DE2264037A1

DE2264037A1 - Geophysikalische messeinrichtung

Info

Publication number: DE2264037A1
Application number: DE2264037A
Authority: DE
Inventors: Rexford M Morey
Original assignee: GEOPHYSICAL SURVEY SYST
Current assignee: GEOPHYSICAL SURVEY SYST
Priority date: 1972-01-03
Filing date: 1972-12-29
Publication date: 1973-07-19
Also published as: AU5317573A; FR2169836A1; JPS4879101A; US3806795A; BR7209234D0; CA962330A; JPS5544916B2; IL41056A; GB1417722A; IL41056A0; FR2169836B1; IT973244B

Description

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Augsburg, den 21. Dezember 1972

Geophysical Survey Systems, Inc., 16 Republic Road, N. Billerica, Massachusetts, V.St.A.

Geophysikalische Meßeinrichtung

Die Erfindung betrifft allgemein die geophysikalische Vermessung und insbesondere geophysikalische Meßeinrichtungen zum Ermitteln der Beschaffenheit eines Untergrundes in geringen Tiefen.

Zur Ermittlung der Untergrundbeschaffenheit werden die relative Amplitude und die relative Zeit von Reflexionen

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elektromagnetischer Wellen gemessen, welche in den Untergrund ausgesandt worden sind. Die Verwendung von reflektierten elektromagnetischen Wellen zum Auffinden und zum Bestimmen der Tiefe geologischer Formationen ist aus der US-PS 2 077 bekannt. Beim Prospektieren ist dabei eine große Eindringtiefe der elektromagnetischen Wellen ein wichtiger Gesichtspunkt und es ist bekannt, daß größere Wellenlängen eine größere Eindringtiefe ergeben. Ein Faktor, welcher gegen die Verwendung kürzerer Wellenlängen spricht, ist die beträchtlich größere Streuung, die bei den höheren Frequenzen auftritt.

Es ist bereits erkannt worden, daß für eine größere Eindringtiefe Impulse von verhältnismäßig großer Impulsdauer verwendet werden sollten. Zur Berücksichtigung von reflektierenden Schichten, welche sich in verhältnismäßig geringen Tiefen befinden, wird in der US-PS 2 657 380 die Verwendung von Impulsen von konstanter Amplitude vorgeschlagen, welche eine Impulsdauer von etwa einer Viertelmikrosekunde haben. J.C. Cook schlägt in seinem Aufsatz "Monocycle Radar Pulses as Environmental Probes (Monozyklusradarimpulse als Umgebungssonden)", Institute of Science and Technology, Universität Michigan, I966, als einen Kompromiß zwischen kurzer Impulsdauer und langer Wellenlänge die Verwendung von Impulsen von nur einer einzigen Wellenlänge vor. Cook empfiehlt in seinem

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Aufsatz das Finden einer Wellenlänge, bei welcher die die elektrischen Leitungsvorgänge begleitende Absorption keinen Hinderungsgrund darstellt und bei welcher durch Streuung verursachte Verluste nicht zu groß sind. Geleynse und Barringer stellen jedoch in ihrem Bericht über ihre Bodenstudien "Recent Progress in Remote Sensing with Audio and Radio Frequency Pulses (Neue Fortschritte bei der Fernabfühlung mit Ton- und Hochfrequenzimpulsen)", Institute of Science and Technology, Universität Michigan, 1966, fest, daß zwar bei homogenen Böden eine gute Korrelation zwischen der empfangenen Signalwellenform und dem tatsächlichen Feuchtigkeitsgehalt erzielt wix'd, daß jedoch die Amplituden der reflektierten Signale durch geschichtete Böden beträchtlich verändert werden. Der Bericht stellt fest: "Untersuchungen haben ergeben, daß man sich zum Abschätzen von dielektrischen Konstanten wegen des weitverbreiteten Vorherrschens von Feuchtigkeitsdiskontinuitäten in Böden nicht auf Reflexionen von einzelnen Frequenzen an der Oberfläche eines Bodens verlassen kann". Während der Bericht zu der Schlußfolgerung kommt, daß bei Anwendung von Breitbandfrequenztechniken die Auswirkungen von Bodenschichtungen richtig erkannt werden können. Das in diesem Bericht vorgeschlagene System ist an Bord eines Flugzeuges untergebracht und weist eine Vielzahl von Sendeantennen auf, welche jeweils einen Teil des Breitbandspektrums abstrahlen.

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Bei den bekannten Systemen zum Ermitteln der Beschaffenheit des Untergrundes mittels Reflexionen von gepulster elektromagnetischer Energie ist es üblich, gesonderte Sende- und Empfangsantennen zu verwenden. Bei solchen bekannten Systemen fängt die Empfangsantenne an elektrischen Diskontinuitäten in der Erde reflektierte Energie auf und ist dabei von dem Sender derart abgeschirmt, bzw. derart weit entfernt, daß der Empfänger nicht durch direkte Strahlung des Senders überlastet wird. Bei einigen bekannten Systemen sind die Antennen an Galgen in einiger Höhe über dem Erdboden angeordnet bzw., wenn nur eine einzige Antenne verwendet wird, so befindet sich diese an Bord eines Plugzeuges. Bei solchen bekannten Systemen erlaubt die Entfernung zwischen der Antenne und der Erdoberfläche, daß das System jeweils in dem Intervall zwischen dem Aussenden des Impulses und der Ankunft der ersten Reflexion von der Erde in einen Empfangszustand gebracht werden kann. Die bekannten Systeme versagen jedoch dann völlig, wenn sich die Sendeantenne so dicht über dem reflektierenden Objekt befindet, daß die Verwendung einer gesonderten Empfangsantenne nicht möglich ist.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, bei einer geophysikalischen Meßeinrichtung mittels in der Nähe des zu untersuchenden Untergrundes befindlicher

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Antennenanordnung auch bei geschichtetem Untergrund zuverlässige Meßergebnisse zu bekommen.

Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe beinhaltet die Erfindung eine geophysikalische Meßeinrichtung zum Ermitteln der Beschaffenheit eines Untergrundes in geringen Tiefen, welche gemäß der Erfindung durch einen Impulsgenerator zum wiederholten Erzeugen kurzer Impulse mit jeweils einer Impulsanstiegszeit in der Größenordnung einer Nanosekunde, ferner durch eine Antenne zum Aussenden dieser Impulse in den Untergrund und zum Empfangen der Reflexionen dieser ausgesandten Impulse, weiter durch einen Signalempfänger mit einer Signalabtasteinrichtung, welch letztere das Rekonstruieren der in diesen Signalempfänger einlaufenden Reflexionssignale mit Hilfe von Abtastwerten gestattet, und schließlich durch eine die Antenne mit dem Impulsgenerator und mit dem Signalempfänger verbindende Sende-Empfang-Einrichtung gekennzeichnet ist.

Mit der Meßeinrichtung nach der Erfindung läßt sich eine Profilkarte erzeugen, welche eine kontinuierliche Querschnittsansicht des Untergrundes zeigt, in welcher ferner Boden-Fels-Grenzflächen im einzelnen sichtbar sind und in welcher vergrabene Gegenstände, wie beispielsweise Gasleitungen,

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Kanalisationsröhren, Telefonleitungen, Kabel usw., erkannt werden können. Die von der Meßeinrichtung erzeugte Profilkarte zeigt dabei die Größe der reflektierten Signale und die Tiefen, in welchen die Reflexionen erfolgt sind.

Die Meßeinrichtung nach der Erfindung sendet zum Ermitteln der Beschaffenheit des Untergrundes in geringen Tiefen wiederholt elektromagnetische Impulse in die Erde, welche den breiten Bereich von Frequenzen enthalten, welch letztere erforderlich sind, um die Beschaffenheit des Untergrundes aus einer Analyse der Reflexionen des Impulses ermitteln zu können. Gemäß der Erfindung liegt die Anstiegszeit der erzeugten Impulse in der Größenordnung von 1 ns und die Form der Impulse ist so gewählt, daß sie ein breites Spektrum von Frequenzen einschließlich derjenigen höheren Frequenzen enthalten, die nur für geringe Tiefen geeignet sind. Die Impulse enthalten gemäß der Erfindung Frequenzen bis mindestens 300 MHz und vorzugsweise reichen die Frequenzen bis 400 MHz, Die Folgefrequenz, mit welcher der Impuls sich wiederholend gesendet wird, ist zwar nicht kritisch, jedoch sollte diese Frequenz nicht so groß sein, daß sich dadurch, daß die Impulse zu dicht aufeinander folgen, Impulszweideutigkeiten ergeben. Gemäß der Erfindung wird sowohl zum Senden als auch zum Empfangen eine einzige Antenne verwendet, welche sich dicht über der Erdoberfläche befindet. Ein wichtiger Gesichts-

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punkt ist die Verwendung einer einzigen Breitbandantenne, welche zum Senden durch Impulse erregt wird und welche anschließend schnell in einen Zustand gebracht wird, in welchem sie die Reflexionen ihrer Abstrahlungen empfangen kann. Die Breitbandantenne wird, obwohl sie zum Senden impulserregt wird, schnell gedämpft, so daß sie auf Echos von Reflektoren "hören" kann, die sich in nur kurzen Entfernungen von der Antenne befinden. Da die gesamte Meßeinrichtung während des Sendens impulserregt ist, wird gemäß der Erfindung ein Sende-Empfang-Netzwerk verwendet, welches die Meßeinrichtung in einen Zustand zum Empfangen der Reflexionen bringt und den Empfänger während der Impulsaus Sendung schützt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schema einer bevorzugten Aus

führungsform der Meßeinrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 ■ eine Profilkarte, die ein in

Pig, I dargestellter Kurvenschreiber liefert,

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Fig· 3 die beim Betrieb der bevorzugten

Ausführungsform der Meßeinrichtung nach der Erfindung erzeugten Impulse,

Pig, ¹J ein Schaltschema eines geeigneten

Impulsgenerators,

die Fig. 5A bis 5C in dem Sende-Empfang-Netzwerk

vorkommende Wellenformen,

Fig. 6 das Sende-Empfang-Netzwerk als

eine 4-Kanal-Einheit,

Fig. 7 ein Schaltschema des Sende-Empfang-

Netzwerks,

Fig. 8 die Art der Belastung des Sende-

Empfang-Netzwerks durch Null-Leitungen,

Fig. 9 eine bevorzugte Ausführungsform

einer "dachbelasteten¹¹ Antenne, welche zur Verwendung bei der in Fig. 1 dargestellten Meßeinrichtung nach der Erfindung geeignet ist, und

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Pig, 10 eine weitere bevorzugte Ausführungs

form einer dachbelasteten Antenne«

Pig. 1 zeigt ein Schema einer bevorzugten Ausführungsform der Meßeinrichtung nach der Erfindung. Der Betrieb der Meßeinrichtung wird durch eine Steuereinheit 1 gesteuert, welche an einen Impulsgenerator 2 einen Triggerimpuls abgibt. Auf diesen Triggerimpuls hin wird ein Impuls mit der erforderlichen Form und Dauer erzeugt und über ein Sende-Empfang-Netzwerk 3 einer Antenne k zugeleitet. Die Antenne ist eine Breitbandantenne, welche zur Abstrahlung von elektromagnetischer Energie impulserregt ist. Im praktischen Anwendungsfall befindet sich die Antenne in einer Höhe von etwa 5 cm bis 10 cm über der Erdoberfläche und ist an einem Wagen bzw. Schlitten befestigt, welcher zur Erzielung eines kontinuierlichen Profils des Untergrundes über den Erdboden gezogen werden kann. Die Meßeinrichtung ist, mit Ausnahme der Antenne, in einem Fahrzeug untergebracht, welches den die Antenne tragenden Wagen schleppt. Zur Verbindung des Sende-Empfang-Netzwerkes mit der Antenne wird eine biegsame übertragungsleitung verwendet, damit der Wagen ohne die Behinderung durch eine starre Verbindung leicht über unebenes bzw. rauhes Gelände fahren kann«

Da die Meßeinrichtung für geringe Tiefen verwendet

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werden soll, wobei die interessierende maximale Tiefe, beispielsweise, etwa 12 m beträgt und wobei sich reflektierende Grenzflächen bzw. reflektierende Gegenstände innerhalb einer Tiefe von 1,2 m oder 1,5 m direkt unterhalb der Antenne befinden können, wird die Antenne ¹J für den Empfang von reflektierter Impulsenergie verwendet. Da sich die Energie vertikal in die Erde hinein fortpflanzt, erfolgen die Reflexionen im allgemeinen ebenfalls vertikal bzw. fast vertikal. Je größer jedoch die Tiefe ist, umso größer ist die Wahrscheinlichkeit, daß ein größerer Anteil der Wellenenergie unter Winkeln reflektiert wird, bei welchen die reflektierte Energie nicht zur Antenne gelangt. Zusätzlich zu der Dämpfung aufgrund der größeren Weglänge erreicht somit ein geringerer Anteil der in den größeren Tiefen reflektierten Energie die Antenne. Da die Tiefen gering und die Weglängen kurz sind, erlangt die Streuung, welche bei den höheren Frequenzen, d.h. bei 300 MHz und darüber auftritt, gegenüber der mit kürzeren Wellenlängen erzielten Erkennbarkeit von mehr Einzelheiten eine geringere Bedeutung, Obwohl es bekannt ist, daß die Frequenzen von 300 MHz und darüber nicht in den Boden bis zu Tiefen eindringen, welche mit den längeren Wellenlängen erzielt werden, werden bei der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung trotzdem die höheren Frequenzen verwendet, weil für geringe Tiefen ein ausreichendes Eindringen bei

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den höheren Frequenzen mit mäßigen Energiemengen erreicht wird, sogar auch dann, wenn das Prequenzspektrum Frequenzen bis zu 400 MHz enthält.

Energie, welche an einer Diskontinuität, wie beispielsweise der in Fig, I dargestellten Erde-Fels-Grenzfläche reflektiert worden ist, fällt auf die Antenne ¹J. Die empfangene reflektierte Energie wird über das Sende-Empfang-Netzwerk und über einen Signalbegrenzer 5 einem Empfänger 6 zugeleitet. Der Empfänger kann ein Sampling-Oszilloskop enthalten, dessen Zeitablenkung durch ein von der Steuereinheit 1 abgegebenes "Abtastsägezahn"-Signal,mit dem gesendeten Impuls synchronisiert ist. Der Signalbegrenzer 5 verhindert, daß der Empfänger durch große Signale, die an in der Nähe der Antenne befindlichen reflektierenden Gegenständen bzw. Grenzflächen erzeugt werden, übersteuert wird» Selbstverständlich wird, wenn die elektromagnetischen Wellen tiefer in die Erde eindringen, die Energie verringert und die auf die Antenne zurückreflektierten Signale werden mit zunehmender Tiefe des Reflektors zunehmend schwächer. Der Ausgang des Empfängers 6 ist mit einem einstellbaren Dämpfungsglied 7 verbunden, welches während und unmittelbar im Anschluß an das Senden eine maximale Dämpfung hat und dessen Dämpfung nach und nach verringert wird, so daß das

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Dämpfungsglied am Ende des Empfangszeitabschnittes eine minimale Dämpfung hat. Die Dämpfung des Dämpfungsgliedes 7 kann durch ein elektrisches Signal verändert werden. Bei der Meßeinrichtung nach der Erfindung wird das Dämpfungsglied durch ein von der Steuereinheit 1 abgegebenes Signal gesteuert. Das Ausgangssignal des Dämpfungsgliedes kann einem Kurvenschreiber 8 zugeführt werden, welcher eine Profilkarte der in Fig. 2 dargestellten Art aufzeichnet. In dieser Profilkarte ist die Tiefe in Meter längs der Vertikalachse und die Entfernung in Meter, über welche die Antenne geschleppt worden ist, längs der Horizontalachse aufgetragen. Die Stärke des empfangenen Signals ist durch die Dichte der Markierungen dargestellt. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß die Grenzflächen am Grundwasserspiegel starke Reflexionen hervorgerufen haben.

Anstelle von oder zusätzlich zu dem Schreiber kann der Ausgang des Empfängers mit einem Bandgerät verbunden sein, welches die Signale auf Band aufnimmt. Die Signale können dann in einem späteren Zeitpunkt reproduziert und als Eingangssignale für einen Schreiber verwendet werden, welcher eine Profilkarte der in Fig. 2 dargestellten Art schreibt.

Zu dem Senderkomplex gehören der Impulsgenerator 2, das

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Sende-Empfang-Netzwerk 3 und die Antenne 4« Der Impulsgenerator gibt einen Impuls kurzer Dauer an das Sende-Empfang-Netzwerk ab, welches diesen Impuls zu der Antenne weiterleitet, während es dessen Weiterleitung zu dem Empfänger praktisch verhindert. Die Form des Impulses an den Antennenklemmen ist in Fig. 3 dargestellt. Dieser Impuls hat eine Anstiegszeit T von etwa 1 ns, gemessen zwischen den 10 %- und 90 %-Amplitudenhöhen des Impulses. Die Impulsbreite in der 50 !-Amplitudenhöhe beträgt bei Verwendung der in Fig. Q oder Fig. 10 dargestellten Antenne etwa 3 ns. Der Impuls kann in Abhängigkeit von dem verwendeten Antennentyp aber auch eine Länge von 10 ns haben» Damit der Impuls das erforderliche Frequenzspektrum enthält, sollte die Impulsanstiegszeit zwar vorzugsweise etwa 1 ns betragen, in einigen Fällen können jedoch auch Impulsanstiegszeiten bis zu 2 ns verwendet werden» Das ist von der Art des Untergrundes abhängig. Ein schnell ansteigender Impuls mit einer Anstiegszeit von 1 ns wird im allgemeinen Frequenzen bis mindestens 350 MHz enthalten. Bei einer Ausführungsform der Meßeinrichtung nach der Erfindung, bei welcher eine Antenne der in Fig. 9 dargestellten Art verwendet wurde, hat sich eine an den Antennenklemmen gemessene Impulsamplitude von 30 V für Lotungen bis in eine Tiefe von etwa 6 m als ausreichend erwiesen«

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In Pig. 4 ist ein geeigneter Impulsgenerator dargestellt, bei welchem ein Transistor Ql im sogenannten Avalanche- bzw. Lawinen-Betrieb verwendet wird. Da sowohl eine Versorgungsgleichspannung wie auch das Triggersignal an einer Eingangsklemme 11 anliegen, wird ein aus einem Widerstand Rl und einem Kondensator C2 bestehendes Filter zum Trennen des Triggerimpulses von der angelegten Gleichspannung verwendet. Der Emitter des Transistors Ql ist über einen Widerstand r4 mit Erde verbunden. Die Gleichspannung liegt an dem Kollektor des Transistors Ql über Reihenwiderstände Rl und R2 an. Die Basis des Transistors ist über die Sekundärwicklung eines Impulsübertragers Tl mit dem Emitter des Transistors verbunden. Eine Diode Dl ist zu der Sekundärwicklung des Übertragers Tl parallelgeschaltet. Die Primärwicklung des Übertragers Tl ist einerseits über einen Kondensator Cl mit der Klemme 11 und andererseits mit Erde verbunden. Der Kollektor des Transistors Ql ist über einen Kondensator C3 und einen Widerstand R6 mit Erde verbunden. Sein Emitter ist in einer symmetrischen Anordnung über einen Kondensator C4 und einen Widerstand R5 ebenfalls mit Erde verbunden. Die Ausgangssignale des Impulsgenerators werden über Kondensatoren C5 und C6 abgegeben.

Im Betrieb liegt die Gleichspannung über den Widerstand R2

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am Kollektor des Transistors Ql an. Die Zener-Durchbruchsspannung der Kollektor-Basis-Strecke des Transistors Ql ist kleiner als die an den Kollektor angelegte Spannung. Es fließt deshalb Strom über die Kollektor-Basis-Strecke und aus der Basis hinaus über die Sekundärwicklung des Übertragers Tl und über den Widerstand Rh nach Erde. In diesem Zustand ist der Transistor Ql bereit getriggert zu werden. Wenn er getriggert wird, ist die am Ausgang des Impulsgenerators gelieferte Energie die Ladung auf den Kondensatoren C3 und C4.

Der Triggerimpuls aus der Steuereinheit 1 wird an die Klemme 11 angelegt und über Cl und R3 der Primärwicklung des Übertragers Tl zugeführt. Der Übertrager leitet den Triggerimpuls zur Emitter-Basis-Strecke von Ql mit miminalen Belastungswirkungen, so daß Ql und seine zugeordneten Netzwerke als freifliegendes System betrachtet werden können, welches eine symmetrische Belastung gegen Erde hat, wobei R2 durch R4, R5 durch R6, C3 durch C4 abgeglichen ist, usw.. Der wie ein Schalter arbeitende Transistor Ql erzeugt daher einen negativen Impuls an R6 und einen positiven Impuls an R5, wie in Fig. 5A dargestellt.

Gemäß der Darstellung in Fig. 6 kann das Sende-Empfang-Netzwerk als eine 4-Kanal-Einheit angesehen werden, bei welcher

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ein Kanal 1 das Ausgangs signal des Impulsgenerators empfängt, ein Kanal 2 an seinem Ausgang das Eingangssignal für den Empfänger 6 liefert und ein Kanal 3 bzw, ¹I mit Belastungen Ll bzw. L2 verbunden ist.

Ein Schaltplan einer bevorzugten Ausführungsform eines geeigneten Sende-Empfang-Netzwerkes ist in Fig. 7 dargestellt, wobei die Kondensatoren C5 und C6 dieselben Bauelemente wie in Fig·¹! sind. Der Kondensator C5 bzw. C6 ist über einen Widerstand R8 bzw. R7 mit Erde verbunden. Zur Erleichterung der Beschreibung sind die Ausgangsklemmen am Kanal 2 mit A und B bezeichnet. Die Klemme A ist über einen Widerstand RIO und eine Diode D2 mit der Verbindungsleitung von C5 und R8 verbunden. Außerdem ist die Klemme A über einen Widerstand RIl und eine Diode D3 mit der Verbindungsleitung von C6 und R7 verbunden. Die Diode D3 ist jedoch so angeordnet, daß sie mit Bezug auf die Diode D2 entgegengesetzt gepolt ist. In gleicher Weise ist die Klemme B über einen Widerstand R12 und eine Diode D4 mit der Verbindungsleitung von C5 und R8 und außerdem über einen Widerstand R13 und eine Diode D5 mit der Verbindungsleitung von C6 und R7 verbunden. Eine der Klemmen des Kanals 3 ist mit der Kathode von D3 verbunden. Die andere Klemme des Kanals 3 ist mit der Anode von D4 verbunden. Eine Klemme des Kanals M ist mit der Anode von D2 verbunden, während die andere Klemme mit der Kathode von D5 verbunden ist.

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Fig. 5 zeigt typische Wellenformen, welche dem Sende-Empfang-Netzwerk zugeordnet sind, Fig. 5A zeigt die am Ausgang des Impulsgenerators erscheinenden Impulse. Wenn diese Impulse über C5 und C6 und über den Diodenkoppler der niederohmigen Belastung zugeleitet werden, welche durch die Widerstandsbrückenschaltung dargestellt ist, so werden C5 und C6 durch die durch die Dioden hindurchfließenden gleichgerichteten Ströme geladen. Wenn die an den Widerständen R7 und RS gebildeten Impulse auf Null schwingen und die Achse durchqueren, wie in Fig. 5B dargestellt, werden an sämtlichen vier Dioden umgekehrte Spannungen gebildet, welche bewirken, daß diese Dioden den Stromfluß sperren. Die in Fig. 5C dargestellten Ausgangsimpulse an den Kanälen 3 und 4 schwingen deshalb in vernachlässigbarem Maße über die Achse über und das Sende-Empfang-Netzwerk ist dadurch in der Lage, beinahe sofort Signale aus der Antenne zu empfangen. Tatsächlich entkoppelt das durch die Kondensatoren C5, C6 und die Widerstände R7, R8 gebildete Netzwerk das Sende-Empfang-Netzwerk für eine Zeitspanne von Klingel- bzw. Belastungseffekten des Impulsgenerators, welche zum "Freigeben" bzw. "clear-time" des empfangenen Signals ausreicht.

Die Widerstände RIO, RIl, R12 und R13, welche die Brückenschaltung in dem Sende-Empfang-Netzwerk bilden, sind

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alle gleich, so daß dann, wenn über die Diode D3 an dem Widerstand RIl ein positiver Impuls und gleichzeitig über die Diode D2 an dem Widerstand RIO ein negativer Impuls angelegt ist, an der Klemme A kein Impuls erscheint.

Gleichfalls erscheint kein Impuls an der Klemme B, weil die Widerstände R12 und R13 abgeglichen sind. Da der Betrieb der Brückenschaltung von der Symmetrie abhängig ist, ist der Brückenabgleich dann optimal, wenn die Belastung Ll gleich der Belastung L2 ist.

Nachdem die Impulse aus dem Impulsgenerator durch das Sende-Empfang-Netzwerk hindurchgelangt sind und nachdem der Impulsgenerator durch die umgekehrt vorgespannten Dioden des Diodenkopplers von dem Sende-Empfang-Netzwerk entkoppelt worden ist, werden die Kanäle 3 und 4 zu Eingangskanälen und der Kanal 2 wird der Ausgangskanal. Da die Widerstandsbrückenschaltung ein Differentialnetzwerk ist, führt jeder Nichtabgleich in den Belastungen Ll und L2 zu einer Verstimmung der Brückenschaltung und damit zur Abgabe eines Signals aus dem Kanal 2 an den Empfänger.

Der Kanal 3 ist gemäß der Darstellung in Fig. 7 durch die Antenne belastet, wohingegen der Kanal 4, durch eine "Nulleitungsanordnung" belastet ist, welche eine der Antenne ähnliche Wellenwiderstandscharakteristik hat. In der in

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Pig. 8 gezeigten Nulleitungsanordnung bilden Widerstände R9 und R15 zusammen mit der Nulleitung Nl eine Hälfte der Belastung L2, während Widerstände Rl4, RI6 und die Nullleitung N2 die andere Hälfte dieser Belastung bilden. Der Gesamtwellenwiderstand der Nulleitungsanordnung ist so eingestellt, daß er so vollständig wie möglich mit dem Antennensystem übereinstimmt, damit so viel wie möglich von dem Fehlanpassungssignal aus der Antenne gelöscht wird. Die Nulleitungen Nl und N2 sind in ihrer einfachsten Form Koaxialkabel, deren Längen so getrimmt sind, daß die erforderliche Löschung erzielt wird.

Fig. 8 zeigt außerdem eine Symmetrieranordnung, welche das Differentialsignal am Kanal 2 des Sende-Empfang-Netzwerks in ein Gleichtaktsignal umwandelt, welches über eine Koaxialleitung zu dem Empfänger übertragen wird. Unter der Annahme, daß die Widerstände RIO, RIl, R12 und RI3 jeweils einen Widerstand von 100 Ohm haben, sind zwei Kabelstücke 14, 15 eines 100-Ohm-Koaxialkabels mit den Klemmen A und B des Kanals 2 verbunden. Das Kabel 14 ist als eine Verzögerungsleitung zwischen die Klemme A und einen Stecker 16 geschaltet. Der Außenleiter dieses Kabels ist an beiden Enden geerdet. Das Kabel 15 ist in der normalen Weise an die Klemme B

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Xo

angeschlossen, d.h. sein Außenleiter liegt an Erde und sein Mittelleiter ist mit der Klemme B verbunden. Das Kabel 15 führt sodann durch einen Ferrit-Richtungsisolator 17 hindurch zu dem Stecker 16, wo der Mittelleiter des Kabels 15 mit Erde und der Außenleiter des Kabels 15 mit dem Mittelleiter 18 des Steckers 16 verbunden ist. Durch diese Schaltungsanordnung wird das Signal aus der Klemme B invertiert und zu dem Signal aus der Klemme A addiert. Da die Symmetrierkabel lh und 15 jeweils 100-Ohm-Leitungen sind, ist die Symmetrieranordnung an die 50-Ohm-Koaxialleitung, die von dem Stecker 16 zu dem Empfänger führt, angepaßt, solange die Signale an den Klemmen A und B gleich sind und entgegengesetzte Polarität haben.

Die Antenne

Die Antenne ist ein wichtiges Element der Meßeinrichtung, da sie zum Teil die Charakteristiken des gesendeten Impulses bestimmt. Die ideale Antenne wäre ein unendlich langer und reflexionsloser Strahler, da sich der Impuls auf dem Strahler fortbewegen und nie zurückkehren würde. Eine praktisch ausführbare Antenne muß natürlich eine endliche Länge haben und muß außerdem ausreichend kompakt sein, damit sie längs des zu erzeugenden Untergrundprofils über die Erde trans-

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portiert werden kann.

Die praktische Antenne muß nicht nur ein guter Strahler sein, sondern sie muß auch einen unendlich langen Strahler simulieren, indem sie die Energie, die zum Ende des Strahlers gelangt, absorbiert und abführt bzw, verbraucht. Wenn diese Energie nicht absorbiert und verbraucht wird, kehrt sie über den Strahler zurück und strahlt einen weiteren Impuls in den Untergrund, welcher unmittelbar hinter dem ersten Impuls folgt. Beide Impulse führen zu Reflexionen, welche schwierig auszusortieren sind und welche die Interpretation der Analyse der Rückkehrsignale sehr erschweren.

Eine Lösung des Antennenproblems besteht darin, die Antenne mit einem mit Verlust behafteten Material zu beschichten, welches bewirkt, daß die Wellenenergie genau dann, wenn die Welle die Spitze des Strahlers erreicht, vollständig verbraucht wird. Eine solche Antenne wäre natürlich ein unwirksamer bzw. unökonomischer Strahler und für den Empfang von schwachen Signalen praktisch nicht geeignet.

Zur Verwendung bei der Meßeinrichtung nach der Erfindung sind geeignete Antennen gebaut worden. Zwei

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dieser Antennen sind in den Fig. 9 und 10 dargestellt. Diese beiden Antennen haben eine Anzahl gemeinsamer Charakteristiken und werden als "dachbelastete" Antennen bezeichnet.

Bei der in Pig, 9 dargestellten Antenne werden zwei Strahler 20 und 21 verwendet, bei welchen es sich um dünne, ebene Kupferstreifen handelt, die auf einem isolierenden Substrat befestigt sind. Eine dünne Platte aus glasfaserverstärktem Polyester hat sich als geeignetes Substrat erwiesen. Jeder Strahler ist ein Kreissektor mit einem Zentriwinkel von etwa 10 . Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Enden der Strahler durch Ketten von Widerständen miteinander verbunden, welche einen Kreis mit einem Durchmesser von 86,36 cm bilden. Der Kreis kann als in Quadranten unterteilt angesehen werden, wobei der Widerstand in jedem Quadranten eine Sinusverteilung hat. Nimmt man beispielsweise an, daß der Widerstand pro Quadrant 38Ο Ohm beträgt, und unterteilt man jeden Quadranten willkürlich in 18 gleiche Sektoren, so ergibt sich die in der folgenden Tabelle dargestellte Sinusverteilung des Widerstandes:

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Sektor	%	Ohm	Näherung
1	0,004	1,52
2	0,011	4,18	10
3	0,019	7,2	10
4	0,026	9,9	12
5	0,034	12,9	15
6	0,040	15,2	15
7	0,047	17,8	15
8	0,053	20,1	22
9	0,059	22,4	22
10	0,064	24,3	22
11	0,069	26,2	27
12	0,074	28,1	27
13	0,077	. 29,25	27
14	0,081	30,8	33
15	0,083	31,5	33
16	0,085	32,3	33
17	0,087	33,0	33
18	0,087	33,0	33

Bei einer ausgeführten Antenne, welche eine ausreichende Leistung erbrachte, wurde eine Näherung der Sinusverteilung

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verwendet. Die in der Näherung verwendeten Ohm-Werte sind in der obigen Tabelle angegeben. Die tabellarischen Widerstandswerte sind typisch für die Kette von Widerständen in jedem Quadranten. In der Mitte sind die Ketten von Widerständen in jedem Quadranten durch einen Widerstand R18 bzw. RI9 miteinander verbunden, welche einen Widerstand von etwa 120 Ohm haben.

Bei Verwendung im Sendebetrieb erfolgt die Einspeisung in die Antenne über eine übertragungsleitung nach Art einer Stegleitung, welche zwei Aluminiumstäbe 22, 23 aufweist, deren Enden mit den Antennenspeiseklemmen 24, 25 verbunden sind. Jeder Stab hat einen Durchmesser von 4,8 mm und eine Länge von 86,36 cm. Die Stäbe weisen, gemessen von Stabmitte zu Stabmitte, einen gegenseitigen Abstand von 6,51 cm auf.

In Fig. IO ist eine andere Ausführungsform der dachbelasteten Antenne dargestellt. Strahler 76, 77 sind aus dünnem Kupferblech gebildet, welches auf ein isolierendes Substrat, wie beispielsweise eine dünne Platte aus einem verstärkten Polyestermaterial, aufgeklebt ist. Jeder der Strahler ist etwa 43,2 cm lang und hat zwei Arme, welche in einer Entfernung von 21,59 cm vom Scheitel des Strahlers

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auseinanderzulaufen beginnen. Die Arme laufen unter einem Winkel von etwa 78° auseinander, wie in Pig. IO dargestellt. Die Spitzen der divergierenden Arme sind durch Belastungswiderstände R2O, R21, R22, und R23, welche jeweils einen Widerstand von 107 Ohm haben, mit Leiterstreifen 28, 29, und 31 verbunden. Die Streifen 28 und 29 sind in der Mitte durch einen Widerstand R24 mit 170 Ohm belastet, während die Streifen 30 und 31 in gleicher Weise durch einen Widerstand R25 mit 170 Ohm belastet sind. Die Streifen 28, 29, 30 und 31 sind jeweils 7,62 cm breite Streifen aus Kupferfolie, welche in der gleichen V/eise wie die Strahler und 27 auf dem isolierenden Substrat befestigt ist.

Die in Fig. 10 dargestellte Antenne ist in bezug auf ihre horizontalen und vertikalen Mittellinien symmetrisch und bildet einen Doppelrhombus«, Zwei RG-62-Kabel (Wellenwiderstand von 93 0hm) sind mit Antennenklemmen 32 und 33 verbunden und bilden die übertragungsleitungsverbindung zwischen dem Sende-Empfang-Netzwerk und der Antenne· Die Abmessungen in Zoll und Zentimeter für eine Doppelrhombusantenne, welche hergestellt worden ist und welche eine befriedigende Leistung erbracht hat, sind in der folgenden Tabelle angegeben:

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Abmessung	Zoll	Zentimeter
A	35,50	90,17
B	24,12	61,26
C	5,68	14,43
D	12,06	30,63
E	3,00	7,62
F	1,75	4,44
G	9,00	22,86
H	18,00	45,72
J	0,062	1,57
K	35,00	88,90
L	17,50	44,45
M	0,062	1,57
N	0,750	1,90
P	0,500	1,27
Q	8,50	21,59

Die in den Fig. 9 und 10 dargestellten Antennen wurden weitgehend nach empirischen Methoden hergestellt und es ist zu erwarten, daß eine Änderung in den Abmessungen und in den

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Werten der Widerstände ohne wesentliche Verringerung der Leistungsfähigkeit zulässig ist. Die Impulsdauer ist bis zu einem gewissen Maß an die Antenne angepaßt, insbesondere an die Länge der Strahler. Wenn deshalb die Abmessungen der Antenne geändert werden, so dürfte sich die optimale Impulsdauer ebenfalls ändern. Nach einer Erfahrungsregel ist die optimale Impulsdauer dann erreicht, wenn der an den Antenneneingangsklemmen erscheinende Impuls gerade dann aufhört, wenn die Impulswellenfront die Spitze des Strahlers erreicht.

Bei der in Fig« 1 dargestellten Meßeinrichtung kann als Empfänger ein Sampling-Oszilloskop verwendet werden, beispiels· weise das Modell 18OA des Sampling-Oszilloskops der Firma Hewlett-Packard. Bei dieser Art von Oszilloskop wird die Eingangswellenform aus einer Folge von Samples, d.h. Abfragewerten bzw, Amplitudenproben rekonstruiert, welche während vieler Wiederholungen der Wellenform abgenommen worden sind. Jedes Sample in der Rekonstruktionsfolge wird in einem geringfügig späteren Zeitpunkt auf der sich wiederholenden Wellenform abgenommen. Auf diese Weise wird die Wellenform Punkt für Punkt rekonstruiert, wobei die Auflösung durch die Anzahl der Samples in der Folge festgelegt ist. Das Sampling-Oszillos· kop kann Signalverstärker-Einschübe enthalten und der gesamte Empfänger kann aus solchen fertig zur Verfügung stehenden

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Baueinheiten aufgebaut sein.

Ein wichtiges Merkmal der Erfindung ist die kurze Anstiegszeit des gesendeten Impulses. Die Anstiegszeit des Impulses liegt vorzugsweise in der Größenordnung von 1 ns. Eine gewisse Vergrößerung der Anstiegszeit ist zwar zulässig, jedoch sollte die Anstiegszeit nicht größer sein als 2 ns, da sonst die Information in den Rückkehrsignalen wesentlich verschlechtert bzw. verringert wird. Die Anstiegszeit kann zwar nur 1/2 ns betragen, sie sollte jedoch nicht unter diesem Wert liegen, damit das Ableiten von Energie in den Bereich hoher Frequenzen (oberhalb 400 MHz) vermieden wird, welche auch bei geringen Tiefen nicht wirksam in den Untergrund eindringen. Die Impulsdauer ist kleiner als 10 ns und beträgt bei Verwendung der in Fig. 9 bzw. Fig. 10 dargestellten Antenne etwa 3 ns. Die Impulsdauer ist zum Teil auf die Länge der Antennenstrahler und auf die Charakteristiken des bei der Meßeinrichtung verwendeten besonderen Antennentyps bezogen. Da die Antenne tragbar sein muß und auch verhältnismäßig rauhes Gelände überqueren können muß, soll möglichst eine Antenne geringer Größe verwendet werden.

Bei der hier beschriebenen Meßeinrichtung nach der Erfindung liande.lt es sich lodiglich um eine bevorzugte

3 0 9 G 2 ί . Q 8 0 6

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Ausführungsform, denn die Erfindung kann auch in anderer Form verwirklicht werden« Während bei dem beschriebenen
Impulsgenerator ein Transistor im Avalanohe-Betrieb verwendet wird, ist es dem mit der Nanosekundenimpulserzeugung vertrauten Fachmann ohne weiteres klar, daß andere und
verschiedene Arten von Generatoren zur Erzeugung des erforderlichen Impulses verwendet werden können. Weiter ist zwar ein besonderes Sende-Empfang-Netzwerk beschrieben worden, es können jedoch anstelle desselben andere Arten von Sende-Empfang-Netzwerken verwendet werden. Da die Erfindung in veränderter Anordnung ausgeführt werden kann, beschränkt sich die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen. Beispielsweise kann der Signalbegrenzer weggelassen werden, wenn
es sich bei dem Empfänger um einen Typ handelt, welcher nicht übersteuert werden kann, bzw. es können andere Schutzeinrichtungen zum Schutz des Empfängers vor sehr starken Signalen verwendet werden. Die Erfindung soll nur durch
die folgenden Patentansprüche eingegrenzt sein.

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Claims

Patentansprüche

Γΐ. !Geophysikalische Meßeinrichtung zum Ermitteln der Beschaffenheit eines Untergrundes in geringen Tiefen, gekennzeichnet durch einen Impulsgenerator (2) zum wiederholten Erzeugen kurzer Impulse mit jeweils einer Impulsanstiegszeit in der Größenordnung einer Nanosekunde, ferner durch eine Antenne (4) zum Aussenden dieser Impulse in den Untergrund und zum Empfangen der Reflexionen dieser ausgesandten Impulse, weiter durch einen Signalempfänger (6) mit einer Signalabtasteinrichtung, welch letztere das Rekonstruieren der in diesen Signalempfänger einlaufenden Reflexionssignale mit Hilfe von Abtastwerten gestattet, und schließlich durch eine die Antenne mit dem Impulsgenerator und mit dem Signalempfänger verbindende Sende-Empfang-Einrichtung (3).

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalempfänger (6) ein Sampling-Oszilloskop ist, •daß ferner der Impulsgenerator einem durch ein Triggersignal aktivierbaren Impulsgeneratortyp angehört und daß schließlich eine Steuereinheit (1) zum Synchronisieren der Abtastung des Oszilloskops mit dem Aussenden des Impulses vorgesehen ist, welche an den Impulsgenerator (2) ein

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Triggersignal und an das Sampling-Oszilloskop ein Abtastsignal abgibt.

3β Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Signalaufzeichnungseinrichtung (8 bzw, 9) und ein einstellbares Dämpfungsglied (7) vorgesehen sind, v/slch letzteres das abgetastete Ausgangssignal des Signale;:pTangers (6) der Signalaufzeichnungseinrichtung zuführt _, und dafc ein weiterer Ausgang der Steuereinheit (1) mit dem Dämpfungsglied verbunden ist, so daß die Dämpfung des Dämpfungsgliedes durch ein weiteres Ausgangssignal der Steuereinheit gesteuert wird.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3_S gekennzeichnet durch einen Signalbegrenzer (5), welcher die' Sende-Empfang-Einrichtung (3) mit dem Signalempfänger (6) verbindet, so daß die Amplitude des Eingangssignals des Signalempfängers begrenzt und dadurch dessen übersteuern verhindert wird.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne (4) zwei langgestreckte Strahler (20, 21 bzw» 26, 27) aufweist, deren Enden durch Widerstände miteinander verbunden sind, welche

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3 0 '.· H 2 3 / 0 3 0 S

die sich zu den Enden der Strahler hin ausbreitende Wellenenergie absorbieren und verbrauchen (Fig. 9 bzw, P¹Ig. 10).

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahler (20, 21 bzw. 26, 27) der Antenne (¹O die Form von Fächern aufweisen, deren Scheitel (24, 25 bzw. 32, 33) einander benachbart sind, und daß die Antenneneingangsklemmen in den Scheiteln angeordnet sind.

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