(57)【要約】  誘導アレイシステム（１００）を用いて、地中の物体の位置を突きとめる装置および方法が提供される。開示されたシステムは、２つ以上の空間的に分離された受信器および１つ以上の空間的に分離された送信器を備える可動アレイ（１１０−１６０）を用いる。空間的分離は、アレイが、調査中の表面領域にわたってデバイスの単一経路にて、種々の深さにおける物体を検出することを可能にする。複数の送信器が用いられた場合、これらの送信器は、異なった周波数にて同時に作動するか、または同じ周波数にて逐次的に作動し得る。誘導アレイ内の受信器素子と送信器素子との間の間隔は、均一または不均一であり得る。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つ以上の空間的に分離された受信器アレイ素子、および１つ以上の空間的に分離された送信器アレイ素子を含む可動アレイと、
該１つ以上の送信器アレイ素子にわたって、時間高調波電磁場を送信する送信回路と、
該２つ以上の受信器アレイ素子にわたって、該時間高調波電磁場によって誘導される磁場を検出する受信回路と
を備える、周波数ドメイン誘導システム。
【請求項２】
前記可動アレイは可動カートをさらに備える、請求項１に記載の周波数ドメイン誘導システム。
【請求項３】
前記可動アレイは、等しい数の受信器アレイ素子および送信器アレイ素子を備える、請求項１に記載の周波数ドメイン誘導システム。
【請求項４】
前記受信器アレイ素子の各々は、前記送信器アレイ素子の一つと一体化される、請求項１に記載の周波数ドメイン誘導システム。
【請求項５】
前記２つ以上の受信器アレイ素子の各々は、前記１つ以上の送信器アレイ素子の各々から空間的に分離される、請求項１に記載の周波数ドメイン誘導システム。
【請求項６】
前記２つ以上の受信器アレイ素子は同一直線上にある、請求項１に記載の周波数ドメイン誘導システム。
【請求項７】
前記１つ以上の送信器アレイ素子は同一直線上にある、請求項１に記載の周波数ドメイン誘導システム。
【請求項８】
前記１つ以上の送信器アレイ素子および前記２つ以上の受信器アレイ素子は同一直線上にある、請求項１に記載の周波数ドメイン誘導システム。
【請求項９】
前記送信回路は、異なった周波数を有する時間高調波電磁場を同時に送信する、請求項１に記載の周波数ドメイン誘導システム。
【請求項１０】
前記送信回路は、同じ周波数を有する時間高調波電磁場を逐次的に送信する、請求項１に記載の周波数ドメイン誘導システム。
【請求項１１】
前記送信回路は、少なくとも２つの異なった周波数の時間高調波電磁場を送信し、前記受信回路は、前記受信器アレイ素子の各々にわたって該各周波数を検出する、請求項１に記載の周波数ドメイン誘導システム。
【請求項１２】
前記空間的に分離された受信器アレイ素子は、均一に間隔があけられる、請求項１に記載の周波数ドメイン誘導システム。
【請求項１３】
前記空間的に分離された送信器アレイ素子は、均一に間隔があけられる、請求項１に記載の周波数ドメイン誘導システム。
【請求項１４】
（ａ）２つ以上の空間的に分離された受信器アレイ素子および１つ以上の空間的に分離された送信器アレイ素子を備える可動アレイを提供する工程と、
（ｂ）該１つ以上の送信器アレイ素子にわたって、時間高調波電磁場を送信する工程と、
（ｃ）該２つ以上の受信器アレイ素子磁場にわたって、該時間高調波電磁場によって誘導される磁場を検出する工程と、
（ｄ）地中の物体の存在を検出するために該磁場を解析する工程と
を包含する、地中の物体を検出する方法。
【請求項１５】
前記可動アレイを前記地中の物体の上の経路に沿って移動させる工程をさらに包含する、請求項１４に記載の地中の物体を検出する方法。
【請求項１６】
前記経路は直線経路である、請求項１４に記載の地中の物体を検出する方法。
【請求項１７】
前記送信する工程は、異なった周波数の時間高調波電磁場を同時に送信する工程をさらに包含する、請求項１４に記載の地中の物体を検出する方法。
【請求項１８】
前記送信する工程は、同じ周波数の時間高調波電磁場を逐次的に送信する工程をさらに包含する、請求項１４に記載の地中の物体を検出する方法。
【請求項１９】
前記解析する工程は、地中の導電性物体の存在を検出する、請求項１４に記載の地中の物体を検出する方法。
【請求項２０】
前記解析する工程は、地中の非導電性物体の存在を検出する、請求項１４に記載の地中の物体を検出する方法。
【請求項２１】
可動カートと、
該可動カートに取付けられ、かつ２つ以上の空間的に分離された受信器／送信器の対を含むアレイと、
該送信器を通じて時間高調波電磁場を送信するように適合された送信回路と、
該時間高調波電磁場により誘導された磁場を受信するように適合された受信回路と、
該地中の物体の存在を検出するために該磁場を解析することができる解析ソフトウェアと
を備える、地中の物体を突きとめる、周波数ドメイン誘導システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、地中物体を位置決定する際に使用するための可動周波数ドメイン誘導装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
（背景）
水、ガス、および電力線等の既存の公共設備の損傷を避けるために地中の正確なマップを有することは、掘削の間に重要である。例えば、新しい配管が所定の領域に設置される場合、その領域内の任意の既存の配管の場所が、新しい配管のための溝が掘削される場合にそれらの配管の損傷を避けるために知られなければならない。建設場所のための正確な地中マップの欠如は、毎年、数千もの破損した配管および数十億ドルの修理コストを生じる。
【０００３】
現在使用されているほとんどの配管位置決定機器は、操作者が送信機を直接配管に接続することを必要とする。この機器によると、取り付けられた送信機は、単一の周波数電流を配管が露出される場所における配管に注入する。例えば、水配管を用いると、この電流は、水道栓で注入され得る。次いでその表面上に生じた磁場が、単一のハンドヘルド受信機を用いて測定され、その受信機は、磁場の１つまたはいくつかの成分を記録する。単一の直線配管のみが存在する場合、ハンドヘルド受信機は、その配管の方向および深さを正確に決定し得る。しかし、配管は、送信機が接続され得るように露出されなければならない。露出されない配管は、この機器を用いて位置決定できない。
【０００４】
操作者が配管に送信機を直接接続することを必要としない配管位置決定機器に対する多くの明らかな利点が存在する。例えば、このような機器は、操作者が露出されない配管を位置決定することを可能にし、任意の直接的な物理接続を必要としない。このような配管位置決定機器は、一般的には、誘導伝播または波動伝播のいずれかに依存する。波動伝播は、地中探査レーダにおいて使用される。しかしこのような波動伝播方法は、土壌伝導率が比較的低いことを要する。この土壌伝導率が高い場合、このレーダ波は速やかに減衰し、その配管を含む地中領域に到達し得ない。対照的に誘導方法は、土壌伝導率が高い場合に十分働く。
【０００５】
レーダ方法が失敗し得る状況において誘導方法が十分に働く理由を理解するためには、透磁率μ０＝１．２５６×１０−６Ｈ／ｍ、比誘電率εｒ、および導電率σを用いて均質な土壌内で伝播する平面波を考慮する。この平面波は、角振動数ω＝２πｆを有する時間高調波であると仮定する。伝播の方向がｘ軸である場合、平面波は、ｅｘｐ（ｉｋｘ）として挙動し、ここで、伝播定数ｋは、ε０＝８．８５×１０−１２Ｆ／ｍとして、（ω２μ０ε０εｒ＋ｉωμ０σ）１／２によって与えられる。次いで平面波の減衰は、ｅｘｐ（−Ｉｍ（ｋ）ｘ）によって与えられ、ここで、Ｉｍ（ｋ）は、ｋの虚数部を表す。典型的な土壌に対して、εｒは２〜３０であり、σは１０−６Ｓ／ｍ〜１Ｓ／ｍである。レーダと誘導方法との間の差異を示すために、その土壌がεｒ＝１０かつσ＝０．２Ｓ／ｍである湿潤粘土であることを仮定する。レーダシステムおよび誘導システムの典型的な中央周波数は、それぞれ４００ＭＨｚおよび２０ｋＨｚである。これらの値を用いて、平面波の減衰がレーダ信号に対してはｅｘｐ（−（１１．０／ｍ）ｘ）であり、誘導信号に対してｅｘｐ（−（０．１３／ｍ）ｘ）であることに従う。従って、伝播の各メータに対して、レーダ信号は９５ｄＢに減衰するが、誘導信号は１７ｄＢに減衰し、従って、誘導方法のみが地表面より下の数センチメートルを超えて埋められた配管を位置決定するためにこのような土壌で使用され得る。
【０００６】
広範な誘導システムが市販で入手可能である。各システムはループアンテナを利用し、それらのシステムはハンドヘルドデバイス（簡単な金属検出器等）から大規模なシステム（採掘用途等）に及ぶ。そのアンテナは、数百メータのオーダーのループサイズを有する。これらの誘導システムは、伝導性の鉱石、凝集体、帯水層、岩盤、および埋められた廃棄物の検出に対して主に設計されている。
【０００７】
１つのこのような市販で入手可能なシステムは、Ｇｅｏｎｉｃｓ  Ｌｉｍｉｔｅｄによって販売されているＥＭ３１であり、これは、地理探査のための多数の誘導ツールを提供する（Ｇｅｏｎｉｃｓの製品は、米国特許第４，０７０，６１２号および米国特許第４，１９９，７２０号に説明されている）。ＥＭ３１は、互いに固定の距離で分離された送信機ループおよび受信機ループからなるハンドヘルドデバイスである。これらのループは、磁気双極子によって概算されるほど小さく、そのツールは、垂直および水平磁気双極子モードの両方で動作され得る。しかし、ＥＭ３１が単一の受信機のみを有するため、大きい測量領域にわたって密度がサンプリングされたデータを収集するためにこれを使用することは面倒である。さらに、単一の送信機−受信機間隔（３．７メートル）のみがこのツールを用いて達成される。
【０００８】
Ｇｅｏｎｉｃｓはまた、送信機および受信機コイルからなり、３人の操作者が選択した間隔で操作され得るＥＭ３４−４システムを製造し、この可変間隔は、デバイスが異なる探索深さにおいて使用されることを可能にする。しかし、このデバイスを有する１つ以上の送信機−受信機間隔を用いてデータセットを作成するために、操作者は、異なるコイル分離を用いて測量を繰り返す必要がある。さらに、各径路に対して、データが１つのみの線に沿って収集され、これは、大きい領域を網羅するためには、操作者はデバイスを何度も前後に持っていかなければならないことを意味する。従って、ＥＭ３４−４は、大きい測量領域のために密度がサンプリングされたデータを収集するための効果的なツールではない。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（発明の要旨）
本発明は、２つ以上の空間的に分離された受信機アレイエレメントおよび１つ以上の空間的に分離された送信機アレイエレメントを含む可動アレイと、送信機アレイエレメントにわたって時間−高調波電磁場を送信するための送信回路と、時間−高調波電磁場によって誘導された磁場を受信機アレイエレメントにわたって検出するための受信回路とを含む周波数ドメイン誘導システムを提供する。
【００１０】
本発明の一実施形態では、可動アレイは、可動カートに取り付けられる。別の実施形態では、可動アレイは、等しい数の受信機アレイエレメントおよび送信機アレイエレメントを含む。さらに別の実施形態では、受信機アレイエレメントのそれぞれが１つの送信機アレイエレメントの１つと統合される。さらなる実施形態では、受信機アレイエレメントの各々は、送信機アレイエレメントの各々から空間的に分離される。
【００１１】
本発明の一実施形態では、受信機アレイエレメントは同一直線上であり、別の実施形態では、送信機アレイエレメントは同一直線上である。さらなる実施形態では、送信機アレイエレメントおよび受信機アレイエレメントは同一直線上である。
【００１２】
本発明の実施形態では、送信回路は、異なる周波数を有する時間−高調波電磁場を同時に送信する。別の実施形態では、送信回路は、同じ周波数を有する時間−高調波電磁場を逐次的に送信する。さらなる実施形態では、送信回路は、少なくとも２つの異なる周波数の時間−高調波電磁場を送信し、その受信回路は、各受信機アレイエレメントにわたって各周波数を検出する。
【００１３】
本発明の一実施形態では、空間的に分離された受信機アレイエレメントが均一に配置される。別の実施形態では、空間的に分離された送信機アレイエレメントが均一に配置される。
【００１４】
本発明はまた、地中の物体を検出するための方法を提供し、その方法は、２つ以上の空間的に分離された受信機アレイエレメントおよび１つ以上の空間的に分離された送信機アレイエレメントを含む可動アレイを提供するステップと、送信機アレイエレメントにわたって時間−高調波電磁場を送信するステップと、受信機アレイエレメントにわたって時間−高調波電磁場によって誘導された磁場を検出するステップと、地中物体の存在を検出するために磁場を解析するステップとを含む。本発明の一実施形態は、地中物体上の経路に沿って可動アレイを移動させるさらなるステップを含む。さらに別の実施形態では、この経路は、直線経路である。
【００１５】
本発明の一実施形態では、送信するステップは、異なる周波数の時間−高調波電磁場を同時に送信するステップをさらに含む。別の実施形態では、送信するステップは、同じ周波数の時間−高調波電磁場を逐次的に送信するステップをさらに含む。さらなる実施形態では、解析するステップは、地中伝導性物体の存在を検出し、さらなる実施形態では、解析するステップは、地中の非伝導性物体の存在を検出する。
【００１６】
本発明は、可動カート、可動カートに取り付けられたアレイを含む、地中物体を位置決定するための物体周波数ドメイン誘導システムをさらに提供する。そして、２つ以上の空間的に分離された受信機／送信機の対、送信機を介した時間−高調波電磁場を転送するために適応された送信機回路、時間−高調波電磁場によって誘導された磁場を受信するために適応された受信回路、および地中の物体の存在を検出するための磁場を解析することが可能な解析ソフトウエアを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
（詳細な説明）
本発明は、送信器−受信器の間隔の変更が自動的達成され得る送信器および受信器のアレイを提供し、それにより、上述の不利な点を克服する。さらに、本発明による、単一経路に集められた測量ラインの数は、受信器の数で乗算された送信器の数と等しい。これにより、広い測量領域について、高密度にサンプリングされた複数のオフセットデータセットが高速で収集されることを可能にする。
【００１８】
誘導デバイスから取得される探査の深さは、送信器および受信器の配向、およびそれらの空間的分離に依存する。例えば、送信器および受信器が、地面と平行な小型ループアンテナであり、距離ｄにより分離される場合、誘導ツールは、約０．４ｄの深さに埋められる配管に対して最も敏感である。従って、送信器と受信器との間の距離を変更して、深さが異なる配管の位置を突きとめることができるのは有利である。送信器および受信器が同時に作動するアレイを提供することによって、本発明は、複数の送信器−受信器の間隔に基づく、単一経路におけるデータセットを生成することができる。本発明が、１つより多い送信器と共に用いられた場合、これらの送信器は、異なった周波数にて同時に作動するか、または同じ周波数にて逐次的に作動し得る。
【００１９】
本発明は、好適には、可動カート上に取付けられた、配管およびケーブルを検出する周波数ドメイン誘導ツールを提供する。開示された装置は、送信器および受信器、ならびに、送信器および受信器を操作するために必要とされる電子機器からなる。デバイス内の送信器は、地中にて渦電流を誘導する時間高調波電磁場を生成する。この渦電流は、磁場を発し、この磁場は、受信器によって測定される。渦電流は、高い導電性を有する領域において最も容易に誘導され、従って、導電性配管に沿って集中され、かつ非導電性配管には不在である傾向がある。従って、導電性も非導電性の配管も、地表の磁場を乱し、従って、本発明により検出され得る。すなわち、本発明は、周囲の土壌の導電性と著しく異なった導電性の任意の物体を検出するために用いられ得る。特に、本発明は、非導電性配管および導電性配管の両方を検出することができる。
【００２０】
受信器出力は、同相成分（ｉｎ  ｐｈａｓｅ  ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）および直交位相成分（ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ  ｐｈａｓｅ  ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）の２つの成分に分離され得る。同相成分は、送信された磁場と同じ位相であり、直交位相成分は、送信された磁場と位相が９０度ずれている。直接磁場は、同相成分にのみ影響を及ぼし、従って、送信器および受信器が自由空間で操作された場合、その成分のみが非０である。直交位相成分は、直接磁場と、土壌と、土壌に埋められた任意の物体との相互作用からもたらされる。従って、埋められた物体に関する情報は、直交位相成分からより容易に取得され得る。（同相成分は、さらに、埋められた物体に関する情報を含むが、この情報は、通常、直接的信号の強力な影響によって不明瞭になる。）
本発明の誘導システムは、好適には、可動カートに取付けられる。そのカートは、地表に沿って移動されるので、渦電流によって発せられた磁場の２次元マップが記録される。このマップは、地表の下に埋められた配管の位置を明らかにする。
【００２１】
図１および図２は、アレイ１００の各々のアレイ素子は送信器および受信器を備える６個のアレイ素子（１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０）を含む、本発明の実施形態を示す。アレイ１００は、地面１０２および空気１０４と関連付けられて図１に示される。この特定の実施形態の運動の方向が、図２に示される。各送信器は、別個の周波数で駆動され、各受信器は、送信器周波数のすべての磁場を記録する。本発明は、複数のオフセット誘導測定が同時に実行され、かつアレイの帯（ｓｗａｔｈ）によって覆われる領域全体が調査されることを可能にする。
【００２２】
図３は、アレイ２００が６個の均一な間隔があけられたアレイ素子（２１０、２２０、２３０、２４０、２５０、２６０）からなり、これらの各々が１個の送信器および１個の受信器を備える、本発明の実施形態を示す。アレイ素子２１０、２２０、２３０、２４０、２５０および２６０内の送信器は、周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４、ｆ５およびｆ６のそれぞれで作動する。隣接し合うアレイ素子間の距離はΔであり、受信器は、すべての周波数にて同時に記録する。アレイ素子２１０内の受信器からの出力は、周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４、ｆ５およびｆ６の６個の時間高調波信号からなり、周波数ｆｎに対応する水平の送信器−受信機オフセットは、ｎ＝１、２、３、４、５および６の場合（ｎ−１）Δである。一般に、受信器に１〜６の番号が逐次的に付けられ、ここで、受信器１がアレイ素子２１０であり、受信器６がアレイ素子２６０内にある場合、受信器ｍについて、周波数ｆｎに対応する水平の送信器−受信器オフセットは、ｍ＝１、２、３、４、５および６であり、ｎ＝１、２、３、４、５および６である場合、｜ｎ−ｍ｜Δである。上述のように、各々の異なった送信器−受信器の間隔は、異なった探索の深さに対応する。（ｍ＝ｎの場合、送信器および受信器は、同じ水平位置にあり、すなわち重なり合う。）図２に示される構成について、データの３６個のチャネルが同時に集められる。
【００２３】
図２に示される実施形態は、当業者に明らかなように、複数の態様にて実施され得る。例えば、アレイは、任意の数（複数）のアレイ素子からなり得る。さらに、種々の配向のデータを生成するために、３成分送信器および受信器が各アレイ素子において用いられ得る。さらに、各アレイ素子は、送信器および受信器の両方を備える必要がない。その代わりに、送信器および受信器は、異なったアレイ素子で配置され得る。しかしながら、各送信器は、すべての受信器におけるすべての送信された信号を同時に取得することを達成するように、依然として異なった周波数にて作動する。さらに、アレイ素子は、同一直線上にある必要はないが、その代わりに、例えば、受信器が同一直線上にあり、送信器が同一直線上にあるが、しかしながら、アレイ全体が同一直線上にないように構成され得る。さらに、送信器の数は、受信器の数と等しい必要がなく、アレイ素子間の間隔が均一である必要がない。
【００２４】
典型的には、受信器は、空間を考慮して、および、１つの位置におけるすべての直交磁場成分が記録され得るように３つの群で構成される。さらに、送信器は、典型的には、空間を考慮して、および、すべての３つの成分が同じ位置から送信され得るように、３つの群で構成される。しかしながら、本発明は、このような構成に限定されない。
【００２５】
データ取得システムは、送信信号および受信信号を時系列で記録する。送信信号と受信信号との間の位相の差は、必要とされる位相情報を提供する。このシステムの最後の出力は、通常、周波数ドメイン数である。受信器は、典型的には、前値増幅器（ｐｒｅ−ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）で実装され、かつ、通常、５００Ｈｚ〜５０ｋＨｚの範囲の信号に対して敏感である。信号のコンディショニングは、利得、減衰、フィルタリング、電圧範囲の変換、および当業者に公知の他のタイプのコンディショニングを提供するために、必要に応じて用いられ得る。制御は、例えば、物理スイッチを介して、またはデータ取得システムまたは多目的コンピュータからのデジタル線を介して実現され得る。この多目的コンピュータは、データ格納、データ処理およびデータの可視化を提供するためにも用いられ得る。図３は、データが送信器ｉからの送信信号に基づいて、受信器ｊによって取得される、本発明の特定の実施形態のフローチャートを示す。
【００２６】
従って、本発明は、目的を遂行し、上述の結果および利点、ならびに本明細書中に固有の他の結果および利点を得るために良好に適用される。本発明のすべての現在の好適な実施形態は、開示の目的で提示された。上述の記載において、公知の均等物を有する素子に言及された場合、このような均等物は、これらが、あたかも個々に記載されているかのように含まれる。本発明は、例示として、および特定の実施形態に関して記載されたが、本発明をそれらの特定の例および実施形態に限定することは意図されない。当業者に容易に理解され、かつ本発明の主旨および上掲の請求項の範囲内に含まれる、構造の細部にわたる種々の改変および／または改善がなされ得ることが理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は、本発明において用いられる、誘導アレイの１実施形態の側面図である。
【図２】図２は、本発明において用いられる、誘導アレイの１実施形態の平面図である。
【図３】図３は、６個の均一な間隔があけられたアレイ素子を有する、本発明の実施形態の平面図である。
【図４】図４は、送信器ｉからの送信信号に基づいて、受信器ｊによってデータが取得される工程を図示する、本発明の実施形態のフローチャートである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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