用于地下对象检测的导数成像的制作方法

技术实现要素：

根据各种实施例，公开内容的方法包括生成用于地下的系列扫描并且使用系列地下图像来创建导数图像。方法还包括对导数图像执行一个或者多个测试并且基于一个或者多个测试检测地下对象。

根据其它实施例，公开内容的系统包括：传感器，配置成生成用于地下的系列扫描；以及处理器，耦合到传感器。处理器被配置成执行存储的程序指令，程序指令使处理器使用系列扫描来生成系列地下图像、使用系列地下图像来创建导数图像、对导数图像执行一个或者多个测试并且基于一个或者多个测试检测地下对象。

根据其它实施例，自动化地下障碍检测包括扫描与地面下传感器邻近的地下、使用第一地下扫描来生成地下的图像、使用在第一扫描之后的地下扫描来更新地下图像并且计算更新的地下图像的参数的导数。该方法还包括使用参数的导数来形成导数图像、对导数图像执行一个或者多个测试并且基于一个或者多个测试生成输出，该输出指示存在与地面下传感器邻近的地下障碍。

根据一些实施例，自动化地下障碍检测包括使用地上传感器来扫描地下、使用第一地下扫描来生成地下的图像并且使用在第一扫描之后的地下扫描来更新地下图像。该方法还包括计算更新的地下图像的参数的导数、使用参数的导数来形成导数图像、对导数图像执行一个或者多个测试并且基于一个或者多个测试生成输出，该输出指示存在地下障碍。

在更多实施例中，自动化地下障碍检测包括使用钻孔机沿着地面下路径移动耦合到钻柱的钻头并且使用装配于钻头的传感器来扫描与钻头邻近的地下。该方法也包括使用第一地下扫描来生成地下的图像、使用在第一扫描之后的地下扫描来更新地下图像、计算更新的地下图像的参数的导数并且使用参数的导数来形成导数图像。该方法还包括对导数图像执行一个或者多个测试并且基于一个或者多个测试生成输出，该输出指示存在与钻头邻近的地下障碍。

根据各种实施例，用于水平方向钻探(HDD)系统的自动化地下障碍检测包括使用装配于钻孔工具的地面穿透雷达(GPR)来生成用于地下体积的系列扫描以创建SAR图像。该方法也包括使用SAR图像的参数来创建SAR图像的导数图像、对导数图像执行一个或者多个测试并且基于一个或者多个测试检测在钻孔工具前方和/或侧方处存在对象。

在其它实施例中，用于HDD系统的自动化障碍检测包括向在钻头前方和侧方的地下中发送GPR探测信号、接收返回信号并且使用返回信号来产生SAR图像。该方法也包括测量用于SAR图像的每个像素的参数、计算像素参数测量的导数并且使用计算的导数测量来形成导数SAR图像。该方法还包括针对一个或者多个指定条件测试导数图像的每个像素并且基于满足一个或者多个指定条件生成检测事件信号，该检测事件信号指示障碍存在于钻头前方或者侧方并且落入GPR的检测区段内。

根据更多实施例，一种用于自动化地下障碍检测的系统包括：壳，配置用于地上可移动；地上传感器，耦合到壳并且配置用于地下感测；以及存储器，配置成存储用于实施导数成像对象检测算法的程序指令。处理器耦合到存储器和传感器。处理器被配置成执行用于实施导数成像对象检测过程的存储的程序指令，这些过程包括：使用第一地下扫描来生成地下的图像；使用在第一扫描之后的地下扫描来更新地下图像；计算更新的地下图像的参数的导数；使用参数的导数来形成导数图像；对导数图像执行一个或者多个测试；并且基于一个或者多个测试生成输出，该输出指示存在地下障碍。

其它实施例涉及一种自动化地下障碍检测的系统，该系统包括：壳，配置用于地下可移动；传感器，耦合到壳并且配置用于地下部署和地下感测；以及存储器，配置成存储用于实施导数成像对象检测算法的程序指令。处理器耦合到存储器和传感器。处理器被配置成执行用于实施导数成像对象检测过程的存储的程序指令，这些过程包括：使用第一地下扫描来生成地下的图像；使用在第一扫描之后的地下扫描来更新地下图像；计算更新的地下图像的参数的导数；使用参数的导数来形成导数图像；对导数图像执行一个或者多个测试；并且基于一个或者多个测试生成输出，该输出指示存在与壳邻近的地下障碍。

根据一些实施例，一种用于自动化地下障碍检测的系统包括挖掘机，该挖掘机包括：驱动单元，耦合到土地穿透工具；以及传感器，装配于土地穿透工具上或者邻近。传感器被配置用于地下感测。存储器被配置成存储用于实施导数成像对象检测算法的程序指令，并且处理器耦合到存储器和传感器。处理器被配置成执行用于实施导数成像对象检测过程的存储的程序指令，这些过程包括：在土地穿透工具经过地下前进之时扫描与土地穿透工具邻近的地下；使用第一地下扫描来生成地下的图像；使用在第一扫描之后的地下扫描来更新地下图像；计算更新的地下图像的参数的导数；使用参数的导数来形成导数图像；对导数图像执行一个或者多个测试；并且基于一个或者多个测试生成输出，该输出指示存在与土地穿透工具邻近的地下障碍。

根据各种实施例，一种HDD系统包括：驱动单元；钻柱，耦合到驱动单元；钻头，耦合到钻柱；以及切割工具，装配到钻头。雷达传感器与切割工具邻近装配于钻头。雷达传感器包括：发送器，用于向地下中发送雷达探测信号；以及接收器，用于接收返回信号。处理器耦合到存储器和雷达传感器。处理器被配置成执行存储于存储器中的用于实施导数成像对象检测过程的程序指令，这些过程包括：使用接收的返回信号来生成SAR图像；使用SAR图像的参数来生成SAR图像的导数图像；对导数图像执行一个或者多个测试；并且基于一个或者多个测试检测至少在切割工具前方存在对象。

可以考虑下文具体讨论和附图理解这些和其它特征。

附图说明

图1和图2示出了根据各种实施例的导数成像算法的各种过程。

图3示出了根据各种实施例的根据由于地下的第一扫描而产生的原始雷达返回数据重建的动态SAR图像的第一帧；

图4示出了根据各种实施例的利用用于每个相继扫描的SAR图像数据更新图3的SAR图像从而产生分辨率高得多的图像这样的加性效果；

图5示出了根据各种实施例的恰在相对于经过地下前进的钻头检测到预先安装的地下对象之前的帧；

图6-8图示了根据各种实施例的应用于SAR图像的掩模图像的例子；

图9示出了根据各种实施例的用于实施导数成像对象检测方法的系统的框图；

图10示出了根据各种实施例的经过其中使用HDD机器发生钻孔操作的地面部分的横截面；

图11是根据各种实施例的包括与钻孔工具邻近的向下打眼雷达单元的各种HDD系统部件的框图；

图12-14图示了根据各种实施例的用于自动化障碍检测的方法的各种过程；

图15是示出了根据各种实施例的实施用于导数成像对象检测的HDD系统的各种部件的框图；

图16是根据各种实施例的实施用于HDD系统的钻头传感器的步进式频率连续波雷达的框图；

图17示出了根据各种实施例的包括传感器封装的切割工具，其中该传感器封装包括雷达传感器，并且图17还示出了钻头雷达的辐射图案；

图18示出了根据各种实施例的相对于钻孔路径的中心轴限定的示例圆柱形检测体积，该检测体积代表钻头雷达的检测区段内的地下体积；

图19和图20示出了根据各种实施例的系列方位角切片的SAR重建；

图21A-21C是根据各种实施例的与图20中所示方位角切片1-3关联的显示，这些显示示出了针对每个方位角切片对SAR重建进行操作的导数成像对象检测算法的以图形形式的输出；

图22示出了根据各种实施例的全3D SAR实施方式，在该实施方式中，显示可以呈现具有3D等容轮廓的3D等容，这些轮廓具有导数成像标记；并且

图23示出了根据各种实施例的在钻孔进展时的轰炸瞄准器视图，该轰炸瞄准器视图示出了从图22中所示圆柱形体积到与钻孔轴垂直切割的平面上的渐进投影。

具体实施方式

在所示实施例的下文描述中参照附图，这些附图形成说明书的部分，并且在附图中通过示例示出了可以用来实现本发明的各种实施例。将理解可以利用其它实施例并且可以进行结构和功能改变而未脱离本发明的范围。

根据本发明的系统、设备或者方法可以包括这里描述的特征、结构、方法或者其组合中的一项或者多项。例如可以实施设备或者系统以包括下文描述的有利特征和/或过程中的一项或者多项。旨在于这样的设备或者系统无需包括所有这里描述的特征、但是可以被实施成包括提供有用结构、系统和/或功能的所选特征。

本发明的实施例涉及用于使用导数成像的自动化地下障碍检测的系统和方法。本发明的实施例包括可以实施为独立系统的导数成像系统，这些系统用于针对掩埋对象如公用设施和人造或者自然障碍的存在勘察地下。根据各种独立系统实施例，可以实时执行地下的导数成像从而在扫描或者勘察地下之时提供即时地面下对象检测信息。根据其它独立系统实施例，可以在扫描或者勘察地下之后使用在地下扫描或者勘察期间获取的数据来执行地下的导数成像。

本发明的实施例包括可以并入于挖掘机中用于在挖掘之前或者期间针对掩埋对象的存在勘察地下的导数成像系统。本发明的实施例包括地面下障碍检测和碰撞前报警系统，这些系统优选地被实施用于实时操作并且在并入于挖掘装备如水平定向钻探机中时发现特别用处。可以设想根据本发明的并入导数成像的其它系统实施方式。例如这里公开的实施例中的许多实施例涉及适于用于地面下如在HDD机器系统的钻孔工具中使用和部署的传感器。其它实施例涉及适于用于在地平面或者在地平面上方使用的传感器、比如穿透地表面的雷达系统。

根据本发明的使用导数成像的地面下障碍检测包括从配置用于地下感测的传感器获取数据。通常预处理的从传感器获取的数据用来生成地下的图像。通过向地下图像中并入从传感器获取的附加数据来“积累”这一地下图像，这渐进地提高地下图像的分辨率或者信息密度。地下图像随着添加新获取的传感器数据而改变和演变。处理器或者其它电子电路实施的导数成像算法通过计算地下图像的参数的导数对地下图像操作。使用参数的导数来形成导数图像，并且对导数图像执行一个或者多个测试。基于一个或者多个测试生成输出，该输出指示存在与地面下传感器邻近的地下障碍。

可以在根据本发明的实施导数成像的系统中运用广泛多种传感器。一般而言，适当传感器包括可以感测存在与传感器邻近、但是未接触的对象的传感器，这允许碰撞前检测对象。特别有用的传感器包括生成探测信号并且感测反射或者返回信号的传感器。下文是代表性的传感器的非穷举、非限制列举，这些传感器可以适于用于根据本发明实施例的使用导数成像的地面下对象检测：雷达传感器如地面穿透雷达、声学传感器、地震传感器、电磁传感器、磁场传感器、磁共振(MRI)传感器、正电子发射(PET)传感器、核磁共振(NMR)传感器、时域电磁(TDEM)传感器、电阻率传感器、介电常数传感器、传导率传感器、热传感器、电容传感器、磁场传感器(例如磁力计)和化学传感器。

在各种实施例中，将单个传感器系统运用于根据本发明的使用导数成像的地面下对象检测。在其它实施例中，将两个或者更多相异传感器系统运用于使用导数成像的地下对象检测。在一些实施例中，运用相异传感器系统来提供独立地面下对象检测信息。在其它实施例中，运用相异传感器系统以比如通过使用一个或者多个合并算法来提供复合地面下对象检测信息。

可以在传感器数据处理和导数成像期间的一个或者若干阶段实施合并。例如在一种方式中，可以使用从每个相异传感器获取的数据来独立地形成导数图像并且推导特征、继而为特征级合并。在另一方式中，可以使用在数据级合并中合并的传感器数据来共同形成地下图像，并且可以根据这一地下图像生成导数图像。可以在导数图像的形成中的任何步骤实施合并：从在形成导数图像之前获取原始传感器数据到合并导数图像并且识别合并的图像中的对象(目标)到形成个体地下图像的导数图像、然后合并从那些导数图像中的每个导数图像识别的目标。在通过引用而结合于此的第6,751,553和5,321,613号美国专利中公开了用于在本发明各种实施例的背景中执行合并的附加细节。

本发明的实施例涉及自动化地下障碍检测的方法，这些方法包括扫描与地面下传感器邻近的地下并且使用第一地下扫描来生成地下的图像。使用在第一扫描之后的地下扫描来更新地下图像。计算更新的地下图像的参数的导数，并且使用参数的导数来形成导数图像。对导数图像执行一个或者多个测试，并且基于一个或者多个测试生成输出，该输出指示存在与地面下传感器邻近的地下障碍。

为其计算导数的参数优选地是与地下图像的元素或者区域关联的反射或者散射能量参数。例如参数可以是地下图像的像素的亮度。又举例而言，参数可以是地下图像的像素簇的亮度。形成导数图像通常包括计算地下图像的每个像素或者每个像素簇的亮度的导数以形成导数图像。

在一些实施例中，形成导数图像包括使用参数的一阶导数来形成一阶导数图像。在其它实施例中，形成导数图像包括使用参数的更高阶导数如参数的二阶导数来形成更高阶导数图像。对一阶或者更高阶导数图像执行一个或者多个测试，并且基于一个或者多个测试生成输出，该输出指示存在与地面下传感器邻近的地下障碍。在更多实施例中可以使用参数的一阶和二阶导数来形成一阶和二阶导数图像。可以对一阶和二阶导数图像中的每个导数图像执行一个或者多个测试，并且基于一个或者多个测试生成输出，该输出指示存在与地面下传感器邻近的地下障碍。

理解根据本发明实施例甚至超出二阶导数的更高阶导数可以用于导数成像对象检测。在一些实施例中，一个或者多个测试可以包括以某一复杂方式组合不同阶导数的值的算法。这一点的例子将是使用这里呈现的一阶导数检测方法，该方法包括描述的测试并且包括附加测试，该测试也要求二阶导数具有某一个值以便在特定阶段接受一阶导数。作为另一例子，可以针对某个值测试一阶和二阶导数的加权乘积以指示检测。确实发生一阶导数为正而二阶导数为负(二阶导数可以视为讨论的函数的曲率)，这指示虽然函数的改变仍然增加、但是增加速率减少。这可以是有用测试。例如如下测试可以提高检测特性度(specificity)，这些测试组合不同阶导数的值。

根据各种实施例，本发明的导数成像算法包括可以被调整以调节算法性能的一个或者多个参数。可以基于多个因素(包括地下的地质(例如沙地比对粘土)、水含量、传感器移位速率、对象检测范围和深度要求、对象检测灵敏度比对选择度(特性度)要求、检测信息的容差或者准确度要求和检测半径或者视野(FOV)要求以及其它因素)调整这些参数。

在各种实施例中，检测半径代表导数成像算法的可以自动或者借助用户输入调整的参数。检测半径参数建立传感器的检测范围(例如视野)。优选地实施用于根据本发明的对象检测的传感器用于感测传感器前方和侧方。检测半径参数建立在传感器前方和侧方延伸的检测区段，该检测区段的尺寸由检测半径参数的量值规定。也可以使用检测半径参数和/或其它参数(例如检测区段成形参数如对向下打眼雷达的半径图案的形状有影响的参数)来调整检测区段的形状。推荐鉴于特定勘察条件使检测半径限于合理尺寸用于实现最优对象检测性能。

例如选择6英尺的检测半径使导数成像算法忽略从传感器离开比6英尺更远的原本会被算法识别为可能故障的地下特征。检测半径范围主要依赖于运用的传感器类型和其它因素如上文列举的因素而典型检测半径范围在小于1英尺到至少20英尺之间。

选择对于特定勘察而言太小的检测半径减小传感器的检测区段的尺寸(即减小传感器的灵敏度范围)、因此限制可以检测超出感兴趣的传感器对象多远。如果传感器移位速率相对于传感器的灵敏度范围而言为高，则这一场景可能产生很少或者无碰撞前报警(并且很少或者无时间采取纠正动作)。然而减小检测半径确实增加对象检测选择度/特性度、由此减少误报可能性。

选择对于特定勘察而言太大的检测半径增加传感器的检测区段的尺寸，这可能具有检测对于碰撞避免的目的而言未带来威胁的很少或者未关注的对象这样的负面结果。增加传感器的检测半径给传感器电子器件、信号处理和数据通信电路以及检测算法处理器增加计算负担，这在出于对象碰撞避免的目的而忽略或者丢弃处理的信息中的大量信息时有浪费。然而增加检测半径确实增加传感器感测在传感器正前方或者侧方的对象的灵敏度、但是具有减小对象检测的选择度/特性度这样的负面效果、由此增加误报可能性。

导数成像算法的可以调整的另一参数是第一阈值，每个参数(例如像素亮度)的导数比对该第一阈值来测试。例如比较每个像素或者像素簇的亮度的导数与第一阈值。第一阈值优选地是等于或者大于1的正数，该正数指示像素亮度按照大致相同量值随着相继扫描而增加。第一阈值可以设置成小于1的正数以例如考虑噪声和杂乱数据的存在。

这一第一阈值用来截止导数图像的无意义的部分。这通过应用第一阈值而未二值化图像来完成。换而言之，在第一阈值以下的像素值设置成＝0，但是保持其它值与它们在第一阈值比较操作之前相同。也可以使用具有二值化的阈值化，但是如本领域技术人员将理解的那样将需要相应地调整导数成像算法中的设置和方程的其它改变。

在一个代表性的实施例中，第一阈值的值设置成0.7。一般而言，预计像素亮度导数值>1不太可能，因为这将指示像素的亮度随着每个添加的扫描而增加相同数量。将这一第一阈值设置成1或者更大将显得太严格(基于迄今为止的实验)，但是这正是二阶导数测试有特别价值之处。例如，如果像素值的改变率(一阶导数)实际上随着在多次扫描之上添加扫描而增加(意味着二阶导数>0)，则这是真实的某物(例如障碍)存在于传感器的视野中的良好指示。

导数成像算法的可以调整的另一参数是影响检测算法的灵敏度(和选择度或者特性度)的第二阈值。优选地设置第二阈值以允许以用于维持实时地下对象检测的充分速度检测导数图像在它被更新并且随着添加新传感器信息而演变时的改变。第二阈值可以是如下值，该值代表为了构成可能检测事件而需要的特定像素的亮度的最后n导数的最小改变(例如百分比改变)，其中n为整数。

第二阈值确定导数图像(并非地下的实际数据图像)中的像素是否将视为检测事件并且如下文将具体描述的那样确定导数成像算法是否向标记掩模(也是2D阵列或者“图像”)添加标记。通常基于多个因素(包括n(即后“n”导数)的值和第一阈值的值)设置和调整第二阈值的值。N的值一般可以在1与20之间变化并且通常从5至15变化。一般而言，n的更小值提供检测算法的灵敏度增加而随之有选择度/特性度减少和误报可能性增加。

在一个代表性的例子中，n的值设置成10从而意味着需要比第一阈值的值(设置于0.7)更大的系列10个连续导数用于检测。第二阈值设置成10并且用于具有二值化的阈值化，这意味着导数图像中的在第二阈值以上的所有像素设置成＝1而在阈值以下的所有像素设置成＝0。这一第二阈值的值最终与在检测判决中使用的图像数目n以及与第一阈值的值有关。回顾第一阈值在这一代表性的例子中设置成0.7并且用作无二值化的阈值化，因而第二阈值确定系列n导数图像之和在特定位置大于10(或者具有10个图像的在这一情况下>1的平均值)。

在这一代表性的例子中，第二阈值的值＝n，但是情况未必需要这样，并且第一阈值、第二阈值和n的选择一起作用于确定导数成像算法的灵敏度和特别度。

在一些实施例中，第一阈值、第二阈值和n参数中的每项是可选的。在其它实施例中，仅第一阈值、第二阈值和n参数的子集是可选的。在更多实施例中，第一阈值、第二阈值和n参数的子集在执行必需校准之后固定并且随后不可变更直至执行后续校准。第一阈值、第二阈值和n参数中的一些或者全部可以由操作者选择、由实施导数成像算法的处理器基于各种输入来自动选择或者利用来自操作者的输入来半自动选择。

根据其它实施例，可以实施单个控件(例如用户控制按钮)，该控件为不同类型的土壤或者挖掘(例如HDD)条件选择第一阈值、第二阈值和n参数中的每项。例如操作者将控制旋钮或者其它类型的开关移向不同离散位置可以造成将第一阈值、第二阈值和n参数中的每项设置成与不同离散开关位置(或者开关选择)关联的预定值。

又举例而言，模拟调整方式可以用于调整第一阈值、第二阈值和n参数。不是基于离散开关位置(或者开关选择)将这些参数设置成预定离散值，移动一个或者多个控制开关可以使这些参数以连续方式递增地改变。可以组合离散和模拟开关选择方式以向操作者提供进行这些参数(或者第一阈值、第二阈值和n参数中的全部或者子集)的粗略改变(经由离散开关位置选择)和精细改变(经由递增连续开关位置调整)。

在一些实施例中，系统的一个或者多个传感器可以用来评估一个或者多个土壤和/或挖掘特性。用于这一评估的传感器可以是用于对象检测的传感器的相同或者不同传感器。例如GPR可以用来确定土壤的各种特性，并且处理器实施的对这些土壤特性的评估可以造成自动或者半自动选择或者调整(例如随着可变土壤/挖掘条件而动态选择或者调整)第一阈值、第二阈值和n参数中的全部或者子集。在通过引用而结合于此的第6,701,647号共有美国专利中公开了可以在用于设置和调整本发明的导数成像算法的一个或者多个参数的控制方法和系统中并入的关于表征地下地质的附加细节。

可以针对与像素或者像素簇的其它方面的合理度有关的具体条件测试导数图像的每个像素。例如可以测试每个像素或者像素簇以确定与每个像素或者像素簇关联的范围是否小于传感器的检测深度。如果确定范围超出检测深度，则这一像素或者像素簇视为不可靠并且出于确定检测事件是否已经出现的目的而被忽略。可以测试每个像素或者像素簇以确定与每个像素或者像素簇关联的位置是否超出传感器的位置。如果确定位置在传感器位置后方，则这一像素或者像素簇信息视为不可靠并且出于确定检测事件是否已经出现的目的而被忽略。

在一些实施例中，实施导数成像算法以允许调整上文描述的检测半径以及第一和第二阈值。在其它实施例中，实施导数成像算法以允许调整检测半径、第一和第二阈值以及像素范围测试。在更多实施例中，实施导数成像算法以允许调整检测半径、第一和第二阈值、像素范围测试以及像素位置测试。

现在转向图1，图示了根据本发明实施例的导数成像算法的各种过程。根据图1，导数成像包括使用地面下传感器扫描101地面下传感器前方并且优选地扫描它的侧方。生成和更新103每个扫描的地下图像。计算105图像的参数的导数。形成和更新107每个扫描的导数图像。对导数图像109执行一个或者多个测试。基于一个或者多个测试检测111在传感器前方或者侧方存在障碍。

根据各种实施例，导数成像算法生成至少两个图像并且对这些图像执行处理：数据图像(即地下的图像)和导数图像。对导数图像执行一个或者多个测试以检测地下对象的存在。如根据对导数图像操作的算法确定的对象存在的指示符(例如标记或者标签)然后置于处理的数据图像上。导数图像一般向用户隐藏并且是导数成像算法的内部组成。

根据包括SAR重建的实施例，数据图像是SAR重建，该SAR重建是什么在土壤中的图像。指示检测事件的标记置于这一SAR图像上，从而操作者或者处理器可以理解检测已经出现于地下空间中何处。

图2示出了根据本发明实施例的导数成像算法的各种过程。根据图2，导数成像包括使用地面下传感器执行120地下扫描i，其中i为整数。在块122进行检查以确定是否i>1。如果不是，则当前扫描为第一扫描并且使用扫描i的数据来生成124图像。在块126将i的值设置成i+1。如果在块122确定i>1，则使用扫描i的数据来更新128当前图像。在块130进行检查以确定是否扫描i≥3，这是针对为了执行导数计算而需要的最小扫描数目的测试。如果不是，则在块132将i的值设置成i+1并且控制返回到块120。

如果在块130确定扫描i≥3，则计算134图像参数(例如图像像素亮度)的导数。在块136进行检查以确定导数图像是否存在。如果没有，则生成138导数图像，在块126将i设置成i+1并且控制返回到块120。

如果在块136确定导数图像存在，则使用计算的导数来更新140当前导数图像。对导数图像执行142一个或者多个测试。如果一个或者多个测试如在块144测试的那样指示在传感器前方或者侧方存在障碍，则生成146指示检测到障碍的输出。否则，在块132将i设置成i+1，并且控制返回到块120。优选地针对每个扫描在逐个像素的基础(或者逐个像素簇的基础)上执行图2中所示过程。

图3-8图示了让导数成像对象检测算法的结果叠加为矩形标记的合成孔径雷达图像。在图3-8中，从雷达传感器封装获取数据，该雷达传感器封装装配到与钻头铲(spade)邻近的钻头。用纵向移动而未旋转的钻头获取用来构造图3-8中所示绘图的雷达传感器数据。

在图3-8中，x轴代表钻头已经相对于驱动源(例如HDD机器)向前行进的距离(以英尺为单位)。可以例如通过在钻头提供的移位传感器如加速度计或者陀螺仪或者通过使用地上定位器或者跟踪器使用装配于HDD机器上的编码器来测量钻头的实际纵向移位。根据一种方式，可以用校准的线性编码器测量钻头前进并且使用并入于雷达传感器的发送器板中的MEMS滚动传感器来测量旋转角。y轴代表与钻探钻孔轴的距离(以英尺为单位)。0英尺的y轴值代表钻探钻孔本身。增加的y值指示与钻孔的增加的距离。

图3-8的图像示出了延伸经过包围钻孔的圆柱体的轴向切片。切片从圆柱体的中心(钻孔轴)向外径向至少延伸至限定传感器的视野的所选检测半径。这一切片也定向于特定方位角。例如特定切片可以在处于竖直向下180度(或者处于90度方位角或者任何其它角度)的方向上范围从与钻孔的零距离到与钻孔相距6英尺。

在单个方位角计算图3-8中所示SAR图像。这是针对这些数据完成的，因为用纵向移位而未旋转的钻头收集数据。因此在这些数据中仅对一个方位角采样。后台计算导数图像，并且当该算法检测到对象时，标记置于SAR图像本身上。这样，图3-8的图像是在导数图像算法已经确定对象存在之处或者在算法已经确定它的在钻头前方存在对象的标准已经被满足之处插入有对象标记的SAR图像。

为了考虑所有方向，计算全3D SAR图像(或者任何其它传感器数据在3D中的图像)并且计算3D空间内的导数图像。一种方式包括计算在绕着钻孔的可变方位角(如同车轮上的轮辐)系列轴向切片，从而操作者或者处理器可以不仅告知或者计算对象与钻孔的距离而且告知或者计算与该对象的方位角方向。下文参照图17-23提供对根据本发明实施例的全3D SAR导数成像方式的更具体讨论。

图6-8中所示矩形标记代表在传感器到达障碍之前出现的检测事件。图4-8中所示竖线150是光标，该光标指示钻头在沿着地面下路径推进时的位置，该路径始发于x轴的零参考并且沿着正x轴延伸(即光标与相对于驱动源(例如HDD机器)的纵向钻头前进对应从左向右移动)。图示了传感器的检测区段151为具有在这一示例例子中约为4.6英寸的检测半径r_D。理解检测区段的形状仅用于示例并且可以被设计成呈现绕着传感器的所需形状。注意示出了检测区段151始发于钻头略微后方，因为传感器封装通常装配于钻铲后方(与钻铲邻近)。

图3是根据由于测试地下的第一扫描而产生的原始雷达返回数据重建的动态SAR图像的第一帧。如图3中可见，SAR图像的第一帧为相对差的分辨率。然而这一第一帧代表地下的每个相继扫描向其添加附加SAR图像数据的初始地下图像。例如图4清楚地示出了利用用于每个相继扫描的SAR图像数据更新图3的SAR图像从而产生分辨率高得多(信息密度增加)的图像这样的加性效果。

在图4中，光标150示出了在钻头朝着在x轴的零参考前方约16英尺的预先安装目标位置前进时钻头相对于驱动源的纵向推进。在这一示例场景中，检测半径设置成约4.6英尺，这意味着忽略如下对象，这些对象将被检测算法识别为与传感器相距比4.6英尺更远的可能障碍。在图4中，如光标150所示钻头位置与它的初始位置(即x轴的零参考)相距约2.5英尺。由于预先安装的障碍在钻头传感器正前方并且超出传感器的检测区段151，所以未检测到存在预先安装的目标(即16英尺-2.5英尺＝13.5英尺(在传感器与目标之间的距离)-4.6英尺(检测距离)-1英尺(从钻铲的后退)＝约7.9英尺，这比传感器的检测区段超出约8.1英尺)。

在图5中，钻头已经如光标150所示从始发点前进约13英尺。在图5中，预先安装的目标可以接近传感器的检测区段151或者略微在检测区段151内。由于预先安装的障碍仍然略微在钻头传感器前方或者已经用落入检测区段151内的钻头获取少于3个扫描的数据，所以未检测到存在预先安装的目标。在这一特定情况下，图5中所示图像是恰在检测到预先安装的障碍之前的帧(例如为了计算像素亮度导数并且执行位于钻头前方的预先安装的障碍的碰撞前检测而需要的3个扫描中的扫描2)。

图6-8图示了应用于SAR图像的掩模图像的例子。对于这些图中的每幅图，在每个扫描之后如果对象检测的肯定指示已经出现则已经向目标检测掩模添加标签或者其它标记。在一些实施例中，可以裁剪SAR图像以排除用于在钻头前面或者侧面超出某个距离的区域的图像数据。目标检测掩模优选地与裁剪的SAR图像相同尺寸并且应用于裁剪的SAR图像。实施导数成像对象检测算法的处理器可以基于标记的生成或者应用执行动作。例如，如果仅应用一个标记，则处理器可以向成像系统的操作者(例如经由人机接口向HDD机器操作者)发出报警。又举例而言，如果例如应用多个标记和/或至少一个标记与至少一个其它标记近邻，则HDD机器的处理器可以停止钻探。存在越多标记并且标记越密集，处理器在进行正确对象检测时就具有越多置信。

图6示出了在与始发点相距约13.5英尺(这是在位于与始发点相距16英尺处的预先安装的障碍前方约2.5英尺)出现的第一检测事件。图7示出了在与始发点相距约14英尺(这是在预先安装的障碍前方约2英尺)出现的第二检测事件。这一第二检测事件由矩形标记154指示。如上文讨论的那样，在逐个扫描的基础上向复合SAR图像连续添加重建的SAR图像数据，这如图3-8中清楚可见连续提高复合SAR图像的分辨率。第二和任何后续检测事件由附加标记指示，这些标记服务于加强或者确认第一检测事件的可靠性。图8示出了标记的SAR图像，该图像示出了由导数成像对象检测算法识别的所有可能障碍的检测事件。具体而言，图8示出了让来自导数图像对象检测算法的标记叠加于其上的已更新SAR图像的末帧。

响应于一个检测事件或者n检测事件，各种动作可以出现。例如可以响应于第一检测事件生成人类可感知报警，并且可以响应于每个后续检测事件生成可变强度或者特性的不同报警。例如HDD机器的处理器执行的早期报警算法可以响应于检测事件生成报警光和/或可听警报。报警可以提示操作者采取纠正动作以避免在钻头与位于钻头前方的检测到的障碍之间的碰撞。如果未采取纠正动作或者采取不充分纠正动作、比如暂停或者改变钻头的方向或者移位速率，则早期报警算法可以自动变慢钻探移位速率或者暂停钻头前进。在一个保守实施方式中，控制协议可以响应于第一检测事件简单地暂停钻头的移动。

分级的一组HDD机器控制协议可以被编程和由处理器执行用于响应于相继检测事件自动干预HDD操作。HDD机器控制器进行的自动纠正动作干预水平可以响应于每个相继检测事件而增加。例如响应于第一检测事件，第一控制协议可以由HDD机器控制器实施以比如通过减慢钻头的纵向移位来减缓钻探速率并且如果希望则减小钻头旋转速率。优选地响应于第一检测事件生成操作者警报。响应于第二检测事件，HDD机器控制器根据第二控制协议比如通过禁止钻头移动并且生成增加强度的警报来采取更激进干预。可以设想其它控制场景。

可以使用装配于HDD机器上的线性编码器、通过在钻头提供的移位传感器如加速度计或者陀螺仪或者通过使用地上定位器或者跟踪器来测量钻头的实际纵向移位。钻头旋转可以由这些和其它传感器如并入于雷达传感器电子器件中的MEMS滚动传感器测量。在通过引用而全部结合于此的第7,607,494、6,755,263和7,182,151号共有美国专利中公开了可以提供钻头定位和旋转数据用于由本发明的导数成像算法使用的钻头移位和旋转测量方法、系统和设备的附加细节。

现在将参照图17-23，提供这些图以增强对在执行根据本发明实施例的3D地下导数成像时应对的各种物理、几何和其它因素的理解。这些因素在使用如下传感器来执行3D地下对象检测时特别令人感兴趣，该传感器在它移动经过地面时既纵向移位又旋转。

图17示出了切割工具的一个实施例，该切割工具在它被迫地移动经过地下时移位土地。出于示例的目的，图17中设想的一个特定切割工具是钻孔工具712，理解其它类型的土地穿透工具在本发明的范围内(例如气动刺穿工具、可导航矛(mole)、钻孔器等)。

图17中所示钻孔工具712包括钻头715和定位于钻头715的远端的钻铲707。传感器封装718在与钻铲707邻近的位置装配于钻头715中或者上。传感器封装718可以容纳相似或者相异类型的一个或者多个传感器。传感器封装718也包括可以基于钻头715的设计细节在复杂度方面变化的通信电子器件和处理能力。通信电子器件可以被配置用于与地上接收器(例如收发器)的某一形式的无线通信、但是优选地被配置成经由沿着将钻头715与驱动源(例如HDD机器)耦合的钻柱建立的有线链路与地上系统通信。

例如可以使用通过HomePlug^TM有线接口操作的通信协议来实现有线链路，这允许经由人机接口控制钻头传感器。在各种实施例中，钻孔工具712的电子部件耦合到能够在向下打眼传感器硬件与地上源之间传输功率和数据的通信介质。适当通信介质是可从Digital Control Incorporated获得的DCI系统持久地安装到钻芯(stem)的钻杆中，从而机械和电连接在杆穿在一起时自动出现。

如先前所言，各种类型的传感器可以容纳于钻头的传感器隔间(传感器封装718处于该隔间内)中。一些传感器可以包括暴露于与钻头712相邻的土地的传感器元件，而其它装入传感器隔间内。有用传感器包括上文列举的传感器和在通过引用而结合于此的美国专利中公开的传感器中的任何传感器。

在各种实施例中，传感器封装718包括雷达传感器。图17示出了钻头雷达718的辐射图案710，该辐射图案依赖于角度并且这样优先地检测从角度或者角度范围的返回。辐射图案710的对雷达的检测区段进行限定的尺寸和形状主要由天线设计限定并且可以使用检测半径参数和/或其它参数来调整。

图18示出了相对于钻孔路径705的中心轴限定的示例圆柱形检测体积700。检测体积700代表在钻头雷达的检测区段内的地下体积，注意钻头并且因此钻头雷达在产生钻孔时候受到纵向前进和旋转二者。

图19示出了初始SAR重建为系列方位角切片725。在图20中最好地示出了这些切片。在这一示例例子中，图19和图20示出了各自与不同方位角关联的五个方位角切片(编号为切片1至5)。注意圆柱体720的外围代表雷达传感器的检测区段的限制并且为了简化说明而仅示出了五个方位角切片。

图21A-21C是与方位角切片1-3关联的显示，理解针对方位角切片4和5生成相似显示。图21A-21C示出了针对方位角切片1-5中的每个方位角切片对SAR重建进行操作的导数成像对象检测算法的输出(以图形形式)。在图21A中所示显示中，仅示出了噪声或者杂乱数据(可以抑制噪声或者杂乱数据以简化显示)。导数成像算法针对方位角切片1未检测到在钻头前方的对象。

对于图21B中所示显示，导数成像算法针对方位角切片2检测到在钻头前方的对象(对象A)。响应于针对方位角切片2的每个检测事件，导数成像算法将标记置于显示的适当位置。对于图21C中所示显示，导数成像算法针对方位角切片3检测到在钻头前方的对象(对象B)。响应于针对方位角切片3的每个检测事件，导数成像算法将标记置于显示的适当位置。

虽然在图21A-21C中未示出，但是导数成像算法继续针对剩余方位角切片4和5执行对象检测并且随着钻头沿着钻孔路径纵向前进而继续处理方位角切片。注意图21B和21C中所示对象A和B不同，因为它们位于不同方位角或者它们是向两个平面上投影的相同延伸线性对象的投影。

在全3D SAR实施方式中，在图22中示出了该实施方式的例子，显示可以呈现具有3D等容轮廓的3D等容750，这些轮廓具有导数成像标记。此外，随着钻孔推进，轰炸瞄准器视图(与用于天气雷达的轰炸瞄准器视图相似)可以示出从圆柱形体积750到与钻孔轴垂直切割的平面上的渐进投影。在图23中示出了这样的轰炸瞄准器视图的例子，其中方位角由绕着中心的角度给定并且径向尺度是与钻孔的距离。

回顾图9，此图示出了根据本发明实施例的用于实施导数成像对象检测方法的系统200的框图。图9中所示实施例代表用于针对掩埋对象如公用设施和人造或者自然障碍的存在勘察地下的独立系统。虽然表示为用于勘察地下的独立系统，但是图9的系统实施例可以与包括土地穿透机如HDD机器和挖沟机的各种挖掘装备一起使用。例如独立系统200可以由操作者用来在挖掘操作之前检测在前进挖掘机前方存在掩埋障碍。独立系统200可以由在挖掘机前方的单独车辆或者机制或者由挖掘机本身拉动或者推动从而提供在挖掘机前方的掩埋障碍的实时成像和检测。

系统200包括配置用于地上可移动的壳204。系统包括处理器207，其耦合到存储器208和显示器210。处理器207耦合到导数成像障碍检测器203，该检测器实施根据这里公开的内容的导数成像算法。

在一个配置中，传感器封装206物理地和通信地耦合到壳204。在另一配置中，传感器封装206可以物理上与壳204分离、但是与壳204通信地耦合。在壳204与传感器封装206之间的通信链路可以是硬接线或者无线链路。

系统200被配置用于可移动并且可以包括传送布置(未示出)如车轮布置或者推车。传送布置可以是允许操作者在行走于待扫描区域之上之时携带系统200的系绳布置。可以提供稳定布置以衰减或者限制由于操作者推撞或者不稳定而产生的系统移动。

系统200包括一个或者多个地上或者地表传感器206。如先前讨论的那样，可以适于用于根据本发明实施例的使用导数成像的地下对象检测的代表性的地上或者地表传感器206包括GPR传感器、声学传感器、地震传感器、电磁传感器、磁场传感器、MRI传感器、PET传感器、NMR传感器、TDEM传感器、电阻率传感器、介电常数传感器、传导率传感器、热传感器、电容传感器、磁场传感器(例如磁力计)和化学传感器。

在图9中所示实施例中，传感器206发送探测信号209，该信号经过地下传播并且撞击或者照射在这一情况下为公用设施223的地下对象。在公用设施223与探测信号209之间的交互产生由传感器206检测的返回信号211。

导数成像软件优选地存储于存储器208中并且包括导数成像障碍检测器203根据这里描述的导数成像算法可执行的程序指令。导数成像障碍检测器203对传感器206接收的返回信号211进行操作。可以用软件、硬件或者软件与硬件的组合实施导数成像障碍检测器203。导数成像障碍检测器203可以与处理器207集成或者可以实施为与处理器207分离、但是与处理器207通信地耦合的部件。来自导数成像障碍检测器203的输出可以呈现于显示器210上(例如见图3-8中所示图像)。来自导数成像障碍检测器203的输出也可以传向(经由硬接线或者无线连接)外部系统如PC、PDA、智能电话、网络、地理信息系统(GIS)或者公用设施绘图系统。

在各种独立系统实施例中，可以实时执行地下的导数成像从而在扫描或者勘察地下之时提供即时地下对象检测信息。在其它独立系统实施例中，可以在扫描或者勘察地下之后使用在地下扫描或者勘察期间获取的数据来执行地下的导数成像。注意在这些和其它实施例中，导数成像算法执行和处理可以由机载或者本地处理器执行或者由远程处理器(比如膝上型或者网络处理器)执行。

根据本发明的各种实施例，作为水平定向钻探机器的部件并入导数成像系统。HDD机器用来地面下安装公用设施。遗憾的是，在城市环境中使用钻具具有撞击和损坏预先存在的公用设施的风险。本发明的HDD机器实施例运用雷达单元，该雷达单元被设计成安装于HDD钻头上并且用来确定在钻孔路径中或者附近存在障碍。发送和接收天线在钻头铲后方装配于钻轴杆上并且在钻头前方和向钻头侧方发射。可以在上至每秒50个迹线收集数据，并且优选地实时完成所有处理和显示。

针对地下公用设施安装，较历史上的基于沟槽的技术而言，水平定向钻探提供许多优点。然而HDD确实持续受撞击未知、未绘图或者放错位置的公用设施和其它障碍这样的风险困扰。撞击这些障碍可能牺牲操作者收入、产生修复成本或者在更严重情况下造成装备损失、伤害或者死亡。因此需要可以装配于钻头上的传感器，这些传感器足够预先检测障碍以允许钻具操作者对它们检测和/或绘图。向HDD机器中并入的导数成像对象检测系统提供对特征或者障碍检测和/或绘图以允许避免碰撞它们，这是很重要的，尤其在损坏这些特征之一可能造成破坏公用设施服务或者可能的污染物释放时。

一般而言，地面下城市公用设施走廊正在变得越来越拥挤。在这些环境中，更小HDD钻探设备和更短钻孔长度被用来安装新公用设施线路。用来检测可能障碍的传感器因此必须解决如下的部分矛盾要求：装配于小型钻具上、使用于拥挤区域中、检测可变材料和尺寸的障碍而又未负面地影响生产率或者昂贵得无人问津。当钻具被用来穿透潜在受污染土壤的废物地点或者区域并且评定它们的条件时，穿透地面下储油罐或者桶可能潜在地造成释放有毒材料和大量环境危害。因此，任何传感器必须能够不仅检测线性管状目标而且检测等尺度目标如储油桶和罐。

新型和现有HDD机器可以配备有本发明的障碍避免系统，该系统包括修改的钻头，该钻头包含雷达传感器封装，该钻头可以以最少量特殊调配、加工和转换封装取代标准钻头。举例而言，需要相对紧凑雷达传感器封装以与更小类别的HDD机器如Vermeer D7x11A和D20x22系列II相配，这些HDD机器通常用于更拥挤‘最后一英里’安装中的更短钻孔。对这样的雷达传感器系统的功能的重要考虑是经过钻柱将功率产生、控制、处理和操作者接口硬件接口到钻头传感器的功率和通信传输。

在用于HDD的障碍避免系统的最重要特征之中的是用于实时获取、处理和显示信息的能力，因为系统优选地被实施成早期报警系统，在钻孔过程期间操作。系统优选地被实施成在钻头前进时足够预先检测它的传感器视野内的障碍，从而操作者可以停止钻具的前进并且评定情形。为了实现这一要求，必须连续获取接收的传感器数据并且将传感器数据转换成某一形式的“图像”用于直接由操作者和/或由障碍避免计算机系统容易地解译。这是对传感器硬件、软件、天线和检测算法的设计的重要约束。

根据本发明的各种实施例，步进式频率连续波(SFCW)雷达被用来确定在HDD机器的钻具的钻孔路径中或者附近存在障碍。SFCW雷达数据由实施导数成像软件的处理器用来根据包含一起形成合成孔径雷达图像的原始数据的系列扫描形成地下图像。然后可以分析SAR图像以确定对逐个扫描地形成图像的依赖于时间的改变。可以在钻头位置到达实际目标位置之前适当地识别与实际目标关联的演变图像的这些改变。现在将更具体地并且参照附图描述本发明的这些和其它有利特征。

图10示出了经过其中发生钻孔操作的地面部分的横截面。总体上表示为钻孔机12的地面下钻孔系统处于地面11上方并且包括倾斜纵向构件16处于其上的平台14。平台14由销18或者其它束缚构件固着到地面以便在钻孔操作期间抵制平台14的移动。用于在如箭头大体上所示向前纵向方向上驱动钻柱22的前推/回拉泵17位于纵向构件16上。钻柱22由端到端连接的多个钻柱构件23组成。用于旋转钻柱22的旋转马达或者泵19(在上位置19a与下位置19b之间的中间位置图示)也位于倾斜纵向构件16上并且装配成允许沿着纵向构件16移动。在操作中，旋转马达19旋转钻柱22，该钻柱具有在钻柱22的远端连接的钻孔工具24。

典型钻孔操作可以发生如下。旋转马达19初始地定位于上位置19a并且旋转钻柱22。在通过旋转钻柱22旋转钻孔工具24之时，旋转马达19和钻柱22在向下方向上由前推/回拉泵17推向下位置进入地面、因此产生钻孔26。当钻柱22已经按照一个钻柱构件23的长度推入钻孔26中时，旋转马达19到达下位置19b。然后向钻柱22人工或者自动添加新的钻柱构件23，并且释放旋转马达19而且回拉至上位置19a。旋转马达19被用来将新的钻柱构件23穿至钻柱22，并且重复旋转/推动过程以便迫使新加长的钻柱22进一步进入地面、由此延伸钻孔26。

通常，通过使用泥浆泵经过钻柱22泵送水或者其它流体(这里称为泥浆)。如果使用气锤，则空气压缩机被用来迫使空气/泡沫经过钻柱22。泥浆或者空气/泡沫经过钻孔26向上回流以去除切割物、泥土和其它残骸并且提高钻孔有效性和/或效率。

通常提供定向转向能力用于控制钻孔工具24的方向，从而可以向所得钻孔26赋予所需方向。通过这些动作和这些基本动作的各种组合，钻孔过程可以使钻孔工具24经过土壤前进(包括使钻孔工具24通过转弯前进)。

由于HDD通常未与地表面相距很远钻孔，所以必须设法绕过许多地面下障碍(例如下水道、电线、建筑物地基等)。这样，许多钻孔工具被配置成允许钻孔路径转弯(例如左、右、更高、更低)以弯曲钻孔路径绕开地面下障碍。

根据本发明的实施例，系统也包括用于监视钻孔工具24的位置的编码器19c。随着钻头24推入地面，线缆放出编码器19c并且使编码器19c前进从而向系统软件提供钻头位置的测量并且按照离散距离间隔触发雷达电子器件。

图11是根据本发明实施例的各种HDD系统部件200的框图。图11的HDD系统包括与钻孔工具201邻近的向下打眼雷达单元202如GPR单元。在先前通过引用而结合于此的第7,013,991号美国专利中公开了在本发明各种实施例的背景中很好地适合于在钻孔工具210中并入的示例GPR单元。钻孔工具201可以例如容纳定向传感器和/或移位速率传感器如单或者多轴加速度计、陀螺仪或者磁力计。钻孔工具201也可以例如包括一个或者多个地球物理传感器，包括电容传感器、声学传感器、超声传感器、地震传感器、电阻率传感器和电磁传感器。使用向下打眼GPR系统提供附近掩埋障碍和公用设施的检测以及局部地理的表征。

根据本发明的一个实施例，控制器213耦合到可以负责控制如这里描述的地下对象检测的HDD机器205。控制器213可以包括处理器207和存储器208。存储器208可以是用将由电路如处理器207执行的计算机程序、软件、计算机可执行指令、能够由计算机执行的指令等编码的计算机可读介质。

处理器207执行计算机程序使处理器207将原始捕获数据转换成用于障碍避免的早期报警。从处理器207输出的原始数据可以是以具有幅度值和相位值的系列复数1D扫描的形式而在测量带宽内的每个频率步进有反射测量。通常，用于钻头的特定方位角的复数扫描矢量可以视为列矢量并且可以被水平堆叠以形成数据的一对2D绘图(一个用于实部而一个用于虚部)。可以通过收集系列这些2D绘图来创建全3D复数数据绘图(随着钻头旋转而收集数据的每个方位角有一个)。在这些原始数据绘图中，水平维度(扫描维度)是以钻头的线性位置为单位，而竖直尺度为发送频率。

计算机可执行指令也可以引起原始传感器数据的预处理和预备。这一预处理可以包括使用汉明或者其它最优平滑窗加上针对某些特征提高对比度的特殊定制的滤波器对列矢量的预滤波。这可以被调整成与具体土壤条件或者目标类型相配。计算机可执行指令也可以引起返回信号的重建。这可以通过计算复数列矢量的逆快速傅里叶变换(FFT)来完成。

计算机可执行指令还可以引起重建信号的后处理。可以在后处理期间执行若干步骤。阶段I背景减法可以去除低空间-频率背景信号和噪声，因为它使用很大活动平均窗、但是仅包括当前扫描和在它之前取得的扫描。也可以使用阶段II背景减法。这是定心于当前扫描周围的小型活动平均窗并且可以去除高空间-频率背景噪声。如果必须要则还可以执行重建返回信号的时间偏移校正。可以可选地执行重建列矢量的缩放。这是尝试规范化用于每个扫描的返回信号的能量。它引入假象，因为例如在现实中如果介质无反射性或者有吸收则某些扫描将自然地返回更少能量，然而假象可能是在某些条件下可视化某些对象所希望的。这一处理步骤可以具有按照需要接通或者关断的能力。然后可以对所得信号进行附加平滑和中值滤波。

计算机可执行指令还可以运行SAR图像重建算法以积累用于每个2D方位角切片的图像。在钻具前进并且收集数据时逐个扫描地编译图像。实时更新图像。可以在向重建添加每个扫描的贡献之前将一些SAR预处理应用于扫描。这一预处理可以是系列滤波器，包括空间滤波器，这些空间滤波器截止处于很长范围的信号并且抑制在范围＝0附近(与钻头最近)的信号的幅度。

计算机可执行指令然后可以运行目标识别算法。当处理并且向重建添加每个新扫描时，这一算法可以使用演变SAR图像的性质。处理器考虑SAR图像在它演变时的依赖于时间(也依赖于扫描)的改变。改变的量值可以引起对象的肯定检测。

无论对象检测何时出现，计算机可执行指令还可以创建掩模图像并且应用标记。可以在每次扫描之后更新这一掩模图像从而保持从先前扫描存在的标记。这一掩模图像也可以应用于SAR图像用于进一步评估。

图12图示了根据本发明实施例的流程图。流程图描述了方法300，该方法包括使用GPR装配的钻孔工具来生成301用于地下体积的系列雷达扫描。这些扫描可以用来逐个扫描地积累SAR图像。可以使用SAR图像的参数如SAR图像随时间的改变来创建SAR图像的导数图像。可以通过使用均值理论、泰勒扩展、立方样条、曲线拟合以及其它方式来计算导数。然后对导数图像执行303一个或者多个测试。然后可以基于一个或者多个测试检测304至少在钻孔工具前方存在对象。下文将更具体描述这些。

图13图示了根据本公开内容各种实施例的另一流程图。图13的流程图图示了用于自动化障碍检测的方法400。在块401中，使用SFCW GPR来发送系列雷达探测信号。然后接收402返回信号。还可以执行返回信号的预处理。也可以执行返回信号重建和重建的信号的后处理。返回的信号扫描被用来产生403SAR图像。还可以裁剪SAR图像以图示在钻头的前面或者侧面的某一距离内的区域。然后测量404复合SAR图像中的每个像素的返回信号能量数量。针对SAR图像的每个像素计算405返回信号能量数量的改变率。这些导数计算然后被用来形成406导数图像。

导数图像可以包含SAR图像在它演变时的依赖于时间(或者依赖于扫描)的改变。此外，也可以创建二阶或者更高阶导数图像。然后针对关于复合SAR图像的一个或者多个指定条件测试407导数图像或者更高阶导数图像的每个像素。系统然后可以响应于导数图像或者更高导数图像中的至少一个像素满足一个或者多个指定条件生成408检测事件信号，该信号指示存在与钻头邻近的障碍。

在方法400的附加实施例中，可以调整一个或者多个指定条件。对指定条件的调整可以在初始系统设置/校准期间发生和/或在现场操作期间“在飞行中”发生。可以基于土壤的各种性质如介电常数自动设置和/或调整一个或者多个阈值。这允许选择用于在特定类型的介质中创建图像的最优参数。

图14图示了根据本发明实施例的用于自动化障碍检测的方法的各种过程。优选地在运用SFCW雷达的系统中实施图14中所示过程。图14中所示方法包括：重建450用于扫描i的雷达返回信号，其中i为整数；并且预处理452扫描i的数据用于SAR成像。向SAR图像添加454扫描i的数据的贡献。优选地在存储器中保持456未标记全SAR图像。

优选地裁剪458SAR图像以除去SAR图像的超出所需检测范围的部分。计算460裁剪的SAR图像中的每个像素的亮度的导数以形成导数图像。针对以下具体条件测试462导数图像中的每个像素。在一些实施例中，必须满足所有以下具体条件。在其它实施例中，必须满足以下具体条件中的一些但是并非所有具体条件：

·导数>第一阈值？

·这一像素的最后n导数也>第二阈值？

·像素范围<检测深度？

·像素位置>钻头位置？

如果满足这些指定条件中的所有条件或者子集，则向目标检测掩模添加464标记以醒目显示潜在目标/障碍的位置。将目标检测掩模应用466于裁剪的SAR图像，并且显示468加标记的SAR图像以示出可能目标/障碍位置。如果未满足这些指定条件中的所有条件或者子集，则控制返回到块450。

图15是根据本发明实施例的为了导数成像对象检测而实施的HDD系统的各种部件的框图。图15中所示HDD系统部件包括上文参照其它图描述的钻孔工具501、GPR单元502、HDD机器505和控制器506。图15也示出了人机接口(HMI)507、显示器508和耦合到显示器508的对象报警接口509。

根据各种实施例，HMI 507提供在钻具操作者与雷达传感器之间的接口。HMI 507的命令可以经由在钻柱之上操作的基于简单文本的协议控制雷达。HMI 507可以提供用于例如配置系统的各种模式、可再配置的运行时间处理引擎以及数据显示和存储的功能。HMI507的软件也可以具有例如经由编码器的钻具前进测量。当获取和处理每个新扫描时，获取的雷达图像可以实时显示于耦合到HMI 507的显示器508上。

一些实施例还包括耦合到显示器508的对象报警接口或者设备509。报警接口/设备509可以在检测到对象时提供报警。可以例如以可视方式如光呈现报警，或者可以有听觉或者触觉报警。对象报警接口/设备也可以使用标记生成作为触发。这可以包括在掩模图像上生成的标记数目或者密度。

现在参照图16，示出了根据本发明实施例的SFCW HDD传感器600的框图。图16中所示部件包括HMI 602、有线线路603和钻头传感器601。示出了钻头传感器601包括通信和雷达控制器(CTL)604、采样器和控制器(SMC)605、雷达收发器(TRX)606、校准模块(RFE)607以及天线接口608。

根据各种实施例，HMI 602可以用于控制、显示和处理接收的雷达数据。HMI 602经由有线线路603连接到钻头传感器601。钻头传感器601使用SFCW调制来测量与目标的距离。使用具有数字IQ检测的双合成器外差架构来实现SFCW传感器，在SMC 605与雷达收发器606之间拆分该传感器的功能。雷达收发器606包括按照雷达中频(IF)在频率上偏移的发送和接收合成器，这些合成器与所需放大器和混合器一起将频率下移至IF，该IF然后由SMC 605采样并且转换成解析信号。雷达收发器606例如可以被设计成在从700至1700MHz操作而接收器动态范围超过100dB。

在本发明的各种实施例中，收发器经由校准模块607连接到TX/RX收发分置雷达天线608。天线优选地被设计成匹配土壤与宽泛范围的介电常数。RFE 607既匹配雷达阻抗与天线608的阻抗又提供允许简单校准雷达传感器的线缆回路和端接(包括在向天线608的输入的时间零的参考)。CTL 604在图16中所示实施例中是主要雷达控制器。CTL 604配置和控制所有雷达模块并且实施通信协议，该通信协议在HomePlug^TM有线接口之上操作并且允许经由HMI 602控制雷达钻头传感器601。

现在将出于示例而非限制的目的描述一个示例实施方式。主要参照图10、图11和图15-17，在HDD机器安装和操作的背景中描述以下示例实施方式。在这一示例例子中，分两段设计钻头。与钻头的前端最近的段是天线模块。天线模块需要近似14英寸长、1英寸宽和1.3英寸深的空间。直接在天线模块后方是用于电子器件模块的第二段。包括旋转传感器、电源和通信硬件的雷达电子器件模块约为26英寸长、1英寸宽和1.25英寸高。两个模块被设计成可以快速和容易安装于钻头中的“落入式(drop-in)”封装。

直径为3英寸而长度为59英寸的钻头多于足以容置这些部件。当使用更小HDD机器时可能希望更小钻头。注意具有更大直径的钻头鉴于雷达硬件所需要的相对大的空腔在钻探之时提供附加强度。传统HDD操作需要置于钻头以内的定位探测器以向钻具操作者提供关于钻头的位置、深度和定向的信息。在一些实施例中可以包括定位探测器，在该情况下探测器将直接在钻头后方附着于独立壳中。如先前讨论的那样，DCI的适配持久安装到钻杆中，从而机械和电连接在钻杆穿在一起时自动出现。

在HDD机器操作期间，装入有雷达电子器件和天线模块的钻头借助适配器杆连接到第一钻杆的末端。所有钻杆配备有系统，因而机械和电连接在钻探过程期间附加杆穿在一起时自动出现。在钻具上，钻杆连接到驱动卡盘和换向器环组件。沿着钻柱经过换向器环和两个导体的线缆向现场仪表盒发送雷达信号和功率。现场仪表盒与数据获取计算机、距离编码器和48伏电源接口。这一装备可以在数据收集期间定位于钻探机上或者旁边。

线性编码器被装配到HDD机器并且连接到钻具卡盘以便记录钻杆的前进并且按照受控距离间隔触发雷达。在钻杆推入地面时，线缆放出编码器并且使编码器前进从而向HMI软件提供杆前进测量并且按照离散距离间隔触发雷达电子器件。在钻头推入地面时，获取并且在计算机显示器上实时显示雷达图像。

在钻杆的10英尺分节插入于地面之后，操作者通常暂停雷达数据获取并且从钻柱断开钻具卡盘。这一动作暂时断开向雷达电子器件的供电。在添加另一钻杆之前，编码器线缆在钻具卡盘朝着钻具的后面撤退时缩回。在另一个杆被插入并且连接到钻柱时，向雷达电子器件恢复供电，并且操作者恢复数据收集。如必需的那样沿着计划钻孔路径推动和旋转钻柱。重复这一过程直至完成整个钻孔。

在钻孔完成时，去除钻头并且连接尺寸比安装的产品略大的后钻孔器(back reamer)。转体将多个尺寸和样式的管或者线缆附着到后钻孔器。在定向钻探，随后回拉和去除每个杆直至经过整个钻孔路径拉动后钻孔器和产品。

本发明的实施例涉及对已经使用这里描述的导数成像方法检测到的地面下公用设施绘图的系统和方法。本发明的实施例也涉及获取并且在数据库中存储绘图数据的系统和方法以及提供预订用户对存储的绘图数据的访问和使用的系统和方法。本发明的实施例涉及生成检测到的公用设施的绘图并且在GIS或者其它地理参考系统内并入绘图数据。可以生成检测到的公用设施的2D绘图和/或3D绘图。可以比如通过使用操作者接口来显示与检测到的公用设施或者地下关联的物理参数的公用设施绘图和其它数据。在通过引用而结合于此的第6,751,553号共有美国专利中公开了用于在本发明各种实施例的背景中实施公用设施绘图并且管理公用设施绘图数据的附加细节。

在示例格式中呈现这里提供的讨论和图示，其中描述和图示所选实施例以呈现本发明的各种方面。根据本发明的系统、设备或者方法可以包括这里描述的特征、结构、方法或者其组合中的一项或者多项。例如可以实施设备或者系统以包括下文描述的有利特征和/或过程中的一项或者多项。可以实施根据本发明的设备或者系统以包括在单独例子和/或图示中图示和/或讨论的多个特征和/或方面。旨在于这样的设备或者系统无需包括所有这里描述的特征。但是可以被实施成包括提供有用结构、系统和/或功能的所选特征。

虽然为了简洁而可以仅描述某些功能的例子为由电路执行，但是可以如本领域普通技术人员将理解的那样可以使用这里描述的电路和方法来执行任何功能、方法和技术。

将理解尽管在前文描述中与各种实施例的结构和功能的细节一起阐述各种实施例的许多特征，但是这一具体描述仅为示例并且可以尤其在各种实施例举例说明的部分的结构和布置问题上在表达所附权利要求的措词的广泛通用含义所指示的完全程度上具体进行改变。