使用兩個水平移位測量點的定位器的制造方法

使用兩個水平移位測量點的定位器的制造方法
【專利摘要】使用兩個水平移位測量點的定位器，利用兩個水平移位的三維天線確定磁場源位置。在優選的實施例中，兩個三維天線被設置在接收器支架的相對兩端。每個天線三維地檢測來自磁場源或發射器的磁場。接收器被保持在水平面內且接收器在水平面內被移動直到在兩個點中的每一處所測得的磁通角均為零為止以使得接收器處在正交于磁場源的軸的垂直面內。利用測得的磁場數據確定磁場源相對于接收器的三維深度和位置。接收器被沿由包含接收器的兩個點的直線所確定的方向移動直到在兩個點中的每一處所測得的磁場大小基本相同以使得接收器位于磁場源上方為止。
【專利說明】使用兩個水平移位測量點的定位器
[0001]本申請為享有申請日為2008年9月28日且名稱為“使用兩個水平移位測量點的定位器”的申請號200810168743.4的分案申請。
【技術領域】
[0002]本發明整體上涉及定位地下目標的領域，并特別涉及在操作臥式鉆床的領域內定位和追蹤信號或發射器。
【背景技術】
[0003]水平定向鉆孔(HDD)工藝通常使用循蹤(walk-over tracking)技術來跟蹤鉆孔或設施安裝過程，以迅速發現鉆頭或回拉擴孔鉆頭正上方的表面位置，并確定鉆頭或回拉擴孔鉆頭距離該表面位置的深度。主要的追蹤工具是地下發射器和手持式表面接收器。設置在鉆孔工具或回拉擴孔鉆頭內或與其非常接近的發射器通常發射出由單線圈偶極天線制造出的偶極磁場。發射出的偶極磁場可以同時被用于定位和與上方的地面接收器進行通?目。
[0004]常規的接收器通常包含一個三天線裝置，三個天線安裝在三個直角坐標軸中的每一個上。當天線裝置測量到偶極磁場時，每個天線的輸出正比于沿特定天線的軸向測量的磁通密度的大小。數學分析來自天線的信號以提供關于鉆孔工具相對位置的信息。定位偶極磁場，并由此定位鉆孔工具的方法通常包括兩步--沿ζ軸(縱向)確定其位置然后沿y軸(左右)確定其位置。本領域普通技術人員應該理解接收器能夠利用在正交于所述表面并通過發射器軸延伸的垂直面(x-z平面)內測量的發射器生成的水平和垂直磁場分量的振幅和相位而沿縱向方向(沿ζ軸)定 位發射器。在發射器并未處于水平面內因此發射器的斜度不為O的情況下，發射器的確定位置可能在接收器正下方也可能不在接收器正下方。接收器也能夠利用在水平面(y-z平面)內的偶極磁場的振幅和相位而沿左右方向確定單個發射器的位置。但是，左右方向的確定只能在發射器前方或者后方使用，因為當接收器處于發射器正上方時(使得z=0)對于偶極磁場來說沒有y分量。目前沒有滿意的方法可以在天線裝置位于發射器正上方時同時沿縱向和左右方向定位發射器。

【發明內容】

[0005]本發明涉及一種用于追蹤地下磁場源的方法。該方法包括將接收器組件保持在基本水平的平面內，在接收器的兩個不同點中的每一處同時三維地檢測來自磁場源的磁場，在水平面內移動接收器，直到在兩個點中的每一處所測得的磁通角均為零為止，然后利用測得的磁場數據三維地計算磁場源相對于接收器的位置。
[0006]本發明進一步涉及一種用于確定磁場源位置的接收器系統。接收器包括支架和處理器，支架包括把手，兩個且僅僅兩個由支架支撐并適用于檢測來自磁場源的磁場的三維天線，處理器適用于從兩個天線組件中的每一個接收天線信號并利用天線信號確定磁場源相對于支架的位置。支架適用于在用把手手持支架時將兩個天線保持在基本水平的平面內。
[0007]在一個可選實施例中，本發明涉及一種用于檢測來自磁場源的信號的接收器系統。接收器包括支架，由支架支撐并適用于檢測來自磁場源的磁場的至少一個天線組件，適用于從至少一個天線組件接收信號并輸出第一濾波信號的第一濾波器組件，適用于從至少一個天線組件接收信號并輸出第二濾波信號的第二濾波器組件，和適用于分別從兩個濾波器組件接收第一和第二濾波信號并確定關于來自磁場源的磁場的數據是否已被傳送的處理器。第一濾波器組件包括至少一個窄帶濾波器。第二濾波器組件包括至少一個寬帶濾波器。
[0008]而本發明的另一種應用涉及一種用于引導鉆孔工具組件向目標移動并經過目標的方法。該方法包括將包含位于基本水平的平面內的兩個天線組件的接收器組件設置在目標位置，在兩個天線組件中的每一個處同時三維地檢測來自鉆孔工具組件的磁場，然后利用通過兩個天線組件測得的磁場計算鉆孔工具組件在包含鉆孔路徑的豎直平面內的位置。接收組件被定位成使得兩個天線組件均位于鉆孔工具組件的預定鉆孔路徑上。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是根據本發明構建的用于鉆出水平鉆孔的水平定向鉆孔系統和追蹤系統的示意圖。
[0010]圖2是根據本發明構造的接收器組件的透視圖。
[0011]圖3是用于本發明的天線組件部分切除后的透視圖。
[0012]圖4是構造用于檢測和處理由鉆孔工具發射的信號的便攜式區域監測系統的方塊圖。
[0013]圖5是示出了用于提高發射器定位精度的方法的流程圖。
[0014]圖6是一種發射器和傾斜的接收器之間關系的幾何表示。
[0015]圖7是另一種發射器和傾斜的接收器之間關系的幾何表示。
[0016]圖8是用于另一種接收器使用方法的接收器和發射器之間關系的示意圖。
[0017]圖9是在圖8的方法中使用接收器時用于接收器顯示的優選實施例的示意圖。
【具體實施方式】
[0018]下面整體上參照附圖，特別是參照附圖1，在其中示出了本發明中使用的水平定向鉆孔系統(“HDD”)系統10。圖1通過演示能夠不影響地上結構也就是用附圖標記14表示的車行道或人行道而鉆出鉆孔12來說明水平定向鉆孔的有效性。為了刺出或鉆出鉆孔12，帶有鉆頭18的鉆柱16通過旋轉驅動系統20被旋轉驅動。當HDD系統10被用于鉆出鉆孔12時，監控鉆頭18的位置對于鉆孔的準確定位和隨后的設施安裝來說至關重要。本發明涉及一種用于在水平定向鉆孔操作期間追蹤和監控鉆孔工具組件24的系統22和方法。盡管本發明被示出用于鉆孔系統中，但是本發明也可以等價地應用于回拉擴孔操作，在該操作中鉆孔被放大并準備用于所需設施的安裝。
[0019]本發明的HDD系統10適用于在地下，例如在車行道14，建筑物，河流或其他障礙物下方，基本水平地設置服務設施。HDD系統10中使用的追蹤系統22特別適用于提供鉆孔工具組件24的準確的三維位置。本追蹤系統22的定位和監控操作在其可以用單次移動或最小的協同移動而成功到達鉆頭18的上方位置方面是有利的。本發明相關的上述和其他優位置將通過下面對優選實施例的介紹而變得顯而易見。
[0020]繼續參照圖1，HDD系統10包括通過鉆柱16有效連接至鉆孔工具組件24的鉆床28。鉆孔工具組件24優選地包括鉆頭18或其他定向鉆孔工具，和電子裝置30。電子裝置30包括發射器32，或磁場源，用于發射穿過地面的信號。優選地發射器32包括發射出偶極磁場的偶極天線。電子裝置30還可以包括用于檢測鉆孔工具組件24和鉆頭18的操作特性的多個傳感器34。多個傳感器34通常可以包括的傳感器例如測量鉆頭18的滾動位置的滾動傳感器，測量鉆頭斜度的斜度傳感器，電子裝置30內測量溫度的溫度傳感器，和指示電池狀態的電壓傳感器。多個傳感器34所檢測的信息優選地來自鉆孔工具組件24上通過發射器32使用調制或其他公知技術發射的信號。
[0021]下面參照圖2，示出了本發明的追蹤系統22的優選實施例。追蹤系統22包括接收器組件36。接收器組件36包括支架38，計算機處理器40，以及由支架支撐的第一和第二天線裝置41和42。處理器40由支架38支撐并有效連接至天線裝置41和42。支架38優選地為輕質結構并能夠由操作人員利用把手44攜帶。在優選的實施例中，接收器組件36還包括視覺顯示屏46和用于給接收器組件的各個部分供電的電池48。視覺顯示屏46可以適用于提供追蹤系統22相對于鉆頭18或發射器32的視覺描述，以及其他對操作人員來說有用的信息。接收器組件36還可以包括用于將信息從接收器組件發射到鉆床10或其他遠程系統(未不出)的發射天線(未不出)。
[0022]天線裝置41和42被支撐在支架38上并以已知的距離和已知的相對位置被彼此分隔。優選地，天線裝置41和42被設置在支架38上以使得當支架被保持在基本水平的平面內時，天線也將平躺在水平面內。更優選地，天線被以30英寸的距離彼此分隔。更優選地，支架38可以在天線裝置41和42之間確定一個軸。本領域普通技術人員應該理解天線之間的距離或跨度越大，所能夠提供的分辨率和精度就越高。也可以使用其他的接收器結構，只要天線裝置41和42能夠在每個支架38上的天線安裝位置處的直角坐標系中分離出磁場即可。
[0023]天線裝置41和42中的每一個都優選地為三維天線。更優選地，天線41和42適用于在其各自的支架38上的位置測量總磁場。優選地，每個天線41和42都包括三個正交的天線以沿其特定的靈敏度軸測量磁場。由三個正交天線所測得的每一個信號被平方，相力口，再開平方之后即可獲得總磁場。該計算假定每個天線的靈敏度相同且每個天線的中心與另外兩個天線的中心重合以使得天線裝置是在空間中的某單個位置處測量總磁場。測量和計算還被簡化為天線41和42相對于彼此以同樣的方式被定向和排列。但是，如果天線41和42并不是指向同一方向，也可以對計算進行修正(adjustment)以補償排列的差異。
[0024]下面參照圖3，圖中示出了本發明中使用的天線41或42的優選實施例。天線42包括針對三個接收線圈54a，54b和54c中的每一個界定出三塊面板52的支撐結構50。支撐結構50優選地由輕質塑料制成并以使三塊面板52均在尺寸上相同的方式加工。更優選地，支撐結構50具有基本為立方體的形狀且三塊面板52中的每一塊都界定出具有中心點的矩形有孔區域。更優選地，面板52是互相正交定向的以使得中心點重合。由于面板結構，線圈54也都具有重合的中心點，且其靈敏度也都基本相同。適合在本發明中使用的天線裝置被更完整地公開在共同受讓的申請號為11/382，644的美國專利申請中，在此以參見的方式引入其內容。本領域普通技術人員應該理解三維天線41和42的其他實施例，例如鐵氧體棒形天線或印刷電路板也都可以被使用。
[0025]下面參照圖4，示出了本發明的接收器組件36的優選實施例的方塊圖。天線裝置41和42，如前所述，測量來自源發射器32的磁場的變化。檢測到的磁場變化會導致響應于發射器32磁場的感應電壓。來自天線41和42的電壓被送至濾波器60和放大器62。濾波器60消除由天線41和42從局部噪聲源接收的其他信號的影響。放大器62增大由天線41和42接收的信號。A/D轉換器64被用于將模擬的波形信息轉化為數字數據。
[0026]來自A/D轉換器64的數字數據隨后被送至中央處理器66 (CPU)以計算發射器32相對于接收器組件36的位置。CPU 66可以包括數字信號處理器(DSP)和微控制器。CPU66解碼來自A/D轉換器64的信息并用下面將要介紹的方式進行計算以確定發射器的位置。CPU 66還可以辨別磁場中發出的信息，以確定電池狀態，斜度，滾動，以及關于鉆孔工具組件24的其他信息。
[0027]接收器組件36也可以包括用于測量關于接收器組件36的操作信息的一個或多個傳感器68。例如，一個或多個加速計，或者其他公知的斜度和定向傳感器或者磁羅盤，可以提供關于接收器36的滾動位置或斜度的信息。來自傳感器68的信息被送至A/D轉換器64，在此DSP可以進行計算以對接收器36未被精確地保持在水平面內進行補償。
[0028]在優選的實施例中，接收器組件36進一步包括具有多個按鈕，操縱桿和其他輸入裝置的用戶界面70。操作人員可以通過用戶界面70輸入信息供CPU 66使用。通過用戶界面70輸入或者由CPU 66確定或使用的信息可以在視覺顯示屏72上顯示給操作人員。接收器組件36還包括用于將信息從CPU 66傳送到遠程單元例如鉆床10的無線電天線74。
[0029]接收器36優選地通過電池組件76和功率調節系統78供電。電池組件76可以包括多個C-電池型號的電池，不過也可以考慮其他的電源例如可再充電電池，太陽能電池或燃料電池。功率調節系統78可以包括線性調節器或開關模式調節器以給接收器36的各個部件供電。
[0030]本發明還給出了一種用于提高通過天線41和42接收的通信和信號的精度和處理效果的方法和濾波器裝置。一種來自發射器32的信息通信的優選方法是開關鍵控(“00K”)通信和差分相移鍵控(“DPSK”)通信的結合。在優選的方法中，同步序列包括短時間地關閉來自發射器32的信號。接收器36優選地被編程用于將本方案中的“關閉”時間識別為同步周期并給接收器提供測量噪聲基底的機會。“關閉”時間優選地是足夠接收器36測量噪聲基底的時間。本通信方案的比特率優選地非常接近于從發射器32傳送數據所需的最優比特率。隨后，優選地使用傳統的DPSK通信以將信息從發射器32傳送至接收器36。本通信方案由于具有同步周期特點的發射器32—直向接收器36發射信號且接收器能夠因此基本連續地定位發射器而更加有利。
[0031]利用本發明的通信方案發射的示例應該包括一個持續I秒鐘的信息包。該信息包優選地以一個50ms的時段開始，在此期間發射器并不發射而處于“關閉”狀態。然后發射器32被打開50ms的時段，在此期間不允許相移以使得相位基準可以被接收器36生成并辨識。隨后，優選地在60bps下使用DPSK以有效發送剩余的54位信息。接收器36優選地將信息包解析為10個6位的非零字符。更優選地，第一個6位字符被作為同步序列處理，接下來的9個6位字符是數據。用于這些字符的協議可以用任何便利的方式構建以發射例如滾動位置，斜度，溫度等信息。
[0032]在通信和發射來自發射器32的信息的另一種方法中，鉆孔工具組件24的旋轉被停止且工具組件和發射器被保持在恒定的滾動位置(roll position)上。優選地，工具組件24和發射器32被旋轉至預定的傾側角并允許保持固定一段預定時間。更優選地，發射器32被允許保持固定至少五秒鐘。如果發射器32保持預定的傾側角(roll angle)—段時間，發射器32即可被編程為停止通信和發射未調制的簡單載波信號。當發射器32被再次旋轉時，調制信號的信息通信即被恢復。可選地，當發射器32被保持在恒定的滾動位置時，發射器可以發送未調制的滾動位置信號。未調制信號將向接收器36表明在發射未調制信號時可以更準確地進行深度測量。接收器36還可以調節濾波器特性以在發射未調制信號期間改變針對接收信號的頻率響應。
[0033]為了改善對來自發射器32的信號的接收和檢測，接收器36包括設置在處理器66內的數字信號處理(“DSP”)濾波器79 (如圖4所示)的兩個平行組。盡管這里介紹的是軟件實現的DSP濾波器，但是本發明也可以使用硬件實現的濾波器。第一組濾波器79a優選地包括寬帶濾波器。第二組濾波器79b優選地包括窄帶濾波器。窄帶濾波器79b優選地具有大約IOHz的帶寬。寬帶濾波器79a優選地具有125_200Hz的帶寬范圍，并被用于從調制信號中解碼信息和進行用于定位發射器32的計算。當發射器32僅發射一個載波信號時，發射器位置的確定只基于窄帶濾波器79b的輸出。當發射器32開始通信且寬帶濾波器檢測到發射的信號時寬帶濾波器79a將再次被用于定位。寬帶濾波器79a可以被用于驗證通信，忽略隨即的噪聲和辨識同步字符。
[0034]下面參照圖5，圖中示出了表示由處理器66使用多個DSP濾波器79a和79b的流程圖。來自發射器32的信號如圖所示在400處到達濾波器。信號由窄帶濾波器79b在402處接收和由寬帶濾波器79a在404處接收。窄帶濾波器79b僅在406處更新定位數據。寬帶濾波器79a在408處更新定位數據并在410處解碼信息。如果在412處發現解碼信息已存在，那么接收器36內的處理器66就會認識到應該在414處使用408處的來自寬帶濾波器79a的定位數據。如果在412處未發現對應信息，那么處理器66就在414處使用406處的來自窄帶濾波器79b的定位數據。本領域普通技術人員應該理解如本文所述使用兩組濾波器帶來的好處是移除了更多的信號噪聲從而提高了定位測量的精度。
[0035]本發明中的接收器組件36使用來自天線裝置41和42的磁場測量值來直接移動接收器。通過適當的移動，接收器36可以在三維(3-D)空間內相對于接收器準確地定位發射器32。每個天線裝置41和42在任何位置都能夠獲得三個可辨識的正交磁場分量。在上述的優選實施例中，每個裝置41和42中的三個天線提供這些磁場測量值。
[0036]接收器組件36可以被用于在三維(3-D)空間內定位發射器32。當處于發射器32的區域內時，接收器36被用于通過使用在天線41和42處測量的磁通角來發現發射器平面(y軸，其中z=0)。當天線41和42處的磁通角均為O時，接收器36即位于發射器平面內且發射器32相對于接收器的位置即可被確定。本領域普通技術人員應該理解磁通角測量值為O表明天線41和42處的磁通角與發射器32相對于水平面的斜度相同；表明接收器36處于發射器平面(y軸，其中z=0)內。優選地，發射器32的位置被發射器確定在x-y-z坐標系的原點處。為了本發明的目的，ζ軸被指定為沿發射器32的軸向，y軸被指定為垂直于發射器軸向的水平軸，而X軸被指定為垂直于發射器軸向的垂直軸。因此，ζ軸是縱向量度，y軸是左右量度，而X軸是深度量度。
[0037]在優選的實施例中，并且特別是在操作人員對于鉆孔工具24和鉆孔路徑12的位置已有大體概念的情況下，按如下方式使用接收器36。接收器組件36被保持為使天線裝置41和42之間的軸基本垂直于預估的鉆孔路徑12。優選地，盡管可以用計算來補償接收器的任意斜度，但是接收器36還是被保持在基本水平的平面內。更優選地，接收器36可以被允許偏離水平面不超過20度(20° )。接收器36隨后被沿預估的鉆孔路徑12推進直到相對于每個天線41和42的磁通角測量值均為零(O)為止。
[0038]接收器36處于發射器32平面內時，發射器32相對于接收器的位置即可利用圖6中的幾何關系和公知的方程式而被確定。例如根據測量值和計算值，操作人員可以得到接收器36到發射器32正上方位置的左右偏移距離。接收器36也可以被左右移動直到由天線41和42測量的總磁場相等為止。當由天線41和42測量的總磁場相等且相對于每個天線41和42的磁通角測量值均為O時，接收器36即被定位在發射器的正上方(在此y=z=0)。確保零場測量值(沿X軸測量的磁場測量值)為O且總磁場測量值被最大化的接收器36的重復小幅移動能夠允許更準確地指示發射器32的位置。當接收器36位于發射器正上方時，能夠對發射器32深度進行準確的確定。在優選的實施例中，天線41和42的信號狀態或大小通過顯示屏72被告知操作人員。天線41和42的信息可以以數字形式或者用其他的圖像技術例如虛擬氣泡水平儀進行通信。
[0039]如上所述，接收器36可以包含傳感器68來負責測量接收器的傾角(tilt)或斜度(pitch)并能夠計算β。計算還可以被用于補償發射器32的斜度。而且，如上所述，當發現天線41和42處的總磁場大小相等時 則I值為O。但是，本領域普通技術人員應該理解如果磁場不平衡或者如果接收器36在后續步驟中被輕微移動則y值仍將由幾何關系決定。
[0040]接收器36相對于發射器32的位置可以通過直接求解磁場方程獲得。用于本系統的磁場方程是:
否=[士年和
【權利要求】
1.三維天線，包括: 支撐結構，包括第一面板、第二面板和第三面板； 支撐在第一面板中且界定出有孔區域的第一線圈； 支撐在第二面板中且界定出有孔區域的第二線圈； 支撐在第三面板中且界定出有孔區域的第三線圈； 其中所述每一個線圈的有空區域都相同；并且 其中所述的線圈具有共同的中心點。
2.如權利要求1所述的三維天線，其中三個所述面板中的每個是互相正交定向的，且每個所述面板包括大體矩形有孔區域。
3.如權利要求1所述的三維天線，其中支撐結構包括輕質塑料。
4.如權利要求3所述的三維天線，其中支撐結構包括第一部分和第二部分，以及 第一部分固定到第二部分。
5.如權利要求1所述的三維天線，其中每個線圈包括磁導線。
6.如權利要求1所述的三維天線，其中所述線圈不會相互相交。
7.三維天線，包括: 支撐結構； 支撐在第一面板中且界定出有孔區域的第一天線線圈； 支撐在第二面板中且界定出有孔區域的第二天線線圈； 支撐在第三面板中且界定出有孔區域的第三天線線圈； 其中所述每一個天線線圈的有空區域都相同；并且 其中所述的線圈具有共同的中心點。
8.如權利要求7所述的三維天線，其中支撐結構限定第一面板、第二面板和第三面板，以及 其中第一天線線圈被支撐在第一面板中； 其中第二天線線圈被支撐在第二面板中； 其中第三天線線圈被支撐在第三面板中。
9.如權利要求8所述的三維天線，其中三個所述面板中的每個是互相正交定向的。
10.如權利要求7所述的三維天線，其中每個天線線圈的有孔區域是矩形，該矩形具有圓角。
【文檔編號】E21B47/0232GK103498666SQ201310245282
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2008年9月28日 優先權日:2007年9月28日
【發明者】S.B.科爾 申請人:查爾斯機器制造廠有限公司