專利名稱：通過感應測量確定導電土壤中地下物體位置的裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于確定地下物體位置的可移動頻域感應裝置和方法。
背景在挖掘時很重要的一件事是要有一張精確的地下圖紙，以免破壞現(xiàn)有的諸如水、煤氣、電線等公用設施。例如，要在某個區(qū)域安裝新的管道，在挖掘新管道用的地溝時，必需了解在所述區(qū)域中現(xiàn)有的各種管道的位置以免破壞它們。建設工地缺乏精確的地下圖紙每年造成數(shù)千的管道破裂和數(shù)十億美元的修理費用。
大多數(shù)目前使用的管道定位設備要求操作人員將發(fā)射器直接連接到管道上。使用這種設備時，連接好的發(fā)射器在管道暴露的地方將單頻率電流注入到管道中。例如，對于水管，電流可以在消防栓處注入。然后用可記錄一個或數(shù)個磁場成分的單個手持接收器測量在地面上得到的磁場，如果只有一條直的管道，手持接收器可以精確地測定所述管道的方向和深度。但管道必需是暴露的、使得可以連接發(fā)射器。不暴露的管道不能用這種設備來定位。
不需要操作人員直接將發(fā)射器連接到管道上的管道定位設備具有許多優(yōu)點。例如，這種設備可以定位不暴露的管道而且不需要任何直接的物理連接。這種管道定位設備一般依賴于感應或波傳播。波傳播使用在穿透地面的雷達中。但這種波傳播方法要求土壤的導電率比較低。當土壤的導電率高時，雷達波快速衰減，不能到達埋有管道的地下區(qū)域。相反，當土壤的導電率高時，感應方法卻能很好地工作。
為了理解為什么在雷達方法不能奏效的情況下感應方法卻能很好地工作，設想一個平面波在均質土壤中傳播，其導磁率為μ0＝1.256×10-6H/m，相對介電常數(shù)為εr，導電率為σ。假定所述平面波是角頻率為ω＝2πf的時間諧波。如果傳播方向是x軸，則所述平面波表現(xiàn)為exp(ikx)，式中傳播常數(shù)k以(ω2μ0ε0εr+iωμ0σ)1/2表示，其中ε0＝8.85×10-12F/m。平面波的衰減以exp(-Im(k)x)表示，其中Im(k)表示k的虛部。對于典型的土壤，εr從2到30，σ從10-6S/m到1S/m。為了說明雷達和感應方法的差別，假定土壤是濕粘土，其εr＝10，σ＝0.2S/m。雷達系統(tǒng)和感應系統(tǒng)的典型中心頻率分別為400MHz和20kHz。利用這些數(shù)值，可知平面波的衰減對于雷達信號是exp(-(11.0/m)x)，對于感應信號則是exp(-(0.13/m)x)。這樣，每傳播一米，雷達信號衰減95dB，而感應信號衰減17dB，因此只有感應方法可以用來在這種土壤中確定埋在地面數(shù)厘米以下的管道的位置。
已有多種感應系統(tǒng)市售。每種都采用環(huán)形天線，它們的大小從手持裝置(例如簡單的金屬探測器)到諸如用于探礦的大型系統(tǒng)，大型系統(tǒng)的環(huán)形天線尺寸可達數(shù)百米數(shù)量級。這些感應系統(tǒng)主要設計用于探測導電礦物，聚集體，蓄水層，底巖，以及掩埋的廢料。
一種這樣的市售系統(tǒng)是EM31，由Geonics Limited出售，它提供多種用于地球物理勘探的感應工具。(在美國專利4070612和美國專利4199720中描述了所述Geonics產品。)EM31是一種手持裝置，它由發(fā)射器回路和接收器回路組成，二者相互分開固定的距離。回路都小到可以用磁偶極子來近似，且可以在垂直和水平偶極子模式下使用此工具。但由于EM31只有單一的接收器，用這種工具在大勘探區(qū)域內收集取樣密集的數(shù)據(jù)就非常麻煩。而且，用此工具，只能有一種發(fā)射器-接收器間距(3.7米)。
Geonics還生產EM34-4系統(tǒng)，它包括發(fā)射器和接收器線圈，能在三種由操作員選擇的間距下工作。這種可變的間距可使所述裝置用于不同的勘探深度。但是，要用此裝置創(chuàng)建不止一個發(fā)射器-接收器間距的數(shù)據(jù)集，就必需用不同的線圈間距重復勘探。而且，每次掃描，只收集沿一條線路的數(shù)據(jù)，這就意味著要覆蓋一個大的區(qū)域，就必需攜帶所述裝置來來回回反復多次。所以，對于大的勘探區(qū)域，要收集密集取樣的數(shù)據(jù)，EM34-4不是一種有效的工具。
發(fā)明概述本發(fā)明提供一種頻域感應系統(tǒng)，它包括可移動陣列，所述可移動陣列包含兩個或兩個以上空間分隔的接收器陣列元件以及一個或一個以上空間分隔的發(fā)射器陣列元件；發(fā)射電路，用于經發(fā)射器陣列元件發(fā)射時間諧波電磁場的；以及接收電路，用于經接收器陣列元件檢測由時間諧波電磁場所感應的磁場。
在本發(fā)明的一個實施例中，可移動陣列安裝在活動車上。在另一實施例中，可移動陣列包含等量的接收器陣列元件和發(fā)射器陣列元件。在又一實施例中，每一個所述接收器陣列元件與所述發(fā)射器陣列元件之一結合成整體。在又一實施例中，每個所述接收器陣列元件與每個所述發(fā)射器陣列元件在空間上分隔開。
在本發(fā)明的一個實施例中，接收器陣列元件是共線的，而在另一實施例中，發(fā)射器陣列元件是共線的。在又一實施例中，發(fā)射器陣列元件和接收器陣列元件都是共線的。
在本發(fā)明的一個實施例中，發(fā)射電路同時發(fā)射具有不同頻率的時間諧波電磁場。在另一實施例中，發(fā)射電路順序地發(fā)射具有相同頻率的時間諧波電磁場。在又一實施例中，發(fā)射電路發(fā)射至少兩個不同頻率的時間諧波電磁場，而接收電路經由每個接收器陣列元件檢測每個頻率。
在本發(fā)明的一個實施例中，空間分隔的接收器陣列元件為等距間隔。在另一實施例中，空間分隔的發(fā)射器陣列元件為等距間隔。
本發(fā)明還提供一種探測地下物體的方法，所述包括以下步驟提供可移動的陣列，所述可移動陣列包含兩個或兩個以上空間分隔的接收器陣列元件以及一個或一個以上空間分隔的發(fā)射器陣列元件；經發(fā)射器陣列元件發(fā)射時間諧波電磁場；經接收器陣列元件檢測由所述時間諧波電磁場感應的磁場；以及分析磁場以便探測地下物體的存在。本發(fā)明的一個實施例包括另外一個步驟，即，沿地下物體上方的路徑移動可移動陣列。在又一實施例中，所述路徑是直線路徑。
在本發(fā)明的一個實施例中，發(fā)射步驟還包括同時發(fā)射不同頻率的時間諧波電磁場。在另一實施例中，發(fā)射步驟還包括順序地發(fā)射相同頻率的時間諧波電磁場。在又一實施例中，分析步驟探測地下導電物體的存在，在又一實施例中，分析步驟探測地下非導電物體的存在。
本發(fā)明還提供一種用于確定地下物體位置的頻域感應系統(tǒng)，它包括活動車；安裝在活動車上并包括兩個或兩個以上空間分隔的發(fā)射器-接收器對的陣列；適用于通過發(fā)射器發(fā)射時間諧波電磁場的發(fā)射電路；適用于接收由時間諧波電磁場所感應的磁場的接收電路；以及能夠分析磁場以便探測地下物體存在的分析軟件。
附圖簡要說明

圖1是用于本發(fā)明的感應陣列的一個實施例的側視圖。
圖2是用于本發(fā)明的感應陣列的一個實施例的頂視圖。
圖3是具有六個等距間隔的陣列元件的本發(fā)明一個實施例的頂視圖。
圖4是本發(fā)明一個實施例的流程圖，說明接收器j根據(jù)發(fā)射器i的發(fā)射信號獲取數(shù)據(jù)的步驟。
詳細說明本發(fā)明克服了上述缺點，方法是提供一種發(fā)射器和接收器陣列，借助于所述陣列可以自動地獲得變化的發(fā)射器和接收器間距。而且，按照本發(fā)明，在單次掃描中收集的勘探線數(shù)等于發(fā)射器數(shù)乘以接收器數(shù)，對于大的勘探面積，這就允許快速地收集密集取樣的多偏置數(shù)據(jù)集。
由感應裝置獲得的勘探深度取決于發(fā)射器和接收器的取向以及它們的空間間隔。例如，當發(fā)射器和接收器是平行于地面且間隔距離為d的小環(huán)形天線時，感應工具對于埋在大約0.4d深度的管道最為敏感。因此，能改變發(fā)射器和接收器之間的距離、使得可以確定不同深度的管道的位置是很有利。本發(fā)明通過提供同時工作的發(fā)射器和接收器，能夠在單次掃描中產生基于多發(fā)射器-接收器間距的數(shù)據(jù)集。如果本發(fā)明使用不止一個發(fā)射器，則那些發(fā)射器可以以不同頻率同時工作或以相同頻率順序地工作。
本發(fā)明提供用于探測管道和電纜的頻域感應工具，所述工具最好安裝在活動車上。所述公開的裝置包括發(fā)射器和接收器以及使發(fā)射器和接收器工作所需的電子設備。所述裝置中的發(fā)射器產生時間諧波電磁場，所述磁場在地下感應出渦流。渦流發(fā)射磁場，所述磁場由接收器測量。渦流在高導電率區(qū)域最易感應，所以趨向于集中在導電管道沿線，在非導電管道上就沒有渦流。因此，導電和非導電管道干擾了地面上的磁場，于是就可以用本發(fā)明來探測。就是說，本發(fā)明可以用來探測其導電率與周圍土壤的導電率明顯不同的任何物體。特別是，本發(fā)明能夠探測非導電和導電管道。
可以把接收器的輸出分成兩個分量同相分量和正交相位分量。同相分量具有和發(fā)射的場相同的相位，正交相位分量和發(fā)射的場之間有90°相位差。直流場僅對同相分量起作用，所以如果發(fā)射器和接收器在自由空間工作，則只有同相分量為非零分量。正交相位分量起因于直流場與土壤以及埋在土壤中的任何物體的相互作用。所以從正交相位分量可以更容易地獲得有關掩埋物體的信息。(同相分量也包包含關掩埋物體的信息，但所述信息通常由于直流信號的強作用而模糊不清。)本發(fā)明的感應系統(tǒng)最好安裝在活動車上。當車沿地面移動時，由渦流發(fā)射的磁場的二維圖就被記錄下來。所述圖揭示了埋在地下的管道位置。
圖1和2示出本發(fā)明的一個實施例，陣列100包含六個陣列元件(110，120，130，140，150，160)，每個陣列元件包含發(fā)射器和接收器。圖1中與地面102和空氣104有關地示出陣列100。所述具體實施例的運動方向示于圖2。每個發(fā)射器用單獨的頻率驅動，而每個接收器記錄所有發(fā)射器頻率條件下的磁場。本發(fā)明允許同時進行多偏置感應測量并可調查陣列幅寬所覆蓋的整個區(qū)域。
圖3示出本發(fā)明的一個實施例，其中陣列200包括六個相等間隔的陣列元件(210，220，230，240，250，260)，每個陣列元件包含單一的發(fā)射器和單一的接收器。在陣列元件210，220，230，240，250和260中的發(fā)射器分別以頻率f1，f2，f3，f4，f5，和f6工作。相鄰陣列元件之間的距離為Δ，而接收器同時在所有頻率下記錄。陣列元件210中接收器的輸出包括六個頻率為f1，f2，f3，f4，f5和f6的時間諧波信號，對應于頻率fn的水平發(fā)射器-接收器偏置為(n-1)Δ，其中n＝1，2，3，4，5和6。一般來說，如果接收器從1到6順序地編號，接收器1在陣列元件210中，接收器6在陣列元件260中，則對于接收器m，對應于頻率fn的水平發(fā)射器-接收器偏置為|n-m|Δ，其中m＝1，2，3，4，5和6，n＝1，2，3，4，5和6。如上所述，每個不同的發(fā)射器-接收器間隔對應于不同的勘探深度。(當m＝n時，發(fā)射器和接收器處于相同的水平位置，即一個在另一個之上。)對于圖2所示的配置，同時收集36個通道的數(shù)據(jù)。
圖2所示的實施例可以用許多方式概括，對于本專業(yè)的技術人員是顯而易見的。例如，陣列可以包括任何數(shù)量(大于1)的陣列元件。而且，在每個陣列元件中可以使用三分量發(fā)射器和接收器，以便產生與各種取向相關的數(shù)據(jù)。此外，每個陣列元件不一定都包含發(fā)射器和接收器。而是可將發(fā)射器和接收器設置在不同的陣列元件中。但每個發(fā)射器仍應在不同的頻率下工作，以便在所有接收器上同時獲得所有發(fā)射的信號。而且，陣列元件不一定要共線，而可以代之以例如這樣安排陣列元件、使得接收器共線且發(fā)射器也共線，但不是整個陣列共線。此外，發(fā)射器的數(shù)量不一定等于接收器的數(shù)量，且陣列元件之間的間隔不一定相等。
通常，考慮到空間，接收器安排為三個一組、使得一個位置上的所有正交磁場都可被記錄。而且，考慮到空間，發(fā)射器通常安排為三個一組、使得從同一位置可以發(fā)射所有三個成分。但本發(fā)明不限于這種配置。
數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)按時間序列記錄發(fā)射的信號和接收的信號。發(fā)射和接收信號之間的相位差提供了所需的相位信息。系統(tǒng)的最后輸出一般是頻域量。接收器通常與前置放大器組裝在一起，對500Hz到50kHz范圍內的信號較為敏感。可以根據(jù)需要使用信號修整，以提供增大、衰減、濾波、電壓范圍轉換、以及本專業(yè)技術人員所熟知的其它類型的修整?？梢酝ㄟ^例如物理開關或從數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)或通用計算機引出的數(shù)字線來實現(xiàn)控制。所述通用計算機也可用來提供數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、以及數(shù)據(jù)顯示。圖3示出本發(fā)明一個特定實施例的流程圖，其中數(shù)據(jù)是由接收器j根據(jù)發(fā)射器i的發(fā)射信號獲取的。
所以，本發(fā)明完全適合進行上述目的并獲得所述優(yōu)勢，以及其固有的其它優(yōu)勢。所有當前的優(yōu)選實施例都是為了公開而提出的。如果在上述說明中提到的元件具有已知的等效物，則這些等效物應包括在內，就好像單獨提出它們一樣。雖然用實例和參閱特定實施例對本發(fā)明作了說明，但本發(fā)明并不應限于那些特定的實例和實施例。顯然，本專業(yè)的技術人員很容易看出可以作許多結構細節(jié)的修改和/或改進，這些修改和改進均包括在本發(fā)明的精神和所附權利要求書的范圍之內。
權利要求
1.一種頻域感應系統(tǒng)，它包括可移動陣列，它包括兩個或兩個以上空間分隔的接收器陣列元件和一個或一個以上空間分隔的發(fā)射器陣列元件；經所述一個或一個以上發(fā)射器陣列元件發(fā)射時間諧波電磁場的發(fā)射電路；以及經所述兩個或兩個以上接收器陣列元件檢測由所述時間諧波電磁場感生的磁場的接收電路。
2.如權利要求1所述的頻域感應系統(tǒng)，其特征在于所述可移動陣列還包括活動車。
3.如權利要求1所述的頻域感應系統(tǒng)，其特征在于所述可移動陣列包括等量的接收器陣列元件和發(fā)射器陣列元件。
4.如權利要求1所述的頻域感應系統(tǒng)，其特征在于每個所述接收器陣列元件與所述發(fā)射器陣列元件之一結合成整體。
5.如權利要求1所述的頻域感應系統(tǒng)，其特征在于各所述兩個或兩個以上接收器陣列元件中的每一個與所述一個或一個以上發(fā)射器陣列元件中的每一個在空間上是分離的。
6.如權利要求1所述的頻域感應系統(tǒng)，其特征在于所述兩個或兩個以上接收器陣列元件是共線的。
7.如權利要求1所述的頻域感應系統(tǒng)，其特征在于所述一個或一個以上發(fā)射器陣列元件是共線的。
8.如權利要求1所述的頻域感應系統(tǒng)，其特征在于所述一個或一個以上發(fā)射器陣列元件和所述兩個或兩個以上接收器陣列元件是共線的。
9.如權利要求1所述的頻域感應系統(tǒng)，其特征在于所述發(fā)射電路同時發(fā)射具有不同頻率的時間諧波電磁場。
10.如權利要求1所述的頻域感應系統(tǒng)，其特征在于所述發(fā)射電路順序地發(fā)射具有相同頻率的時間諧波電磁場。
11.如權利要求1所述的頻域感應系統(tǒng)，其特征在于所述發(fā)射電路發(fā)射至少兩個不同頻率的時間諧波電磁場，而所述接收電路經由每個所述接收器陣列元件檢測每個所述頻率。
12.如權利要求1所述的頻域感應系統(tǒng)，其特征在于所述空間分隔的接收器陣列元件是均勻隔開的。
13.如權利要求1所述的頻域感應系統(tǒng)，其特征在于所述空間分隔的發(fā)射器陣列元件是均勻隔開的。
14.一種探測地下物體的方法，所述方法包括(a)提供可移動陣列，所述可移動陣列包括兩個或兩個以上空間分隔的接收器陣列元件和一個或一個以上空間分隔的發(fā)射器陣列元件；(b)經所述一個或一個以上發(fā)射器陣列元件發(fā)射時間諧波電磁場；(c)經所述兩個或兩個以上接收器陣列元件檢測由所述時間諧波電磁場感生的磁場；以及(d)分析所述磁場以探測地下物體的存在。
15.如權利要求14所述的探測地下物體的方法，其特征在于還包括沿所述地下物體上面的路徑移動所述活動車。
16.如權利要求14所述的探測地下物體的方法，其特征在于所述路徑是直線路徑。
17.如權利要求14所述的探測地下物體的方法，其特征在于所述發(fā)射步驟還包括同時發(fā)射不同頻率的時間諧波電磁場。
18.如權利要求14所述的探測地下物體的方法，其特征在于所述發(fā)射步驟還包括順序地發(fā)射相同頻率的時間諧波電磁場。
19.如權利要求14所述的探測地下物體的方法，其特征在于所述分析步驟探測地下導電物體的存在。
20.如權利要求14所述的探測地下物體的方法，其特征在于所述分析步驟探測地下非導電物體的存在。
21.一種用于確定地下物體位置的頻域感應系統(tǒng)，它包括活動車；安裝在所述活動車上并包括兩個或兩個以上空間分隔的接收器/發(fā)射器對的陣列；適合于通過所述發(fā)射器發(fā)射時間諧波電磁場的發(fā)射電路；適合于接收由所述時間諧波電磁場感生的磁場的接收電路；能夠分析所述磁場以探測所述地下物體存在的分析軟件。
全文摘要
提出了利用感應陣列系統(tǒng)確定地下物體位置的裝置和方法。所述公開的系統(tǒng)采用包括兩個或兩個以上空間分隔的接收器和一個或一個以上空間分隔的發(fā)射器的可移動陣列。所述空間分隔允許利用所述裝置在勘測的地面區(qū)域上的單次掃描來探測不同深度的物體。如果使用多個發(fā)射器，則它們可以同時以不同的頻率工作，或以相同的頻率順序地工作。在感應陣列中接收器元件和發(fā)射器元件之間的間隔可以是均勻的或不均勻的。
文檔編號G01S13/00GK1509414SQ02809871
公開日2004年6月30日 申請日期2002年3月14日 優(yōu)先權日2001年3月15日
發(fā)明者T·漢森, R·比爾肯, , T 漢森 申請人:威頓技術公司