偏移频率零差探地雷达的制作方法
【专利摘要】系统和方法包含生成基带信号、使基带信号上转换到雷达信号频率、对上转换信号的较低边带进行滤波和发射经滤波的上转换信号。系统和方法还包含接收返回信号、使用具有从上转换信号偏移的频率的信号来下转换返回信号、对下转换的返回信号的较高边带进行滤波和产生基带返回信号。
【专利说明】
偏移频率零差探地雷达
【发明内容】
[0001]实施例指向涉及生成基带信号、使基带信号上转换到雷达信号频率、对上转换信号的较低边带进行滤波以及发射经滤波的上转换信号的方法。方法还涉及接收返回信号、使用具有从上转换信号偏移的频率的信号使返回信号下转换、对下转换的返回信号的较高边带进行滤波以及产生基带返回信号。
[0002]根据其他实施例，方法涉及生成基带信号、混合基带信号与发射振荡器信号以产生包括较低边带和较高边带的混合发射信号、对混合发射信号的较低边带进行滤波以及发射经滤波的混合发射信号。方法还涉及接收由发射经滤波的混合发射信号所产生的返回信号并且生成具有从发射信号的频率偏移预定频率的频率的接收振荡器信号。方法进一步涉及混合返回信号与接收振荡器信号以产生包括较低边带和较高边带的混合接收信号，并且对混合接收信号的较高边带进行滤波以产生基带返回信号。
[0003]依照各种实施例，雷达装置包括天线布置、被配置用于生成基带信号的信号发生器以及发射部分，发射部分耦合到信号发生器和天线布置、包括以预定频率运行的发射振荡器。发射部分被配置用于生成包括基带信号和预定频率下的信号的混合的发射信号，并且用于对混合发射信号的较低边带进行滤波。接收部分与天线布置和边带滤波器耦合。接收部分包括接收振荡器，其被配置用于在从发射振荡器的频率偏移大于或等于边带滤波器的宽度的频率的频率下运行。接收部分被配置用于混合由天线布置接收的返回信号与由接收振荡器在偏移的频率下产生的信号以产生包括较低边带和较高边带的混合接收信号，且用于对混合接收信号的较高边带进行滤波以产生基带返回信号。
[0004]基于以下详细讨论和附图，可以理解这些和其他特征。
【专利附图】
【附图说明】
[0005]图1图示了根据各种实施例的偏移频率零差雷达检测方法的各种处理；
[0006]图2图示了依照各种实施例的偏移频率零差雷达检测方法的各种处理；
[0007]图3示出了根据各种实施例的偏移频率零差雷达系统的框图；
[0008]图4图示了根据各种实施例的针对偏移频率零差雷达的下转换光谱；
[0009]图5A至图5B是依照各种实施例的偏移频率零差雷达系统的框图；
[0010]图6至图10示出了在图5所示的若干测试点(A至E)处给出的波形；
[0011]图11示出了依照各种实施例的偏移频率零差钻头雷达的框图；
[0012]图12示出了依照各种实施例的偏移频率雷达接口的一般结构；
[0013]图13A至图13B是依照各种实施例的偏移频率零差雷达的雷达服务器(Radarserver)架构的框图；
[0014]图14是依照各种实施例的偏移频率零差雷达的门件(Gateware)架构的框图；
[0015]图15示出了用于使用根据各种实施例的偏移频率零差雷达对地下物体进行成像的系统的框图；以及
[0016]图16示出了通过地面的一部分的横截面，其中通过使用配置用于使用根据各种实施例的偏移频率零差雷达对地下物体进行成像的水平定向钻探机，镗孔操作发生。
【具体实施方式】
[0017]在图示实施例的以下描述中，参照形成其一部分的附图，并且在附图中通过图示的方式示出了本发明可以被实践的各种实施例。要理解的是，其它实施例可以被应用，并且可以做出结构和功能改变而不脱离本发明的范围。
[0018]根据本发明的系统、设备或方法可包括本文中描述的一个或多个特征、结构、方法或其组合。例如，设备或系统可被实现成包括下面描述的一个或多个有用特征和/或处理。旨在这样的设备或系统不需要包括本文中描述的所有特征，但是可以被实现成包括提供有用结构、系统和/或功能的选择特征。
[0019]实施例指向偏移频率零差雷达和使用同样雷达的方法。实施例指向偏移频率零差探地雷达和使用同样雷达的方法。各种实施例指向可被用在地下雷达应用中的偏移频率零差任意波形雷达。根据各种实施例的雷达架构是任意波形的频域雷达，其在可被发射的波形类型方面提供增加的灵活性。根据一些实施例的宽带任意波形的操作允许对于特定应用和/或目标或者操作环境(例如频率中的噪声位置)来裁剪发射波形。例如除SFCW信号之外，更宽的瞬时频率信号可被发射，其可以产生在更短的时间内收集的更高的振幅响应。
[0020]本发明的实施例指向小尺寸、低功率雷达，其可被安装在钻头(例如用于水平定向钻探(HDD)或石油和天然气钻探的)上以用于在障碍物检测或一般绘图中使用。用于在钻上使用的偏移频率雷达的实施例提供在钻探期间对物体(例如障碍物、空腔、地质接触、矿化带等)的绘图和检测，而无需预存在的镗孔。偏移频率零差雷达的实施例可被应用于穿墙监控等等。
[0021]一些实施例指向用于近范围(例如<100m)感测的宽带任意波形低功率雷达系统，其利用偏移无线电频率架构来优化信号质量而同时最小化实现系统所要求的部件。实施例指向偏移频率零差雷达架构，其通过发射和本地振荡器频率的精心选择，利用数字化抗混叠滤波器以衰减不需要的发射旁瓣。架构还在数字化之前降低所有发射谐波。
[0022]相对于传统架构，根据各种实施例的雷达架构提供增加的硬件简化，其产生改善的边带抑制和宽的动态范围，而没有标准外差雷达结构所要求的额外的混合阶段。实施例指向使用偏移零差架构的具有加强的边带抑制的改进的雷达架构，其适合于具有非常好的噪声和边带抑制的任意波形雷达的构建，同时提供更便宜的方式来改善信号质量。依照各种实施例的偏移频率零差架构利用抗混叠滤波器在数字化之前有利地降低旁瓣和发射谐波。
[0023]在超外差架构中的第二 IF频率的动机是要确保无混杂的发射光谱且因此无混杂的接收光谱；而没有与目标相互作用并且然后被缩混到与载波和波形相同的带中的谐波或次谐波。然而，基于模拟，似乎极其难以隔开雷达调制频率，使得这种情况发生。如果得到的基带光谱是无混杂的，即在基带处没有不同混合产物的重叠，这将是更有前景的。大多数传统的宽带任意波形系统使用一个或多个中间频率阶段来充分地将旁瓣衰减到不会影响雷达系统性能的水平。这不仅引入额外的部件并且因此尺寸和功率的要求，而且还引入增加系统噪声和谐波的非线性部件的增加，这使得设计宽带任意波形系统更加复杂。
[0024]针对相同的性能和功能，偏移频率雷达系统的实施例需要比传统宽带任意波形雷达系统更少的部件。这样做时，根据各种实施例的偏移频率雷达系统允许要求雷达感测但具有有限空间来收容电子设备的一个目标应用。例如本发明的实施例指向解决用于避障应用的近范围传感器的问题，其对传感器电子设备具有有限空间要求。根据各种实施例，偏移频率雷达架构还可以被应用于其他探地雷达问题，范围从设施(utility)定位到考古学。另外的可被处理的问题是，非金属管附近区域的检查，诸如从管中的位置(例如清管器)。通过另一示例的方式，偏移频率雷达可被用在穿墙成像和抢险救援工作的短范围应用中。
[0025]此外，本发明的实施例避免由超外差设计需要的第二 IF阶段的复杂性，并且将本地(LO)振荡器分离成发射振荡器和偏移大于或等于接收器的边带(例如奈奎斯特(Nyquist))滤波器的带宽的频率的接收振荡器。通过总是连同被测设备(DUT) —起对参考通道进行采样，这解决了相位颤动的问题。此外，根据各种实施例的发射调制器(例如单边带或SSB)根据各种实施例通过支持更大的瞬时带宽提高了测量速度。
[0026]现在转到图1，图示了根据各种实施例的偏移频率雷达检测方法的各种处理。根据图1的方法涉及生成102基带信号、使基带信号上转换到雷达信号频率、滤除106上转换信号的较低边带以及发射经滤波的上转换信号。方法还涉及接收108返回信号和使用具有从上转换信号偏移的频率的信号使返回信号下转换HO。方法进一步涉及滤除112下转换返回信号的较高边带，和产生114基带返回信号。
[0027]图2图示了根据各种实施例的偏移频率雷达检测方法的各种处理。根据图2的方法涉及生成202基带信号和混合204基带信号与发射振荡器信号以产生混合发射信号。方法还涉及对混合发射信号的较低边带进行滤波206和发射208经滤波的混合发射信号。根据图2的方法进一步涉及接收210返回信号、生成具有从发射信号的频率偏移的频率的接收振荡器信号以及混合214返回信号与接收振荡器信号。方法还涉及对混合接收信号的较高边带进行滤波216和产生218基带返回信号。
[0028]参照图3，示出了依照各种实施例的偏移频率雷达系统的框图。在图3所示的实施例中，雷达系统的发射部分包括配置用于生成基带信号的信号发生器302。由信号发生器302产生的基带信号被传达至配置用于混合基带信号和由发射振荡器305生成的载波信号的发射混合器304。从发射混合器304输出的混合发射信号被滤波器308接收，其配置用于衰减不需要的混合发射信号的发射旁瓣。例如，滤波器308配置作为对混合发射信号的较高级谐波进行滤波的低通滤波器。经滤波的混合发射信号(例如混合发射信号的较高边带)被传达至包括发射天线310的天线布置。
[0029]图3中图示的雷达系统的接收部分包括与发射振荡器305耦合的接收振荡器309。接收振荡器309配置用于在从发射振荡器305的频率偏移预定频率的频率下运行。根据一些实施例，接收振荡器309配置用于在从发射振荡器305的频率偏移大于或等于接收部分的边带滤波器324的宽度的频率的频率下运行。接收部分还包括与天线布置的接收天线320耦合的接收混合器322。接收混合器322配置用于混合由接收天线320接收的返回信号和在偏移频率307下由接收振荡器309产生的信号。
[0030]在偏移频率下混合返回信号和接收振荡器信号可以有效地将返回信号(例如混合发射信号的较高边带的返回)翻转到混合返回信号的较低边带中。边带滤波器324 (其优先是奈奎斯特滤波器)被配置用于衰减混合返回信号的不需要的较高边带。经滤波的混合返回信号然后被数字化和处理以构建时域信号或脉冲(例如时域踪迹)。例如，经滤波的混合返回信号由反傅里叶变换单元330数字化和处理。从反傅里叶变换单元330输出的时域信号可以被传达至人机界面(HMI) 332以用于显示经处理的返回信号。
[0031]在一些实施例中，图3中示出的雷达系统被实现作为步进频率连续波(SFCW)雷达。根据这些实施例，由发射振荡器305生成的载波信号的频率增加至多个不相干的频率的每一个，诸如在扫描频率范围内的均匀间隔或不均匀间隔的离散频率(例如800到900MHz，步长4或8MHz)。当发射振荡器频率改变时，接收振荡器频率也改变。在每一个频率步长处，偏移频率307保持在发射和接受振荡器频率之间。如上讨论的上转换和下转换处理针对每一个频率步长重复。HMI332接收在扫描频率范围的每一个频率步长下的时域信号或脉冲。这些时域信号被缓冲或存储并且在HMI 332的显示器上显示。在一些实施例中，信号发生器302产生具有单一频率的基带信号。在其他实施例中，信号发生器302产生具有可以均匀或不均匀间隔的多个频率或频率包的基带信号，诸如2、3、4、5或6倍的频率。在这些实施例中，多频率基带信号由图3中示出的部件针对所有频率同时处理。
[0032]图5A至图5B是依照各种实施例的偏移频率零差雷达系统的框图。在图5A至图5B的框图中，许多测试点(A至E)被示出，它们的波形在图6至图10中被图示。图5A至图5B图示的雷达系统包括发射部分501和接收部分551。在其他部件中，发射部分501包括耦合到低通滤波器504的发射正交混合器503，其一般对应于之前关于图3描述的的混合器304和滤波器308。发射振荡器530被稱合到发射混合器503的输入。发射部分501还包括耦合器505，其分离经滤波的混合发射信号以用于传达至发射天线509和接收部分551的接收参考或校准分支530。
[0033]接收参考分支530包括接收正交混合器532和优选配置作为奈奎斯特滤波器的低通滤波器534。接收振荡器520与接收混合器532耦合，并且偏移预定量(在该说明性实施例中诸如100MHz)到发射振荡器530的频率。接收正交混合器532和低通滤波器534 —般对应于之前关于图3描述的的混合器322和滤波器324。连同接收信号分支540 (例如被测设备)一起对接收参考分支530的采样被用于解决与相位颤动有关的问题。接收部分551包括与接收混合器545和优选配置作为奈奎斯特滤波器的低通滤波器547耦合的接收天线541。耦合器507被提供用于提供在发射天线509之前的发射部分501和接收部分551的接收信号分支540之间的连接性以用于执行诸如Sll (TX)和S21校准之类的各种诊断。
[0034]当RF链供应有由信号发生器产生并传达至发射混合器503的正弦波形时，在每一个测试点A至E处得到的信号在光谱分析仪上被测量并与之前讨论的模拟比较。在图6中，在测试点A处的来自数字模拟转换器(DAC)的输出被示出，其被注入开始于发射混合器503的RF链。在这个说明性示例中，信号的频率是30.720MHz。信号是无混杂的，具有小于-75dBm的二次和三次谐波。在与运行在1.1GHz的发射LO混合之后，信号现在是在1.13072GHz，如图7所示。除了在1.1GHz的振荡器频率和在1.06928GHz的较低边带，所有其他谐波是小于-SOdBm的。测试点C(图8)示出了将通过发射天线509发射的输出RF信号。存在几个谐波和互调产物。然而，由于接收LO的偏移频率，很少混合回到雷达基带。测试点D和E (图9和10)示出了在雷达接收部分551上的RF链的输出，其准备好被数字化以用于进一步处理。雷达带信号已经被翻转到在69.28MHz (1200MHz减去1130.72MHz)的较低边带中，且其它噪声分量没有显著地混合到雷达基带中。除了在距离偏移频率10MHz处的峰之外，其他峰的振幅小于-65dBm。在这些结果中存在来自IF放大器的在约2.6MHz处的低频峰。这个峰可以用高通滤波器来降低。
[0035]接收部分551的双接收通道(具有一个参考通道530和一个DUT通道540)支持相位误差的移除。雷达的内部校准可在这个设计下实现。例如，Sll(TX)和S21测量两者皆可以被提供，具有对雷达周围环境的更完整的雷达动态调谐。这可以通过最优的波形设计增加SNR。
[0036]根据各种实施例，偏移频率零差雷达架构适合于作为任意波形雷达起作用，如前面讨论的。首先，偏移频率零差雷达可以作为SFCW系统进行操作，其中一个频率包针对每一个发射本地振荡器的设置被发射。这个示例中的下一步骤是按每一个发射LO设置发射几个频率(彼此偏移固定间隔)。在这种情况下，等效SFCW波形被发射，但每一发射LO设置发送几个频率。因此，每一雷达踪迹存在较少的发射LO设置且测试速度通过等于每步长发射的频率数目的因子增加。根据各种实施例，这个操作是可能的，因为奈奎斯特滤波器的通带为20至10MHz而不是非常窄的滤波器。其它波形可以容易地通过与发射LO混合而被发射，诸如FMCW、步进FMCW、噪声和编码信号。对于每一个被发射的波形，控制波形生成的信号发生器的DAC仅被编码和设置一次。要被发射的频率的范围通过改变在有限数目的步长中的发射LO频率而变化。因此任意波形可以被分段建立，从而导致更快的雷达踪迹收集。
[0037]示例I:
[0038]以下代表性示例图示了依照各种实施例的偏移频率零差雷达检测实施方式的方面。在以下示例中，参照图4的曲线图，其图示了针对根据各种实施例的偏移频率零差雷达的下转换光谱。如果假设测量带宽为100MHz，那么接收振荡器LO将会被定义使得？_1^0=F_txL0+100MHz，其中F_rxL0是接收振荡器的LO频率，F_txL0是发射振荡器的LO频率，且10MHz是接收振荡器和发射振荡器之间的频率偏移。期望设计由信号发生器产生的基带信号的数字波形，使得其最大的频率接近100MHz，这会导致发射波形被缩混到基带，同时其最低的频率与低通奈奎斯特滤波器的边缘最接近。此外，LSB高于滤波器的截止频率且因此被进一步地衰减。
[0039]在这个代表性示例中，假设单个30MHz的信号与在800MHz的发射LO混合。在IF滤波器之后，830MHz的频率去到发射天线和可以包括校准分支的接收部分两者。830MHz接着用在900MHz的接收LO调制，从而给出1730MHz和70MHz。较高的边带容易被滤波，且70MHz的下转换的较低边带继续前进以被数字化和处理。这个设计有趣的方面在于，被发射的较高边带现在已被翻转到较低边带中且由10MHz的奈奎斯特滤波器滤波,如图5所示。
[0040]为了验证依照各种实施例的偏移频率零差雷达检测实施方式的功效，在Genesys中使用Spectrasys工具模拟了 RF系统。频域模拟的结果曲线被绘制。对于发射波形的所有的谐波和互调产物，功率作为频率的函数的曲线示出了许多谐波和互调产物。然而，由于发射和接收LO偏移，这些信号的大多数不会缩混到雷达基带。唯一不需要的混合产物在期望信号之下SOdB以上。包括相距间隔为8MHz的5CW信号的发射波形的结果曲线也被绘制。一条曲线示出了 5CW信号无混杂地缩混到10MHz之下，而各种互调产物被混合到大于10MHz的频率。在用奈奎斯特低通滤波器滤波之后，不需要的信号完全被移除，如另一条曲线所示。
[0041]偏移频率零差雷达的实施例具有显著的潜在好处。首先，偏移频率零差雷达利用已在硬件部件中做出的改进。这些包括更高密度的FPGA芯片、更快速的ADC芯片和更好的通信设备。例如，通过改变设计以具有20至10MHz的中间频率(IF)，可以在更少的时间内使用更宽的频带宽度。因此，测量速度增加。
[0042]图11示出了依照各种实施例的偏移频率零差钻头雷达的框图。图11的框图示出了使用当前可用的移动电话和通信技术实现的基本雷达设计。在一些实施例中，图11所示的雷达被实现在具有约I英寸乘14英寸的尺寸的多层电路板(例如14或更多层)上，且被配置用于在钻头中进行操作。图11中所示的雷达包括监控器和管理系统1102、电力系统1104和时钟分配系统1106。许多部件与这些系统耦合，包括与FPGA 1112 (诸如XilinxSpartan 6)耦合的嵌入式控制器1110 (诸如TI OMAP 3530)。与FPGA 1112耦合的是DAC/滤波器模块1114、SSB调制器1116和RF前端1120。RF前端1120包括发射和接收天线、隔离放大器、交换机、校准负载和校准环。同时与RF前端1120耦合的是下转换器1122和ADC/滤波器模块1124。示出的与嵌入式控制器1110耦合的是钻柱电力部件，其包括电力线调制解调器1130和电力线AFE 1132。这些钻柱电力部件与钻柱接口 1134耦合。
[0043]图11所示的零差钻头雷达实施例具有较少部件的优点，从而导致更简单的系统以实现具有更小的外形规格。图11所示的雷达利用在大多数移动电话中找到的相同处理器；基于高性能低功率ARM Cortex AS的处理器，其比早期版本的嵌入式系统占用更少的空间，但是有能力运行Linux操作系统。在一些实施例中，单独的嵌入式ARM Cortex A8处理器(诸如TI OMAP 3530)或者替代地一个可以使用Xilinx 28nm Zynq平台，该平台集成了具有Virtex 7FPGA构架的双核ARM Cortex A9。Linux格外好地被支持在这个平台上且极大地简化了用于雷达的软件系统的维护。在FPGA技术上的巨大进步允许使用针对早期设备的成本的一小部分的单个设备。此外，FPGA接合到嵌入式控制器，以允许经由嵌入式控制器的FPGA的原位重新配置。为了简化在处理器和FPGA间的软件接口，处理器被配置用于运行名为Borph (用于可重复编程硬件的Berkeley操作系统)的Linux的变体。这还允许使用被开发作为在加州大学伯克利分校的CASPER合作的一部分的优秀的监控软件。
[0044]雷达系统中的RF部件还受益于电信行业中技术的发展。高速ADC和具有高线性(16位)的DAC可被用于生成和捕获雷达波形。集成的、小的无线芯片可被用于执行调制、滤波校准和天线接合。大多数设备支持两个信号路径，从而减少了需要用来实现系统的设备数目且因此系统的尺寸。现在合成器包括VC0，并且直接进行低噪声RF源的设计和实施。此外，存在许多可向众多供应商购买的宽带正交调制器和具有集成的LO驱动放大器的双宽带混合器。
[0045]图12示出了依照各种实施例的偏移频率雷达接口的一般结构。井下部件1220包括CPU 1222、FPGA 1224、DAC/ADC、交换机和接口的控制以及雷达前端1230。CPU 1222包括井下ARM处理器，诸如ARM 8协同处理器。CPU 1222运行雷达服务器功能且为FPGA1224提供高级命令。转而，FPGA 1224将寄存器级命令发送到独立的设备，诸如DAC/ADC。处理块可在独立的客户端PC 1210(井口设备)和远程CPU 1222两者上存在。然而，该处理可以在客户端PC1210、CPU 1222或FPGA 1224三个设备中的任何一个上存在。
[0046]图13A至图13B是依照各种实施例的偏移频率零差雷达的雷达服务器架构的框图。如图13A至图13B所示，雷达服务器提供软件接口，其将高级命令递送到图12所示的FPGA。如图13A至图13B所示，雷达服务器包括网络/命令接口 1302、雷达模块1304、FMC150模块1306、FMC1模块1308、SIP模块1310和Rhino模块1312。网络/命令接口 1302提供经由以太网电缆与表面进行通信的命令解析器。雷达模块1304为包括发射解调器的雷达的各种部分提供软件接口模块，产生雷达信号的同相和正交分量、当前在CPU上的发射解调器可被迁移到FPGA。FMC150模块1306和FMC1模块1308提供控制DAC、ADC、交换机、振荡器和衰减器的门件的软件抽象。这提供了这些设备的高级配置。SIP模块1310给门件的主要IP核提供命令接口。
[0047]Rhino模块1312到FPGA的Borph接口在CPU上执行，例如图14所示的CPU 1422。图14是根据各种实施例的门件架构的框图。Borph提供FPGA 1424的实时自适应编程的装置。在一些实施中，许多雷达处理(包括SAR、复杂检测算法和实时自适应的信号变化)可经由Borph接口在FPGA 1424上执行。通过图14所示的门件结构，FPGA 1424设置DAC/ADC以及实际发射和接收雷达数据的其它设备上的位和寄存器。GPMC接口 1426提供控制DAC/ADC和RF链设备的命令、经由命令出端口返回命令并且供应数据入和数据出端口。门件驻留在FPGA 1424上。
[0048]参照图15，这幅图示出了用于使用根据各种实施例的偏移频率零差雷达对地下物体进行成像的系统1500的框图。图15中示出的实施例表示针对诸如设施和人造或天然障碍物之类的埋藏物体的存在，在钻探的同时用于对地下物质进行成像的系统。根据一些实施例，系统1500包括钻探系统1503，其包括附接传感器1506的钻柱1505。传感器1506包括诸如图12中示出的雷达之类的井下偏移频率零差雷达。钻探系统1503包括配置用于使钻柱1505旋转的旋转单元和配置用于使钻柱1505纵向位移的位移单元。处理器1507与旋转单元和位移单元耦合，且被配置用于在使钻柱1505旋转和位移的同时，协调由传感器1506对在传感器1506周围的地下物质的采样。根据一些实施例，传感器1506被配置用于发射雷达探测信号1509，其穿过地下传播且撞击或照射地下物体(在该情形下是设施1523)。设施1523和探测信号1509间的相互作用产生由传感器1506检测的返回信号1511。
[0049]对于地下设施安装来说，水平定向钻探相比于历史上基于沟槽的技术提供了众多优点。然而，HDD确实遭受撞击未知的、地图上未标明的或者错误定位的设施和其它障碍物的不断威胁。撞击这些障碍物会花费运营商的收入以用于修理，或在更严重的情形下会导致设备的损耗、伤害或死亡。因此，需要可以安装在钻头上的传感器，其提前检测足够远的障碍物以允许钻操作员来对他们进行检测和/或绘图。并入到HDD机器中的偏移频率零差钻头雷达提供了增强的对障碍物的检测和/或绘图以允许避开他们，这是非常重要的，尤其是在破坏这些特征之一可能会导致设施服务的中断或可能的污染物释放。
[0050]图16示出了通过地面的一部分的横截面，其中镗孔操作发生。通常示为HDD机器1612的地下镗孔系统位于地面1611之上且包括平台1614，倾斜的纵向构件1616位于平台1614上。平台1614通过插脚(pin) 1618或其它束缚性构件固定到地面，以便抵制平台1614在镗孔操作期间的移动。定位在纵向构件1616上的是推/拉泵1617，用于在如通常由箭头示出的向前的、纵向的方向上驱动钻柱1622(即使钻柱1622位移)。钻柱1622由许多钻柱构件1623首尾相连而组成。同时，定位在倾斜的纵向构件1616上且安装以允许沿纵向构件1616移动的是用于使钻柱1622旋转的旋转马达或泵1619(图示在较高位置1619a和较低位置1619b之间的中间位置)。在操作中，旋转马达1619使钻柱1622旋转，钻柱1622具有附接在钻柱1622末端的镗刀1624。
[0051]典型的镗孔操作可以如下发生。旋转马达1619最初定位在较高位置1619a并使钻柱1622旋转。在镗刀1624通过钻柱1622的旋转而旋转的同时，旋转马达1619和钻柱1622在向前的方向上被推/拉泵1617朝向较低位置推入地面，因此产生镗孔1626。在钻柱1622已经被推入镗孔1626 —个钻柱构件1623的长度时，旋转马达1619到达较低位置1619b。然后新的钻柱构件1623被手动或自动地添加到钻柱1622，且旋转马达1619被释放并被拉回到较高位置1619a。旋转马达1619被用来将新的钻柱构件1623穿到钻柱1622，且旋转/推送过程被重复以便于促使新加长的钻柱1622进一步进入地面，从而扩展镗孔1626。
[0052]通常，水或其它流体(本文中称为泥浆)通过使用泥浆泵被泵送通过钻柱1622。如果使用气锤，空气压缩机被用来驱使空气/泡沫通过钻柱1622。泥浆或空气/泡沫来回流动通过镗孔1626，以移除切屑、泥土和其它碎屑并提高镗孔的有效性和/或效率。
[0053]转向能力通常被提供用于控制镗刀1624的方向，使得期望的方向可被传递给所产生的镗孔1626。通过这些动作和这些基本动作的各种组合，镗孔程序可以使镗刀1624前进通过土壤，包括使镗刀1624前进通过弯曲部分(turn)。因为通常HDD不会离地表面非常远地镗孔，所以许多地下的障碍物(例如下水道、电线、建筑物地基等)必须被控制在周围。因此，许多镗刀被配置用于允许镗孔路径转向(例如左、右、更高、更低)，以使镗孔路径围绕地下障碍物弯曲。
[0054]依照一些实施例，系统还包括编码器1619c以监控镗刀1624的位置。当钻头1624被推入地面时，电缆放开并使编码器1619c前进，从而提供具有对钻头位置的度量法的系统软件并且触发在离散的距离间隔处的雷达电子设备。
[0055]本文中提供的讨论和说明以示例性样式呈现，其中所选择的实施例被描述和图示以呈现本发明的各种方面。根据本发明的系统、设备或方法可以包括本文中描述的一个或多个特征、结构、方法或其组合。例如，设备或系统可以被实现为包括下面描述的一个或多个有利的特征和/或处理。根据本发明的设备或系统可以被实现为包括在独立的示例和/或图示中图示和/或讨论的多个特征和/或方面。旨在的是，这样的设备和系统不需要包括本文中描述的所有特征，但是可以被实现为包括提供有用的结构、系统和/或功能的所选特征。
[0056]尽管为了简洁只有特定功能的示例可以被描述为由电路装置执行，任何功能、方法和技术可使用本文中描述的电路装置和方法来执行，如将由本领域普通技术人员理解的。
[0057]要理解的是，虽然在前述描述中已经连同各种实施例的结构和功能的细节一起阐述了各种实施例的众多特性，这种详细的描述仅仅是说明性的，并且可以在由表达所附权利要求的术语的广泛通用含义所指示的最大程度上，详细地做出改变，尤其是在由各种实施例说明的部件的结构和布置方面。
【权利要求】
1.一种雷达检测方法，包括: 生成基带信号； 使所述基带信号上转换到雷达信号频率； 对所述上转换信号的较低边带进行滤波； 发射经滤波的上转换信号； 接收返回信号； 使用具有从所述上转换信号偏移的频率的信号使所述返回信号下转换； 对所述下转换返回信号的较高边带进行滤波；以及 产生基带返回信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述基带信号是任意波形的。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述基带信号包括单一频率。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述基带信号包括多个不相干的频率分量。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述基带信号包括SFCW信号。
6.根据权利要求1所述的方法，其中预定频率是大于或等于被配置用于对混合接收信号的所述较高边带进行滤波的边带滤波器的宽度的频率。
7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括: 将所述发射振荡器信号的所述预定频率增加到多个不相干的预定频率的每一个；以及 针对所述多个不相干的预定频率的每一个重复所述方法。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法在地下执行并且用于检测地下物体。
9.一种雷达检测方法，包括: 生成基带信号； 混合所述基带信号与发射振荡器信号以产生包括较低边带和较高边带的混合发射信号; 对所述混合发射信号的所述较低边带进行滤波； 发射经滤波的混合发射信号； 接收由发射所述经滤波的混合发射信号产生的返回信号； 生成具有从所述发射信号的频率偏移预定频率的频率的接收振荡器信号； 混合所述返回信号与所述接收振荡器信号以产生包括较低边带和较高边带的混合接收信号；以及 对所述混合接收信号的所述较高边带进行滤波以产生基带返回信号。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述基带信号是任意波形的。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述基带信号包括单一频率。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述基带信号包括多个不相干的频率分量。
13.根据权利要求9所述的方法，其中所述基带信号包括SFCW信号。
14.根据权利要求9所述的方法，其中所述预定频率是大于或等于被配置用于对所述混合接收信号的所述较高边带进行滤波的边带滤波器的宽度的频率。
15.根据权利要求9所述的方法，其中所述方法在地下执行并且用于检测地下物体。
16.一种雷达装置，包括: 天线布置； 配置用于生成基带信号的信号发生器； 发射部分，耦合到所述信号发生器和所述天线布置，包括在预定频率下操作的发射振荡器，所述发射部分被配置用于: 生成包括所述基带信号和在所述预定频率下的信号的混合的发射信号；以及 对所述混合发射信号的较低边带进行滤波； 接收部分，耦合到所述天线布置，包括边带滤波器和被配置用于在从所述发射振荡器的频率偏移大于或等于所述边带滤波器的宽度的频率的频率下操作的接收振荡器，所述接收部分被配置用于: 混合由所述天线布置接收的返回信号和由所述接收振荡器在所述偏移的频率下产生的信号以产生包括较低边带和较高边带的混合接收信号；以及 使用所述边带滤波器对所述混合接收信号的所述较高边带进行滤波以产生基带返回信号。
17.根据权利要求16所述的装置，其中所述边带滤波器包括奈奎斯特滤波器。
18.根据权利要求16所述的装置，其中所述雷达装置被实施为探地雷达。
19.根据权利要求16所述的装置，其中所述雷达装置被实施在水平定向钻探系统的钻头中。
20.根据权利要求16所述的装置，其中所述基带信号是任意波形的。
21.根据权利要求16所述的装置，其中所述基带信号包括单一频率。
22.根据权利要求16所述的装置，其中所述基带信号包括多个不相干的频率分量。
23.根据权利要求16所述的装置，其中所述基带信号包括SFCW信号。
【文档编号】G01S7/35GK104335065SQ201380022416
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2013年3月12日 优先权日:2012年3月12日
【发明者】A·威尔逊-兰曼, K·J·赖尔森, W·罗思 申请人:弗米尔公司