范围中间隔开的多个离散发射频率其中之一。所述区域包 括可以在该区域内变化且遍及所述发射频率范围的电磁噪声。这里所描述的便携式设备通 常包括接收器，所述接收器具有至少包含所述发射频率范围的接收器带宽，用于在所述发 射频率范围中测量所述电磁噪声以建立所述电磁噪声的频率组成，所述电磁噪声的频率组 成用于在选择离散发射频率其中之一作为选定的发射频率时使用，所述选定的发射频率随 后在所述操作程序期间由接收器接收。
[0070] 所期望的是，根据存在的噪声，为用户确定并显示与发射器在沿着钻探路径或其 他地下路径和/或与钻探路径或其他地下路径相关联的指定点的最大可用深度相关的信 息，用于可靠的数据接收。以下，将紧接着描述用于确定最大可用深度的技术的一个实施 例。
[0071] 首先，假定是理想相干接收器，其中，已对载波进行了相干解调，并且已对位/符号 时序和信息包同步图案进行了完全跟踪。如图19a的过程图中所示，可以对最后得到的基带 数据进行最优化解码。基带数据在数学上可以如下表示：
[0072] r(t) =Si(t)+v(t); i = {0，1} (1)
[0073] 其中，如在这里所提出的全部表达式中使用的，r(t)为所接收到的信号，单位为伏 特，且t为时间，单位为秒。函数Sdt)是在图19b和19c的图解标绘图中图示出的曼彻斯特编 码基带数据波形，所述图1%和图19c示出了电压中的信号幅度对时间，并且其中分别示出 了位1和位0的波形。虽然在本说明书的语境下使用了曼彻斯特编码，但应当理解的是，可以 采用任何合适的类型的编码。此外，要考虑到，本领域一个普通技术人员利用所掌握的该全 部公开内容而能够容易将所揭示的教导应用于其他形式的编码。
[0074] 可以假定所发射的数据被加性高斯白噪声(AWGN)v(t)污染。如果AWGN具有指数为 α2的正态分布(即，平均值为0的高斯），则概率密度函数(PDF)可以表示为： _5]
(2)
[0076] 其中，
[0077] f =概率密度函数(PDF)，
[0078] v =噪声随机变量，
[0079] e =指数函数，
[0080] α2 =噪声随机变量V的指数(在匹配滤波前）
[0081] 误码率(BER)是已解码的位的错误率的一个尺度。例如，如果BER=0.01，则平均起 来，解码器对于其解码的每100位产生1位错误。
[0082] 已知以上条件，则错误解码的位的概率为：
[0083] p(错误）= 1-p(正确） ⑶
[0084]之后，可将"错误"一词简写为"E"并将"正确"一词简写为"C"。当解码器对位51进 行解码时，令yk(TB)= γ。那么，正确解码所发射的位31的概率为：
[0085] p(Si|yk= γ ) = JLfy( γ | Si)dY (4)
[0086] 其中：
[0087] yk=图19a中所示的匹配滤波器的输出（单位为伏），
[0088] k =接收数据序列的第k位，
[0089] TB =位段时间（单位为秒，参见图19b和19c)，
[0090] B="位"， _] L =积分极限，
[0092] y=yk(TB)，
[0093] d =表示导数运算。
[0094] 那么，正确解码这些位的总概率为：
[0095]
[0096] 其中，a = 0适合于这里所讨论的基带波形。接下来：
[0097] P(S〇=位&是从所述探测器发送的概率;i = {0，l} (6a)
[0098] 并且，
[0099] P(So)+P(Si) = l (6b).
[0100] 根据指数为〇2的噪声vk，等式(5)可以表示为：
[0101]
[0102]其中：
[0103] σ2 =匹配滤波后的噪声功率。
[0104] 将等式(2)代入等式(7)中，然后将等式(7)代入等式(3)中，并用等式(6b)置换等 式(3)中的"1"，则得到：
[0105]
[0106]
[0107]
[0108]
[0109]
[0110] 贝IJ
[0111]
[0112]
ο[0114] 将等式(9a)、（9b)、（10a)和（10b)代入等式(8)中，得到：
[0113]
[0115] \ '·· $
\ >'·
[0116] 令Q(x)表示高斯PDF的尾积分
[0117]
[0118] 其中：
[0119] θ =高斯随机变量。
[0120] 根据等式(12)，等式(11)可以如下表示：
[0121]
[0122] 仕思：
[0123] Q(-x)^l-Q(x) (14).
[0124] 因而，等式（13)可以改写为：
[0125]
[0126] 令P(So)=P(Si) = l/2,且由于发=?2 =512是相同的（能量方面），因而So = Si = S。因 此，等式(15)简化为：
[0127]
[0128]
[0129]
[0130] 所以等式（16)可以如下改写：
[0131]
[0132]
[0133]
[0134] 其中，E{.}表示括号内的随机变量的期望值(即，{..}的统计平均值），这里，yk和〇 2 定义为：
[0135]
[0136]
[0137] 其中，H(f)是图19a中所示的作为积分和清零的匹配滤波器h(t)的傅立叶变换。将 等式(20)、（21a)和(21b)代入等式(19)中得到：
[0138]
[0139] 根据位信噪比(Eb/No)，等式(22)可以如下改写：
[0140]
[0141] 其中
[0142] EB = PtTB (22b)
[0143] 等式（22a)给出BER为位信噪比Eb/No的函数。图19d是示出了基于曼彻斯特编码 00SK (开关键控）的Eb/Νο范围的BER。利用图19d中的标绘图，可以确定接收器的汇总范围 (roll range)。例如，为了解码数据为7位(未算同步位)的来自发射器的汇总信息包，将需 要使巧< |。图19d中的标绘图示出了将需要& > "在假定噪声特性在系统操作半径 内相同的条件下，可以估计汇总数据的范围。而且，假定所发射的信号对于偶极发射天线衰 减了 Ι/d3,其中，d为发射器与接收器的天线之间的距离。信号的乘方(S2)为距离d的函数，如 下：
[0144]
[0145] 其中，笔(4)是在距离do处测得的碎的值。利用等式（20a)，等式（23)可以如下改 写：
[0146]
[0147] 利用等式(22b)并将等式(24)除以No,得到：
[0148]
[0149] 解得 d:
[0150]
[0151] 等式(26)中的变量j给出可解码汇总数据的估计最大距离为其对应于BER的 特定值。利用先前描述的示例:为了检测7位汇总信息包，将需要小于4 ,为此，根据图19d 7 中的图表，将需要|>3·7??°为了利用等式（26)确定g，将需要已知d〇、N〇和\ 2K):。为了 测量do和#(<)，可以使发射器在不使接收器中的任何模拟电路饱和的情况下尽可能靠近 接收器的天线放置。do的值可以直接测量。然后，可以利用等式（19)和等式（20a)估算 $(名）。在这样短的距离处，信号功率将比噪音功能强很多，所以可以忽略<(<)测量中的 噪音功率。图19e是运用图解法图示出用于估计和(<)的过程图。数目No可以在关闭射出器 的情况下确定。图19f是运用图解法图示出噪声值No的确定的过程图。此外，一旦如所期望 地估计出噪音功率，则可以将劣(戽)中之前被确定为通常可忽略的影响的估计噪音功率减 去所述估计噪音功率。
[0152] 作为示例，假定发射器被放置在离接收器47英寸远处（即，dQ = 47英寸)且接收器 测出《(4) = 0.09平方伏。然后，关闭发射器并测量No,为此，得到N〇 = 6.82 X 10-12平方伏/赫 兹。假定距离，是仍然可以对具有7位的汇总信息包进行解码所处的距离，根据图19d，要使 6 则需要鲁·>3.蕭。将(1〇、~、咖。)和合=3遞代入到等式(26)中，则估计范围为 ^1116.9英寸(或等于93.1英尺），在此处，可以对汇总数据包进行解码。
[0153] 注意，为了以上刚刚讨论的目的，假定完全解调载波且完全知道位时序和信息包 合成。此外，假定利用匹配滤波器来对基带数据进行检测。根据这些假定条件的任何推导都 可以利用较高的Eb/No值来适应，以获得相同的P e值。在一些情况中，系统可以复杂到足以进 行合理的分析;在此情况中，可以求助于计算机仿真以确定如图19d中所示作为Eb/No值的函 数的BER(即，P e)性能，然后利用等式(26)来估计接收器的范围。
[0154] 等式(26)可以被用于利用以上确定的特定值并结合当前噪声读取来在运行中确 (E yX 定最大操作深度。这能够通过如下方法实现，即，将& 视为由分隔距离do的发射器和 UcJ 接收器确定的常量并在用噪音的电流值代替作为表达式f^I 6中的No,而同时将表 达式的余数视为具有如以上讨论地分隔距离do的发射器和接收器确定的值的常量。
[0155] 参照图19g，在建立预测最大可用深度时使用的流程图总体上由附图标记600表 示。首先，在602,例如由用户开始预测操作深度确定程序。对进入用于确定该深度的程序 600的选择，虽然可以在任何合适的时间将该选项提供给用户，只要噪声数据可用以形成分 析的基础即可，但其例如可被设置为图9-11的实时噪声显示器上的按钮604。在610,识别所 关注的一个或多个发射器频率。作为一个示例，可将12ΚΗζ、19ΚΗζ、33ΚΗζ的频率识别为可能 的发射器频率。用户可识别出，该列频率将保留不变，用于后面的位置重复该过程。在612， 在包括当前一个所关注的频率的范围中，例如用图1的天线11来采集噪声数据。在一个实施 例中，可以通过用接收器部件12进行数字滤波来对天线11所面对的噪声环境进行滤波，以 定义检测带，该检测带至少近似以当前频率为中心并且足够宽以包括其他可能的参数当中 的例如节距(pitch)和汇总数据这类所关注的编码。在一个实施例中，数字滤波器可以是数 据检测滤波器，其用于在操作期间恢复诸如节距和汇总数据这类调制数据作为定位器。所 述数据检测滤波器其特征在于具有至少近似以所关注的当前频率为中心的检测带宽。在另 一实施例中，该数字滤波器可以具有比数据检测滤波器宽的带宽。应当注意的是，如上所 述，使用数字滤波器不需要使用时域-频域变换。因为该数字滤波器具有可以当前频率为中 心的滤波器带宽，所以可以检测当前频率下以及通常在某一限定的环境频率范围内的噪 声。环境范围可以根据需要而相对地缩窄或放宽。这类数字滤波技术是公知的，例如，如在 马尔文· K ·西蒙、萨米· Μ ·辛迪和威廉· C ·林赛的《数字通信技术:信号设计和检测》第 四章178-190页（ISBN 0-13-200610-3)中所教导的，其通过引用结合于此。
[0156] 在614,利用等式(26)并将测得的一个噪声值或多个噪声值作为No，可以确定操作 深度的预测最大值，在该深度或范围，将要被编码在发射器信号上的信息将是可解码的。
[0157] 参照图19g和20,已确定了预测最大可用操作深度，用于对一个识别出的所关注的 频率进行可靠数据接收，然后，在618,确定是否识别到另一频率，对其将要做出确定。如果 已对全部识别的频率执行了该过程，则在620,例如在图20的屏幕截图上示出的，显示出信 息，其中，12KHz发射器的预测深度为41英尺，19KHz发射器的预测深度为20英尺且33KHz发 射器的预测深度为11英尺。在622,响应于对图20的显示器16上的"重新继续"按钮624的选 择，操作例如可以返回到图6的步骤252。另一方面，如果已请求过预测深度确定的另一频率 保持不变，则在626,将当前频率设定到下一识别的频率，并且执行返回到步骤612,用于新 的当前频率。
[0158] 现在，将注意力引至图1，用于描述用于确定用于可靠数据接收的预测最大可用操 作深度的另一实施例。鉴于这一点，图1包括仿真发射器700，其具有仿真天线702，所述仿真 天线702选择性地发射带有调制仿真数据的仿真信号704。应当理解的是，所述仿真信号与 环境噪声一起由天线11接收。仿真发射器700被配置用于以模拟或仿真真实的地下发射器 的方式发射信号704,所述真实的地下发射器从指定深度并基于诸如校准常数k这类特性发 射调制信号，对于每个所关注的发射器，所述特性全部都由用户在图6的步骤202中规定。仿 真天线可以与地下天线使用的天线为相同类型。在本示例中，可使用偶极天线。在图示出的 实施例中，仿真天线被示出为与天线11处于分隔开的关系。在另一实施例中，虽然此实施例 不容易图示从而未示出，但仿真天线可以与天线11共处一处。在以下紧