CN101365954A

CN101365954A - 用于探测埋地载流导体的探测器的无线电模式选择模块

Info

Publication number: CN101365954A
Application number: CNA2006800303559A
Authority: CN
Inventors: 理查德·皮尔森
Original assignee: Radiodetection Ltd
Current assignee: Radiodetection Ltd
Priority date: 2005-06-20
Filing date: 2006-06-06
Publication date: 2009-02-11
Anticipated expiration: 2026-06-06
Also published as: GB2427477B; US7304480B1; WO2006136778A1; US20070268011A1; DE602006016286D1; CA2612877C; ATE478347T1; CN101365954B; EP1899737A1; EP1899737B1; CA2612877A1; GB2427477A; GB0512567D0; JP2008547012A

Abstract

一种用于探测埋地载流导体的探测器(1)的无线电模式选择模块(41)，其包括多个拍频振荡器(53)，以使所述探测器(1)的探测带宽集中在目标超低频(VLF)频带。选择所述拍频振荡器的频率以落入多数国家使用的VLF频带内，从而在这些国家中探测器(1)能用于无线电模式，而不需要本地配置。

Description

用于探测埋地载流导体的探测器的无线电模式选择模块

技术领域

本发明涉及用于探测埋地载流导体的探测器的无线电模式选择模块。

背景技术

在埋藏了电缆、光缆或其它公用管道或导管处开始挖掘或其它操作之前，确定这些埋地电缆或导管的位置以确保其在操作过程中不被损坏是很重要的。并且对于可以追踪埋地电缆或导管的路线也是有用的。载流导体发射可以由电天线探测到的电磁辐射。如果光缆或非金属公用管道或导管与小型电追踪线(small electrical tracer line)配合，则在追踪线中可以感应交流电流，进而辐射电磁辐射。使用探测器来探测由承载交流电的导体发射的电磁场是已知的。

一种类型的探测器以三种模式中的一种工作。这些模式分类为无源模式或者有源模式，无源模式为“电力”模式和“无线电”模式。各模式具有自己的探测频带。

电力模式中，探测器探测由承载50/60Hz的AC主电源的导体产生的磁场，或因承载AC电能的附近电缆的作用与约至3KHz的高次谐波一起从导体再辐射的磁场。无线电模式中，探测器探测由埋地导体再辐射的超低频率(VLF)无线电能量。原始的VLF无线电信号的来源是多个商用和军用VLF长波发射器。

有源模式中，信号发射器产生已知频率和调制的交变磁场，该交变磁场在附近的埋地导体中感应电流。信号发射器可以直接连接至导体，或者可以在不能直接接入的地方，将信号发射器邻近埋地导体放置，则在导体中可以感应信号。埋地导体再辐射由信号发射器产生的信号。

这些系统广泛可用，且已由无线电探测公司(Radiodetection Ltd)以商标“C.A.T”和“Genny”上市一段时间。

发明内容

本发明为现有的系统提供更多优点，为用户提供附加功能和益处。探测器在灵敏度、动态范围和选择性方面获得良好的性能。典型的参数是6×10^-15特斯拉灵敏度(指1Hz带宽)，141dB rms/Hz动态范围，以及允许1Hz过渡带120dB衰减的选择性。探测器可以数字编程以接收上至44KHz的任何频率且在任何限定的带宽处理。

根据本发明的第一方面，提供一种用于探测来自埋地载流导体的超低频磁辐射的探测器的无线电模式选择模块，所述探测器具有用于将磁辐射转换为场强信号的磁性传感器，和用于数字化所述场强信号的模数转换器，所述无线电模式选择模块包括：多个拍频振荡器，其使所述探测器的场强信号的探测带宽集中在目标超低频频带上；求和装置，用于对所述拍频振荡器的输出求和；及乘法装置，用于将所述求和装置的输出与所述数字化信号相乘。

优选地，第一拍频振荡器以17536Hz和20992Hz之间的频率振荡，第二拍频振荡器以20992Hz和24448Hz之间的频率振荡。

优选地，第一拍频振荡器以18400Hz和20128Hz之间的频率振荡，第二拍频振荡器以21856Hz和23584Hz之间的频率振荡。

优选地，第一拍频振荡器以19264Hz的频率振荡，第二拍频振荡器以22720Hz的频率振荡。

优选地，第三拍频振荡器以24700Hz振荡。

根据本发明的第二方面，提供一种用于探测埋地载流导体的探测器，包括磁性传感器，用于将磁辐射转换为场强信号；模数转换器，用于数字化所述场强信号；及如上所述的无线电模式选择模块，其被设置以处理所述探测器的场强信号。

本发明可以在一般用途的计算机的硬件或者软件中实施。另外，本发明可以结合硬件和软件实施。本发明也可以通过单一处理设备或处理设备的分布式网络来实施。

这样，在详细说明本发明的至少一个实施例之前，应当理解的是本发明不局限于下文说明中所列举的或附图所表示的元件的结构和设置的详细应用。本发明也可以是除那些已描述的实施方式之外的实施方式，且可以是以不同方式实行和完成。同样应当理解的是，此处所使用的措词和术语，以及摘要是为说明的目的，不应理解为是限制。

同样地，本领域技术人员应当理解，本公开所基于的概念可以容易地实现，来作为设计用于实现本发明的多个目的的其它结构、方法和系统的基本原理。

附图说明

现结合附图以示例的方式说明本发明的实施方式，图中：

图1是体现了本发明的用于探测埋地载流导体的探测器的总框图；

图2是图1的探测器的供电单元的框图；

图3A和图3B是图1的探测器的预防模式系统的框图；及

图4是图3B的预防模式系统的无线电模式选择模块的框图。

具体实施方式

参照图1，探测器1具有两个垂直间隔开的装在细长的垂直支承的外壳(未示出)内的天线，即底部天线3和顶部天线5，操作员使用手柄可手动地移动外壳。天线3、5设置为使它们的轴平行且间隔开，以使在使用中底部天线3在顶部天线5的正下方，它们的轴均水平。各天线3、5产生的电信号被传输到两个放大器7中相应的一个。放大器的输出是场强信号9，场强信号9传输至CODEC 11。

天线3、5每一个都具有本底噪声。来自天线3、5的每一电信号被传输到其相应的放大器7，以将磁性传感器本底噪声提高至CODEC11的固有量化噪声之上，这被称作一个或多个探测频带的带宽。每一放大器7的输出被传输至CODEC 11。

使用的天线3、5是高灵敏度的铁氧体线圈。也可以使用其他磁性传感器，诸如霍尔效应传感器或磁门磁强计。

CODEC 11是24位立体声Δ-∑模数转换器(ADC)。这是相对便宜的设备，常用于音频工业。用“RD4000”商标标记的RadiodetectionLimited(无线电探测有限公司)的产品中，在天线和ADC之间使用预选式滤波、多级转换增益级和相敏外差电路。而本发明在天线和ADC之间不使用预选式滤波、多级转换增益级和相敏外差电路，因此减少了元件的数量。因为装置测量的绝对准确度是重要的，因此其它现有技术的电缆探测器中使用更精密的因而更贵的ADC。

本实施方式中使用的CODEC 11具有±5％的绝对准确度，然而CODEC 11的使用方式使其成为用于本应用的理想的ADC。高动态范围消除了对多级增益级的需求。通过对探测带宽进行大量过采样-为该原理的理想应用的音频CODEC 11的噪声整形方案，来获得高动态范围。

尽管该音响级ADC是低绝对准确度，本实施方式还从探测器1通过处理和比较从两天线3、5接收的信号来计算埋地导体的深度的事实中受益。因此，通过比较两个处理信号来克服CODEC 11采样中的任何绝对的不准确度。将CODEC 11用作比例变换装置显著地降低了成本，而没有损害探测器1的总性能。

CODEC 11以上至96KHz来对场强信号9进行过采样。CODEC 11的输出13被传输至数字信号处理模块15，该数字信号处理模块15由数字信号处理器16(DSP)和场可编程门阵列18(FPGA)组成。

DSP 16主要有三个任务。首先，其负责确定探测频带的选择。第二，其控制探测器的音频和视频输出。第三，其为探测器1的其它元件提供一般的控制功能。

以WO 03/071311，WO 03/069598，WO 03/069769，GB 2400994和GB 2400674公布的无线电探测有限公司的申请中提供了DSP任务的详细操作，将其全部引用在此以做参考。

显著的益处源自于超窄带处理，典型地与带宽的平方成比例的噪声。探测器1同时在几个频带中进行处理，使得诸如一般的定位任务的冲击响应函数能够与诸如深度计算的窄带函数共存。以上至44kHz的任一频率在1Hz带宽中计算深度计算任务，带外抑滞约-120dB。

相位跟踪是当发射器和接收器时钟之间的潜在误差超过信号带宽时允许窄带任务锁定在载波频率上的基本特性。在有源模式的情况中，发射的信号可以被100％幅度调制，深度计算任务必须将其自身精确地定位在载波上而不与边带(位于32,768Hz载波±6Hz处)串扰。

相位跟踪算法是无线电探测有限公司在申请号为0407372.2的英国申请中描述的处理的自然发展。基本的信噪比(SNR)测量是在载波和边带上进行的，并且为确保跟踪算法而执行的检查不因电力线传输而在任何高次谐波上偏移。SNR是从量级和二阶导数相位信息两者来量化得到的；所有结果都与天线3、5两者相关。在SNR小于10dB的情况下，深度计算任务失效，因而确保只有准确的信息呈现给用户。

当在脉冲模式操作中时，将频谱识别概念应用于有源信号。该想法是无线电探测有限公司在申请号为0407372.2的英国申请中描述的算法的简单应用，且包括载波和AM边带的频谱估算。该估算是SNR的离散傅立叶变换(DFT)卷积和测量。DFT随着跟踪算法而移动，且锁定在载波频率上。

这些方法的结合确保探测器1获得最佳可能的信号完整性和深度准确度。

用户通过灵敏度控制17和开关19来控制探测器1。开关19用于设置探测器1的操作模式。例如，可以将探测器1设置为在无线电、电力或有源模式下工作。当使用专用的信号发生器接近要被探测的电缆时选择有源模式，信号发生器在再辐射磁信号的导体中感应交流电流。该信号发生器以预置频率和由探测器1确定的预置调制运行。开关19的另一位置是“预防”模式，下面将说明其操作。

灵敏度控制17用于改变天线3、5的梯度灵敏度。高灵敏度最初用于探测由载流导体产生的弱信号的存在。一旦确定导体的存在，就改变灵敏度控制17以减小探测器1的灵敏度，而用探测器1来更准确地确定被隐藏的载流导体的位置。公布为US 6777923的无线电探测有限公司的申请中描述了一种方法，该方法说明了作为灵敏度函数的定位窗，其引用在此作为参考。

液晶显示器(LCD)21设置在外壳表面中以显示例如探测器的操作模式、电池状态、导体深度和/或探测到的信号的强度的信息。对于本领域技术人员来说，显然可以使用其它的用户显示装置。

探测器1也包含存储软件的闪存ROM23，和电源单元(PSU)25。探测器1的关键要求在于其必须是便携式的。因此，电池26用于为探测器1供电，这种情况下为两个“D”型电池，各提供额定1.5V电压。

在使用中，探测器1被供电，并且软件从闪存ROM23加载至数字信号处理模块15。用户调节开关19以选择操作模式。该选择可以是无线电模式、电力模式、有源模式或者预防模式。在电力模式中、有源模式和预防模式中可以激活深度阈值警报功能。在预防模式中深度阈值警报功能仅在电力模式和有源模式的频带中的频率上作用。下文详细说明深度阈值警报功能。

当探测器1接近载流导体时，在底部天线3和顶部天线5中感应电流。天线3、5每一个中感应的电流被相应的放大器7放大。放大器7的输出9是两个天线3、5的场强信号。这些信号输入至CODEC 11，CODEC 11以上至每秒采样96千次来采样这些信号。数字信号13被传输至数字信号处理模块15。数字信号处理模块15的DSP 16根据操作模式离析目标频带的信号。如果DSP探测到载流导体的存在，则在扬声器22和/或指示器21上触发音频和/或视觉警报。

参照图2，PSU 25用以减少自生噪声，该噪声干扰探测器1的定位灵敏度和选择性。干涉机理是在功率轨上传导或者作为磁场辐射。探测器1的空间限制意味着将存在必然将来自辅助电子设备的无用信号耦合到天线中。通过谨慎地控制PSU 25的电磁辐射，可获得各种益处。例如，现有技术的数字探测器作为外差或超外差接收器进行操作，其中DSP的操作带宽从基带信号偏移开。这种偏移是需要的，以避免辅助电子设备和信号探测器之间的电磁干扰，并且利用了DSP的大部分处理容量。在本发明中，通过将探测器1用作零差接收器来闲置这些容量，剩余容量用于其他功能，如下面所述。

PSU 25是由微处理器控制的开关式电源，该情况中的微处理器是DSP 16。PSU 25提供12V、+3.3V和-3.3V的稳压。PSU 25的输入电压随着电池26的老化而降低。主要由于扬声器22引起的电流的变化，所以负载31是动态的。扬声器输出随着载流导体被探测到而明显变化。由其它元件引起的电流也波动。

PSU 25包含脉宽调制器(PWM)27，该脉宽调制器27由DSP 16控制。PWM 27的输出被传输至单端初级电感控制器(SEPIC)29，SEPIC29以CODEC采样频率的四倍，即上至384KHz被精确地驱动。这样确保一次谐波落在CODEC 11和DSP 16的自然零点上，如现有技术所已知的。由SEPIC 29产生的三个稳定线路为探测器1的动态负载31即探测器1的元件供电。

SEPIC 29的两边缘受到控制，以使DSP16完全控制由PSU25产生的全部的电磁辐射。这样，DSP 16能够消除将与探测频带重叠的任何无用的电力谐波。

使用比例积分微分(PID)控制器33反馈算法来控制PSU 25。反馈带宽由噪声预防的要求所限制，以使没有更高次电力转换谐波干扰定位频带。稳定电压由滤波器39进行滤波，且被传输至PID控制器33。PID控制器33的输出被组合起来，作为输入提供给查找表35。电池26的电压也作为输入提供给查找表35。对控制功能的另一贡献是负载预报器，负载预报器响应负载的急剧变化，典型地为增加的音频需求，来对SEPIC 29的占空比进行偏移。该负载预报器功能由DSP16提供，DSP 16知道某些元件所需要的负载，特别是扬声器22。由PSU 25引起的负载典型地在600和1500mW之间变化。

查找表35的输入为电池供给电压、负载预报器和三个反馈成分。输出是一次转换的占空比。查找表35的目的是确保由调节过程产生的PSU25的频谱分量不会与探测频带重叠。这样导致急剧变化时可以从一个占空比跳到另一占空比的间断功能，而非连续的稳定灰阶。查找表35的具体特性适合于操作模式。

通过使用PID控制器33和查找表35，消除了对专有的转换调节器的需求，因此减少探测器1的成本。SEPIC 29是转换变换器，其输出几乎是占空比的线性函数。反馈控制律33被限制于约1.5KHz的带宽。在DSP 16可以进行控制之前需要仿真线路振荡器来起动SEPIC29。

在可选的实施方式中，可以使用PID反馈混频的其它组合。例如，反馈律33可以是标准的比例控制(具有滞后现象)，即具有零积分和微分反馈增益。根据操作模式使用控制算法。

通过控制PSU 25的自生噪声，探测器受益于改进的SNR。因此提高了探测器1的灵敏度和选择性。

图3A和图3B表示探测器1的更详细的框图，示出了在探测器1中实施的“预防”模式系统。如上所述，可使用三种专用的操作模式，即一种有源模式和两种无源模式。当使用现有的探测器检测埋地导体的区域时，需要扫描该区域三次，每次探测器处于不同的模式中。

本发明的探测器1将专用的有源和无源操作模式结合为单一模式，已知为预防模式，以单次扫描探测埋地导体，从而节省时间。如果必要的话，后期可以使用一种或多种专用模式来确定埋地导体的准确位置。同时运行三种模式，共享该对天线3、5和共同的探测指示器21和扬声器22。通常将探测灵敏度30设为最大，但也可以设于较低级。

CODEC 11的时钟为73.242 KHZ。DSP16处理由天线3、5产生的场强信号，同时离析与三种模式选择模块41、43、45中的三种操作模式相应的三个频带中每一频带的信号。

现有的探测器中，主要由于处理和电力的限制及其外差结构，DSP一次仅能处理一种模式。但是，根据本实施方式，由于因系统中的其他效益而闲置的容量，例如探测器1作为零差接收器的能力，使DSP16能够同时处理各个信号。

与不同操作模式相应的DSP 16的信号被输出传输至自动增益控制器47(AGC)，诸如以US 6777923公开的无线电有限公司的申请中描述的AGC，引用在此以做参考。将AGC 47的各输出转化为比较器49中的探测信号。探测信号被结合且被用于提供音频输出给扬声器22和/或给指示器21，例如在LCD上提供视觉信号。

探测器1不断地计算埋地导体的估计深度。如果计算出的埋地导体的深度小于预设阈值，例如30cm，则触发音频和/或视觉警报以向操作员警告浅埋的导体。当挖掘一区域时这种浅埋导体特别受关注因为有增加击中浅埋导体的风险。

为了优化探测器的用户界面，当计算导体的深度时，DSP16同时在三种频带中处理信号以确定为用户呈现信息的方式。以1Hz带宽来计算导体的深度；在10Hz带宽中处理可视显示器以使显示器的闪烁处于可被接受的水平；以35Hz处理音频警报，以确保脉冲音调清晰可听得见。

深度阈警报功能在操作的电力模式和有源模式中起作用。其也在预防模式中起作用，但仅对在电力和有源模式中使用的频带操作。如下所示，通过比较两天线3、5接收到的信号的强度来计算埋地电缆的深度。

底部天线信号E_b(w)和顶部天线信号E_t(w)作为探测器与导体的水平偏移量w的函数，表示为

E_{b} (w) = \frac{ka}{a^{2} + w^{2}}

和

E_{t} (w) = \frac{k (x + a)}{w^{2} + {(x + a)}^{2}}

其中k是磁性常数；x是天线之间的距离；而a是载流导体上方的垂直距离。载流导体的深度表示为：

d (w) = | \frac{x}{\frac{E_{b} (w)}{E_{t} (w)} - 1} |

深度阈警报函数表示为：

其中T_d是深度阈常数，取决于期望深度，超过该期望深度触发警报。

如果SA(w)＝1，触发音频和/或视觉警报。然后通过改变探测器1的灵敏度来准确定位埋地导体的位置，可以获得更准确的深度测量，如上所述。

该方法包括将深度阈警报函数的潜在的交错引入到定位描述中，深度阈警报函数由导体的深度a和水平偏移量w以及探测器1的灵敏度支配。

当将探测器1位于载流导体的正上方时，天线3、5中感应的信号之间的差异最大。随着探测器1远离导体，该差值起初减小然后又上升至第二峰值。该情形是探测器在垂直于导体的任一方向上移动。因此，当探测器1在载流导体的正上方时，天线3、5中感应的信号之间的差值有个主峰，而当探测器1与导体水平放置时，有两个较小的峰值。

当探测器1估算深度阈警报函数时，当探测器1在导体的正上方时和当探测器移动到探测器1的任一侧时，可以触发深度警报，与导体水平放置时的较小峰值相一致。通过移动探测器1穿过触发深度阈警报的三个位置的每个，其中中间位置对应于导体的正上方，有经验的用户可以区分开主中峰和两个较小的侧峰。

常规地，无线电模式使用差频振荡器(BFO)将探测带宽的中心定于目标VLF频谱上。各个国家发射的VLF传输的具体频率不同。常规的方法需要根据地理位置将BFO调谐到具体的频率。

通过将经过多个BFO处理的信号的输出结合起来，本实施方式获得“通用的”无线电模式。该方法的优点在于探测器1在大多数国家中可以应用，且在这些国家中不需要本地配置，因此节约成本及部署时间。实现BFO的结合且不丢失性能。

无线电选择模块的输入源是来自VLF发射站的在16KHz至39KHz频带中的能量。参照图4，模块41将来自多个BFO 53的信号55添加到普通算法中，因此包含所有频谱且不丢失所涉及的信噪比的性能。除了具有多个BFO外，该算法与所有先前的算法非常相似。BFO53在共模结合57处相加，其输出与从CODEC 11输出的信号59相乘。低通滤波器61判定全部的带宽探测，其典型地为10KHz，并且还除去调制所固有的三角和项。

如果使用两个BFO 53，它们的频率在17536Hz至20992Hz和20992Hz至24448Hz的范围内选择。优选地它们的频率在18400Hz至20128Hz和21856Hz至23584Hz的范围内选择。本实施方式中两个BFO 53的频率选择这些范围的中间值，即19264Hz和22720Hz。另一优选频率范围是24700Hz左右，可以选择另外的BFO频率以改进本地覆盖。通过将多个BFO 53运行于这些精心挑选的频率，探测器可以以无线电模式在多数国家中进行探测。

无线电模式选择模块41的信号处理的其他部分与先前的用于处理无线电模式信号的结构没有变化。包含整流器63、随后的低通滤波器65、下采样级67和另一低通滤波器69。该级联采样和低通滤波用于抽取从每秒采样约73千次下至每秒采样约610次的采样率的带宽，具有接近10Hz的全部响应带宽，即无线模式的冲击响应带宽。

对于本技术领域技术人员来说，各种修改都是显而易见的，且其期望包括所有落入所附权利要求范围内的修改。

Claims

1.一种用于探测来自埋地载流导体的超低频磁辐射的探测器(1)的无线电模式选择模块(41)，所述探测器具有用于将所述磁辐射转换为场强信号的磁性传感器(3、5)和用于数字化所述场强信号的模数转换器，所述无线电模式选择模块(41)包括：

多个拍频振荡器(53)，其使所述探测器的场强信号的探测带宽集中在目标超低频频带上；

求和装置，用于对所述拍频振荡器的输出求和；及

乘法装置，用于将所述求和装置的输出与所述数字化信号相乘。

2.如权利要求1所述的无线电模式选择模块，其中第一拍频振荡器以17536Hz和20992Hz之间的频率振荡，第二拍频振荡器以20992Hz和24448Hz之间的频率振荡。

3.如权利要求2所述的无线电模式选择模块，其中所述第一拍频振荡器以18400Hz和20128Hz之间的频率振荡，所述第二拍频振荡器以21856Hz和23584Hz之间的频率振荡。

4.如权利要求3所述的无线电模式选择模块，其中所述第一拍频振荡器以19264Hz的频率振荡，所述第二拍频振荡器以22720Hz的频率振荡。

5.如权利要求2所述的无线电模式选择模块，其中第三拍频振荡器以24700Hz振荡。

6.一种用于探测埋地载流导体的探测器(1)，包括：

磁性传感器(3、5)，用于将来自所述导体的磁辐射转换为场强信号；

模数转换器，用于数字化所述场强信号；及

如权利要求1所述的无线电模式选择模块(41)，其被设置以处理所述探测器的所述场强信号。