用于公用设施的同时感应激励和定位的方法和设备与流程

本申请要求于2017年6月7日提交的美国申请第15/616,704号的优先权，其要求2016年6月9日提交的美国申请序列号62/347,814的优先权，其全部内容整体均以引用方式并入本文中用于所有目的。

本发明的实施例涉及公用设施位置，并且特别涉及公用设施的同时感应激励和定位。

背景技术：

地下和水下电缆和管道设施的位置通常经由当交流电流流过公用设施时引起的磁场来测量。该方法用于各种目的，诸如公用设施调查、覆盖深度监测、施工和安装、疏浚准备和故障定位。交流电可以通过接入点处的直接电连接注入公用设施，可以通过感应电流钳或感应天线注入，或者可以是公用设施本身的操作的一部分，如在带电电缆的情况下。

在一些情况下，公用设施的电气特性可以使得电流不会从注入点流动很远。这方面的示例包括具有强电容或电阻耦合到地的公用设施和以规则间距明确接地以进行阴极保护的管道。在其它情况下，条件可能使得远离测量点注入电流变得不切实际或不合需要。前者的示例包括需要感应天线的水下测量，但是天线的定位和取回都很困难。增加提高覆盖长距离的效率的要求是感应天线的定位和取回效率低的情况的示例。

目前存在的用于解决电流难以感应的问题的解决方案使用脉冲感应，诸如在minelab.com的“metaldetectorbasicsandtheory”；以及2015年maritimejournal.com的“layingpipesandcablesandmeetingthechallengeoffindingthemagainafterwards”中描述的解决方案。在这些系统中，发射器向公用设施的方向发送电磁脉冲，听取响应，并分析响应以导出公用设施位置。然而，由于失真和其它不良效应，这些方法通常在电缆和管道定位应用中精度有限。

因此，需要一种用于更好地定位地下电缆或管道的系统。

技术实现要素：

根据本发明的各方面，管线定位系统可包括安装在传感器平台上的传感器；安装在发射器平台上的发射器；以及电耦合以驱动发射器并接收来自传感器的信号的处理器驱动器，该处理器驱动器既用连续波驱动发射器，又通过调整发射器和传感器之间直接耦合的效应来处理信号；并导出管线相对于刚性传感器平台的位置。

一种确定公用管线位置的方法包括用连续波信号驱动一个或多个发射器；调整发射器和一个或多个传感器之间的直接耦合的效应，或者保持发射器平台和传感器平台之间的充分间隔以最小化这种效应；并从测量结果导出管线相对于传感器的位置。

下面参考以下附图进一步讨论这些和其它实施例。

附图说明

图1a和图1b示出了不同补偿性能水平的最大目标阻抗。

图2示出了发射器和传感器安装在单个刚性框架上的实施例。

图3示出了用图2中所示的实施例的用于改变目标和传感器之间的几何形状的示例性行进路径。

图4示出了根据一些实施例的用于定位系统的二维场线和传感器轴。

图5示出了具有单独平台以协同定位和跟踪目标管线的实施例。

图6示出了协同跟踪管线位置的发射器平台和传感器平台的示例。

具体实施方式

在以下描述中，阐述了描述本发明的一些实施例的具体细节。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实行一些实施例。本文公开的具体实施例是说明性的而非限制性的。本领域技术人员可以实现其它元件，虽然这里没有具体描述，但是在本发明的范围和精神内。

说明本发明各方面和实施例的该描述和附图不应被视为限制性-权利要求限定了受保护的发明。在不脱离本说明书和权利要求的精神和范围的情况下，可以进行各种改变。在一些情况下，没有详细示出或描述公知的结构和技术，以免模糊本发明。

参考一个实施例详细描述的元件及其相关方面可以在任何可行的情况下包括在未具体示出或描述它们的其它实施例中。例如，如果参考一个实施例详细描述了一个元件，并且没有参考第二实施例描述该元件，则该元件可以被要求保护为包括在第二实施例中。

图2和图5示出了本发明的一些实施例。如图2中所示，系统200包括安装在刚性框架208上的传感器204和206以及发射器202。处理器/驱动器210可以耦合以控制刚性框架208上的传感器204和206以及发射器202。虽然在图2中示出了两个传感器204和206，但系统200可以包括任何数量的传感器。此外，传感器可以相对于彼此定向，以便检测具有特定方向性的磁场。例如，检测器204和206可以在正交方向上定向。

如图5中所示，系统500包括发射器518和接收器520。发射器518包括安装在框架504上的发射器502。发射器502由处理器/驱动器506驱动。接收器520包括安装在第二刚性框架514上的传感器510和512。处理器/驱动器516耦合到驱动器接收器510和512。处理器/驱动器506可以通过物理连接或无线方式与处理器/驱动器516通信。如图5中所示，具有发射器502的框架508可以与具有传感器510和512的框架514保持最小距离。同样，传感器520可以具有任何数量的传感器，其中示出了传感器510和512。此外，传感器520上的传感器可以定向成检测相对于彼此的特定方向上的磁场。例如，传感器510和512可以相对于彼此正交放置。

如图2和图5的实施例中所示，解决定位公用设施问题的一种直接方法是从承载定位系统本身的相同或不同平台连续地感应电流。例如，用于水下应用的这种平台包括遥控车辆(rov)、水下挖沟机和自主水下航行器(auv)，以及用于地下应用的全地形车辆(atv)。因此，根据一些实施例，导电线性结构(电缆或管道)的位置可以使用连续波感应系统来测量，其中一个或多个发射器和一个或多个传感器安装在单个刚性框架上或相互作用的多个刚性框架上。

在图5的实施例中，发射器202与传感器204和206之间或者发射器502与传感器510和512之间的直接耦合的效应可以被建模并从实际的一组测量结果中减去，以便从残余场导出结构位置。直接耦合模型可以基于磁感应的物理定律，或者基于经验测量。在一些实施例中，可以用传感器测量直接耦合的相位，并且该相位与其它传感器的相位对齐，使用结果的异相分量来导出位置。

连续波感应通常提供改进的定位精度，但是当两者彼此靠近时，发射器和接收器之间存在强烈的直接耦合。这种耦合会使接收器测量的场变形，并且如果不加以解决则会显著影响精度。本发明的一些实施例提供了接收器通过从总测量场提取从公用设施发出的磁场来补偿这种直接耦合的方法。

如上所述，图2示出了根据本发明一些实施例的传感系统200。如图2中所示，传感器204和206以及发射器202安装在刚性框架208上。刚性框架208提供传感器204和206与发射器202的间隔，并且还提供发射器202与传感器204和206的相对位置的确定性。如图2中所示，处理器/驱动器210耦合到发射器202以及传感器204和206。处理器/驱动器210包括用于驱动发射器202并从传感器204和206接收信号的电子器件。此外，处理/驱动器210包括足以如下所述处理接收的数据的数据处理能力。在一些实施例中，处理器/驱动器210可以并入在刚性框架208上。在一些实施例中，处理/驱动器210可以与刚性框架208分离并且电子耦合到安装在框架208上的发射器202以及接收器204和206。

解决定位公用设施问题的另一种直接方法是将感应发射器和定位系统分离足够的距离，使得直接耦合的任何效应都可以忽略不计。在这种方法中，发射器可以保持足够接近目标管线，以感应可测量水平的连续电流，同时也保持足够接近定位系统，使得所述电流在到达定位系统之前不会显著减小。这种系统由图5的系统500进行说明。

在大多数应用中，适当的间隔距离大于单个平台实际可支持的距离，需要用于发射器和定位系统的单独平台。在一些应用中，发射器可以保持固定，而定位系统跟踪管线位置一段距离，但在其它应用中，发射器必须与定位系统一起连续移动。如上所述，系统500包括在第一平台504上的发射器502，而传感器510和512安装在第二平台514上。平台504和514可以保持分离最小距离，同时每个平台定位成与公用设施交互。

在一些应用中，地下公用设施的位置不是先验已知的，因此可以基于定位结果动态地确定合适的发射器位置或路径。

图5示出了根据一些实施例的系统500，其中感应发射器502和具有传感器510和512的定位系统520分别安装在分离的平台504和514上，每个平台分别由处理器/驱动器506、516操作。处理器/驱动器506或516中的一个还可以向一个或两个平台506或516提供导航引导，以便同时保持发射器502足够接近目标公用设施以便有效地感应并且将直接路径耦合减小到微小的水平。

磁感应

感应环形天线产生的磁场与在环路和环路面积中流动的电流的大小成比例，并且除了靠近环路本身之外，其主要表现为磁偶极子。(参见davidc.jiles的“introductiontomagnetismandmagneticmaterials(第2版)”，crc1998；i.s.grant和w.r.phillips的“electromagnetism(第2版)”，曼彻斯特物理学，johnwiley&sons，2008年)。

因此，由矢量r相对于天线中心定义的自由空间中的位置处的磁场可以通过以下等式描述：

这里，矢量m是天线的磁矩，其幅度等于环路电流和环路面积以及沿主天线轴方向的乘积，而hd是以a/m为单位的磁场。

可以导出诸如海水的导电介质中的磁场的等效等式，但是这些等式不包括在本说明书中。

由于本文件中描述的方法基于一个或多个不同频率的连续波激发，因此便于将m和hd都视为相量，每个相量由捕获沿每个坐标轴的连续波场的幅度和相位的三个复值的矢量描述。这些矢量的每个分量具有相同的相位，但是两个或更多个这样的矢量的叠加可能不会，如稍后将示出的。

如法拉第感应定律所述(davidc.jiles，“introductiontomagnetismandmagneticmaterials(第2版)”，crc1998)，时变磁场hd将在任何闭合电路中感应电动势ε，其等于电路所包围的磁通量的时间变化率的负值：

在等式2中，da是由电路包围的区域的增量单位，μ0是真空磁导率，等于4π×10^-7vs/(am)，并且在电路包围的整个区域上进行积分。为清楚起见，这里强调了hd的时间依赖性。

然后，考虑到目标公用设施可以被认为是无限长的直导体并且主天线轴可以被认为是垂直于导体，则等式2中提供的表达式可以简化为：

这里，ω＝2πf，其中f是激励信号的频率，而r是从天线中心到导体的最短距离。可以在天线相对于导体的任何旋转时对因子进行直接的修改。

如果闭合电路具有总阻抗z，则目标导体中的感应电流由下式给出：

应注意，阻抗z可包括电容和电感效应，因此电流il的相位可不同于磁场hd的相位。

还将在环境中存在的其它闭合电路中感应出电流，包括在金属物体和发射器附近的其它导电材料内感应的所谓的涡流。

根据biot-savart定律，包括il和涡流的感应电流将依次产生它们自己的磁场。(参见，例如davidc.jiles，“introductiontomagnetismandmagneticmaterials(第二版)”，crc1998；i.s.grant和wrphillips的“electromagnetism(第2版)”，曼彻斯特物理学，johnwiley&sons，2008年。因此，放置在环境中的磁场传感器将测量从这些多个源发出的磁场的复杂叠加，以及来自发射器的直接耦合。

应用于自由空间中的目标公用设施的biot-savart定律如等式5所示，其中il是公用设施上的电流，r是测量位置矢量，dx是导体的长度元素，而x是导体上该元素的位置。

如前所述，hl是一个或多个不同频率的时变量，并且可以在每个频率处由复杂的三维矢量表示，其中每个分量描述沿着坐标轴的磁场的幅度和相位。

如前所述，可以导出诸如海水的导电介质中的磁场的等效等式，但是这些等式不包括在本说明书中。

等式5可以简化为二维场，该二维场衰减为距导体的距离r的倒数，其可以在导体的坐标系中表示，其中x轴指向导体，如图4中所示并在等式6中表示。

这里，r是距导体的最短距离，并且y和z可以分别被选择为距导体的水平偏移和垂直偏移。

性能

接收器系统的实施例可以基本上区分从公用设施发出的磁场与其它效应，包括直接耦合、涡流效应和环境噪声。通过适当地过滤测量信号可以部分地消除非结构化环境噪声的效应，但是其它效应是高度结构化的并且可以通过其它方法消除。

为了精确定位目标公用设施，可以将不良效应降低到远低于从公用设施发出的磁场强度。在一些实施例中，低于目标场20db或者其强度的1/10的降低水平可能就足够了。如前一节所述，后者取决于发射器天线和接收器传感器的位置和方位以及公用设施的阻抗。因此，随着组合系统和公用设施之间的距离增加以及阻抗增加，系统相对于导体的定位变得更加困难。

在实践中，电缆或管道公用设施的阻抗显著变化。高压电力电缆的内部电阻和接地电容通常分别大约为0.1-1ω/km和0.1-1μf/km(参见例如“nexanssubmarinepowercables”，nexans，2013年)，以及它们的接地阻抗可以预计为几ω。在几khz的典型感应频率和几km长的电缆上，这导致几ω的总阻抗。大管道可能具有明显更低的阻抗，特别是如果通过保护阳极床或类似方法定期接地，而具有更高内阻或接地不良的公用设施可能具有更高的总阻抗。

当单个平台(诸如图2的实施例中所示的系统200)针对该用途时，其尺寸也会变化。例如，电缆敷设挖沟机可能长达8米，天线和传感器之间允许间隔10米，而工作级rov只允许4米间隔。前者还可以允许感应天线和电缆之间的较小间隔。

图1中所示的曲线图示出了在两个不同的间隔距离处可用不同性能水平寻址的最大总阻抗，以便在期望磁场和不期望的磁场之间保持20db的差。性能水平由参数δ表示为发射天线和接收器之间的直接耦合的全强度的百分比，其中δ＝10％表示例如10％的直接耦合保持不变。

当将分离平台用于发射器和定位系统时，有效消除直接耦合效应的两者之间的最小距离通常大约在100米，但这取决于天线的强度和传感器的灵敏度。

感应电流的衰减速率取决于目标公用设施的电特性和感应天线的频率。快速衰减可能要求两个平台保持相对靠近彼此，但较慢的衰减可允许间隔距离在较宽范围内变化。

定位方法

本节概述了用于消除直接耦合和感应涡流的不良效应的四种方法，以及用于部署分离的传输和测量的三种方法。前两种方法基于明确表征失真，然后从聚合测量信号中减去它，接下来的两种依赖于间接估计目标公用设施对聚合信号的贡献，而后三种关注如何放置或者移动发射器同时为测量提供足够的连续电流，以用于定位或跟踪目标电缆。本领域技术人员可以认识到来自本文描述的方法的其它方法，其也可以用于去除不良效应或定位发射器。

在前四种情况下，假设发射器和接收器都安装在一个刚性框架上，因此对于如图2所示的系统200是有用的。如上所述，发射器202和传感器204和206通常位于刚性框架208的相对两端，以便最大化两者之间的间隔。取决于应用，系统200可以使用多个发射器、任何数量的传感器204和206，并且可以在多个信号频率下操作。非线性求解方法，诸如levenberg-marquardt算法(r.fletcher的“practicalmethodsofoptimization”，wiley，1987年)或迭代方法，诸如卡尔曼滤波器(grewal和andrews的“kalmanfiltering”第二版，wiley，2001年)然后可以应用于所得残差测量结果以导出公用设施的位置。这在t.gudmundsson和j.waite的美国专利第7,356,421号“preciselocationofburiedmetallicpipesandcablesinthepresenceofsignaldistortion”中有更详细的描述，该专利的全部内容以引用方式并入本文中。

在后三种情况下，忽略直接耦合，并且经由更常规的方法，诸如美国专利第7,356,421号中描述的方法，导出公用设施的位置。

后三种方法都依赖于为发射器平台找到合适的初始位置，无论是图2的刚性框架208还是发射器518的平台504，其中发射器或多个发射器足够靠近目标管线以在其上感应可测量的电流。取决于管线位置、管线条件、可用设备和其它因素的先验知识，有多种方法可以实现这一点。

在一些实施例中，平台可以放置在可接近的终端附近，用于海底电缆的着陆处，或者在可见的一节管线处。

在其它实施例中，发射器518的发射器平台504和传感器520的传感器平台514可以协同使用以找到合适的位置。如果目标管线的方位是已知的，则可以通过在目标管线上同时移动平台504和514来完成发射器518和520的协作使用，注意是当传感器获得最大测量结果并将其用作发射器平台的初始位置时。如果方向未知，则可以以不同的角度重复相同的过程，直到找到这样的最大值。

基于模型的直接耦合估计

当失真的主要原因是发射器和接收器之间的直接耦合以及诸如涡流感应的其它效应最小时，可以直接从上面的(等式1)或其它等效等式估计直接耦合。如果天线和位置r处的传感器之间的间隔是rd，则测量信号h(r，rd)是直接耦合信号hd和感应信号hl之和，如等式7所示。

h(r,rd)＝hl(r)+hd(rd)(等式7)

可以使用(等式1)获得hd的估计并从测量结果中减去以获得hl的估计。

直接耦合的经验估计

在一些应用中，可以将整个系统移动远离目标公用设施，以在一段时间内在测量结果中移除其效应。然后可以使用在此期间进行的测量结果来组成聚合失真的经验模型，包括每个传感器的幅度和信号相位。

令ha为聚合失真信号。然后，可以通过下面的等式8描述测量的信号。

h(r,rd)＝hl(r)+ha(rd)(等式8)

可以从测量的信号中减去ha的经验估计以获得hl的估计。

直接耦合的差分调整

在一些情况下，系统200可以安装在能够通过转弯和高度变化导航的单个车辆上，诸如在rov、auv或atv上。在这些情况下，可以选择不断改变系统和目标之间关系的路径。可以动态地预定或调整路径。

虽然可以以这种方式改变系统和目标公用设施之间的几何关系，但是发射器天线202、刚性平台208和接收器传感器204和206之间的关系不会改变。因此，由平台本身引起的直接耦合和涡流引起的失真至少在短时间内保持恒定，并且从两个单独的时间实例和位置减去测量结果将在很大程度上抵消该效应。剩余的差分测量结果可以用于导出目标的位置，例如通过将测量的磁场建模为传感器和天线相对于目标的位置的函数，并求解后者。

图3示出了可以与系统200一起使用的目标公用设施上的示例路径。图3中示出的点p1和p2处的测量结果之间的差可以用于定位。作为参考，图4示出了可以在计算期间使用的坐标系，其中x方向沿着目标导体而y和z方向与目标导体正交。

对于系统200中的每个传感器，令点p1和p2处的两次测量结果如下，其中hl是由目标公用设施中的电流感应的磁场，ha是直接耦合和由平台上的涡流引起的任何场的集合，r1和r2是两个测量位置，rd是传感器相对于天线中心的位置，t1和t2是两个测量时间，导致测量的磁场h1和h2如等式9中所述。

h1(r1,rd,t1)＝hl(r1,t1)+ha(rd,t1)

h2(r2,rd,t2)＝hl(r2,t2)+ha(rd,t2)(等式9)

如果测量结果之间的时间差足够小以避免任何显著的时变效应，则两个ha项仅在相位上不同。如果发射器和接收器是同步的，则可以通过简单地减去两个测量结果来消除相位差，从而仅依赖于来自目标公用设施的所需信号。

h2(r2,ra,t2)-h1(r1,ra,t1)＝hl(r2,t2)-hl(r1,t1)(等式10)

如果发射器和接收器不同步，则可以跟踪两个测量时间之间的相位差并用于在减法之前校正其中一个等式。

如果平台在两个位置之间的位置和方位的变化是已知的，无论是来自车辆的导航系统还是另一个独立的定位机构，右侧都可以使用等式4和等式6对单个目标位置进行建模。

使用信号相位消除直接耦合

在诸如电缆安装的一些应用中，可以容易地控制磁场传感器相对于目标电缆的方位，允许传感器垂直于电缆放置。该传感器仅测量直接耦合和感应涡流引起的失真，因此可用作该聚合信号的相位参考。

可以使用等式9和等式6来更详细地描述它。令所讨论的传感器放置成使其与(等式6)的x轴对齐，以便它仅测量(等式9)的ha分量的贡献。由与(等式6)的y轴或z轴部分或完全对齐的相同位置的其它传感器进行的测量可以分成两个分量，一个与x轴测量结果同相，另一个与其90°异相。如果hl的相位与ha的相位明显不同，并且ha的相位对于所有方向都是均匀的，则这种间隔将导致y和z传感器上的异相信号仅来自目标公用设施，因此可以用于定位。

作为示例，图4示出了从电缆和三个传感器轴发出的二维场。x轴垂直于场并且可以用作失真信号的相位参考，而由沿y轴和z轴定向的传感器进行的测量的异相分量可以用于定位。

在失真信号除了直接耦合之外还包括多个涡流源的情况下，由不同位置的传感器接收的信号可能不是相位同步的。在这些情况下，来自不同传感器位置的异相分量在幅度上不平衡，并且不能在定位方法中直接组合。然而，如果来自每个位置的y和z分量本身是平衡的，则来自(等式6)的两个分量的比率以及传感器位置之间的间隔的知识仍然可以用于定位。

带固定发射器的分离式平台

如果目标公用设施管线的电特性使得感应电流在衰减到可接受水平以下之前可以行进相当大的距离，则发射器平台504可以留在原位，而传感器平台514用于跟踪管线的位置。发射器平台504可以周期性地移动到新位置，例如当测量的信号电平已经衰减超过可接受的水平时。

可以使用上述方法中的一种找到发射器平台504的合适初始位置。可以以相同的方式或通过使用由传感器520测量的管线位置来选择后续位置。后者可以基于该测量的质量、埋藏深度或其它因素自动完成。放置也可以由操作员手动完成。

具有预定发射器路径的分离式平台

如果目标公用设施管线的电气特性不允许感应电流行进很远，则发射器518和传感器520可能需要始终保持彼此靠近，在一些实施例中甚至尽可能接近允许的最小间隔距离。在这种情况下，平台504和514一前一后地移动，其中发射器518在间隔距离范围内领先或跟随传感器520。

如果管线的水平位置是众所周知的并且如果平台可以被适当地引导，则这可以通过使发射器518遵循预定路径来完成，例如由一系列路点定义。发射器518和接收器520之间或发射器518、接收器520和中央控制器之间的通信可能是必要的，以缓和并控制一个或两个的速度。

具有动态调整的发射器路径的分离式平台

如果两个平台的位置足够熟知，则由传感器平台上的定位系统完成的测量结果可以用于动态地引导发射器平台，其中后者在间隔距离的范围内跟随前者。

在一些实施例中，定位系统500连续地测量目标管线的水平位置和深度，并引导发射器518，使得其在设定距离处跟随，同时保持在管线的正上方并且尽可能低。

图6示出了该方法的示例，其中从上方观察测量区域并且将目标公用设施管线显示为粗蓝线。传感器520跟踪管线604，同时跟踪由发射器518感应的信号。系统500使用管线位置的测量结果来沿着靠近目标管线302的管线引导发射器518，从而产生图6中所示的路径602。发射器518跟随传感器520的距离足够大，使得直接路径耦合的效应不显著但足够接近使得目标302中感应的电流可由接收器520检测到。

提供以上详细描述是为了说明本发明的具体实施例，而不是限制性的。在本发明的范围内的许多变化和修改是可能的。在以下权利要求中阐述了本发明。