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解耦金屬管中由於洩漏引起的幹擾的方法和電纜定位器的製作方法

2023-06-09 20:07:31 2

專利名稱:解耦金屬管中由於洩漏引起的幹擾的方法和電纜定位器的製作方法
技術領域:
本發明涉及檢測來自目標隱藏(targeted hidden)導管的電磁信號,具體地,涉及解耦來自目標隱藏導管的檢測信號中的幹擾信號,該幹擾信號是由於鄰近的非目標導管的傳輸信號的洩漏而產生的。
背景技術:
地下管道和電纜定位器(有時稱作管線定位器)已經存在了許多年並且是公知的。管線定位器系統典型地包括移動接收器和發射器。該發射器通過直接電連接或者通過感應,與目標導管耦合,以在該目標導管上提供電流信號。該接收器檢測並處理在該目標導管處由於該電流信號所產生的電磁場所得到的信號,該電流信號可以是由該發射器提供給該目標導管的連續正弦波信號。
該發射器通常物理上與該接收器分離,典型地具有幾米或者在一些情況下高達數千米的間距。該發射器將電流信號耦合到目標導管,該電流信號的頻率可以由用戶從一組可選擇的頻率中選擇。施加於該目標導管的電流信號的頻率可以稱為活動定位頻率(active locatefrequency)。然後該目標導管響應該電流信號,產生該活動定位頻率的電磁場。
不同的定位方法和地下環境可能要求不同的活動頻率。活動定位頻率的典型範圍可以從幾赫茲(用於定位發射器和接收器之間的間距在數千米的目標導管)到100kHz或更多。在高於該範圍的環境中,該接收器所檢測到的電磁場上會出現顯著的無線電頻率幹擾。因此,管線定位系統的接收器通常包括高調諧的濾波器,以便阻止來自外部源的幹擾對來自該目標導管的所希望活動定位頻率處的信號的測量的影響。可以調諧這些濾波器,以便接收在每個可選擇的活動定位頻率處的由電磁場所產生的信號,並且抑制在該活動定位頻率以外的頻率處的由電磁場所產生的信號。
在管線定位系統中,從電磁場的檢測所確定的信號強度參數提供電流信號(即目標導管中的線路電流)、管線定位器接收器相對於導管中心的位置、該導管距離管線定位器接收器的深度的導出量的基礎,並且還可以用作峰值或零值指示器的輸入(取決於該檢測器所感測的該電磁場的定向)。所有的管線定位系統都測量一個或多個測量通道上的信號強度。
通常在金屬管或電纜密集的地下應用環境中,會出現來自目標導管的活動定位頻率處的信號與其它鄰近的地下導管的耦合。該管線定位系統不是想要跟蹤這些導管(管線),但是來自目標導管的電流通過各種方式(電阻、電感或電容的)耦合到這些鄰近的導管(稱為「洩漏」)可能導致管線定位器混亂(astray),從而使得該管線定位系統的操作者終止跟蹤該目標導管(例如,所關心的管線或電纜),而開始跟蹤鄰近的管線。
在傳統的接收器中,幾乎不可能確定該接收器是否在跟蹤該目標導管,或確定該接收器是否在錯誤地跟蹤鄰近的導管。在複雜的地下導管布局中,來自由鄰近導管中的洩漏電流所產生的電磁場的幹擾的影響會造成非常不對稱的電磁場,這稱作場失真(distortion)。而且,試圖區分該目標導管和鄰近導管的常規系統典型地依賴於來自該發射器的相位信息的無線或有線傳輸,該發射器與該管線定位器的接收器的距離會使得接收這種信息是不切實際的。
因此,需要能夠精確地確定來自該目標導管而不是鄰近導管的信號強度參數的管線定位系統,該系統可以使用信號產生和處理方法,提供作為電感或電容耦合的結果的信號,該信號產生和處理方法僅將該目標導管(管線或電纜)作為傳輸介質,而不依賴於用於該發射器和接收器的分離通信信道,以便共用相位信息。

發明內容
根據本發明,提供一種管線定位器和管線定位器系統,該管線定位器和管線定位器系統能夠區分從目標導管接收到的信號和由於鄰近導管的洩漏而接收到的信號。根據本發明某些實施例的管線定位器的接收器包括耦合以接收輸入信號並鎖定到輸入信號的載波頻率的第一數字鎖相環;耦合以從該第一數字鎖相環接收FM信號並鎖定到輸入信號的調製頻率的第二數字鎖相環;以及耦合以接收輸入信號和來自該第二數字鎖相環的頻率信號並提供同相信號的正交解調器。
在本發明的某些實施例中,管線定位器包括耦合以向目標導管提供電流信號的發射器,該電流信號包括至少一個載波頻率處的信號,以調製頻率調製該信號;和定位器。在某些實施例中,該定位器包括檢測器系統,提供與在該定位器上出現的電磁場相關的至少一個信號;至少一個接收器,耦合以接收該至少一個信號,該至少一個接收器中的每一個包括鎖定到該至少一個信號中的一個的載波頻率的第一數字鎖相環、耦合以從該第一數字鎖相環接收FM信號並鎖定到該至少一個信號中的所述一個的調製頻率的第二數字鎖相環、以及耦合以接收該至少一個信號中的所述一個和來自該第二數字鎖相環的頻率信號並提供同相信號的正交解調器;以及耦合以接收該同相信號並向用戶提供信息的顯示器。
根據本發明某些實施例的檢測與目標導管相關聯的信號而拒絕與鄰近導管的洩漏相關聯的信號的方法包括響應於電磁場而提供輸入信號;鎖定到該輸入信號的載波頻率並提供FM信號;鎖定到該FM信號的調製頻率並提供頻率信號;以及將該頻率信號與該輸入信號混頻,以提供同相信號。
根據本發明某些實施例的確定目標導管的深度的方法包括在該目標導管上提供電流信號,該電流信號包括載波頻率處的信號,該信號以調製頻率調製;確定多個位置處的目標管線的信號強度,該多個位置沿著與該目標導管的敷設線路基本上垂直的線路布置;以及根據該多個位置的目標管線的信號強度來確定深度。根據本發明的某些實施例,該多個位置中的每一個處的目標管線的信號強度可以通過如下來確定響應於該位置的電磁場而提供輸入信號;鎖定到該輸入信號的載波頻率並提供FM信號;鎖定到該FM信號的調製頻率並提供頻率信號;將該頻率信號與該輸入信號混頻,以提供同相信號;以及根據該同相信號來確定該目標管線的信號強度。
下面參照附圖進一步討論這些和其它實施例。


圖1A描述了管線定位器系統的應用。
圖1B描述了可以在特定導管布局的管線定位期間產生的電子電路的範例。
圖2所示為圖1B中所示電路的簡化等效電路。
圖3A和3B示意性地示出了圖2中所示情況的等效電子電路,並且描述了電流信號。
圖4通過方框圖描述了根據本發明的接收器。
圖5描述了可以在根據本發明的接收器的實施例中使用的數字鎖相環。
圖6描述了根據本發明的接收器的另一實施例。
圖7為只具有一個管線或纜線(進入紙張及從紙張出來)的地下定位場景的截面圖。
圖8A和8B描述了管線位置和深度的確定,其中兩個埋藏導管以未知距離分離。
在附圖中,具有相同標記的元件具有相同或類似的功能。附圖中的元件沒有按照比例繪出。
具體實施例方式
圖1A描述了具有管線定位器的管線定位環境。該管線定位器包括定位器110和發射器101。定位器110可以包括根據本發明的接收器的實施例,或者可以是常規定位器。在James W.Waite和Johan D.Overby的序列號為10/622376的美國專利申請(『376申請)「Method and Apparatusfor Digital Detection of Electromagnetic Signal Strength and SignalDirection in Metallic Pipes and Cables」中描述了接收器110的主要數字實施方式的範例,該申請已經轉讓於本發明的受讓人,並且其全部內容合併在此以作參考。
由操作員116操作定位器110,以定位目標導管104。目標導管104直接與發射器101耦合。在許多系統中,發射器101將電流信號耦合到導管104上。如上所述,該電流信號具有處於活動定位頻率的頻率,該活動定位頻率可以是一組標準頻率中之一。如圖1 A中所示,目標導管104可以在地下。發射器101可以直接在地面上的接線盒處與管線104耦合,或者通過在已知位置處挖掘而與管線104耦合。發射器101也可以電感地與管線104電子耦合。
接收器110包括檢測器112和顯示器114。檢測器112可以是用於確定電磁場的任何檢測器。例如,檢測器112可以包括在存在時變磁場時提供電子信號的線圈。可以在接收器110中處理電子信號,並且可以在顯示器114上將該處理的結果通信給操作員116。
檢測器112然後可以檢測由目標導管104中的電流信號產生的磁場118。然而,可以通過電阻耦合、電容耦合或電感耦合,將該相同頻率的電流耦合到鄰近管線126中。鄰近管線126然後可以產生磁場120。因此,由檢測器112提供給定位器110的信號會反映來自目標導管104的磁場118和來自鄰近導管126的磁場120的影響。因此,目標管線104的深度或目標管線104中的電流的計算可能是不精確的。
在Volker Fraedrich和Gerhard Fischer的美國專利No.6411073(『073專利)「Method and Device for Locating a Metal Line」中討論了去除由於電阻耦合而來自鄰近導管126的幹擾,其全部內容合併在此以作參考。該『073專利公開了一種具有由發射器101產生的FM調製方法(稱作「信號選擇」)的管線定位系統,該系統允許發射器101和接收器110共用共同的相位參考。接下來,『376申請描述了在該接收器處測量該信號方向參數的穩健方法,該方法能夠讓操作員檢測當在鄰近導管上出現地面返迴路徑信號時的情況。在這些情況下,接收器110向該用戶提供負信號方向指示,指示該測量的場強度是由於來自載有地面返回電流的導管的電阻洩漏,而不是由於目標導管104的磁場118。
通常情況是在相鄰管線之間出現電阻耦合。如果出現電阻耦合,鄰近管線中的感應電壓信號與目標導管中出現的電流信號反向(相位相差180°)。這是因為已經傳播到鄰近管線的電流在尋找到達管線定位系統的發射器處的相同接地棒(ground stack)的更容易的(即,低阻抗的)返迴路徑。通常,以從發射器101出去的信號作為正方向,並且以進入發射器101的信號作為負方向。通過除了信號強度之外還監視信號方向,人們可以通過正負方向改變,檢測可能的電阻耦合狀況。
在從管線104到管線126的洩漏是電感或電容洩漏的情況下,該問題有點不同。電感和電容洩漏可以出現在較長的位置(即接收器110與發射器101分離較遠),其中目標導管104質量良好並且地面與目標導管104的電纜包皮層之間的電阻較高,或者可替換地,活動定位頻率較高(降低了阻抗閾值,其中電容耦合成為問題)。在電容或電感洩漏中,鄰近導管(例如導管126)上的信號經歷與耦合的傳輸函數對應的相移。在耦合主要是電感或電容的情況下,該信號與發射器101所傳輸的電流信號異相90°。
有時,該洩漏信號(對來自鄰近導管的電磁場的檢測所產生的信號)顯著強於接收器110中通過檢測來自目標導管104的電磁場所產生的信號,並且完全主導著在接收器110處所檢測到的測量場強度。當載有洩漏信號的鄰近電纜(例如圖1A中的導管126)比目標導管淺時,會出現有特殊問題的測量狀況。接收器處的組合信號(例如由檢測磁場118和接收器110的磁場120所產生的信號)具有與由發射器101施加於目標導管104的電流信號的頻率完全相同的頻率,即活動定位頻率(假定該系統是線性時不變(LTI)系統,從而所觀察到的相位改變只是由於該洩漏耦合本身所引起的)。在某些情況下,由更淺的鄰近導管中的洩漏信號所引起的電磁場可以比目標導管104所產生的電磁場更強,在該情況下,接收器處的測量信號可能與發射器101傳送給目標導管104的信號產生90°的相移。
在常規接收器中,在接收器110處不可能知道或確定發射器101的相位,因為發射器101通常包括自由運行的振蕩器驅動器。然而,由定位器110測量的場強度包括來自對目標導管104的電磁場和接地迴路的電磁場的檢測的同相信號的影響,其由於電阻洩漏而異相180°,以及由於對電感或電容耦合的管線的電磁場的檢測所導致的正交信號的影響。在具有顯著耦合的複雜地面應用場景中,這些信號的淨(net)幅度可以導致非同心磁場,即通常稱為場失真的效果。
某些現有技術的管線定位系統通過將活動定位頻率降低到足夠低的值以避免洩漏,而避免由電感或電容洩漏所產生的顯著的場失真。然而,對於超過數千米的長遠位置,活動頻率通常需要降低到大約10赫茲,以避免顯著的洩漏。在美國專利No.5798644和No.6127827中描述了這種系統的範例。
其它系統通過比較從各個檢測器線圈配置得出的場強度信號來檢測場失真的存在。一旦檢測到,可以使用一些技術來針對該失真調節目標導管的定位位置。在美國專利No.6215888中提出了一種標準的峰值和零值線圈配置,通過其可以將測量的場強度與在資料庫中存儲的場強度的模型比較。然後通過利用所選擇的場強度的模型來推斷得到最可能導致所測量的場強度的地下電纜布局,就可以得到更精確的目標管線定位。在Russel Bigelow的美國專利申請No.10/189342(『342申請)中描述了另一種方法,該申請轉讓給了Metrotech公司,並且其全部內容合併在此以作參考。該『342申請參照數值方式來比較來自三個或多個線圈的信號強度測量與未失真場可能產生的信號。用於解決場失真的其它方式使用位置測量方法來映射地面上的磁場和檢測非同心場,非同心場是失真的良好指示。在Gordon Pacey的美國專利申請No.10/407705「Buried Line Locator with Integral Position Sensing」中描述了一種包括慣性位置跟蹤裝置的管線定位器,該申請轉讓給了Metrotech公司,並且其全部內容合併在此以作參考。
在這些以前的系統中,從定位器110處的電磁場檢測的測量場強度參數可以是輻射的目標導管以及其它鄰近耦合的導管的組合。當存在這種耦合時,所存在的失真度就是該目標導管定位的整體質量中的主要因素。在電阻耦合的情況下,美國專利No.6411073和『376申請教導了信號方向參數可以用於區分目標導管和並行耦合的導管中存在的接地返回電流。從對該發射器所傳遞的信號進行信號選擇調製得出接收器的信號的方向,於是就可以在該接收器得到共同的相位參考。
在美國專利No.5194812(『812專利)中所描述的方法通過將該定位信號從發射器無線(或地面上的有線方式)傳輸到接收器來實現噪聲降低。只要該無線鏈路是穩健並且其本身不經過未知相位滯後,就可以在接收器得到相位參考。使用其後面有低通濾波器的模擬混頻器,就可以在該接收器處實現同步信號檢測,導致噪聲降低。該『812專利沒有討論解耦由於與其它鄰近管線的電感或電容耦合所產生的失真。而且,該信號相位參考傳輸的方法易於發生信號阻塞(blockage)並且具有有限的範圍,其能力限制用於長範圍的管線定位。發射器與接收器之間通過類似於GPS的共享時基的時間同步(此後稱為相位參考同步)也受到傳輸路徑問題的限制。
根據本發明,所提供的定位器110包括接收器,所述接收器將對接收器110處的電磁場的檢測所產生的信號劃分成同相信號和正交信號。於是,由施加於目標導管的電流信號以及電阻耦合的洩漏所產生的信號就與由電感或電容洩漏所產生的信號區分開。本發明的實施例將與信號選擇(如『376申請中所述的)解調相關聯的接收器處理進行擴展,以能夠清楚地分離(來自該目標導管和接地返迴路徑信號的)電阻耦合信號與電感或電容耦合所產生的不想要(產生失真)的信號。
最常見的耦合形式是電阻,對於電阻耦合,在位置的整個長度上平行於目標管線布置的導管中的接地返回電流是最典型的。這是城市情況中的共同問題。通過其它電纜(或大地)返回的流經電纜的電流產生磁場,通過接收器110的線圈天線使用相反極性來感測該磁場。在長電纜上,例如在大約50英裡或更長的電纜上,非目標導管不大可能在整個路線上都平行地布置,因此其設施由於便利的(即低阻抗的)接地返迴路徑而受到限制。更可能的是,在接近起點和終點處,有些電纜的走向有一段是相同的,但是在敷設路線的大部分上,其它電纜應該只是有限共同定位長度的局部相鄰。這就表明,耦合主要都是電感的。作為第三種可能性的電容耦合可以在乾燥並且低接地傳導率的區域中起到作用。如果電纜敷設路線的大部分上的耦合是電感的,那麼就會有大約90°的相位差,因為電感耦合是通過互感應的弱耦合(loose coupling)。對於電容耦合,耦合電路中的相位將會是-90°。
在許多常規電纜定位器的接收器中,所提取的信號相位並沒有用作耦合類型的度量,因為還沒有得到關於發射器相位的固定相位參考。『376申請提到了嵌套(雙)數字鎖相環(DPLL)的研製,從而可以在接收器處精確地恢復信號選擇相位參考。這裡所描述的本發明的某些實施例利用類似的方式來恢復發射器101所應用的穩定FM調製頻率的穩定版本,使得使用該FM調製頻率信號作為正交解調器的混頻器輸入。該正交解調的同相信號包括所有電阻耦合的(0°和180°)信號,並且該解調的正交信號表示實際電感和電容耦合(+/-90°)。另外,將該同相信號的符號作為信號方向,表示電阻耦合信號的實際方向,如在『376申請中所述的。
在本發明的某些實施例中,可以通過平均和/或低通濾波進一步增強在定位器110對該信號選擇調製定位信號的處理,從而能夠穩定地估計目標管線場強度(基本上清除了由於電感或電容耦合管線的所有影響)、總場強度(包括由於所有耦合管線所產生的場)、以及信號方向。在一些這種實施例中,並非必須直接比較不同頻率的兩個信號之間的相位來估計該信號方向。這是一個重要的結果,因為數字系統中的相位比較的精度部分地受到信號處理中過採樣的程度的驅動。通過平均的參數估計比採樣值的比較更加穩健,並且該系統可以穩定地工作於接近尼奎斯特速率的採樣速率(不是過採樣)。
在某些實施例中,可以在顯示器114上,通過作為該目標管線上的側向位置x的函數圖,將該場強度值提供給用戶116,其中x是垂直於電纜的坐標。總場強度與目標管道場強度之間具有較大差異的區域表示一個耦合管線或多個管線的影響。當通過捲尺測量、雷射測距、慣性感測、GPS導航、或其它測量方法可靠地得到坐標x時,可以將有效清除了耦合管線影響的目標管線場強度用來精確地對地下導管的坐標(x位置和深度)做三角測量或向量測量。
本發明的某些實施例便於使用非線性優化方法,以根據目標管線場強度來同時估計深度、位置和目標管線104中流動的電流。在存在由於電感或電容耦合所產生的磁場失真時這些估計更加可靠,因為目標管線場強度更接近地符合環繞目標導管104的同心場的物理模型。
當進一步確認耦合管線的存在而因此失真的存在時,在某些實施例中,可以通過發射器101在目標導管104上放置兩個或多個活動信號選擇調製頻率(一個更低,一個更高)。對於管線耦合,阻抗隨著頻率的增加而降低,於是在更高頻率處總場強度與目標場強度之間的差異會更大。這裡所描述的本發明的某些實施例利用高效發射器算法,以在目標導管上產生多個同時信號選擇調製的頻率。為了支持兩個或多個頻率處場失真度的比較,擴展接收器的信號處理,以實施多個並行的信號選擇調製算法。
圖1B描述了一種管線定位場景,其包括從發射器101到接線盒的前向電流、從該接線盒回到該發射器接地棒的反向接地返回電流、以及鄰近管線106上的感應電流。圖1B中所述的導管布局示出了目標導管104和鄰近導管106。圖1B也描述了與目標導管104電耦合的直接連接發射器101。
使用直接連接發射器101的管線定位利用與目標導管104(也稱為目標管線)的電流(galvanic)連接,諸如圖1B中所述。通常在管線的終端存在通過接線或連接盒102對目標導管104的接入,從而該目標導管104的遠端(即與發射器101相對的末端)可以與大地107連接。在通信電纜的情況下,例如可以通過將該遠端的銅線或光纖電纜周圍的金屬外皮接地,實現有效的管線跟蹤,從而通過路徑104和107的組合產生如圖所示的閉環AC電路。
發射器101在目標管線101中產生電流信號。根據本發明的實施例,該電流信號包括一個或多個在載波信號上調製的信號。在某些實施例中,發射器101產生的電流信號可以包括多於一個載波頻率處的信號,從而可以更清楚地區分與耦合的相鄰導管相關聯的可能與頻率有關的影響。
在典型的定位場景中,地下可能存在與目標管線104相鄰的其它管線。根據該物理布局,這些管線也可以形成AC電路的一部分,該AC電路載有來自發射器101的直接或耦合的電流。如圖1B中所示,通過接線盒102處的共用接地連接,管線105可以與目標導管104電耦合。如這裡所述,導管105與目標導管104電阻耦合,即通過目標導管104的電流使用管線103作為到發射器101的更低阻抗的接地返迴路徑。
導管106中流經的另一電流也是發射器101所產生信號的結果。該電流通過從目標管線104到導管106的電感或電容耦合,被耦合到導管106中。實際上,通過弱耦合的接地108,建立了分離的電流環路,使得耦合的導管105中該信號的感測仍然是正的,即與目標導管方向相同。
測量區域103中信號強度的管線定位器因此看到由於從導管104、105和106發出的磁場所導致的信號的組合。這些信號之和是一個失真場,因為其不再同心環繞該目標導管104的軸,如果只有目標管線104載有定位頻率的電流信號則其是同心的。某些定位器已經能夠將反方向信號105與目標導管104上的正向信號區分。本發明的實施例也可以明確地識別導管106上存在的耦合信號。
圖2示出了圖1B中所示電路的簡化等效電路。特別地,圖2描述了互感應如何在耦合管線106中產生AC電流。如圖2中所示,該接地路徑也是弱耦合的。圖2是該情況的簡化示意,其僅示出了載有電流Ii的該耦合導管106和載有電流Ig的目標導管104(用於電流(galvanic)的、或直接耦合的電流)。發射器101在該示意圖中表示為信號發生器。
圖3A是將該問題進一步簡化的等效電子示意圖,環路104和105通過互感301耦合在一起。已知的是,在電感耦合的情況下,感應電流II比主環路中的電流Ig滯後90°,如圖3B中所圖示。
注意,如果導管104和106之間的耦合是電感而不是電容的,情況非常相似。然而在這種情況下,鄰近導管106中的電流會比主環路目標導管104中的電流超前90°。
根據本發明的實施例,通過發射器101應用於目標導管104(附圖1)的電流信號包括載波頻率,載波頻率是上述活動管線定位頻率。此外,可以將FM調製頻率疊加到該電流信號上。在某些實施例中,該FM調製頻率是該載波頻率的整數倍。
圖4描述了根據本發明實施例的接收器410的方框圖。如上面所討論,接收器410被包括在定位器110中。接收器410包括檢測器409,檢測器409檢測電磁場的強度並提供一個或多個輸入信號401。在某些實施例中,檢測器409可以包括磁場檢測器以及濾波器和數位化器。在某些實施例中,定位器410可以包括具有檢測器409的多個單獨的接收器410,其中檢測器409用於檢測在特定方向上分布的電磁場的磁場。接收器410首先鎖定到數字鎖相環DPLL 402中的載波頻率上,即活動定位頻率,然後鎖定到DPLL 404中的FM調製頻率上,以提供基本上不受鄰近導管的電感或電容洩漏影響的信號(目標管線強度)。
然後在接收器410中,處理過程首先從該載波信號中解調信號選擇FM信號,然後通過所檢測的參考相位來解調原始輸入信號。然後首先在載波DPLL 402中接收到輸入信號401。將來自DPLL 402的輸出信號耦合到FM解調DPLL 404中。因此DPLL 402和404首先鎖定到載波頻率,並接著鎖定到FM調製頻率,FM調製頻率是DPLL 402的操作所產生的誤差項。在某些實施例中,可以在DPLL 402與DPLL 404之間提供下採樣器(downsampler)403,以提高處理效率,因為FM調製頻率可能是載波頻率的分數倍。在『376申請中進一步討論了載波DPLL 402、下採樣器403以及FM解調DPLL 404的某些實施例。
將來自DPLL 404的輸出信號耦合到正交解調器406中,在正交解調器406中該輸出信號用於解調輸入信號401。從正交解調器406得到的輸出信號包括同相信號408,其是目標管線的信號強度;以及正交信號407,其是電容或電容洩漏管線的信號強度。在某些實施例中,也可以包括正交上採樣器405,使得可以調節同相信號408和正交信號407的採樣速率。可以進一步處理接收器410中所產生的信號,用於顯示給用戶116和顯示器114。
圖5描述了根據本發明實施例的載波DPLL 402的實施例。載波DPLL 402包括混頻器501,混頻器501將信號輸入401與數控振蕩器(NCO)503所產生的周期函數混頻。接收來自混頻器501的複合輸出信號的反正切函數502產生相位誤差信號504。簡單地用輸入信號的實數項除以虛數項也可以形成該相位誤差的簡單估計,因為反正切函數502在零點附近近似是線性的。將來自反正切函數502的相位誤差信號504輸入到NCO 503,NCO 503調節輸出到混頻器501的周期函數的相位和頻率,並且也可以輸出針對相位和頻率的值。在某些實施例中,NCO 503可以使用二階環路等式來控制到混頻器501的反饋,從而使得DPLL 402能夠逐漸地會聚到鎖定狀態。在鎖定狀態時,信號505表示信號輸入401與頻率Fc處的平均載波之間的差,並且作為FM信號的表示,轉發到FM DPLL 404。
圖6描述了根據本發明的接收器410的另一實施例。如圖所示,輸入信號401輸入到正交解調器406和載波DPLL 402。如已經參照圖5所描述的,載波DPLL 402包括混頻器501、反正切函數502和NCO 503。將來自載波DPLL 402的FM信號輸入到FM DPLL 404。再次在如圖5中所示的DPLL 402中,FM DPLL 404包括混頻器611、反正切函數612以及數控振蕩器613。如圖6中所示,混頻器611接收來自DPLL 402的FM信號,並且混頻從數控振蕩器613輸出的FM調製信號。數控振蕩器(NCO)613根據反正切函數612所產生的FM相位誤差信號,來調節混頻器611中所混頻的周期函數的頻率和相位。在某些實施例中,NCO613可以使用二階環路等式來控制到混頻器611的反饋,從而使得DPLL404能夠逐漸地會聚到鎖定狀態。輸入到DPLL 404的混頻器611中的周期反饋函數也輸入到正交解調器406。
在某些實施例中,也可以將從DPLL 402輸出的複合FM信號的幅度601輸入到濾波器602,以提供總信號強度信號603。總信號強度信號603包括來自目標導管104、諸如圖1B中所示導管105的電阻耦合的鄰近導管、以及諸如圖1B中所示導管106的電感耦合的鄰近導管的影響。
如圖6中所示,正交解調器包括混頻器614、同相濾波器616以及正交濾波器615。混頻器614將輸入信號401與DPLL 404所產生的正弦函數混頻。因此,混頻器614的輸出信號就是具有實數和虛數部分的DC信號。該實數、或同相部分是從目標導管104或者從與目標導管104電阻耦合的導管所產生的信號的結果。因此,同相濾波器616分離開從混頻器614輸出的信號的實數部分。同相濾波器616的輸出信號可以輸入到濾波器604。濾波器604的輸出信號表示來自目標導管104以及來自可能與目標導管104電阻耦合的導管的信號強度。濾波器604的輸出信號的符號表示信號方向,如在『136申請中所討論的。可以在符號框605中確定該符號,以提供信號的方向信號。
可以在正交濾波器615中分離混頻器614的輸出信號的正交部分並在濾波器617中對其濾波。濾波器617的輸出信號提供由於從與目標導管104電感或電容耦合的鄰近導管所檢測到的信號所產生的信號強度。
因此,將所檢測的正交FM信號與輸入信號401正交混頻就能夠將來自目標導管104以及可能與目標導管104電阻耦合的那些導管的影響與由於與目標導管104電感或電容耦合的導管的信號的影響分離開。如圖4中所示,在某些實施例中可以包括正交上採樣器405,以使採樣頻率返回到輸入信號401的頻率。
如圖6中所述,通過DPLL 402和404的組合恢復載波頻率與FM信號之間由發射器101建立的相位參考,並且這可以用來解耦洩漏信號強度與由於目標管線104和其它電阻耦合元件的信號強度。正交解調器非常適合該任務,其表示複合正弦的乘積,並且導致將輸入信號分解成為其實數和虛數部分。該虛數部分對應於關於該實數部分異相90°的電感或電容耦合信號。該實數部分表示從目標導管以及載有反方向返回電流的那些導管發出的電阻耦合信號。
圖6中所示的接收器610的實施例表示信號處理系統的實施例,該信號處理系統同時計算總信號強度603、目標管線的信號強度606(正交解調器406的實數部分)以及信號方向。某些實施例可以不包括確定非電阻洩漏信號強度的確定,因為接收器610的主要目的可能是提供除去失真的信號強度估計606,因此可以用作無偏差深度和電流測量的基礎。從濾波器604輸出的目標管線強度信號的符號是輸入信號401的電阻耦合分量的信號方向,其用來確定是否從發射器發出目標信號,或者確定接地返回電流,諸如管線105上存在的電流。在這種布局中,該信號方向被濾波並因此表示真實平均,這不同於需要參考載波信號與調製信號之間的相位比較的多數常規方法。濾波器602、604和605可以具有低通特性,並且可以被設計用來衰減通過顯示裝置114(圖1A)提供給用戶的信號強度值。
總信號強度測量603就是管線定位系統通常所提供的。如通常在現有技術中所提到的,信號603中所存在的信號失真可以導致目標管線深度和位置的偏差估計。在某些實施例中,可以通過比較從濾波器604輸出的目標管線信號的強度信號與從濾波器602輸出的總信號強度信號來確定場失真的相對量。當總信號強度信號603與從濾波器604輸出的目標管線的信號強度基本上相等時,就可以說該測量沒有失真。
由於來自濾波器604的目標管線信號的強度信號表示除去了由於電感或電容耦合所產生信號洩漏的影響的目標管線104的場強度,就有可能使用優化算法來計算目標導管104的無偏差深度和目標導管104中的電流,而基本上沒有會聚到局部最小值的危險,如果在計算中使用了失真的總信號強度信號603,就可能會聚到局部最小值。可以將在接收器610中所產生的上述信號輸入到顯示器620。顯示器620可以包括處理器622和用戶接口624。例如,處理器622可以根據信號方向和目標管線信號的強度信號來計算各種參數和結果。用戶接口624則可以將結果顯示給用戶116。
例如,圖7描述了用於確定目標導管104的深度的幾何圖。使用目標管線104上流出紙面的電流Ig,用戶建立任意參考位置701,並且沿方向702垂直跨過該管線。有三點是未知的電流Ig、中心線位置xl以及深度z。當用戶跨過管線的時候,例如由顯示器620中的處理器622自動收集幾個到多個來自濾波器604的目標管線信號的強度信號的獨立測量。在圖7中,由沿著地表面的實線標記這些測量的x位置,並且顯然對於信號處理領域的熟練技術人員而言,這些測量之間的x增量可以任意小,並且只受到有效指令周期的限制。
假定長的線性目標導管104,那麼通過下面的等式給出無失真信號的信號強度幅度hn:=1[2(xn-xl)2+z2](cos(atan(xn-xlz)))]]>(等式1)其中Ig是電纜中未知電流的幅度,其對於所有測量hn而言都是恆定的。注意,對於圓柱形場而言,hn與從測量點到電纜的半徑成反比(如在xn=xl時在等式中所示)。只有x方向上(已知x間隔)沿著地面的系列幅度測量是已知的。為了簡明,雖然在某些實施例中可以擴展該分析,使得可以在一組任意x、y和z位置處進行場強度測量(其中y是電纜的方向),但是我們可以假定坐標x垂直於電纜軸線。在某些實施例中,可以通過包括在定位器110中的位置確定系統來確定該x、y和z位置。
圖8A描述了以未知距離分離的兩個埋藏電纜104和106。實線表示電阻耦合的目標導管中的動電電流。虛線表示並行管線中的感應電流,並行管線可以處於不同深度的地下。圖8A也示出了實施例的手持定位器110中的關鍵測量傳感器,其能夠自動產生圖8B中所示x向量修正的場強度圖。
圖8B示出了根據洩漏解耦方法得到的場強度幅度(點線)以及同相(虛線)和正交(實線)分量輸出。該場強度幅度由來自目標導管以及載有由於互感所產生的電流的並行導管的信號組成。如果該信號強度幅度用來對目標管線的深度和位置進行向量測量,就會產生估計誤差。
如圖8A中所示,具有根據本發明的接收器410的手持管線定位器110與顯示器620耦合,顯示器620可以包括處理器622和用戶接口624,以顯示總場強度,用戶通過總場強度可以推導出目標導管104在大致坐標中的位置。然而,該總場強度信號由於存在導管106而產生失真,導管106載有由於電感洩漏而產生的與導管104方向相同的電流Ii。管線104和106以未知距離Δx分離。在圖6中所示的信號處理接收器410中實施的洩漏解耦方法能夠分離從導管104和106發出的信號(並且由參考線圈804測量),因此能夠改進目標導管104的位置估計。
除了通過其可以推導出檢測器409中的輸入信號401的參考線圈804之外,定位器接收器110可以包括3軸慣性位置跟蹤系統802、電子地磁羅盤803以及導向線圈805。使用每一個都可以提供小間隔x測量的這些裝置,就可以將在大致橫向方向上管線的行走跨越轉換為沿著以距離單元校準的管線的精確垂直跨越。地磁羅盤803通常提供用戶應該跟隨的指引,並且用來使行走路線修正回到直線路徑。慣性位置(在跟蹤802中通過3軸加速度的積分而得到)使得系統處理器能夠計算沿著路徑的絕對距離(在3d空間中)。在長線性導管的同心場中,當行走路線精確垂直時,導向線圈將具有零響應。於是,所測量的導向線圈的場強度可以用來將行走路徑修正為垂直跨越目標導管或電纜。
顯然可以有將測量位置修正為跨越目標電纜的垂直路徑的其它類似方法,其中使用雷射測距器、雷達或超聲波位置測量裝置、以及簡單的測量工具,例如滾輪測量或捲尺測量。
通過這種方式,在「行走定位」期間可以修正參考線圈804的位置,以能夠提供如圖8B中所示的場強度。沿著橫坐標x的位置表示跨過該管線的垂直距離,具有任意起點位置Xref。軌跡808是從記錄的一組信號603推導出的信號強度的整體幅度。軌跡809表示從正交解調器的同相輸出得到的基本上沒有失真的信號,其從記錄的一組信號606推導出。軌跡809是負的,因為通常正方向y表示目標管線方向,而在圖8A中所提供的範例中,電流沿負y方向上流動。在x軸上的每一測量點處,將正交解調器406的濾波同相輸出605的符號作為信號方向。為了比較,軌跡807是濾波的正交輸出,作為橫跨位置在管線上的函數。然後,軌跡807表示從耦合導管106發出的信號,其關於來自目標管線104的信號異相90°。
針對z、xl和Ig的聯立解是一個非線性最小均方問題。該解的一個實施例使用優化算法,例如使用Levenberg-Marquardt算法,並且將數據同時擬合到三維(未知的xl、z和I)。根據粗略的場信息推導出所有三個量的初始條件。Levenberg-Marquardt算法使用多次迭代來使量|hn-hn』|的平方和最小化,其中hn』是信號強度沿著x軸的測量值。
如果該組信號強度結果808(表示來自兩個導管的總場強度)作為等式1中的測量值hn』,將會出現偏差結果,如中心線誤差810所示。更差的一種表現是,優化可能由於存在耦合導管而在1/r場中產生失真,會聚到錯誤的一組值。但是當目標管線場強度結果組809形成優化程序的輸入時,可以得到針對xl、z和Ig的性能良好的聯立解,並且其可以具有良好的會聚屬性。在這種情況下,在中心管線或深度位置中沒有引入偏差。
這裡所描述的實施例僅僅是本發明的範例。本領域的技術人員從這裡所公開的本發明的說明書和實際應用中,可以明白在該說明書的精神和範圍內的本發明的其它實施例。該說明書和範例僅用作範例考慮,而沒有限制性。因此本發明的範圍僅僅通過所附的權利要求書來限定。
權利要求
1.一種用於管線定位器的接收器,包括第一數字鎖相環,耦合以接收輸入信號,並鎖定到該輸入信號的載波頻率;第二數字鎖相環,耦合以從該第一數字鎖相環接收FM信號並鎖定到該輸入信號的調製頻率;以及正交解調器,耦合以接收該輸入信號和來自該第二數字鎖相環的頻率信號,並提供同相信號。
2.如權利要求1所述的接收器,其中該第一數字鎖相環包括混頻器,將該輸入信號與具有與該載波頻率相關的頻率和相位的周期反饋函數混頻,並提供混頻信號;反正切函數,耦合以接收該混頻信號並提供該相位誤差信號;以及數控振蕩器,耦合以響應於該相位誤差信號而提供該周期反饋函數。
3.如權利要求2所述的接收器,其中響應於該混頻信號的幅度而提供總信號強度信號。
4.如權利要求2所述的接收器,其中該第二數字鎖相環包括第二混頻器,將該FM信號與具有與該調製頻率相關的頻率和相位的第二周期反饋函數混頻,並提供第二混頻信號;第二反正切函數,耦合以接收該第二混頻信號並提供第二相位誤差信號;以及數控振蕩器,耦合以接收該第二相位誤差信號,並響應於該第二相位誤差信號而提供該頻率信號。
5.如權利要求4所述的接收器,其中該正交解調器包括第三混頻器,耦合以將該輸入信號與該頻率信號混頻;以及實數濾波器,耦合以接收來自該第三混頻器的信號,並提供目標管線信號的強度信號。
6.如權利要求5所述的接收器,其中根據該目標管線信號的強度信號的符號來確定信號的方向信號。
7.如權利要求5所述的接收器,還包括正交濾波器,耦合以接收來自該第三混頻器的信號,並提供非電阻洩漏信號的強度信號。
8.如權利要求1所述的接收器,還包括耦合在該第一數字鎖相環與該第二數字鎖相環之間的下採樣器。
9.如權利要求1所述的接收器,還包括耦合在該第二數字鎖相環與該正交解調器之間的正交上採樣器。
10.如權利要求1所述的接收器,其中從該同相信號中推導出來自目標導管的信號強度。
11.一種定位器,包括檢測器系統,提供與該定位器處存在的電磁場相關的至少一個信號;至少一個接收器,耦合以接收該至少一個信號,該至少一個接收器中的每一個都包括第一數字鎖相環,鎖定到該至少一個信號中的一個的載波頻率;第二數字鎖相環,耦合以從該第一數字鎖相環接收FM信號並鎖定到該至少一個信號中的所述一個的調製頻率;以及正交解調器,耦合以接收該至少一個信號中的所述一個和來自該第二數字鎖相環的頻率信號,並提供同相信號;以及顯示器,耦合以接收該同相信號並向用戶提供用戶信息。
12.如權利要求11所述的定位器,其中該檢測器系統包括一個或多個檢測器,感測該電磁場的磁場;以及一個或多個數位化器,將來自該一個或多個檢測器所提供的信號的該至少一個信號數位化。
13.如權利要求11所述的定位器,其中該第一數字鎖相環包括混頻器,將該至少一個信號中的所述一個與具有與該載波頻率相關的頻率和相位的周期反饋函數混頻,並提供混頻信號;反正切函數,耦合以接收該混頻信號並提供該相位誤差信號;以及數控振蕩器,耦合以響應於該相位誤差信號而提供該周期反饋函數。
14.如權利要求13所述的定位器,其中響應於該複合FM信號的幅度而提供總信號強度信號。
15.如權利要求13所述的定位器,其中該第二數字鎖相環包括第二混頻器,將該FM信號與具有與該調製頻率相關的頻率和相位的第二周期反饋函數混頻,並提供第二混頻信號;第二反正切函數,耦合以接收該第二混頻信號並提供該頻率信號;以及數控振蕩器,耦合以接收該第二相位誤差信號,並響應於該第二相位誤差信號而提供該頻率信號。
16.如權利要求15所述的定位器,其中該正交解調器包括第三混頻器,耦合以將該至少一個信號中的所述一個與該頻率信號混頻;以及實數濾波器,耦合以接收來自該第三混頻器的信號,並提供目標管線信號的強度信號。
17.如權利要求16所述的定位器,其中根據該目標管線信號的強度信號的符號來確定信號的方向信號。
18.如權利要求16所述的定位器,還包括正交濾波器,耦合以接收來自該第三混頻器的信號,並提供非電阻洩漏信號的強度信號。
19.如權利要求11所述的定位器,還包括耦合在該第一數字鎖相環與該第二數字鎖相環之間的下採樣器。
20.如權利要求11所述的定位器,還包括耦合在該第二數字鎖相環與該正交解調器之間的正交上採樣器。
21.如權利要求11所述的定位器,還包括與該顯示器耦合以提供方向信息的羅盤。
22.如權利要求11所述的定位器,還包括與該顯示器耦合以提供定位信息的慣性位置跟蹤。
23.如權利要求11所述的定位器,其中根據該同相信號推導出來自目標導管的場強度。
24.一種消除場失真的方法,包括將由發射器放置在目標導管上的相位參考信號解調成為同相和正交信號。
25.如權利要求24所述的方法,其中該同相信號表示來自該目標導管的基本上沒有失真的場強度。
26.一種管線定位器系統,包括發射器,耦合以向目標導管提供電流信號,該電流信號包括載波頻率處的至少一個信號,該信號以調製頻率調製;以及定位器,該定位器包括檢測器系統,其提供與該定位器上存在的電磁場相關的至少一個信號;至少一個接收器,耦合以接收該至少一個信號,該至少一個接收器中的每一個都包括第一數字鎖相環,鎖定到該至少一個信號中的一個的載波頻率;第二數字鎖相環,耦合以從該第一數字鎖相環接收FM信號並鎖定到該至少一個信號中的所述一個的調製頻率;以及正交解調器,耦合以接收該至少一個信號中的所述一個和來自該第二數字鎖相環的頻率信號,並提供同相信號;以及顯示器,耦合以接收該同相信號並向用戶提供用戶信息。
27.一種管線定位器系統,包括用於將電流信號耦合到目標導管的裝置;用於接收與定位器上存在的電磁場相關的信號的裝置;用於鎖定到該電流信號的載波頻率的裝置;用於鎖定到FM信號的裝置,該FM信號來自用於鎖定到該載波頻率的裝置;以及用於執行頻率信號的正交解調的裝置,該頻率信號來自用於鎖定到該調製信號的裝置。
28.一種用於檢測與目標導管相關聯的信號、同時拒絕與鄰近導管的洩漏相關聯的信號的方法,包括響應於電磁場而提供輸入信號;鎖定到該輸入信號的載波頻率並提供相位誤差信號;鎖定到FM信號並提供頻率信號;以及將該頻率信號與該輸入信號混頻,以提供同相信號。
29.如權利要求28所述的方法,還包括根據該複合FM信號的幅度來提供總信號的強度信號。
30.如權利要求28所述的方法,還包括根據該同相信號來提供目標管線信號的強度信號。
31.如權利要求30所述的方法,還包括根據該目標管線信號的強度信號來提供信號的方向信號。
32.如權利要求28所述的方法,還包括提供正交信號。
33.如權利要求32所述的該方法,還包括根據該正交信號來提供非電阻洩漏信號的強度信號。
34.一種確定目標導管的深度的方法,包括在該目標導管上提供電流信號,該電流信號包括載波頻率處的信號,該信號以調製頻率調製;確定多個位置處的目標管線的信號強度,該多個位置沿著與該目標導管的敷設路線基本上垂直的線路布置;以及根據該多個位置處的目標管線的信號強度來確定深度,其中通過下面的步驟確定該多個位置中的每一個處的目標管線的信號強度響應於該位置處的電磁場而提供輸入信號;鎖定到該輸入信號的載波頻率並提供FM信號;鎖定到該FM信號中的調製頻率並提供頻率信號;將該頻率信號與該輸入信號混頻,以提供同相信號;以及根據該同相信號確定該目標管線的信號強度。
全文摘要
當電纜(104、126)在長距離上並排布置時,用於電纜定位的交流電信號可能耦合或「洩漏」到相鄰電纜。在產生場失真的該相鄰電纜中流動的該耦合電流使得難以確定該目標電纜的位置。兩個(或多個)電纜(104、126)所得到的磁場不是圓形的,並且是通常所知道的失真場。已經建立的用於查找被調查的電纜(104)的位置的方法導致不精確甚至錯誤的定位。這裡所描述的方法通過將由發射器(101)放置在該電纜上的相位參考信號解調成兩個信號強度成分而消除了由於耦合電纜所產生的場失真。同相信號表示該目標導管(104)的場強度,並且基本上沒有場失真。另一個正交信號包含與失真相關的場的分量。
文檔編號G01V3/08GK1973215SQ200580014328
公開日2007年5月30日 申請日期2005年3月30日 優先權日2004年5月6日
發明者赫伯特·施蘭普, 約翰·D·奧弗比 申請人:麥特羅特克公司

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專利名稱:新型熱網閥門操作手輪的製作方法技術領域:新型熱網閥門操作手輪技術領域:本實用新型涉及一種新型熱網閥門操作手輪,屬於機械領域。背景技術::閥門作為流體控制裝置應用廣泛,手輪傳動的閥門使用比例佔90%以上。國家標準中提及手輪所起作用為傳動功能,不作為閥門的運輸、起吊裝置,不承受軸向力。現有閥門

用來自動讀取管狀容器所載識別碼的裝置的製作方法

專利名稱:用來自動讀取管狀容器所載識別碼的裝置的製作方法背景技術:1-本發明所屬領域本發明涉及一種用來自動讀取管狀容器所載識別碼的裝置,其中的管狀容器被放在循環於配送鏈上的文檔匣或託架裝置中。本發明特別適用於,然而並非僅僅專用於,對引入自動分析系統的血液樣本試管之類的自動識別。本發明還涉及專為實現讀