지 않으며, 그래서, 안테나(40)가 대지(16)와 접촉하여 배치될 때 어떠한 물체(26)도 검출되지 않는다. 도 9b에서, 2 in(51 mm) 직경 강철 배관이 사질 토양 내의 6 in(152 mm) 깊이에 배치되어 있으며, 도 9c에서, 동일 배관이 사질 토양 내에 10 in(254 mm) 깊이에 배치되어 있다. 도 9b 및 도 9c의 원 영역에 의해 도시된 바와 같이, 강철 배관의 "필기체 v" 패턴(53)은 도 9c에서보다 도 9b에서 더 늦은 시간에 나타나며, 그 이유는 송신기(28)에 의해 전송된 이후 반사가 검출기(30)에 도달하기까지 더 오랜 시간을 소요하기 때문이다. 굴착기(10)의 훈련된 작업자는 물체(26)로부터 거리를 결정하기 위해 특유의 패턴(53)과 혼선 피크(52)와 같은 특징 사이의 시간 간격을 인지할 수 있다. 유사하게, 컴퓨터(37)는 시간 지연을 인지하고 물체(26)로부터 버킷(20)의 치형부(32)의 거리를 계산하며, 에 대한 표시를 작업자에게 제공하고 및/또는 경보 또는 다른 작업을 위한 트리거로서 거리를 사용하도록 프로그램될 수 있다. 작업자는 공지된 기반시설 배관 또는 케이블 같은 물체(26) 둘레에서 미세 이동을 수행할 때 이 거리 정보를 사용할 수 있다.
송신기(28') 및 검출기(30')의 다른 실시예가 도 10 및 도 11에 도시되어 있으며, 이는 송신기(28')로서 기능하는 비발디 안티포달 안테나(40) 및 검출기(30')로서 기능하는 네 개의 디스콘 안테나/트랜스듀서(40')를 포함한다. 조합된 송신기/검출기(56)는 본 명세서에 설명된 바와 같이 본체(42)와 유사한 방식으로 안테나(40, 40')를 수납하는 본체(42')를 포함한다. 예시적 본체(42')가 John Deere Company로부터 입수할 수 있는 스웜퍼(Swampers) 버켓 치형부를 포함한다. 디스콘 안테나(40')의 지향성을 향상시키기 위해, 송신기로서 사용되는 경우, 안테나(40')는 도 12에 도시된 바와 같이 어레이(58)로 정렬될 수 있다. 안테나(40')의 지향성을 더욱 향상시키기 위해, 어레이 반사기가 어레이(58) 뒤에 위치될 수 있다. 일 실시예에서, 예로서 도 13에 예시된 판(60)과 같은 반사성 금속판이 어레이(58) 후방에 배치된다. 일 실시예에서, 어레이 반사기는 어레이(58) 배후의 약 6 mm와 8 mm 사이에 위치되며, 다른 적절한 거리도 사용될 수 있다.
도 13에서, 디스콘 안테나(40')를 갖는 다수의 어레이(58)는 물체(26)를 검출하기 위해 검출기 및 송신기로서 제공된다. 예시된 실시예에서, 어레이(58)는 다른 수의 디스콘 안테나(40')를 갖는다. 도 14에 예시된 바와 같이, 어레이(58)는 치형부(32) 이외의 위치에서 버킷(20) 상에 배치될 수 있다. 예로서, 어레이(58)는 버킷(20)의 에지 부근의 전방 벽(64) 또는 측벽(62)에 장착될 수 있지만, 어레이(58)는 다른 적절한 위치에 배치될 수 있다. 일 실시예에서, 디스콘 안테나(40')는 유전 차폐부 또는 케이싱 같은 유전 매체 내에 매설된다. 예시된 실시예에서, 유전 매체는 약 4 또는 5의 유전 상수를 갖는다. 일 실시예에서, 유전 매체는 약 1 내지 20의 범위의 유전 상수를 가질 수 있지만, 다른 값을 가질 수도 있다.
본 명세서에 설명된 바와 같이, 도 2의 물체 검출 시스템(24)은 대지 관통 신호를 방출하는 송신기(28)와 하나 이상의 매설된 물체(26)로부터 대지 관통 신호의 반사를 검출하는 다수의 검출기(30)를 포함할 수 있다. 예로서, 도 5의 버킷(20)은 치형부(32)에 장착된 다수의 검출기(30)와 적어도 하나의 송신기/트랜스시버(28)를 포함할 수 있다. 유사하게, 도 13 내지 도 14의 어레이(58)는 송신기/트랜스시버(28)와 다수의 검출기(30)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 물체 검출 시스템(24)은 적어도 세 개의 검출기/수신기(30)를 포함한다.
도 15a 내지 도 15c는 물체 검출 시스템(24)의 다수의 검출기(30)의 예시적 출력을 제공한다. 도 15a 내지 도 15c에서, 도 2의 트랜스시버(28) 및 두 개의 검출기(30)는 대지 속에 위치된 두 개의 물체를 검출하기 위해 대지와 접촉하여 배치된다. 다른 안테나 배열이 제공될 수 있지만 트랜스시버(28)는 두 개의 검출기(30) 사이에 위치된다. 도 15a의 신호는 제 1 검출기(30)에 대응하고, 도 15b의 신호는 트랜스시버(28)에 대응하고, 도 15c의 신호는 제 2 검출기(30)에 대응한다. 트랜스시버(28)는 도 15b의 펄스(70)에 의해 표현된 바와 같이 대지 관통 신호를 제공한다. 도 15a 및 도 15c의 피크(74, 76)에 도시된 혼선을 검출한 이후, 각 검출기(30)는 두 물체 각각으로부터 반사를 검출한다. 트랜스시버(28) 및 매설된 물체에 대한 특정 검출기(30)의 위치 및 간격에 기인하여, 물체로부터의 반사는 각 검출기(30)에 의해 서로 다른 시간에 검출된다. 도 15a의 피크(78)는 제 1 검출기(30)에 의해 수신된 제 1 물체로부터의 반사를 나타내고, 도 15c의 피크(80)는 제 2 검출기(30)에 의해 추후에 수신된 제 1 대상물로부터의 반사를 나타낸다. 유사하게, 도 15a에서, 피크(82)는 제 1 검출기(30)에 의해 수신된 제 2 물체로부터의 반사를 나타내고, 도 15c의 피크(84)는 제 2 검출기(30)에 의해 이전에 수신된 제 2 물체로부터의 반사를 나타낸다. 예시된 실시예에서, 트랜스시버(28)는 또한 도 15b의 피크(86)에 의해 표시된 바와 같이 매설된 물체로부터의 반사를 검출한다.
도 15a 내지 도 15c에 예시된 바와 같이, 각 검출기(30)에 의해 검출된 반사는 검출된 물체의 위치 및 크기 및 유형 같은 다른 특성을 결정하기 위해 분석될 수 있는 다양한 크기, 도달 시간, 곡선 기호 및 다른 특성을 갖는다. 컴퓨터(37)의 신호 프로세서(39)는 검출된 대상물의 위치 및 다른 특성을 결정하기 위해 검출기(30)와 트랜스시버(28)로 검출된 반사 신호를 분석하도록 프로그램될 수 있다.
일 실시예에서, 시간차 도달(TDOA) 방법이 검출된 물체의 상대적 위치를 결정하기 위해 사용된다. TDOA 방법에서, 프로세서(39)는 안테나 어레이의 다양한 수신기에서 반사된 신호의 도달 시간의 차이를 계산한다. 예시된 실시예에서, 이들 시간 지연은 서로 다른 수신기에서 측정된 신호 반사의 쌍 단위 교차 상관에 의해 결정되며, 계산된 시간 지연 및 토양의 유전 특성에 기초하여, 목표 물체의 상대적 위치(2차원 또는 3차원 공간)를 결정한다. 두 개의 서로 다른 수신기로부터의 두 개의 신호 반사 사이의 교차 상관은 이하와 같이 표현될 수 있다.
여기서, s1은 제 1 안테나에서 검출된 신호 반사이고, s2는 제 2 안테나에서 검출된 신호 반사이고, τ는 두 신호 사이의 시간 지연이다. 반사된 신호의 도달의 시간 차이는 반사된 신호의 교차 상관의 피크 또는 최대치에 대응한다. 도 15a 내지 도 15c의 예시적 신호를 사용하여 위의 계산된 상관 함수(1)의 예시적 최대치 또는 피크가 도 16a 내지 도 16c에 예시되어 있다. 도 16a에 도시된 최대치(100)는 제 1 검출기(30) 및 트랜스시버(28)에 수신된 반사 신호들 사이의 시간 지연을 나타낸다. 도 16b에 도시된 최대치(102)는 제 1 검출기(30)와 제 2 검출기(30)에서 수신된 반사 신호 사이의 시간 지연을 나타낸다. 도 16c에 도시된 최대치(104)는 트랜스시버(28) 및 제 2 검출기(30)에서 수신된 반사 신호 사이의 시간 지연을 나타낸다.
타겟 물체의 위치는 각 수신기 쌍을 위한 교차 상관 함수(1)에 기초한 2차원 공간에서 결정된다. 예로서, 2차원 공간 내의 물체의 위치는 이하의 방정식을 푸는 것에 의해 결정될 수 있다.
여기서, (x,y)는 타겟의 좌표이고, (X1,Y1) 및 (Xj,Yj)는 트랜스시버(28) 및/또는 수신기(30)의 좌표이며, dij는 신호 전파의 속도 및 비행 시간의 편차에 의해 결정되는 타겟 거리의 편차이다.
교차 상관 함수(1)로부터 결정된 신호 반사의 도달 시간의 편차는 각 수신기 쌍의 교차 상관 신호를 위해 쌍곡선을 형성하기 위해 사용된다. 특히, 도 16a 내지 도 16c에 예시된 각 피크 또는 최대치는 각 수신기 쌍을 위한 쌍곡선을 계산하기 위해 사용된다. 각 유도된 쌍곡선은 타겟 물체 또는 물체가 존재할 수 있는 추정된 영역을 나타낸다. 쌍곡선의 밀도 및 폭은 교차 상관 함수(1)의 최대치(피크)의 폭과 높이에 기초한다. 따라서, 교차상관 함수(1)의 더 큰 피크는 쌍곡선의 더 큰 밀도 및 폭을 초래한다. 타겟 물체의 위치는 각 수신기 쌍으로부터의 쌍곡선을 중첩시키고 쌍곡선이 교차하는 고밀도의 영역을 식별함으로써 결정된다. 따라서, 고밀도 및 광폭 쌍곡선은 검출된 물체(들)의 위치의 더 큰 표시를 제공한다. 예로서, 도 17a 내지 도 17c에 별개로 예시되어 있고 도 18에서 중첩되어 있는 쌍곡선(150-154) 참조. 도 17a 내지 도 17c의 쌍곡선(150-154) 각각은 하나 이상의 물체가 존재할 수 있는 영역을 나타낸다. 도 17a에 도시된 쌍곡선(150)은 제 1 검출기(30)와 트랜스시버(28)에서 수신된 반사 신호의 도달 시간의 편차에 기초한다(즉, 도 16a의 최대치(100)에 기초한다). 도 17b에 도시된 쌍곡선(152)은 제 1 검출기(30)와 제 2 검출기(30) 사이의 반사 신호의 도달의 시간 차이에 기초한다(즉, 도 16b의 최대치(102)에 기초한다). 도 17c에 도시된 쌍곡선(154)은 트랜스시버(28)와 제 2 검출기(30) 사이의 반사 신호의 도달의 시간 차이에 기초한다(즉, 도 16c의 최대치(104)에 기초한다).
도 17a 내지 도 17c의 쌍곡선은 도 18에 중첩되어 도시되어 있다. 두 개의 검출된 물체의 추정된 위치는 쌍곡선이 교차하는 고밀도 영역(156, 158)에 대응한다. 예시된 바와 같이, 영역(156)은 대응 물체가 트랜스시버(28)의 좌측으로 약 2 cm 및 트랜스시버(28)의 전방으로 약 35 cm에 위치된다는 것을 나타낸다. 영역(158)은 대응 제 2 물체가 트랜스시버(28)의 전방으로 약 30 cm 및 트랜스시버(28)의 우측으로 약 5 cm에 위치된다는 것을 나타낸다. 일 실시예에서, 도 18에서 결정된 추정된 물체 위치는 약 1 피코초(picosecond)의 시간 간격으로 반사 신호를 샘플링함으로써 획득된다.
3차원 공간의 타겟 물체의 위치는 또한 각 수신기 쌍을 위한 교차 상관 함수(1)에 기초한다. 3차원 공간의 물체의 위치는 수학식 (2)에 세 번째 좌표를 도입함으로써 다음과 같이 결정될 수 있다.
여기서, (x,y,z)는 타겟의 좌표이며, (Xi,Yi,Zi) 및 (Xj,Yj,Zj)는 트랜스시버(28) 및/또는 수신기(30)의 좌표이고, dij는 신호 전파의 속도와 비행 시간의 차이에 의해 결정된 타겟 거리의 차이이다. 예시된 실시예에서, 최소 3개 검출기(30)에 의해 물체로부터의 신호 반사의 검출이 TDOA 방법으로 대상물의 3차원 위치를 결정하기 위해 필요하다. 일 실시예에서, 물체(들)의 3차원 위치를 결정하기 위해, 트랜스시버(28) 및 수신기(30)의 안테나는 동일선상에 놓여지지 않으며, 즉, 안테나의 정렬은 소정 정도로 편위된다.
토양의 유전 특성에 대한 지식이 검출된 물체의 위치를 결정하는 데 추가로 사용될 수 있다. 예로서, 수신기로부터의 물체의 거리(r)는 대지를 통한 신호 전파 속도(v)와 신호의 도달 시간(t)(상술한 바와 같이 계산됨)에 아래의 수학식에 의거하여 관련된다.
r=vt (4)
대지 속에서의 신호의 속도(v)는 이하의 수학식에 의해 예시된 바와 같이 대지 또는 토양의 유전 특성에 의존한다.
여기서, ε는 대지의 유전 특성이고, c는 진공에서의 빛의 속도이다. 토양의 유전 특성(ε)을 알면, 토양 내의 신호의 속도(v)는 수학식 (5)에 의해 결정된다. 이 때문에, 물체의 거리(r)는 트랜스시버(28) 및 수신기(30)에서 측정된 도달 시간(t)과 계산된 속도(v)에 기초하여 수학식(4)에 의해 결정될 수 있다. 일 실시예에서, 대지의 유전 특성(ε)은 본 명세서에 설명된 바와 같이 수신기 사이의 혼선 신호에 기초하여 결정된다.
또한, 도달 시간(TOA) 방법, 비행의 라운드트립 시간(RTOF) 방법, 도달 각도(AOA) 방법 및 수신 신호 강도(RSS) 방법을 포함하는 공지된 방법 같은 물체(26)의 위치를 검출하는 다른 방법(도 1)이 사용될 수 있다.
도 1 내지 도 2를 다시 참조하면, 송신기(28)가 대지(16) 위에 위치될 때, 송신기(28)에 의해 제공되는 신호는 다른 인근 무선 주파수 장치와 간섭할 수 있다. 신호 간섭의 위험을 감소시키기 위해, 송신기(28)의 안테나(40)가 대지(16) 위에서 작용할 때, 송신기(28)에 의해 제공된 신호의 크기 및 주파수는 제한된다. 일부 영역에서, 연방 통신 협회 같은 규제 기관은 초광대역 신호 또는 다른 유형의 신호의 가용 대역폭 및 파워 밀도에 대한 한계를 설정함으로써 대지 관통 레이더 통신에 대한 규제를 부여할 수 있다. 일 실시예에서, 송신기(28) 및 검출기(30)는 대지(16) 위에 위치될 때 약 3.1 GHz 내지 10.6 GHz의 범위에서 동작한다.
대지와 접촉하는 상태로 검출기(30) 및 송신기(28)의 안테나(40)를 위치시킴으로써, 다른 인근 무선 주파수 장치와의 신호 간섭의 위험이 감소된다. 또한, 정부 규제는 지하 무선 주파수 또는 초광대역 신호 통신에 대해서는 덜 규제성이거나 적용불가할 수 있다. 따라서, 송신기(28)에 의해 제공된 신호의 크기 및 주파수는 송신기(28) 및 검출기(30)의 안테나(40)가 대지와 접촉하여 생성된 신호의 더 큰 관통 깊이를 제공할 때 증가될 수 있다. 결과적으로, 송신기(28) 및 검출기(30)의 더 큰 거리 또는 깊이에서의 물체는 물체 검출 시스템(24)에 의해 검출될 수 있다. 개선된 검출 기능에 의해, 물체 검출 시스템(24)은 검출된 물체의 회피를 가능하게 하도록 물체 검출시 더 앞서서 경보를 제공할 수 있다. 예로서, 생성된 신호의 증가된 관통 깊이는 검출된 물체를 피하도록 반응하도록 신호 처리 및 조작자나 제어 시스템을 위해 추가적 시간을 제공한다.
예시된 실시예에서, 송신기(28)와 검출기(30) 사이의 혼선 또는 신호 결합은 생성된 신호의 파워 및/또는 펄스 기간이 증가되도록 송신기(28)가 대지와 접촉하는지 여부를 결정하기 위해 사용된다. 송신기(28) 및 검출기(30)의 안테나(40)가 근접한 상태에서, 송신기(28)로부터 전송되는 일부 방사 에너지는 타겟 물체로부터 먼저 반사되지 않고 직접적으로 검출기(30)의 안테나(40)에 의해 수신되어 검출기(30)에서 검출되는 혼선을 초래한다. 송신 및 수신 안테나(40) 사이의 토양 또는 다른 대지 매체는 수신 안테나(40)에 의해 검출된 혼선과 간섭한다. 예로서, 토양의 간섭은 혼선 신호의 크기, 상 변화, 구배 변화 또는 다른 특성 변화의 감소를 초래할 수 있다. 결과적으로, 인접하게 또는 근접하게 장착된 송신 및 수신 안테나(40) 사이의 혼선 신호 레벨 또는 서명의 동적 변화는 송신기(28) 및 검출기(30)의 안테나(40)가 토양 또는 대지와 접촉할 때를 검출하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 혼선 신호는 대지 간섭에 기인하여 대지와 접촉하여 송신기(28)가 배치될 때 검출기(30)에 더 늦게 도달할 수 있다.
도 19a 및 도 19b를 참조하면, 피크(90, 92)는 송신기(28)에 의한 신호 펄스의 전송 이후 송신기(28)와 검출기(30) 사이의 혼선을 예시한다. 도 19a에서, 송신기(28) 및 검출기(30)의 안테나/트랜스듀서(40)는 각 안테나(40) 및 대지(16) 사이의 직접 접촉없이 대지(16) 위에 배치된다. 도 19b에서, 각 송신기(28) 및 검출기(30)의 안테나(40)는 대지(16)와 직접 접촉하게 배치된다. 예시된 바와 같이, 도 19a의 혼선 피크(90)의 구배는 도 19b의 혼선 피크(92)의 구배보다 더 급격하다. 유사하게, 혼선 피크(90)의 크기는 혼선 피크(92)의 크기보다 더 크며, 이는 송신기(28) 및 검출기(30)의 안테나(40)가 대지에 위치될 때 혼선 효과의 감소를 예시한다. 일 실시예에서, 대지 관통 신호 펄스의 생성 이후 검출기(30)에서의 혼선 신호의 도달 시간은 송신기(28)와 검출기(30)의 안테나(40)가 대지에 위치되는지 여부에 따라 변한다. 특히, 송신기(28) 및 검출기(30)의 안테나(40) 사이의 토양의 존재는 송신기(28)에 의한 신호 펄스의 전달 이후 검출기(30)에서의 혼선 신호의 도달에 지연을 유발한다. 따라서, 반사된 신호의 혼선 피크의 시간 지연 및/또는 특성은 송신기(28) 및 검출기(30)의 안테나(40)가 대지와 접촉하는지 여부의 인지가능한 표시를 제공한다.
송신기(28)와 검출기(30) 사이의 검출된 혼선 응답에 기초하여, 송신기(28)로부터 방출된 신호의 파워 레벨, 펄스 폭 및/또는 파장은 송신기(28) 및 검출기(30)가 대지에 접촉하는 것을 검출할 때 자동으로 조절될 수 있다. 일 실시예에서, 컴퓨터(37)의 프로세서(39)는 검출기(30)에 의해 검출되는 신호의 혼선 응답을 분석하고, 송신기(28)가 대지와 접촉하는 것의 검출시 제어 이벤트를 개시한다. 프로세서(39)에 의해 제공된 제어 이벤트에 기초하여, 신호 생성기(34)는 송신기(28)로부터의 대지 관통 펄스의 크기 및/또는 주파수를 자동으로 증가시킬 수 있다. 일 실시예에서, 컴퓨터(37)는 아날로그 대 디지털(A/D) 변환기(35)(도 2 참조)를 포함하고, 이는 검출기(30)로 검출된 혼선의 크기를 나타내는 디지털 출력을 프로세서(39)에 제공한다. A/D 변환기(35)의 출력의 시간 지연 또는 크기에 기초하여, 프로세서(39)는 송신기(28) 및 검출기(30)가 대지에 위치될 때를 결정하고, 신호 생성기(34)는 송신기(28)에 의해 제공된 대지 관통 신호의 파워 및/또는 주파수를 증가시키게 한다.
일 실시예에서, 프로세서(39)에 의해 제공되는 제어 이벤트는 조작자가 생성된 신호 펄스의 크기 및/또는 주파수를 수동으로 증가시키는 것을 가능하게 하거나 촉진시킬 수 있다. 예로서, 검출 시스템(24)은 송신기(28) 및/또는 검출기(30)가 대지와 접촉한다는 청각적 또는 시각적 표시를 조작자에게 제공할 수 있다. 일 실시예에서, 모니터(36)가 조작자에 의한 육안 분석을 위해 반사된 신호의 시각적 표현을 제공할 수 있다. 반사된 신호의 혼선 피크의 특성의 변화를 관찰할 때, 조작자는 송신된 신호의 관통 깊이를 증가시키기 위해 전송된 신호의 파워 및/또는 주파수를 수동으로 증가시킬 수 있다.
일 실시예에서, 송신기(28)에 의해 제공된 대지 관통 신호의 다른 특성은 송신기(28) 및/또는 검출기(30)의 안테나(40)가 대지와 접촉한다는 것을 검출하였을 때 변경될 수 있다. 예시적 특성은 신호의 지향성, 펄스 기간 또는 다른 신호 레벨이나 서명 관련 특성을 포함한다.
검출기(30)에 의해 검출된 혼선 응답도 송신기(28)와 검출기(30)를 둘러싸는 토양, 자갈 또는 다른 대지 재료의 유전 특성을 결정하기 위해 사용된다. 일 실시예에서, 토양의 유전 특성은 안테나(40)가 대지와 접촉하여 위치되었을 때 송신기(28)에 의한 신호 펄스의 전송 이후 검출기(30)에서의 혼선 신호의 도달 시간에 기초하여 결정된다. 특히, 송신기(28) 및 검출기(30)의 안테나(40) 사이의 알려진 거리와, 검출기(30)에 의한 혼선의 검출과 송신기(28)에 의한 신호 펄스의 전송 사이의 시간에 기초하여, 대지의 유전 특성이 추정된다. 예로서, 상술한 수학식(4)을 사용하여, 두 안테나(40) 사이의 거리(r)를 알고, 검출기(30)에 의한 혼선의 검출과 송신기(28)에 의한 신호 펄스의 전송 사이의 시간(t)을 측정함으로써, 신호의 속도(v)가 결정될 수 있다. 결정된 속도(v)를 수학식 (5)에 대입함으로써, 주변 대지 재료의 유전 특성(ε)이 결정될 수 있다. 대안적으로, 예로서, 도 19b의 혼선 피크(92) 같은 혼선 피크의 크기 및/또는 구배도 토양이나 대지의 유전 특성을 추정하기 위해 사용될 수 있다. 대지 물질의 유전 특성은 본 명세서에 설명된 바와 같이 타겟 물체의 위치를 계산하는 데 사용될 수 있다. 예로서, 도달 시간 차이(TDOA) 방법은 특히, 주변 대지 또는 토양의 유전 특성에 기초하여 물체(26)의 상대적 위치를 계산한다. 송신기(28)와 검출기(30) 사이의 혼선을 분석함으로써, 토양의 유전 특성이 결정되고 물체(26)의 위치를 계산하는 데 고려된다.
본 발명이 양호한 디자인을 갖는 것으로 설명되었지만, 본 발명은 본 발명의 개념 및 범주 내에서 추가로 변형될 수 있다. 따라서, 본원은 그 일반적 원리를 사용하는 본 발명의 임의의 변형, 활용 또는 적응을 포함하는 것을 의도한다. 또한, 본원은 첨부된 청구범위의 한계 이내에 포함되는, 본 발명이 속하는 분야의 공지되거나 관습적인 실시형태 내에 있는 본 발명으로부터의 이런 출발을 포함하는 것을 의도한다.
Claims (39)
- 대지 관통 레이더와 통신하는 방법으로서,
상기 대지를 관통하도록 구성된 툴(tool)에 각각 결합된 송신기와 검출기를 제공하는 단계;
상기 송신기로 대지 관통 신호를 통신하는 단계;
상기 검출기로 상기 대지 관통 신호로부터 혼선(crosstalk)을 검출하는 단계; 및
상기 혼선의 특성에 기초하여 상기 대지에 대한 상기 송신기 및 상기 검출기 중 적어도 하나의 위치를 결정하는 단계를 포함하는 방법. - 제 1 항에 있어서, 상기 대지에 대한 상기 검출기와 상기 송신기 중 적어도 하나의 위치는 상기 대지 관통 신호의 통신 이후 상기 검출기에서의 혼선의 도달 시간에 기초하여 결정되는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 대지에 대한 상기 검출기와 상기 송신기 중 적어도 하나의 위치는 상기 혼선의 크기에 기초하여 결정되는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 검출기 및 상기 송신기는 상기 툴 상에서 이격 배치되는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 송신기 및 상기 검출기 각각은 트랜스듀서 및 유전 매체를 포함하고, 상기 트랜스듀서의 적어도 일부는 상기 유전 매체 내에 위치되는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 검출기와 상기 송신기 중 적어도 하나가 상기 대지와 접촉한다는 것이 결정되었을 때 상기 송신기로 제 2 대지 관통 신호를 통신하는 단계를 더 포함하고, 상기 제 2 대지 관통 신호는 상기 대지 관통 신호보다 큰 주파수 및 상기 대지 관통 신호보다 큰 크기 중 적어도 하나를 갖는 방법.
- 제 6 항에 있어서, 물체로부터의 상기 제 2 대지 관통 신호의 반사에 기초하여 대지 속에 위치된 물체를 검출하는 단계를 더 포함하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 제 1 위치로부터 제 2 위치로 상기 툴을 이동시키는 단계를 더 포함하고, 상기 통신 단계는 상기 툴이 상기 제 1 위치에 있을 때 상기 송신기로 제 1 대지 관통 신호를 통신하는 단계와 상기 툴이 상기 제 2 위치에 있을 때 상기 송신기로 제 2 대지 관통 신호를 통신하는 단계를 포함하는 방법.
- 제 8 항에 있어서, 상기 결정 단계는 상기 대지에 대한 상기 송신기와 상기 검출기 중 적어도 하나의 위치를 결정하도록 상기 제 2 대지 관통 신호로부터의 혼선의 특성과 상기 제 1 대지 관통 신호로부터의 혼선의 특성을 비교하는 단계를 포함하는 방법.
- 대지 관통 레이더로 통신하는 방법으로서,
툴과 상기 툴에 결합된 검출 시스템을 제공하는 단계로서, 상기 검출 시스템은 송신기 및 수신기를 포함하고, 상기 툴은 상기 대지를 관통하도록 구성되는, 상기 툴 및 상기 검출 시스템의 제공 단계;
상기 송신기로 대지 관통 신호를 통신하는 단계;
상기 송신기와 상기 수신기 사이의 신호 결합에 기초하여 상기 대지에 대한 상기 검출 시스템의 위치를 결정하는 단계; 및
상기 검출 시스템이 상기 대지와 접촉한다는 것을 결정하였을 때 상기 대지 관통 신호의 크기를 증가시키는 단계를 포함하는 방법. - 제 10 항에 있어서, 제 1 위치로부터 제 2 위치로 상기 툴을 이동시키는 단계를 더 포함하고, 상기 제 1 위치에서, 상기 검출 시스템은 대지로부터 이격 배치되고, 상기 제 2 위치에서, 상기 검출 시스템은 대지와 접촉하여 위치되는 방법.
- 제 11 항에 있어서, 상기 툴이 상기 제 1 위치에 있을 때, 상기 대지 관통 신호는 제 1 크기를 가지고, 상기 툴이 상기 제 2 위치에 있을 때, 상기 대지 관통 신호는 제 2 크기를 가지며, 상기 제 2 크기는 상기 제 1 크기보다 큰 방법.
- 제 10 항에 있어서, 상기 증가시키는 단계는 상기 대지 관통 신호의 파워와 주파수 중 적어도 하나를 증가시키는 단계를 포함하는 방법.
- 제 10 항에 있어서, 상기 결정 단계는 상기 툴이 상기 제 1 위치에 있을 때 상기 송신기와 상기 수신기 사이의 신호 결합의 특성을 상기 툴이 상기 제 2 위치에 있을 때 상기 신호 결합의 특성과 비교하는 단계를 포함하는 방법.
- 대지 관통 레이더와 통신하는 방법으로서,
툴과 상기 툴에 결합된 검출 시스템을 제공하는 단계로서, 상기 검출 시스템은 송신기 및 수신기를 포함하고 상기 대지 속에 위치한 물체를 검출하도록 구성되는, 상기 툴 및 상기 검출 시스템의 제공 단계;
관통부를 생성하도록 상기 툴로 상기 대지를 관통하는 단계;
상기 송신기와 상기 물체 사이에서 신호를 통신하는 단계;
상기 수신기로 상기 신호로부터의 혼선을 식별하는 단계; 및
상기 신호의 혼선에 기초하여 상기 대지의 유전 특성을 결정하는 단계를 포함하는 방법. - 제 15 항에 있어서, 상기 결정 단계는 상기 통신 단계 이후 상기 수신기에서의 혼선의 도달 시간에 기초하는 방법.
- 제 15 항에 있어서, 상기 결정 단계는 혼선의 크기에 기초하는 방법.
- 제 15 항에 있어서, 상기 송신기 및 상기 수신기는 거리를 두고 이격 배치되고, 상기 대지의 유전 특성의 결정은 상기 송신기와 상기 수신기 사이의 거리에 추가로 기초하는 방법.
- 제 15 항에 있어서, 상기 물체로부터의 신호의 반사에 기초하여 상기 대지 속에 위치된 상기 물체를 검출하는 단계와, 상기 반사와 상기 결정된 대지의 유전 특성에 기초하여 상기 물체의 위치를 계산하는 단계를 더 포함하는 방법.
- 제 15 항에 있어서, 상기 송신기 및 상기 수신기 각각은 트랜스듀서와 유전 매체를 포함하고, 상기 트랜스듀서의 적어도 일부는 상기 트랜스듀서와 상기 대지 사이의 신호 손실을 실질적으로 감소시키도록 상기 유전 매체 내에 위치되는 방법.
- 건설 차량으로서,
새시;
상기 새시를 지지하도록 위치된 복수의 트랙션 장치들;
상기 새시에 의해 지지되고 상기 대지를 관통하도록 구성된 작업 툴; 및
대지 관통 신호를 통신하도록 구성된 송신기와, 상기 대지 관통 신호로부터의 혼선을 검출하도록 구성된 검출기를 포함하는 검출 시스템을 포함하고,
상기 송신기 및 상기 검출기는 상기 작업 툴에 장착되고, 상기 검출 시스템은 상기 대지 관통 신호로부터의 혼선의 특성에 기초하여 상기 대지에 대한 상기 송신기 및 상기 검출기 중 적어도 하나의 위치를 결정하도록 구성되는 건설 차량. - 제 21 항에 있어서, 상기 혼선의 특성은 상기 혼선의 크기와 상기 검출기에서의 혼선의 도달 시간 중 적어도 하나를 포함하는 건설 차량.
- 제 21 항에 있어서, 상기 검출 시스템은 상기 대지에 대한 상기 송신기와 상기 검출기 중 적어도 하나의 위치를 결정하기 위해 상기 검출기에 의해 검출된 상기 혼선을 분석하고 상기 검출기 및 상기 송신기 중 적어도 하나가 상기 대지와 접촉한다는 것을 결정하였을 때 제어 이벤트를 개시하도록 구성되는 제어기를 포함하는 건설 차량.
- 제 23 항에 있어서, 상기 제어 이벤트는 상기 대지 관통 신호의 파워 및 주파수 중 적어도 하나를 증가시키는 것을 포함하는 건설 차량.
- 제 21 항에 있어서, 상기 검출 시스템은 상기 검출기와 상기 송신기 중 적어도 하나가 상기 대지와 접촉한다는 시각적 표시를 제공하도록 구성된 디스플레이를 포함하는 건설 차량.
- 제 21 항에 있어서, 상기 검출 시스템은 상기 검출기와 상기 송신기 중 적어도 하나가 상기 대지와 접촉한다는 것을 결정하였을 때 청각적 신호를 제공하도록 구성되는 건설 차량.
- 제 21 항에 있어서, 상기 송신기 및 상기 검출기 각각은 트랜스듀서와 유전 매체를 포함하고, 트랜스듀서의 적어도 일부는 상기 유전 매체 내에 위치되는 건설 차량.
- 대지 속에 위치된 물체를 검출하도록 구성된 검출기 조립체로서,
내부 영역을 갖는 하우징 구조체;
상기 하우징 구조체의 내부 영역에 배치되고 대지 관통 신호를 통신하도록 구성되는 안테나; 및
상기 하우징 구조체 둘레에 몰딩된 유전 매체로서, 상기 하우징 구조체와 상기 유전 매체는 상기 안테나와 상기 대지 사이의 대지 관통 신호의 통신 동안 신호 손실을 실질적으로 감소시키도록 협력하는, 상기 유전 매체를 포함하는 검출기 조립체. - 제 29 항에 있어서, 상기 대지를 관통하도록 구성된 작업 툴을 더 포함하고, 상기 안테나 및 상기 하우징 구조체는 상기 작업 툴에 장착되는 검출기 조립체.
- 제 30 항에 있어서, 상기 안테나 및 상기 하우징 구조체는 상기 작업 툴의 절삭 요소의 일부를 형성하고, 상기 유전 매체는 상기 절삭 요소의 절삭 에지를 형성하는 검출기 조립체.
- 제 30 항에 있어서, 상기 절삭 툴에 장착된 검출기를 더 포함하고, 상기 안테나는 상기 대지 속에 위치된 상기 물체에 상기 대지 관통 신호를 통신하도록 구성되고, 상기 검출기는 상기 물체로부터 상기 대지 관통 신호의 반사를 수신하도록 구성되는 검출기 조립체.
- 제 29 항에 있어서, 상기 유전 매체는 폴리우레탄 재료를 포함하는 검출기 조립체.
- 제 29 항에 있어서, 상기 하우징 구조체는 강성 폴리머로 구성되는 검출기 조립체.
- 제 33 항에 있어서, 상기 하우징 구조체와 상기 유전 매체는 실질적으로 동일한 유전 특성들을 갖는 검출기 조립체.
- 대지 관통 레이더와 통신하는 방법으로서,
작업 툴, 트랜스듀서 및 상기 트랜스듀서를 수용하기 위한 내부 영역을 갖는 하우징 구조체를 제공하는 단계;
상기 하우징 구조체 둘레에 유전 매체를 몰딩하는 단계;
상기 하우징 구조체의 내부 영역에 상기 트랜스듀서를 고정하는 단계;
상기 작업 툴에 상기 트랜스듀서 및 상기 하우징 구조체를 결합하는 단계;
관통부를 생성하도록 상기 작업 툴로 상기 대지를 관통하는 단계; 및
상기 관통 단계 동안 상기 트랜스듀서로 대지 관통 신호를 통신하는 단계를 포함하는 방법. - 제 35 항에 있어서, 상기 유전 매체, 상기 하우징 구조체 및 상기 대지는 상기 통신 단계 동안 신호 손실을 실질적으로 감소시키도록 실질적으로 동일한 유전 특성들을 갖는 방법.
- 제 36 항에 있어서, 상기 유전 매체는 폴리우레탄 재료를 포함하고, 상기 하우징 구조체는 강성 폴리머를 포함하는 방법.
- 제 35 항에 있어서, 상기 하우징 구조체 및 상기 트랜스듀서는 상기 작업 툴의 절삭 요소의 일부를 형성하고, 상기 유전 매체는 절삭 요소의 절삭 표면을 형성하는 방법.
- 제 35 항에 있어서, 상기 작업 툴에 검출기를 장착하는 단계를 더 포함하고, 상기 검출기는 상기 대지 속에 위치된 물체로부터 상기 대지 관통 신호의 반사를 수신하도록 구성되는 방법.
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