探测埋入式导体系统的发射器的制作方法

专利名称：探测埋入式导体系统的发射器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种探测埋入式导体系统的发射器。
背景技术：
在埋有电缆，光缆或其它公用工程管道或管线的地方开始挖掘或 其它作业之前，测定上述埋地的缆索或管线位置以确保它们在进行作 业时不被破坏是非常重要的。 一旦确定了埋藏的公共设施的位置，则 能够计算该公共设施的位置以确定安全的挖掘深度。
载流导体发射可以由电性天线探测到的电磁辐射。如果光缆或非 金属公用工程缆索或管线是以少量电子示踪器线路设置的，示踪器线 路能够感应一股交流电轮流发射的电磁辐射。众所周知的使用探测器 探测由承载交流电的导体发射的电磁场。
一种类型的所述探测器是以两种模式中的一种进行工作的，即 "主动"或"被动"模式。每种模式均有各自的探测频率波段。
在被动模式中，探测器探测周围的磁场，例如这些磁场由承载交
流电主干线电源达到50/60Hz的导体以及从超低频长波发射器获得 的超低频(VLF)信号所产生。
在主动模式中信号发生器/发射器依照三种方法中的一种被用于 产生在导体内产生交流测试信号。如果发射器能直接连接到导体上， 那么已知频率波形和调制的交流测试信号可直接应用到导体上。 即使导体是容易到达的，也不能直接连接，例如承载生活系统供电的导体， 一个夹子可以将发射器测试信号应用在导体上。该夹子通 常包括用交流发射器信号承载初级线圈磁芯的分裂环形磁芯。在操作 中线圈中的交流信号流在类似导体中向变压器产生电磁信号。
在不能进入导体的地方，信号发射器通过使用强感应线圈产生一 个交变电磁场。如果发射器放置在接近埋导体的地方，那么电磁场感 应到在邻近埋地导体中的电流。
在主动模式下，所有三种刺激埋地导体中测试信号的方法中，埋 地导体辐射的由信号发射器产生的信号和辐射信号可被探测器所探
当使用主动模式时必须考虑一些因素。当发射器是常规的由单板 电池提供电力时有效产生测试信号的同时尽可能保存电力消耗是很 重要的，以便于延长发射器电池的使用寿命。所以从发射器输出的信 号能量应该降至最小以减少电池消耗。另外，连接到不必要线路和覆 盖线路的高能量信号会造成探测目标埋地导体困难。
发射器能够被设置为以一定频率和波形类型发射交流测试信号。 频率的选择取决于许多因素，例如方便的感应埋地导体内的测试信号 和来自周围信号的干扰。
关于交流测试信号频率的选择，高频率信号通常用于高电阻线路 或低绝缘电信线路，尽管沿着导体距离比低频信号减少的更迅速。中 间频率信号通常用于系统供电电缆和连续金属管线而低频信号用于 应用定义终端的长途追踪(地)。
常规信号发射器的问题是针对负荷变化发射器的执行能力很差，可导致发射器的破坏。虽然传统的信号发射即包括一个基本的反馈回 路以稳定从发射器输出的信号，但控制程序不允许发射器对负荷变化 迅速作出反应。例如，突然断开荷载可能不会被发射器方便的探测到， 导致驱动放大器太困难以及潜在地破坏发射器。另外，反馈线圈能够 探测和处理周围信号但基于周围信号不能有效驱动发射器内地放大 器。
在本申请中我们描述一种改进的能克服一些传统系统中的缺点 的探测埋入式导体系统的发射器。

发明内容
根据本发明的第一方面提供一个发射器包括产生驱动波形信号 设备；电源设备；基于驱动波形信号连接电源和波形发生器而产生输 出驱动信号的放大器设备；作用于输出驱动信号以产生输出信号并具 有电流和电压的输出设备；在输出信号的基础上控制放大器设备的反 馈设备其中反馈设备提供输出信号的电流和电压的同相和正交组成。
关于发射器输出信号反馈电压和电流可在尼奎斯特频率之上被 提取。
放大器设备可包括H-桥D-级放大器和桥系线性放大器。H-桥D-级放大器可在直流电到40KHz的输出信号范围内进行操作。
在直流电到8KHz的输出信号范围内使用delta-signa调制安排 以及在8KHz到40KHz的输出信号范围内使用脉冲宽度调制安排可调 制H-桥D-级放大器。可通过驱动在40KHz以上的输出信号范围内的波形信号驱动桥
系线性放大器。
桥系线性放大器可由可变电源驱动。 驱动波形信号可由比例积分微分调节器产生。
根据本发明的第二个方面提供探测埋地导体的系统包括如上所 述的发射器和探测通过发射器的输出信号在所述埋地导体中感应的 信号的接收器。
根据本发明的第三个方面提供一种产生发射器输出信号的方法 包括产生一驱动波形信号；增强驱动波形信号以产生输出驱动信号； 基于输出驱动信号产生输出信号，该输出信号具有电流和电压；以及 反馈输出信号的电流和电压的同相和正交组成以控制该增强。
可通过一窄带过滤器过滤输出信号的反馈电压和电流。该窄带过 滤器可具有小于100Hz的带宽，优选地小于75Hz和40Hz。
关于发射器输出信号反馈电压和电流可在尼奎斯特频率之上被 提取。
增强可通过H-桥D-级放大器和桥系线性放大器执行。H-桥D-级 放大器可在直流电到40KHz的输出信号范围内进行操作。
在直流电到8KHz的输出信号范围内使用delta-signa调制安排 以及在8KHz到40KHz的输出信号范围内使用脉冲宽度调制安排可调 制H-桥D-级放大器。
可通过驱动在40KHz以上的输出信号范围内的波形信号驱动桥 系线性放大器。桥系线性放大器可由可变电源驱动。 驱动波形信号可由比例积分微分调节器产生。
根据本发明的第四个方面提供一承载计算机可读代码的控制微 处理器的承载媒介以实现上述方法。
根据本发明的第五个方面提供一种探测埋地导体的方法包括产 生一个上述的发射器输出信号以在所述埋地导体内感应测试信号，该 测试信号产生一电磁场；以及探测产生的电磁场。
根据本发明的更多方面提供一种发射器包括产生驱动波形信号 的波形发生器；电源；连接到电源和波形发生器并基于驱动波形信号 以产生输出信号的放大器；作用于输出驱动信号以产生具有电流和电 压的输出信号的输出线圈；以及在输出信号基础上控制放大器的反馈 连接其中反馈连接提供输出信号的电流和电压的同相和正交组成。


图1是根据本发明的实施例的探测埋地导体系统的示意图； 图2是图1所示系统的发射器的结构图3是图2所示的发射器的信号处理器和输出模块的结构图；以 及 ' 图4是控制图2所示的发射器的控制法的结构图。
具体实施例方式
图1是根据本发明的实施例的探测埋地导体系统的示意图，包括便携式发射器3和便携式接收器5。发射器3被放置在临近埋地导体
7以在埋地导体7内产生交流电测试信号。发射器3中的天线被供给 交流电压以产生在埋地导体周围链接的电磁场9，因此在埋地导体7 内感应交流电测试信号。交流电测试信号是由埋地导体产生的电磁场 辐射产生的以及该电磁场能够被接收器5探测到。如上所述，在另外 的实施例中发射器可通过直接链接导体或在导体周围钳位在导体内 提供测试信号。
图2是图1所示系统的发射器3的结构图。发射器3的输出信号 由输出模块13辐射产生以及连接到导体7上以在导体7内产生交流 测试信号。输出模块13同样以输出信号满溢区域激发区域内的导体 线路。
发射器13的操作由操作者或通过用户界面模块15或通过在发射 器3的通信模块17接收的命令来确定。预先确定的发射器3的输出 信号的特性包括信号能量，频率和调制安排。来自发射器3的输出信 号的能量主要由变化信号电流控制。 一旦输出信号的期望的特性被确 定，信号处理器模块19驱动输出模块13和监听来自输出模块13输 出的信号以确保来自输出模块13输出的信号符合预先确定的特性。
用户界面模块15传送信息给发射器3的操作者以及可包括一或 更多的显示屏显示信息给设备的操作者，输入设备如键盘或触摸感应 屏和可听输出设备如扬声器或传呼。通信模块17可发送和接收命令 到/从接收器5的通信模块和/或能使发射器3连接到个人计算机(PC) 或个人数字助理(PDA)(未示出)。发射器3进一步包括存储模块23和电源单元(PSU) 25，作为电源设备运行，包括动力管理电路和电 源如电池。发射器3的各种组成的全部控制是由控制器21管理的。 便携式探测器3的组成被覆盖在外壳内(未示出)。
图3是图2所示的发射器3的输出模块13和信号处理器模块19 的结构图。预先确定特性的信号从发射器3输出，由发射器3的操作 者输入，被传送到信号处理器模块19的数字信号处理器(DSP) 31 作为电流需量信号，Id，d。数字信号处理器31同样接收代表发射器 3的输出电流1。ut和输出电压V。u,的信号。这些代表性的信号通过监听 从发射器3的输出转换器33输出的信号而生成以提供模拟输出电压 信号；加之转换运用电流检测台35的输出电压以提供模拟输出电流 信号；以及数字转换模拟输出电压信号和模拟输出电流信号以提供这 些被传送到数字信号处理器31的信号数字转换型式。
在模拟数字转换器(ADC) 37内以500KHz的取样比例数字转换 模拟输出电压信号和模拟输出电流信号，这将在尼奎斯特取样频率之 上的关于发射器输出信号，通常发射器3是在200KHz的最大信号频 率进行操作的。
数字信号处理器31处理电流需量和数字转换的输出信号和，作 为产生驱动波形信号的设备运行，产生驱动波形信号39被传送到数 字模拟转换器(DAC) 41。驱动波形可能是正弦波，在临近导体之上 的用于探测耦合的测试信号的包括两不同频率的信号组成的电流方 向波形在W090/09601中以雷迪公司的名义描述，故障探测波形如在 GB2211621和EP0457809中以雷迪公司的名义描述的波形，或其它波形由接收器5探测。驱动波形信号39同样被传送到控制电源到桥系
线性放大器45的可变电源模块43，如下所述。在此结合W090/09601， GB2211621和EP0457809的内容以便参考。
从数字模拟转换器41输出的模拟驱动波形信号47用反混淆过滤 器49进行过滤，在该情况下5阶切比雪夫滤波器，以消除由高频人 工产物造成的数字模拟转换。输出波形整体确保在能量放大器中避免 浪费能源。
发射器3的输出模块13包括放大器设备和操作三个输出安排， 取决于输出信号的频率。
应用大约40KHz以下的D级放大器。D级放大器由调制作为推拉 开关的金属氧化物半导体场效应晶体管51的H桥组成。在直流电到 大约8KHz的附属区域内输入H桥放大器51的信号被运用Delta— Sigma ( A — 2 )调制安排53所调制这非常有效的在低阻抗荷载内产 生低频。Delta—Sigma调制由数字信号处理器31执行，其输出直接 驱动H桥。更多关于Delta—Sigma调制安排在GB236310中以雷迪公 司的名义提供，在此结合其内容以便参考。
在8KHz以上在金属氧化物半导体场效应晶体管中转换缺失成为 主导所以在8KHz到40KHz的附属区域内H桥放大器被运用脉冲宽度 调制(P丽)安排55而调制。从反混淆过滤器49输出的驱动波形信 号被转换为脉冲序列，同时其平均值直接与信号的振幅成比例。在这 种情况下脉冲宽度调制频率被选为262KHz以及状态锁定于数字信号 处理器，这是在输出内克服不必要频率人造产物的一关键参数。在40KH在以上由于栅电容H桥金属氧化物半导体场效应晶体管 51经历日趋显著的转换缺失。所以在40到200KHz频率范围内和以 上使用桥系线性放大器45以便于全轨至轨电压回转是可用的。线性 放大器被提供直接从反混淆过滤器49输出的信号。另外，桥系线性 放大器57从属于依靠可变电源模块43的可变电轨以便于对于荷载将 固有电压缺失调节能降到最小以及要求不需穿过全部可用轨至轨电 压产生电压转换。H桥推拉放大器51和桥系线性放大器45的输出被 提供到低传送过滤器59内以消除不必要的转换人造产物以及过滤的 信号被提供到输出转换器33上。利用标准设备和技术通过直接连接， 环形钳位或感应，输出转换器33被用于在埋地导体7内产生交流电 测试信号是本领域的公知常识。
发射器为输出信号提供最大10W荷载线路能量达到40KHz以及为 输出信号提供最大1W荷载线路能量在40KHz以上(依照电磁适应性 (EMC)规则)。10W荷载线路被设计为标准假定值大约为300Q荷载 这是典型的湿粘土的抗阻。另外一能量有效放大器提供电池电力发射 器以良好的运行寿命。
发射器3在频率范围从直流电到200KHz内作为可编程电流源。 发射器3能够提供非常稳定的输出，在一80分贝以上没有可见的调 制人造产物。另外发射器5能驱动所有可能阻抗的荷载。特别是发发 射器能用极少欧姆的低阻抗驱动荷载，即，几乎完全短路，如接地煤 气管道；高阻抗荷载如具有1M欧姆阻抗和100nf电容的绝缘电缆和 干土；以及通过夹子的电感负载。图4是显示用于控制在图3所示的数字信号处理器31内执行的
发射器3的控制法的结构图。数字信号处理器31从模拟数字转换器 37以500KHz的比例接收数字转换的输入1。"和V。"和L,d信号。
第一阶段的控制法是同相和正交(IQ)振荡器63。同相和正交 振荡器63从1。ut和V。ut信号得到正弦和余弦波形，相锁定在彼此的正 交，即90°出相，以及具有稳定的振幅。正弦和余弦波形被用于振 荡器63以建立1。ut和V一信号的同相和正交组成，其被传送到sine 消除器和低传送过滤器阶段65。更多关于同相和正交振荡器63在 W003/069769中以雷迪公司的名义提供，在此结合其内容以便参考。
Sine滤波器和低传送过滤器阶段65接收1。t,t和U言号的同相 和正交组成，在窄带内降低信号取样和过滤组成。低传送过滤器利用 具有录放幅频响应的sine滤波器或sincM滤波器的有限脉冲响应 (FIR)被执行，B卩，层叠的sincM滤波器串联。Sine滤波器和低传 送过滤器阶段65用来减少来自样品500KHz比例的信号比例到低取样 比例。因此消除比例是50，即，低采样信号的影响因素是50。 Sine 滤波器提供有限脉冲响应低传送过滤器其输出量级111和相I。ut的ZI 和量级1VI和相V。ut的ZV在窄带内。窄带小于100Hz，优选地小于75Hz 和40Hz。更多关于sine滤波器和低传送过滤器阶段65的细节在 GB2400994中以雷迪公司的名义提供，在此结合其内容以便参考。
Id，d信号和量级lli和相1。.,t的ZI被传送到计算在L,d信号和 U信号间的电流误差的汇总阶段67。量级IVi和相V。ut的ZV和电流 误差被传送到钳位阶段69以分别限制输出模块31的最大驱动电压和电流到最大可用轨道电压和电流。钳位阶段69的输出被传送到查询
功能71。查询功能71把量级和相位信息作为反馈电压和电流以提供 单一输出给比例积分微分(PID)调节器73。查询功能71计算预先 驱动水平以达到要求水准但在发射器的荷载线路特性内，因此为iow。 对于低阻抗或明显电容性荷载系统将终端停止在最大电流上；相反对 于高阻抗电压限制将会成功。其中功能能适应指令信号控制法将遵循 需要的水平到很高的精度(一千分之一)。
比例积分微分调节器73是标准算法能确保输出电压精确和快速 响应修正荷载动力和需求，典型的阶跃响应为100ms。
比例积分微分调节器73的输出被传送到低传送过滤器75和过滤 的输出调制77， 一正弦波在同相和正交振荡器63内生成以产生被提 供到图3所示的数字模拟转换器41和可变电源43的驱动波形39。
高带宽(500KHz)相敏感反馈控制法，作为反馈设备，通过数字 信号处理在发射器3内执行以便于通过执行相一正交反馈控制该系 统能够适应内在的电抗负载(电容性或感应性)。通过利用高带宽控 制法发射器3能承受荷载的突发改变可能上升，例如，当荷载由低阻 抗荷载变为无限大阻抗荷载时，即，当荷载与输出模块13断开时。
数字信号处理器的输出控制法依照电流需求被控制。通过有限脉 冲响应过滤器过滤电压和电流的反馈信号以便于依照控制法拒绝外 来电压(从主干线或其它周围信号源结合)。因此作为结果的波形非 常稳定(80分贝信噪比)以及不会被周围信号影响。
各种修改后的本工艺方法将随之在本领域中出现，但是那些工艺内。
本发明的观点能够以任意方便的形式实施，例如运用专用硬件， 或专用硬件和软件的混合。该处理设备能够包括任意合适的编程设备 如通用计算机，个人数字助理，移动电话(如手机上网协议或适应 3G电话)等。既然本发明能够作为软件执行，本发明的每一方面从 而围绕在编程设备上进行计算机软件执行。计算机软件能够提供给运 用任意常规的承载媒体的编程设备。承载媒体可包括瞬时承载媒体如 电，光，微波，声或承载计算机代码的无线电频率信号。所述瞬时媒
介的例子是通过IP网络，如互联网承载计算机代码的TCP/IP信号。
承载媒介同样可包括一个用于存储处理器可读代码的存储媒介如软
盘，硬盘，CD存储器，磁带设备或固体存储器设备。
权利要求
1.一发射器包括产生驱动波形信号的设备；电源设备；连接到电源和波形发生器以基于驱动波形信号产生输出驱动信号的放大器设备；作用于输出驱动信号以生成具有电流和电压的输出信号的输出设备；以及在输出信号的基础上控制放大器设备的反馈设备其中反馈设备提供输出信号的电流和电压的同相和正交组成。
2. 如权利要求1所述的发射器，其中输出信号的反馈电压和电 流通过窄带过滤器过滤。
3. 如权利要求2所述的发射器，其中窄带过滤器具有小于100Hz 的带宽。
4. 如权利要求1至3中任一所述的发射器，其中窄带过滤器为 sine过滤器。
5. 如前述任一权利要求所述的发射器，其中在尼奎斯特频率上 关于发射器输出信号提取反馈电压和电流。
6. 如前述任一权利要求所述的发射器，其中放大器设备包括一 H桥D级放大器和一桥系线性放大器。
7. 如权利要求6所述的发射器，其中H桥D级放大器在直流电到预先确定频率的输出信号范围内操作。
8. 如权利要求6所述的发射器，其中桥系线性放大器在输出信号预先确定频率之上的范围内被驱动波形信号驱动。
9. 如权利要求8所述的发射器，其中桥系线性放大器由一可变 电源驱动。
10. 如前述任一权利要求所述的发射器，其中驱动波形信号由 比例积分微分调节器生成。
11. 一探测埋地导体的系统包括 如前述任一权利要求所述的发射器，以及探测由发射器的输出信号在所述埋地导体内感应的信号的接收器。
12. —生成发射器输出信号的方法包括 生成驱动波形信号；增强驱动波形信号以产生一输出驱动信号； 基于输出驱动信号生成一输出信号，该输出信号具有电流和电 压；以及反馈输出信号的电流和电压的同相和正交组成以控制该增强操作。
13. 如权利要求12所述的方法，其中通过一窄带过滤器过滤输 出信号的反馈电压和电流。
14. 如权利要求13所述的方法，其中窄带过滤器具有一小于 麵z的带宽。
15. 如权利要求13至14中任一所述的方法，其中窄带过滤器 是一 sine过滤器。
16. 如权利要求12至15中任一所述的方法，其中在尼奎斯特 频率上关于发射器输出信号提取反馈电压和电流。
17. 如权利要求12至16中任一所述的方法，其中通过一 H桥 D级放大器和一桥系线性放大器执行增强操作。
18. 如权利要求17所述的方法，其中H桥D级放大器在直流电 到预先确定频率的输出信号范围内操作。
19. 如权利要求17所述的方法，其中桥系线性放大器在输出信 号预先确定频率之上的范围内被驱动波形信号驱动。
20. 如权利要求19所述的方法，其中桥系线性放大器由一可变 电源驱动。
21. 如权利要求12至20中任一所述的方法，其中驱动波形信号 由比例积分微分调节器生成。
22. —种承载计算机可读代码的承载媒介控制微处理器以实现如 权利要求12至21中任一所述的方法。
23. —种探测埋地导体的方法包括如权利要求12至21中任一所述的方法生成发射器的输出信号以 在所述导体内感应测试信号，该测试信号生成一电磁场；以及 探测生成的电磁场。
24. —种发射器包括 一生成驱动波形信号的波形生成器；一电源；连接到电源和波形发生器以基于驱动波形信号产生输出驱动信 号的放大器设备；作用于输出驱动信号以生成具有电流和电压的输出信号的输出 电路；以及在输出信号的基础上控制放大器设备的反馈连接其中反馈连接 提供输出信号的电流和电压的同相和正交组成。
全文摘要
本发明为探测埋入式导体系统的发射器。探测埋地导体7的系统1包括在埋地导体内产生测试信号的发射器3和探测导致在埋地导体内产生测试信号流的电磁信号11，发射器3包括生成驱动波形信号47的波形生成器41，电源25，连接到电源25和波形生成器41的基于驱动波形信号47产生输出驱动信号的放大器45，51和作用在输出驱动信号上以产生具有电流和电压的输出信号的输出电路33。输出信号的电流和电压的同相和正交组成被反馈控制放大器45，51。
文档编号G01V3/08GK101592739SQ20091011841
公开日2009年12月2日 申请日期2009年3月2日 优先权日2008年2月29日
发明者理查德·戴维皮尔逊, 约翰·马克果 申请人:雷迪有限公司