CN101194186B - 用于接收来自地下物体的定位信号的数字定位接收器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于接收来自地下物体的定位信号的数字定位接收器，包括：主体，其容纳至少一个微控制器和内部电路；显示屏，其位于主体上，用于为使用者提供可视反馈；手枪式握把，用于容纳使用者手部，该握把包括触发器；天线臂，具有第一端和第二端，该天线臂在第一端可旋转地连接至主体；第一天线组，安装在天线臂的第二端上，并且包括由三个彼此正交的铁氧体天线组成的组；第二天线组，容纳在接收器的主体中，第二天线组包括由三个彼此正交的铁氧体天线组成的组；其中，接收器能够处理通过第一和第二天线组从地下物体获取的定位信号，并在显示屏上产生输出，该输出表示地下物体的预测位置。

Description

用于接收来自地下物体的定位信号的数字定位接收器

技术领域

本发明的领域通常涉及数字定位接收器，更具体地说，涉及能够确定诸如公用事业管线、管道线路、或探测器(sonde)的地下物体的位置、方向、和深度的地下数字定位系统。

很多公共建筑和公共事业的操作需要根据操作者对地下煤气管线、管道线路、和电缆线路方位和深度的了解来对土壤进行挖掘。由于被挖掘设备触及到的话几乎总是会损坏地下线路，所以非常重要的是要在进行挖土工作之前了解这些线路的准确位置。对于地下线路位置的了解使操作者可避免触及和损坏这些线路。

已知几种目前用于对地下线路进行定位的定位系统。大多数已知的定位器均涉及对磁场进行检测的接收器，其中所述磁场是从直接溃送或引导至地下线路上的电流所产生的。

从线路发射出的很多磁场线在形状上是基本圆柱形的且圆柱形的中心位于载流线本身。当电流沿线路流动时，由于电流在土壤中转移或感应，会发生损耗。当沿线路长度的损耗率不是很大时，可通过使用信号强度比率来计算深度。对于在地下沿直线(straight)延伸特定深度的线路来说，磁场强度与从线路到接收器的距离成反比。通常通过在线路正上方的不同位置处读取两个信号强度来确定深度。

Mercer等人的美国专利6,756,784描述了能够定位钻探工具以及能够为控制目的而监测工具进程的定位器/监测器。Mercer的定位器/监测器通过对天线组件的操作实现其目的，该天线组件的特征在于，具有成一束的两个正交天线，这些天线空间上彼此靠近并且不以固定的距离分开。

Mercer描述的定位器/监测器以如下方式进行操作：(1)操作者定位(安装在钻探工具上的)地下发射器(transmitter)；(2)操作者在发射器位置上方的第一高度上使用接收器/定位器，并测量从发射器发射出的磁场强度；以及(3)在第二高度上使用接收器以测量从发射器发射出的磁场强度。虽然该装置可能是精确的，但是，由于操作者必须在两个不同高度上进行测量所以该装置的使用是耗时的。

Brune等人的美国专利6,768,307描述了用于通量面定位的系统，其包括：钻探工具，具有发射定位磁场的发射器，以使定位磁场向地面呈现出相对于其表面的一对定位点；以及便携式定位器，用于测量定位磁场的强度。定位器包括一个天线束，改天线束包括三个正交布置的天线的，其中的两个处于水平面中而一个布置在垂直平面中。当利用前述装置时，会迫使操作者在最后确定线路的位置或深度之前一定要将定位器移动至多个位置，因此，使用这种定位器的缺点是非常耗时。

目前已知的线路定位装置是采用两个天线以及用来确定深度的逻辑电路。这些天线分开一固定距离。因为分开距离是已知的，所以可以通过换算(interpreting)磁场强度来计算电缆深度。

Lewis等人的美国专利5,920,194描述了一种具有间隔式天线的定位器，该定位器检测来自地下线路的电磁信号。定位器包括处理器，该处理器分析电磁信号，并在与天线间距相对应的方向以及垂 直于地下线路的方向上确定定位器与地下线路的分开情况。装置上的显示器显示出定位器和物体的分开情况。

该装置具有若干缺点。首先，因为装置是通过测量其天线以及地下线圈的表面之间的夹角来确定装置本身和地下线路之间的分离情况，因此定位器的定位角度变得很关键。Lewis等人企图通过将倾斜传感器(tilt sensor)包括在装置中来解决所述问题，这非常可能使装置变得更加昂贵。

而且，定位器优选为地面穿透探针，该探针被驱动进入到地面中以保持测量期间的恒定角位。在地面难以被穿透的某些位置处该定位器是不实用的。该定位器的其它缺点在于，其仅能在要求操作者在两个不同定位器位置处测量定位器与地下线路之间的分开情况并将两个结果进行比较之后才能提供较为精确的测量。因此，Lewis的装置的操作是耗时的，并且当定位器未被一致地定位在两个测量位置上时会出现不必要的误差。

现有技术的装置的测量精度经常会受到与天线相关的电子设备的差分漂移(differential drift)以及受到天线本身的差分响应(differential response)的影响。为了提高敏感度，有时会使用铁氧体(ferrite)杆来提高天线的有效捕获区域(capture area)。由于天线的分开，两个天线不可能经历相同的热环境。这可能因为铁氧体的特性随温度而发生能够测量到的变化并且在各杆之间不一致而造成问题。

当利用多个铁氧体天线测量AC通量场时出现了其它需要克服的问题。例如，同步性就是一个主要问题。因为AC信号的特征在于幅值和相位，因此两者都必须被考虑在内以获得精确的结果。如果没有考虑到在分开的天线上测得的信号的相位相对于彼此一定程度的移动的话，那么在任何情况下也没有办法知道这些天线的实 际相对响应是什么。通常，放大电路和滤波电路利用它们的特有特性来引入无法充分控制的相位漂移，以保持后端上的精确的合成(resulting)信号。使用铁氧体天线的第二问题是测量精度和校准。这是因为铁氧体渗透性、线圈(winding)反常等会出现变化。

因此，存在对于如下数字定位系统的需求，该数字定位系统不仅可利用简单快速的过程精确预测地下线路的位置、方向、和深度，而且还可以充分解决铁氧体天线的异常以及处理电路本身的部件容许误差。

本发明满足了这种需求。根据本发明，提供了一种用于确定诸如地下线路和作为探测器的发射器的位置、方向、和深度的数字定位系统。定位系统是紧凑且重量轻的，并且被设计成易于运输且易于由单个操作者来使用。

在本发明的优选实施例中，本发明的系统包括用于定位地下线路的数字定位接收器以及适于容纳数字定位接收器并将数字发射器结合其中的数字发射器箱。数字定位接收器适于接收来自地下物体的定位信号，对该信息进行处理，并为使用者提供与地下物体的被预测位置相关的视频和音频输出。地下物体可以是公用事业管线、管道线路、或探测器。

在另一实施例中，本发明的系统包括用于将数字发射器连接至地下物体的连接电缆。数字发射器经由连接电路连接至地下物体的这种连接使得发射器能够为需要充电的地下物体充电。

在又一实施例中，系统进一步包括为连接电缆提供接地的接地杆。在本发明的又一实施例中，该系统能够通过感应为需要充电的地下物体进行充电。在该实施例中，系统的数字发射器不必直接连接至地下物体。

在本发明的优选实施例中，数字定位接收器包括：主体，所述主体包括微控制器和用于处理定位信号的电路；显示屏，用于在操作期间为使用者提供可视反馈；手枪式握把和触发器，用于为接收器的操作而选择和执行菜单选择；天线臂，在一端包括天线组(set)而在其另一端可旋转地连接至接收器本体，并且另一天线组容纳在本体中；以及扬声器，用于在定位操作期间为使用者提供音频信号。

在优选实施例中，本发明的承载壳体包括以可以打开和关闭壳体的方式而连接的两个半部。所述半部中的一个包括腔体，所述腔体被设计成容纳本发明的数字定位接收器。所述半部中的另一个还包括至少一个锁销，所述锁销用于保持壳体关闭。所述承载壳体进一步包括握把，所述握把是为了方便运载壳体而设计的。所述承载壳体还容纳有数字发射器，所述数字发射器被设计成，为需要充电的地下物体进行充电。

系统提供了精确的地下线路方位检测及深度测量。该装置可在不同定位频率下操作并提供多个定位模式。

在本发明的优选实施例中，数字定位接收器的数字显示器提供地下线路预测图像的精确显示。所述显示器能够预测出地下线路的预测深度，同时还给出所计算的深度预测的大致准确度。本发明的接收器通过包括两套正交铁氧体缠绕环形天线(每套具有三个天线)的组件的操作来实现其目的。

本发明的目的还在于提供了一种用于测量环绕地下探测器的通量场的方法。本发明的另一目的还在于提供了一种用于将从地下 探测器上得到的通量场的测量结果转换为在显示屏上显示的地下物体的数字表示。

本发明的又一目的还在于，提供了一种用于测量环绕地下线路的通量场的方法。本发明的又一目的还在于，提供一种用于将从地下线路获得的通量场的测量结果转换成在显示屏上显示的线路的数字表示。

附图说明

图1是本发明的系统的透视图。

图2是本发明的数字定位接收器的优选实施例的透视图。

图2A是本发明的数字定位接收器的内部结构的分解的截面图。

图3是在本发明的数字定位接收器内使用的两个天线组的透视图。

图4是本发明的数字定位接收器的连接面板的特写透视图。

图5是本发明的承载箱体的优选实施例的透视图。

图6是本发明的承载箱体的控制面板的特写透视图。

图7是本发明的承载箱体的输出面板的特写透视图。

图8是与本发明另一实施例的承载箱体结合使用的附件的透视图。

图9是本发明的接收器的显示屏特写透视图。

图10是本发明的系统的典型操作的透视图。

图11A、11B和11C是在线路追踪操作期间显示屏所有的各种特写透视图。

图12A、12B、和12C是在探测器追踪操作期间显示屏所有的各种特写透视图。

图13是利用本发明系统的典型探测器定位操作的透视图。

图14是利用本发明系统的为线路充电的直接连接方法的透视图。

图15是利用本发明系统的为线路充电的感应方法的透视图。

图16是示出了根据本发明的数字定位接收器的与微控制器和电路结合的各部件的操作的示意图。

图17A提供了线路定位操作的示意性示图，其示出了场矢量方向偏离时的情况。

图17B提供了线路定位操作的示意性示图，其示出了场矢量方向对齐时的情况。

图17C提供了探测器定位操作的示意性示图，其示出了场矢量方向偏离时的情况。

图17D提供了探测器定位操作的示意性示图，其示出了场矢量方向对齐时的情况。

具体实施方式

在以下对优选实施例中描述中，对附图进行了介绍，其中附图是以可实现本发明的特定实施例的示例性方式示出的。可以理解，可以使用其它的实施例，并且在不背离本发明范围的前提下可以在结构和功能上进行改变。

本发明是用于确定诸如线路和探测器的地下物体的方位和深度的系统。参照图1，系统10包括接收器12和发射器箱14。多种多样的附件(未示出)可与本发明的系统结合使用。在本发明中，数字定位接收器简称接收器。

图2中示出了接收器12的优选实施例。接收器12具有前端16和后端18。接收器12具有主体20和顶臂22。接收器12的主体20和顶臂22彼此整合成一体，并且接收器12通常有单件模具制成。主体20具有顶表面21和底表面23。顶臂22具有顶表面25和底表面27。在附图所示的实施例中，顶臂22的底表面27和主体20的顶表面21在接收器12中一起构成U形腔体29。

握把24将主体20和顶臂22连接。握把24的方向基本垂直于主体20和顶臂22。握把24被成形为可以舒适地由人的手部来握持，并且具有顶端28和底端30。握把24为手枪枪把的普通形式。触发器26定位在握把24的顶端28附近。握把24和触发器26被定位成可以实现舒适的枪式操作。

在所示的实施例中，接收器12包括显示屏32。显示屏32位于顶臂22上，并且靠近接收器12的后端18。典型的清晰的高对比度的LCD屏幕可作为显示屏32来使用。在操作接收器12期间，显示屏32为使用者提供可视反馈。

参照图2，接收器进一步包括天线臂34。天线臂34具有第一端40和第二端42。天线臂34的第一端40可转动地连接至接收器12的主体20。当接收器12不在使用状态时，天线臂34通常处于折叠位置，如图1所示。当操作接收器12时，天线臂34处于展开位置，如图2所示。为了将天线臂34从折叠位置移动至展开位置或进行相反的操作，使用者要围绕回转点36将天线臂34回转大约180°。参照图2A，回转点36位于接收器12的前端16上。

继续参照图2，天线臂34的第二端42包括指示天线(pointerantenna)38。指示天线38直接指向要被定位的物体，诸如地下线路。在所示实施例中，指示天线38看起来很像圆形的箭头。被称为底盘天线(chassis antenna)39的第二天线容纳在接收器12的主体20中。底盘天线39沿Z轴位于距离指示天线38预定距离处，如图3所示。在图3所示的优选实施例中，指示天线38与底盘天线39之间的距离(D)是21英寸，但是天线之间可使用其它距离，只要知道精确的距离即可。

参照图2A，本发明的接收器12利用全部六个方向的铁氧体缠绕环形天线41来测量磁通量场，每个天线41具有中央分接头(tap)(接地)并且在中央分接头的任一侧具有数量相等的圈数。在所示实施例中，天线41被布置成两组，每组三个天线。三个天线41组成的一组42容纳在指示天线38中并构成该指示天线。三个天线41组成的另一组45容纳在主体20中并构成底盘天线39。主体20中的底盘天线39被封闭在底盘天线护盖(cover)39′内。

每组43、45具有如图3所布置的天线41，其中，一组43中的天线41被定位成使得它们在空间上与另一组45的天线41具有相同的整体方位。天线41沿相互正交的轴X、Y、Z而定位。因此，每个天线均能够检测3D磁通量场矢量的一些不同部分。

具有的该中布置的目的在于，在分离某预定距离的空间中的两点处测量两个3D磁通量矢量。一旦已确定了这两个矢量，就可在各种计算中使用它们来确定产生磁场的目标的位置。磁场通常是由沿直线(例如已被“充电”的电路或管路)流过的AC电流或在线圈(在地下定位领域中充电线圈经常被称为“探测器”)中流过的AC电流产生的。

参照图2A，接收器12进一步包括扬声器42。在所示实施例中，扬声器42容纳在接收器12的顶臂22内，并且位于接收器12的前端16附近。在操作期间，扬声器42为使用者提供可听到的声音反馈。扬声器的音量可由使用者按需要调整。

进一步参照图2A，接收器12还包括至少一个自定义(custom)电路板47，该电路板包括至少一个微控制器112和逻辑电路(未示出)。微控制器112和接收器12的电路被设计成为对由天线组43和45获取的定位信号进行转换(interpret)，并利用所获取的信号进行计算，在显示屏32上产生输出结果。该输出结果还优选是可听到的，而且是可以通过接收器12的扬声器42听到的。

进一步参照图2，接收器12还包括电池盒44。在所示实施例中，电池盒44靠近接收器12的后端18，并且位于主体20的底表面23上。

在附图所示的实施例中，接收器12进一步包括连接面板46，该连接面板位于主体20的底表面21上并处于电池盒44与接收器12的前端16之间。连接面板46为各种标准和可选附件(未示出)提供接电(plug-in access)。

图4中更详细地示出了优选实施例的连接面板46。连接面板46包括耳机插孔48，用于容纳耳机插头(未示出)。当耳机(未示 出)被插入到耳机插孔48中时，接收器12将声音传输到耳机中，并且扬声器42不再发射可听见的声音。连接面板46进一步包括辅助天线端口50。端口50可允许使用者将最多两个外部天线(未示出)连接到接收器12中。

本发明的系统的第二主部件是发射器箱14，其在图5中详细示出。发射器箱14的一个功能是容纳接收器12。壳体14内部包括腔体15，该腔体的形状可以容纳接收器12。壳体14还包括内置的线路充电发射器(未示出)。由Goldak(Glendale Caliornia)提供的模式23X发射器与发射器箱14兼容。

在附图所示的实施例中，壳体14在形状上通常为梯形，并且被制成为两个半部，即，顶部的半部56和底部的半部58。可替换地，可以使用任何其它合适的形状。壳体14包括握把60，该握把被设计成容纳使用者的手部。握把60使得运送壳体更为舒适。在所示实施例中，壳体14的底部的半部58在一侧64上包括控制面板62，在其另一侧68上包括输出面板66。控制面板62包括多个按钮并被用于操作发射器。

在所示实施例中，发射器箱14还包括两个锁销盖-左盖70和右盖72。当处于关闭位置(未示出)时，锁销盖70、72固定壳体14。当壳体14处于关闭位置中时，左锁销盖70被定位在控制面板62的上方，并且右锁销盖72被定位在输出面板66的上方。

在图6中更详细地示出的控制面板62包括显示器74，该显示器报告与发射器操作有关的信息，诸如，模式、频率、输出级别等。通常使用LCD显示器，但是其它显示器类型也是可以接受的。控制面板62包括以下按钮：“开”、“关”、“选择”、“上”、“下”、“脉冲(PULSE)”。这些按钮使得使用者可以操作发射器。

图7所示的输出面板66包括三个插孔，它们通常用于信号输出和电力输入。特别地，输出面板66包括两个“直接输出”插孔76、一个“信号(1)”插孔、和一个“信号(2)”插孔。“直接输出”插孔中的每个被制成为容纳标准1/4″单声道耳机插头(未示出)。这种耳机插头的实例是图8所示的直接连接电缆82。

优选地，“信号(1)”插孔被构造成在单独使用时输出标准信号级别的两倍。当两个“直接输出”插孔76一起使用时，每个插孔输出标准信号级别。输出面板66进一步包括“DC电力进入”输入78。该输入78被构造成容纳标准2.5mm的DC电插头，这种插头一般是可以获得的。当外部电源的额定电压在7.5V至25V之间时，该输入的工作状态最佳。

再次参照图5，发射器箱14进一步包括电池盒80。在所示实施例中，电池盒80容纳在底部的半部58内，并且位于发射器箱的握把60附近。

在一个实施例中，本发明的系统进一步包括图8所示的直接连接电缆82和接地杆84，通常它们都容纳在发射器箱14内。直接连接电缆82用于将信号直接输送到目标线路中。接地杆84用于良好的接地，以实现直接连接至地下线路100。

为了操作本发明的系统，使用者对两个锁销盖70、72解锁，开启发射器箱14，并取出接收器12。当从壳体14中取出接收器12时，接收器12处于折叠状态。为了将接收器12转换到展开状态，围绕回转点36顺时针将天线臂34回转180°，直到天线臂34完全展开。

为了接通接收器12，触发器26被触动一次。当接收器12接通时，显示屏32将显示信息，图9中以实例方式示出。显示在显示 屏32上的信息是菜单形式的。使用者可使用由显示器32显示的菜单形式的信息，以选择用于接收器12操作的选项。使用触发器26在菜单选择之间滚动并进行选择。在优选实施例中，例如，触发并释放触发器26一次，以在菜单各选择之间滚动。为了选定被加亮的菜单选择，触发触发器26并保持大约1-3秒。

在可以定位地下线路之前，必须使该线路具有所需频率的电流。携带追踪电流的线路是充电线路。本发明的系统不仅使得使用者可以追踪已被充电的线路，还使得使用者可以使用多种方法将电流引入线路中。

在图14所示的实施例中，经由直接连接对线路100进行充电，其中，利用直接连接电缆82将信号从发射器箱14的主动(active)发射器输出76输入到线路100中。为了通过直接的连接装置为线路100充电，使用者需要线路100具有可接近的导电的露出部分，连接电缆82连接于该部分上。这可以是例如金属水管或追踪线的裸端。

在图15所示的本发明另一实施例中，可通过感应来对线路100充电。参照图15，当未使用发射器箱14的信号插孔76时，发射器箱14发射感应场，该感应场能够在被置于地下线路之上时对地下线路100进行充电。这种方法要求地下线路不被露出。但是，这种方法最好被使用在隔离的线路上，并且在远离充满很多其它线路和金属物体的区域中使用。

经常会利用某些线路的特性而对这些线路进行充电。这样的线路的实例可以是电源线路。目前在使用中经常用到的电源线路恒定地承载AC电流。通常，该电流的频率是60Hz，谐波分量是60Hz的几倍(即，120Hz、180Hz、240Hz等)。在欧洲，该频率是50Hz(100Hz、150Hz等)。在这样的线路的情况下，对于线路进行充电的步骤是不必要的。

一旦已经对目标地下线路100充电，操作者(未示出)就做好了准备，使用接收器12来追踪线路100并确定其方位和深度。

如前所述，接收器12的显示器32为使用者提供与操作有关的菜单格式的信息。通过触发器26的操作来实现在各选择之间滚动并进行选择。接收器12的菜单型软件为使用者提供三个不同方式，以设定接收器12的定位频率。使用者可使用菜单中的“BYSCAN”选项，这会将接收器12自动调节到发射源的精确频率上。而且，使用者可使用菜单中的“BYCATALOG”选项，这使得使用者可从预编目录选择列表中手动选择所需的接收器频率。而且，使用者可使用菜单中的被动模式选项，该选项会在60Hz的频率上扫描。

在初始化线路定位之前，使用者利用显示屏32上的菜单来设定定位模式。在本发明的优选实施例中，可以具有四个模式：线路、探测器(Sonde)、峰值、和无效(Null)。峰值模式和无效模式是传统模式，并且在现有技术中是公知的。

图10大体所示的线路模式对于本发明的接收器来说是唯一的。如果选择了该模式，则在追踪地下线路100的同时会在显示屏32上显示出目标线路的图形表示。该模式是全自动的，无需使用者在设定之后进行任何干预。该模式显示线路位置和方向，并且在指示天线定位在被掩埋线路上方时自动计算深度和深度精度。图11A、11B、和11C示出了在“线路”模式期间的显示屏32的示例输出。

参照图10，为了开始搜索线路100，使用者手持接收器12行走并远离连接装置点104，在所述连接装置点处，发射器箱14连接至线路100。一旦使用者距离连接装置点104几英尺，使用者通常会沿圆周方向围绕连接装置点104行走。当指示天线38越过线路100时，接收器12的扬声器42将通过发出独特声音来通知使用者。

参照图11A，当通过手持方式利用接收器12来搜索线路100时，使用者通过接收器12的扬声器42产生的音频信号所引导，并且由显示屏32上的箭头86指示，其中该箭头指示出线路100所产生的信号是由什么方向而来的。在图11A中，当使用者接近被充电的线路100时，显示屏32进行显示。显示屏32显示出箭头86。在中间具有交叉瞄准线89的圆圈88表示接收器12的指示天线38。箭头86指示出信号来自于什么方向。例如，在图11A中，被充电的地下线路100处于指示天线38的右侧。

参照图11B，当使用者移动逐渐接近地下线路100时，线路的显示屏上会显示出线路的数字图像101，其指示线路100相对于接收器12的指示天线38的方位。

参照图11C，一旦线路图像101处于圆圈88中的交叉瞄准线89下方时，线路的深度读数98将出现在显示屏32的右上方。当显示出深度读数98时，深度精度度数97也出现在显示屏32上。来自线路100的信号的强度通过信号强度读数99显示在显示屏32的左上角。

很多情况是使用者需要定位并追踪无法携带电流的线路。这种线路被称为“非导电型”。在非导电型线路的情况下，使用者通常插入小型发射器，该小型发射器仅在其本身位置周围产生定位场。这种发射器在现有技术中被称为“探测器”。最经常地，将探测器插入到非金属线路或管路内部，以便于发现线路中的特殊位置处的点。

本发明的接收器12利用独特技术来确定探测器的位置。图13中大体示出了探测器的操作模式。该技术使得使用者立即知道探测器的位置深度和方位，并且该技术不受探测器的不常见或不曾预料的方位的限制。

待使用的探测器需要被启动。通常，将电池插入到探测器中以启动探测器。接下来，将接收器12调节到探测器102的频率上。如上所述，为了将接收器12调节至探测器102的频率上，通过使用菜单中的“BYSCAN”或“BY CATALOG”，使用者将接收器12的频率调节到探测器102的频率上。优选地，使用扫描特性，其原因是，即使探测器频率未知，扫描特性仍能让使用者使用并定位探测器。一旦设定了接收器12的频率，通过使用如上所述的触发器26来从菜单中选择“探测器”模式。

下一步骤是利用现有技术中的公知技术将探测器102送入到地下管道/管路中。一旦探测器102被送入到地下线路中，使用者就可开始利用本发明的探测器的定位模式来开始定位探测器。

图13和图12A、12B、12C所示的探测器模式对于本发明的接收器12来说是唯一的。该模式通过显示代表探测器方位及相对位置的图像图标来协助使用者定位探测器102。

参照图12A，当使用者接近探测器102时，接收器12的显示屏32将呈现箭头图标86，该图标指示出信号来自于什么方向。当使用者接近探测器102时，接收器12将通过扬声器42发出可听到的声音，并且当使用者更加接近探测器102时，该声音将逐渐升高音调。

参照图12B，当使用者移动接近探测器102时，显示屏32将显示探测器图标103，该图标指示探测器102相对于交叉瞄准线94的位置和方向。

参照图12C，当接收器12导向追踪到探测器102时，对中圆圈88完全收缩在探测器图标103周围。当圆圈88完全收缩在探测器图标103周围并且接收器12的指示天线38直接指向探测器102时，探测器102的大致深度将通过图标98显示在显示屏32的右上角，并且从探测器图标103中可明确发现探测器102的实际方位。当处于线路模式中时，来自探测器102的信号的强度通过图标99显示在显示屏32的左上角，并且深度预测的准确度通过图标97显示在右上角。

本发明还提供了测量通量场矢量的新型方法。本发明的接收器12采用的新型方法是，将由所关注的地下物体所发射的通量场转换成在显示屏32上显示的地下物体的数字显示。

如上所述，利用全部六个方向的铁氧体缠绕环形天线41来测量地下线路或探测器发出的AC磁通量。铁氧体缠绕天线仅是较通常地被称为“环”的类型的天线的变型。之所以为称为环是因为该天线通常是形成为一些闭合形状(通常为圆形)的电线。“环”是多层重复或缠绕的，并且铁氧体缠绕天线是具有多圈的环。

通常，环具有的独特性质是具有方向性，这意味着，环具有单轴，环在沿该单轴的方向上的接受力是最强的。与第一轴垂直或正交的轴完全没有接收能力，并且被称为“无效”方向。因此，在由三个天线构成的一个天线组中，如这里所述的，每个天线41响应实际场矢量的一个分量。

因为三个天线41是相互正交的，由每个天线检测的场可以利用矢量数学加起来，以获得单一的3D合成量。接收器12的电路负责进行数学计算。指示天线的三个天线41以及底盘天线39的三个天线41都连接至模拟转换电路的网络。

参照图16，指示天线38和底盘天线39连接至模拟乘法器118，该模拟乘法器又受微控制器112的控制。微控制器112响应来自触发器电路144的信号，该触发器电路处于触发器26与微控制器112之间。接着，立即通过加法放大器120和差分放大器122将指示天线38和底盘天线39的各天线41的低电平电压响应结合到来自所关注的地下物体的通量场中。

参照图16，通过实例方式，将来自指示天线38的响应信号称为“基准”(R或r)，并且将来自第二天线的响应称为“试验”(T或t)。由加法放大器120形成的信号是G(R+T)，其中，G在一定程度上被认为是增益值，称为“和”。

从差分放大器122形成的信号是G(R-T)，并且被称为“差”。在该低电平上结合之后，和信号和差信号进而被传递通过匹配信号处理路径，如图16所示。现在通过实例形式对和信号(R+T)和差信号(R-T)的传输路径进行更详细的描述。

和信号和差信号通过接收器12电路的处理路径包括以下中间步骤。首先，信号通过匹配的数字增益124、126。进而，信号传输通过匹配的模拟混合器/滤波器128、130。随后，信号通过辅助匹配的DSP滤波器并通过匹配的音频滤波器136、138。

匹配的电路同步施加绝对值函数140、142，其对于和信号呈现|R+T|，对于差信号呈现|R-T|。接着，通过积分器144、146将这 些结果在预定时间周期内进行积分。在积分过程中使用特殊方法，以降低和/或消除(nullify)处理误差。

接着，对被积分的结果进行数字化，以产生两个数字结果，S＝∫|R+T|，和D＝∫|R-T|。接着，信号通过转换器148、150，之后，信号传输至微控制器112。微控制器控制来自处理路径的信号，使其成为图形(graphic)LCD屏幕32上的视频输出114并且成为通过接收器12的扬声器42发出的音频输出116。上述的处理路径在微控制器112的控制下基本放大和过滤了信号，以产生末端和结果以及末端差结果。

实现对于天线组的3D矢量测量的一般方法包括对于多测量对(S和D)的一起的数学处理，通过如上所述的电路产生这种数学处理。在数学方面，通过本发明提供了几种方法，以根据天线切换和结合的情况利用数学计算来获得有用结果。通常，根据接收器12的电路的能力，每种方法利用以迅速连续的方式切换的天线对来测量通量场的强度。微控制器112负责控制测量的次序和持续时间。因为本发明的电路提供了匹配信号处理电路，所以S和D测量同步进行。

利用接收器12的三个天线组成的两组43、45来计算通量场矢量的优选方法包括顺序地测量各天线41对于由地下物体发出的通量场的响应。通过实例的方法，将对于指示天线38的天线组43中的三个天线41中每个的通量场的响应称为X、Y、和Z。

微控制器112为相同天线设定基准(R)和测试(T)(R＝X，T＝X)，并且如前所述地进行S和D测量。随后，微控制器112设定R＝Y和T＝Y，并且进行下一组的S和D测量。最后，微控制器112设定R＝Z和T＝Z，并且进行最后的S和D测量。微控制器112可重复该次序至无穷。

数学上，在全部三个测量周期中获得测量组，并且可以将其看作：

周期1：(R＝T＝X)＝＝＞S1＝|X+X|，并且D1＝|X-X|＝0

周期2：(R＝T＝Y)＝＝＞S2＝|Y+Y|，并且D2＝|Y-Y|

周期3：(R＝T＝Z)＝＝＞S3＝|Z+Z|，并且D3＝|Z-Z|

如果使用了这种简单方法，那么从S1、S2、和S3获得X、Y、和Z。实际上，使用这种方法仅能获得三个响应的大小。

|X|＝S1/2  |Y|＝S2/2    |Z|＝S3/2

以上实例示出了如何可以利用三个连续组的同时的“和测量”以及“差测量”来确定三维通量响应矢量。

为了完全确定被测量的通量矢量，还必须获得相位信息。为此，微控制器112将以交错序列将天线41配对，从而可以推断出关于每个响应相对于其它响应的相位。序列配对的优选方法是：

周期1：(R＝X，T＝Y)＝＝＞S1＝|X+Y|，并且D1＝|X-Y|

周期2：(R＝Y，T＝Z)＝＝＞S2＝|Y+Z|，并且D2＝|Y-Z|

周期3：(R＝Z，T＝X)＝＝＞S3＝|Z+X|，并且D3＝|Z-X|

从这六个测量结果中，可以计算出完整的通量响应矢量，包括三个正交分量X、Y、和Z的大小和正负号(相位)。

本发明的优选方法提供了使用六个测量值来获得正确矢量结果的几个方法。例如，以下示出由S1和D1来计算X和Y的一个方法：

如果已知X＞Y＞0，则 S1＝|X+Y|＝X+Y，并且D1＝|X-Y|＝X-Y。因此：

S1+D1＝X+Y+X-Y＝2X并且

S1-D1＝X+Y-(X-Y)＝2Y

通常，可以示出为：

max(|X|，|Y|)＝S1+D1以及min(|X|，|Y|)＝|S1-D1|

因此，可以获得X和Y的大小。X和Y中较大的一个的大小被指定为S1和D1的和。其中较小的一个的大小被指定为S1和D1的差的绝对值。

除非首先确定X和Y中的较大的一个和较小的一个，否则无法指定大小。为了完成这个目的，微控制器112将所有六个测量值{S1、S2、S3、D1、D2、D3}进行对比，以便于对三个矢量分量X、Y、和Z进行排序(rank)。从最大测量值，微控制器112推导出最上面的两个被排序的分量，并一直进行到第三对被排序的分量。接着，微控制器112从其它测量值的数值中推导出最上面的被排序的分量。其余的分量是第二次被排序的分量。

为了获得X和Y(相位)的相对的正负号，S1和D1相互进行比较：

如果S1＞D1，则正负号(X)＝正负号(Y)

(即，分量分享相同的极性或相位)

如果S1＜D1，则正负号(X)＝-正负号(Y)

(即，分量具有相反的极性)

通过首先确定X、Y、和Z的整体有效级别，来获得X和Y的最终的正负值。接着，例如，通过将S和D的对进行加和以及相减来确定每个分量的大小。接着，通过由适合的测量值的对来比较S和D来确定分量的相对正负号。

本发明还提出另一方法，该方法可用于获得三个矢量分量(X、Y、和Z)的大小以及相位关系。以下提供了这种方法的数学计算：

周期1：(R＝M，T＝X)＝＝＞S1＝|M+X|，并且D1＝|M-X|

周期2：(R＝M，T＝Y)＝＝＞S2＝|M+Y|，并且D2＝|M-Y|

周期3：(R＝M，T＝Z)＝＝＞S3＝|M+Z|，并且D3＝|M-Z|

在该排序方法中，M是组{X、Y、Z}中的一成分，并且可以假定M是三个天线中的响应程度最大的天线。如果假定M＝X，则：

S1＝|X+X|＝2|X|    D1＝|X-X|＝0

S2＝|X+Y|          D2＝|X-Y|

S3＝|X+Z|          D3＝|X-Z|

这种方法，即“最大响应方法”，非常类似于上述的交错排序方法。该方法与交错排序方法之间的差异在于，基准天线(R)在三个周期期间不改变。这种方法的优点在于，基准天线响应的大小 总是等于S1。因此，可利用S1(以及S2、D2、S3、和D3)简单地获得两个其余天线(即非基准或“测试”(T)天线)的大小和极性。

为了从以上测量中获得X和Y，需要执行以下的计算：

X＝|X|＝S1/2，其中，假设X总为正

Y＝(2*S2-S1)/2＝(2*|X+Y|-2|X|)/2或

Y＝(S1-2*D2)/2＝(2|X|-2*|X-Y|)/2

如果Y＜0，则其在以上计算中也可表现出来。因此，可以获得Y的大小以及相对于X的极性。通过与X和Y相似的方法来计算Z。从以上计算中，微控制器112可以推导出最大响应天线，即使在最近周期中没有将最大响应天线选择为基准天线R。接着，微控制器112可为后续周期相应地设定M。

因为通过天线和接收器12的电路来进行通量场的处理，所以接收器12能够在围绕接收器360°的范围内确定发射器目标的位置。如上所述，对于多天线响应的处理使得可以计算两个3D矢量、与指示天线38有关的V_p矢量108、以及与底盘天线39有关的V_c矢量106。如何换算这些矢量取决于被研究的目标是地下线路100还是探测器102。

在此，本发明还提供了将通量场矢量转换为在接收器12的显示屏32上显示的探测器图形表示的方法。图17C和17C大体示出了该方法的操作。

如果目标是探测器，与在线圈中流动的AC电流相关的磁场具有环形的。因为偶极子场的特性更加复杂，所以用于利用指示矢量 和底盘矢量来确定探测器的相对位置所需的数学计算也比电流运输线路所需的数学计算更加复杂。两个被确定的矢量106、108的3D特性以模拟方式(相对于电流运输线路来说)转换，使得可以在显示屏32上显示2D位置，该显示屏显示图像图标103，以表示探测器102在空间上的相对位置。

下面解释用于将指示天线38的V_p矢量108和底盘天线的V_c 矢量106的结果换算成探测器的空间位置和方向的表示的数学处理。发明人在这里已经发现，底盘偶极子场所具有的特性可以用来确定场源的中心。这样的场源传统上被称为是螺线(solenoid)。

螺线场的一个特性有关于沿从螺线中心发射的直线(射线)分开预定距离而定位的一对矢量中的每个的相对方向。发明人在这里确定沿该射线的所有场矢量具有完全相同的方向。本质上，这些矢量共用完全相同的“单位矢量”，虽然它们的整体大小是不同的。

而且，发明人已经确定，沿该射线的通量矢量B的大小随着沿该射线离开中心的距离的三次方的倒数(inverse)而变化。而且，发明人已经发现，如果在螺线周围空间中的两个测量点没有沿从中心发射的射线而对齐的话，则在这两个点处的单位矢量也不会对齐。可以确定它们错位的程度，并且利用错位程度来计算线圈的相对于确定矢量的两个点的线的位置。

本发明的接收器12使用两个关键量来确定探测器的空间位置和方向：(1)指示天线矢量V_p和底盘天线矢量V_c的单位矢量向量积；以及(2)V_p和V_c矢量的“矢量增益”。

为了计算矢量错位的程度，首先，利用两个测量到的矢量V_c 和V_p，并将它们转换成大小均为1的矢量。利用两个单位矢量V_p 和V_p的矢量向量积来计算第三矢量V_CROSS。因此，V_CROSS＝V_p×V_p。一旦获得了V_CROSS，可以用它来确定产生偶极子场的大致方向。

V_CROSS也可以如下表示：

V_CROSS＝|V_p|*|V_c|*(V_PU×V_CU)

其中，下标“U”表示与源矢量相关的单位矢量，单位矢量从该源矢量导出。当然，单位矢量的大小总为1。因此，将上述等式除以|V_p|和|V_c|，可以导出V_p和V_c的单位向量积：

V_{CROSS_U}＝V_CROSS/(|V_p|*|V_c|)＝V_PU×V_CU

单位向量积V_{CROSS_U}具有的大小在0至1之间变化，并且具有与V_CROSS完全相同的方向。通过矢量数学的法则，如果V_{CROSS_U}＝0，则V_p和V_c共同具有完全相同的方向线。如果V_{CROSS_U}＝±1，那么V_p和V_c是正交的，它们之间具有90°的夹角。

向量积V_CROSS本身是3D矢量，其分量可用于在接收器12的显示屏32上绘制偶极子源的虚拟位置。而且，V_CROSS的大小显示出了原始测量矢量的错位程度。该程度以从0至1范围内的数字表示，这是因为变元向量本身大小的范围在0至1之间。

V_CROSS大小本身不足以确定探测器图标103将出现在2D显示32上的位置。其原因在于，测量矢量错位的程度还取决于测量点远离偶极子源的距离。测量点距离越远，单位矢量V_P和V_C将变得越对齐。这意味着通量场的发散随着远离偶极子源的距离的减少而增加。

为了将这一因素考虑在内，接收器12的电路要计算被称为“矢量增益”的系数。该矢量增益G_v是测量到的指示矢量的大小与测量到的底盘矢量的大小的比率。因此，G_v＝|V_p|/|V_c|。增益值代表指示天线组43的位置与底盘天线组45的位置上的磁通量的强度之间的比较。

从V_{CROSS_U}和G_V，微控制器112导出另一系数，这里被称为Epsilon(E)。通常，由以下公式给出E：

E＝|V_{CROSS_U}|/f(G_v)

其中，f(G_v)是矢量增益的函数，并且随着G_V的增加而增加、减少而减少。其分子是单位向量积的大小，并且从1至+1之间变化。

在本发明的接收器12的优选实施例中，

f(G_V)＝[G_V-1]^(1/2)

然而，可以多种不同方式来限定该函数f(G_V)，以便于调整整体响应特性。f(G_V)的目的在于对E进行成比例的放大或缩小，以将磁通量场随接收器与探测器之间距离的减小而变化的发散考虑在内。接收器距离探测器越远，通量场发散越小。函数f(G_V)平衡这种效应。

在计算E的过程中，通常在0至+1范围的单一实标量数可以实现所述的目标，并且该数基本表示出两线之间的夹角。即，所述的两线是：(1)从探测器102的中心向底盘天线组45的中心发射的线；以及(2)可从底盘天线组45的中心朝向指示天线组43的中心画出的线。线(2)还刚好是底盘天线和指示天线两者的Z轴。

为了将位置结果转换在显示屏32上，接收器12的微控制器112利用标量值E和矢量V_{CROSS_U}换算出探测器102在外部3D空间中 位于相对于接收器12坐标系统的哪个位置。参照图12B，这种换算绘制在显示屏32上，通过3D圆柱形的相对于对中交叉瞄准线89的2D投影103来表示探测器102。

因为V_{CROSS_U}是矢量向量积，所以其方向根据定义来说是正交于变元向量所形成的平面。因此，必须适当地转换V_{CROSS_U}，使其有用于接收器12的坐标空间。具体地，必须将V_{CROSS_U}转换到显示屏32的虚拟坐标空间中。以下公式执行所述转换：

X_SCR＝(Y_VCU*e*K_SCR)/(X_VCU ²+Y_VCU ²)^(1/2)

Y_SCR＝(-X_VCU*e*K_SCR)/(X_VCU ²+Y_VCU ²)^(1/2)

其中，(X_SCR、Y_SCR)是在显示屏上的2D直角坐标系，K_SCR＝比例常数，并且X_VCU和Y_VCU是V_{CROSS_U}的坐标。

总之，本发明的接收器12通过处理以下信息能够计算出探测器在空间中的位置：(1)指示矢量和底盘矢量、(2)单位矢量向量积(大小和方向)、以及(3)矢量增益。将该信息结合到公式中，并呈现出测量/处理得到的数据与某夹角之间的合理线性关系，所述夹角是在两个测量点之间画出的线与从底盘测量点画到偶极子源中心的线之间的夹角。接着，可利用该夹角来确定图标应该出现在虚拟2D显示屏上的什么位置。

因为在两个测量点形成穿过线圈中心的线时两个测量矢量具有完全相同的排列，所以在这种情况下，它们的单位矢量向量积的大小是零。这是前面段落所述的一种特殊的情况。在该特殊的情况下，当然，计算得出的角度是零。这意味着探测器图标103将画在原点的右侧，即，在显示屏32的交叉瞄准线89的下方。因此，接 收器12的使用者可直观地感受到指示天线38在直接地指向探测器102，无论该探测器的方位如何。

在内部主要根据指示矢量的测量值来计算探测器在接收器12的显示屏32上所反映出的方位，并且可以或可以不根据如上所述的矢量向量积的结果来调节该被反映的方位。

这里，本发明还提供了一种将通量场矢量测量值转换为在接收器12的显示屏32上显示的地下线路100的图形表示的方法。图17A和17B中大体示出了的这种方法的操作。

如果目标是线路100，则与沿线路流过的AC电流相关的磁场是圆柱形的，该圆柱形的轴线是电流传输线本身。具体地，“圆柱形”表示围绕该线路的等势通量场的形状。通量矢量B的大小随1/r而改变，其中，r是距离线路的垂直距离。

因此，在与电流运输线路平行的具有法向矢量的平面中，沿半径为r的圆周的每个点具有相同的通量大小。而且，在沿该圆周的每个点处，磁通量矢量B将切向地指向圆周。因此，分开已知距离的任何给定的一对点处的通量矢量方向可以被读取和数学地绘制，以呈现可以在接收器12的显示屏32上报告的虚拟位置。

可以利用所确定的矢量来计算线路的位置、延伸方向、和深度。因为计算出的指示矢量V_P108和底盘矢量V_C106是“实际的”3D表示，因此可以在显示屏32的所有四个四分区中(360°范围)相应画出指示箭头86和/或线路图形101。

现在将更详细地描述将线路100的表示转换到显示屏32上的方法。与探测器定位的情况相同，本发明的接收器12利用V_P和V_C来确定线路相对于接收器12的位置。

如图17A和17B所示，V_P和V_C表示在圆柱磁通量场中的两个点处的通量矢量测量。如图17A所示，V_P和V_C在接收器的Z轴指向远离电路运输线路中心的方向时是错位的。当指针围绕底盘朝向充电的线路摇晃时，V_P和V_C如图17B所示的那样对齐，从而，

|V_p×V_c|＝|V_CROSS|＝0

因此，再次地，当从充电线路100的中心发射的虚拟线与接收器12的Z轴对齐时，V_CROSS消失。在进行适当计算中涉及的数学处理类似于先前为探测器定位而给出的数学处理。不同之处在于，如何限定f(G_V)以及如何转换E和V_{CROSS_U}以产生显示屏32的坐标和方向。

用于利用V_P和V_C来定位地下线路100的优选方法是将V_P与由指示天线38的X、Y方向形成的虚拟水平平面相比较。通常，当V_P位于在虚拟水平平面内时，接收器12指向充电线路100。这种情况仅在V_P的Z分量消失时存在。从电流运输线路周围磁通量场的圆柱形特性中可以直接导出这种结果。圆柱形场还指示了被换算出的线路方向。通过接收器12的微控制器112，假设线路100沿正交于V_P方向的方向而延伸。

根据以上的教导可以进行很多更改和变化。上述内容是对本发明优选实施例的描述，并且呈现上述内容的目的在于示例和描述。本说明的目的不在于穷尽本发明，并且也不在于将本发明限制在所公开的精确形式。

由所附权利要求来确定本发明。

Claims (9)

1.一种用于接收来自地下物体的定位信号的数字定位接收器，包括：

主体，所述主体容纳至少一个微控制器和内部电路；

显示屏，其位于所述主体上，用于为使用者提供可视反馈；

手枪式握把，用于容纳使用者手部，所述手枪式握把包括触发器；

天线臂，具有第一端和第二端，所述天线臂在所述第一端可旋转地连接至所述主体；

第一天线组，安装在所述天线臂的所述第二端上，并且包括由三个彼此正交的铁氧体天线组成的组；

第二天线组，容纳在所述接收器的所述主体中，所述第二天线组包括由三个彼此正交的铁氧体天线组成的组；

其中，所述接收器能够处理通过所述第一和第二天线组从地下物体获取的定位信号，并在所述显示屏上产生输出，所述输出表示所述地下物体的预测位置。

2.根据权利要求1所述的数字定位接收器，其中，所述第一天线组和所述第二天线组彼此分开21英寸。

3.根据权利要求1所述的数字定位接收器，其中，所述第一天线组和所述第二天线组分开预定距离。

4.根据权利要求1所述的数字定位接收器，进一步包括扬声器，用于为使用者产生音频反馈，所述扬声器容纳在所述接收器的所述主体中。

5.根据权利要求1所述的数字定位接收器，进一步包括用于储存电池的电池盒，所述电池盒容纳在所述接收器的所述主体中。

6.根据权利要求1所述的数字定位接收器，进一步包括连接面板，所述连接面板位于所述接收器的所述主体上，并且包括适于容纳附件电缆的多个入口。

7.根据权利要求1所述的数字定位接收器，其中，所述显示屏上的所述输出包括箭头，所述箭头表示所述地下物体相对于所述接收器的预测方向。

8.根据权利要求1所述的数字定位接收器，其中，所述显示屏上的所述输出包括所述地下物体的图形图像，所述图形图像表示所述地下物体的在空间中的预测方位。

9.根据权利要求1所述的数字定位接收器，其中，当所述接收器位于所述地下物体上方时，所述显示屏上的所述输出包括所述地下物体的预测深度。

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