能對鑽孔工具定位的無槽地下鑽孔系統的製作方法
2023-05-14 08:57:01
專利名稱：能對鑽孔工具定位的無槽地下鑽孔系統的製作方法
技術領域：
一般地說，本發明涉及無槽地下鑽孔領域，更具體地說，涉及獲取地下鑽孔工具位置數據的系統和方法，用來根據定位數據控制地下鑽孔工具和獲得工具鑽孔時穿過的地下介質的特性。
背景技術：
由於安全和美觀的原因，水、電、氣、電話以及有線電視的公用線路常常是從地下通過。在許多場合，地下公用設施可以埋入溝槽中，然後再把溝槽回填。雖然在新建築地區把設施埋入溝槽中是有用的，但這有一些缺點。在支持已存在建築物的地區，溝槽會對結構和道路造成嚴重的擾動。再有，極其可能由挖溝槽損壞先前埋入的設施，而且那些受挖溝擾動的結構和道路很少能恢復到它們原來的狀態。再有，溝槽會對工人和過路人帶來造成傷害的危險。
為了克服上述缺點以及其它在採用傳統挖溝技術時沒有解決的問題，近來已經發展了鑽水平地下孔的通用技術。根據這種通用水平鑽孔技術〔也稱作微隧道挖掘(microtunnelling)或無槽地下鑽孔〕，鑽孔系統設在地表面上，並以相對於地面傾斜的角度向地下鑽孔。為了移走切削碎屑和碴土，水流經鑽杆柱流過鑽孔工具再從鑽孔返回地面。在鑽孔工具達到預期深度後，於是工具被定向沿著基本水平的路徑以產生一水平鑽孔。在得到預期鑽孔長度之後，工具被定向為向上穿過地面。然後一擴孔鑽被固定在鑽杆柱上，鑽杆柱被通過鑽孔拉回，從而把鑽孔擴大到較大的直徑。通常把公用線或導管附著在擴孔工具上，從而使它和擴孔鑽一起被拖拉穿過鑽孔。
這種無槽鑽孔的通用方法已由Geller等人(美國專利4,787,463)和Dunn(美國專利4,953,638)描述過。對地下鑽孔工具導向的方法在這些專利中已被公開。為了提供鑽孔工具在地下的位置，Geller披露引入一無線電發射器形式的主動信標(active beacon)置於鑽孔工具內。使用一位於地面的接收器通過無線電測向(radio direction finding)確定工具的位置。然而，由於信標和檢測器之間無同步，故不能直接測量工具的深度，因而鑽孔工具位置的測量被限制在二維表面平面。然而，可以通過測量鑽孔工具處的水壓間接地確定鑽孔工具的深度，但這一過程需要停止鑽孔操作。再有，在現有技術中描述的無線電測向技術在確定鑽孔工具位置方面的精度有限。當在含有一些已存在的地下設施或其他天然或人為障礙物的地區進行無槽地下鑽孔時，這些局限性會造成嚴重的後果，因為在這種情況中必須精確地確定鑽孔工具的位置，以避免偶然地擾動或損壞設施。
使用可穿透地下雷達(ground penetrating radar，GPR)完成沿預定無槽鑽孔路線的勘察，這種應用已由Kathage(第四屆地下穿透雷達國際會議文集，芬蘭地質調查局，專題論文16，「一種挑戰水平鑽孔面前的GPR」，第119-124頁，1992年6月)和Geunther等人(第五屆地下穿透雷達國際會議文集，三卷中的第三卷，「利用GPR為微隧道工程進行鑽孔障礙物的地球物理調查」，第1151-1165頁，1994年6月)，他們指出了利用GPR確定被勘察的地下某些地質特性和把勘察結果存儲在資料庫中所具有的若干優點。然而，在這些出版物中描述的在勘察過程中得到的GPR圖象信息只在有限範圍內應用，例如把這些圖象信息添加到勘察資料庫中或用於對勘察資料庫進行一些有限的操作。
地下穿透雷達在檢測地下介電常數的甚至很小的變化方面是一項敏感的技術。結果，由GPR系統產生的圖象包含大量的細節，其中大量的是對手頭任務而言不想要的或不必要的。所以，在使用GPR對鑽孔工具定位方面的主要困難，是在現有技術中不能正確地區分鑽孔工具信號和由其他特徵產生的所有信號，這些信號共同被稱作雜亂信號(clutter)。此外，取決於鑽孔工具的深度和中間地下介質的傳播特性，來自鑽孔工具的信號相對此雜亂信號會特別弱。其結果是，鑽孔工具信號或者被錯誤地解釋或者甚至未被檢測到。
最理想的是利用一種設備(例如GPR系統)在三維空間對地下鑽孔工具定位，而且其精度高於當今技術狀況所能得到的精度。然而，由於上述理由，尚沒有一種無槽鑽孔系統能提供地下鑽孔工具的高精度位置。
發明概要本發明涉及利用類似雷達的探測器和檢測技術對地下鑽孔工具進行定位的裝置和方法。對鑽孔工具提供一裝置，其響應從地面上發出的探測信號而產生一特定的特徵信號。在地平面上的探測信號發射器和在地下鑽孔工具內提供的特徵信號發生裝置之間聯合作用，在即使有大的背景信號的情況下，也能得到對鑽孔工具的精確檢測。對鑽孔工具的精確檢測使操作人員能在操作過程中對鑽孔工具精確定位，而且如果提供定向能力的話，還能避免諸如公用設施等隱匿障礙物和其他障礙。探測信號可以是微波或聲波。
由鑽孔工具產生的特徵信號可以是被動的也可以是主動的。再有，特徵信號的產生方式可以在一或多個方面(包括計時、頻率成分，或極化特性)與探測器不同。
根據一個實施例，在鑽孔操作之前或在鑽孔操作過程中對鑽孔場地進行勘察，以提供與受勘察的地下介質的特性相關的數據。把勘察過程中獲得的地下特性數據與(已有的)歷史數據(這些數據把地下類型和鑽孔生產率關聯起來)進行相關比較，從而使能估計在被勘察場地的鑽孔生產率和總費用。能對計劃的鑽孔路徑進行精確勘察，並能精確測量鑽孔操作過程中鑽孔工具的位置，以供當時或其後與計劃路徑進行比較。可以根據測量的位置調整鑽孔工具的方向，以便保持鑽孔工具沿著計劃的路徑鑽孔。
附圖簡述
圖1為根據本發明一實施例的無槽地下鑽孔裝置側視圖；圖2為圖1的無槽地下鑽孔工具以及探測器與檢測單元的側視詳細示意圖；圖3為以時間域描述特徵信號產生的曲線；圖4為以頻率域描述特徵信號產生的曲線；圖5表示產生被動微波特徵信號的三個實施例；圖6表示產生主動微波特徵信號的四個實施例；
圖7表示產生主動聲波特徵信號的二個實施例；圖8表示包含主動微波特徵信號發生器的鑽孔工具的實施例；圖9為對隱匿的目標採樣由地下穿透雷達系統使用單軸天線系統接收到的反射信號的圖例；圖10為通常與地下穿透雷達系統一起使用的傳統的單軸天線系統以提供二維地下地質成象的圖例；圖11為包括多個按正交關係取向的天線的新型天線系統，用於和地下穿透雷達系統一起提供三維地下地質成象的圖例；圖12為具有非均勻地下地質結構的鑽孔場地的圖例；圖13是使位置指示器、地理記錄系統、各種資料庫以及地質數據獲取單元合為一體的無槽鑽孔系統控制單元的系統方框圖；圖14為鑽孔場地和含有定位裝置的無槽鑽孔系統的圖例；圖15以流程圖形式表示完成的鑽孔前勘察的概括性方法步驟；圖16為用於控制鑽孔操作的無槽地下鑽孔系統控制單元的系統方框圖；圖17-18以流程圖形式表示完成無槽鑽孔操作的概括性方法步驟；圖19表示包含各種傳感器的無槽地下鑽孔工具的一實施例，並進一步描述傳感器的信號信息；以及圖20表示包含一主動信標和各種傳感器的無槽地下鑽孔工具的一實施例，並進一步描述傳感器的信號信息。
實施例詳述現在參考圖例，更具體地說是參考圖1，圖中表示一無槽地下鑽孔系統的實施例，其包含一檢測系統用以檢測地下鑽孔工具的位置。圖1表示的截面穿過進行鑽孔操作的地下部分10以及位於地面11之上的所描述的檢測系統的大部分構件。此無槽地下鑽孔系統(總體上用系統12表示)包括一平臺14，在它上面放置被傾斜的縱向部件16。平臺14被用銷釘18或其他箝固部件固定在地上，以防止平臺14在鑽孔操作過程中移動。縱向部件16上放置一推進/拉回泵20用於沿向前的縱方向驅動鑽杆柱22，如圖中總體上用箭頭表示的那樣。鑽杆柱22是由多個端端相連的鑽杆柱部件23構成的。也位於傾斜縱向部件16之上並被裝配成允許沿縱向部件16運動的是一轉動馬達19，其用於轉動鑽杆柱22(圖中表示的是介於上部位置19a和下部位置19b之間的中間位置)。在操作過程中，轉動馬達19轉動鑽杆柱22，而在鑽杆柱22的末端具有鑽孔工具24。
鑽孔操作過程如下。轉動馬達19在開始時位於上部位置19a並轉動鑽杆柱22。在鑽孔工具24轉動過程中，轉動馬達19和鑽杆柱22被推拉泵20沿向前方向朝著下部位置推向地下，從而造成井孔26。當鑽杆柱22已被推入井孔26達一個鑽杆柱部件23的長度時，轉動馬達19達到了下部位置19b。然後對鑽杆柱22添加一個新的鑽杆柱部件23，並且轉動馬達被釋放和拉回到上部位置19a。然後轉動馬達19夾持在新的鑽杆柱部件上並且重複轉/推過程，從而迫使新增長的鑽杆柱22進一步進入地下並使井孔26延長。通常，水被通過鑽杆柱22泵入並通過井孔返回，以移出切削碎屑、碴土和其他碎料。如果鑽孔工具24包含控制其方向的定向能力，那麼便能夠給予所造成的井孔26一個理想的方向。在圖1中表示的井孔26在點31附近彎曲，由開始時的傾斜部分變成了平行於地面11。探測和檢測單元(PDU)28位於地面11之上並能與無槽地下鑽孔系統12分開，PDU28被安裝在輪子29或軌道上，以便允許沿著與鑽孔工具24的地下路徑相對應的路徑在地面上穿行。PDU28通過數據傳輸線34與控制單元32相連。
參考圖2可更清楚地描述PDU28的操作。PDU28一般用於向地下發射探測信號36並檢測返回的信號。PDU28包含一用於產生探測地下10的探測信號36的發生器52。發射器54從發生器52接收探測信號36並轉而把探測信號36(圖2中用實線表示)發送到地下10。在第一實施例中，發生器52是微波發生器，而發射器54是發射微波探測信號的微波天線。在另一個實施例中，發生器52是一個聲波發生器並產生聲波，而發射器54通常是一個放入地下10的探頭，以保證有好的機械接觸而將聲波傳入地下10。
由PDU28發射的探測信號36向地下傳播並遇到地下障礙物，其中之一表示為30，其把返回信號40(圖2中用點線表示)散射回PDU28。一特徵信號38(圖2中用短劃線表示)也從位於井孔26中的鑽孔工具24返回到PDU28。
PDU28的檢測部分包括接收器56、檢測器58和信號處理器60。接收器56接收來自地下10的返回信號並把它們傳送給檢測器58。檢測器58把返回信號轉換成電信號，供其後在信號處理單元60中分析。在上文中描述的第一實施例中探測信號36由微波信號構成，接收器56通常包括一天線，檢測器58通常包括一檢測二極體。在另一實施例中探測信號36由聲波構成，接收器56通常是一個與地下10有良好機械接觸的探頭，而檢測器58包括一個聲-電轉換器，例如微音器。信號處理器60可以包括各種初級部件，如信號放大器和模擬-數字轉換器，後跟更複雜的電路以產生包含各種地下障礙物30和鑽孔工具24的地下體的二維或三維圖象。PDU28還包含一個信標接收器/分析器61用於檢測和解釋來自地下主動信標的信號。下文中將更充分地描述信標接收器/分析器61。
再參考圖1，PDU28把獲取的信息沿數據傳輸線路34傳送給控制單元32，圖中的控制單元32位於無槽地下鑽孔系統12附近。所提供的數據傳輸線路34承擔PDU28和無槽地下鑽孔系統12之間的數據傳送，它可以是同軸電纜、光纖、紅外線通信的自由空間鏈路或其他適當的數據傳輸介質。
使用採取這裡所描述的地下檢測技術的無槽地下鑽孔系統12的一個顯著優點在於，檢測鑽孔工具24可以有目的地避免其他重要的地下特性，特別是埋在地下的公用設施，如電、水、氣、汙水、電話線路和電纜線等。
在地下成象領域眾所周知的傳統地下成象技術〔例如地下穿透雷達(GPR)〕，可以檢測許多類型地下障礙物和結構的存在。傳統鑽孔工具檢測技術仍未解決的一個主要困難，在於沒有能力把鑽孔工具信號與伴隨其他地下障礙物和結構的許多返回信號(統稱雜亂信號)區分開。雜亂信號構成背景噪聲，在背景噪聲上的鑽孔工具信號必須是可區分的。可以理解，來自鑽孔工具24的返回信號與雜混信號相比可能是弱的，換句話說信雜比(signal-to-clutter ratio)低，從而降低了清楚地識別鑽孔工具信號的能力。本發明的探測與檢測裝置和方法的優點在於，所提供的鑽孔工具返回信號具有特徵性的特徵，它能更容易地與雜混信號區分開。特徵信號的產生可以被動地實現或主動地實現。根據一個實施例，這一特徵信號的產生示於圖3和圖4中。
圖3為以時間域描述鑽孔工具特徵信號的產生和檢測的圖例。線A表示一探測信號36a的發射，其作為對時間畫出的信號的函數。線B表示在沒有產生任何特徵信號的情況下被PDU28檢測到的返回信號62a。返回信號62a描述了在探測信號36a發射之後ΔT1時刻由PDU28接收的信號，並表現為從鑽孔工具24和其他散射體返回信號的混合。如前面討論過的那樣，信雜比低使得很難區分出由鑽孔工具返回的信號。線C顯示一種有優越性的檢測技術，其中採用鑽孔工具24和PDU28之間的聯合操作，從而在探測信號36a發出之後ΔT2時刻產生和發送一個鑽孔工具特徵信號。根據這一檢測方案，首先檢測從散射體收到的返回信號40a，在延時ΔT2之後檢測從鑽孔工具24收到的特徵信號38a。延遲時間ΔT2被建立得足夠長，從而使鑽孔工具特徵信號在檢測時刻比其他雜亂信號明顯地突出。在這種情況下，鑽孔工具特徵信號38a的信雜比比較高，從而使特徵信號38a能被容易地與背景雜亂信號40a區分開來。
圖4以頻率域描述鑽孔工具特徵信號的檢測。線A表示探測信號的頻段36b作為信號強度對頻率的函數。線B表示在不產生任何聯合信號的情況下從鑽孔工具24返回信號的頻段62b。可以看出，從鑽孔工具24和其他散射體30返回的信號共佔一段與探測信號36b相同的頻段62b。線C表示利用鑽孔工具24和PDU28之間共同操作的情況，由此產生和傳送一鑽孔工具特徵信號，其所具有的頻帶38b不同於被散射的返回信號頻帶40b。由Δf表示的頻帶差足夠大，足以把鑽孔工具的特徵信號移出被散射的返回信號頻帶40b。這樣，由於增大了信雜比，所以鑽孔工具的特徵信號便能比較容易地被檢測出來。應該指出，可以利用高通或低通濾波技術或其他類似的濾波方法來增強對鑽孔工具特徵信號的檢測。
本發明的一個重要特點是鑽孔工具24包括一特徵信號發生裝置，它響應所接收的來自PDU28的探測信號而產生一特徵信號。如果不是由該回波，用傳統的檢測技術很難以高確定度把此回波與雜混信號區分開來。引入特徵信號發生裝置的好處是提供由鑽孔工具24產生唯一的信號，它能容易地與雜混信號區分開而且有較高的信雜比。如前文中簡要討論過的那樣，主動的或被動的方法都適用於產生聯合的特徵信號。主動特徵信號電路是指其中用於產生特徵信號的電路需要應用來自外部源的電源(例如電池)才能使其工作。而被動電路是沒有外部電源的電路。在被動電路中存在的電信號的能源是所收到的探測信號本身。
根據被動方法，鑽孔工具24並不包括產生或放大信號的有源裝置，所以是較簡單的方法，因為它不需要在鑽孔工具24的頭中存在電源或電子電路。另一方面，主動方法可以利用，它的優點是更靈活，可提供機會以產生更寬範圍的特徵響應信號，當鑽孔穿過不同類型地下介質時這種信號會更可識別。再有，主動方法可以降低特徵信號接收裝置的複雜性和造價。
圖5中表示與微波鑽孔工具檢測技術相關聯的被動特徵信號發生裝置的三個實施例。圖5所示每個實施例包括一含有微波天線的鑽孔工具24及用於產生特徵信號的電路部件的示意圖。圖5a、5b和5c中表示的三個實施例分別指向利用a)時間域，b)頻率域及c)交叉極化來產生特徵信號。在圖5a中，所表示的鑽孔工具頭64a包括兩個天線，即一個探測信號接收天線66a和一個特徵信號發送天線68a。為說明起見，這些天線是作為分離的元件表示的，但應該理解，微波發射/接收系統能使用單個天線進行接收和發射操作。在這個實施例和其後的實施例的圖例中使用兩個分離的天線只是為了增強對本發明的理解，並不是要從中引出對本發明的任何限制。在特徵信號發生器的實際實現中，接收天線66a和發射天線68a最好位於鑽孔工具內部或以共形結構(conformalconfiguration)放置在鑽孔工具的表面。對於位於鑽孔工具24內部的天線，可以理解，至少要有一部分鑽孔工具24是用非金屬材料製成，最好是硬的介電材料，從而允許微波從地下介質10進入鑽孔工具24。一種適於這一應用的材料是KEVLAR。
圖5a表示的特徵信號發生裝置用於以時間閾操作的微波檢測系統。根據本實施例，接收天線66a接收來自PDU28的探測信號70a，例如一持續幾個納秒的短的微波脈衝。為了區分特徵信號74a和PDU28收到的雜混信號，被接收的探測信號70a從接收天線66a傳送到延時波導72a，最好是一同軸電纜，再到發射天線68a。然後特徵信號74a從發射天線68a向外幅射並被PDU28接收。使用延時線，其最好使來自鑽孔工具24的響應延遲10納秒左右，從而使返回的特徵信號74a的發射延遲，直到PDU28收到的雜亂信號振幅已被減少之後才發射。
根據另一實施例，通過在虛線76a表示的點處切斷波導以形成終端，能夠實現被動時間域特徵信號發生器的單天線實施例。在這後一個實施例中，探測信號70a沿波導72a傳播，直至被位於切斷點76a處的終端返射，傳回到接收天線66a，並被發送回PDU28。此終端可以作為電短路來實現，在這種情況下探測信號70a會在反射時倒相；或者作為開路來實現，在這種情況下探測信號70a在反射時不會倒向。
引入時間延遲造成特徵信號74a使鑽孔工具64a看起來比它的實際位置要深。由於微波會被地下強烈衰減，所以地下穿透雷達系統的典型有效深度範圍大約是10英尺，超過這一點時返回信號會被強烈衰減而不能被可靠地檢測到。從鑽孔工具64a返回的延時特徵信號74a人為地把鑽孔工具24的深度變換成10至20英尺範圍的視深度，從這一深度上沒有強信號返回，這樣便顯著地增強了被檢測特徵信號74a的信雜比。
圖5b表示一用於以頻率域操作的微波檢測系統的特徵信號發生裝置。根據這一實施例，在鑽孔工具64b中的接收天線66b從PDU28接收微波探測信號70b。探測信號70b最好是一持續幾微秒的微波脈衝，其中心頻率位於給定頻率f，帶寬為Δf1，這裡Δf1/f通常小於百分之一。為了把返回的特徵信號74b移出PDU28接收到的雜亂信號的頻率範圍，接收到的探測信號70b從接收天線66b沿波導72b傳播到一非線性電氣裝置78b(最好是一個二極體)中，其從原始信號產生諧振信號，例如二次諧波和三次諧波。然後此諧波信號從發射天線68b發射出去作為特徵信號74b，並被PDU28接收。PDU28被調諧到檢測探測信號70b的諧波頻率。例如，對於100MHz的探測信號70b，二次諧波檢測器將被調諧到200MHz。通常，散射體的響應特徵是線性的，並且只產生探測信號70b頻率的雜亂信號。由於通常沒有其他諧波頻率源存在，故在此諧波頻率上的特徵信號74b的信雜比相對較高。與前文中針對被動時間域實施例所討論的方式類似，通過把波導在虛線76b所示點處切割以形成終端，可以實現使用單天線的被動頻率域實施例。根據這後一個實施例，探測信號70b將沿波導72b傳播，穿過非線性元件78b，在終端76b反射，通過非線性元件78b傳回，再傳回到接收天線66b，並被發射回PDU28。如前文中討論的那樣，反射的極性將決定於終端的性質。
圖5c表示以交叉極化方式操作的微波檢測系統中特徵信號的產生。根據該實施例，PDU28產生一特定的線性極化探測信號70c，然後該信號被發射到地下。雜亂信號由散射體返回的信號構成，它們通常保持與探測信號70c相同的極化方向。這樣，雜亂信號實質上與探測信號70c有相同的極化方向。在鑽孔工具64c中這樣產生特徵信號74c在接收天線66c中接收被極化的探測信號70c，使該信號通過波導72c傳播到發送天線68c，並把特徵信號74c發射回PDU28。對發射天線68c取向，以使被輻射的特徵信號74c的極化方向與被接收的探測信號70c的極化方向正交。PDU28也可以配置成優先接收其極化方向與探測信號70c的極化方向正交的信號。這樣，接收器56相對於雜亂信號優先檢測特徵信號74c，於是便改善了特徵信號的信雜比。
與前文中針對被動時間域和頻率域實施例所討論的方式類似，通過把波導在虛線76c所示點處切割以形成終端。並插入一可改變穿過波極化方向的混合器78c，可以實現使用單天線的交叉極化方式實施例。在這後一個實施例中，探測信號將沿波導72c傳播，穿過極化混合器78c，在終端76c處反射，通過極化混合器78c傳回，再傳回到接收天線66c，並被發射回PDU28。反射的極性可以由終端的性質確定，如前文中討論過的那樣。應該理解，在此單天線實施例中採用的天線，應對正交極化具有足夠好的輻射特性。還應該理解，交叉極化實施例可以利用圓形或橢圓形極化微波輻射。還應理解，交叉極化實施例可以與前文中參考圖5a和5b所描述的被動時間域或被動頻率域產生特徵信號實施例協作使用，以進一步增強被檢測特徵信號的信雜比。
現在參考圖6，將描述主動特徵信號產生實施例。圖6a表示一適於包含在鑽孔工具80a中的產生主動時間域特徵信號的實施例。所展示的包含在鑽孔工具80a中的產生主動時間域特徵信號的實施例。所展示的實施例表示探測信號82a由接收天線84a接收，接收天線84a與延遲線波導86a相耦合。一放大器88a位於沿波導86a上的一點，並在探測信號82a沿波導86a傳播時將其放大。被放大的探測信號繼續沿延遲線波導86a傳播到發射天線90a，它反過來把此特徵信號92a發射回PDU28。圖6b表示主動時間域信號發生器的另一實施例，其包含一可觸發延時電路以產生時間延遲，而不是讓信號沿著長的延時波導傳播。所展示的實施例表示探測信號82b被一與波導86b耦合的接收天線84b接收。可觸發延時電路88b位於沿波導86b上的一點。可觸發延時電路88b按下述方式操作可觸發延時電路88b被探測信號82b觸發，它一旦開始檢測到探測信號82b，便啟動一內部計時器電路。一旦計時器電路已達到了預先確定的延遲時間，最好在1-20納秒範圍內，計時器電路便產生一來自可觸發延時電路88b的輸出信號，它被用作特徵信號92b。該特徵信號92b沿波導86b傳播到發射天線90b，然後由其把特徵信號92b發射給PDU28。
圖6c表示一適於包含在鑽孔工具80c中的主動頻率域特徵信號發生器的實施例。所示實施例表示探測信號82c被一與波導86c和非線性元件88c相耦合的接收天線84c接收。然後，由非線性元件88c產生的頻移信號穿過放大器94c，之後被傳送到發射天線90c，其把該特徵信號92c發送到PDU28。使用主動頻率域特徵信號發生器實施例比被動頻率域特徵信號發生器實施例的優越之處在於主動實施例產生更強的特徵信號，它更易於被檢測到。
在圖6c概括表示的主動頻率域特徵信號發生器的第二實施例中，探測信號82c在到達非線性元件88c之前先通過放大器94c。這另一實施例的優點在於由於可在較低頻率進行放大處理，故該放大器的實現費用可以較低。
適於用在鑽孔工具80d中的主動頻率域特徵信號發生器的第三實施例，示於圖6d中。圖6d表示接收天線84d通過使用波導86d與頻率移位器88d及發射天線90d相耦合。頻率移位器88d是這樣一個裝置，其產生的輸出信號92d具有的頻率f2與輸入信號82d的頻率f1不同，相差82d的帶寬之半，通常為1MHz量級。頻率移位器88d產生足夠的頻移，以使特徵信號92d移到雜亂信號頻帶之外，從而可增強被檢測特徵信號92d的信雜比。為了描述這些實施例，名詞「特徵信號」包含除了探測信號從鑽孔工具24的自然反射以外的來自鑽孔工具24的所有產生的返回信號。
圖7表示適用於鑽孔工具96中的特徵信號發生器的一個實施例，其中的探測信號是聲波信號。在圖7a所示的聲波時間域實施例中，聲波探測信號98a(最好是聲脈衝)被裝在鑽孔工具96a內壁上的聲波接收器100a接收和檢測。聲波接收器100a把一觸發信號沿觸發器線102a傳送給延時脈衝發生器104a。在被觸發之後，延時脈衝發生器104a在觸發延時之後產生一特徵脈衝。此特徵脈衝沿傳輸線106a傳送到聲波發射器108a，它也裝在鑽孔工具96a的內壁上。然後聲波發射器108a通過地下發射聲波特徵信號供PDU28檢測。
根據圖7b所示的聲波頻率域實施例，最好是由聲波接收器100b接收和檢測一個具有給定聲波頻率f3的聲脈衝，該聲波接收器100b被安裝在鑽孔工具96b的內壁上。聲波接收器100b沿接收線102b向頻率移位器104b傳送一個與收到的聲波信號98b對應的頻率為f3的輸入電信號。頻率移位器104b產生一輸出電信號，它的頻率相對於輸入信號98b的頻率移位Δf3。從頻率移位器104b輸出的信號沿傳輸線106b傳送到聲波發射器108b，它也裝在鑽孔工具96b的內壁上。然後聲波發射器108b通過地下發射已頻移的聲波特徵信號110b供PDU28檢測。
圖8表示在地下鑽孔工具24中主動產生特徵信號的裝置。圖中表示鑽孔工具24的頭。在鑽孔工具24a的前端是切削刀具120，用於在形成地下通道時切削土壤、沙、粘土之類。圖中鑽孔工具壁被切掉的部分122揭示了一塊電路板124，它被設計成適於裝在鑽孔工具24a的內部。電池126附著在電路板124上用於提供電源。天線128也與電路板124相連，用於接收到來的探測信號36和發射外行的特徵信號38。天線128可以位於鑽孔工具24a的內部，或者可以是位於鑽孔工具24a表面上並與表面輪廓共形的一種共形設計。鑽孔工具24a還可以包含一或多個傳感器用於檢測鑽孔工具24a的環境。在鑽孔工具24a中提供有電路用於把此環境信息中繼到位於地上的控制單元32。例如，傳感器可用於測量鑽孔工具24a的取向(傾斜、偏轉、滾動)或其他因素，如切削工具頭的溫度或鑽孔工具24a處的水壓。
圖8中表示一傳感器130，例如一壓力傳感器，位於切削刀具120的後面。電連接線132從傳感器130通到電路板124，它包含分析從傳感器130收到的信號的電路。電路板124可以調製特徵信號38使其包含有關傳感器輸出的信息，或者可以產生單獨的傳感器信號，其後在地面上被檢測和分析。
在地下成象技術領域已知，當GPR利用單一發射器和接收器時，GPR單元對地下部分的單次橫掃可產生二維數據。圖9表示對一樣本試驗場地獲取的GPR系統數據圖，該場地有5個不同的人造障礙物埋在沙土中大約1.3m的深度，其地下水位位於大約4至5m的深度。應當注意，圖9所示數據代表了使用Sensors and Software Inc.(傳感器和軟體公司)製造的Pulse EKKO 1000系統用中心頻率450MHz的傳統單軸天線獲取的典型數據。可能適於這一應用的其他GPR系統包括GeophysicalSurvey Systems Inc.(地球物理勘察公司)製造的SIR系統2和系統10A以及GeoRadar Inc.(地球雷達公司)製造的1000B STEPPED-FM型地下穿透雷達。
圖9表示的每一個埋在地下的障礙物有一個伴隨它的特徵性時間-位置雙曲線。特徵雙曲線的頂點可提供埋入障礙物的位置和深度的指示。從圖9上的圖可以看到，每個障礙物被埋在地面以下約1.3m的深度，而每個障礙物與相鄰障礙物相隔的水平距離約為5m。圖9中所示GPR系統代表使用傳統單軸天線系統獲取的地質成象數據，這樣只提供了被探測地下物體的二維表示。如下文將討論的那樣，按正交取向安排的多重天線結構，可提供與特定鑽孔場地相關聯的地下地質的增強的三維視圖。
圖9的二維數據被顯示的許多圖象，它們以圖形形式代表沿橫向目標深度對位置的關係。為了得到三維數據，採用單軸天線的GPR系統必須在地下部分上進行若干次橫掃，否則必須使用多重天線。下文描述使用GPR構成二維和三維圖象。用GPR構成二維和三維圖象。
在圖10中表示由GPR成象的地下部分500，它有一埋入障礙物502位於地下部分500中。地面504位於由x和y軸構成的x-y平面內，而z軸垂直指向地下500中。通常，利用單軸天線(如圖中表示為天線A 506的那個，而且沿z軸取向)完成多次勘察路線508。多次勘察路線508是彼此平行的直線路線，而且在y方向有統一間距。圖10中所示多次路線平行於x軸。通常，GPR系統有測量時間的能力，它允許對從發射器發出、從目標反射並返回接收器的信號進行測時。這通常稱作飛行時間(time-of-flight)技術，因為它測量雷達脈衝在發射器和接收器之間飛行的持續時間。可利用計算把這個時間值變換成代表目標深度的距離測量值。這些計算依據野外確定的特徵性土壤特性值(如介電常數)和穿過特定土壤類型的波速。當標定一特定GPR系統的深度測量能力時能夠使用的一種簡化技術是取出目標樣品巖芯，測量它的深度，並把它與波傳播所需納秒數關聯起來。
在GPR系統的時間函數能力向操作者提供深度信息之後，雷達系統沿著平行於x軸的水平方向橫向移動，從而允許構建地下二維斷面。通過在特定場地以平行模式完成多次勘察線路508，便能積累一系列二維圖象以產生估計的場地三維視圖，其中可能有埋入的障礙物。然而，能夠理解，傳統天線結構506的二維成象能力可能會錯過埋入的障礙物，特別是當障礙物502平行於多次勘察路線508的方向而且位於相鄰勘察路線508之間的時候更會錯過。
如圖11所示，本發明的地質成象天線結構520的顯著優點是提供地下的真三維成象。一對天線天線A522和天線B 524最好按正交結構放置，以提供埋入障礙物526的三維成象。天線A 522被定向為沿著y-z平面所包含的一個方向，該方向相對於z軸成+45°。天線B 524也被定向為沿著y-z平面所包含的一個方向，但相對於z軸成-45°，即其位置是從天線A 522的位置旋轉90°。應當注意，圖9所示的由傳統單軸天線得到的雙曲線時間-位置數據分布可以代之以三維雙曲形狀，其提供被檢測的埋入障礙物526的寬、深、長三維圖象。還應注意，一個平行於勘察線路528的埋入障礙物526(如排水管線)，將立即被三維成象GPR系統檢測到。根據本發明一個實施例，在PDU28的發射器54和接收器56中分別使用了正交取向的發射天線對和接收天線對。
圖12表示的實施例，使用一檢測系統對地下鑽孔工具定位並獲取鑽孔頭和PDU28之間的中間介質特徵。在該圖中，一無槽地下鑽孔系統12位於地下10的表面11上，該區域要進行鑽孔操作。控制單元32位於無槽地下鑽孔系統12附近。地下10由若干不同的地下類型構成，圖12中所示實例是沙〔地下類型(GT2)〕140，粘土(GT3)142和天然土壤(GT4)144。通路通常被描述為通路填料(GT1)146部分。圖12中表示的鑽杆柱22處在它的第一位置22c，在其末端是鑽孔工具24c。所示PDU28c位於鑽孔工具24c之上的位置。PDU28c發射一探測信號36c，它穿過道路填料和地下傳播。在鑽孔工具處在位置24c的情況中，探測信號36c通過道路填料146和粘土142傳播。作為響應，鑽孔工具24c產生特徵信號38c，它被PDU28c檢測和分析。對特徵信號38c的分析，可提供探測信號36c和特徵信號38c的飛行時間的測量。飛行時間被定義為PDU28c測量的發送探測信號36c和接收特徵信號38c之間的持續時間。所測量的飛行時間取決於許多因素，包括鑽孔工具24c的深度、中間地下介質146和142的介電狀態以及產生特徵信號38c時涉及的任何延時。根據飛行時間的測量，已知這些因素中的任意兩個便能產生出第三個。
利用機械探頭或用位於鑽孔工具頭24c中的傳感器130檢測鑽孔工具24c處的水壓(如前文所討論的那樣)，能獨立測出鑽孔工具24c的深度。對於後一種測量(即水壓測量)，要停止鑽孔操作和測量水壓。因為在鑽杆柱22中地面之上水柱的高度是已知的，故用已知技術能計算出鑽孔工具24c的深度。
對於使用微波探測信號的本發明實施例，由飛行時間計算深度或介電常數的一般關係是TE=TF-TD=jdjjc---(1)]]>式中，TE是有效飛行時間，它是探測信號或特徵信號穿過地下過程的持續時間；
TD是接收探測信號36c和發射特徵信號38c之間在鑽孔工具內部的延時；以及dj是鑽孔工具24c上方第j個地下類型的厚度，εj是第j個地下類型在微波頻率的介電常數，c是真空中的光速。
對於鑽孔工具位於圖12所示位置24c的情況，並假定相對於粘土厚度而言道路填料的厚度可以忽略，則式(1)的關係簡化為TE=TF-TD=d33c---(2)]]>這裡下標「3」代表GT3。對飛行時間TF和對鑽孔工具24c深度的直接測量再加上對任何時間延遲TD的了解將產生GT3的平均介電常數ε3。這個特性可表示為GC3。知道介電常數的重要性在於它可提供關於被表徵的土壤的類型及其含水量的信息。
再回到圖12，所示實施例中的鑽孔工具24已從它的第一位置24c移動到另一位置24d。通過前文所描述的方式增加附加的鑽杆柱部件，使鑽杆柱22d(圖中用虛線表示)已從它原來的構成22c擴展了。PDU28已從它原先的位置28c重定位到新的位置28d(圖中用虛線表示)，以便靠近鑽孔工具24d。利用探測信號36d和特徵信號38d可以按先前描述的那樣完成飛行時間測量，從而得到代表天然土壤GT4地下特性的參數GC4。類似地，從字母「e」所指處的飛行時間測量能得到地下特性GC2。在鑽孔工具24d穿過地下移動過程中連續導出地下特性便產生出可由控制單元32記錄的地下特性斷面。
精確記錄鑽孔工具24穿過的地下路徑會是有好處的。例如，可能希望對哪裡已埋入公用設施進行精確的記錄，以便適當地計劃未來的挖掘和設施埋入，並避免對這類設施造成不希望的擾動。井孔填圖可以人工完成，即把PDU28收集的鑽孔工具位置數據與一基本參考點關聯起來；或者可以使用Geographic Recording System(GRS)(地理記錄系統)150以電子技術完成，在圖13中總體上作為控制單元32的部件表示。在一個實施例中，地理記錄系統(GRS)150與控制單元32的一中央處理器152通信，轉發PDU28的精確位置。由於控制單元32也接收關於鑽孔工具24相對於PDU28位置的信息，故鑽孔工具24的精確位置能被計算出來並存儲於路線記錄資料庫154中。
根據另一實施例，最好在鑽孔操作之前獲取與預定地下鑽孔路線有關的地理位置數據。由鑽孔操作之前完成的勘測計算出預定路線。前期勘察包括GPR傳感和地球物理數據，以便估計進行鑽孔操作要穿過的地下類型，並確定在建議的鑽孔路徑上是否有其他設施和埋入的障礙物。鑽孔前勘察的結果是預定線路數據集(set)，它存儲在計劃路線資料庫156中。在鑽孔操作期間，預定線路數據集被從計劃路線資料庫156加載到控制單元32，以便在鑽孔工具24切削它的地下路徑過程中對它提供自動導航式的方向控制。在又一個實施例中，由GRS150獲取的位置數據最好傳送到路線填圖資料庫158，在鑽孔操作發生時，它把鑽孔路徑數據加到已有資料庫中。路線填圖資料庫158復蓋一給定的鑽孔場地，例如城市街道的一個分格或一個高爾夫球場，在它下面可能埋入了各種設施、通信設施、自來水管道或其他管道。存儲在路線填圖資料庫158中的數據可以在其後用於產生勘察圖，它精確地指出在一特定場地埋入的各種設施管道的位置和深度。存儲在路線填圖資料庫158中的數據還包括關於鑽孔條件、地下特性及先前鑽孔操作生產率的信息，從而使操作者能參考到與特定場地相關的所有先前鑽孔操作的數據。
對鑽孔工具24定位的新系統的一個重要特點是關於沿鑽孔路徑地球物理數據的獲取和使用。一邏輯分離的地球物理數據獲取單元(GDAU)160(它在物理上可能與PDU28分離，也可能不分離)可以提供獨立的地球物理勘察和分析。GDAU160最好包括數個地球物理儀器，它們對特定鑽孔場地的地質結構提供物理特徵。一地震填圖模塊162包括一電子裝置，該電子裝置由多個地球物理壓強傳感器構成。按照相對於無槽地下鑽孔系統12的一特定取向排列這些傳感器的一個網絡，每個傳感器放在與地直接接觸的地方。這個傳感器網測量由鑽孔工具24或某些其他聲源產生的地壓波。對傳感器網接收的地壓波的分析為確定鑽孔場地的地下物理特性和對鑽孔工具24定位提供了基礎。這些數據最好先由GDAU160處理，然後把分析過的數據送到中央處理器152。
點負荷測試器(point load tester)164可被用於確定鑽孔場地的地下地球物理特性。點負荷測試器164最好利用多個錐形鑽頭在各載荷點，它們本身與地接觸以測試一具體地下部分能抵抗標定過的載荷水平的程度。由點負荷測試器獲得的數據提供了關於被測試土壤地球物理力學性質的信息。這些數據也可被傳送到GDAU160。
GDAU160還可包括一Schmidt錘166，它是一個地球物理儀器，測量樣本地下地質的回跳硬度特性。也可利用其他地球物理儀器去測量巖體的相對能量吸收特性、耐磨性、巖石體積、巖石品質以及其他物理特性，這些特性共同提供了關於在穿過給定地質進行鑽孔所帶來的相對難度。由Schmidt錘獲取數據最好也存在GDAU160中。
在圖13所示實施例中，全球定位系統(GPS)170被用於為GRS150提供位置數據。根據美國政府在三組軌道上布設24顆通信衛星的計劃(稱作全球定位系統(GPS))，可以直接使用從一中多個GPS衛星發射的各種信號來確定鑽孔工具24相對於一或多個已知參考位置的位移。通常的理解是，美國政府的GPS衛星系統可提供一保留的(或者說被保護的)波段和一民用波段。通常，被保護的波段提供高精度定位，達到被保密的精度。然而，被保護波段一般被排他地用於軍事目的或其他的政府目的，並被以這樣一種方式進行調製，使其實際上對於民間應用而言是無用的。而民用波段被調製成顯著降低能得到的精度，通常為一百至三百英尺範圍。
然而，把一或多個GPS信號與一或多個以地上為基地的參考信號源結合，則能在較高精度應用中間接地使用民用GPS波段。通過利用各種已知的信號處理技術，通常稱作差分全球定位系統(DGPS)信號處理技術，目前可達一釐米數量級的定位精度。如圖13所示，GRS150使用由至少一個GPS衛星172產生的信號與由至少兩個基站應答器(basetransponder)174產生的信號結合，當然在某些應用中使用一個基站應答器174也可滿足要求。可以採取各種已知方法來利用DGPS信號，即使用一或多個基站應答器174與一GPS衛星172信號及一與控制單元32相連的流動GPS接收器176，能用一GPS衛星信號源精確地解出鑽孔工具24相對於基站應答器174參考位置的相對運動。
在另一實施例中，可以利用採取測距雷達系統180的陸基定位系統。測距雷達系統180最好包括多個基站射頻(FM)應達器182和裝統。測距雷達系統180最好包括多個基站射頻(FM)應達器182和裝在PDU28上的流動應答器184。基站應答器182發射RF信號，此RF信號被流動應答器184接收。流動應答器184最好包括一計算機，它通過各種已知的雷達技術計算流動應答器184相對於各個基站應達器182的距離，然後計算其相對於所有基站應答器182的位置。由測距雷達系統180收集的位置數據，被傳送到GRS150供存儲在路線記錄資料庫154或路線填圖系統158中。
在又一個實施例中，可以和基站應答器192及連於PDU28上的流動應答器194一起使用一超聲定位系統190。基站應答器192發射具有已知時間基值的信號，它被流動應答器194接收。流動應答器194最好包括一計算機，該計算機通過參考源超聲波的時鐘速度來計算流動應答器194相對於各基站應答器192的距離。流動應答器194的計算機還計算流動應答器194相對於所有基站應答器192的位置。應該理解，其他各種已知的陸基或衛星基定位系統和技術，可以被用來精確確定鑽孔工具24沿地下路徑運動的路徑。
圖14表示一在一鑽孔場地沿地下路徑進行鑽孔操作的地下鑽孔工具24。在圖14中概括描述的新型地理定位單元150的重要優點在於沿預定鑽孔路線精確導航鑽孔工具24的能力，和在與控制單元32相連的路線填圖資料庫158中精確進行地下鑽孔路徑填圖的能力。可能最理想的是在進行鑽孔操作開始之前完成對計劃的鑽孔場地的初始勘察，以便精確確定鑽孔路線，避免困難(如先前埋入的設施或其他障礙物，包括巖石)，如前文中討論過的那樣。
在鑽孔工具24沿預定鑽孔路線前進的過程中，由地理記錄系統150收集實際位置數據並將其存入路線填圖資料庫158中。任何有意地偏離計劃路徑資料庫156中所存的預定路線，都被精確地記錄在路線填圖資料庫158中。非有意的偏離最好被校正，以便保持鑽孔工具24沿預定地下路徑前進。一旦完成了鑽孔操作，存儲在路線填圖資料庫158中的數據可以被下載到個人計算機(未表示)中去構成鑽孔場地的「原樣」地下圖。於是，可以從路線填圖數據構造出沿鑽孔路線安裝的設施或其他管道的精確地圖，且在其後可被那些希望能進入或避免這些埋入管道的仍參考圖14，鑽孔場地的精確填圖可以如先前參考圖13討論的那樣，使用全球定位系統170、測距雷達系統180或超聲定位系統190來完成。帶有GPS系統170的填圖系統最好包括第一和第二基站應答器200和202，以及從GPS衛星172收到的一或多個GPS信號206和208。提供一最好與控制單元32相連的流動應答器210，用於接收GPS衛星信號206和基站應答器信號212及214(它們是分別從應答器200和202發射的)以便確定控制單元32的位置。如前面所討論過的那樣，可以利用差分GPS定位技術的一種修正形式來增強定位精度到釐米範圍。提供一最好與PDU28相連的第二流動應答器216，用於接收GPS衛星信號208以及基站應答器信號218和220(它們是分別從基站應答器200和202發射的)，以便確定PDU28的位置。
在另一實施例中，陸基測距雷達系統180包括三個基站應答器200、202和204以及分別與控制單元12和PDU28相連的流動應答器210和216。應注意，可以提供第三個陸基應答器204作為使用GPS衛星信號206和208的系統的後備應答器，以備萬一由於有目的地或無意地發生GPS衛星信號206和208的傳輸暫時中斷。控制單元32的位置數據最好由GRS150使用分別從陸基應答器200、202和204收到的參考信號212、214和222來進行處理並存儲。使用分別從陸基應答器200、202和204收到的三個參考信號218、220和224所得到的關於PDU28的位置數據，最好由和PDU28相連的本機定位器216來處理和存儲，然後通過數據傳輸鏈路34發送到控制單元32。一來用超聲定位系統190的實施例，將類似地利用三個基站應答器200、202和204以及分別與控制單元32和PDU28相連的流動應答器210和216。
現在參考圖15，圖中以流程圖形式表示出為獲得鑽孔前場地地圖和在實施鑽孔操作前確定鑽孔操作最佳路線，所進行的鑽孔前勘察過程的有關一般性步驟。簡要地說，鑽孔前勘察允許檢驗鑽孔操作將穿過的地下狀況和確定最佳路線，估計生產率和估計整個鑽孔操作的費用。
如圖15所示，首先把數個陸基應答器布設在鑽孔場地周圍的適當位置(步驟300)。然後在步驟302讓控制單元32和PDU28分別放在位置L0和L1。然後在步驟304使地理記錄系統150初始化和被標定，以便確定控制單元32和PDU28的位置。在成功地初始化和標定之後，PDU28被沿著所提出的鑽孔路線運動，在這一過程中，在步驟306和308分別獲取PDU數據和地理位置數據。由PDU28收集的數據最好在步驟306和308被分析。在步驟312繼續進行數據獲取，直至達到所提出的鑽孔路線的預期端點為止，在這一點數據積累結束，如步驟314指出的那樣。在步驟316，所獲取的數據被下載到控制單元32，它可以是一臺個人計算機。然後在步驟318，控制單元32計算鑽孔操作的最佳預定路徑，以便避免障礙物和其他構造物。如果在步驟320的測試判定預定路線是滿意的，則在步驟322把此路線加載到計劃路徑資料庫156中，並在步驟324結束鑽孔前勘察過程。然而，如果由於例如勘察揭示出鑽孔工具24會撞擊一巖石障礙物或者存在埋入設施，它們在其後的鑽孔操作中會被損壞，使得在步驟320的測試判定為計劃路線不令人滿意，則在步驟326可把PDU28重新定位在勘察路線的起點，並通過重複步驟304-318來勘察新的路線。在已經建立滿意的路線之後，鑽孔前勘察於步驟324停止。
在第一實施例中，鑽孔前勘察過程包括沿勘察路線收集地球物理數據，此與確定位置和PDU數據收集同時進行。這一收集活動示於圖15，它表示出在步驟328對地球物理數據獲取單元160(GDAU)進行初始化和標定，此與地理記錄系統150的初始化和標定同時進行。與步驟306和308中分別獲取PDU28數據和位置數據同時，在步驟330由GDAU160收集地質數據。把地質數據收集包括進來，便提供了所提出的鑽孔路徑中地下介質的更完全的特徵，從而允許為鑽孔操作作出更精確的生產率和費用估計。
在第三個實施例中，勘察數據與存儲在路經線圖資料庫158中的先前收集的數據進行比較，以提供對鑽孔操作生產率和費用的估計。在這一實施例中，在勘察數據已在步驟316被下載到控制單元32之後，在步驟332，歷史數據被從路線填圖資料庫加載到控制處理器152。從路線填圖資料庫158下載的數據包括前期勘察和鑽孔操作的記錄，諸如GPR和地質特徵測量以及相關的生產率數據。在步驟334，以與步驟318指出的路線計算相似的方式計算出預先計劃的路線。通過把從PDU28和GDAU160數據得到的當前地下特徵與先前進行的特徵測量進行關聯，並參考相關的先前生產率結果，便能在步驟336對計劃的鑽孔操作估計出生產率數據。然後，便能在步驟338使用步驟336估計出的生產率數據產生鑽孔過程的費用估計。在其後的步驟320，判定預先計劃的路線是否滿意。不僅能象在第一實施例中那樣利用地下特徵來做出這一判定，還能使用其他判據，例如估計的鑽孔過程持續時間和估計費用，來做出這一判定。
現在參考圖16，圖中表示無槽地下鑽孔系統12的控制單元32、它的各個部件以及控制單元32和各種其他元件之間功能關係的方框圖。控制單元32包括一中央處理器152，它接收來自地理記錄系統150、PDU28及GDAU160的輸入數據。中央處理器152根據輸入數據計算鑽孔工具24的位置。控制處理器152把鑽孔工具24所取路徑記錄到路線線記錄資料庫154中和/或把它添加到路線填圖資料庫158中的已有數據中。
在另一實施例中，中央處理器152還通過傳感器輸入處理器232接收來自鑽孔工具24處的傳感器230的輸入數據。在另一實施例中，中央處理器152從計劃路線資料庫156加載對應一預定路徑的數據，並把測量得到的鑽孔工具位置與計劃的位置進行比較。鑽孔工具24的位置是由中央處理器152根據PDU輸入處理器234提供的數據計算出的，PDU輸入處理器234接受從PDU28收到的數據。在另一實施例中，中央處理器152還利用地理記錄系統150提供的關於PDU28位置的數據，以產生對鑽孔工具位置的更精確估計。
可計算出鑽孔操作過程中對鑽孔工具24路徑的校正並將其應用於使鑽孔工具24返回到預定位置或路徑。中央處理器152利用無槽地下鑽孔系統控制(GBSC)236來控制鑽孔工具操作的各個方面。GBSC236向控制鑽孔工具24運動的鑽孔控制單元發送控制信號。這些鑽孔控制單元包括轉動控制238(它控制轉動鑽杆柱22的轉動馬達19)、推/拉控制242(它控制用於沿縱向向鑽孔中驅動鑽杆柱22的推/拉泵20)、以及方向控制246(它控制使鑽孔工具24指向預期方向的方向激勵機構248)。PDU輸入處理器234還可以根據PDU28產生的數據來識別埋入特徵物，如公用設施。中央處理器152計算鑽孔工具24的路徑，該路徑可避免與這些埋入特徵物的衝突及其後對這些特徵物的損壞。
在圖17和圖18中表示與地下無槽鑽孔有關的一般處理和判定步驟。開始時，在步驟350，如圖15所示，數個陸基應答器被放置在鑽孔場地周圍的適當位置。然後，如步驟352指出的那樣，無槽地下鑽孔系統12被放置在一適當的初始位置，並在步驟354應答器和地理記錄系統被初始化和標定，然後在步驟356進行鑽孔。在鑽孔已開始之後，在步驟358由PDU28探測地下，然後在步驟360接收和分析特徵信號。在步驟362，GRS獨立於探測和接收步驟358和360且與它們同時接收位置數據，並在步驟364確定PDU28的位置。在完成步驟362和364之後，在步驟366中央處理器152確定鑽孔工具24的位置。然後，在步驟368，中央處理器152把鑽孔工具24的測量所得位置與計劃路徑資料庫156中給出的預期位置進行比較，並在步驟370計算是否需要對鑽孔工具方向進行校正，如果需要的話，則在步驟372提供一個校正。在步驟374，無槽地下鑽孔系統12繼續穿過地下鑽孔，直至如步驟376和378所指出的鑽孔操作完成為止。然而，如果鑽孔操作未完成，則中央處理器152在步驟380確定是否應該移動PDU28以改進鑽孔工具24的圖象。如果需要，則在步驟382PDU28被移動，並進行探測和GRS數據接收步驟358和362。在鑽孔工具24已達到最終目的地之後，操作停止。
在圖17和圖18中用虛線表示的另一實施例中，在步驟384，中央處理器152把鑽孔工具24的計算位置記錄在路線填圖資料庫158和/或路線記錄資料庫154中，這是在確定了鑽孔工具位置(在步驟366)之後進行的。在另一實施例中，如虛線386所示，對鑽孔工具24的位置和預先計劃位置進行比較(步驟368)和產生任何校正(步驟370和372)的步驟被略掉了。
在鑽孔工具24上可以包括其他特徵。在某些情況下，可能會希望例如對鑽孔工具24的取向、對鑽杆柱22的切向壓強以及鑽孔工具24的溫度進行某些測量，以便更清楚地理解鑽孔操作狀態。此外，如前所述，對鑽孔工具24處水壓的測量可以提供鑽孔工具24深度的間接測量。圖19表示具有附加鑽孔工具頭特徵的兩個實施例。圖19a表示的實施例，允許操作員確定鑽孔工具頭的取向。當沿地下路徑調整鑽孔工具24的方向時，操作員可能會希望知道鑽孔工具24的取向，因為幾種已知的鑽孔工具定向技術依賴於鑽孔工具的優先取向。如果不知道鑽孔工具24的取向，就不能按照這些需要知道鑽孔工具24取向的已知技術來把鑽孔工具24定向到一個最佳方向。不可能簡單地由已知鑽杆柱22的部件23的取向來確定鑽孔工具24的取向，因為鑽杆柱22的一或多個部件23可能會在鑽孔操作過程中相對其他部件扭轉或滑動。因為鑽孔操作是在地下發生的，的怪操作員沒辦法檢測是否已發生了這種扭轉或滑動。因此，確定鑽孔工具24的取向可能是重要的。
圖19a表示鑽孔工具400的一個實施例，它有一被動時間域特徵信號電路，其包括單一天線402通過時間延遲線404連接到終端406，如前面針對圖5a所作的討論那樣。圖19a所示的電路還包括一水銀開關408位於沿著延時線404靠近終端406處的一點。終端406還包括一個耗散負載。當鑽孔工具400被定向，從而使水銀開關408打開的，通過在水銀開關408的開路處反射進入的探測信號407來產生時間域特徵信號。當鑽孔工具400被定向，從而使水銀開關408閉合時，從天線402經過延時線404到耗散負載406的電路被完成了。這時探測信號407不從耗散負載406反射，所以不產生特徵信號。由PDU28接收的特徵信號409的產生情況示於圖19b中作為時間的函數。頂部的跡線407b表示出探測信號407，記為Ip，為作時間函數畫出。當鑽孔工具400轉動和沿一地下路徑運動時，水銀開關408的電阻Rm從低變到高，如間的跡線408b所示。水銀開關408的有規律的打開和閉合，可調製在地面接收的特徵信號409b，記為Is。這種調製保持了相對於鑽孔工具24最佳取向的恆定相位。下面的跡線並不表示時間延遲線404的延遲效應，因為時間尺度差別太大了(特徵信號409的延時是10納秒的量級，而鑽孔工具24的一次轉動所用的時間通常在0.1至1秒之間)。檢測由PDU28調製的這種特徵信號409，使操作員能確定鑽孔工具頭的取向。應該理解，前文描述的特徵信號發生器的其他實施例也可包含一水銀開關408，最好還包括耗散負載406，以便產生被調製的特徵信號409，從而達到檢測鑽孔工具24取向的目的。
圖19c表示的實施例允許傳感器檢測鑽孔工具410的環境。該圖中表示一主動時間域特徵信號產生電路，其包括一接收天線412通過主動時間域電路416連到發射天線414。傳感器418通過一傳感器負載420連到主動時間域電路416。在這一實施例中，傳感器418位於鑽孔工具410的尖端，以測量鑽孔工具410處水的壓力。主動時間域電路416檢測來自傳感器418的讀數並將該讀數轉換成調製信號，其後該調製信號被用於調製主動產生的特徵信號415。這一過程參照圖19d來描述，圖中表示了幾個信號作為時間的函數。頂部的信號413d代表接收天線412接收的探測信號Ip。第二個信號415d代表主動產生的特徵信號Ia，這是假定沒有對特徵信號進行調製所產生的特徵信號。第三條跡線416d表示由主動時間域電路416產生的振幅調製信號Im，而且最後一條跡線422d表示振幅調製之後的特徵信號Is。被調製的特徵信號415由PDU28檢測。其後由PDU28中的信號處理器60確定調製信號，從而提供關於傳感器418輸出的數據。
對特徵信號的調製並不限於圖19所示的時間域信號振幅調製組合。提供這種組合只是為了舉例說明。應該理解，其他實施例可包括頻率域特徵信號的振幅調製及時間和頻率域特徵信號二者的頻率調製。此外，鑽孔工具24可以包括兩個或更多的傳感器，而不象上述實施例中那樣只包含單個傳感器。
圖20a表示本發明的另一實施例，其中利用一單獨的主動信標向PDU28發送關於鑽孔工具430的取向或環境的信息。在圖20a所示的這個實施例中，鑽孔工具430包括一被動時間域特徵信號電路，它利用了單一天線432、時間延遲線434以及用於反射電信號的開端436。單一天線432用於接收探測信號433和發送特徵/信標信號435。主動信標電路438產生信標信號，它最好有選定的頻率在50KHz到500KHz範圍內，其與終端436產生的特徵信號混合，並作為組合的特徵/信標信號435由天線432發送出去。水銀開關440位於主動信標電路438和天線432之間，所以水銀開關440隻對來自主動信標電路438的信號起作用，而對終端436產生的特徵信號不起作用。當鑽孔工具430的取向使水銀開關440打開時，信標信號電路438與天線432斷開，於是沒有信號從主動信標電路438發送出去。當鑽孔工具430的取向使水銀開關440閉合時，主動信標電路438與天線432相連，於是來自主動信標電路438的信號與特徵信號一起作為特徵/信標信號435被發送出去。水銀開關對特徵/信標信號435的作用先前已就圖19b進行了描述。頂部跡線438b表示的是由主動信標電路438產生的信號Ib，它是作為時間的函數。當鑽孔工具轉動和沿地下路徑運動時，水銀開關440的電阻Rm由低變到高，如中間的跡線440b所示。水銀開關440的連續打開和閉合產生一個被調製續的特徵/信標信號435b，記為Im，它在地面被PDU28接收。在信號Im435b中只表示了信標信號分量，沒有特徵信號分量。信號Im435b的調製保持相對於鑽孔工具430的最佳取向的恆定相位。在PDU28上的信標接收器/分析器61對信標信號調製的分析，使操作員能確定鑽孔工具頭的取向。
圖20c表示的實施例允許若干傳感器去檢測鑽孔工具450的環境，這裡的主動信標被用於發送傳感器數據。圖中表示的主動時間域特徵信號發生電路，包括一接收天線452，一發送天線454以及主動時間域特徵信號電路456，所有這些通過時間延遲線457相連接。一主動信標電路460也連到發射天線454。傳感器458通過傳感器引線462連於主動信標電路460。在此實施例中，傳感器458被放在鑽孔工具450的尖端附近，用於測量鑽孔工具450處的水壓。由主動信標電路460檢測傳感器讀數，並把來自傳感器458的信號變換成調製信號。這個調製信號隨後被用於調製由主動信標電路460產生的主動信標信號。為了具體展示向PDU28發送的特徵/信標信號455的產生，在圖20d中表示了幾個信號作為時間的函數。信號453d代表由接收天線452接收的探測信號Ip。第二個信號456d代表由主動時間域電路456產生的時間延遲的特徵信號Is。第三個信號460d(記為Ic)代表時間延遲特徵信號Is456d和主動信標電路460產生的未被調製信號的組合。最後一條跡線455d表示在地面接收的信號Im，它是時間延遲特徵信號Is 456d和主動信標電路460產生的信號(該信號已根據傳感器458的讀數進行了調製)的組合。由PDU28中的信標信號檢測器61對被調製的主動信標信號進行檢測，然後進行適當的分析，向用戶提供關於傳感器458的輸出的數據。
當然，將會理解，能對前文所討論的最佳實施例進行各種修改和補充，而不偏離本發明的範圍和精神。因此，本發明的範圍不應受前述特定實施例的限制，而只應由下面提出的權利要求及其等價物來限定。
權利要求
1.一種檢測地下鑽孔工具位置的系統，其包括與鑽孔工具分開的用於發生探測信號的發生裝置；用於響應該探測信號而在鑽孔工具處產生特徵信號的產生裝置；以及利用該特徵信號檢測鑽孔工具位置的檢測裝置。
2.如權利要求1的系統，其中的探測信號是電磁信號。
3.如權利要求1的系統，其中的探測信號是聲波信號。
4.如權利要求1的系統，其中的產生特徵信號裝置包括一可穿透地下的雷達系統。
5.如權利要求4的系統，其中的可穿透地下雷達系統產生一地下三維圖象。
6.如權利要求1的系統，其中的特徵信號是由其產生裝置被動產生的。
7.如權利要求1的系統，其中的特徵信號是由其產生裝置主動產生的。
8.如權利要求1的系統，其中該特徵信號極化方向與該探測信號的極化方向正交。
9.如權利要求1的系統，其中的特徵信號或在時間域或在頻率域中具有特徵。
10.如權利要求1的系統，其包括一定位裝置，用於確定鑽孔工具的地理位置。
11.如權利要求1的系統，其包括用於確定鑽孔工具要遵循預定路徑的確定裝置。
12.如權利要求1的系統，其包括用於記錄由鑽孔工具產生的地下路徑的記錄裝置。
13.如權利要求1的系統，其包括用於提取鑽孔工具孔穿過的地下介質特徵的特徵提取裝置；以及用於存儲地下介質特徵的存儲裝置。
14.一種地下鑽孔系統，其包括鑽孔工具；驅動鑽孔工具的驅動裝置，由此而產生地下路徑；與鑽孔工具分開的用於產生探測信號的發生器；用於響應該探測信號而在鑽孔工具處產生特徵信號的特徵信號發生器；以及利用特徵信號檢測鑽孔工具沿地下路徑位置的位置檢測器。
15.如權利要求14的系統，其中的鑽孔工具包括一方向控制裝置，它與驅動裝置相連，用於控制鑽孔工具的鑽孔方向。
16.如權利要求14的系統，其包括一定位裝置，用於確定鑽孔工具的地理位置。
17.如權利要求14的系統，其包括地下特徵提取系統，用於提取地下路徑的地下組成特徵；以及與地下特徵提取系統相連的計算機，用於確定地下路徑從而避免對鑽孔工具的阻礙。
18.如權利要求14的系統，其包括一臺計算機，用於把鑽孔工具產生的地下路徑與一預先確定的地下路線進行比較，以產生一比較信號表示該地下路徑與預定地下路線的差異；其中該計算機響應該比較信號，實現對鑽孔工具鑽孔方向的修正。
19.如權利要求14的系統，其包括可穿透地下的雷達系統，用於產生與預定地下鑽孔路線相關聯的地下特徵數據；以及一臺計算機，用於把地下特徵數據與已有鑽孔操作數據相關，以產生估計的鑽孔操作生產率信息。
20.如權利要求19的系統，其中的計算機使用估計的鑽孔操作生產率信息控制驅動裝置。
21.如權利要求14的系統，其中的探測信號發生器包括一可穿透地下的雷達系統，該地下穿透雷達系統進一步產生與地下路徑相關聯的地下特徵數據，該系統還包括與地下穿透雷達系統相連的計算機，用於在資料庫中存儲地下特徵數據。
22.如權利要求14的系統，其中的鑽孔工具包含一傳感器。
23.如權利要求22的系統，其中的鑽孔工具還包含發送由傳感器產生的數據的裝置。
24.一種檢測地下鑽孔工具位置的方法，包括以下步驟由一與鑽孔工具分開的信號源發生探測信號；響應該探測信號，在鑽孔工具處產生特徵信號；以及利用該特徵信號檢測鑽孔工具的位置。
25.如權利要求24的方法，其中的發生探測信號步驟包括發生電磁探測信號的步驟。
26.如權利要求24的方法，其中的發生探測信號步驟包括發生聲波探測信號的步驟。
27.如權利要求24的方法，其中的發生探測信號步驟包括利用地下穿透雷達系統發生探測信號的步驟。
28.如權利要求24的方法，其中的產生特徵信號步驟包括被動產生特徵信號的步驟。
29.如權利要求24的方法，其中的產生特徵信號步驟包括主動產生特徵信號的步驟，該特徵信號具有時間域和頻率域二者之一中的特徵。
30.如權利要求24的方法，其中的產生特徵信號步驟包括產生其極化方向正交於探測信號極化方向的特徵信號的步驟。
31.如權利要求24的方法，其中的檢測鑽孔工具位置步驟還包括利用地下穿透雷達系統確定鑽孔工具在三維中的位置的步驟。
32.如權利要求24的方法，還包括根據鑽孔工具位置修正鑽孔工具生產速率的步驟。
全文摘要
利用類似雷達的探測器與檢測技術確定地下鑽孔工具位置的裝置和方法。對鑽孔工具提供一裝置,該裝置響應從地面上發送的探測器信號而產生一特定的特徵信號。儘管存在大的背景信號,但地平面上的探測信號發射器和配置在鑽孔工具內的特徵信號發生器之間的聯合操作可提供對鑽孔工具的精確定位。由鑽孔工具產生的特徵信號,可以按與探測器信號有一或多方面(包括計時、頻率成分或極化)差異的方式或者被動或者主動地產生。或者在鑽孔操作之前或者在鑽孔操作過程中進行的鑽孔場地勘察,提供了關於受勘察地下介質特徵的數據以及關於識別地下障礙物(如埋入的設施)的數據。
文檔編號E21B47/12GK1209184SQ96199990
公開日1999年2月24日 申請日期1996年12月20日 優先權日1996年1月11日
發明者格雷戈裡·S·斯頓普, 克里斯多福·T·艾倫 申請人:維米爾製造公司