解耦金属管中由于泄漏引起的干扰的方法和电缆定位器转让专利
申请号 : CN200580014328.8
文献号 : CN1973215B
文献日 : 2010-05-05
发明人 : 赫伯特·施兰普 , 约翰·D·奥弗比
申请人 : 麦特罗特克公司
摘要 :
当电缆(104、126)在长距离上并排布置时，用于电缆定位的交流电信号可能耦合或“泄漏”到相邻电缆。在产生场失真的该相邻电缆中流动的该耦合电流使得难以确定该目标电缆的位置。两个(或多个)电缆(104、126)所得到的磁场不是圆形的，并且是通常所知道的失真场。已经建立的用于查找被调查的电缆(104)的位置的方法导致不精确甚至错误的定位。这里所描述的方法通过将由发射器(101)放置在该电缆上的相位参考信号解调成两个信号强度成分而消除了由于耦合电缆所产生的场失真。同相信号表示该目标导管(104)的场强度，并且基本上没有场失真。另一个正交信号包含与失真相关的场的分量。
权利要求 :
1.一种管线定位器，包括接收器，所述接收器包括：第一数字锁相环，耦合以接收输入信号，并锁定到该输入信号的载波频率；
第二数字锁相环，耦合以从该第一数字锁相环接收FM信号并锁定到该输入信号的调制频率；以及正交解调器，耦合以接收该输入信号和来自该第二数字锁相环的频率信号，并提供同相信号和正交信号，其中，目标信号强度与同相信号相关，泄漏信号强度与正交信号相关，从而来自待定位的地下管道的目标信号与来自载有泄漏信号的地下管道的泄漏信号区分开。
2.如权利要求1所述的接收器，其中该第一数字锁相环包括：混频器，将该输入信号与具有与该载波频率相关的频率和相位的周期反馈函数混频，并提供混频信号；
反正切函数，耦合以接收该混频信号并提供该相位误差信号；以及数控振荡器，耦合以响应于该相位误差信号而提供该周期反馈函数。
3.如权利要求2所述的接收器，其中响应于该混频信号的幅度而提供总信号强度信号。
4.如权利要求2所述的接收器，其中该第二数字锁相环包括：第二混频器，将该FM信号与具有与该调制频率相关的频率和相位的第二周期反馈函数混频，并提供第二混频信号；
第二反正切函数，耦合以接收该第二混频信号并提供第二相位误差信号；以及数控振荡器，耦合以接收该第二相位误差信号，并响应于该第二相位误差信号而提供该频率信号。
5.如权利要求4所述的接收器，其中该正交解调器包括：第三混频器，耦合以将该输入信号与该频率信号混频；以及实数滤波器，耦合以接收来自该第三混频器的信号，并提供目标管线信号的强度信号。
6.如权利要求5所述的接收器，其中根据该目标管线信号的强度信号的符号来确定信号的方向信号。
7.如权利要求5所述的接收器，还包括正交滤波器，耦合以接收来自该第三混频器的信号，并提供非电阻泄漏信号的强度信号。
8.如权利要求1所述的接收器，还包括耦合在该第一数字锁相环与该第二数字锁相环之间的下采样器。
9.如权利要求1所述的接收器，还包括耦合在该第二数字锁相环与该正交解调器之间的正交上采样器。
10.如权利要求1所述的接收器，其中从该同相信号中推导出来自地下定位器要定位的目标导管的目标信号强度。
11.根据权利要求1所述的定位器，还包括：检测器系统，提供与至少一个地下管线所产生的电磁场相关的至少一个信号，其中输入信号与所述至少一个信号相关；以及显示器，耦合以接收该同相信号并向用户提供用户信息。
12.如权利要求11所述的定位器，其中该检测器系统包括：一个或多个检测器，感测该电磁场的磁场；以及一个或多个数字化器，将来自该一个或多个检测器所提供的信号的该至少一个信号数字化.
13.如权利要求11所述的定位器，还包括与该显示器耦合以提供方向信息的罗盘。
14.如权利要求11所述的定位器，还包括与该显示器耦合以提供定位信息的惯性位置跟踪。
15.如权利要求11所述的定位器，其中根据该同相信号推导出来自目标导管的场强度。
16.一种管线定位器系统，包括：
发射器，耦合以向目标导管提供电流信号，该电流信号包括载波频率处的至少一个信号，该信号以调制频率调制；以及定位器，包括：
检测器系统，其提供与该定位器处存在的电磁场相关的至少一个信号；
至少一个如权利要求1所述的接收器，耦合以接收该至少一个信号；以及显示器，耦合以接收该同相信号并向用户提供用户信息。
17.一种用于检测与目标导线相关联的信号、同时拒绝与邻近导线的泄漏相关联的信号的方法，包括：响应于源自一个或多个地下管线的电磁场而提供输入信号；
锁定到该输入信号的载波频率并提供相位误差信号；
锁定到FM信号并提供频率信号；
将该频率信号与该输入信号混频，以提供同相信号；以及根据同相信号确定来自待定位的地下管线的目标强度，从而将待定位的地下管线与载有泄漏信号的第二地下管线区分开。
18.如权利要求17所述的方法，还包括根据该复合FM信号的幅度来提供总信号的强度信号。
19.如权利要求17所述的方法，还包括根据该同相信号来提供目标管线信号的强度信号。
20.如权利要求19所述的方法，还包括根据该目标管线信号的强度信号来提供信号的方向信号。
21.如权利要求17所述的方法，还包括提供正交信号。
22.如权利要求21所述的该方法，还包括根据该正交信号来提供非电阻泄漏信号的强度信号。
23.一种确定目标导管的深度的方法，包括：在该目标导管上提供电流信号，该电流信号包括载波频率处的信号，该信号以调制频率调制；
确定多个位置处的目标管线的信号强度，该多个位置沿着与该目标导管的敷设路线基本上垂直的线路布置；以及根据该多个位置处的目标管线的信号强度来确定深度，其中通过如权利要求17所述的方法来确定该多个位置中的每一个处的目标管线的信号强度。
说明书 :
技术领域
本发明涉及检测来自目标隐藏(targeted hidden)导管的电磁信号，具体地，涉及解耦来自目标隐藏导管的检测信号中的干扰信号，该干扰信号是由于邻近的非目标导管的传输信号的泄漏而产生的。
背景技术
地下管道和电缆定位器(有时称作管线定位器)已经存在了许多年并且是公知的。管线定位器系统典型地包括移动接收器和发射器。该发射器通过直接电连接或者通过感应，与目标导管耦合，以在该目标导管上提供电流信号。该接收器检测并处理在该目标导管处由于该电流信号所产生的电磁场所得到的信号，该电流信号可以是由该发射器提供给该目标导管的连续正弦波信号。
该发射器通常物理上与该接收器分离，典型地具有几米或者在一些情况下高达数千米的间距。该发射器将电流信号耦合到目标导管，该电流信号的频率可以由用户从一组可选择的频率中选择。施加于该目标导管的电流信号的频率可以称为活动定位频率(active locatefrequency)。然后该目标导管响应该电流信号，产生该活动定位频率的电磁场。
不同的定位方法和地下环境可能要求不同的活动频率。活动定位频率的典型范围可以从几赫兹(用于定位发射器和接收器之间的间距在数千米的目标导管)到100kHz或更多。在高于该范围的环境中，该接收器所检测到的电磁场上会出现显著的无线电频率干扰。因此，管线定位系统的接收器通常包括高调谐的滤波器，以便阻止来自外部源的干扰对来自该目标导管的所希望活动定位频率处的信号的测量的影响。可以调谐这些滤波器，以便接收在每个可选择的活动定位频率处的由电磁场所产生的信号，并且抑制在该活动定位频率以外的频率处的由电磁场所产生的信号。
在管线定位系统中，从电磁场的检测所确定的信号强度参数提供电流信号(即目标导管中的线路电流)、管线定位器接收器相对于导管中心的位置、该导管距离管线定位器接收器的深度的导出量的基础，并且还可以用作峰值或零值指示器的输入(取决于该检测器所感测的该电磁场的定向)。所有的管线定位系统都测量一个或多个测量通道上的信号强度。
通常在金属管或电缆密集的地下应用环境中，会出现来自目标导管的活动定位频率处的信号与其它邻近的地下导管的耦合。该管线定位系统不是想要跟踪这些导管(管线)，但是来自目标导管的电流通过各种方式(电阻、电感或电容的)耦合到这些邻近的导管(称为“泄漏”)可能导致管线定位器混乱(astray)，从而使得该管线定位系统的操作者终止跟踪该目标导管(例如，所关心的管线或电缆)，而开始跟踪邻近的管线。
在传统的接收器中，几乎不可能确定该接收器是否在跟踪该目标导管，或确定该接收器是否在错误地跟踪邻近的导管.在复杂的地下导管布局中，来自由邻近导管中的泄漏电流所产生的电磁场的干扰的影响会造成非常不对称的电磁场，这称作场失真(distortion).而且，试图区分该目标导管和邻近导管的常规系统典型地依赖于来自该发射器的相位信息的无线或有线传输，该发射器与该管线定位器的接收器的距离会使得接收这种信息是不切实际的.
因此，需要能够精确地确定来自该目标导管而不是邻近导管的信号强度参数的管线定位系统，该系统可以使用信号产生和处理方法，提供作为电感或电容耦合的结果的信号，该信号产生和处理方法仅将该目标导管(管线或电缆)作为传输介质，而不依赖于用于该发射器和接收器的分离通信信道，以便共用相位信息。
该发射器通常物理上与该接收器分离，典型地具有几米或者在一些情况下高达数千米的间距。该发射器将电流信号耦合到目标导管，该电流信号的频率可以由用户从一组可选择的频率中选择。施加于该目标导管的电流信号的频率可以称为活动定位频率(active locatefrequency)。然后该目标导管响应该电流信号，产生该活动定位频率的电磁场。
不同的定位方法和地下环境可能要求不同的活动频率。活动定位频率的典型范围可以从几赫兹(用于定位发射器和接收器之间的间距在数千米的目标导管)到100kHz或更多。在高于该范围的环境中，该接收器所检测到的电磁场上会出现显著的无线电频率干扰。因此，管线定位系统的接收器通常包括高调谐的滤波器，以便阻止来自外部源的干扰对来自该目标导管的所希望活动定位频率处的信号的测量的影响。可以调谐这些滤波器，以便接收在每个可选择的活动定位频率处的由电磁场所产生的信号，并且抑制在该活动定位频率以外的频率处的由电磁场所产生的信号。
在管线定位系统中，从电磁场的检测所确定的信号强度参数提供电流信号(即目标导管中的线路电流)、管线定位器接收器相对于导管中心的位置、该导管距离管线定位器接收器的深度的导出量的基础，并且还可以用作峰值或零值指示器的输入(取决于该检测器所感测的该电磁场的定向)。所有的管线定位系统都测量一个或多个测量通道上的信号强度。
通常在金属管或电缆密集的地下应用环境中，会出现来自目标导管的活动定位频率处的信号与其它邻近的地下导管的耦合。该管线定位系统不是想要跟踪这些导管(管线)，但是来自目标导管的电流通过各种方式(电阻、电感或电容的)耦合到这些邻近的导管(称为“泄漏”)可能导致管线定位器混乱(astray)，从而使得该管线定位系统的操作者终止跟踪该目标导管(例如，所关心的管线或电缆)，而开始跟踪邻近的管线。
在传统的接收器中，几乎不可能确定该接收器是否在跟踪该目标导管，或确定该接收器是否在错误地跟踪邻近的导管.在复杂的地下导管布局中，来自由邻近导管中的泄漏电流所产生的电磁场的干扰的影响会造成非常不对称的电磁场，这称作场失真(distortion).而且，试图区分该目标导管和邻近导管的常规系统典型地依赖于来自该发射器的相位信息的无线或有线传输，该发射器与该管线定位器的接收器的距离会使得接收这种信息是不切实际的.
因此，需要能够精确地确定来自该目标导管而不是邻近导管的信号强度参数的管线定位系统，该系统可以使用信号产生和处理方法，提供作为电感或电容耦合的结果的信号，该信号产生和处理方法仅将该目标导管(管线或电缆)作为传输介质，而不依赖于用于该发射器和接收器的分离通信信道，以便共用相位信息。
发明内容
根据本发明，提供一种管线定位器和管线定位器系统，该管线定位器和管线定位器系统能够区分从目标导管接收到的信号和由于邻近导管的泄漏而接收到的信号。根据本发明某些实施例的管线定位器的接收器包括：耦合以接收输入信号并锁定到输入信号的载波频率的第一数字锁相环；耦合以从该第一数字锁相环接收FM信号并锁定到输入信号的调制频率的第二数字锁相环；以及耦合以接收输入信号和来自该第二数字锁相环的频率信号并提供同相信号的正交解调器。
在本发明的某些实施例中，管线定位器包括：耦合以向目标导管提供电流信号的发射器，该电流信号包括至少一个载波频率处的信号，以调制频率调制该信号；和定位器。在某些实施例中，该定位器包括：检测器系统，提供与在该定位器上出现的电磁场相关的至少一个信号；至少一个接收器，耦合以接收该至少一个信号，该至少一个接收器中的每一个包括锁定到该至少一个信号中的一个的载波频率的第一数字锁相环、耦合以从该第一数字锁相环接收FM信号并锁定到该至少一个信号中的所述一个的调制频率的第二数字锁相环、以及耦合以接收该至少一个信号中的所述一个和来自该第二数字锁相环的频率信号并提供同相信号的正交解调器；以及耦合以接收该同相信号并向用户提供信息的显示器。
根据本发明某些实施例的检测与目标导管相关联的信号而拒绝与邻近导管的泄漏相关联的信号的方法包括：响应于电磁场而提供输入信号；锁定到该输入信号的载波频率并提供FM信号；锁定到该FM信号的调制频率并提供频率信号；以及将该频率信号与该输入信号混频，以提供同相信号。
根据本发明某些实施例的确定目标导管的深度的方法包括：在该目标导管上提供电流信号，该电流信号包括载波频率处的信号，该信号以调制频率调制；确定多个位置处的目标管线的信号强度，该多个位置沿着与该目标导管的敷设线路基本上垂直的线路布置；以及根据该多个位置的目标管线的信号强度来确定深度。根据本发明的某些实施例，该多个位置中的每一个处的目标管线的信号强度可以通过如下来确定：响应于该位置的电磁场而提供输入信号；锁定到该输入信号的载波频率并提供FM信号；锁定到该FM信号的调制频率并提供频率信号；将该频率信号与该输入信号混频，以提供同相信号；以及根据该同相信号来确定该目标管线的信号强度。
下面参照附图进一步讨论这些和其它实施例。
在本发明的某些实施例中，管线定位器包括：耦合以向目标导管提供电流信号的发射器，该电流信号包括至少一个载波频率处的信号，以调制频率调制该信号；和定位器。在某些实施例中，该定位器包括：检测器系统，提供与在该定位器上出现的电磁场相关的至少一个信号；至少一个接收器，耦合以接收该至少一个信号，该至少一个接收器中的每一个包括锁定到该至少一个信号中的一个的载波频率的第一数字锁相环、耦合以从该第一数字锁相环接收FM信号并锁定到该至少一个信号中的所述一个的调制频率的第二数字锁相环、以及耦合以接收该至少一个信号中的所述一个和来自该第二数字锁相环的频率信号并提供同相信号的正交解调器；以及耦合以接收该同相信号并向用户提供信息的显示器。
根据本发明某些实施例的检测与目标导管相关联的信号而拒绝与邻近导管的泄漏相关联的信号的方法包括：响应于电磁场而提供输入信号；锁定到该输入信号的载波频率并提供FM信号；锁定到该FM信号的调制频率并提供频率信号；以及将该频率信号与该输入信号混频，以提供同相信号。
根据本发明某些实施例的确定目标导管的深度的方法包括：在该目标导管上提供电流信号，该电流信号包括载波频率处的信号，该信号以调制频率调制；确定多个位置处的目标管线的信号强度，该多个位置沿着与该目标导管的敷设线路基本上垂直的线路布置；以及根据该多个位置的目标管线的信号强度来确定深度。根据本发明的某些实施例，该多个位置中的每一个处的目标管线的信号强度可以通过如下来确定：响应于该位置的电磁场而提供输入信号；锁定到该输入信号的载波频率并提供FM信号；锁定到该FM信号的调制频率并提供频率信号；将该频率信号与该输入信号混频，以提供同相信号；以及根据该同相信号来确定该目标管线的信号强度。
下面参照附图进一步讨论这些和其它实施例。
附图说明
图1A描述了管线定位器系统的应用。
图1B描述了可以在特定导管布局的管线定位期间产生的电子电路的范例。
图2所示为图1B中所示电路的简化等效电路。
图3A和3B示意性地示出了图2中所示情况的等效电子电路，并且描述了电流信号。
图4通过方框图描述了根据本发明的接收器。
图5描述了可以在根据本发明的接收器的实施例中使用的数字锁相环。
图6描述了根据本发明的接收器的另一实施例。
图7为只具有一个管线或缆线(进入纸张及从纸张出来)的地下定位场景的截面图。
图8A和8B描述了管线位置和深度的确定，其中两个埋藏导管以未知距离分离。
在附图中，具有相同标记的元件具有相同或类似的功能。附图中的元件没有按照比例绘出。
图1B描述了可以在特定导管布局的管线定位期间产生的电子电路的范例。
图2所示为图1B中所示电路的简化等效电路。
图3A和3B示意性地示出了图2中所示情况的等效电子电路，并且描述了电流信号。
图4通过方框图描述了根据本发明的接收器。
图5描述了可以在根据本发明的接收器的实施例中使用的数字锁相环。
图6描述了根据本发明的接收器的另一实施例。
图7为只具有一个管线或缆线(进入纸张及从纸张出来)的地下定位场景的截面图。
图8A和8B描述了管线位置和深度的确定，其中两个埋藏导管以未知距离分离。
在附图中，具有相同标记的元件具有相同或类似的功能。附图中的元件没有按照比例绘出。
具体实施方式
图1A描述了具有管线定位器的管线定位环境。该管线定位器包括定位器110和发射器101。定位器110可以包括根据本发明的接收器的实施例，或者可以是常规定位器。在James W.Waite和Johan D.Overby的序列号为10/622376的美国专利申请(‘376申请)“Method and Apparatusfor Digital Detection of Electromagnetic Signal Strength and SignalDirection in Metallic Pipes and Cables”中描述了接收器110的主要数字实施方式的范例，该申请已经转让于本发明的受让人，并且其全部内容合并在此以作参考。
由操作员116操作定位器110，以定位目标导管104。目标导管104直接与发射器101耦合。在许多系统中，发射器101将电流信号耦合到导管104上。如上所述，该电流信号具有处于活动定位频率的频率，该活动定位频率可以是一组标准频率中之一。如图1A中所示，目标导管104可以在地下。发射器101可以直接在地面上的接线盒处与管线104耦合，或者通过在已知位置处挖掘而与管线104耦合。发射器101也可以电感地与管线104电子耦合。
接收器110包括检测器112和显示器114。检测器112可以是用于确定电磁场的任何检测器。例如，检测器112可以包括在存在时变磁场时提供电子信号的线圈。可以在接收器110中处理电子信号，并且可以在显示器114上将该处理的结果通信给操作员116。
检测器112然后可以检测由目标导管104中的电流信号产生的磁场118。然而，可以通过电阻耦合、电容耦合或电感耦合，将该相同频率的电流耦合到邻近管线126中。邻近管线126然后可以产生磁场120。因此，由检测器112提供给定位器110的信号会反映来自目标导管104的磁场118和来自邻近导管126的磁场120的影响。因此，目标管线104的深度或目标管线104中的电流的计算可能是不精确的。
在Volker Fraedrich和Gerhard Fischer的美国专利No.6411073(‘073专利)“Method and Device for Locating a Metal Line”中讨论了去除由于电阻耦合而来自邻近导管126的干扰，其全部内容合并在此以作参考.该‘073专利公开了一种具有由发射器101产生的FM调制方法(称作“信号选择”)的管线定位系统，该系统允许发射器101和接收器110共用共同的相位参考.接下来，‘376申请描述了在该接收器处测量该信号方向参数的稳健方法，该方法能够让操作员检测当在邻近导管上出现地面返回路径信号时的情况.在这些情况下，接收器110向该用户提供负信号方向指示，指示该测量的场强度是由于来自载有地面返回电流的导管的电阻泄漏，而不是由于目标导管104的磁场118.
通常情况是在相邻管线之间出现电阻耦合。如果出现电阻耦合，邻近管线中的感应电压信号与目标导管中出现的电流信号反向(相位相差180°)。这是因为已经传播到邻近管线的电流在寻找到达管线定位系统的发射器处的相同接地棒(ground stack)的更容易的(即，低阻抗的)返回路径。通常，以从发射器101出去的信号作为正方向，并且以进入发射器101的信号作为负方向。通过除了信号强度之外还监视信号方向，人们可以通过正负方向改变，检测可能的电阻耦合状况。
在从管线104到管线126的泄漏是电感或电容泄漏的情况下，该问题有点不同。电感和电容泄漏可以出现在较长的位置(即接收器110与发射器101分离较远)，其中目标导管104质量良好并且地面与目标导管104的电缆包皮层之间的电阻较高，或者可替换地，活动定位频率较高(降低了阻抗阈值，其中电容耦合成为问题)。在电容或电感泄漏中，邻近导管(例如导管126)上的信号经历与耦合的传输函数对应的相移。在耦合主要是电感或电容的情况下，该信号与发射器101所传输的电流信号异相90°。
有时，该泄漏信号(对来自邻近导管的电磁场的检测所产生的信号)显著强于接收器110中通过检测来自目标导管104的电磁场所产生的信号，并且完全主导着在接收器110处所检测到的测量场强度。当载有泄漏信号的邻近电缆(例如图1A中的导管126)比目标导管浅时，会出现有特殊问题的测量状况。接收器处的组合信号(例如由检测磁场118和接收器110的磁场120所产生的信号)具有与由发射器101施加于目标导管104的电流信号的频率完全相同的频率，即活动定位频率(假定该系统是线性时不变(LTI)系统，从而所观察到的相位改变只是由于该泄漏耦合本身所引起的)。在某些情况下，由更浅的邻近导管中的泄漏信号所引起的电磁场可以比目标导管104所产生的电磁场更强，在该情况下，接收器处的测量信号可能与发射器101传送给目标导管104的信号产生90°的相移。
在常规接收器中，在接收器110处不可能知道或确定发射器101的相位，因为发射器101通常包括自由运行的振荡器驱动器。然而，由定位器110测量的场强度包括来自对目标导管104的电磁场和接地回路的电磁场的检测的同相信号的影响，其由于电阻泄漏而异相180°，以及由于对电感或电容耦合的管线的电磁场的检测所导致的正交信号的影响。在具有显著耦合的复杂地面应用场景中，这些信号的净(net)幅度可以导致非同心磁场，即通常称为场失真的效果。
某些现有技术的管线定位系统通过将活动定位频率降低到足够低的值以避免泄漏，而避免由电感或电容泄漏所产生的显著的场失真。然而，对于超过数千米的长远位置，活动频率通常需要降低到大约10赫兹，以避免显著的泄漏。在美国专利No.5798644和No.6127827中描述了这种系统的范例。
其它系统通过比较从各个检测器线圈配置得出的场强度信号来检测场失真的存在.一旦检测到，可以使用一些技术来针对该失真调节目标导管的定位位置.在美国专利No.6215888中提出了一种标准的峰值和零值线圈配置，通过其可以将测量的场强度与在数据库中存储的场强度的模型比较.然后通过利用所选择的场强度的模型来推断得到最可能导致所测量的场强度的地下电缆布局，就可以得到更精确的目标管线定位.在Russel Bigelow的美国专利申请No.10/189342(‘342申请)中描述了另一种方法，该申请转让给了Metrotech公司，并且其全部内容合并在此以作参考。该‘342申请参照数值方式来比较来自三个或多个线圈的信号强度测量与未失真场可能产生的信号。用于解决场失真的其它方式使用位置测量方法来映射地面上的磁场和检测非同心场，非同心场是失真的良好指示。在Gordon Pacey的美国专利申请No.10/407705“Buried Line Locator with Integral Position Sensing”中描述了一种包括惯性位置跟踪装置的管线定位器，该申请转让给了Metrotech公司，并且其全部内容合并在此以作参考。
在这些以前的系统中，从定位器110处的电磁场检测的测量场强度参数可以是辐射的目标导管以及其它邻近耦合的导管的组合。当存在这种耦合时，所存在的失真度就是该目标导管定位的整体质量中的主要因素。在电阻耦合的情况下，美国专利No.6411073和‘376申请教导了信号方向参数可以用于区分目标导管和并行耦合的导管中存在的接地返回电流。从对该发射器所传递的信号进行信号选择调制得出接收器的信号的方向，于是就可以在该接收器得到共同的相位参考。
在美国专利No.5194812(‘812专利)中所描述的方法通过将该定位信号从发射器无线(或地面上的有线方式)传输到接收器来实现噪声降低。只要该无线链路是稳健并且其本身不经过未知相位滞后，就可以在接收器得到相位参考。使用其后面有低通滤波器的模拟混频器，就可以在该接收器处实现同步信号检测，导致噪声降低。该‘812专利没有讨论解耦由于与其它邻近管线的电感或电容耦合所产生的失真。而且，该信号相位参考传输的方法易于发生信号阻塞(blockage)并且具有有限的范围，其能力限制用于长范围的管线定位。发射器与接收器之间通过类似于GPS的共享时基的时间同步(此后称为相位参考同步)也受到传输路径问题的限制。
根据本发明，所提供的定位器110包括接收器，所述接收器将对接收器110处的电磁场的检测所产生的信号划分成同相信号和正交信号。于是，由施加于目标导管的电流信号以及电阻耦合的泄漏所产生的信号就与由电感或电容泄漏所产生的信号区分开。本发明的实施例将与信号选择(如‘376申请中所述的)解调相关联的接收器处理进行扩展，以能够清楚地分离(来自该目标导管和接地返回路径信号的)电阻耦合信号与电感或电容耦合所产生的不想要(产生失真)的信号。
最常见的耦合形式是电阻，对于电阻耦合，在位置的整个长度上平行于目标管线布置的导管中的接地返回电流是最典型的.这是城市情况中的共同问题.通过其它电缆(或大地)返回的流经电缆的电流产生磁场，通过接收器110的线圈天线使用相反极性来感测该磁场.在长电缆上，例如在大约50英里或更长的电缆上，非目标导管不大可能在整个路线上都平行地布置，因此其设施由于便利的(即低阻抗的)接地返回路径而受到限制.更可能的是，在接近起点和终点处，有些电缆的走向有一段是相同的，但是在敷设路线的大部分上，其它电缆应该只是有限共同定位长度的局部相邻.这就表明，耦合主要都是电感的.作为第三种可能性的电容耦合可以在干燥并且低接地传导率的区域中起到作用.如果电缆敷设路线的大部分上的耦合是电感的，那么就会有大约90°的相位差，因为电感耦合是通过互感应的弱耦合(loose coupling)。对于电容耦合，耦合电路中的相位将会是-90°。
在许多常规电缆定位器的接收器中，所提取的信号相位并没有用作耦合类型的度量，因为还没有得到关于发射器相位的固定相位参考。‘376申请提到了嵌套(双)数字锁相环(DPLL)的研制，从而可以在接收器处精确地恢复信号选择相位参考。这里所描述的本发明的某些实施例利用类似的方式来恢复发射器101所应用的稳定FM调制频率的稳定版本，使得使用该FM调制频率信号作为正交解调器的混频器输入。该正交解调的同相信号包括所有电阻耦合的(0°和180°)信号，并且该解调的正交信号表示实际电感和电容耦合(+/-90°)。另外，将该同相信号的符号作为信号方向，表示电阻耦合信号的实际方向，如在‘376申请中所述的。
在本发明的某些实施例中，可以通过平均和/或低通滤波进一步增强在定位器110对该信号选择调制定位信号的处理，从而能够稳定地估计目标管线场强度(基本上清除了由于电感或电容耦合管线的所有影响)、总场强度(包括由于所有耦合管线所产生的场)、以及信号方向。在一些这种实施例中，并非必须直接比较不同频率的两个信号之间的相位来估计该信号方向。这是一个重要的结果，因为数字系统中的相位比较的精度部分地受到信号处理中过采样的程度的驱动。通过平均的参数估计比采样值的比较更加稳健，并且该系统可以稳定地工作于接近尼奎斯特速率的采样速率(不是过采样)。
在某些实施例中，可以在显示器114上，通过作为该目标管线上的侧向位置x的函数图，将该场强度值提供给用户116，其中x是垂直于电缆的坐标。总场强度与目标管道场强度之间具有较大差异的区域表示一个耦合管线或多个管线的影响。当通过卷尺测量、激光测距、惯性感测、GPS导航、或其它测量方法可靠地得到坐标x时，可以将有效清除了耦合管线影响的目标管线场强度用来精确地对地下导管的坐标(x位置和深度)做三角测量或向量测量。
本发明的某些实施例便于使用非线性优化方法，以根据目标管线场强度来同时估计深度、位置和目标管线104中流动的电流。在存在由于电感或电容耦合所产生的磁场失真时这些估计更加可靠，因为目标管线场强度更接近地符合环绕目标导管104的同心场的物理模型。
当进一步确认耦合管线的存在而因此失真的存在时，在某些实施例中，可以通过发射器101在目标导管104上放置两个或多个活动信号选择调制频率(一个更低，一个更高)。对于管线耦合，阻抗随着频率的增加而降低，于是在更高频率处总场强度与目标场强度之间的差异会更大。这里所描述的本发明的某些实施例利用高效发射器算法，以在目标导管上产生多个同时信号选择调制的频率。为了支持两个或多个频率处场失真度的比较，扩展接收器的信号处理，以实施多个并行的信号选择调制算法。
图1B描述了一种管线定位场景，其包括从发射器101到接线盒的前向电流、从该接线盒回到该发射器接地棒的反向接地返回电流、以及邻近管线106上的感应电流。图1B中所述的导管布局示出了目标导管104和邻近导管106。图1B也描述了与目标导管104电耦合的直接连接发射器101。
使用直接连接发射器101的管线定位利用与目标导管104(也称为目标管线)的电流(galvanic)连接，诸如图1B中所述.通常在管线的终端存在通过接线或连接盒102对目标导管104的接入，从而该目标导管104的远端(即与发射器101相对的末端)可以与大地107连接.在通信电缆的情况下，例如可以通过将该远端的铜线或光纤电缆周围的金属外皮接地，实现有效的管线跟踪，从而通过路径104和107的组合产生如图所示的闭环AC电路.
发射器101在目标管线101中产生电流信号。根据本发明的实施例，该电流信号包括一个或多个在载波信号上调制的信号。在某些实施例中，发射器101产生的电流信号可以包括多于一个载波频率处的信号，从而可以更清楚地区分与耦合的相邻导管相关联的可能与频率有关的影响。
在典型的定位场景中，地下可能存在与目标管线104相邻的其它管线。根据该物理布局，这些管线也可以形成AC电路的一部分，该AC电路载有来自发射器101的直接或耦合的电流。如图1B中所示，通过接线盒102处的共用接地连接，管线105可以与目标导管104电耦合。如这里所述，导管105与目标导管104电阻耦合，即通过目标导管104的电流使用管线103作为到发射器101的更低阻抗的接地返回路径。
导管106中流经的另一电流也是发射器101所产生信号的结果。该电流通过从目标管线104到导管106的电感或电容耦合，被耦合到导管106中。实际上，通过弱耦合的接地108，建立了分离的电流环路，使得耦合的导管105中该信号的感测仍然是正的，即与目标导管方向相同。
测量区域103中信号强度的管线定位器因此看到由于从导管104、105和106发出的磁场所导致的信号的组合。这些信号之和是一个失真场，因为其不再同心环绕该目标导管104的轴，如果只有目标管线104载有定位频率的电流信号则其是同心的。某些定位器已经能够将反方向信号105与目标导管104上的正向信号区分。本发明的实施例也可以明确地识别导管106上存在的耦合信号。
图2示出了图1B中所示电路的简化等效电路。特别地，图2描述了互感应如何在耦合管线106中产生AC电流。如图2中所示，该接地路径也是弱耦合的。图2是该情况的简化示意，其仅示出了载有电流Ii的该耦合导管106和载有电流Ig的目标导管104(用于电流(galvanic)的、或直接耦合的电流)。发射器101在该示意图中表示为信号发生器。
图3A是将该问题进一步简化的等效电子示意图，环路104和105通过互感301耦合在一起。已知的是，在电感耦合的情况下，感应电流II比主环路中的电流Ig滞后90°，如图3B中所图示。
注意，如果导管104和106之间的耦合是电感而不是电容的，情况非常相似。然而在这种情况下，邻近导管106中的电流会比主环路目标导管104中的电流超前90°。
根据本发明的实施例，通过发射器101应用于目标导管104(附图1)的电流信号包括载波频率，载波频率是上述活动管线定位频率。此外，可以将FM调制频率叠加到该电流信号上。在某些实施例中，该FM调制频率是该载波频率的整数倍。
图4描述了根据本发明实施例的接收器410的方框图。如上面所讨论，接收器410被包括在定位器110中。接收器410包括检测器409，检测器409检测电磁场的强度并提供一个或多个输入信号401。在某些实施例中，检测器409可以包括磁场检测器以及滤波器和数字化器。在某些实施例中，定位器410可以包括具有检测器409的多个单独的接收器410，其中检测器409用于检测在特定方向上分布的电磁场的磁场。接收器410首先锁定到数字锁相环DPLL 402中的载波频率上，即活动定位频率，然后锁定到DPLL 404中的FM调制频率上，以提供基本上不受邻近导管的电感或电容泄漏影响的信号(目标管线强度).
然后在接收器410中，处理过程首先从该载波信号中解调信号选择FM信号，然后通过所检测的参考相位来解调原始输入信号。然后首先在载波DPLL 402中接收到输入信号401。将来自DPLL 402的输出信号耦合到FM解调DPLL 404中。因此DPLL 402和404首先锁定到载波频率，并接着锁定到FM调制频率，FM调制频率是DPLL 402的操作所产生的误差项。在某些实施例中，可以在DPLL 402与DPLL 404之间提供下采样器(downsampler)403，以提高处理效率，因为FM调制频率可能是载波频率的分数倍。在‘376申请中进一步讨论了载波DPLL 402、下采样器403以及FM解调DPLL 404的某些实施例。
将来自DPLL 404的输出信号耦合到正交解调器406中，在正交解调器406中该输出信号用于解调输入信号401。从正交解调器406得到的输出信号包括：同相信号408，其是目标管线的信号强度；以及正交信号407，其是电容或电容泄漏管线的信号强度。在某些实施例中，也可以包括正交上采样器405，使得可以调节同相信号408和正交信号407的采样速率。可以进一步处理接收器410中所产生的信号，用于显示给用户116和显示器114。
图5描述了根据本发明实施例的载波DPLL 402的实施例。载波DPLL 402包括混频器501，混频器501将信号输入401与数控振荡器(NCO)503所产生的周期函数混频。接收来自混频器501的复合输出信号的反正切函数502产生相位误差信号504。简单地用输入信号的实数项除以虚数项也可以形成该相位误差的简单估计，因为反正切函数502在零点附近近似是线性的。将来自反正切函数502的相位误差信号504输入到NCO 503，NCO 503调节输出到混频器501的周期函数的相位和频率，并且也可以输出针对相位和频率的值。在某些实施例中，NCO 503可以使用二阶环路等式来控制到混频器501的反馈，从而使得DPLL 402能够逐渐地会聚到锁定状态。在锁定状态时，信号505表示信号输入401与频率Fc处的平均载波之间的差，并且作为FM信号的表示，转发到FM DPLL 404。
图6描述了根据本发明的接收器410的另一实施例。如图所示，输入信号401输入到正交解调器406和载波DPLL 402。如已经参照图5所描述的，载波DPLL 402包括混频器501、反正切函数502和NCO 503。将来自载波DPLL 402的FM信号输入到FM DPLL 404。再次在如图5中所示的DPLL 402中，FM DPLL 404包括混频器611、反正切函数612以及数控振荡器613。如图6中所示，混频器611接收来自DPLL 402的FM信号，并且混频从数控振荡器613输出的FM调制信号。数控振荡器(NCO)613根据反正切函数612所产生的FM相位误差信号，来调节混频器611中所混频的周期函数的频率和相位。在某些实施例中，NCO613可以使用二阶环路等式来控制到混频器611的反馈，从而使得DPLL404能够逐渐地会聚到锁定状态。输入到DPLL 404的混频器611中的周期反馈函数也输入到正交解调器406。
在某些实施例中，也可以将从DPLL 402输出的复合FM信号的幅度601输入到滤波器602，以提供总信号强度信号603。总信号强度信号603包括来自目标导管104、诸如图1B中所示导管105的电阻耦合的邻近导管、以及诸如图1B中所示导管106的电感耦合的邻近导管的影响。
如图6中所示，正交解调器包括混频器614、同相滤波器616以及正交滤波器615。混频器614将输入信号401与DPLL 404所产生的正弦函数混频.因此，混频器614的输出信号就是具有实数和虚数部分的DC信号.该实数、或同相部分是从目标导管104或者从与目标导管104电阻耦合的导管所产生的信号的结果.因此，同相滤波器616分离开从混频器614输出的信号的实数部分.同相滤波器616的输出信号可以输入到滤波器604.滤波器604的输出信号表示来自目标导管104以及来自可能与目标导管104电阻耦合的导管的信号强度.滤波器604的输出信号的符号表示信号方向，如在‘136申请中所讨论的.可以在符号框605中确定该符号，以提供信号的方向信号.
可以在正交滤波器615中分离混频器614的输出信号的正交部分并在滤波器617中对其滤波。滤波器617的输出信号提供由于从与目标导管104电感或电容耦合的邻近导管所检测到的信号所产生的信号强度。
因此，将所检测的正交FM信号与输入信号401正交混频就能够将来自目标导管104以及可能与目标导管104电阻耦合的那些导管的影响与由于与目标导管104电感或电容耦合的导管的信号的影响分离开。如图4中所示，在某些实施例中可以包括正交上采样器405，以使采样频率返回到输入信号401的频率。
如图6中所述，通过DPLL 402和404的组合恢复载波频率与FM信号之间由发射器101建立的相位参考，并且这可以用来解耦泄漏信号强度与由于目标管线104和其它电阻耦合元件的信号强度。正交解调器非常适合该任务，其表示复合正弦的乘积，并且导致将输入信号分解成为其实数和虚数部分。该虚数部分对应于关于该实数部分异相90°的电感或电容耦合信号。该实数部分表示从目标导管以及载有反方向返回电流的那些导管发出的电阻耦合信号。
图6中所示的接收器610的实施例表示信号处理系统的实施例，该信号处理系统同时计算总信号强度603、目标管线的信号强度606(正交解调器406的实数部分)以及信号方向。某些实施例可以不包括确定非电阻泄漏信号强度的确定，因为接收器610的主要目的可能是提供除去失真的信号强度估计606，因此可以用作无偏差深度和电流测量的基础。从滤波器604输出的目标管线强度信号的符号是输入信号401的电阻耦合分量的信号方向，其用来确定是否从发射器发出目标信号，或者确定接地返回电流，诸如管线105上存在的电流。在这种布局中，该信号方向被滤波并因此表示真实平均，这不同于需要参考载波信号与调制信号之间的相位比较的多数常规方法。滤波器602、604和605可以具有低通特性，并且可以被设计用来衰减通过显示装置114(图1A)提供给用户的信号强度值。
总信号强度测量603就是管线定位系统通常所提供的。如通常在现有技术中所提到的，信号603中所存在的信号失真可以导致目标管线深度和位置的偏差估计。在某些实施例中，可以通过比较从滤波器604输出的目标管线信号的强度信号与从滤波器602输出的总信号强度信号来确定场失真的相对量。当总信号强度信号603与从滤波器604输出的目标管线的信号强度基本上相等时，就可以说该测量没有失真。
由于来自滤波器604的目标管线信号的强度信号表示除去了由于电感或电容耦合所产生信号泄漏的影响的目标管线104的场强度，就有可能使用优化算法来计算目标导管104的无偏差深度和目标导管104中的电流，而基本上没有会聚到局部最小值的危险，如果在计算中使用了失真的总信号强度信号603，就可能会聚到局部最小值。可以将在接收器610中所产生的上述信号输入到显示器620。显示器620可以包括处理器622和用户接口624。例如，处理器622可以根据信号方向和目标管线信号的强度信号来计算各种参数和结果。用户接口624则可以将结果显示给用户116。
例如，图7描述了用于确定目标导管104的深度的几何图。使用目标管线104上流出纸面的电流Ig，用户建立任意参考位置701，并且沿方向702垂直跨过该管线。有三点是未知的：电流Ig、中心线位置x1以及深度z。当用户跨过管线的时候，例如由显示器620中的处理器622自动收集几个到多个来自滤波器604的目标管线信号的强度信号的独立测量。在图7中，由沿着地表面的实线标记这些测量的x位置，并且显然对于信号处理领域的熟练技术人员而言，这些测量之间的x增量可以任意小，并且只受到有效指令周期的限制。
假定长的线性目标导管104，那么通过下面的等式给出无失真信号的信号强度幅度：
(等式1)
其中Ig是电缆中未知电流的幅度，其对于所有测量hn而言都是恒定的。注意，对于圆柱形场而言，hn与从测量点到电缆的半径成反比(如在xn＝x1时在等式中所示)。只有x方向上(已知x间隔)沿着地面的系列幅度测量是已知的。为了简明，虽然在某些实施例中可以扩展该分析，使得可以在一组任意x、y和z位置处进行场强度测量(其中y是电缆的方向)，但是我们可以假定坐标x垂直于电缆轴线。在某些实施例中，可以通过包括在定位器110中的位置确定系统来确定该x、y和z位置。
图8A描述了以未知距离分离的两个埋藏电缆104和106。实线表示电阻耦合的目标导管中的动电电流。虚线表示并行管线中的感应电流，并行管线可以处于不同深度的地下。图8A也示出了实施例的手持定位器110中的关键测量传感器，其能够自动产生图8B中所示x向量修正的场强度图。
图8B示出了根据泄漏解耦方法得到的场强度幅度(点线)以及同相(虚线)和正交(实线)分量输出。该场强度幅度由来自目标导管以及载有由于互感所产生的电流的并行导管的信号组成。如果该信号强度幅度用来对目标管线的深度和位置进行向量测量，就会产生估计误差。
如图8A中所示，具有根据本发明的接收器410的手持管线定位器110与显示器620耦合，显示器620可以包括处理器622和用户接口624，以显示总场强度，用户通过总场强度可以推导出目标导管104在大致坐标中的位置。然而，该总场强度信号由于存在导管106而产生失真，导管106载有由于电感泄漏而产生的与导管104方向相同的电流Ii。管线104和106以未知距离Δx分离。在图6中所示的信号处理接收器410中实施的泄漏解耦方法能够分离从导管104和106发出的信号(并且由参考线圈804测量)，因此能够改进目标导管104的位置估计。
除了通过其可以推导出检测器409中的输入信号401的参考线圈804之外，定位器接收器110可以包括3轴惯性位置跟踪系统802、电子地磁罗盘803以及导向线圈805。使用每一个都可以提供小间隔x测量的这些装置，就可以将在大致横向方向上管线的行走跨越转换为沿着以距离单元校准的管线的精确垂直跨越。地磁罗盘803通常提供用户应该跟随的指引，并且用来使行走路线修正回到直线路径。惯性位置(在跟踪802中通过3轴加速度的积分而得到)使得系统处理器能够计算沿着路径的绝对距离(在3d空间中)。在长线性导管的同心场中，当行走路线精确垂直时，导向线圈将具有零响应。于是，所测量的导向线圈的场强度可以用来将行走路径修正为垂直跨越目标导管或电缆。
显然可以有将测量位置修正为跨越目标电缆的垂直路径的其它类似方法，其中使用激光测距器、雷达或超声波位置测量装置、以及简单的测量工具，例如滚轮测量或卷尺测量。
通过这种方式，在“行走定位”期间可以修正参考线圈804的位置，以能够提供如图8B中所示的场强度。沿着横坐标x的位置表示跨过该管线的垂直距离，具有任意起点位置Xref。轨迹808是从记录的一组信号603推导出的信号强度的整体幅度。轨迹809表示从正交解调器的同相输出得到的基本上没有失真的信号，其从记录的一组信号606推导出。轨迹809是负的，因为通常正方向y表示目标管线方向，而在图8A中所提供的范例中，电流沿负y方向上流动。在x轴上的每一测量点处，将正交解调器406的滤波同相输出605的符号作为信号方向。为了比较，轨迹807是滤波的正交输出，作为横跨位置在管线上的函数。然后，轨迹807表示从耦合导管106发出的信号，其关于来自目标管线104的信号异相90°。
针对z、x1和Ig的联立解是一个非线性最小均方问题。该解的一个实施例使用优化算法，例如使用Levenberg-Marquardt算法，并且将数据同时拟合到三维(未知的x1、z和I)。根据粗略的场信息推导出所有三个量的初始条件。Levenberg-Marquardt算法使用多次迭代来使量|hn-hn’|的平方和最小化，其中hn’是信号强度沿着x轴的测量值。
如果该组信号强度结果808(表示来自两个导管的总场强度)作为等式1中的测量值hn’，将会出现偏差结果，如中心线误差810所示。更差的一种表现是，优化可能由于存在耦合导管而在1/r场中产生失真，会聚到错误的一组值。但是当目标管线场强度结果组809形成优化程序的输入时，可以得到针对x1、z和Ig的性能良好的联立解，并且其可以具有良好的会聚属性。在这种情况下，在中心管线或深度位置中没有引入偏差。
这里所描述的实施例仅仅是本发明的范例。本领域的技术人员从这里所公开的本发明的说明书和实际应用中，可以明白在该说明书的精神和范围内的本发明的其它实施例。该说明书和范例仅用作范例考虑，而没有限制性。因此本发明的范围仅仅通过所附的权利要求书来限定。
本申请要求2004年5月6日递交的美国专利申请No.10/842,239的优先权。
由操作员116操作定位器110，以定位目标导管104。目标导管104直接与发射器101耦合。在许多系统中，发射器101将电流信号耦合到导管104上。如上所述，该电流信号具有处于活动定位频率的频率，该活动定位频率可以是一组标准频率中之一。如图1A中所示，目标导管104可以在地下。发射器101可以直接在地面上的接线盒处与管线104耦合，或者通过在已知位置处挖掘而与管线104耦合。发射器101也可以电感地与管线104电子耦合。
接收器110包括检测器112和显示器114。检测器112可以是用于确定电磁场的任何检测器。例如，检测器112可以包括在存在时变磁场时提供电子信号的线圈。可以在接收器110中处理电子信号，并且可以在显示器114上将该处理的结果通信给操作员116。
检测器112然后可以检测由目标导管104中的电流信号产生的磁场118。然而，可以通过电阻耦合、电容耦合或电感耦合，将该相同频率的电流耦合到邻近管线126中。邻近管线126然后可以产生磁场120。因此，由检测器112提供给定位器110的信号会反映来自目标导管104的磁场118和来自邻近导管126的磁场120的影响。因此，目标管线104的深度或目标管线104中的电流的计算可能是不精确的。
在Volker Fraedrich和Gerhard Fischer的美国专利No.6411073(‘073专利)“Method and Device for Locating a Metal Line”中讨论了去除由于电阻耦合而来自邻近导管126的干扰，其全部内容合并在此以作参考.该‘073专利公开了一种具有由发射器101产生的FM调制方法(称作“信号选择”)的管线定位系统，该系统允许发射器101和接收器110共用共同的相位参考.接下来，‘376申请描述了在该接收器处测量该信号方向参数的稳健方法，该方法能够让操作员检测当在邻近导管上出现地面返回路径信号时的情况.在这些情况下，接收器110向该用户提供负信号方向指示，指示该测量的场强度是由于来自载有地面返回电流的导管的电阻泄漏，而不是由于目标导管104的磁场118.
通常情况是在相邻管线之间出现电阻耦合。如果出现电阻耦合，邻近管线中的感应电压信号与目标导管中出现的电流信号反向(相位相差180°)。这是因为已经传播到邻近管线的电流在寻找到达管线定位系统的发射器处的相同接地棒(ground stack)的更容易的(即，低阻抗的)返回路径。通常，以从发射器101出去的信号作为正方向，并且以进入发射器101的信号作为负方向。通过除了信号强度之外还监视信号方向，人们可以通过正负方向改变，检测可能的电阻耦合状况。
在从管线104到管线126的泄漏是电感或电容泄漏的情况下，该问题有点不同。电感和电容泄漏可以出现在较长的位置(即接收器110与发射器101分离较远)，其中目标导管104质量良好并且地面与目标导管104的电缆包皮层之间的电阻较高，或者可替换地，活动定位频率较高(降低了阻抗阈值，其中电容耦合成为问题)。在电容或电感泄漏中，邻近导管(例如导管126)上的信号经历与耦合的传输函数对应的相移。在耦合主要是电感或电容的情况下，该信号与发射器101所传输的电流信号异相90°。
有时，该泄漏信号(对来自邻近导管的电磁场的检测所产生的信号)显著强于接收器110中通过检测来自目标导管104的电磁场所产生的信号，并且完全主导着在接收器110处所检测到的测量场强度。当载有泄漏信号的邻近电缆(例如图1A中的导管126)比目标导管浅时，会出现有特殊问题的测量状况。接收器处的组合信号(例如由检测磁场118和接收器110的磁场120所产生的信号)具有与由发射器101施加于目标导管104的电流信号的频率完全相同的频率，即活动定位频率(假定该系统是线性时不变(LTI)系统，从而所观察到的相位改变只是由于该泄漏耦合本身所引起的)。在某些情况下，由更浅的邻近导管中的泄漏信号所引起的电磁场可以比目标导管104所产生的电磁场更强，在该情况下，接收器处的测量信号可能与发射器101传送给目标导管104的信号产生90°的相移。
在常规接收器中，在接收器110处不可能知道或确定发射器101的相位，因为发射器101通常包括自由运行的振荡器驱动器。然而，由定位器110测量的场强度包括来自对目标导管104的电磁场和接地回路的电磁场的检测的同相信号的影响，其由于电阻泄漏而异相180°，以及由于对电感或电容耦合的管线的电磁场的检测所导致的正交信号的影响。在具有显著耦合的复杂地面应用场景中，这些信号的净(net)幅度可以导致非同心磁场，即通常称为场失真的效果。
某些现有技术的管线定位系统通过将活动定位频率降低到足够低的值以避免泄漏，而避免由电感或电容泄漏所产生的显著的场失真。然而，对于超过数千米的长远位置，活动频率通常需要降低到大约10赫兹，以避免显著的泄漏。在美国专利No.5798644和No.6127827中描述了这种系统的范例。
其它系统通过比较从各个检测器线圈配置得出的场强度信号来检测场失真的存在.一旦检测到，可以使用一些技术来针对该失真调节目标导管的定位位置.在美国专利No.6215888中提出了一种标准的峰值和零值线圈配置，通过其可以将测量的场强度与在数据库中存储的场强度的模型比较.然后通过利用所选择的场强度的模型来推断得到最可能导致所测量的场强度的地下电缆布局，就可以得到更精确的目标管线定位.在Russel Bigelow的美国专利申请No.10/189342(‘342申请)中描述了另一种方法，该申请转让给了Metrotech公司，并且其全部内容合并在此以作参考。该‘342申请参照数值方式来比较来自三个或多个线圈的信号强度测量与未失真场可能产生的信号。用于解决场失真的其它方式使用位置测量方法来映射地面上的磁场和检测非同心场，非同心场是失真的良好指示。在Gordon Pacey的美国专利申请No.10/407705“Buried Line Locator with Integral Position Sensing”中描述了一种包括惯性位置跟踪装置的管线定位器，该申请转让给了Metrotech公司，并且其全部内容合并在此以作参考。
在这些以前的系统中，从定位器110处的电磁场检测的测量场强度参数可以是辐射的目标导管以及其它邻近耦合的导管的组合。当存在这种耦合时，所存在的失真度就是该目标导管定位的整体质量中的主要因素。在电阻耦合的情况下，美国专利No.6411073和‘376申请教导了信号方向参数可以用于区分目标导管和并行耦合的导管中存在的接地返回电流。从对该发射器所传递的信号进行信号选择调制得出接收器的信号的方向，于是就可以在该接收器得到共同的相位参考。
在美国专利No.5194812(‘812专利)中所描述的方法通过将该定位信号从发射器无线(或地面上的有线方式)传输到接收器来实现噪声降低。只要该无线链路是稳健并且其本身不经过未知相位滞后，就可以在接收器得到相位参考。使用其后面有低通滤波器的模拟混频器，就可以在该接收器处实现同步信号检测，导致噪声降低。该‘812专利没有讨论解耦由于与其它邻近管线的电感或电容耦合所产生的失真。而且，该信号相位参考传输的方法易于发生信号阻塞(blockage)并且具有有限的范围，其能力限制用于长范围的管线定位。发射器与接收器之间通过类似于GPS的共享时基的时间同步(此后称为相位参考同步)也受到传输路径问题的限制。
根据本发明，所提供的定位器110包括接收器，所述接收器将对接收器110处的电磁场的检测所产生的信号划分成同相信号和正交信号。于是，由施加于目标导管的电流信号以及电阻耦合的泄漏所产生的信号就与由电感或电容泄漏所产生的信号区分开。本发明的实施例将与信号选择(如‘376申请中所述的)解调相关联的接收器处理进行扩展，以能够清楚地分离(来自该目标导管和接地返回路径信号的)电阻耦合信号与电感或电容耦合所产生的不想要(产生失真)的信号。
最常见的耦合形式是电阻，对于电阻耦合，在位置的整个长度上平行于目标管线布置的导管中的接地返回电流是最典型的.这是城市情况中的共同问题.通过其它电缆(或大地)返回的流经电缆的电流产生磁场，通过接收器110的线圈天线使用相反极性来感测该磁场.在长电缆上，例如在大约50英里或更长的电缆上，非目标导管不大可能在整个路线上都平行地布置，因此其设施由于便利的(即低阻抗的)接地返回路径而受到限制.更可能的是，在接近起点和终点处，有些电缆的走向有一段是相同的，但是在敷设路线的大部分上，其它电缆应该只是有限共同定位长度的局部相邻.这就表明，耦合主要都是电感的.作为第三种可能性的电容耦合可以在干燥并且低接地传导率的区域中起到作用.如果电缆敷设路线的大部分上的耦合是电感的，那么就会有大约90°的相位差，因为电感耦合是通过互感应的弱耦合(loose coupling)。对于电容耦合，耦合电路中的相位将会是-90°。
在许多常规电缆定位器的接收器中，所提取的信号相位并没有用作耦合类型的度量，因为还没有得到关于发射器相位的固定相位参考。‘376申请提到了嵌套(双)数字锁相环(DPLL)的研制，从而可以在接收器处精确地恢复信号选择相位参考。这里所描述的本发明的某些实施例利用类似的方式来恢复发射器101所应用的稳定FM调制频率的稳定版本，使得使用该FM调制频率信号作为正交解调器的混频器输入。该正交解调的同相信号包括所有电阻耦合的(0°和180°)信号，并且该解调的正交信号表示实际电感和电容耦合(+/-90°)。另外，将该同相信号的符号作为信号方向，表示电阻耦合信号的实际方向，如在‘376申请中所述的。
在本发明的某些实施例中，可以通过平均和/或低通滤波进一步增强在定位器110对该信号选择调制定位信号的处理，从而能够稳定地估计目标管线场强度(基本上清除了由于电感或电容耦合管线的所有影响)、总场强度(包括由于所有耦合管线所产生的场)、以及信号方向。在一些这种实施例中，并非必须直接比较不同频率的两个信号之间的相位来估计该信号方向。这是一个重要的结果，因为数字系统中的相位比较的精度部分地受到信号处理中过采样的程度的驱动。通过平均的参数估计比采样值的比较更加稳健，并且该系统可以稳定地工作于接近尼奎斯特速率的采样速率(不是过采样)。
在某些实施例中，可以在显示器114上，通过作为该目标管线上的侧向位置x的函数图，将该场强度值提供给用户116，其中x是垂直于电缆的坐标。总场强度与目标管道场强度之间具有较大差异的区域表示一个耦合管线或多个管线的影响。当通过卷尺测量、激光测距、惯性感测、GPS导航、或其它测量方法可靠地得到坐标x时，可以将有效清除了耦合管线影响的目标管线场强度用来精确地对地下导管的坐标(x位置和深度)做三角测量或向量测量。
本发明的某些实施例便于使用非线性优化方法，以根据目标管线场强度来同时估计深度、位置和目标管线104中流动的电流。在存在由于电感或电容耦合所产生的磁场失真时这些估计更加可靠，因为目标管线场强度更接近地符合环绕目标导管104的同心场的物理模型。
当进一步确认耦合管线的存在而因此失真的存在时，在某些实施例中，可以通过发射器101在目标导管104上放置两个或多个活动信号选择调制频率(一个更低，一个更高)。对于管线耦合，阻抗随着频率的增加而降低，于是在更高频率处总场强度与目标场强度之间的差异会更大。这里所描述的本发明的某些实施例利用高效发射器算法，以在目标导管上产生多个同时信号选择调制的频率。为了支持两个或多个频率处场失真度的比较，扩展接收器的信号处理，以实施多个并行的信号选择调制算法。
图1B描述了一种管线定位场景，其包括从发射器101到接线盒的前向电流、从该接线盒回到该发射器接地棒的反向接地返回电流、以及邻近管线106上的感应电流。图1B中所述的导管布局示出了目标导管104和邻近导管106。图1B也描述了与目标导管104电耦合的直接连接发射器101。
使用直接连接发射器101的管线定位利用与目标导管104(也称为目标管线)的电流(galvanic)连接，诸如图1B中所述.通常在管线的终端存在通过接线或连接盒102对目标导管104的接入，从而该目标导管104的远端(即与发射器101相对的末端)可以与大地107连接.在通信电缆的情况下，例如可以通过将该远端的铜线或光纤电缆周围的金属外皮接地，实现有效的管线跟踪，从而通过路径104和107的组合产生如图所示的闭环AC电路.
发射器101在目标管线101中产生电流信号。根据本发明的实施例，该电流信号包括一个或多个在载波信号上调制的信号。在某些实施例中，发射器101产生的电流信号可以包括多于一个载波频率处的信号，从而可以更清楚地区分与耦合的相邻导管相关联的可能与频率有关的影响。
在典型的定位场景中，地下可能存在与目标管线104相邻的其它管线。根据该物理布局，这些管线也可以形成AC电路的一部分，该AC电路载有来自发射器101的直接或耦合的电流。如图1B中所示，通过接线盒102处的共用接地连接，管线105可以与目标导管104电耦合。如这里所述，导管105与目标导管104电阻耦合，即通过目标导管104的电流使用管线103作为到发射器101的更低阻抗的接地返回路径。
导管106中流经的另一电流也是发射器101所产生信号的结果。该电流通过从目标管线104到导管106的电感或电容耦合，被耦合到导管106中。实际上，通过弱耦合的接地108，建立了分离的电流环路，使得耦合的导管105中该信号的感测仍然是正的，即与目标导管方向相同。
测量区域103中信号强度的管线定位器因此看到由于从导管104、105和106发出的磁场所导致的信号的组合。这些信号之和是一个失真场，因为其不再同心环绕该目标导管104的轴，如果只有目标管线104载有定位频率的电流信号则其是同心的。某些定位器已经能够将反方向信号105与目标导管104上的正向信号区分。本发明的实施例也可以明确地识别导管106上存在的耦合信号。
图2示出了图1B中所示电路的简化等效电路。特别地，图2描述了互感应如何在耦合管线106中产生AC电流。如图2中所示，该接地路径也是弱耦合的。图2是该情况的简化示意，其仅示出了载有电流Ii的该耦合导管106和载有电流Ig的目标导管104(用于电流(galvanic)的、或直接耦合的电流)。发射器101在该示意图中表示为信号发生器。
图3A是将该问题进一步简化的等效电子示意图，环路104和105通过互感301耦合在一起。已知的是，在电感耦合的情况下，感应电流II比主环路中的电流Ig滞后90°，如图3B中所图示。
注意，如果导管104和106之间的耦合是电感而不是电容的，情况非常相似。然而在这种情况下，邻近导管106中的电流会比主环路目标导管104中的电流超前90°。
根据本发明的实施例，通过发射器101应用于目标导管104(附图1)的电流信号包括载波频率，载波频率是上述活动管线定位频率。此外，可以将FM调制频率叠加到该电流信号上。在某些实施例中，该FM调制频率是该载波频率的整数倍。
图4描述了根据本发明实施例的接收器410的方框图。如上面所讨论，接收器410被包括在定位器110中。接收器410包括检测器409，检测器409检测电磁场的强度并提供一个或多个输入信号401。在某些实施例中，检测器409可以包括磁场检测器以及滤波器和数字化器。在某些实施例中，定位器410可以包括具有检测器409的多个单独的接收器410，其中检测器409用于检测在特定方向上分布的电磁场的磁场。接收器410首先锁定到数字锁相环DPLL 402中的载波频率上，即活动定位频率，然后锁定到DPLL 404中的FM调制频率上，以提供基本上不受邻近导管的电感或电容泄漏影响的信号(目标管线强度).
然后在接收器410中，处理过程首先从该载波信号中解调信号选择FM信号，然后通过所检测的参考相位来解调原始输入信号。然后首先在载波DPLL 402中接收到输入信号401。将来自DPLL 402的输出信号耦合到FM解调DPLL 404中。因此DPLL 402和404首先锁定到载波频率，并接着锁定到FM调制频率，FM调制频率是DPLL 402的操作所产生的误差项。在某些实施例中，可以在DPLL 402与DPLL 404之间提供下采样器(downsampler)403，以提高处理效率，因为FM调制频率可能是载波频率的分数倍。在‘376申请中进一步讨论了载波DPLL 402、下采样器403以及FM解调DPLL 404的某些实施例。
将来自DPLL 404的输出信号耦合到正交解调器406中，在正交解调器406中该输出信号用于解调输入信号401。从正交解调器406得到的输出信号包括：同相信号408，其是目标管线的信号强度；以及正交信号407，其是电容或电容泄漏管线的信号强度。在某些实施例中，也可以包括正交上采样器405，使得可以调节同相信号408和正交信号407的采样速率。可以进一步处理接收器410中所产生的信号，用于显示给用户116和显示器114。
图5描述了根据本发明实施例的载波DPLL 402的实施例。载波DPLL 402包括混频器501，混频器501将信号输入401与数控振荡器(NCO)503所产生的周期函数混频。接收来自混频器501的复合输出信号的反正切函数502产生相位误差信号504。简单地用输入信号的实数项除以虚数项也可以形成该相位误差的简单估计，因为反正切函数502在零点附近近似是线性的。将来自反正切函数502的相位误差信号504输入到NCO 503，NCO 503调节输出到混频器501的周期函数的相位和频率，并且也可以输出针对相位和频率的值。在某些实施例中，NCO 503可以使用二阶环路等式来控制到混频器501的反馈，从而使得DPLL 402能够逐渐地会聚到锁定状态。在锁定状态时，信号505表示信号输入401与频率Fc处的平均载波之间的差，并且作为FM信号的表示，转发到FM DPLL 404。
图6描述了根据本发明的接收器410的另一实施例。如图所示，输入信号401输入到正交解调器406和载波DPLL 402。如已经参照图5所描述的，载波DPLL 402包括混频器501、反正切函数502和NCO 503。将来自载波DPLL 402的FM信号输入到FM DPLL 404。再次在如图5中所示的DPLL 402中，FM DPLL 404包括混频器611、反正切函数612以及数控振荡器613。如图6中所示，混频器611接收来自DPLL 402的FM信号，并且混频从数控振荡器613输出的FM调制信号。数控振荡器(NCO)613根据反正切函数612所产生的FM相位误差信号，来调节混频器611中所混频的周期函数的频率和相位。在某些实施例中，NCO613可以使用二阶环路等式来控制到混频器611的反馈，从而使得DPLL404能够逐渐地会聚到锁定状态。输入到DPLL 404的混频器611中的周期反馈函数也输入到正交解调器406。
在某些实施例中，也可以将从DPLL 402输出的复合FM信号的幅度601输入到滤波器602，以提供总信号强度信号603。总信号强度信号603包括来自目标导管104、诸如图1B中所示导管105的电阻耦合的邻近导管、以及诸如图1B中所示导管106的电感耦合的邻近导管的影响。
如图6中所示，正交解调器包括混频器614、同相滤波器616以及正交滤波器615。混频器614将输入信号401与DPLL 404所产生的正弦函数混频.因此，混频器614的输出信号就是具有实数和虚数部分的DC信号.该实数、或同相部分是从目标导管104或者从与目标导管104电阻耦合的导管所产生的信号的结果.因此，同相滤波器616分离开从混频器614输出的信号的实数部分.同相滤波器616的输出信号可以输入到滤波器604.滤波器604的输出信号表示来自目标导管104以及来自可能与目标导管104电阻耦合的导管的信号强度.滤波器604的输出信号的符号表示信号方向，如在‘136申请中所讨论的.可以在符号框605中确定该符号，以提供信号的方向信号.
可以在正交滤波器615中分离混频器614的输出信号的正交部分并在滤波器617中对其滤波。滤波器617的输出信号提供由于从与目标导管104电感或电容耦合的邻近导管所检测到的信号所产生的信号强度。
因此，将所检测的正交FM信号与输入信号401正交混频就能够将来自目标导管104以及可能与目标导管104电阻耦合的那些导管的影响与由于与目标导管104电感或电容耦合的导管的信号的影响分离开。如图4中所示，在某些实施例中可以包括正交上采样器405，以使采样频率返回到输入信号401的频率。
如图6中所述，通过DPLL 402和404的组合恢复载波频率与FM信号之间由发射器101建立的相位参考，并且这可以用来解耦泄漏信号强度与由于目标管线104和其它电阻耦合元件的信号强度。正交解调器非常适合该任务，其表示复合正弦的乘积，并且导致将输入信号分解成为其实数和虚数部分。该虚数部分对应于关于该实数部分异相90°的电感或电容耦合信号。该实数部分表示从目标导管以及载有反方向返回电流的那些导管发出的电阻耦合信号。
图6中所示的接收器610的实施例表示信号处理系统的实施例，该信号处理系统同时计算总信号强度603、目标管线的信号强度606(正交解调器406的实数部分)以及信号方向。某些实施例可以不包括确定非电阻泄漏信号强度的确定，因为接收器610的主要目的可能是提供除去失真的信号强度估计606，因此可以用作无偏差深度和电流测量的基础。从滤波器604输出的目标管线强度信号的符号是输入信号401的电阻耦合分量的信号方向，其用来确定是否从发射器发出目标信号，或者确定接地返回电流，诸如管线105上存在的电流。在这种布局中，该信号方向被滤波并因此表示真实平均，这不同于需要参考载波信号与调制信号之间的相位比较的多数常规方法。滤波器602、604和605可以具有低通特性，并且可以被设计用来衰减通过显示装置114(图1A)提供给用户的信号强度值。
总信号强度测量603就是管线定位系统通常所提供的。如通常在现有技术中所提到的，信号603中所存在的信号失真可以导致目标管线深度和位置的偏差估计。在某些实施例中，可以通过比较从滤波器604输出的目标管线信号的强度信号与从滤波器602输出的总信号强度信号来确定场失真的相对量。当总信号强度信号603与从滤波器604输出的目标管线的信号强度基本上相等时，就可以说该测量没有失真。
由于来自滤波器604的目标管线信号的强度信号表示除去了由于电感或电容耦合所产生信号泄漏的影响的目标管线104的场强度，就有可能使用优化算法来计算目标导管104的无偏差深度和目标导管104中的电流，而基本上没有会聚到局部最小值的危险，如果在计算中使用了失真的总信号强度信号603，就可能会聚到局部最小值。可以将在接收器610中所产生的上述信号输入到显示器620。显示器620可以包括处理器622和用户接口624。例如，处理器622可以根据信号方向和目标管线信号的强度信号来计算各种参数和结果。用户接口624则可以将结果显示给用户116。
例如，图7描述了用于确定目标导管104的深度的几何图。使用目标管线104上流出纸面的电流Ig，用户建立任意参考位置701，并且沿方向702垂直跨过该管线。有三点是未知的：电流Ig、中心线位置x1以及深度z。当用户跨过管线的时候，例如由显示器620中的处理器622自动收集几个到多个来自滤波器604的目标管线信号的强度信号的独立测量。在图7中，由沿着地表面的实线标记这些测量的x位置，并且显然对于信号处理领域的熟练技术人员而言，这些测量之间的x增量可以任意小，并且只受到有效指令周期的限制。
假定长的线性目标导管104，那么通过下面的等式给出无失真信号的信号强度幅度：
(等式1)
其中Ig是电缆中未知电流的幅度，其对于所有测量hn而言都是恒定的。注意，对于圆柱形场而言，hn与从测量点到电缆的半径成反比(如在xn＝x1时在等式中所示)。只有x方向上(已知x间隔)沿着地面的系列幅度测量是已知的。为了简明，虽然在某些实施例中可以扩展该分析，使得可以在一组任意x、y和z位置处进行场强度测量(其中y是电缆的方向)，但是我们可以假定坐标x垂直于电缆轴线。在某些实施例中，可以通过包括在定位器110中的位置确定系统来确定该x、y和z位置。
图8A描述了以未知距离分离的两个埋藏电缆104和106。实线表示电阻耦合的目标导管中的动电电流。虚线表示并行管线中的感应电流，并行管线可以处于不同深度的地下。图8A也示出了实施例的手持定位器110中的关键测量传感器，其能够自动产生图8B中所示x向量修正的场强度图。
图8B示出了根据泄漏解耦方法得到的场强度幅度(点线)以及同相(虚线)和正交(实线)分量输出。该场强度幅度由来自目标导管以及载有由于互感所产生的电流的并行导管的信号组成。如果该信号强度幅度用来对目标管线的深度和位置进行向量测量，就会产生估计误差。
如图8A中所示，具有根据本发明的接收器410的手持管线定位器110与显示器620耦合，显示器620可以包括处理器622和用户接口624，以显示总场强度，用户通过总场强度可以推导出目标导管104在大致坐标中的位置。然而，该总场强度信号由于存在导管106而产生失真，导管106载有由于电感泄漏而产生的与导管104方向相同的电流Ii。管线104和106以未知距离Δx分离。在图6中所示的信号处理接收器410中实施的泄漏解耦方法能够分离从导管104和106发出的信号(并且由参考线圈804测量)，因此能够改进目标导管104的位置估计。
除了通过其可以推导出检测器409中的输入信号401的参考线圈804之外，定位器接收器110可以包括3轴惯性位置跟踪系统802、电子地磁罗盘803以及导向线圈805。使用每一个都可以提供小间隔x测量的这些装置，就可以将在大致横向方向上管线的行走跨越转换为沿着以距离单元校准的管线的精确垂直跨越。地磁罗盘803通常提供用户应该跟随的指引，并且用来使行走路线修正回到直线路径。惯性位置(在跟踪802中通过3轴加速度的积分而得到)使得系统处理器能够计算沿着路径的绝对距离(在3d空间中)。在长线性导管的同心场中，当行走路线精确垂直时，导向线圈将具有零响应。于是，所测量的导向线圈的场强度可以用来将行走路径修正为垂直跨越目标导管或电缆。
显然可以有将测量位置修正为跨越目标电缆的垂直路径的其它类似方法，其中使用激光测距器、雷达或超声波位置测量装置、以及简单的测量工具，例如滚轮测量或卷尺测量。
通过这种方式，在“行走定位”期间可以修正参考线圈804的位置，以能够提供如图8B中所示的场强度。沿着横坐标x的位置表示跨过该管线的垂直距离，具有任意起点位置Xref。轨迹808是从记录的一组信号603推导出的信号强度的整体幅度。轨迹809表示从正交解调器的同相输出得到的基本上没有失真的信号，其从记录的一组信号606推导出。轨迹809是负的，因为通常正方向y表示目标管线方向，而在图8A中所提供的范例中，电流沿负y方向上流动。在x轴上的每一测量点处，将正交解调器406的滤波同相输出605的符号作为信号方向。为了比较，轨迹807是滤波的正交输出，作为横跨位置在管线上的函数。然后，轨迹807表示从耦合导管106发出的信号，其关于来自目标管线104的信号异相90°。
针对z、x1和Ig的联立解是一个非线性最小均方问题。该解的一个实施例使用优化算法，例如使用Levenberg-Marquardt算法，并且将数据同时拟合到三维(未知的x1、z和I)。根据粗略的场信息推导出所有三个量的初始条件。Levenberg-Marquardt算法使用多次迭代来使量|hn-hn’|的平方和最小化，其中hn’是信号强度沿着x轴的测量值。
如果该组信号强度结果808(表示来自两个导管的总场强度)作为等式1中的测量值hn’，将会出现偏差结果，如中心线误差810所示。更差的一种表现是，优化可能由于存在耦合导管而在1/r场中产生失真，会聚到错误的一组值。但是当目标管线场强度结果组809形成优化程序的输入时，可以得到针对x1、z和Ig的性能良好的联立解，并且其可以具有良好的会聚属性。在这种情况下，在中心管线或深度位置中没有引入偏差。
这里所描述的实施例仅仅是本发明的范例。本领域的技术人员从这里所公开的本发明的说明书和实际应用中，可以明白在该说明书的精神和范围内的本发明的其它实施例。该说明书和范例仅用作范例考虑，而没有限制性。因此本发明的范围仅仅通过所附的权利要求书来限定。
本申请要求2004年5月6日递交的美国专利申请No.10/842,239的优先权。