专利名称：通过感应测量确定导电土壤中地下物体位置的装置和方法
技术领域：
本发明涉及用于确定地下物体位置的可移动频域感应装置和方法。
背景在挖掘时很重要的一件事是要有一张精确的地下图纸，以免破坏现有的诸如水、煤气、电线等公用设施。例如，要在某个区域安装新的管道，在挖掘新管道用的地沟时，必需了解在所述区域中现有的各种管道的位置以免破坏它们。建设工地缺乏精确的地下图纸每年造成数千的管道破裂和数十亿美元的修理费用。
大多数目前使用的管道定位设备要求操作人员将发射器直接连接到管道上。使用这种设备时，连接好的发射器在管道暴露的地方将单频率电流注入到管道中。例如，对于水管，电流可以在消防栓处注入。然后用可记录一个或数个磁场成分的单个手持接收器测量在地面上得到的磁�。绻挥幸惶踔钡墓艿溃殖纸邮掌骺梢跃返夭舛ㄋ龉艿赖姆较蚝蜕疃�。但管道必需是暴露的、使得可以连接发射器。不暴露的管道不能用这种设备来定位。
不需要操作人员直接将发射器连接到管道上的管道定位设备具有许多优点。例如，这种设备可以定位不暴露的管道而且不需要任何直接的物理连接。这种管道定位设备一般依赖于感应或波传播。波传播使用在穿透地面的雷达中。但这种波传播方法要求土壤的导电率比较低。当土壤的导电率高时，雷达波快速衰减，不能到达埋有管道的地下区域。相反，当土壤的导电率高时，感应方法却能很好地工作。
为了理解为什么在雷达方法不能奏效的情况下感应方法却能很好地工作，设想一个平面波在均质土壤中传播，其导磁率为μ0＝1.256×10-6H/m，相对介电常数为εr，导电率为σ。假定所述平面波是角频率为ω＝2πf的时间谐波。如果传播方向是x轴，则所述平面波表现为exp(ikx)，式中传播常数k以(ω2μ0ε0εr+iωμ0σ)1/2表示，其中ε0＝8.85×10-12F/m。平面波的衰减以exp(-Im(k)x)表示，其中Im(k)表示k的虚部。对于典型的土壤，εr从2到30，σ从10-6S/m到1S/m。为了说明雷达和感应方法的差别，假定土壤是湿粘土，其εr＝10，σ＝0.2S/m。雷达系统和感应系统的典型中心频率分别为400MHz和20kHz。利用这些数值，可知平面波的衰减对于雷达信号是exp(-(11.0/m)x)，对于感应信号则是exp(-(0.13/m)x)。这样，每传播一米，雷达信号衰减95dB，而感应信号衰减17dB，因此只有感应方法可以用来在这种土壤中确定埋在地面数厘米以下的管道的位置。
已有多种感应系统市售。每种都采用环形天线，它们的大小从手持装置(例如简单的金属探测器)到诸如用于探矿的大型系统，大型系统的环形天线尺寸可达数百米数量级。这些感应系统主要设计用于探测导电矿物，聚集体，蓄水层，底岩，以及掩埋的废料。
一种这样的市售系统是EM31，由Geonics Limited出售，它提供多种用于地球物理勘探的感应工具。(在美国专利4070612和美国专利4199720中描述了所述Geonics产品。)EM31是一种手持装置，它由发射器回路和接收器回路组成，二者相互分开固定的距离。回路都小到可以用磁偶极子来近似，且可以在垂直和水平偶极子模式下使用此工具。但由于EM31只有单一的接收器，用这种工具在大勘探区域内收集取样密集的数据就非常麻烦。而且，用此工具，只能有一种发射器-接收器间距(3.7米)。
Geonics还生产EM34-4系统，它包括发射器和接收器线圈，能在三种由操作员选择的间距下工作。这种可变的间距可使所述装置用于不同的勘探深度。但是，要用此装置创建不止一个发射器-接收器间距的数据集，就必需用不同的线圈间距重复勘探。而且，每次扫描，只收集沿一条线路的数据，这就意味着要覆盖一个大的区域，就必需携带所述装置来来回回反复多次。所以，对于大的勘探区域，要收集密集取样的数据，EM34-4不是一种有效的工具。
发明概述本发明提供一种频域感应系统，它包括可移动阵列，所述可移动阵列包含两个或两个以上空间分隔的接收器阵列元件以及一个或一个以上空间分隔的发射器阵列元件；发射电路，用于经发射器阵列元件发射时间谐波电磁场的；以及接收电路，用于经接收器阵列元件检测由时间谐波电磁场所感应的磁场。
在本发明的一个实施例中，可移动阵列安装在活动车上。在另一实施例中，可移动阵列包含等量的接收器阵列元件和发射器阵列元件。在又一实施例中，每一个所述接收器阵列元件与所述发射器阵列元件之一结合成整体。在又一实施例中，每个所述接收器阵列元件与每个所述发射器阵列元件在空间上分隔开。
在本发明的一个实施例中，接收器阵列元件是共线的，而在另一实施例中，发射器阵列元件是共线的。在又一实施例中，发射器阵列元件和接收器阵列元件都是共线的。
在本发明的一个实施例中，发射电路同时发射具有不同频率的时间谐波电磁场。在另一实施例中，发射电路顺序地发射具有相同频率的时间谐波电磁场。在又一实施例中，发射电路发射至少两个不同频率的时间谐波电磁�。邮盏缏肪擅扛鼋邮掌髡罅性觳饷扛銎德�。
在本发明的一个实施例中，空间分隔的接收器阵列元件为等距间隔。在另一实施例中，空间分隔的发射器阵列元件为等距间隔。
本发明还提供一种探测地下物体的方法，所述包括以下步骤提供可移动的阵列，所述可移动阵列包含两个或两个以上空间分隔的接收器阵列元件以及一个或一个以上空间分隔的发射器阵列元件；经发射器阵列元件发射时间谐波电磁�。痪邮掌髡罅性觳庥伤鍪奔湫巢ǖ绱懦「杏Φ拇懦。灰约胺治龃懦∫员闾讲獾叵挛锾宓拇嬖�。本发明的一个实施例包括另外一个步骤，即，沿地下物体上方的路径移动可移动阵列。在又一实施例中，所述路径是直线路径。
在本发明的一个实施例中，发射步骤还包括同时发射不同频率的时间谐波电磁场。在另一实施例中，发射步骤还包括顺序地发射相同频率的时间谐波电磁场。在又一实施例中，分析步骤探测地下导电物体的存在，在又一实施例中，分析步骤探测地下非导电物体的存在。
本发明还提供一种用于确定地下物体位置的频域感应系统，它包括活动车；安装在活动车上并包括两个或两个以上空间分隔的发射器-接收器对的阵列；适用于通过发射器发射时间谐波电磁场的发射电路；适用于接收由时间谐波电磁场所感应的磁场的接收电路；以及能够分析磁场以便探测地下物体存在的分析软件。
附图简要说明
图1是用于本发明的感应阵列的一个实施例的侧视图。
图2是用于本发明的感应阵列的一个实施例的顶视图。
图3是具有六个等距间隔的阵列元件的本发明一个实施例的顶视图。
图4是本发明一个实施例的流程图，说明接收器j根据发射器i的发射信号获取数据的步骤。
详细说明本发明克服了上述缺点，方法是提供一种发射器和接收器阵列，借助于所述阵列可以自动地获得变化的发射器和接收器间距。而且，按照本发明，在单次扫描中收集的勘探线数等于发射器数乘以接收器数，对于大的勘探面积，这就允许快速地收集密集取样的多偏置数据集。
由感应装置获得的勘探深度取决于发射器和接收器的取向以及它们的空间间隔。例如，当发射器和接收器是平行于地面且间隔距离为d的小环形天线时，感应工具对于埋在大约0.4d深度的管道最为敏感。因此，能改变发射器和接收器之间的距离、使得可以确定不同深度的管道的位置是很有利。本发明通过提供同时工作的发射器和接收器，能够在单次扫描中产生基于多发射器-接收器间距的数据集。如果本发明使用不止一个发射器，则那些发射器可以以不同频率同时工作或以相同频率顺序地工作。
本发明提供用于探测管道和电缆的频域感应工具，所述工具最好安装在活动车上。所述公开的装置包括发射器和接收器以及使发射器和接收器工作所需的电子设备。所述装置中的发射器产生时间谐波电磁�。龃懦≡诘叵赂杏Τ鑫辛�。涡流发射磁�。龃懦∮山邮掌鞑饬�。涡流在高导电率区域最易感应，所以趋向于集中在导电管道沿线，在非导电管道上就没有涡流。因此，导电和非导电管道干扰了地面上的磁�。谑蔷涂梢杂帽痉⒚骼刺讲�。就是说，本发明可以用来探测其导电率与周围土壤的导电率明显不同的任何物体。特别是，本发明能够探测非导电和导电管道。
可以把接收器的输出分成两个分量同相分量和正交相位分量。同相分量具有和发射的场相同的相位，正交相位分量和发射的场之间有90°相位差。直流场仅对同相分量起作用，所以如果发射器和接收器在自由空间工作，则只有同相分量为非零分量。正交相位分量起因于直流场与土壤以及埋在土壤中的任何物体的相互作用。所以从正交相位分量可以更容易地获得有关掩埋物体的信息。(同相分量也包包含关掩埋物体的信息，但所述信息通常由于直流信号的强作用而�：磺濉�)本发明的感应系统最好安装在活动车上。当车沿地面移动时，由涡流发射的磁场的二维图就被记录下来。所述图揭示了埋在地下的管道位置。
图1和2示出本发明的一个实施例，阵列100包含六个阵列元件(110，120，130，140，150，160)，每个阵列元件包含发射器和接收器。图1中与地面102和空气104有关地示出阵列100。所述具体实施例的运动方向示于图2。每个发射器用单独的频率驱动，而每个接收器记录所有发射器频率条件下的磁场。本发明允许同时进行多偏置感应测量并可调查阵列幅宽所覆盖的整个区域。
图3示出本发明的一个实施例，其中阵列200包括六个相等间隔的阵列元件(210，220，230，240，250，260)，每个阵列元件包含单一的发射器和单一的接收器。在阵列元件210，220，230，240，250和260中的发射器分别以频率f1，f2，f3，f4，f5，和f6工作。相邻阵列元件之间的距离为Δ，而接收器同时在所有频率下记录。阵列元件210中接收器的输出包括六个频率为f1，f2，f3，f4，f5和f6的时间谐波信号，对应于频率fn的水平发射器-接收器偏置为(n-1)Δ，其中n＝1，2，3，4，5和6。一般来说，如果接收器从1到6顺序地编号，接收器1在阵列元件210中，接收器6在阵列元件260中，则对于接收器m，对应于频率fn的水平发射器-接收器偏置为|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，每个不同的发射器-接收器间隔对应于不同的勘探深度。(当m＝n时，发射器和接收器处于相同的水平位置，即一个在另一个之上。)对于图2所示的配置，同时收集36个通道的数据。
图2所示的实施例可以用许多方式概括，对于本专业的技术人员是显而易见的。例如，阵列可以包括任何数量(大于1)的阵列元件。而且，在每个阵列元件中可以使用三分量发射器和接收器，以便产生与各种取向相关的数据。此外，每个阵列元件不一定都包含发射器和接收器。而是可将发射器和接收器设置在不同的阵列元件中。但每个发射器仍应在不同的频率下工作，以便在所有接收器上同时获得所有发射的信号。而且，阵列元件不一定要共线，而可以代之以例如这样安排阵列元件、使得接收器共线且发射器也共线，但不是整个阵列共线。此外，发射器的数量不一定等于接收器的数量，且阵列元件之间的间隔不一定相等。
通常，考虑到空间，接收器安排为三个一组、使得一个位置上的所有正交磁场都可被记录。而且，考虑到空间，发射器通常安排为三个一组、使得从同一位置可以发射所有三个成分。但本发明不限于这种配置。
数据获取系统按时间序列记录发射的信号和接收的信号。发射和接收信号之间的相位差提供了所需的相位信息。系统的最后输出一般是频域量。接收器通常与前置放大器组装在一起，对500Hz到50kHz范围内的信号较为敏感。可以根据需要使用信号修整，以提供增大、衰减、滤波、电压范围转换、以及本专业技术人员所熟知的其它类型的修整。可以通过例如物理开关或从数据获取系统或通用计算机引出的数字线来实现控制。所述通用计算机也可用来提供数据存储、数据处理、以及数据显示。图3示出本发明一个特定实施例的流程图，其中数据是由接收器j根据发射器i的发射信号获取的。
所以，本发明完全适合进行上述目的并获得所述优势，以及其固有的其它优势。所有当前的优选实施例都是为了公开而提出的。如果在上述说明中提到的元件具有已知的等效物，则这些等效物应包括在内，就好像单独提出它们一样。虽然用实例和参阅特定实施例对本发明作了说明，但本发明并不应限于那些特定的实例和实施例。显然，本专业的技术人员很容易看出可以作许多结构细节的修改和/或改进，这些修改和改进均包括在本发明的精神和所附权利要求书的范围之内。
权利要求
1.一种频域感应系统，它包括可移动阵列，它包括两个或两个以上空间分隔的接收器阵列元件和一个或一个以上空间分隔的发射器阵列元件；经所述一个或一个以上发射器阵列元件发射时间谐波电磁场的发射电路；以及经所述两个或两个以上接收器阵列元件检测由所述时间谐波电磁场感生的磁场的接收电路。
2.如权利要求1所述的频域感应系统，其特征在于所述可移动阵列还包括活动车。
3.如权利要求1所述的频域感应系统，其特征在于所述可移动阵列包括等量的接收器阵列元件和发射器阵列元件。
4.如权利要求1所述的频域感应系统，其特征在于每个所述接收器阵列元件与所述发射器阵列元件之一结合成整体。
5.如权利要求1所述的频域感应系统，其特征在于各所述两个或两个以上接收器阵列元件中的每一个与所述一个或一个以上发射器阵列元件中的每一个在空间上是分离的。
6.如权利要求1所述的频域感应系统，其特征在于所述两个或两个以上接收器阵列元件是共线的。
7.如权利要求1所述的频域感应系统，其特征在于所述一个或一个以上发射器阵列元件是共线的。
8.如权利要求1所述的频域感应系统，其特征在于所述一个或一个以上发射器阵列元件和所述两个或两个以上接收器阵列元件是共线的。
9.如权利要求1所述的频域感应系统，其特征在于所述发射电路同时发射具有不同频率的时间谐波电磁场。
10.如权利要求1所述的频域感应系统，其特征在于所述发射电路顺序地发射具有相同频率的时间谐波电磁场。
11.如权利要求1所述的频域感应系统，其特征在于所述发射电路发射至少两个不同频率的时间谐波电磁�。鼋邮盏缏肪擅扛鏊鼋邮掌髡罅性觳饷扛鏊銎德�。
12.如权利要求1所述的频域感应系统，其特征在于所述空间分隔的接收器阵列元件是均匀隔开的。
13.如权利要求1所述的频域感应系统，其特征在于所述空间分隔的发射器阵列元件是均匀隔开的。
14.一种探测地下物体的方法，所述方法包括(a)提供可移动阵列，所述可移动阵列包括两个或两个以上空间分隔的接收器阵列元件和一个或一个以上空间分隔的发射器阵列元件；(b)经所述一个或一个以上发射器阵列元件发射时间谐波电磁�。�(c)经所述两个或两个以上接收器阵列元件检测由所述时间谐波电磁场感生的磁�。灰约�(d)分析所述磁场以探测地下物体的存在。
15.如权利要求14所述的探测地下物体的方法，其特征在于还包括沿所述地下物体上面的路径移动所述活动车。
16.如权利要求14所述的探测地下物体的方法，其特征在于所述路径是直线路径。
17.如权利要求14所述的探测地下物体的方法，其特征在于所述发射步骤还包括同时发射不同频率的时间谐波电磁场。
18.如权利要求14所述的探测地下物体的方法，其特征在于所述发射步骤还包括顺序地发射相同频率的时间谐波电磁场。
19.如权利要求14所述的探测地下物体的方法，其特征在于所述分析步骤探测地下导电物体的存在。
20.如权利要求14所述的探测地下物体的方法，其特征在于所述分析步骤探测地下非导电物体的存在。
21.一种用于确定地下物体位置的频域感应系统，它包括活动车；安装在所述活动车上并包括两个或两个以上空间分隔的接收器/发射器对的阵列；适合于通过所述发射器发射时间谐波电磁场的发射电路；适合于接收由所述时间谐波电磁场感生的磁场的接收电路；能够分析所述磁场以探测所述地下物体存在的分析软件。
全文摘要
提出了利用感应阵列系统确定地下物体位置的装置和方法。所述公开的系统采用包括两个或两个以上空间分隔的接收器和一个或一个以上空间分隔的发射器的可移动阵列。所述空间分隔允许利用所述装置在勘测的地面区域上的单次扫描来探测不同深度的物体。如果使用多个发射器，则它们可以同时以不同的频率工作，或以相同的频率顺序地工作。在感应阵列中接收器元件和发射器元件之间的间隔可以是均匀的或不均匀的。
文档编号G01S13/00GK1509414SQ02809871
公开日2004年6月30日 申请日期2002年3月14日 优先权日2001年3月15日
发明者T·汉森, R·比尔肯, , T 汉森 申请人:威顿技术公司
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