使用天線串?dāng)_進(jìn)行探地雷達(dá)通信的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種對象檢測系統(tǒng)(24)，所述對象檢測系統(tǒng)具有用于檢測掩埋對象(26)的轉(zhuǎn)換器(40，40′)。轉(zhuǎn)換器被封裝在結(jié)實(shí)的電磁可透的結(jié)構(gòu)(42)中。
【專利說明】使用天線串?dāng)_進(jìn)行探地雷達(dá)通信的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及一種與探地雷達(dá)進(jìn)行通信的系統(tǒng)和方法。更具體地，本公開涉及一種用于在檢測掩埋物時(shí)使用天線串?dāng)_進(jìn)行探地雷達(dá)通信的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在已經(jīng)發(fā)展好的公共擁擠區(qū)域執(zhí)行多種挖掘。許多城市地區(qū)中的地下空間的擁擠以及較差的記錄保存和從地面精確定位掩埋物的難度已經(jīng)導(dǎo)致在機(jī)械挖掘期間造成對許多公共事業(yè)建筑的不經(jīng)意的撞擊。公共事業(yè)建筑撞擊可能會導(dǎo)致工作停止命令和延遲,對掩埋的公共事業(yè)建筑的機(jī)械損壞，以及與訴訟、保險(xiǎn)、停工、以及維修相關(guān)聯(lián)的許多成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]根據(jù)本公開的一個(gè)示例性實(shí)施例，提供了一種通過探地雷達(dá)進(jìn)行通信的方法。所述方法包括以下步驟:提供發(fā)射器和檢測器，所述發(fā)射器和檢測器中的每一個(gè)都聯(lián)接到被構(gòu)造以穿透地面的工具；通過發(fā)射器發(fā)送探地信號；通過檢測器檢測來自探地信號的串?dāng)_。所述方法還包括基于串?dāng)_的特征確定檢測器和發(fā)射器中的至少一個(gè)相對于地面的位置的步驟。
[0004]根據(jù)本公開的另一個(gè)示例性實(shí)施例，提供了一種通過探地雷達(dá)進(jìn)行通信的方法，所述方法包括提供工具和聯(lián)接到所述工具的檢測系統(tǒng)的步驟。所述檢測系統(tǒng)包括發(fā)射器和接收器，并且所述工具被構(gòu)造以穿透地面。該方法還包括通過發(fā)射器發(fā)送探地信號和基于發(fā)射器與接收器之間的信號耦合確定檢測系統(tǒng)相對于地面的位置的步驟。該方法還包括一旦確定檢測系統(tǒng)與地面接觸就增加探地信號的幅值的步驟。
[0005]根據(jù)本公開的又一個(gè)示例性實(shí)施例，提供了一種通過探地雷達(dá)進(jìn)行通信的方法。所述方法包括提供工具和聯(lián)接到所述工具的檢測系統(tǒng)的步驟。所述檢測系統(tǒng)包括發(fā)射器和接收器并被構(gòu)造以檢測位于地下的對象的。所述方法還包括以下步驟:通過工具穿透地面以產(chǎn)生穿透區(qū)；在發(fā)射器與對象之間發(fā)送信號；和通過接收器識別來自信號的串?dāng)_。該方法還包括基于信號的串?dāng)_確定地面的介電特性的步驟。
[0006]根據(jù)本公開的又一個(gè)示例性實(shí)施例，提供了一種建筑車輛，該建筑車輛包括:底盤；被設(shè)置以支撐底盤的多個(gè)牽引裝置；作業(yè)工具，所述作業(yè)工具由底盤支撐并被構(gòu)造以穿透地面。該建筑車輛還包括檢測系統(tǒng)，所述檢測系統(tǒng)包括被構(gòu)造以發(fā)送探地信號的發(fā)射器和被構(gòu)造以檢測來自所述探地信號的串?dāng)_的檢測器。發(fā)射器和檢測器被安裝到所述作業(yè)工具。所述檢測系統(tǒng)被構(gòu)造以基于來自探地信號的串?dāng)_的特征確定檢測器和發(fā)射器中的至少一個(gè)相對于地面的位置。
[0007]根據(jù)本公開的又一個(gè)示例性實(shí)施例，提供了一種檢測器組件，所述檢測器組件被構(gòu)造以檢測位于底下的對象。檢測器組件包括具有內(nèi)部區(qū)域的殼體結(jié)構(gòu)。所述檢測器組件還包括被設(shè)置在殼體結(jié)構(gòu)的內(nèi)部區(qū)域中的天線。所述天線并被構(gòu)造以傳遞探地信號；電介質(zhì)被模制在所述殼體結(jié)構(gòu)周圍。所述殼體結(jié)構(gòu)與電介質(zhì)協(xié)作以充分地減少探地信號在天線與地面之間的傳遞過程中的信號損失。
[0008]根據(jù)本公開的又一個(gè)示例性實(shí)施例，提供了一種通過探地雷達(dá)進(jìn)行通信的方法。所述方法包括提供作業(yè)工具、轉(zhuǎn)換器，和具有用于容納轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部區(qū)域的殼體結(jié)構(gòu)的步驟。所述方法還包括以下步驟:在殼體結(jié)構(gòu)周圍模制電介質(zhì)；將轉(zhuǎn)換器固定在殼體結(jié)構(gòu)的內(nèi)部區(qū)域中；將殼體結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)換器聯(lián)接到作業(yè)工具。所述方法還包括通過作業(yè)工具穿透地面以產(chǎn)生穿透區(qū)以及在所述穿透步驟過程中通過轉(zhuǎn)換器發(fā)送探地信號的步驟。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]通過結(jié)合附圖閱讀下述關(guān)于本公開的實(shí)施例的描述，本公開的上述及其它特征將變得更加清楚，并且將會更好地理解本公開，其中:
[0010]圖1是挖掘機(jī)的側(cè)視圖，圖示了挖掘機(jī)正在挖掘一區(qū)域并具有朝向挖掘機(jī)鏟斗的末端設(shè)置以檢測位于地下的對象的探地雷達(dá)；
[0011]圖2是探地雷達(dá)的原理圖，圖示了所述雷達(dá)包括發(fā)射并檢測位于地下的檢測對象的發(fā)射天線和接收天線；
[0012]圖3是包括由虛線顯示的封裝收發(fā)器天線的挖掘機(jī)鏟斗齒的一部分的透視圖；
[0013]圖4是圖3的封裝天線的金屬化層的平面圖；
[0014]圖5是安裝在挖掘機(jī)鏟斗上的圖3的天線的視圖；
[0015]圖6A是由圖2的天線檢測到的信號的圖形表達(dá)，其中發(fā)射天線和接收天線位于由土壤構(gòu)成的地面上方；
[0016]圖6B是類似于圖6A的視圖，其中顯示了由天線檢測到的信號，其中發(fā)射天線和接收天線被設(shè)置成與地面接觸，并示出了指示位于地下的塑料管道的峰值；
[0017]圖7A是由圖3的天線檢測到的信號的圖形表達(dá)，其中發(fā)射天線和接收天線設(shè)置由沙土構(gòu)成的地面上方且在沙土中沒有對象；
[0018]圖7B是類似于圖7A的視圖，顯示了由天線檢測到的信號，其中發(fā)射天線和接收天線被設(shè)置成與地面接觸，示出了指示位于沙地中的鋼管的峰值；
[0019]圖8A是由圖3的天線檢測到的信號的圖形表達(dá)，其中發(fā)射天線和接收天線位于由沙土構(gòu)成的地面上方且在沙土中沒有對象；
[0020]圖SB是類似于圖8A的視圖，其中示出了由天線檢測到的信號，其中發(fā)射天線和接收天線被設(shè)置成與地面接觸，并示出了指示位于沙土中的聚乙烯管道的峰值；
[0021]圖9A是由圖3的天線檢測到的信號的圖形表達(dá)，其中土壤中沒有對象；
[0022]圖9B是類似于圖9A的視圖，示出了在鋼管位于土壤中大約6英寸(152毫米)深的情況下檢測到的信號的圖形表達(dá)；
[0023]圖9C是類似于圖9A的視圖，其中示出了在鋼管位于土壤中大約10英寸(254毫米)深的情況下檢測到的信號的圖形表達(dá)；
[0024]圖10是示例性的鏟斗齒的透視圖，其中示出了包括四個(gè)盤錐形天線和維瓦爾第天線的齒；
[0025]圖11是圖10的鏟斗齒的端視圖；
[0026]圖12是盤錐形天線的陣列的端視圖；
[0027]圖13是盤錐形天線陣列的組合的俯視圖；[0028]圖14是顯示上面安裝有盤錐形天線陣列的挖掘機(jī)鏟斗的視圖；
[0029]圖15A是在兩個(gè)對象位于地底下的情況下由被定位成與地面接觸的天線陣列的第一檢測器檢測到的信號的圖形表達(dá)；
[0030]圖15B是類似于圖15A的視圖，其中示出了在兩個(gè)對象位于地底下的情況下由被定位成與地面接觸的天線陣列的收發(fā)器發(fā)射并檢測到的信號的圖形表達(dá)；
[0031]圖15C是類似于圖15A的視圖，其中示出了在兩個(gè)對象位于地底下的情況下由被定位成與地面接觸的天線陣列中的第二檢測器檢測到的信號的圖形表達(dá)；
[0032]圖16A是在圖15A和15B中所示的信號的相關(guān)性的圖形表達(dá)；
[0033]圖16B是圖15A和15C中所不的信號的相關(guān)性的圖形表達(dá)；
[0034]圖16C是圖15B和15C中所不的信號的相關(guān)性的圖形表達(dá)；
[0035]圖17A是顯示了基于圖15A和15B的相關(guān)性信號的掩埋對象的可能位置的示例性的雙曲線；
[0036]圖17B是顯不了基于圖15A和15C的相關(guān)性信號的掩埋對象的可能位置的不例性的雙曲線；
[0037]圖17C是顯示了基于圖15B和15C的相關(guān)性信號的掩埋對象的可能位置的示例性的雙曲線；
[0038]圖18是顯示兩個(gè)掩埋對象的估算位置的被疊加的圖17A-17C的雙曲線的視圖；
[0039]圖19A是在發(fā)射天線和接收天線位于地面上方的情況下通過圖2的對象檢測系統(tǒng)檢測到的信號的示例性的圖形表達(dá)；以及
[0040]圖19B是類似于圖19A的視圖，其中顯示了在發(fā)射天線和接收天線被定位成與地面接觸的情況下通過對象檢測系統(tǒng)檢測到的信號。
[0041]在所有附圖中相應(yīng)的附圖標(biāo)記表示相應(yīng)的部件。這里所述的示例是本公開的示例性實(shí)施例，并且這些示例不應(yīng)被理解為以任何方式限制本公開的保護(hù)范圍。
【具體實(shí)施方式】
[0042]以下公開的實(shí)施例不旨在將本公開窮舉或限制到以下詳細(xì)說明中所公開的精確形式。相反，實(shí)施例的描述是為了使本領(lǐng)域技術(shù)人員可以使用其教導(dǎo)。
[0043]圖1顯示了挖掘機(jī)10，該挖掘機(jī)10包括底盤12和用于在地面16上支撐和推進(jìn)底盤12的多個(gè)牽引裝置14，諸如履帶。挖掘機(jī)10還包括支撐作業(yè)工具或鏟斗20的懸臂18，所述作業(yè)工具或鏟斗20被構(gòu)造成穿透地面16以在地面16中形成溝、孔、坑、或其它凹陷22。挖掘機(jī)10還包括圖2中所示的對象檢測雷達(dá)系統(tǒng)24，所述對象檢測雷達(dá)系統(tǒng)24被構(gòu)造成檢測地地面16以下的諸如公共事業(yè)管道和線纜的對象26。雖然在本申請中在圖1中顯示并論述了挖掘機(jī)10，但是諸如鋤耕機(jī)、裝載機(jī)、推土機(jī)、平地機(jī)等的其它建筑車輛也可以設(shè)有對象檢測系統(tǒng)24。進(jìn)一步地，雖然牽引裝置14被顯示為履帶，但是諸如車輪的其它牽引裝置可以設(shè)置在建筑車輛10上。
[0044]對象檢測雷達(dá)系統(tǒng)24的多個(gè)部分安裝在鏟斗20上。根據(jù)本公開的優(yōu)選實(shí)施例，檢測系統(tǒng)24包括安裝在鏟斗20上的發(fā)射器28和/或接收器/檢測器30。例如，根據(jù)圖1所示的實(shí)施例，發(fā)射器28和檢測器30安裝在鏟斗20的一個(gè)或多個(gè)齒32上。發(fā)射器28和檢測器30也可以安裝在其它建筑設(shè)備作業(yè)工具上，諸如推土機(jī)或平地機(jī)刮板、裝載機(jī)或鋤耕機(jī)鏟斗或其它作業(yè)工具。
[0045]通過安裝在齒32上的發(fā)射器28和檢測器30，發(fā)射器28和檢測器30在凹陷22的挖掘過程中與地面16直接接觸。通過將發(fā)射器28和檢測器30設(shè)置成與地面16直接接觸，減少了在探地信號的通信過程中轉(zhuǎn)換器與地面16之間的信號損失。
[0046]發(fā)射器28被構(gòu)造成發(fā)射電磁波，而接收器30被構(gòu)造成檢測電磁波。在一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)射器28和檢測器/接收器30使用超寬帶(UWB)通信。如圖2所示，檢測系統(tǒng)24包括諸如4500D型微微秒脈沖實(shí)驗(yàn)室發(fā)生器(Picosecond Pulse Labs GeneratorModel4500D)的信號發(fā)生器34和諸如DSA8200型泰克示波器(Tektronix OscilloscopeModel DSA8200)的信號檢測監(jiān)測器36。信號發(fā)生器34向?qū)⑻降匦盘柊l(fā)射到地面16中的發(fā)射器28提供信號，并將觸發(fā)信號提供給監(jiān)測器36。諸如管道之類的對象26反射探地信號并且檢測器30檢測從對象26反射的信號。監(jiān)測器36提供用于視覺分析的反射信號的視覺表示。具有處理器39的計(jì)算機(jī)37也可以用于分析由檢測器30提供的信號。
[0047]發(fā)射器28和檢測器30的一個(gè)實(shí)施例在圖3中被圖示為對極維瓦爾第(Vivaldi)天線。發(fā)射器28和檢測器30中的每一個(gè)都包括維瓦爾第天線40和封裝天線40的物體42。天線40是檢測電磁波/將電磁波轉(zhuǎn)換成可用于進(jìn)行分析的信號的電磁轉(zhuǎn)換器。如下所述，根據(jù)本公開還可以使用其它類型的天線以及其它轉(zhuǎn)換器。
[0048]在制造天線/轉(zhuǎn)換器40之后，天線/轉(zhuǎn)換器40被封閉在形成物體42的一種或多種材料中以提供包圍天線40的保護(hù)殼體或外殼。如圖3所示，物體42示意性地包括基端66和與基端66相對的切削端。切削端68被示意性地顯示為比基端66寬，然而，可以提供物體42的其它結(jié)構(gòu)。聯(lián)接在物體42的基端66處的電纜48提供天線40與信號發(fā)生器34(圖2)之間的電連接。如圖5所示，如這里所述，切削端68包括切削刃50。
[0049]根據(jù)本公開的優(yōu)選實(shí)施例，圖3的物體42由高強(qiáng)度電介質(zhì)制成。介電材料可以是可以聚合物或陶瓷材料，所述聚合物或陶瓷材料可以包括例如用于增強(qiáng)物體42的耐用性的諸如微纖維或納米纖維的纖維增強(qiáng)材料。例如，根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，物體42由具有大約為4的介電常數(shù)的高模量聚脲制成。其它示例性材料包括硬質(zhì)聚氨酯、環(huán)氧樹脂、其它塑性塑料或熱固性材料、以及其它非導(dǎo)電材料。物體42可以還被涂有增加其耐用性和/或它耐磨性的材料。物體42還可以被涂有碳或其它電磁絕緣材料以使天線40與相鄰導(dǎo)電表面絕緣，從而減少或防止信號泄漏、回響、或其它干擾。優(yōu)選地，電介質(zhì)具有大約等于地面16的介電常數(shù)。根據(jù)本公開，電介質(zhì)具有范圍從從大約I至約20的介電常數(shù)，但是可以具有其它值。在一個(gè)實(shí)施例中，電介質(zhì)用于在天線40與地面16之間的信號通信過程中減少信號損失。
[0050]在一個(gè)實(shí)施例中，物體42繞插入件被模制以形成用于容納天線40的凹穴。例如，參見圖3中所示的插入件49。插入件49包括被設(shè)定尺寸以容納天線40的內(nèi)部區(qū)域。在繞插入件49模制物體42的介電材料之后，天線40可以在輔助組裝操作中插入插入件49的內(nèi)部區(qū)域內(nèi)?？商鎿Q地，在繞插入件49模制物體42之前可以將天線40固定在插入件49內(nèi)。在一個(gè)示例中，物體42由繞插入件49形成的鑄造聚氨酯形成。其它類型的熱固性或熱塑性材料和工藝可以用于繞插入件49模制物體42。在一個(gè)實(shí)施例中，插入件49由具有類似于物體42的介電特性的高強(qiáng)度介電材料構(gòu)成。在一個(gè)實(shí)施例中，插入件49由繞天線40的能夠提供高強(qiáng)度殼體結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)塑料或其它聚合物材料構(gòu)成。天線40在被固定在插入件49中之前可以被預(yù)先組裝，或可以被組裝在插入件49內(nèi)。諸如插入件49的插入件結(jié)構(gòu)可以用于容納其它類型的天線或天線陣列，如圖10-11中所示和這里所述的盤錐形(discone)天線40'。
[0051]如圖3和圖4所示，天線40包括具有三個(gè)材料平面，所述材料平面包括上地線板44和下地線板44，且導(dǎo)電板46被夾在所述地線板44之間。在圖4中用虛線顯示了直接定位在地線板44之間的導(dǎo)電板46的多個(gè)部分。導(dǎo)電板46優(yōu)選地由銅制成，但是可以由其它金屬及其它導(dǎo)電材料制成。介電/接地板46可以由環(huán)氧樹脂、陶瓷、Teflon?、聚四氟乙烯(PTFE)或其它材料制成。在一個(gè)實(shí)施例中，如圖4所示，天線40約為135毫米(5.2英寸)長并且約45毫米(L 8英寸)高。
[0052]在操作中，天線/轉(zhuǎn)換器40和物體42被安裝或以其它方式聯(lián)接到圖5所示的齒
32。在一個(gè)實(shí)施例中，柄支架用于將物體42聯(lián)接到齒32。來自信號發(fā)生器34的信號通過電纜48被提供給天線40。在挖掘期間，如圖1所示，當(dāng)挖掘污物及其它材料時(shí)，天線40和物體42在地面16中被重復(fù)地定位。因此，天線40通常定位在履帶14的最低部的下方。進(jìn)一步地，天線40被定位在由挖掘機(jī)10在挖掘過程中產(chǎn)生的諸如凹陷22的穿透區(qū)中。如圖1所示，當(dāng)齒32在土地16中產(chǎn)生穿透區(qū)時(shí)，發(fā)射器28和檢測器30的天線40被同時(shí)定位在土地16中。在一個(gè)實(shí)施例中，天線40聯(lián)接到鏟斗20的每一個(gè)齒32。在一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)射器28和多個(gè)探測器30聯(lián)接到鏟斗20的齒32。
[0053]當(dāng)被定位在穿透區(qū)中時(shí)，通過發(fā)射器28和檢測器30的天線40發(fā)射信號并檢測信號。因?yàn)樘炀€40和介電體42安裝在齒32上，因此天線40和介電體42協(xié)作以限定齒32的切削元件，且介電體42的多個(gè)部分限定齒32的切削刃50。因此，在挖掘的同時(shí)檢測對象26。進(jìn)一步地，因?yàn)榻殡婓w42和天線40能夠被降低到穿透區(qū)22中并有助于產(chǎn)生穿透區(qū)22，因此與在任何開始挖掘之前試圖檢測對象26的情況相比，對象26更靠近天線40并被更加容易地檢測到。在一個(gè)實(shí)施例中，介電體42定位在天線40與土壤之間以在挖掘期間保護(hù)天線40。因此，在相應(yīng)的信號發(fā)射和反射信號的接收期間，天線40通過穿過介電體42的路徑發(fā)射和接收信號。
[0054]圖6A-9C提供了來自探測器30的輸出的示例。在圖6A中，顯示了當(dāng)發(fā)射器28和檢測器30的天線/轉(zhuǎn)換器40定位在地面16上方且在相應(yīng)天線40與地面16之間沒有直接接觸時(shí)的信號。所示的峰值52表示發(fā)射器28的天線40與檢測器30的天線40之間的串?dāng)_。在圖6B中，相應(yīng)的發(fā)射器28和檢測器30的天線被設(shè)置成與地面16直接接觸。除了示出串?dāng)_峰值52之外，還示出了第二峰值54，該第二峰值54表示存在掩埋在受測土壤中4英寸(102毫米)深處的2英寸(51毫米)直徑的聚乙烯管。因此，可提供表示諸如塑料天然氣管道的對象26在鏟斗20的路徑中的可察覺的指示。挖掘機(jī)10的經(jīng)過培訓(xùn)的操作者可以注意到該指示以避免毀壞管道26。類似地，計(jì)算機(jī)37可以被編程以識別在串?dāng)_峰值52之后的滿足諸如斜率的預(yù)定特征的任何峰值。如果計(jì)算機(jī)37檢測到這種峰值、或其它預(yù)定特征，則計(jì)算機(jī)可以發(fā)送報(bào)警、停止鏟斗20的進(jìn)一步移動，或以其它方式試圖避免鏟斗20碰撞管道26。
[0055]除了檢測對象26之外，由檢測器30檢測到的反射還可以用于確定掩埋在地面16內(nèi)的對象26的特征。例如，圖7A和7B示出了對于掩埋在沙地中4英寸(102毫米)深度的2英寸(51毫米)的金屬管道而言的檢測器30的輸出。在圖7A，發(fā)射器28和檢測器30的天線/轉(zhuǎn)換器40位于地面16上方。在圖7B中，發(fā)射器28和檢測器30的天線40與地面直接接觸，并提供指示金屬管道的帶區(qū)別特性的“連筆書寫的V”形圖案53。圖8A和SB示出了對于在沙地中掩埋在2英寸(51毫米)深度處的I英寸(25毫米)的聚乙烯管道而言的檢測器30的輸出。在圖8A中，發(fā)射器28和檢測器30的天線40在地面16上方。在圖8B中，發(fā)射器28和檢測器30的天線40與地面直接接觸并提供指示塑料管道的帶區(qū)別特性的“w”圖案55。挖掘機(jī)10的經(jīng)過培訓(xùn)操作者可以注意到金屬、聚乙烯以及其它管道的區(qū)別性圖案53、55以確定管道的類型。類似地，計(jì)算機(jī)37可以被編程以識別在串?dāng)_峰值52之后的滿足諸如圖案53、55的形狀的預(yù)定特征的任何峰值。如果計(jì)算機(jī)37檢測到這種圖案、或其它預(yù)定特征，計(jì)算機(jī)37可以發(fā)送諸如金屬或塑料的管道類型的指示。
[0056]除了確定對象26的存在和類型之外，由檢測器30檢測到的反射還可以用于確定對象26與鏟斗20 (或挖掘機(jī)10的任何其它部分)的距離。在圖9A-9C中提供了由檢測器30檢測到的反射的另外的表現(xiàn)形式。在圖9A中，沒有對象26被放在受測土壤中，因此使得當(dāng)天線40被設(shè)置成與地面16接觸時(shí)，沒有檢測到對象26。在圖9B中，2英寸(51毫米)直徑的鋼管被埋在沙土內(nèi)6英寸(152毫米)深度處，并且在圖9C中，相同的管道放置在沙土內(nèi)10英寸(254毫米)深度處。如由圖9B和9C中的圓形區(qū)域所示，鋼管的“連筆書寫的V”圖案53在圖9B中出現(xiàn)的時(shí)間晚于圖9C，這是因?yàn)樵谟砂l(fā)射器28發(fā)送之后反射花費(fèi)較長時(shí)間到達(dá)檢測器30。挖掘機(jī)10的經(jīng)過培訓(xùn)的操作者可以注意到諸如串?dāng)_峰值52的特征與區(qū)別圖案53之間在時(shí)間上的差距以確定與對象26的距離。類似地，計(jì)算機(jī)37可以被編程以識別該時(shí)間延遲并計(jì)算鏟斗20的齒32與對象26的距離并向操作者提供關(guān)于距離的指示和/或使用所述距離作為報(bào)警或其它方式的觸發(fā)器。操作者在諸如已知共用事業(yè)管道或電纜的對象26周圍執(zhí)行精細(xì)移動時(shí)可以使用該距離信息。
[0057]圖10和圖11顯示了發(fā)射器28'和探測器30'的另一個(gè)實(shí)施例，所述發(fā)射器28'和探測器30'包括用作檢測器30'的四個(gè)盤錐形天線/轉(zhuǎn)換器40和用作發(fā)射器28'的維瓦爾第對極天線40。組合的發(fā)射器/檢測器56包括以與本文描述物體42類似的方式封裝天線40、40'的物體42'。示例性物體42'包括可從John Deere公司獲得的Swampers韋產(chǎn)斗齒。如果盤錐形天線40'被用作發(fā)射器，那么為了增強(qiáng)盤錐形天線40'的方向性，如圖12所示，天線40'可以排列成陣列58。為了進(jìn)一步提高天線40'的方向性，陣列反射器可以設(shè)置在陣列58的后方。在一個(gè)實(shí)施例中，諸如圖13中所示的板60的反射金屬板例如放置在陣列58的后面。在一個(gè)實(shí)施例中，陣列反射器定位在陣列58后大約6毫米與8毫米之間的位置，當(dāng)然其它適當(dāng)?shù)木嚯x也是可以的。
[0058]在圖13中，具有盤錐形天線40'的多個(gè)陣列58被設(shè)置成用于檢測對象26的檢測器和發(fā)射器。在所示的實(shí)施例中，陣列58具有不同數(shù)量的盤錐形天線40'。如圖14所示，陣列58可以放置在鏟斗20上除了齒32之外的位置。例如，陣列58可以被安裝到鏟斗20的邊緣附近的側(cè)壁62或前壁64上，當(dāng)然，陣列58也可以被設(shè)置在其它適當(dāng)?shù)奈恢谩Ｔ谝粋€(gè)實(shí)施例中，盤錐形天線4(V嵌入在諸如介電屏蔽體或殼體的電介質(zhì)中。在所示的實(shí)施例中，電介質(zhì)具有大約為4或5的介電常數(shù)。在一個(gè)實(shí)施例中，電介質(zhì)可以具有在大約I至20的范圍內(nèi)的介電常數(shù)，但是可以具有其它值。
[0059]如這里所述的，圖2的對象檢測系統(tǒng)24可以包括發(fā)射探地信號的發(fā)射器28和檢測探地信號從一個(gè)或多個(gè)掩埋對象26反射的多個(gè)探測器30。例如，圖5的鏟斗20可以包括安裝到齒32的至少一個(gè)發(fā)射器/收發(fā)器28和多個(gè)探測器30。類似地，圖13-14的陣列58可以包括發(fā)射器/收發(fā)器28和多個(gè)探測器30。在一個(gè)實(shí)施例中，對象檢測系統(tǒng)24包括至少三個(gè)探測器/接收器30。
[0060]圖15A-15C提供對象檢測系統(tǒng)24中的多個(gè)檢測器30的示例性輸出。在圖15A-15C中，圖2的收發(fā)器28和兩個(gè)檢測器30被設(shè)置成與地面接觸以檢測位于地底下的兩個(gè)對象。收發(fā)器28被設(shè)置在兩個(gè)檢測器30之間，當(dāng)然也可以提供其它的天線布置。圖15A的信號對應(yīng)于第一檢測器30，圖15B的信號對應(yīng)于收發(fā)器28，圖15C的信號對應(yīng)于第二檢測器30。收發(fā)器28提供如由圖15B的脈沖70表示的探地信號。在檢測到圖15A和15C的峰值74和76所示的串?dāng)_之后，每個(gè)檢測器30檢測來自兩個(gè)對象中的每一個(gè)的反射。由于具體的檢測器30相對于收發(fā)器28和掩埋對象的位置和間距，因此每一個(gè)檢測器30在不同的時(shí)刻檢測到來自對象的反射。圖15A的峰值78表示由第一檢測器30接收到的來自第一對象的反射，圖15C的峰值80表示隨后由第二檢測器30接收到的來自第一對象的反射。類似地，在圖15A中，峰值82表示由第一檢測器30接收到的來自第二對象反射，而圖15C的峰值84表示之前由第二檢測器30接收到的來自第二對象的反射。在所示的實(shí)施例中，收發(fā)器28也檢測來自掩埋對象的反射，如由圖15B中的峰值86表示。
[0061]如圖15A-15C所示，由每一個(gè)檢測器30檢測到的反射具有不同的幅值、到達(dá)時(shí)間、曲線特征、及其可以被分析以確定被檢測對象的位置及諸如尺寸或類型等其它特征的其它特性。計(jì)算機(jī)37的信號處理器39可以被編程以分析由檢測器30和收發(fā)器28檢測到的反射信號，從而確定被檢測對象的位置及其它特征。
[0062]在一個(gè)實(shí)施例中，到達(dá)時(shí)間差(TDOA)方法被用于確定被檢測對象的相對位置。在TDOA方法中，處理器39計(jì)算在天線陣列中的不同接收器處的反射信號的到達(dá)時(shí)間的差值。在所示的實(shí)施例中，通過計(jì)算在不同接收器處測得的信號反射的成對的相關(guān)性確定這些時(shí)間延遲，并根據(jù)計(jì)算出的時(shí)間延遲和土壤的介電特性，確定目標(biāo)對象(在二維或三維空間中)的相對位置。來自兩個(gè)不同接收器的兩個(gè)信號反射之間的相關(guān)性可以被表示為:
【權(quán)利要求】
1.一種通過探地雷達(dá)進(jìn)行通信的方法，所述方法包括以下步驟: 提供發(fā)射器和檢測器，所述發(fā)射器和檢測器中的每一個(gè)都聯(lián)接到被構(gòu)造以穿透地面的工具； 通過發(fā)射器發(fā)送探地信號； 通過檢測器檢測來自探地信號的串?dāng)_；和 基于串?dāng)_的特征確定檢測器和發(fā)射器中的至少一個(gè)相對于地面的位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中基于在發(fā)出探地信號之后所述串?dāng)_到達(dá)檢測器的到達(dá)時(shí)間來確定檢測器和發(fā)射器中的至少一個(gè)相對于地面的位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中基于所述串?dāng)_的幅值確定檢測器和發(fā)射器中的至少一個(gè)相對于地面的位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中檢測器和發(fā)射器在所述工具上間隔開。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中發(fā)射器和檢測器中的每一個(gè)都包括轉(zhuǎn)換器和電介質(zhì)，其中所述轉(zhuǎn)換器的至少一部分被設(shè)置在所述電介質(zhì)內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟:一旦確定檢測器和發(fā)射器中的至少一個(gè)與地面接觸，則通過發(fā)射器發(fā)送第二探地信號，所述第二探地信號相比之前的探地信號具有更大的幅值和更高的頻率中的至少一項(xiàng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟:基于第二探地信號從對象的反射檢測位于地下的對象。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟:將工具從第一位置移動到第二位置，所述發(fā)送步驟包括當(dāng)工具處于第一位置時(shí)通過發(fā)射器發(fā)送第一探地信號和當(dāng)工具處于第二位置時(shí)通過發(fā)射器發(fā)送第二探地信號。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述確定步驟包括:比較來自第一探地信號的串?dāng)_的特征與來自第二探地信號的串?dāng)_的特征以確定所述檢測器和發(fā)射器中的至少一個(gè)相對于地面的位置。
10.一種通過探地雷達(dá)進(jìn)行通信的方法，所述方法包括以下步驟: 提供工具和聯(lián)接到所述工具的檢測系統(tǒng)，所述檢測系統(tǒng)包括發(fā)射器和接收器，所述工具被構(gòu)造以穿透地面； 通過發(fā)射器發(fā)送探地信號； 基于發(fā)射器與接收器之間的信號耦合確定檢測系統(tǒng)相對于地面的位置；以及 一旦確定檢測系統(tǒng)與地面接觸，就增加探地信號的幅值。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟: 將工具從第一位置移動到第二位置，其中在第一位置處，檢測系統(tǒng)被設(shè)置成遠(yuǎn)離地面，而在第二位置處，檢測系統(tǒng)被設(shè)置位成與地面接觸。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中當(dāng)所述工具位于第一位置時(shí)，所述探地信號具有第一幅值，而當(dāng)所述工具位于第二位置時(shí)，所述探地信號具有第二幅值，所述第二幅值大于所述第一幅值。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述增加步驟包括: 增加探地信號的功率和頻率中的至少一項(xiàng)。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述確定步驟包括:比較當(dāng)工具處于第一位置時(shí)發(fā)射器與接收器之間的信號耦合的特征與當(dāng)工具處于第二位置時(shí)發(fā)射器與接收器之間的信號耦合的特征。
15.一種通過探地雷達(dá)進(jìn)行通信的方法，所述方法包括以下步驟: 提供工具和聯(lián)接到所述工具的檢測系統(tǒng)，所述檢測系統(tǒng)包括發(fā)射器和接收器并被構(gòu)造以檢測位于地下的對象； 通過工具穿透地面以產(chǎn)生穿透區(qū)； 在發(fā)射器與對象之間發(fā)送信號； 通過接收器識別來自信號的串?dāng)_； 基于信號的串?dāng)_確定地面的介電特性。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述確定步驟基于在發(fā)送步驟之后所述串?dāng)_到達(dá)接收器的到達(dá)時(shí)間。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述確定步驟基于串?dāng)_的幅值。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中發(fā)射器和接收器間隔開一段距離，地面的介電特性的確定還基于發(fā)射器與接收器之間的所述距離。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟: 基于來自對象的信號反射檢測位于地下的對象，和基于反射和所確定地面的介電特性計(jì)算所述對象的位置。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中發(fā)射器和接收器中的每一個(gè)都包括轉(zhuǎn)換器和電介質(zhì)，其中轉(zhuǎn)換器的至少一部分被設(shè)置在電介質(zhì)內(nèi)以充分地減少轉(zhuǎn)換器與地面之間的信號損失。
21.—種建筑車輛,包括: 底盤； 被設(shè)置以支撐底盤的多個(gè)牽引裝置； 作業(yè)工具，所述作業(yè)工具由底盤支撐并被構(gòu)造以穿透地面；和 檢測系統(tǒng)，所述檢測系統(tǒng)包括被構(gòu)造以發(fā)送探地信號的發(fā)射器和被構(gòu)造以檢測來自所述探地信號的串?dāng)_的檢測器，發(fā)射器和檢測器被安裝到所述作業(yè)工具，所述檢測系統(tǒng)被構(gòu)造以基于來自探地信號的串?dāng)_的特征確定檢測器和發(fā)射器中的至少一個(gè)相對于地面的位置。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的建筑車輛，其中串?dāng)_的特征包括串?dāng)_到達(dá)檢測器的到達(dá)時(shí)間和串?dāng)_的幅值中的至少一項(xiàng)。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的建筑車輛，其中檢測系統(tǒng)包括控制器，所述控制器被構(gòu)造以分析通過檢測器檢測到的串?dāng)_以確定所述檢測器和發(fā)射器中的至少一個(gè)相對于地面的位置，以及一旦確定所述檢測器和發(fā)射器中的至少一個(gè)與地面接觸就啟動控制事件。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的建筑車輛，其中控制事件包括增加探地信號的功率和頻率中的至少一項(xiàng)。
25.根據(jù)權(quán)利要求21所述的建筑車輛，其中檢測系統(tǒng)包括顯示器，所述顯示器被構(gòu)造以提供檢測器和發(fā)射器中的至少一個(gè)與地面接觸的可視指示。
26.根據(jù)權(quán)利要求21所述的建筑車輛，其中檢測系統(tǒng)被構(gòu)造以便一旦確定檢測器和發(fā)射器中的至少一個(gè)與地面接觸就提供聲頻信號。
27.根據(jù)權(quán)利要求21所述的建筑車輛，其中發(fā)射器和檢測器中的每一個(gè)都包括轉(zhuǎn)換器和電介質(zhì)，其中轉(zhuǎn)換器的至少一部分被設(shè)置在電介質(zhì)內(nèi)。
28.一種檢測器組件，所述檢測器組件被構(gòu)造以檢測位于地下的對象，所示檢測器組件包括: 具有內(nèi)部區(qū)域的殼體結(jié)構(gòu)； 天線，所述天線被設(shè)置在殼體結(jié)構(gòu)的內(nèi)部區(qū)域中并被構(gòu)造以傳遞探地信號；和 圍繞所述殼體結(jié)構(gòu)模制而成的電介質(zhì)，殼體結(jié)構(gòu)與電介質(zhì)協(xié)作以充分地減少探地信號在天線與地面之間的傳遞過程中的信號損失。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的檢測器組件，進(jìn)一步包括被構(gòu)造以穿透地面的作業(yè)工具，所述天線和殼體結(jié)構(gòu)被安裝到作業(yè)工具。
30.根 據(jù)權(quán)利要求29所述的檢測器組件，其中天線和殼體結(jié)構(gòu)形成作業(yè)工具的切削元件的一部分，電介質(zhì)形成所述切削元件的切削刃。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的檢測器組件，進(jìn)一步包括安裝到作業(yè)工具的檢測器，其中所述天線被構(gòu)造以向設(shè)置在地下的對象發(fā)送探地信號，并且所述檢測器被構(gòu)造以接收來自所述對象的探地信號的反射。
32.根據(jù)權(quán)利要求29所述的檢測器組件，其中電介質(zhì)包括聚氨酯材料。
33.根據(jù)權(quán)利要求29所述的檢測器組件，其中殼體結(jié)構(gòu)由剛性聚合物組成。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的檢測器組件，其中殼體結(jié)構(gòu)和電介質(zhì)具有基本上相同的介電特性。
35.一種通過探地雷達(dá)進(jìn)行通信的方法，所述方法包括以下步驟: 提供作業(yè)工具、轉(zhuǎn)換器，和具有用于容納轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部區(qū)域的殼體結(jié)構(gòu)； 在殼體結(jié)構(gòu)周圍模制電介質(zhì)； 將轉(zhuǎn)換器固定在殼體結(jié)構(gòu)的內(nèi)部區(qū)域中； 將殼體結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)換器聯(lián)接到作業(yè)工具； 通過作業(yè)工具穿透地面以產(chǎn)生穿透區(qū)；以及 在所述穿透步驟過程中通過轉(zhuǎn)換器發(fā)送探地信號。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中電介質(zhì)、殼體結(jié)構(gòu)、和地面具有基本上相同的介電特性以充分地減少在發(fā)送步驟過程中的信號損失。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的方法，其中電介質(zhì)包括聚氨酯材料，而殼體結(jié)構(gòu)包括剛性聚合物。
38.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中殼體結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)換器形成作業(yè)工具的切削元件的一部分，電介質(zhì)形成所述切削元件的切削表面。
39.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟: 將檢測器安裝到作業(yè)工具，所述檢測器被構(gòu)造以接收來自被設(shè)置在地下的對象的探地信號的反射。
【文檔編號】H01L35/00GK103636015SQ201180071515
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2011年6月9日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月9日
【發(fā)明者】奈文·斯米切維奇, 阿讓·加格納森, 詹姆斯·L·蒙哥馬利, 杰伊·H·奧爾森 申請人:迪爾公司, 路易斯安娜科技大學(xué)研究基金會