專利名稱：用于地下對象檢測的導數(shù)成像的制作方法
技術領域：
背景技術

發(fā)明內容
根據(jù)各種實施例，公開內容的方法包括生成用于地下的系列掃描并且使用系列地下圖像來創(chuàng)建導數(shù)圖像。方法還包括對導數(shù)圖像執(zhí)行一個或者多個測試并且基于一個或者多個測試檢測地下對象。根據(jù)其它實施例，公開內容的系統(tǒng)包括傳感器，配置成生成用于地下的系列掃描；以及處理器，耦合到傳感器。處理器被配置成執(zhí)行存儲的程序指令，程序指令使處理器使用系列掃描來生成系列地下圖像、使用系列地下圖像來創(chuàng)建導數(shù)圖像、對導數(shù)圖像執(zhí)行一個或者多個測試并且基于一個或者多個測試檢測地下對象。根據(jù)其它實施例，自動化地下障礙檢測包括掃描與地面下傳感器鄰近的地下、使 用第一地下掃描來生成地下的圖像、使用在第一掃描之后的地下掃描來更新地下圖像并且計算更新的地下圖像的參數(shù)的導數(shù)。該方法還包括使用參數(shù)的導數(shù)來形成導數(shù)圖像、對導數(shù)圖像執(zhí)行一個或者多個測試并且基于一個或者多個測試生成輸出，該輸出指示存在與地面下傳感器鄰近的地下障礙。根據(jù)一些實施例，自動化地下障礙檢測包括使用地上傳感器來掃描地下、使用第一地下掃描來生成地下的圖像并且使用在第一掃描之后的地下掃描來更新地下圖像。該方法還包括計算更新的地下圖像的參數(shù)的導數(shù)、使用參數(shù)的導數(shù)來形成導數(shù)圖像、對導數(shù)圖像執(zhí)行一個或者多個測試并且基于一個或者多個測試生成輸出，該輸出指示存在地下障礙。在更多實施例中，自動化地下障礙檢測包括使用鉆孔機沿著地面下路徑移動耦合到鉆柱的鉆頭并且使用裝配于鉆頭的傳感器來掃描與鉆頭鄰近的地下。該方法也包括使用第一地下掃描來生成地下的圖像、使用在第一掃描之后的地下掃描來更新地下圖像、計算更新的地下圖像的參數(shù)的導數(shù)并且使用參數(shù)的導數(shù)來形成導數(shù)圖像。該方法還包括對導數(shù)圖像執(zhí)行一個或者多個測試并且基于一個或者多個測試生成輸出，該輸出指示存在與鉆頭鄰近的地下障礙。根據(jù)各種實施例，用于水平方向鉆探(HDD)系統(tǒng)的自動化地下障礙檢測包括使用裝配于鉆孔工具的地面穿透雷達(GPR)來生成用于地下體積的系列掃描以創(chuàng)建SAR圖像。該方法也包括使用SAR圖像的參數(shù)來創(chuàng)建SAR圖像的導數(shù)圖像、對導數(shù)圖像執(zhí)行一個或者多個測試并且基于一個或者多個測試檢測在鉆孔工具前方和/或側方處存在對象。在其它實施例中，用于HDD系統(tǒng)的自動化障礙檢測包括向在鉆頭前方和側方的地下中發(fā)送GPR探測信號、接收返回信號并且使用返回信號來產(chǎn)生SAR圖像。該方法也包括測量用于SAR圖像的每個像素的參數(shù)、計算像素參數(shù)測量的導數(shù)并且使用計算的導數(shù)測量來形成導數(shù)SAR圖像。該方法還包括針對一個或者多個指定條件測試導數(shù)圖像的每個像素并且基于滿足一個或者多個指定條件生成檢測事件信號，該檢測事件信號指示障礙存在于鉆頭前方或者側方并且落入GPR的檢測區(qū)段內。根據(jù)更多實施例，一種用于自動化地下障礙檢測的系統(tǒng)包括殼，配置用于地上可移動；地上傳感器，耦合到殼并且配置用于地下感測；以及存儲器，配置成存儲用于實施導數(shù)成像對象檢測算法的程序指令。處理器耦合到存儲器和傳感器。處理器被配置成執(zhí)行用于實施導數(shù)成像對象檢測過程的存儲的程序指令，這些過程包括使用第一地下掃描來生成地下的圖像；使用在第一掃描之后的地下掃描來更新地下圖像；計算更新的地下圖像的參數(shù)的導數(shù)；使用參數(shù)的導數(shù)來形成導數(shù)圖像；對導數(shù)圖像執(zhí)行一個或者多個測試；并且基于一個或者多個測試生成輸出，該輸出指示存在地下障礙。其它實施例涉及一種自動化地下障礙檢測的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括殼，配置用于地下可移動；傳感器，耦合到殼并且配置用于地下部署和地下感測；以及存儲器， 配置成存儲用于實施導數(shù)成像對象檢測算法的程序指令。處理器耦合到存儲器和傳感器。處理器被配置成執(zhí)行用于實施導數(shù)成像對象檢測過程的存儲的程序指令，這些過程包括使用第一地下掃描來生成地下的圖像；使用在第一掃描之后的地下掃描來更新地下圖像；計算更新的地下圖像的參數(shù)的導數(shù)；使用參數(shù)的導數(shù)來形成導數(shù)圖像；對導數(shù)圖像執(zhí)行一個或者多個測試；并且基于一個或者多個測試生成輸出，該輸出指示存在與殼鄰近的地下障礙。根據(jù)一些實施例，一種用于自動化地下障礙檢測的系統(tǒng)包括挖掘機，該挖掘機包括驅動單元，耦合到土地穿透工具；以及傳感器，裝配于土地穿透工具上或者鄰近。傳感器被配置用于地下感測。存儲器被配置成存儲用于實施導數(shù)成像對象檢測算法的程序指令，并且處理器耦合到存儲器和傳感器。處理器被配置成執(zhí)行用于實施導數(shù)成像對象檢測過程的存儲的程序指令，這些過程包括在土地穿透工具經(jīng)過地下前進之時掃描與土地穿透工具鄰近的地下；使用第一地下掃描來生成地下的圖像；使用在第一掃描之后的地下掃描來更新地下圖像；計算更新的地下圖像的參數(shù)的導數(shù)；使用參數(shù)的導數(shù)來形成導數(shù)圖像；對導數(shù)圖像執(zhí)行一個或者多個測試；并且基于一個或者多個測試生成輸出，該輸出指示存在與土地穿透工具鄰近的地下障礙。根據(jù)各種實施例，一種HDD系統(tǒng)包括驅動單元；鉆柱，耦合到驅動單元；鉆頭，耦合到鉆柱；以及切割工具，裝配到鉆頭。雷達傳感器與切割工具鄰近裝配于鉆頭。雷達傳感器包括發(fā)送器，用于向地下中發(fā)送雷達探測信號；以及接收器，用于接收返回信號。處理器耦合到存儲器和雷達傳感器。處理器被配置成執(zhí)行存儲于存儲器中的用于實施導數(shù)成像對象檢測過程的程序指令，這些過程包括使用接收的返回信號來生成SAR圖像；使用SAR圖像的參數(shù)來生成SAR圖像的導數(shù)圖像；對導數(shù)圖像執(zhí)行一個或者多個測試；并且基于一個或者多個測試檢測至少在切割工具前方存在對象?？梢钥紤]下文具體討論和附圖理解這些和其它特征。


圖I和圖2示出了根據(jù)各種實施例的導數(shù)成像算法的各種過程。圖3示出了根據(jù)各種實施例的根據(jù)由于地下的第一掃描而產(chǎn)生的原始雷達返回數(shù)據(jù)重建的動態(tài)SAR圖像的第一幀；圖4示出了根據(jù)各種實施例的利用用于每個相繼掃描的SAR圖像數(shù)據(jù)更新圖3的SAR圖像從而產(chǎn)生分辨率高得多的圖像這樣的加性效果；圖5示出了根據(jù)各種實施例的恰在相對于經(jīng)過地下前進的鉆頭檢測到預先安裝的地下對象之前的幀；圖6-8圖示了根據(jù)各種實施例的應用于SAR圖像的掩模圖像的例子；圖9示出了根據(jù)各種實施例的用于實施導數(shù)成像對象檢測方法的系統(tǒng)的框圖；圖10示出了根據(jù)各種實施例的經(jīng)過其中使用HDD機器發(fā)生鉆孔操作的地面部分的橫截面；圖11是根據(jù)各種實施例的包括與鉆孔工具鄰近的向下打眼雷達單元的各種HDD系統(tǒng)部件的框圖；圖12-14圖示了根據(jù)各種實施例的用于自動化障礙檢測的方法的各種過程； 圖15是示出了根據(jù)各種實施例的實施用于導數(shù)成像對象檢測的HDD系統(tǒng)的各種部件的框圖；圖16是根據(jù)各種實施例的實施用于HDD系統(tǒng)的鉆頭傳感器的步進式頻率連續(xù)波雷達的框圖；圖17示出了根據(jù)各種實施例的包括傳感器封裝的切割工具，其中該傳感器封裝包括雷達傳感器，并且圖17還示出了鉆頭雷達的輻射圖案；圖18示出了根據(jù)各種實施例的相對于鉆孔路徑的中心軸限定的示例圓柱形檢測體積，該檢測體積代表鉆頭雷達的檢測區(qū)段內的地下體積；圖19和圖20示出了根據(jù)各種實施例的系列方位角切片的SAR重建；圖21A-21C是根據(jù)各種實施例的與圖20中所示方位角切片1_3關聯(lián)的顯示，這些顯示示出了針對每個方位角切片對SAR重建進行操作的導數(shù)成像對象檢測算法的以圖形形式的輸出；圖22示出了根據(jù)各種實施例的全3D SAR實施方式，在該實施方式中，顯示可以呈現(xiàn)具有3D等容輪廓的3D等容，這些輪廓具有導數(shù)成像標記；并且圖23示出了根據(jù)各種實施例的在鉆孔進展時的轟炸瞄準器視圖，該轟炸瞄準器視圖示出了從圖22中所示圓柱形體積到與鉆孔軸垂直切割的平面上的漸進投影。
具體實施例方式在所示實施例的下文描述中參照附圖，這些附圖形成說明書的部分，并且在附圖中通過示例示出了可以用來實現(xiàn)本發(fā)明的各種實施例。將理解可以利用其它實施例并且可以進行結構和功能改變而未脫離本發(fā)明的范圍。根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)、設備或者方法可以包括這里描述的特征、結構、方法或者其組合中的一項或者多項。例如可以實施設備或者系統(tǒng)以包括下文描述的有利特征和/或過程中的一項或者多項。旨在于這樣的設備或者系統(tǒng)無需包括所有這里描述的特征、但是可以被實施成包括提供有用結構、系統(tǒng)和/或功能的所選特征。本發(fā)明的實施例涉及用于使用導數(shù)成像的自動化地下障礙檢測的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的實施例包括可以實施為獨立系統(tǒng)的導數(shù)成像系統(tǒng)，這些系統(tǒng)用于針對掩埋對象如公用設施和人造或者自然障礙的存在勘察地下。根據(jù)各種獨立系統(tǒng)實施例，可以實時執(zhí)行地下的導數(shù)成像從而在掃描或者勘察地下之時提供即時地面下對象檢測信息。根據(jù)其它獨立系統(tǒng)實施例，可以在掃描或者勘察地下之后使用在地下掃描或者勘察期間獲取的數(shù)據(jù)來執(zhí)行地下的導數(shù)成像。本發(fā)明的實施例包括可以并入于挖掘機中用于在挖掘之前或者期間針對掩埋對象的存在勘察地下的導數(shù)成像系統(tǒng)。本發(fā)明的實施例包括地面下障礙檢測和碰撞前報警系統(tǒng)，這些系統(tǒng)優(yōu)選地被實施用于實時操作并且在并入于挖掘裝備如水平定向鉆探機中時發(fā)現(xiàn)特別用處?？梢栽O想根據(jù)本發(fā)明的并入導數(shù)成像的其它系統(tǒng)實施方式。例如這里公開的實施例中的許多實施例涉及適于用于地面下如在HDD機器系統(tǒng)的鉆孔工具中使用和部署的傳感器。其它實施例涉及適于用于在地平面或者在地平面上方使用的傳感器、比如穿透地表面的雷達系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的使用導數(shù)成像的地面下障礙檢測包括從配置用于地下感測的傳感器獲取數(shù)據(jù)。通常預處理的從傳感器獲取的數(shù)據(jù)用來生成地下的圖像。通過向地下圖像中 并入從傳感器獲取的附加數(shù)據(jù)來“積累”這一地下圖像，這漸進地提高地下圖像的分辨率或者信息密度。地下圖像隨著添加新獲取的傳感器數(shù)據(jù)而改變和演變。處理器或者其它電子電路實施的導數(shù)成像算法通過計算地下圖像的參數(shù)的導數(shù)對地下圖像操作。使用參數(shù)的導數(shù)來形成導數(shù)圖像，并且對導數(shù)圖像執(zhí)行一個或者多個測試。基于一個或者多個測試生成輸出，該輸出指示存在與地面下傳感器鄰近的地下障礙。可以在根據(jù)本發(fā)明的實施導數(shù)成像的系統(tǒng)中運用廣泛多種傳感器。一般而言，適當傳感器包括可以感測存在與傳感器鄰近、但是未接觸的對象的傳感器，這允許碰撞前檢測對象。特別有用的傳感器包括生成探測信號并且感測反射或者返回信號的傳感器。下文是代表性的傳感器的非窮舉、非限制列舉，這些傳感器可以適于用于根據(jù)本發(fā)明實施例的使用導數(shù)成像的地面下對象檢測雷達傳感器如地面穿透雷達、聲學傳感器、地震傳感器、電磁傳感器、磁場傳感器、磁共振(MRI)傳感器、正電子發(fā)射(PET)傳感器、核磁共振(NMR)傳感器、時域電磁(TDEM)傳感器、電阻率傳感器、介電常數(shù)傳感器、傳導率傳感器、熱傳感器、電容傳感器、磁場傳感器(例如磁力計)和化學傳感器。在各種實施例中，將單個傳感器系統(tǒng)運用于根據(jù)本發(fā)明的使用導數(shù)成像的地面下對象檢測。在其它實施例中，將兩個或者更多相異傳感器系統(tǒng)運用于使用導數(shù)成像的地下對象檢測。在一些實施例中，運用相異傳感器系統(tǒng)來提供獨立地面下對象檢測信息。在其它實施例中，運用相異傳感器系統(tǒng)以比如通過使用一個或者多個合并算法來提供復合地面下對象檢測信息?？梢栽趥鞲衅鲾?shù)據(jù)處理和導數(shù)成像期間的一個或者若干階段實施合并。例如在一種方式中，可以使用從每個相異傳感器獲取的數(shù)據(jù)來獨立地形成導數(shù)圖像并且推導特征、繼而為特征級合并。在另一方式中，可以使用在數(shù)據(jù)級合并中合并的傳感器數(shù)據(jù)來共同形成地下圖像，并且可以根據(jù)這一地下圖像生成導數(shù)圖像?？梢栽趯?shù)圖像的形成中的任何步驟實施合并從在形成導數(shù)圖像之前獲取原始傳感器數(shù)據(jù)到合并導數(shù)圖像并且識別合并的圖像中的對象(目標)到形成個體地下圖像的導數(shù)圖像、然后合并從那些導數(shù)圖像中的每個導數(shù)圖像識別的目標。在通過引用而結合于此的第6，751，553和5，321，613號美國專利中公開了用于在本發(fā)明各種實施例的背景中執(zhí)行合并的附加細節(jié)。本發(fā)明的實施例涉及自動化地下障礙檢測的方法，這些方法包括掃描與地面下傳感器鄰近的地下并且使用第一地下掃描來生成地下的圖像。使用在第一掃描之后的地下掃描來更新地下圖像。計算更新的地下圖像的參數(shù)的導數(shù)，并且使用參數(shù)的導數(shù)來形成導數(shù)圖像。對導數(shù)圖像執(zhí)行一個或者多個測試，并且基于一個或者多個測試生成輸出，該輸出指示存在與地面下傳感器鄰近的地下障礙。為其計算導數(shù)的參數(shù)優(yōu)選地是與地下圖像的元素或者區(qū)域關聯(lián)的反射或者散射能量參數(shù)。例如參數(shù)可以是地下圖像的像素的亮度。又舉例而言，參數(shù)可以是地下圖像的像素簇的亮度。形成導數(shù)圖像通常包括計算地下圖像的每個像素或者每個像素簇的亮度的導數(shù)以形成導數(shù)圖像。
在一些實施例中，形成導數(shù)圖像包括使用參數(shù)的一階導數(shù)來形成一階導數(shù)圖像。在其它實施例中，形成導數(shù)圖像包括使用參數(shù)的更高階導數(shù)如參數(shù)的二階導數(shù)來形成更高階導數(shù)圖像。對一階或者更高階導數(shù)圖像執(zhí)行一個或者多個測試，并且基于一個或者多個測試生成輸出，該輸出指示存在與地面下傳感器鄰近的地下障礙。在更多實施例中可以使用參數(shù)的一階和二階導數(shù)來形成一階和二階導數(shù)圖像?？梢詫σ浑A和二階導數(shù)圖像中的每個導數(shù)圖像執(zhí)行一個或者多個測試，并且基于一個或者多個測試生成輸出，該輸出指示存在與地面下傳感器鄰近的地下障礙。理解根據(jù)本發(fā)明實施例甚至超出二階導數(shù)的更高階導數(shù)可以用于導數(shù)成像對象檢測。在一些實施例中，一個或者多個測試可以包括以某一復雜方式組合不同階導數(shù)的值的算法。這一點的例子將是使用這里呈現(xiàn)的一階導數(shù)檢測方法，該方法包括描述的測試并且包括附加測試，該測試也要求二階導數(shù)具有某一個值以便在特定階段接受一階導數(shù)。作為另一例子，可以針對某個值測試一階和二階導數(shù)的加權乘積以指示檢測。確實發(fā)生一階導數(shù)為正而二階導數(shù)為負(二階導數(shù)可以視為討論的函數(shù)的曲率)，這指示雖然函數(shù)的改變仍然增加、但是增加速率減少。這可以是有用測試。例如如下測試可以提高檢測特性度(specificity),這些測試組合不同階導數(shù)的值。根據(jù)各種實施例，本發(fā)明的導數(shù)成像算法包括可以被調整以調節(jié)算法性能的一個或者多個參數(shù)?？梢曰诙鄠€因素(包括地下的地質(例如沙地比對粘土)、水含量、傳感器移位速率、對象檢測范圍和深度要求、對象檢測靈敏度比對選擇度(特性度)要求、檢測信息的容差或者準確度要求和檢測半徑或者視野(FOV)要求以及其它因素)調整這些參數(shù)。在各種實施例中，檢測半徑代表導數(shù)成像算法的可以自動或者借助用戶輸入調整的參數(shù)。檢測半徑參數(shù)建立傳感器的檢測范圍(例如視野)。優(yōu)選地實施用于根據(jù)本發(fā)明的對象檢測的傳感器用于感測傳感器前方和側方。檢測半徑參數(shù)建立在傳感器前方和側方延伸的檢測區(qū)段，該檢測區(qū)段的尺寸由檢測半徑參數(shù)的量值規(guī)定。也可以使用檢測半徑參數(shù)和/或其它參數(shù)(例如檢測區(qū)段成形參數(shù)如對向下打眼雷達的半徑圖案的形狀有影響的參數(shù))來調整檢測區(qū)段的形狀。推薦鑒于特定勘察條件使檢測半徑限于合理尺寸用于實現(xiàn)最優(yōu)對象檢測性能。例如選擇6英尺的檢測半徑使導數(shù)成像算法忽略從傳感器離開比6英尺更遠的原本會被算法識別為可能故障的地下特征。檢測半徑范圍主要依賴于運用的傳感器類型和其它因素如上文列舉的因素而典型檢測半徑范圍在小于I英尺到至少20英尺之間。選擇對于特定勘察而言太小的檢測半徑減小傳感器的檢測區(qū)段的尺寸(即減小傳感器的靈敏度范圍)、因此限制可以檢測超出感興趣的傳感器對象多遠。如果傳感器移位速率相對于傳感器的靈敏度范圍而言為高，則這一場景可能產(chǎn)生很少或者無碰撞前報警(并且很少或者無時間采取糾正動作)。然而減小檢測半徑確實增加對象檢測選擇度/特性度、由此減少誤報可能性。選擇對于特定勘察而言太大的檢測半徑增加傳感器的檢測區(qū)段的尺寸，這可能具有檢測對于碰撞避免的目的而言未帶來威脅的很少或者未關注的對象這樣的負面結果。增加傳感器的檢測半徑給傳感器電子器件、信號處理和數(shù)據(jù)通信電路以及檢測算法處理器增加計算負擔，這在出于對象碰撞避免的目的而忽略或者丟棄處理的信息中的大量信息時有浪費。然而增加檢測半徑確實增加傳感器感測在傳感器正前方或者側方的對象的靈敏度、但是具有減小對象檢測的選擇度/特性度這樣的負面效果、由此增加誤報可能性。導數(shù)成像算法的可以調整的另一參數(shù)是第一閾值，每個參數(shù)(例如像素亮度)的導數(shù)比對該第一閾值來測試。例如比較每個像素或者像素簇的亮度的導數(shù)與第一閾值。第一閾值優(yōu)選地是等于或者大于I的正數(shù)，該正數(shù)指示像素亮度按照大致相同量 值隨著相繼掃描而增加。第一閾值可以設置成小于I的正數(shù)以例如考慮噪聲和雜亂數(shù)據(jù)的存在。這一第一閾值用來截止導數(shù)圖像的無意義的部分。這通過應用第一閾值而未二值化圖像來完成。換而言之，在第一閾值以下的像素值設置成=0，但是保持其它值與它們在第一閾值比較操作之前相同。也可以使用具有二值化的閾值化，但是如本領域技術人員將理解的那樣將需要相應地調整導數(shù)成像算法中的設置和方程的其它改變。在一個代表性的實施例中，第一閾值的值設置成O. 7。一般而言，預計像素亮度導數(shù)值> I不太可能，因為這將指示像素的亮度隨著每個添加的掃描而增加相同數(shù)量。將這一第一閾值設置成I或者更大將顯得太嚴格(基于迄今為止的實驗)，但是這正是二階導數(shù)測試有特別價值之處。例如，如果像素值的改變率(一階導數(shù))實際上隨著在多次掃描之上添加掃描而增加(意味著二階導數(shù)> O)，則這是真實的某物(例如障礙)存在于傳感器的視野中的良好指示。導數(shù)成像算法的可以調整的另一參數(shù)是影響檢測算法的靈敏度(和選擇度或者特性度)的第二閾值。優(yōu)選地設置第二閾值以允許以用于維持實時地下對象檢測的充分速度檢測導數(shù)圖像在它被更新并且隨著添加新傳感器信息而演變時的改變。第二閾值可以是如下值，該值代表為了構成可能檢測事件而需要的特定像素的亮度的最后η導數(shù)的最小改變(例如百分比改變)，其中η為整數(shù)。第二閾值確定導數(shù)圖像(并非地下的實際數(shù)據(jù)圖像)中的像素是否將視為檢測事件并且如下文將具體描述的那樣確定導數(shù)成像算法是否向標記掩模(也是2D陣列或者“圖像”)添加標記。通?；诙鄠€因素(包括η (即后“η”導數(shù))的值和第一閾值的值)設置和調整第二閾值的值。N的值一般可以在I與20之間變化并且通常從5至15變化。一般而言，η的更小值提供檢測算法的靈敏度增加而隨之有選擇度/特性度減少和誤報可能性增加。在一個代表性的例子中，η的值設置成10從而意味著需要比第一閾值的值(設置于O. 7)更大的系列10個連續(xù)導數(shù)用于檢測。第二閾值設置成10并且用于具有二值化的閾值化，這意味著導數(shù)圖像中的在第二閾值以上的所有像素設置成=I而在閾值以下的所有像素設置成=O。這一第二閾值的值最終與在檢測判決中使用的圖像數(shù)目η以及與第一閾值的值有關?；仡櫟谝婚撝翟谶@一代表性的例子中設置成O. 7并且用作無二值化的閾值化，因而第二閾值確定系列η導數(shù)圖像之和在特定位置大于10 (或者具有10個圖像的在這一情況下> I的平均值)。在這一代表性的例子中，第二閾值的值=η，但是情況未必需要這樣，并且第一閾值、第二閾值和η的選擇一起作用于確定導數(shù)成像算法的靈敏度和特別度。在一些實施例中，第一閾值、第二閾值和η參數(shù)中的每項是可選的。在其它實施例中，僅第一閾值、第二閾值和η參數(shù)的子集是可選的。在更多實施例中，第一閾值、第二閾值和η參數(shù)的子集在執(zhí)行必需校準之后固定并且隨后不可變更直至執(zhí)行后續(xù)校準。第一閾值、第二閾值和η參數(shù)中的一些或者全部可以由操作者選擇、由實施導數(shù)成像算法的處理器基于各種輸入來自動選擇或者利用來自操作者的輸入來半自動選擇。根據(jù)其它實施例，可以實施單個控件(例如用戶控制按鈕)，該控件為不同類型的土壤或者挖掘(例如HDD)條件選擇第一閾值、第二閾值和η參數(shù)中的每項。例如操作者將控制旋鈕或者其它類型的開關移向不同離散位置可以造成將第一閾值、第二閾值和η參數(shù) 中的每項設置成與不同離散開關位置(或者開關選擇)關聯(lián)的預定值。又舉例而言，模擬調整方式可以用于調整第一閾值、第二閾值和η參數(shù)。不是基于離散開關位置(或者開關選擇)將這些參數(shù)設置成預定離散值，移動一個或者多個控制開關可以使這些參數(shù)以連續(xù)方式遞增地改變?？梢越M合離散和模擬開關選擇方式以向操作者提供進行這些參數(shù)(或者第一閾值、第二閾值和η參數(shù)中的全部或者子集)的粗略改變(經(jīng)由離散開關位置選擇)和精細改變(經(jīng)由遞增連續(xù)開關位置調整)。在一些實施例中，系統(tǒng)的一個或者多個傳感器可以用來評估一個或者多個土壤和/或挖掘特性。用于這一評估的傳感器可以是用于對象檢測的傳感器的相同或者不同傳感器。例如GPR可以用來確定土壤的各種特性，并且處理器實施的對這些土壤特性的評估可以造成自動或者半自動選擇或者調整(例如隨著可變土壤/挖掘條件而動態(tài)選擇或者調整)第一閾值、第二閾值和η參數(shù)中的全部或者子集。在通過引用而結合于此的第6，701，647號共有美國專利中公開了可以在用于設置和調整本發(fā)明的導數(shù)成像算法的一個或者多個參數(shù)的控制方法和系統(tǒng)中并入的關于表征地下地質的附加細節(jié)?？梢葬槍εc像素或者像素簇的其它方面的合理度有關的具體條件測試導數(shù)圖像的每個像素。例如可以測試每個像素或者像素簇以確定與每個像素或者像素簇關聯(lián)的范圍是否小于傳感器的檢測深度。如果確定范圍超出檢測深度，則這一像素或者像素簇視為不可靠并且出于確定檢測事件是否已經(jīng)出現(xiàn)的目的而被忽略?？梢詼y試每個像素或者像素簇以確定與每個像素或者像素簇關聯(lián)的位置是否超出傳感器的位置。如果確定位置在傳感器位置后方，則這一像素或者像素簇信息視為不可靠并且出于確定檢測事件是否已經(jīng)出現(xiàn)的目的而被忽略。在一些實施例中，實施導數(shù)成像算法以允許調整上文描述的檢測半徑以及第一和第二閾值。在其它實施例中，實施導數(shù)成像算法以允許調整檢測半徑、第一和第二閾值以及像素范圍測試。在更多實施例中，實施導數(shù)成像算法以允許調整檢測半徑、第一和第二閾值、像素范圍測試以及像素位置測試?，F(xiàn)在轉向圖1，圖示了根據(jù)本發(fā)明實施例的導數(shù)成像算法的各種過程。根據(jù)圖1，導數(shù)成像包括使用地面下傳感器掃描101地面下傳感器前方并且優(yōu)選地掃描它的側方。生成和更新103每個掃描的地下圖像。計算105圖像的參數(shù)的導數(shù)。形成和更新107每個掃描的導數(shù)圖像。對導數(shù)圖像109執(zhí)行一個或者多個測試?；谝粋€或者多個測試檢測111在傳感器前方或者側方存在障礙。根據(jù)各種實施例，導數(shù)成像算法生成至少兩個圖像并且對這些圖像執(zhí)行處理數(shù)據(jù)圖像(即地下的圖像)和導數(shù)圖像。對導數(shù)圖像執(zhí)行一個或者多個測試以檢測地下對象的存在。如根據(jù)對導數(shù)圖像操作的算法確定的對象存在的指示符(例如標記或者標簽)然后置于處理的數(shù)據(jù)圖像上。導數(shù)圖像一般向用戶隱藏并且是導數(shù)成像算法的內部組成。根據(jù)包括SAR重建的實施例，數(shù)據(jù)圖像是SAR重建，該SAR重建是什么在土壤中的圖像。指示檢測事件的標記置于這一 SAR圖像上，從而操作者或者處理器可以理解檢測已經(jīng)出現(xiàn)于地下空間中何處。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的導數(shù)成像算法的各種過程。根據(jù)圖2，導數(shù)成像包括使用地面下傳感器執(zhí)行120地下掃描i，其中i為整數(shù)。在塊122進行檢查以確定是否i > I。如果不是，則當前掃描為第一掃描并且使用掃描i的數(shù)據(jù)來生成124圖像。在塊126將i的值設置成i+Ι。如果在塊122確定i > I，則使用掃描i的數(shù)據(jù)來更新128當前 圖像。在塊130進行檢查以確定是否掃描i >3，這是針對為了執(zhí)行導數(shù)計算而需要的最小掃描數(shù)目的測試。如果不是，則在塊132將i的值設置成i+Ι并且控制返回到塊120。如果在塊130確定掃描i >3，則計算134圖像參數(shù)(例如圖像像素亮度)的導數(shù)。在塊136進行檢查以確定導數(shù)圖像是否存在。如果沒有，則生成138導數(shù)圖像，在塊126將i設置成i+Ι并且控制返回到塊120。如果在塊136確定導數(shù)圖像存在，則使用計算的導數(shù)來更新140當前導數(shù)圖像。對導數(shù)圖像執(zhí)行142 —個或者多個測試。如果一個或者多個測試如在塊144測試的那樣指示在傳感器前方或者側方存在障礙，則生成146指示檢測到障礙的輸出。否則，在塊132將i設置成i+Ι，并且控制返回到塊120。優(yōu)選地針對每個掃描在逐個像素的基礎(或者逐個像素簇的基礎)上執(zhí)行圖2中所示過程。圖3-8圖示了讓導數(shù)成像對象檢測算法的結果疊加為矩形標記的合成孔徑雷達圖像。在圖3-8中，從雷達傳感器封裝獲取數(shù)據(jù)，該雷達傳感器封裝裝配到與鉆頭鏟(spade)鄰近的鉆頭。用縱向移動而未旋轉的鉆頭獲取用來構造圖3-8中所示繪圖的雷達傳感器數(shù)據(jù)。在圖3-8中，χ軸代表鉆頭已經(jīng)相對于驅動源(例如HDD機器)向前行進的距離(以英尺為單位)?？梢岳缤ㄟ^在鉆頭提供的移位傳感器如加速度計或者陀螺儀或者通過使用地上定位器或者跟蹤器使用裝配于HDD機器上的編碼器來測量鉆頭的實際縱向移位。根據(jù)一種方式，可以用校準的線性編碼器測量鉆頭前進并且使用并入于雷達傳感器的發(fā)送器板中的MEMS滾動傳感器來測量旋轉角。y軸代表與鉆探鉆孔軸的距離(以英尺為單位)。O英尺的y軸值代表鉆探鉆孔本身。增加的y值指示與鉆孔的增加的距離。圖3-8的圖像示出了延伸經(jīng)過包圍鉆孔的圓柱體的軸向切片。切片從圓柱體的中心(鉆孔軸)向外徑向至少延伸至限定傳感器的視野的所選檢測半徑。這一切片也定向于特定方位角。例如特定切片可以在處于豎直向下180度(或者處于90度方位角或者任何其它角度)的方向上范圍從與鉆孔的零距離到與鉆孔相距6英尺。在單個方位角計算圖3-8中所示SAR圖像。這是針對這些數(shù)據(jù)完成的，因為用縱向移位而未旋轉的鉆頭收集數(shù)據(jù)。因此在這些數(shù)據(jù)中僅對一個方位角采樣。后臺計算導數(shù)圖像，并且當該算法檢測到對象時，標記置于SAR圖像本身上。這樣，圖3-8的圖像是在導數(shù)圖像算法已經(jīng)確定對象存在之處或者在算法已經(jīng)確定它的在鉆頭前方存在對象的標準已經(jīng)被滿足之處插入有對象標記的SAR圖像。為了考慮所有方向，計算全3D SAR圖像(或者任何其它傳感器數(shù)據(jù)在3D中的圖像)并且計算3D空間內的導數(shù)圖像。一種方式包括計算在繞著鉆孔的可變方位角(如同車輪上的輪輻)系列軸向切片，從而操作者或者處理器可以不僅告知或者計算對象與鉆孔的距離而且告知或者計算與該對象的方位角方向。下文參照圖17-23提供對根據(jù)本發(fā)明實施例的全3D SAR導數(shù)成像方式的更具體討論。圖6-8中所示矩形標記代表在傳感器到達障礙之前出現(xiàn)的檢測事件。圖4-8中所示豎線150是光標，該光標指示鉆頭在沿著地面下路徑推進時的位置，該路徑始發(fā)于χ軸的零參考并且沿著正χ軸延伸(即光標與相對于驅動源(例如HDD機器)的縱向鉆頭前進對應從左向右移動)。圖示了傳感器的檢測區(qū)段151為具有在這一示例例子中約為4. 6英寸的檢測半徑rD。理解檢測區(qū)段的形狀僅用于示例并且可以被設計成呈現(xiàn)繞著傳感器的所需 形狀。注意示出了檢測區(qū)段151始發(fā)于鉆頭略微后方，因為傳感器封裝通常裝配于鉆鏟后方(與鉆伊鄰近)。圖3是根據(jù)由于測試地下的第一掃描而產(chǎn)生的原始雷達返回數(shù)據(jù)重建的動態(tài)SAR圖像的第一幀。如圖3中可見，SAR圖像的第一幀為相對差的分辨率。然而這一第一幀代表地下的每個相繼掃描向其添加附加SAR圖像數(shù)據(jù)的初始地下圖像。例如圖4清楚地示出了利用用于每個相繼掃描的SAR圖像數(shù)據(jù)更新圖3的SAR圖像從而產(chǎn)生分辨率高得多(信息密度增加)的圖像這樣的加性效果。在圖4中，光標150示出了在鉆頭朝著在χ軸的零參考前方約16英尺的預先安裝目標位置前進時鉆頭相對于驅動源的縱向推進。在這一示例場景中，檢測半徑設置成約4. 6英尺，這意味著忽略如下對象，這些對象將被檢測算法識別為與傳感器相距比4. 6英尺更遠的可能障礙。在圖4中，如光標150所示鉆頭位置與它的初始位置(即χ軸的零參考)相距約2. 5英尺。由于預先安裝的障礙在鉆頭傳感器正前方并且超出傳感器的檢測區(qū)段151，所以未檢測到存在預先安裝的目標(即16英尺-2.5英尺=13. 5英尺(在傳感器與目標之間的距離)-4. 6英尺(檢測距離)_1英尺(從鉆鏟的后退)=約7.9英尺，這比傳感器的檢測區(qū)段超出約8. I英尺)。在圖5中，鉆頭已經(jīng)如光標150所示從始發(fā)點前進約13英尺。在圖5中，預先安裝的目標可以接近傳感器的檢測區(qū)段151或者略微在檢測區(qū)段151內。由于預先安裝的障礙仍然略微在鉆頭傳感器前方或者已經(jīng)用落入檢測區(qū)段151內的鉆頭獲取少于3個掃描的數(shù)據(jù)，所以未檢測到存在預先安裝的目標。在這一特定情況下，圖5中所示圖像是恰在檢測到預先安裝的障礙之前的幀(例如為了計算像素亮度導數(shù)并且執(zhí)行位于鉆頭前方的預先安裝的障礙的碰撞前檢測而需要的3個掃描中的掃描2)。圖6-8圖示了應用于SAR圖像的掩模圖像的例子。對于這些圖中的每幅圖，在每個掃描之后如果對象檢測的肯定指示已經(jīng)出現(xiàn)則已經(jīng)向目標檢測掩模添加標簽或者其它標記。在一些實施例中，可以裁剪SAR圖像以排除用于在鉆頭前面或者側面超出某個距離的區(qū)域的圖像數(shù)據(jù)。目標檢測掩模優(yōu)選地與裁剪的SAR圖像相同尺寸并且應用于裁剪的SAR圖像。實施導數(shù)成像對象檢測算法的處理器可以基于標記的生成或者應用執(zhí)行動作。例如，如果僅應用一個標記，則處理器可以向成像系統(tǒng)的操作者(例如經(jīng)由人機接口向HDD機器操作者)發(fā)出報警。又舉例而言，如果例如應用多個標記和/或至少一個標記與至少一個其它標記近鄰，則HDD機器的處理器可以停止鉆探。存在越多標記并且標記越密集，處理器在進行正確對象檢測時就具有越多置信。圖6示出了在與始發(fā)點相距約13. 5英尺(這是在位于與始發(fā)點相距16英尺處的預先安裝的障礙前方約2. 5英尺)出現(xiàn)的第一檢測事件。圖7示出了在與始發(fā)點相距約14英尺(這是在預先安裝的障礙前方約2英尺)出現(xiàn)的第二檢測事件。這一第二檢測事件由矩形標記154指示。如上文討論的那樣，在逐個掃描的基礎上向復合SAR圖像連續(xù)添加重建的SAR圖像數(shù)據(jù)，這如圖3-8中清楚可見連續(xù)提高復合SAR圖像的分辨率。第二和任何后續(xù)檢測事件由附加標記指示，這些標記服務于加強或者確認第一檢測事件的可靠性。圖8示出了標記的SAR圖像，該圖像示出了由導數(shù)成像對象檢測算法識別的所有可能障礙的檢測事件。具體而言，圖8示出了讓來自導數(shù)圖像對象檢測算法的標記疊加于其上 的已更新SAR圖像的末幀。響應于一個檢測事件或者η檢測事件，各種動作可以出現(xiàn)。例如可以響應于第一檢測事件生成人類可感知報警，并且可以響應于每個后續(xù)檢測事件生成可變強度或者特性的不同報警。例如HDD機器的處理器執(zhí)行的早期報警算法可以響應于檢測事件生成報警光和/或可聽警報。報警可以提示操作者采取糾正動作以避免在鉆頭與位于鉆頭前方的檢測到的障礙之間的碰撞。如果未采取糾正動作或者采取不充分糾正動作、比如暫?；蛘吒淖冦@頭的方向或者移位速率，則早期報警算法可以自動變慢鉆探移位速率或者暫停鉆頭前進。在一個保守實施方式中，控制協(xié)議可以響應于第一檢測事件簡單地暫停鉆頭的移動。分級的一組HDD機器控制協(xié)議可以被編程和由處理器執(zhí)行用于響應于相繼檢測事件自動干預HDD操作。HDD機器控制器進行的自動糾正動作干預水平可以響應于每個相繼檢測事件而增加。例如響應于第一檢測事件，第一控制協(xié)議可以由HDD機器控制器實施以比如通過減慢鉆頭的縱向移位來減緩鉆探速率并且如果希望則減小鉆頭旋轉速率。優(yōu)選地響應于第一檢測事件生成操作者警報。響應于第二檢測事件，HDD機器控制器根據(jù)第二控制協(xié)議比如通過禁止鉆頭移動并且生成增加強度的警報來采取更激進干預?？梢栽O想其它控制場景?？梢允褂醚b配于HDD機器上的線性編碼器、通過在鉆頭提供的移位傳感器如加速度計或者陀螺儀或者通過使用地上定位器或者跟蹤器來測量鉆頭的實際縱向移位。鉆頭旋轉可以由這些和其它傳感器如并入于雷達傳感器電子器件中的MEMS滾動傳感器測量。在通過引用而全部結合于此的第7，607, 494,6, 755，263和7，182，151號共有美國專利中公開了可以提供鉆頭定位和旋轉數(shù)據(jù)用于由本發(fā)明的導數(shù)成像算法使用的鉆頭移位和旋轉測量方法、系統(tǒng)和設備的附加細節(jié)?，F(xiàn)在將參照圖17-23，提供這些圖以增強對在執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明實施例的3D地下導數(shù)成像時應對的各種物理、幾何和其它因素的理解。這些因素在使用如下傳感器來執(zhí)行3D地下對象檢測時特別令人感興趣，該傳感器在它移動經(jīng)過地面時既縱向移位又旋轉。圖17示出了切割工具的一個實施例，該切割工具在它被迫地移動經(jīng)過地下時移位土地。出于示例的目的，圖17中設想的一個特定切割工具是鉆孔工具712，理解其它類型的土地穿透工具在本發(fā)明的范圍內(例如氣動刺穿工具、可導航矛(mole)、鉆孔器等)。
圖17中所示鉆孔工具712包括鉆頭715和定位于鉆頭715的遠端的鉆鏟707。傳感器封裝718在與鉆鏟707鄰近的位置裝配于鉆頭715中或者上。傳感器封裝718可以容納相似或者相異類型的一個或者多個傳感器。傳感器封裝718也包括可以基于鉆頭715的設計細節(jié)在復雜度方面變化的通信電子器件和處理能力。通信電子器件可以被配置用于與地上接收器(例如收發(fā)器)的某一形式的無線通信、但是優(yōu)選地被配置成經(jīng)由沿著將鉆頭715與驅動源(例如HDD機器)耦合的鉆柱建立的有線鏈路與地上系統(tǒng)通信。例如可以使用通過HomePlug 有線接口操作的通信協(xié)議來實現(xiàn)有線鏈路，這允許經(jīng)由人機接口控制鉆頭傳感器。在各種實施例中，鉆孔工具712的電子部件耦合到能夠在向下打眼傳感器硬件與地上源之間傳輸功率和數(shù)據(jù)的通信介質。適當通信介質是可從Digital Control Incorporated 獲得的 DCI CableLink 。CableLink 系統(tǒng)持久地安裝到鉆芯(stem)的鉆桿中，從而機械和電連接在桿穿在一起時自動出現(xiàn)。如先前所言，各種類型的傳感器可以容納于鉆頭的傳感器隔間(傳感器封裝718處于該隔間內)中。一些傳感器可以包括暴露于與鉆頭712相鄰的土地的傳感器元件，而其它裝入傳感器隔間內。有用傳感器包括上文列舉的傳感器和在通過引用而結合于此的美 國專利中公開的傳感器中的任何傳感器。在各種實施例中，傳感器封裝718包括雷達傳感器。圖17示出了鉆頭雷達718的輻射圖案710，該輻射圖案依賴于角度并且這樣優(yōu)先地檢測從角度或者角度范圍的返回。輻射圖案710的對雷達的檢測區(qū)段進行限定的尺寸和形狀主要由天線設計限定并且可以使用檢測半徑參數(shù)和/或其它參數(shù)來調整。圖18示出了相對于鉆孔路徑705的中心軸限定的示例圓柱形檢測體積700。檢測體積700代表在鉆頭雷達的檢測區(qū)段內的地下體積，注意鉆頭并且因此鉆頭雷達在產(chǎn)生鉆孔時候受到縱向前進和旋轉二者。圖19示出了初始SAR重建為系列方位角切片725。在圖20中最好地示出了這些切片。在這一示例例子中，圖19和圖20示出了各自與不同方位角關聯(lián)的五個方位角切片(編號為切片I至5)。注意圓柱體720的外圍代表雷達傳感器的檢測區(qū)段的限制并且為了簡化說明而僅示出了五個方位角切片。圖21A-21C是與方位角切片1_3關聯(lián)的顯示，理解針對方位角切片4和5生成相似顯示。圖21A-21C示出了針對方位角切片1-5中的每個方位角切片對SAR重建進行操作的導數(shù)成像對象檢測算法的輸出(以圖形形式)。在圖21A中所示顯示中，僅示出了噪聲或者雜亂數(shù)據(jù)(可以抑制噪聲或者雜亂數(shù)據(jù)以簡化顯示)。導數(shù)成像算法針對方位角切片I未檢測到在鉆頭前方的對象。對于圖21B中所示顯示，導數(shù)成像算法針對方位角切片2檢測到在鉆頭前方的對象(對象A)。響應于針對方位角切片2的每個檢測事件，導數(shù)成像算法將標記置于顯示的適當位置。對于圖21C中所示顯示，導數(shù)成像算法針對方位角切片3檢測到在鉆頭前方的對象(對象B)。響應于針對方位角切片3的每個檢測事件，導數(shù)成像算法將標記置于顯示的適當位置。雖然在圖21A-21C中未示出，但是導數(shù)成像算法繼續(xù)針對剩余方位角切片4和5執(zhí)行對象檢測并且隨著鉆頭沿著鉆孔路徑縱向前進而繼續(xù)處理方位角切片。注意圖21B和21C中所示對象A和B不同，因為它們位于不同方位角或者它們是向兩個平面上投影的相同延伸線性對象的投影。在全3D SAR實施方式中，在圖22中示出了該實施方式的例子，顯示可以呈現(xiàn)具有3D等容輪廓的3D等容750，這些輪廓具有導數(shù)成像標記。此外，隨著鉆孔推進，轟炸瞄準器視圖(與用于天氣雷達的轟炸瞄準器視圖相似)可以示出從圓柱形體積750到與鉆孔軸垂直切割的平面上的漸進投影。在圖23中示出了這樣的轟炸瞄準器視圖的例子，其中方位角由繞著中心的角度給定并且徑向尺度是與鉆孔的距離。回顧圖9，此圖示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的用于實施導數(shù)成像對象檢測方法的系統(tǒng)200的框圖。圖9中所示實施例代表用于針對掩埋對象如公用設施和人造或者自然障礙的存在勘察地下的獨立系統(tǒng)。雖然表示為用于勘察地下的獨立系統(tǒng)，但是圖9的系統(tǒng)實施例可以與包括土地穿透機如HDD機器和挖溝機的各種挖掘裝備一起使用。例如獨立系統(tǒng)200可以由操作者用來在挖掘操作之前檢測在前進挖掘機前方存在掩埋障礙。獨立系統(tǒng)200可以由在挖掘機前方的單獨車輛或者機制或者由挖掘機本身拉動或者推動從而提供在挖掘機前方的掩埋障礙的實時成像和檢測。 系統(tǒng)200包括配置用于地上可移動的殼204。系統(tǒng)包括處理器207，其耦合到存儲器208和顯示器210。處理器207耦合到導數(shù)成像障礙檢測器203，該檢測器實施根據(jù)這里公開的內容的導數(shù)成像算法。在一個配置中，傳感器封裝206物理地和通信地耦合到殼204。在另一配置中，傳感器封裝206可以物理上與殼204分離、但是與殼204通信地耦合。在殼204與傳感器封裝206之間的通信鏈路可以是硬接線或者無線鏈路。系統(tǒng)200被配置用于可移動并且可以包括傳送布置(未示出)如車輪布置或者推車。傳送布置可以是允許操作者在行走于待掃描區(qū)域之上之時攜帶系統(tǒng)200的系繩布置?？梢蕴峁┓€(wěn)定布置以衰減或者限制由于操作者推撞或者不穩(wěn)定而產(chǎn)生的系統(tǒng)移動。系統(tǒng)200包括一個或者多個地上或者地表傳感器206。如先前討論的那樣,可以適于用于根據(jù)本發(fā)明實施例的使用導數(shù)成像的地下對象檢測的代表性的地上或者地表傳感器206包括GPR傳感器、聲學傳感器、地震傳感器、電磁傳感器、磁場傳感器、MRI傳感器、PET傳感器、NMR傳感器、TDEM傳感器、電阻率傳感器、介電常數(shù)傳感器、傳導率傳感器、熱傳感器、電容傳感器、磁場傳感器(例如磁力計)和化學傳感器。在圖9中所示實施例中，傳感器206發(fā)送探測信號209，該信號經(jīng)過地下傳播并且撞擊或者照射在這一情況下為公用設施223的地下對象。在公用設施223與探測信號209之間的交互產(chǎn)生由傳感器206檢測的返回信號211。導數(shù)成像軟件優(yōu)選地存儲于存儲器208中并且包括導數(shù)成像障礙檢測器203根據(jù)這里描述的導數(shù)成像算法可執(zhí)行的程序指令。導數(shù)成像障礙檢測器203對傳感器206接收的返回信號211進行操作。可以用軟件、硬件或者軟件與硬件的組合實施導數(shù)成像障礙檢測器203。導數(shù)成像障礙檢測器203可以與處理器207集成或者可以實施為與處理器207分離、但是與處理器207通信地耦合的部件。來自導數(shù)成像障礙檢測器203的輸出可以呈現(xiàn)于顯示器210上(例如見圖3-8中所示圖像)。來自導數(shù)成像障礙檢測器203的輸出也可以傳向(經(jīng)由硬接線或者無線連接)外部系統(tǒng)如PC、PDA、智能電話、網(wǎng)絡、地理信息系統(tǒng)(GIS)或者公用設施繪圖系統(tǒng)。在各種獨立系統(tǒng)實施例中，可以實時執(zhí)行地下的導數(shù)成像從而在掃描或者勘察地下之時提供即時地下對象檢測信息。在其它獨立系統(tǒng)實施例中，可以在掃描或者勘察地下之后使用在地下掃描或者勘察期間獲取的數(shù)據(jù)來執(zhí)行地下的導數(shù)成像。注意在這些和其它實施例中，導數(shù)成像算法執(zhí)行和處理可以由機載或者本地處理器執(zhí)行或者由遠程處理器(比如膝上型或者網(wǎng)絡處理器)執(zhí)行。根據(jù)本發(fā)明的各種實施例，作為水平定向鉆探機器的部件并入導數(shù)成像系統(tǒng)。HDD機器用來地面下安裝公用設施。遺憾的是，在城市環(huán)境中使用鉆具具有撞擊和損壞預先存在的公用設施的風險。本發(fā)明的HDD機器實施例運用雷達單元，該雷達單元被設計成安裝于HDD鉆頭上并且用來確定在鉆孔路徑中或者附近存在障礙。發(fā)送和接收天線在鉆頭鏟后方裝配于鉆軸桿上并且在鉆頭前方和向 鉆頭側方發(fā)射?？梢栽谏现撩棵?0個跡線收集數(shù)據(jù)，并且優(yōu)選地實時完成所有處理和顯示。針對地下公用設施安裝，較歷史上的基于溝槽的技術而言，水平定向鉆探提供許多優(yōu)點。然而HDD確實持續(xù)受撞擊未知、未繪圖或者放錯位置的公用設施和其它障礙這樣的風險困擾。撞擊這些障礙可能犧牲操作者收入、產(chǎn)生修復成本或者在更嚴重情況下造成裝備損失、傷害或者死亡。因此需要可以裝配于鉆頭上的傳感器，這些傳感器足夠預先檢測障礙以允許鉆具操作者對它們檢測和/或繪圖。向HDD機器中并入的導數(shù)成像對象檢測系統(tǒng)提供對特征或者障礙檢測和/或繪圖以允許避免碰撞它們，這是很重要的，尤其在損壞這些特征之一可能造成破壞公用設施服務或者可能的污染物釋放時。一般而言，地面下城市公用設施走廊正在變得越來越擁擠。在這些環(huán)境中，更小HDD鉆探設備和更短鉆孔長度被用來安裝新公用設施線路。用來檢測可能障礙的傳感器因此必須解決如下的部分矛盾要求裝配于小型鉆具上、使用于擁擠區(qū)域中、檢測可變材料和尺寸的障礙而又未負面地影響生產(chǎn)率或者昂貴得無人問津。當鉆具被用來穿透潛在受污染土壤的廢物地點或者區(qū)域并且評定它們的條件時，穿透地面下儲油罐或者桶可能潛在地造成釋放有毒材料和大量環(huán)境危害。因此，任何傳感器必須能夠不僅檢測線性管狀目標而且檢測等尺度目標如儲油桶和罐。新型和現(xiàn)有HDD機器可以配備有本發(fā)明的障礙避免系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括修改的鉆頭，該鉆頭包含雷達傳感器封裝，該鉆頭可以以最少量特殊調配、加工和轉換封裝取代標準鉆頭。舉例而言，需要相對緊湊雷達傳感器封裝以與更小類別的HDD機器如VermeerD7xllA和D20x22系列II相配，這些HDD機器通常用于更擁擠‘最后一英里’安裝中的更短鉆孔。對這樣的雷達傳感器系統(tǒng)的功能的重要考慮是經(jīng)過鉆柱將功率產(chǎn)生、控制、處理和操作者接口硬件接口到鉆頭傳感器的功率和通信傳輸。在用于HDD的障礙避免系統(tǒng)的最重要特征之中的是用于實時獲取、處理和顯示信息的能力，因為系統(tǒng)優(yōu)選地被實施成早期報警系統(tǒng)，在鉆孔過程期間操作。系統(tǒng)優(yōu)選地被實施成在鉆頭前進時足夠預先檢測它的傳感器視野內的障礙，從而操作者可以停止鉆具的前進并且評定情形。為了實現(xiàn)這一要求，必須連續(xù)獲取接收的傳感器數(shù)據(jù)并且將傳感器數(shù)據(jù)轉換成某一形式的“圖像”用于直接由操作者和/或由障礙避免計算機系統(tǒng)容易地解譯。這是對傳感器硬件、軟件、天線和檢測算法的設計的重要約束。根據(jù)本發(fā)明的各種實施例，步進式頻率連續(xù)波(SFCW)雷達被用來確定在HDD機器的鉆具的鉆孔路徑中或者附近存在障礙。SFCW雷達數(shù)據(jù)由實施導數(shù)成像軟件的處理器用來根據(jù)包含一起形成合成孔徑雷達圖像的原始數(shù)據(jù)的系列掃描形成地下圖像。然后可以分析SAR圖像以確定對逐個掃描地形成圖像的依賴于時間的改變。可以在鉆頭位置到達實際目標位置之前適當?shù)刈R別與實際目標關聯(lián)的演變圖像的這些改變?，F(xiàn)在將更具體地并且參照附圖描述本發(fā)明的這些和其它有利特征。圖10示出了經(jīng)過其中發(fā)生鉆孔操作的地面部分的橫截面。總體上表示為鉆孔機12的地面下鉆孔系統(tǒng)處于地面11上方并且包括傾斜縱向構件16處于其上的平臺14。平臺14由銷18或者其它束縛構件固著到地面以便在鉆孔操作期間抵制平臺14的移動。用于在如箭頭大體上所示向前縱向方向上驅動鉆柱22的前推/回拉泵17位于縱向構件16上。鉆柱22由端到端連接的多個鉆柱構件23組成。用于旋轉鉆柱22的旋轉馬達或者泵19 (在上位置19a與下位置19b之間的中間位置圖示)也位于傾斜縱向構件16上并且裝配成允許沿著縱向構件16移動。在操作中，旋轉馬達19旋轉鉆柱22，該鉆柱具有在鉆柱22的遠端連接的鉆孔工具24。典型鉆孔操作可以發(fā)生如下。旋轉馬達19初始地定位于上位置19a并且旋轉鉆柱22。在通過旋轉鉆柱22旋轉鉆孔工具24之時，旋轉馬達19和鉆柱22在向下方向上由 前推/回拉泵17推向下位置進入地面、因此產(chǎn)生鉆孔26。當鉆柱22已經(jīng)按照一個鉆柱構件23的長度推入鉆孔26中時，旋轉馬達19到達下位置19b。然后向鉆柱22人工或者自動添加新的鉆柱構件23，并且釋放旋轉馬達19而且回拉至上位置19a。旋轉馬達19被用來將新的鉆柱構件23穿至鉆柱22，并且重復旋轉/推動過程以便迫使新加長的鉆柱22進一步進入地面、由此延伸鉆孔26。通常，通過使用泥漿泵經(jīng)過鉆柱22泵送水或者其它流體(這里稱為泥漿)。如果使用氣錘，則空氣壓縮機被用來迫使空氣/泡沫經(jīng)過鉆柱22。泥漿或者空氣/泡沫經(jīng)過鉆孔26向上回流以去除切割物、泥土和其它殘骸并且提高鉆孔有效性和/或效率。通常提供定向轉向能力用于控制鉆孔工具24的方向，從而可以向所得鉆孔26賦予所需方向。通過這些動作和這些基本動作的各種組合，鉆孔過程可以使鉆孔工具24經(jīng)過土壤前進(包括使鉆孔工具24通過轉彎前進)。由于HDD通常未與地表面相距很遠鉆孔，所以必須設法繞過許多地面下障礙(例如下水道、電線、建筑物地基等)。這樣，許多鉆孔工具被配置成允許鉆孔路徑轉彎(例如左、右、更高、更低)以彎曲鉆孔路徑繞開地面下障礙。根據(jù)本發(fā)明的實施例，系統(tǒng)也包括用于監(jiān)視鉆孔工具24的位置的編碼器19c。隨著鉆頭24推入地面，線纜放出編碼器19c并且使編碼器19c前進從而向系統(tǒng)軟件提供鉆頭位置的測量并且按照離散距離間隔觸發(fā)雷達電子器件。圖11是根據(jù)本發(fā)明實施例的各種HDD系統(tǒng)部件200的框圖。圖11的HDD系統(tǒng)包括與鉆孔工具201鄰近的向下打眼雷達單元202如GPR單元。在先前通過引用而結合于此的第7，013，991號美國專利中公開了在本發(fā)明各種實施例的背景中很好地適合于在鉆孔工具210中并入的示例GPR單元。鉆孔工具201可以例如容納定向傳感器和/或移位速率傳感器如單或者多軸加速度計、陀螺儀或者磁力計。鉆孔工具201也可以例如包括一個或者多個地球物理傳感器，包括電容傳感器、聲學傳感器、超聲傳感器、地震傳感器、電阻率傳感器和電磁傳感器。使用向下打眼GPR系統(tǒng)提供附近掩埋障礙和公用設施的檢測以及局部地理的表征。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，控制器213耦合到可以負責控制如這里描述的地下對象檢測的HDD機器205?？刂破?13可以包括處理器207和存儲器208。存儲器208可以是用將由電路如處理器207執(zhí)行的計算機程序、軟件、計算機可執(zhí)行指令、能夠由計算機執(zhí)行的指令等編碼的計算機可讀介質。處理器207執(zhí)行計算機程序使處理器207將原始捕獲數(shù)據(jù)轉換成用于障礙避免的早期報警。從處理器207輸出的原始數(shù)據(jù)可以是以具有幅度值和相位值的系列復數(shù)ID掃描的形式而在測量帶寬內的每個頻率步進有反射測量。通常，用于鉆頭的特定方位角的復數(shù)掃描矢量可以視為列矢量并且可以被水平堆疊以形成數(shù)據(jù)的一對2D繪圖(一個用于實部而一個用于虛部)?？梢酝ㄟ^收集系列這些2D繪圖來創(chuàng)建全3D復數(shù)數(shù)據(jù)繪圖(隨著鉆頭旋轉而收集數(shù)據(jù)的每個方位角有一個)。在這些原始數(shù)據(jù)繪圖中，水平維度(掃描維度)是以鉆頭的線性位置為單位，而豎直尺度為發(fā)送頻率。計算機可執(zhí)行指令也可以弓丨起原始傳感器數(shù)據(jù)的預處理和預備。這一預處理可以包括使用漢明或者其它最優(yōu)平滑窗加上針對某些特征提高對比度的特殊定制的濾波器對 列矢量的預濾波。這可以被調整成與具體土壤條件或者目標類型相配。計算機可執(zhí)行指令也可以引起返回信號的重建。這可以通過計算復數(shù)列矢量的逆快速傅里葉變換(FFT)來完成。計算機可執(zhí)行指令還可以弓I起重建信號的后處理?？梢栽诤筇幚砥陂g執(zhí)行若干步驟。階段I背景減法可以去除低空間-頻率背景信號和噪聲，因為它使用很大活動平均窗、但是僅包括當前掃描和在它之前取得的掃描。也可以使用階段II背景減法。這是定心于當前掃描周圍的小型活動平均窗并且可以去除高空間-頻率背景噪聲。如果必須要則還可以執(zhí)行重建返回信號的時間偏移校正。可以可選地執(zhí)行重建列矢量的縮放。這是嘗試規(guī)范化用于每個掃描的返回信號的能量。它引入假象，因為例如在現(xiàn)實中如果介質無反射性或者有吸收則某些掃描將自然地返回更少能量，然而假象可能是在某些條件下可視化某些對象所希望的。這一處理步驟可以具有按照需要接通或者關斷的能力。然后可以對所得信號進行附加平滑和中值濾波。計算機可執(zhí)行指令還可以運行SAR圖像重建算法以積累用于每個2D方位角切片的圖像。在鉆具前進并且收集數(shù)據(jù)時逐個掃描地編譯圖像。實時更新圖像?？梢栽谙蛑亟ㄌ砑用總€掃描的貢獻之前將一些SAR預處理應用于掃描。這一預處理可以是系列濾波器，包括空間濾波器，這些空間濾波器截止處于很長范圍的信號并且抑制在范圍=O附近(與鉆頭最近)的信號的幅度。計算機可執(zhí)行指令然后可以運行目標識別算法。當處理并且向重建添加每個新掃描時，這一算法可以使用演變SAR圖像的性質。處理器考慮SAR圖像在它演變時的依賴于時間(也依賴于掃描)的改變。改變的量值可以引起對象的肯定檢測。無論對象檢測何時出現(xiàn)，計算機可執(zhí)行指令還可以創(chuàng)建掩模圖像并且應用標記?？梢栽诿看螔呙柚蟾逻@一掩模圖像從而保持從先前掃描存在的標記。這一掩模圖像也可以應用于SAR圖像用于進一步評估。圖12圖示了根據(jù)本發(fā)明實施例的流程圖。流程圖描述了方法300，該方法包括使用GPR裝配的鉆孔工具來生成301用于地下體積的系列雷達掃描。這些掃描可以用來逐個掃描地積累SAR圖像?？梢允褂肧AR圖像的參數(shù)如SAR圖像隨時間的改變來創(chuàng)建SAR圖像的導數(shù)圖像?？梢酝ㄟ^使用均值理論、泰勒擴展、立方樣條、曲線擬合以及其它方式來計算導數(shù)。然后對導數(shù)圖像執(zhí)行303 —個或者多個測試。然后可以基于一個或者多個測試檢測304至少在鉆孔工具前方存在對象。下文將更具體描述這些。圖13圖示了根據(jù)本公開內容各種實施例的另一流程圖。圖13的流程示了用于自動化障礙檢測的方法400。在塊401中，使用SFCW GPR來發(fā)送系列雷達探測信號。然后接收402返回信號。還可以執(zhí)行返回信號的預處理。也可以執(zhí)行返回信號重建和重建的信號的后處理。返回的信號掃描被用來產(chǎn)生403SAR圖像。還可以裁剪SAR圖像以圖示在鉆頭的前面或者側面的某一距離內的區(qū)域。然后測量404復合SAR圖像中的每個像素的返回信號能量數(shù)量。針對SAR圖像的每個像素計算405返回信號能量數(shù)量的改變率。這些導數(shù)計算然后被用來形成406導數(shù)圖像。導數(shù)圖像可以包含SAR圖像在它演變時的依賴于時間(或者依賴于掃描)的改變。此外，也可以創(chuàng)建二階或者更高階導數(shù)圖像。然后針對關于復合SAR圖像的一個或者多個指定條件測試407導數(shù)圖像或者更高階導數(shù)圖像的每個像素。系統(tǒng)然后可以響應于導數(shù)圖像或者更高導數(shù)圖像中的至少一個像素滿足一個或者多個指定條件生成408檢測事件信號，該信號指示存在與鉆頭鄰近的障礙。 在方法400的附加實施例中，可以調整一個或者多個指定條件。對指定條件的調整可以在初始系統(tǒng)設置/校準期間發(fā)生和/或在現(xiàn)場操作期間“在飛行中”發(fā)生?？梢曰谕寥赖母鞣N性質如介電常數(shù)自動設置和/或調整一個或者多個閾值。這允許選擇用于在特定類型的介質中創(chuàng)建圖像的最優(yōu)參數(shù)。圖14圖示了根據(jù)本發(fā)明實施例的用于自動化障礙檢測的方法的各種過程。優(yōu)選地在運用SFCW雷達的系統(tǒng)中實施圖14中所示過程。圖14中所示方法包括重建450用于掃描i的雷達返回信號，其中i為整數(shù)；并且預處理452掃描i的數(shù)據(jù)用于SAR成像。向SAR圖像添加454掃描i的數(shù)據(jù)的貢獻。優(yōu)選地在存儲器中保持456未標記全SAR圖像。優(yōu)選地裁剪458SAR圖像以除去SAR圖像的超出所需檢測范圍的部分。計算460裁剪的SAR圖像中的每個像素的亮度的導數(shù)以形成導數(shù)圖像。針對以下具體條件測試462導數(shù)圖像中的每個像素。在一些實施例中，必須滿足所有以下具體條件。在其它實施例中，必須滿足以下具體條件中的一些但是并非所有具體條件·導數(shù)>第一閾值？·這一像素的最后η導數(shù)也>第二閾值？ 像素范圍< 檢測深度？·像素位置>鉆頭位置？如果滿足這些指定條件中的所有條件或者子集，則向目標檢測掩模添加464標記以醒目顯示潛在目標/障礙的位置。將目標檢測掩模應用466于裁剪的SAR圖像，并且顯示468加標記的SAR圖像以示出可能目標/障礙位置。如果未滿足這些指定條件中的所有條件或者子集，則控制返回到塊450。圖15是根據(jù)本發(fā)明實施例的為了導數(shù)成像對象檢測而實施的HDD系統(tǒng)的各種部件的框圖。圖15中所示HDD系統(tǒng)部件包括上文參照其它圖描述的鉆孔工具501、GPR單元502、HDD機器505和控制器506。圖15也示出了人機接口(HMI) 507、顯示器508和耦合到顯示器508的對象報警接口 509。根據(jù)各種實施例，HMI 507提供在鉆具操作者與雷達傳感器之間的接口。HMI 507的命令可以經(jīng)由在鉆柱之上操作的基于簡單文本的協(xié)議控制雷達。HMI 507可以提供用于例如配置系統(tǒng)的各種模式、可再配置的運行時間處理引擎以及數(shù)據(jù)顯示和存儲的功能。HMI507的軟件也可以具有例如經(jīng)由編碼器的鉆具前進測量。當獲取和處理每個新掃描時，獲取的雷達圖像可以實時顯示于耦合到HMI 507的顯示器508上。一些實施例還包括耦合到顯示器508的對象報警接口或者設備509。報警接口 /設備509可以在檢測到對象時提供報警?？梢岳缫钥梢暦绞饺绻獬尸F(xiàn)報警，或者可以有聽覺或者觸覺報警。對象報警接口/設備也可以使用標記生成作為觸發(fā)。這可以包括在掩模圖像上生成的標記數(shù)目或者密度?，F(xiàn)在參照圖16，示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的SFCW HDD傳感器600的框圖。圖16中所示部件包括HMI 602、有線線路603和鉆頭傳感器601。示出了鉆頭傳感器601包括通信和雷達控制器(CTL) 604、采樣器和控制器(SMC) 605、雷達收發(fā)器(TRX) 606、校準模塊(RFE) 607以及天線接口 608。 根據(jù)各種實施例，HMI 602可以用于控制、顯示和處理接收的雷達數(shù)據(jù)。HMI 602經(jīng)由有線線路603連接到鉆頭傳感器601。鉆頭傳感器601使用SFCW調制來測量與目標的距離。使用具有數(shù)字IQ檢測的雙合成器外差架構來實現(xiàn)SFCW傳感器，在SMC 605與雷達收發(fā)器606之間拆分該傳感器的功能。雷達收發(fā)器606包括按照雷達中頻(IF)在頻率上偏移的發(fā)送和接收合成器，這些合成器與所需放大器和混合器一起將頻率下移至IF，該IF然后由SMC 605采樣并且轉換成解析信號。雷達收發(fā)器606例如可以被設計成在從700至1700MHz操作而接收器動態(tài)范圍超過100dB。在本發(fā)明的各種實施例中，收發(fā)器經(jīng)由校準模塊607連接到TX/RX收發(fā)分置雷達天線608。天線優(yōu)選地被設計成匹配土壤與寬泛范圍的介電常數(shù)。RFE 607既匹配雷達阻抗與天線608的阻抗又提供允許簡單校準雷達傳感器的線纜回路和端接(包括在向天線608的輸入的時間零的參考)。CTL 604在圖16中所示實施例中是主要雷達控制器。CTL 604配置和控制所有雷達模塊并且實施通信協(xié)議，該通信協(xié)議在HomePlug 有線接口之上操作并且允許經(jīng)由HMI 602控制雷達鉆頭傳感器601?，F(xiàn)在將出于示例而非限制的目的描述一個示例實施方式。主要參照圖10、圖11和圖15-17，在HDD機器安裝和操作的背景中描述以下示例實施方式。在這一示例例子中，分兩段設計鉆頭。與鉆頭的前端最近的段是天線模塊。天線模塊需要近似14英寸長、I英寸寬和I. 3英寸深的空間。直接在天線模塊后方是用于電子器件模塊的第二段。包括旋轉傳感器、電源和通信硬件的雷達電子器件模塊約為26英寸長、I英寸寬和I. 25英寸高。兩個模塊被設計成可以快速和容易安裝于鉆頭中的“落入式(drop-in) ”封裝。直徑為3英寸而長度為59英寸的鉆頭多于足以容置這些部件。當使用更小HDD機器時可能希望更小鉆頭。注意具有更大直徑的鉆頭鑒于雷達硬件所需要的相對大的空腔在鉆探之時提供附加強度。傳統(tǒng)HDD操作需要置于鉆頭以內的定位探測器以向鉆具操作者提供關于鉆頭的位置、深度和定向的信息。在一些實施例中可以包括定位探測器，在該情況下探測器將直接在鉆頭后方附著于獨立殼中。如先前討論的那樣，DCI CableLink 的適配持久安裝到鉆桿中，從而機械和電連接在鉆桿穿在一起時自動出現(xiàn)。在HDD機器操作期間，裝入有雷達電子器件和天線模塊的鉆頭借助適配器桿連接到第一鉆桿的末端。所有鉆桿配備有CableLink 系統(tǒng)，因而機械和電連接在鉆探過程期間附加桿穿在一起時自動出現(xiàn)。在鉆具上，鉆桿連接到驅動卡盤和換向器環(huán)組件。沿著鉆柱經(jīng)過換向器環(huán)和兩個導體的線纜向現(xiàn)場儀表盒發(fā)送雷達信號和功率?，F(xiàn)場儀表盒與數(shù)據(jù)獲取計算機、距離編碼器和48伏電源接口。這一裝備可以在數(shù)據(jù)收集期間定位于鉆探機上或者旁邊。線性編碼器被裝配到HDD機器并且連接到鉆具卡盤以便記錄鉆桿的前進并且按照受控距離間隔觸發(fā)雷達。在鉆桿推入地面時，線纜放出編碼器并且使編碼器前進從而向HMI軟件提供桿前進測量并且按照離散距離間隔觸發(fā)雷達電子器件。在鉆頭推入地面時，獲取并且在計算機顯示器上實時顯示雷達圖像。在鉆桿的10英尺分節(jié)插入于地面之后，操作者通常暫停雷達數(shù)據(jù)獲取并且從鉆柱斷開鉆具卡盤。這一動作暫時斷開向雷達電子器件的供電。在添加另一鉆桿之前，編碼器線纜在鉆具卡盤朝著鉆具的后面撤退時縮回。在另一個桿被插入并且連接到鉆柱時，向雷達電子器件恢復供電，并且操作者恢復數(shù)據(jù)收集。如必需的那樣沿著計劃鉆孔路徑推動和旋轉鉆柱。重復這一過程直至完成整個鉆孔。
在鉆孔完成時，去除鉆頭并且連接尺寸比安裝的產(chǎn)品略大的后鉆孔器(backreamer) 0轉體將多個尺寸和樣式的管或者線纜附著到后鉆孔器。在定向鉆探，隨后回拉和去除每個桿直至經(jīng)過整個鉆孔路徑拉動后鉆孔器和產(chǎn)品。本發(fā)明的實施例涉及對已經(jīng)使用這里描述的導數(shù)成像方法檢測到的地面下公用設施繪圖的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的實施例也涉及獲取并且在數(shù)據(jù)庫中存儲繪圖數(shù)據(jù)的系統(tǒng)和方法以及提供預訂用戶對存儲的繪圖數(shù)據(jù)的訪問和使用的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的實施例涉及生成檢測到的公用設施的繪圖并且在GIS或者其它地理參考系統(tǒng)內并入繪圖數(shù)據(jù)?？梢陨蓹z測到的公用設施的2D繪圖和/或3D繪圖?？梢员热缤ㄟ^使用操作者接口來顯示與檢測到的公用設施或者地下關聯(lián)的物理參數(shù)的公用設施繪圖和其它數(shù)據(jù)。在通過引用而結合于此的第6，751，553號共有美國專利中公開了用于在本發(fā)明各種實施例的背景中實施公用設施繪圖并且管理公用設施繪圖數(shù)據(jù)的附加細節(jié)。在示例格式中呈現(xiàn)這里提供的討論和圖示，其中描述和圖示所選實施例以呈現(xiàn)本發(fā)明的各種方面。根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)、設備或者方法可以包括這里描述的特征、結構、方法或者其組合中的一項或者多項。例如可以實施設備或者系統(tǒng)以包括下文描述的有利特征和/或過程中的一項或者多項?？梢詫嵤└鶕?jù)本發(fā)明的設備或者系統(tǒng)以包括在單獨例子和/或圖示中圖示和/或討論的多個特征和/或方面。旨在于這樣的設備或者系統(tǒng)無需包括所有這里描述的特征。但是可以被實施成包括提供有用結構、系統(tǒng)和/或功能的所選特征。雖然為了簡潔而可以僅描述某些功能的例子為由電路執(zhí)行，但是可以如本領域普通技術人員將理解的那樣可以使用這里描述的電路和方法來執(zhí)行任何功能、方法和技術。將理解盡管在前文描述中與各種實施例的結構和功能的細節(jié)一起闡述各種實施例的許多特征，但是這一具體描述僅為示例并且可以尤其在各種實施例舉例說明的部分的結構和布置問題上在表達所附權利要求的措詞的廣泛通用含義所指示的完全程度上具體進行改變。
權利要求
1.一種系統(tǒng)，包括 傳感器，配置成生成針對地下的系列掃描；以及 處理器，耦合到所述傳感器并且配置成執(zhí)行存儲的程序指令，所述程序指令使所述處理器使用所述系列掃描來生成系列地下圖像、使用所述系列地下圖像來創(chuàng)建導數(shù)圖像、對所述導數(shù)圖像執(zhí)行一個或者多個測試并且基于所述一個或者多個測試來檢測地下對象。
2.根據(jù)權利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述傳感器包括以下各項中的至少一項 地面穿透雷達； 聲學或者地震傳感器； 電磁傳感器； 磁場生成器和配置成檢測返回信號的檢測器； 磁共振(MRI)源和配置成檢測返回信號的檢測器； 正電子發(fā)射(PET)源和配置成檢測返回信號的檢測器； 核磁共振(NMR)傳感器和配置成檢測返回信號的檢測器；以及 時域電磁(TDEM)傳感器和配置成檢測返回信號的檢測器。
3.根據(jù)權利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述傳感器被配置用于地上可移動或者地下部署。
4.根據(jù)權利要求I所述的系統(tǒng)，包括耦合到所述處理器的用戶接口，所述用戶接口包括用于顯示地下圖像和指示所述檢測到的地下對象的標志的顯示器。
5.根據(jù)權利要求I所述的系統(tǒng)，包括耦合到所述處理器的顯示器，其中所述處理器被配置成形成掩模圖像，所述掩模圖像包括指示對象檢測位置的一個或者多個標記；將所述掩模圖像應用于所述地下圖像；并且在所述顯示器上顯示應用于所述地下圖像的所述掩模圖像。
6.根據(jù)權利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述處理器被配置成計算與所述地下圖像的像素或者像素簇關聯(lián)的反射或者散射能量參數(shù)的導數(shù)并且使用所述反射或者散射能量參數(shù)的導數(shù)來形成所述導數(shù)圖像。
7.根據(jù)權利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述處理器被配置成計算所述地下圖像的像素參數(shù)或者像素簇參數(shù)的導數(shù)、使用所述像素或者像素簇參數(shù)的導數(shù)來形成所述導數(shù)圖像、確定每個像素或者像素簇的導數(shù)是否超過第一閾值、以及確定用于這一像素或者像素簇的前η導數(shù)是否超過第二閾值，其中η為整數(shù)。
8.根據(jù)權利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述處理器被配置成計算所述地下圖像的像素參數(shù)或者像素簇參數(shù)的導數(shù)、使用所述參數(shù)的導數(shù)來形成所述導數(shù)圖像并且執(zhí)行以下各項中的至少兩項 確定每個像素或者像素簇的所述導數(shù)是否超過第一閾值； 確定用于這一像素或者像素簇的前η導數(shù)是否超過第二閾值，其中η為整數(shù)； 確定與每個像素或者像素簇關聯(lián)的范圍是否小于預定檢測范圍；以及 確定與每個像素或者像素簇關聯(lián)的位置是否超出預定位置。
9.根據(jù)權利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述處理器被配置成裁剪所述地下圖像以除去所述地下圖像的超出預定檢測范圍的部分。
10.根據(jù)權利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述處理器被配置成使用所述系列掃描來創(chuàng)建合成孔徑雷達(SAR)圖像并且創(chuàng)建所述SAR圖像的導數(shù)圖像。
11.一種方法，包括 生成針對地下的系列掃描； 使用所述系列地下圖像來創(chuàng)建導數(shù)圖像； 對所述導數(shù)圖像執(zhí)行一個或者多個測試；以及 基于所述一個或者多個測試來檢測地下對象。
12.根據(jù)權利要求11所述的方法，包括響應于檢測到所述地下障礙來生成可視輸出和可聽輸出中的一個或者兩個輸出。
13.根據(jù)權利要求11所述的方法，其中創(chuàng)建所述導數(shù)圖像包括 計算與所述地下圖像的像素或者像素簇關聯(lián)的亮度的導數(shù)；以及 使用所述亮度的導數(shù)來形成所述導數(shù)圖像。
14.根據(jù)權利要求11所述的方法，其中 創(chuàng)建所述導數(shù)圖像包括 計算所述地下圖像的像素參數(shù)或者像素簇參數(shù)的導數(shù)；以及 使用所述像素或者像素簇參數(shù)的導數(shù)來形成所述導數(shù)圖像；并且 對所述導數(shù)圖像執(zhí)行一個或者多個測試包括 確定每個像素或者像素簇的導數(shù)是否超過第一閾值；以及 確定用于這一像素或者像素簇的前η導數(shù)是否超過第二閾值，其中η為整數(shù)。
15.根據(jù)權利要求11所述的方法，其中 生成所述地下圖像包括使用所述系列掃描來創(chuàng)建合成孔徑雷達(SAR)圖像；并且 創(chuàng)建所述導數(shù)圖像包括創(chuàng)建所述SAR圖像的導數(shù)圖像。
全文摘要
生成用于地下的系列掃描，并且使用系列地下圖像來創(chuàng)建導數(shù)圖像。對導數(shù)圖像執(zhí)行一個或者多個測試，并且基于一個或者多個測試檢測地下對象。傳感器被配置成生成用于地下的系列掃描，并且處理器耦合到傳感器并且配置成執(zhí)行存儲的程序指令，程序指令使處理器使用系列掃描來生成地下的系列圖像、使用系列地下圖像來創(chuàng)建導數(shù)圖像、對導數(shù)圖像執(zhí)行一個或者多個測試并且基于一個或者多個測試檢測地下對象。
文檔編號G01S13/89GK102859394SQ201180016402
公開日2013年1月2日 申請日期2011年2月14日 優(yōu)先權日2010年2月14日
發(fā)明者W·S·哈達德 申請人:弗米爾制造公司