專利名稱：具有整體位置傳感的埋入線路定位器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
此公開涉及電子學(xué)領(lǐng)域，更具體地，涉及能夠用于定位隱藏在地下或位于地下的物體的設(shè)備的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
線路定位器用于定位埋入地下的線路的位置，諸如煤氣管、水管、電話電纜和電力電纜等。線路定位器典型地包括發(fā)射器和接收器。發(fā)射器引起電磁場從要定位的線路中輻射出來。接收器通過檢測輻射出的場來定位線路?？梢园凑找韵履Ｊ街徊僮骶€路定位器直接連接模式和感應(yīng)模式。
在直接連接模式中，發(fā)射器與要定位的線路物理相連，典型地在該線路的位于地面之上的一點處相連。發(fā)射器在線路的一端處產(chǎn)生電壓，使電流沿著該導(dǎo)電線路流動。電流在該線路周圍產(chǎn)生磁場，該磁場能夠由線路定位器的接收器檢測到。
在直接連接到線路是不可能的情況下，例如，如果線路完全置于地下，線路定位器典型地按照感應(yīng)模式進(jìn)行操作。在感應(yīng)模式中，線路定位器利用電磁感應(yīng)在線路中產(chǎn)生電流通過天線輻射出隨時間變化的電磁場，在要定位的線路中感應(yīng)出電流。線路中的電流則在線路周圍產(chǎn)生電磁場，并且線路定位器中的接收器檢測該電磁場。
為了定位線路，典型地，操作者在地表上方移動接收器，直到指示出現(xiàn)電磁場為止，因此，確定該線路的位置。接收器測量電磁場的強度，電磁場的強度與埋入線路或目標(biāo)中的電流成正比。根據(jù)歐姆定律，線路中的電流與線路的阻抗成反比。由于埋入線路的物理狀態(tài)較寬的可變性和這些線路的環(huán)境的較寬的可變性，埋入線路的阻抗實質(zhì)上可能為任何值。但是，在多數(shù)情況下，可以感應(yīng)出特定電流，因而該線路可以產(chǎn)生電磁場。
現(xiàn)在可用的線路定位器在定位和追蹤埋入線路時是有效的。然而，存在其中使用線路定位器可能導(dǎo)致對線路位置的不適當(dāng)確定的情況，這會導(dǎo)致線路損害或?qū)υ诰€路附近挖掘的人員造成嚴(yán)重傷害。當(dāng)在目標(biāo)線路附近存在結(jié)構(gòu)或物體時會出現(xiàn)這樣的情況，因為這影響了接收器的測量。此影響的一個示例是在極接近目標(biāo)線路處存在幾條埋入地下的線路。在目標(biāo)線路中的電流能夠感應(yīng)鄰近線路中的電流，因而使目標(biāo)線路所產(chǎn)生的電磁場失真。失真場可能會導(dǎo)致對線路位置的不正確確定，以及對深度的不準(zhǔn)確測量。另外，定位器可能找到相鄰線路而不是目標(biāo)線路，這是由于電磁場從目標(biāo)線路擴散到相鄰線路上。
可以用于處理失真場的影響的一個方法是測量并記錄電磁場的強度和在其處獲得每個電磁場強度的測量結(jié)果的空間位置。為了使這種系統(tǒng)在多數(shù)情況下可用，將需要該系統(tǒng)在幾百英尺的范圍內(nèi)具有小于約1英寸的定位精度，并且該系統(tǒng)將需要以相當(dāng)于每秒10次的速率進(jìn)行的測量來實時進(jìn)行操作。
確定每次測量場強度的位置的一個方法是使用全球定位系統(tǒng)(GPS)。在此方案中，GPS接收器與線路定位接收器一起操作，并記錄來自這兩者的數(shù)據(jù)。為此目的使用GPS的問題在于GPS乃至差動GPS(DGPS)的精度通常并不能滿足需要。GPS的預(yù)計精度是10到20英尺，而DGPS的預(yù)計精度是3到5英尺。此精度并不足以對來自地下線路的失真電磁場進(jìn)行處理。盡管一些GPS的實施例提供了小于1英寸的精度，但并不能實時進(jìn)行這些測量，因為定位器的接收器在所關(guān)心的區(qū)域內(nèi)以合理的速率空間移動。
在地下線路定位領(lǐng)域的另一問題在于需要在持續(xù)幾小時或幾天以上的時間段內(nèi)保持對埋入線路的位置的追蹤。目前，進(jìn)行地下線路定位的操作者通常通過在埋入線路之上的地面上繪線來標(biāo)記線路的位置。但是，如果所繪的線磨損或被移動，這通常需要針對在線路附近的陸標(biāo)定位該線路。目前，通過使用卷尺或其它外部測量設(shè)備創(chuàng)建陸標(biāo)或剩余繪線之間的線路來保持線路定位。然而，如上所述，線路定位所需的精度通常需要小于1英寸。此方法中所使用的卷尺不能提供所需等級的精度。另外，利用卷尺為線路定位器測量獲得精確的位置數(shù)據(jù)所需的時間長度通常是不容許的。
因此，需要一種能夠測量電磁場的強度并同時且精確地測量與場強度的測量有關(guān)的空間位置的線路定位系統(tǒng)。還需要一種能夠在較長時間段內(nèi)精確地保持對地下線路的位置的確定的線路定位系統(tǒng)，從而可以在之后確定這些線路。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提出了一種線路定位器，提供從目標(biāo)線路中發(fā)射出來的電磁場強度的精確三維、空間的圖。根據(jù)本發(fā)明的線路定位器包括接收器，測量電磁場強度；精確空間定位器，確定接收器的空間位置；以及處理器，記錄電磁場強度和空間位置。在一些實施例中，處理器可以提供作為空間位置函數(shù)的電磁場強度的繪圖。在一些實施例中，可以可以從線路定位器中將數(shù)據(jù)檢索到分離的處理系統(tǒng)上。在一些實施例中，可以利用繪圖來確定地下線路的定位。
在本發(fā)明的一些實施例中，精確空間定位器包括慣性繪圖系統(tǒng)，當(dāng)接收器在關(guān)心區(qū)域上方移動時，連續(xù)確定接收器的位置。這種慣性繪圖系統(tǒng)的實例將包括一個或多個加速計。加速計提供指示加速計的瞬時加速度的信號。這種二次積分的信號按照時間函數(shù)提供接收器的位置。然后，加速系統(tǒng)可以根據(jù)在測量期間從預(yù)定開始點所測量到的加速系統(tǒng)的加速度來精確地提供接收器的位置。
在本發(fā)明的一些實施例中，精確空間定位器實現(xiàn)了三角測量或三邊測量繪圖系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)的一些實施例中，在所關(guān)心區(qū)域周圍設(shè)置了一個或多個發(fā)射器。精確空間定位器從一個或多個發(fā)射器中接收信號，并根據(jù)所接收到的信號確定接收器的位置?？梢跃_確定精確空間定位器相對于一個或多個發(fā)射器的位置的位置。
在本發(fā)明的一些實施例中，精確空間定位器包括測距儀，在一些實施例中，可以是激光測距儀。測距儀可以安裝在追蹤目標(biāo)物體的電動機驅(qū)動的支架(gimble)上。目標(biāo)物體可以是鏡子或可以將發(fā)射輻射(例如，激光、紅外線、或聲波)反射回測距儀的任何其它對象?？梢愿鶕?jù)到目標(biāo)對象的距離和支架的方向確定接收器的空間位置?？梢匀缤ㄟ^使在測距儀處反射的輻射的強度最小、同時監(jiān)視發(fā)射器相對于線路定位器的方向，來確定支架的方向。
根據(jù)本發(fā)明的線路定位器可以提供用于產(chǎn)生作為在所關(guān)心區(qū)域上方的空間位置函數(shù)的電磁場強度的精確繪圖的數(shù)據(jù)?？梢允褂眠@樣的數(shù)據(jù)以及建模軟件，來確定地下線路和可能使從這些線路中發(fā)射出來的電磁場失真的周圍結(jié)構(gòu)的位置。然后，可以更精確地確定所關(guān)心線路的物理位置。
以下參考附圖更為充分地描述本發(fā)明的這些和其它實施例。


圖1示出了傳統(tǒng)線路定位系統(tǒng)的示意圖；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的具有精確空間定位器的線路定位系統(tǒng)的在附圖中，具有相同標(biāo)記的元件具有相同或相似的功能。
具體實施例方式
圖1示出了位于線路105之上的傳統(tǒng)線路定位系統(tǒng)100的示意圖。發(fā)射器110可以與線路105相連，以便感應(yīng)要流過線路105的電流115。當(dāng)電流115流過線路105時，其產(chǎn)生電磁場120，所述電磁場120從線路105中輻射出來。如果電流115是不變的，則電磁場120是靜態(tài)電磁場。如果電流115隨時間變化，則電磁場120也是隨時間變化的電磁場。電磁場120的一部分穿過地125，其可以由定位器100的接收器170檢測。在圖1所示的定位器100的實施例中，接收器170包括檢測器130、135、175和180，可以對它們進(jìn)行定位以確定線路105的深度和線路105的橫向位置。
按照直接連接模式示出了發(fā)射器110，即，發(fā)射器110與線路105電相連。例如，可以在其中線路105暴露在地125的表面上的地點處實現(xiàn)所述電連接。在一些情況下，發(fā)射器110也可以按照感應(yīng)模式進(jìn)行操作，其中利用電磁感應(yīng)在線路105中感應(yīng)出電流115。在一些情況下，線路105已經(jīng)攜帶電流，例如，60Hz處的A/C電能，則不需要發(fā)射器110。
線路定位器100在檢測器130、135、175和180處檢測到電磁場。圖1中的檢測器130、135、175和180以線圈型檢測器示出，但是可以使用任何能夠測量電磁場的檢測器。檢測器130、135、175和180與檢測電路140相連。檢測電路140接收來自檢測器130、135、175和180的信號，并對這些信號進(jìn)行放大和濾波。在一些情況下，可以在檢測電路140中對信號進(jìn)行數(shù)字化。處理電路145接收來自檢測電路140的信號，并執(zhí)行根據(jù)在檢測器130、135、175和180處測量到的電磁場來計算線路105的深度和位置的操作。處理電路145可以是模擬電路，或者可以是微處理器。然后，可以在顯示器150上、向操作者顯示計算的結(jié)果，在一些實施例中，將其存儲在存儲器155中。
在以下專利文獻(xiàn)中進(jìn)一步描述了可應(yīng)用于線路定位的左右檢測和電子電路美國專利NO.6,407,550，題為“Line Locator HavingLeft/Right Detection”，Gopal Parakulum和Steven Polak；以及美國專利NO.6,130,539，“Automatic Gain Control for a LineLocator”，Steven Polak，其內(nèi)容一并在此作為參考。
再次參考圖1，線路控制器100通過檢測輻射的電磁場120來定位線路105。一些接收器包含用于確定要定位的線路的深度和位置的電磁場傳感器對。作為示例，接收器170使用檢測器175和180確定橫向(即，水平)位置，而使用檢測器130和135確定深度。檢測器130、135和175、180中的每一個響應(yīng)電磁場120產(chǎn)生信號。檢測電路140根據(jù)由130、135、175和180產(chǎn)生的信號，產(chǎn)生針對處理器145的信號。處理電路145比較來自檢測器175和180的信號，以計算線路105的橫向位置，并對來自檢測器130和135的信號進(jìn)行處理，以計算離線路105的距離。將此信息發(fā)送到顯示器150，以便由操作者觀看。
為了定位線路105，操作者在地125的表面上移動線路定位器，直到接收器170通告由檢測器175和180檢測到的信號相等為止，這表示線路定位器130位于電磁場120的源的中心處，這也是線路105的位置。
為了確定深度，可以使用檢測器130和135在距離線路105的兩個不同距離160、165處測量電磁場120的強度。在一些實施例中，在檢測器130和135(兩者之間相隔已知距離165)的每一個中的磁場強度比可以用于計算從接收器170到線路105的距離。在美國專利申請序列號NO.10/189,342、Russell N.Bigelow的題為“Detecting FieldDistortion In Underground Line Location，”中進(jìn)一步描述了可應(yīng)用于線路定位的深度確定方法，其內(nèi)容一并在此作為參考。
在用于確定從線路105中產(chǎn)生的電磁場的模型示例中，在假設(shè)電磁場120沒有失真的情況下，按照等式1得到磁場120的強度B，作為在距離160(在等式1中表示為d)處流入線路105的電流115的函數(shù)i。
B∝id---[1]]]>假設(shè)檢測器130和135具有線性響應(yīng)，或者可以由檢測電路140對響應(yīng)進(jìn)行線性化，由等式2給出了來自檢測器130和135中任意一個的輸出信號。在等式2中，i是在線路105上感應(yīng)出的電流115，距離dn是檢測器與線路105之間的垂直距離，響應(yīng)常數(shù)kn是包括接收器效率、增益以及所有其它檢測參數(shù)的影響的常數(shù)，以及n表示檢測器130和135的任一個。
sn=kn·idn---[2]]]>在圖1所示的線路定位器100中，檢測器130與線路105相隔距離160(或d)，而檢測器135與線路105相隔距離165(或等式3中的d+a)。檢測器130具有響應(yīng)常數(shù)k1，而檢測器135可以具有響應(yīng)常數(shù)k2。利用等式2，則由等式(3)給出來自檢測器130的信號s1與來自檢測器135的信號s2的比。
s1s2=k1k2d+ad·---[3]]]>將k12定義為k2與k1的比(即，k2/k1)并求出d來產(chǎn)生等式4.
d=αk12(s1/s2)-1---[4]]]>為了使線路定位器100能夠確定未知距離d，可以在校準(zhǔn)步驟期間確定比率k12并固定。典型地，可以在已知條件下通過在已知距離處對一個或多個電流承載線路105進(jìn)行測量來實現(xiàn)此校準(zhǔn)。在美國專利申請序列號NO.10/189,303、Russell N.Bigelow和Steven Polak的題為“Model Based Calibration For Line Locator”中進(jìn)一步描述了能夠與這里所述的線路定位器的實施例一起使用的校準(zhǔn)方法和系統(tǒng)，其內(nèi)容一并在此作為參考。
在校準(zhǔn)過程中，由于距離d是已知的，a是檢測器之間的物理距離，以及s1和s2是測量得到的，根據(jù)等式5可以計算出特定的一對檢測器130和135的k12。
k12≡k2k1=s2s1d+ad---[5]]]>當(dāng)要測量線路105的距離160時，接收器170位于線路105上方。測量由記錄信號s1和s2(分別從檢測器130和135)構(gòu)成。然后，應(yīng)用等式4以求出距離160(d)。
在單個線路源產(chǎn)生的所期望的電磁場符合預(yù)期的情況下，所述場由等式1來描述，并且具有1/r的形狀，其中距離r是與線路105的距離。將未遵守此1/r關(guān)系的場視為失真。為了針對單個線路源測量電磁場是否遵守1/r關(guān)系，針對位于與線路105相隔不同距離處的檢測器，可以至少進(jìn)行三次電磁場強度測量。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的線路定位系統(tǒng)200的實施例的示意圖。在圖2所示的實施例中，線路定位器200包括發(fā)射器205和接收器210。發(fā)射器205可以按照與針對圖1中的發(fā)射器110描述的方式類似的方式進(jìn)行操作。另外，還可以省略發(fā)射器205，或者使其作為接收器210的一部分，從而使整個線路定位器200可移動，例如，如在地下標(biāo)記定位器中那樣。
圖2所示的線路定位器200包括至少一個與檢測電路220相連的檢測器。圖2中示出了兩個檢測器215和217。處理電路230接收來自檢測電路220的信號，并執(zhí)行計算線路250的深度和位置的操作。精確空間定位電路235與處理電路225相連。精確空間定位電路235通過確定接收器210的當(dāng)前位置與參考位置之間的差值來確定接收器210的位置?？梢栽谄渲幸獙ふ液妥粉櫨€路的所關(guān)心區(qū)域中、在線路定位器200操作期間隨時校準(zhǔn)參考位置?？蛇x地，參考位置可以是其中進(jìn)行了電磁場強度確定的在先位置。在這種情況下，參考位置并不是絕對位置，而是可以持續(xù)改變的。
精確空間定位電路235根據(jù)接收器210的運動，監(jiān)視接收器210的位置。根據(jù)本發(fā)明的精確空間定位電路235包括位置檢測電路，能夠在整個關(guān)心區(qū)域內(nèi)針對參考位置將線路定位器200的位置確定在幾英寸之內(nèi)。在一些實施例中，精確空間定位電路235可以使用一個或多個加速計來確定位置的差值。在一些實施例中，精確空間定位電路235可以使用在位于所關(guān)心區(qū)域內(nèi)或附近的一個或多個已定位發(fā)射器之間的三角測量系統(tǒng)來確定位置的差值。在一此實施例中，精確空間定位電路235可以包括測距儀。
檢測電路220、處理電路230和精確空間定位電路235可以是相互關(guān)聯(lián)的并且全部包括在定位器200內(nèi)。在一些實施例中，處理電路230還可以包括接口電路，以提供與更大的處理系統(tǒng)290的通信。在一些實施例中，處理系統(tǒng)290可以接收來自精確空間定位電路235和電磁檢測電路220的數(shù)據(jù)。然后，處理系統(tǒng)290可以根據(jù)將電磁場強度描述為在所關(guān)心區(qū)域中空間位置的函數(shù)的模型，對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以便可以進(jìn)行對線路250位置進(jìn)行精確確定。在一些實施例中，處理系統(tǒng)290可以是任何計算機系統(tǒng)，包括PC兼容系統(tǒng)。處理系統(tǒng)290可以按照任何方式與處理電路230進(jìn)行接口，例如，通過硬有線連接、通過無線連接，或光連接。在一些實施例中，在處理電路230已經(jīng)獲得數(shù)據(jù)并存儲在存儲器280中之后，可以將數(shù)據(jù)下載到處理系統(tǒng)290。在本發(fā)明的一些實施例中，可以在處理電路230中實現(xiàn)所有數(shù)據(jù)處理。
精確空間定位電路235包括用于確定接收器210的位置的電路。如上所述，可以包括任何用于精確確定接收器210的位置的系統(tǒng)。在一些實施例中，精確空間定位電路235包括加速計。當(dāng)接收器210在關(guān)心區(qū)域周圍移動時，可以通過對加速度進(jìn)行積分來確定接收器210的位置的改變，來確定接收器210的空間位置。
在一些實施例中，精確空間定位電路235包括三角測量或三邊測量(tri-lateration)電路，用于進(jìn)行位置確定。在這些實施例中，電路235包括用于接收來自一個或多個發(fā)射臺的信號的天線。發(fā)射臺可以本地置于要定位線路的區(qū)域中，或者，在一些實施例中，可以是永久設(shè)置的現(xiàn)有發(fā)射器。另外，系統(tǒng)230將包括用于根據(jù)離發(fā)射臺的距離來連續(xù)確定位置的電路或軟件功能。如果使用一個發(fā)射臺，則電路235可以包括兩個或多個天線，以便確定方向以及從接收器210到發(fā)射臺的距離。
在一些實施例中，精確空間定位電路235包括測距系統(tǒng)，例如，其可以包括激光發(fā)射器和激光接收器?？梢允褂秒妱訖C以使發(fā)射器和檢測器能夠按照需要移動，從而始終使用同一陸標(biāo)或反射器，以將輻射(電磁、光、或聲輻射)反射回接收器。此外，電路235將包括用于根據(jù)對接收器發(fā)射出的光檢測的時間差來連續(xù)確定位置的電路或軟件功能。
在操作中，接收器200和檢測電路220確定在檢測器215、217以及包括在接收器210中的任何其它場檢測器處測量到的電磁場240的幅度，而精確空間定位電路235確定接收器210的位置。電磁場240被流入位于地255內(nèi)的線路250中的電流245感應(yīng)。然后，可以通過處理電路230或處理系統(tǒng)290根據(jù)由檢測電路220和精確空間定位電路235得到的數(shù)據(jù)產(chǎn)生在接收器210的位置處的電磁場240的幅度圖。存儲器280可以用于存儲來自精確空間定位電路235和檢測電路220的數(shù)據(jù)以及來自處理電路230的其它輸出信號。然后，可以創(chuàng)建電磁場的位置圖，作為空間定位的函數(shù)。
還可以利用檢測器215和217確定線路250的深度，與針對圖1所描述的一樣，其中，按照與距離160和165相同的方式使用距離270和275。但是，通過創(chuàng)建電磁場240的幅度圖，在接收器210操作期間，并不需要在線路定位器200處進(jìn)行有關(guān)線路250的深度的確定?？梢岳镁哂懈咛幚砟芰Φ奶幚硐到y(tǒng)290進(jìn)行對線路250的位置的更為精確的確定，所述處理系統(tǒng)290可以是計算機或可用于處理電路230的具有更好處理能力的其它設(shè)備。
然后，可以通過觀察作為空間定位函數(shù)的電磁場的幅度，檢測電磁場的失真?？梢酝ㄟ^針對所有位置處其中幅度已確定為已知幅度的的位置，比較電磁場的幅度和電磁場的幅度的改變，以及根據(jù)作為所關(guān)心的區(qū)域的位置函數(shù)的磁場的一些模型、比較磁場幅度隨位置的已知改變，來實現(xiàn)對電磁場失真的確定。當(dāng)與適當(dāng)模式進(jìn)行比較時，作為空間位置函數(shù)的電磁場強度圖則可以用于確定地255內(nèi)部的線路和其它結(jié)構(gòu)的數(shù)量和類型。
在一些實施例中，處理電路230不僅可以計算深度，而且可以根據(jù)來自檢測器215和217的信號有多么符合預(yù)期關(guān)系(例如等式1)來計算錯誤函數(shù)，所述預(yù)期關(guān)系應(yīng)當(dāng)響應(yīng)單條線路250的電流245而產(chǎn)生。
另外，在一些實施例中，顯示器260包括失真指示，指示在接收器210的檢測器處檢測到的電磁場的幅度是否出現(xiàn)失真，以及在地255內(nèi)部的線路250區(qū)域中是否很可能存在干擾結(jié)構(gòu)。另外，顯示器260還可以包括用戶界面，允許用戶控制線路定位器200的特征。顯示器260可以直接與接收器210相連，或者可以位于遠(yuǎn)端位置處，并通過無線或其它通信介質(zhì)與接收器210進(jìn)行通信。在一些實施例中，顯示器260可以與處理系統(tǒng)290組成在一起。
另外，處理電路230和精確空間定位電路235可以在需要時訪問存儲器280，以存儲和讀取位置信息和電磁場240的幅度的讀數(shù)。
在本發(fā)明的一些實施例中，接收器210包括幾個附加檢測器，幫助確定任意電磁場的空間形狀。這些附加檢測器可以用于在附加的空間點處進(jìn)行測量。接收器210的實施例可以包括任意數(shù)量的檢測器，根據(jù)其，可以計算來自線路250的電磁場強度的不同測量結(jié)果。具體地，接收器210可以包括橫向檢測器(類似于圖1中所示的檢測器175和180)以及為測量深度而設(shè)置的檢測器(如圖2中所示的檢測器215和217)。另外，在一些實施例中，能夠使用單個檢測器215，而無需附加檢測器來測量電磁場240的幅度。
圖2所示的線路定位器200的實施例的優(yōu)點在于在本地化地理區(qū)域中對接收器210所檢測到的電磁場強度進(jìn)行繪圖。由于可以在本地化地理區(qū)域中確定電磁場的精確形狀，該繪圖允許以有效的方式來確定失真。另外，由于在線路定位器200處確定了接收器210的位置，增加了系統(tǒng)的靈活性。例如，線路定位器200可以用于其中對GPS有干擾的區(qū)域中或者GPS信號質(zhì)量較差的區(qū)域中。另外，通過在精確空間定位電路235中使用低成本的電子器件，與使用GPS接收器的那些線路定位器相比，降低了線路定位器的成本。最后，根據(jù)本發(fā)明的線路定位器200的實施例包括精確位置測量235，其不能由GPS系統(tǒng)得到。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的精確空間定位電路235的實施例的示意圖。如圖3所示，設(shè)置了三個加速計300、305和310。加速計300、305和310每一個均分別提供與接收器210在x、y和z軸向上的加速度有關(guān)的信號。加速計300、305和310的每一個均包括振蕩器315、320和325。在圖2所示的實施例中，加速計300確定z向上的加速度，加速計305確定x向上的加速度，以及加速計310確定y向上的加速度。如傳統(tǒng)那樣，x和y向定義了與地平行的平面，而z向定義了地上的高度。
加速計300、305和310的每一個可以包括與集成電路結(jié)合的微型機電設(shè)備，從而該設(shè)備沿其三個軸之一的加速度引起串行數(shù)據(jù)流的輸出，指示加速度的幅度。該串行數(shù)據(jù)流可以輸入到微控制器375，其執(zhí)行數(shù)學(xué)時間積分，以確定運動的速度和第二時間積分，從而確定加速計已經(jīng)移動的距離。在一些實施例中，微控制器375可以包括在處理電路230中(圖2)。確定三個加速計中每一個的方向，從而對三個正交軸(x、y和z)中的每一個進(jìn)行監(jiān)視，以確定線路定位器200的運動距離。按照此方式來追蹤線路定位器200的三維運動。
將來自加速計300、305和310的每一個的輸出信號提供給處理電路375，其針對參考位置確定線路定位器200的位置。位置確定基于每個加速計300、305和310的輸出的在先變化。通過在測量開始時在處理電路375中設(shè)置一個數(shù)值來確定參考位置。可以通過將根據(jù)對每個加速計300、305和310的輸出信號積分所計算出的位置變化相加，來確定空間位置的后續(xù)值。正如以上已經(jīng)討論地那樣，每個加速計300、305和310的輸出信號與線路定位器200的加速度成正比?？梢詫€路定位器200的加速度進(jìn)行積分，以便通過處理電路375確定線路定位器200離參考點的位置的改變。
在一些實施例中，處理電路375可以包括模擬積分器，從而對來自加速計300、305和310中每一個的輸出信號積分兩次，以確定位置的改變。在一些實施例中，處理電路375可以對來自加速計300、305和310的信號數(shù)字化，并且或者輸出數(shù)字化信號，或者對這些信號進(jìn)行數(shù)字積分，以便輸出指示空間定位的變化的數(shù)據(jù)信號。
處理電路375通過接口385與線路定位器200的處理電路230進(jìn)行通信。處理電路230也接收其中由精確空間定位電路235記錄位置改變的每個位置中電磁場的幅度。然后，處理電路375可以將每個位置的改變連同在該位置處電磁場的幅度存儲在存儲器380中。按照此方式，可以將每個電磁場幅度繪制到相應(yīng)位置。可選地，處理電路375可以通過接口385進(jìn)行通信，以向線路定位器200的處理電路230提供對接收器210的位置變化的確定。
處理電路375、或者處理系統(tǒng)290可以利用可用模型來比較電磁場強度隨位置的改變，以確定位于關(guān)心區(qū)域中的地255下的線路250的數(shù)量和類型。確定地255下的線路250的數(shù)量和類型的其它方法包括搜索所述圖中預(yù)定圖案、在邊界處的幅度改變、以及其它已知圖案識別方法。另外，可能會找到電磁場的失真(例如，在所期望的特定空間位置處的更強的電磁場幅度)，表示附加線路位于線路250的區(qū)域中。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的精確空間定位電路235的另一實施例。如圖4所示，加速計400能夠在x軸向412和y軸向414上運動。由用于確定x軸向412上的運動的x傳感器415和用于確定y軸向414上的運動的y傳感器420來測量輸出。x傳感器415和y傳感器420與解調(diào)器425和430相連，所述解調(diào)器的每一個均與放大器435和440相連。按照此方式，單個加速計可以追蹤兩個方向上的運動。加速計405包括追蹤z向457上的運動的振蕩器455、傳感器460、解調(diào)器465和放大器470。加速計400和405同時向處理電路475提供輸出信號，所述處理電路475按照與針對圖3所述的處理電路375相同的方式操作。
為了確定線路定位器200的位置，對由傳感器415、420和460提供的信號的積分可以在許多地點處發(fā)生，包括在傳感器415、420和460自身中?？蛇x地，積分可以在解調(diào)器425、430和465、放大器435、440和470、或者處理電路475中發(fā)生。另外，在一些實施例中，處理電路230可以執(zhí)行積分功能。
加速計300、305、310、400和405可以是較小且便宜的設(shè)備，如用于觸發(fā)汽車上的安全氣囊的加速計。便宜的加速計具有有限的時間穩(wěn)定性，但是，在提供高級別空間精確度所需的時間內(nèi)將具有足夠的穩(wěn)定性。另外，例如，與進(jìn)行絕對位置的繪圖的要求相比，根據(jù)本發(fā)明的線路定位器200的要求是更少費力的。在一些實施例中，產(chǎn)生差分圖就足夠了，從而場強度的絕對空間位置是無關(guān)的，而在與參考位置的相對位置處的場強度是重要的。如果需要絕對繪圖系統(tǒng)，則將以特定陸標(biāo)或參考位置對慣性繪圖系統(tǒng)進(jìn)行初始化，而由該系統(tǒng)創(chuàng)建的圖將與此參考點相關(guān)。定位線路所需的時間可以足夠小，從而對此應(yīng)用來說，在精確度上具有適度漂移的加速計將是可接受的，并仍然會提供足夠精確的結(jié)果。
如圖3和4所述的精確空間定位電路235并不需要包括測量線路定位器200在z軸向上的運動的裝置。但是，測量z軸向上的運動的優(yōu)點在于將z軸向上的運動可以充當(dāng)距離270的計算的因子，并可以用來提高線路定位器200的精確度。因此，定位器200的z位置的測量結(jié)果可以提高檢測場失真的能力。
此外，精確空間定位電路235可以用于確定線路定位器在根據(jù)x、y和z軸向創(chuàng)建的任意二維平面、且不僅是位于這些軸向的僅兩個中的平面中的位置改變。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的線路定位方法的流程圖。在圖5中，如步驟500中所示，對精確空間定位電路235進(jìn)行校準(zhǔn)?？梢酝ㄟ^將處理電路230或精確空間定位電路235重置到參考位置來實現(xiàn)此校準(zhǔn)。
在其中精確空間定位電路235包括加速計300或400的實施例中，校準(zhǔn)包括在接收器210的運動之前，設(shè)置加速計300或400的運動方向。在精確空間定位電路235包括三角測量、三邊測量或測距系統(tǒng)的情況下，在校準(zhǔn)期間進(jìn)行第一位置確定。第一位置確定用作所有其它測量的參考位置。
接著，線路定位器200記錄對接收器210的位置進(jìn)行參考的電磁場的幅度，如步驟505中所示。針對參考位置確定接收器210的位置，如步驟510中所示。在一些實施例中，參考位置是其中對接收器210進(jìn)行校準(zhǔn)的位置。但是，只要根據(jù)參考位置和其中精確空間定位電路235開始獲得精確空間位置的位置之間的差值對所有位置進(jìn)行了調(diào)整，參考位置可以是在校準(zhǔn)之前或之后提供到線路定位器200的任何位置。
在確定了位置和幅度之后，不管該位置是否稍后要進(jìn)行調(diào)整，將該位置與幅度相關(guān)聯(lián)在一起，如步驟515中所示。關(guān)聯(lián)表示或者將它們同時包括在幅度圖中，或者進(jìn)行存儲，從而當(dāng)對一個進(jìn)行存取時，可以檢索到另一個，并且幅度圖可以由該信息構(gòu)成。
然后，在步驟520中，創(chuàng)建作為空間位置的函數(shù)的幅度圖。所述圖可以實時顯示在線路定位器210的顯示器260上，有規(guī)律地進(jìn)行顯示和更新，或者可以將其存儲在存儲器中，然后，在稍后的時間顯示。在根據(jù)關(guān)聯(lián)的幅度和位置在稍后的時間創(chuàng)建幅度圖的情況下，可以省略繪圖步驟。
雖然圖5是對確定線路定位器的位置(步驟510)進(jìn)行了描述，但也能夠確定由處理電路230輸出的數(shù)據(jù)的值。然后，該值將與同時得到的電磁場240的幅度相關(guān)聯(lián)。在稍后的時間，可以將這些值與校準(zhǔn)時產(chǎn)生的值和之前的值進(jìn)行比較，以確定當(dāng)確定電磁場240的幅度時接收器210位于什么位置。
正如這里所使用的，所述圖是信號的幅度或其它特征的二維或三維表示，如磁場強度，與空間位置相互關(guān)聯(lián)。所述圖可以是可顯示圖像或存儲在存儲器中的信息。所述圖的圖像可以利用陰影、顏色、梯度形狀、或任何其它已知方法來區(qū)別幅度或特征。
圖6A、6B和6C示出了根據(jù)本發(fā)明的線路定位器200的操作。在圖6A中，精確空間定位電路235包括如圖3和4中所示的加速計。在圖6B中，精確空間定位電路235包括三角測量系統(tǒng)。在圖6C中，精確空間定位電路235包括測距系統(tǒng)。
如圖6A中所示，其中精確空間定位電路235包括諸如如圖3所示的加速計300、305和310、或者如圖4所示的加速計400和405的加速計的線路定位器200的實施例在所關(guān)心區(qū)域600的上方物理地移動。所關(guān)心區(qū)域600可以包括地下線路150以及其它線路、障礙物或引起失真的結(jié)構(gòu)。在一些實施例中，操作者可以通過如按下線路定位器200上的按鈕來觸發(fā)對電磁場的測量。在一些實施例中，線路定位器200可以按照定時的時間間隔自動獲得數(shù)據(jù)。
圖6B示出了其中精確空間定位電路235包括三角測量系統(tǒng)的線路定位器200的實施例。如圖6B所示，將多個發(fā)射器分布在關(guān)心區(qū)域600附近的已知位置處。發(fā)射器603、604和605位于關(guān)心區(qū)域600周圍。通常，在此方法中，可以使用任意數(shù)量的發(fā)射器(包括一個)。線路定位器200包括接收器601和天線602。發(fā)射器603、604和605能夠以不同頻率進(jìn)行發(fā)射。接收器601接收來自發(fā)射器603、604和605的每一個的發(fā)射，并確定天線602與發(fā)射器603、604和605中的每一個之間的距離。正如所知道的那樣，可以按照許多方法來實現(xiàn)天線602與發(fā)射器603、604和605中的任意一個之間的距離的確定，包括確定當(dāng)接收器601移動時所跨越的波長數(shù)，或者通過監(jiān)視從發(fā)射器603、604和605中接收到的信號的強度?？梢詢H使用發(fā)射器603、604和605中的單獨一個，其中天線602包括兩個分離的天線，以便確定線路定位器200與發(fā)射器603、604和605中單獨一個之間的方向。
圖6C示出了其中精確空間定位電路235包括測距儀608的線路定位器200的實施例的使用。測距儀608可以是激光測距儀或其它測距機構(gòu)。正如所理解的那樣，測距儀608可以通過反射來自固定物體607的輻射來確定到固體對象607的距離及方向。
雖然本公開涉及使用電磁場的幅度來確定物體的位置，但是其它裝置也可以與這里所述的電路和系統(tǒng)一起使用。例如，利用接收器和發(fā)射器的聲學(xué)檢測、利用地下水線路進(jìn)行的聲音的聲學(xué)檢測、不使用發(fā)射器的電場或磁場檢測等。
上述本發(fā)明的實施例僅為示例性的，并不用于進(jìn)行限定。已經(jīng)圖示并描述了本發(fā)明的實施例、應(yīng)用和優(yōu)點，在不脫離這里所圖示和描述的本發(fā)明概念的范圍或精神的情況下，存在許多可能實施例、應(yīng)用和優(yōu)點。因而，本發(fā)明的范圍應(yīng)當(dāng)僅受到所附權(quán)利要求的限制。
權(quán)利要求
1.一種線路定位系統(tǒng)，包括至少一個檢測器，用于測量電磁場的幅度；精確空間定位系統(tǒng)，用于提供相對于位于所關(guān)心區(qū)域附近的參考位置的空間位置；以及處理系統(tǒng)，用于使電磁場的幅度與空間位置相關(guān)聯(lián)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線路定位系統(tǒng)，其特征在于所述精確空間定位系統(tǒng)包括一個或多個加速計。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線路定位系統(tǒng)，其特征在于所述精確空間定位系統(tǒng)包括接收器，用于從一個或多個相對于參考位置定位的本地發(fā)射器接收信號，所述精確空間定位系統(tǒng)根據(jù)在接收器的天線處接收到的信號來確定所述線路定位器相對于參考位置的位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線路定位系統(tǒng)，其特征在于所述精確空間定位系統(tǒng)包括測距儀，所述測距儀用于根據(jù)所檢測到的來自相對于參考位置定位的物體的輻射反射，確定線路定位系統(tǒng)的運動。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線路定位系統(tǒng)，其特征在于所述處理系統(tǒng)產(chǎn)生多個空間位置處的電磁場的圖。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線路定位系統(tǒng)，其特征在于還包括發(fā)射器，進(jìn)行耦合以從地下線路中感應(yīng)出電磁場。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線路定位系統(tǒng)，其特征在于所述處理系統(tǒng)確定電磁場是否存在失真。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線路定位系統(tǒng)，其特征在于所述處理系統(tǒng)將電磁場幅度及空間位置存儲在存儲器中。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的線路定位系統(tǒng)，其特征在于所述處理系統(tǒng)根據(jù)存儲在存儲器中的電磁場的幅度和空間位置來確定地下線路的位置。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線路定位系統(tǒng)，其特征在于將所述電磁場的幅度和空間位置下載到計算機，所述計算機將所述電磁場和空間位置與所述電磁場和空間位置的預(yù)期值進(jìn)行比較。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的線路定位系統(tǒng)，其特征在于所述計算機根據(jù)所述電磁場和空間位置來確定地下線路的位置。
12.一種利用線路定位器確定地下線路的位置的方法，包括確定由線路定位器在一位置處檢測到的信號的幅度；確定線路定位器的位置相對于參考位置的差值；以及將位置上的差值和在所述位置處的信號幅度進(jìn)行關(guān)聯(lián)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于所述確定線路定位器的位置相對于參考位置的差值包括檢測線路定位器的運動以及根據(jù)線路定位器的運動確定位置上的差值。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于檢測線路定位器的運動包括檢測線路定位器的加速度。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于確定幅度包括確定在多個位置處的信號幅度，確定位置上的差值包括確定多個位置的每一個相對于參考位置的差值，并且所述方法還包括根據(jù)每個幅度及相關(guān)聯(lián)的位置差值來產(chǎn)生一個圖。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于還包括根據(jù)信號的形狀確定在多個位置的地下區(qū)域中的地下線路的數(shù)量。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于還包括根據(jù)所述圖來確定一個或多個線路中的一個線路位置。
18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于所述信號與磁場相關(guān)，并且所述方法還包括根據(jù)位置上的差值和磁場的幅度來確定磁場的失真。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于還包括當(dāng)確定一個或多個線路位于所述區(qū)域的地下時，向線路定位器的用戶提供失真指示信號。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于還包括根據(jù)所述失真來校正所檢測到的電磁場的幅度。
21.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于確定位置的差值包括確定所述位置和參考位置之間的平面上的差值。
22.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于確定位置的差值包括確定所述位置和參考位置之間x和y坐標(biāo)上的差值。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于確定x和y坐標(biāo)上的差值包括確定x、y和z坐標(biāo)上的差值。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于利用至少一個加速計以檢測x、y和z坐標(biāo)上的運動，來確定所述位置和參考位置之間的x、y和z坐標(biāo)上的差值。
25.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于確定位置上的差值包括根據(jù)從兩個或多個本地發(fā)射器中接收到的信號對線路定位器的位置進(jìn)行三邊測量。
26.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于確定位置上的差值包括根據(jù)從一個或多個本地發(fā)射器中接收到的信號對線路定位器的位置進(jìn)行三角測量。
27.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于確定位置上的差值包括確定線路定位器相對于固定陸標(biāo)的距離。
28.一種用于確定地下線路的位置的線路定位器，包括至少一個檢測器；檢測電路，包括與所述至少一個檢測器相連的輸入和輸出；以及確定裝置，用于確定所述線路定位器的位置與包括輸出的參考位置之間的差值。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的線路定位器，其特征在于所述確定差值的裝置包括用于確定x和y坐標(biāo)上的差值的裝置。
30.根據(jù)權(quán)利要求28所述的線路定位器，其特征在于所述確定差值的裝置包括用于確定x、y和z坐標(biāo)上的差值的裝置。
31.根據(jù)權(quán)利要求28所述的線路定位器，其特征在于還包括發(fā)射器，用于提供一信號，所述信號的反射由所述至少一個檢測器來檢測。
32.根據(jù)權(quán)利要求28所述的線路定位器，其特征在于所述確定裝置包括用于產(chǎn)生在多個位置處的信號的幅度圖的裝置，所述多個位置的每一個是通過確定多個位置的每一個與參考位置之間的差值確定的。
33.根據(jù)權(quán)利要求28所述的線路定位器，其特征在于所述確定裝置包括用于根據(jù)從兩個或多個本地發(fā)射器中接收到的信號對線路定位器的位置進(jìn)行三角測量的裝置。
34.根據(jù)權(quán)利要求28所述的線路定位器，其特征在于所述確定裝置包括用于根據(jù)從兩個或多個本地發(fā)射器中接收到的信號對線路定位器的位置進(jìn)行三邊測量的裝置。
35.根據(jù)權(quán)利要求28所述的線路定位器，其特征在于所述確定裝置包括用于確定陸標(biāo)和線路定位器的位置與參考位置之間的距離的裝置。
全文摘要
提供了一種通過對埋入線路中的電流所產(chǎn)生的場的場強進(jìn)行繪圖來檢測并補償?shù)叵戮€路的場失真的設(shè)備?？梢葬槍λ鲈O(shè)備的位置，對來自地下結(jié)構(gòu)的信號進(jìn)行繪圖。根據(jù)所述圖，可以確定與預(yù)計信號的失真，指示在所檢測到的結(jié)構(gòu)的位置中存在其它結(jié)構(gòu)的干擾或錯誤。
文檔編號G01V3/08GK1784613SQ200480011993
公開日2006年6月7日 申請日期2004年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月3日
發(fā)明者戈登·佩西 申請人:麥特羅特克公司