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Die Erfindung bezieht sich auf eine Bohrloch-Messeinrichtung zur Aufnahme von Radarsignalen mit einer Antennenanordnung, die Bestandteil eines Sondenkörpers ist und deren Richtdiagramm in Verbindung mit einer an die Antennenanordnung angeschlossenen Auswerteapparatur der Ermittlung der Einfallsrichtung der aufgenommenen Signale dient.
Typische Bohrloch-Radarsysteme arbeiten mit elektro-magnetischen Wellen im Kurz- und Ultrakurzwellenbereich. Für diese Wellenlängen ist der zur Verfügung stehende Bohrloch-Durchmesser sehr klein im Verhältnis zur Wellenlänge. Diese Tatsache hat bisher den Einsatz brauchbarer Antennenanordnungen mit horizontaler Richtwirkung verhindert. In den üblichen Sonden werden bislang nur Dipolantennen verwendet, die in der Horizontalen eine Rundstrahlcharakteristik haben, wobei gegebenenfalls auch gefaltete Dipole benutzt werden (US-PS Nr. 3, 286, 163). Soweit komplizierte Antennen verwendet werden, z. B. eine Yagi-Anordnung (Fig. 4 der US-PS Nr. 3, 286, 163), wird dabei vorausgesetzt, dass die Antennenteile teleskopartig ausgefahren werden, so dass sie über die eigentliche Zylinderform der Sonde vorspringen.
Eine solche Antennenaordnung setzt Bohrlöcher voraus, deren Durchmesser das übliche Mass übersteigt, falls die Verwendung nicht auf Aufweitungsbereiche in einem normalen Bohrloch beschränkt wird.
In der Vertikalen kann eine Richtungsangabe für die empfangenen Radarsignale dadurch ermittelt werden, dass Messungen an einer Reihe von in der Vertikalen aufeinanderfolgenden Messpunkten vorgenommen werden. Für die vertikale Richtungsauflösung ist demnach eine Richtantenne nicht erforderlich, obwohl diese einfach zu realisieren wäre. Zu beachten ist ferner, dass aus physikalischen Gründen mit elektrischen Feldsensoren in engen Bohrlöchern keine wirksame Richtungsbündelung erreicht werden kann, da eine Richtungsbestimmung nur aus der Differenzinformation von mindestens zwei Sensoren abgeleitet werden kann, welche im Wellenfeld um den erfassbaren Teil einer Wellenlänge auseinanderliegen müssen.
Rahmenantennen werden als sogenannte Peilrahmen oder Richtempfangsanlagen in der Funktechnik bereits seit geraumer Zeit erfolgreich eingesetzt, s. z. B. Handbuch für Hochfrequenz- und Elektro-Techniker, Band 11, 1953, Seite 489 und 490. Wegen der realtiv geringen induzierten Spannungen sind diese Rahmen durchwegs als selektive Anordnung zum schmalbandigen Empfang ausgewählter Trägerfrequenzen ausgeführt. Die induzierte Spannung in einer Rahmenantenne ist proportional der Rahmenfläche, der Frequenz und dem cos des Einfallswinkels der Wellenfront. Rahmenantennen weisen im Gegensatz zum Rundstrahldiagramm von Stab- und Dipolantennen in horizontaler Richtung ein Doppelkreisdiagramm mit zwei ausgeprägten Nullstellen auf.
Durch eine richtig angepasste Kombination einer Dipol- und einer Rahmenantenne lässt sich ein Kardioiden-Diagramm mit nur einem Pol, einer sogenannten Nullstelle, erzielen.
Zur Einfallsrichtungsbestimmung wird der Peilrahmen um die vertikale Achse gedreht, bis eine Nullstelle ausgemacht werden kann. Diese sogenannte Minimum-Peilung liefert wegen der steilen Charakteristik der Nullstellen die genauesten Ergebnisse. Wo ein drehbarer Peilrahmen aus konstruktiven oder elektrischen Gründen nicht aufgestellt werden kann, benutzt man heute einen feststehenden Kreuzrahmen zusammen mit einem elektrischen Goniometer. Bei einem solchen Goniometer wird das Feld der rechtwinklig gekreuzten Empfangsrahmen durch zwei rechtwinklig gekreuzte Spulen nachgebildet, deren Inneres eine Drehspule enthält, die als Suchspule dient. Die Drehung der Suchspule simuliert eine Drehung der Rahmenantennenanordnung. Diese bekannten Rahmenantennenanordnungen können vorteilhaft zur Bestimmung der Einfallsrichtung von diskreten Trägerfrequenzen eingesetzt werden.
Die für eine eindeutige Richtungsbestimmung benutzte Kombination eines Peilrahmens mit einer Hilfsantenne für Rundempfang erfordert eine sehr sorgfältige Abstimmung des Systems und setzt zeitlich stabile Trägerfrequenzen voraus. Eine ähnliche Anordnung ist aus den S. 54,55 der Literaturstelle Günter Käs, Radar und andere Funkortungsverfahren, bekannt.
Die GB-PS Nr. 2, 054, 159 offenbart eine Einrichtung zur Signalverarbeitung beim sogenannten "Induction-Logging"-Verfahren, das lediglich die Analyse von Formationsparametern in unmittelbarer Umgebung des Bohrloches erlaubt. Sender und Empfänger sind dabei in definierter fixer Orientierung zueinander in einer gemeinsamen Sonde untergebracht. Gemessen wird mit ungedämpfen Wellen im Spektrum von einigen Kilohertz bis maximal 1 Megahertz. Damit können relativ kleine, optimal auf die jeweilige Arbeitsfrequenz abgestimmte Induktionsspulensysteme sowohl auf
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der Sende- als auch der Empfangsseite eingesetzt werden, wobei ein für dieses Verfahren spezifi- sches Auswerteverfahren lediglich eine definierte relative Ausrichtung der Sende- und Empfangsspu- len zueinander voraussetzt.
Die GB-PS Nr. 2, 066, 475 betrifft ebenfalls eine Einrichtung zur Signalverarbeitung für das "Induction-Logging"-Verfahren, u. zw. auf ein verfahrens spezifisches Signalsteuer- und Auswerte- verfahren.
Die DE-OS 1046699 zeigt eine spezielle Ausführungsform eines mechanischen Goniometers, wel- ches in Verbindung mit einer fixen Kreuzrahmenantenne eine Einfallsrichtungsbestimmung zulässt.
Die DE-AS 1239787 beschreibt ein Verfahren im Tonfrequenzbereich, bei dem unter anderem auch die Verwendung eines Kreuzrahmens als Sendeantenne zur Erzeugung einer rotierenden sender- seitigen Abstrahlung angeführt wird.
Die US-PS Nr. 4, 045, 724 offenbart ein Bohrloch-Radarsystem, welches aus Richtantennen allge- mein bekannter Typen, wie Horn- oder Dipolantennen mit parabolischen oder Winkelreflektoren, besteht. Derartige Anenntentypen lassen sich jedoch für geringe Bohrlochdurchmesser nicht reali- sieren.
Die US-PS Nr. 3, 187, 252 erläutert ein Verfahren, welches dem in den beiden vorgenannten
GB-PS Nr. 2, 054, 159 und Nr. 2, 066, 475 entspricht.
Die EP-A1 0 051 018 behandelt spezielle spulenförmige Leiteranordnungen zur Abstrahlung und zum Empfang von elektromagnetischer Energie innerhalb des Nahbereiches der Sonde zur Durchführung der elektromagnetischen Induktionsmethode. Derartige Anordnungen sind wegen ihrer Kompaktheit und relativ hohen Induktivität vorwiegend für Verfahren mit geringer Eindringtiefe und im Frequenzbereich von Tonfrequenzen bis zirka 1 MHz geeignet.
Diese in der Funktechnik seit langem bekannten Einrichtungen und Verfahren konnten bisher für Bohrloch-Messverfahren aus Raumgründen nicht benutzt werden.
Die Aufgabe, eine Anpassung einer solchen Einrichtung für die Verwendung in einem Bohrloch- - Messverfahren, wird nach der Erfindung im grundsätzlichen gelöst durch eine rechteckige Rahmenantenne, deren Längsachse im wesentlichen mit der Längsachse des Sondenkörpers zusammenfällt und deren zur Längsachse parallele Leiterabschnitte auf der Aussenfläche des Sondenkörpers angeordnet sind.
Obwohl die Abmessungen üblicher Bohrlöcher wenig Spielraum zur Realisierung brauchbarer Antennenanordnungen geben, ermöglicht die Erfindung eine optimale Ausnutzung dieses Raumes zur Ableitung brauchbarer Ergebnisse. Dieses Ergebnis wird erreicht, obwohl die Signale, deren Einfallrichtung zu bestimmen ist, sehr kurze und verhältnismässig komplizierte Wellenzüge sind. Die Auflösung in der Vertikalen ist dabei trotz starker Fächerung der Einfallsrichtung in der oben angegebenen Weise möglich. Der Ausdruck"Verükale"wird hier im Hinblick auf Vertikal-Bohrungen verwendet, die in der Praxis überwiegen. Die Erfindung kann natürlich auch für Bohrlöcher benutzt werden, die abweichend von der Vertikalen oder sogar horizontal gerichtet sind.
Gegenüber dem Stand der Technik wird eine wesentliche Verbesserung erreicht.
Weitere Vorzüge und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der folgenden Beschreibung an Hand der Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise dargestellt sind. Es zeigen : Fig. 1 eine Grundausführungsform der Erfindung in vereinfachter Darstellung einschliesslich der in der Sonde untergebrachten Schaltungsteile, Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung einer eine eindeutige Richtungsangabe der Horizontalkomponente ermöglichende Antennenanordnung, Fig. 3 eine Darstellung der Signalwege bei einer Antennenanordnung nach Fig. 2, Fig. 4 eine weitere Verbesserung der Antennenanordnung einschliesslich der in der Sonde enthaltenen Schaltungselemente und Fig. 5 im Beispiel des Auswerteverfahrens zur Einfallsrichtungsbestimmung.
Ein in Fig. 1 nur zum Teil mit seinen Umrissen angedeuteter Sondenkörper --10-- enthält eine Kreuzrahmenantenne --2-- in der Weise, dass die senkrechten Spulenleiter --11-- auf der Aussenhaut des Sondenkörpers angebracht, insbesondere in flachen Nuten des aus Isoliermaterial bestehenden Sondenkörpers-l-eingelassen sind.
Die Querverbindungen zwischen den senkrechten Spulenleitern --11-- werden durch druckdichte Durchführungen --12-- in den inneren Hohlraum des Sondenkörpers-l-geführt. Das elektrisch gebrückte Spulenende kann durch einen
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leitenden Aussenring --13--, der ebenso wie die senkrechten Spulenleiter in die Aussenhaut des Sondenkörpers-l-eingelassen ist, für beide Spulen gemeinsam verbunden werden. Die damit zu einer Kreuzrahmenantenne --2-- verbundenen Rahmenantennen sind stark gestreckte Rechteckspulen, deren Spulenbreite durch den maximalen Durchmesser der Sonde bestimmt ist.
Die Enden des Spulenpaares werden über angepasste Symmetriertransformatoren --14a, 14b-- an asymmetrische Koaxialleitungen --15a bzw. 15b-- angepasst. Ein elektronisches Umschaltrelais --16-- gestattet, die beiden Koaxialleitungen wahlweise über die Leitung --16-- auf die über Tage angeordnete, nicht näher dargestellte Aufnahmeapparatur zu schalten, in der die Signale nacheinander aufgezeichnet und nach einem weiter unten dargestellten Verfahren ausgewertet werden.
Die Rahmen der Kreuzrahmenanordnung --2-- enthalten jeweils nur eine Windung und sind nicht abgestimmt, sondern mit ihrem induktiven Blindwiderstand etwa für die zu erwartende Bandmittenfrequenz auf die Kabelimpedanz angepasst. Durch die ohmsche Belastung über den Verstärkereingang sind die Rahmen daher breitbandig leistungsangepasst.
Da das Richtdiagramm einer Rahmenantenne eine 8-Kurve der Doppellcreiskurve ist, ist die Richtungsbestimmung mit der Antenne gemäss Fig. 1 zweideutig, d. h. es ergeben sich zwei um 180 verschiedene Richtungsangaben. Für die genaue Bestimmung ist eine zusätzliche Messung erforderlich.
Die Anordnung nach Fig. 2 ermöglicht eine eindeutige Richtungsbestimmung. Der Kreuzrahmen - ist durch eine zusätzliche Rundempfangsantenne --21-- ergänzt worden. Diese stabförmige Antenne --21-- ist vorzugsweise ein unsymmetrisch gespeister Dipol oder eine Sperrtopfantenne.
Bei der Antennenanordnung nach Fig. 2 wird das Speisekabel der Rundempfangsantenne --21-durch ein Rohr --23-- im Zentrum des Kreuzrahmens --20-- geführt. Hiebei handelt es sich vorzugsweise um ein leitendes Metallrohr, welches aus Symmetriegründen für die Rahmencharakteristik genau zentrisch in der Rahmenlängsachse verläuft. Die Querverbindungen --24-- der seitlichen Rahmenleiter --22-- werden vorteilhaft einfach über einen Führungsring-25-für das Metall- rohr --23-- geschlossen. Dadurch wird eine gegenseitige Beeinflussung der beiden Teilsysteme --20, 21-- der Antennenanordnung wirksam vermieden, und die Richtcharakteristik des Kreuzrahmens --20-- bleibt ungestört erhalten.
Da die in den Rahmenantennen des Kreuzrahmens --20-induzierten Signale laut Induktionsgesetz gegenüber dem von der Rundempfangsantenne --21-- aufgenommenen elektrischen Feld um 900 phasenverschoben sind, wird in die Antennenspeiseleitung der Rundempfangsantenne-21-ein 90 -Hybrid-Koppler-26-geschaltet. Der dritte Arm --27-dieses T-Kopplers --26-- kann entweder mit einem Impedanzwiderstand abgeschlossen, oder als Trigger-Signalquelle für die Aufnahmeapparatur verwendet werden, wie dargestellt. Ausser dem Triggersignal, welches als Zeitreferenz für alle Aufnahmen dient, können über zwei Koaxialrelais --28, 29-- der nicht dargestellten Aufnahmeapparatur wahlweise das Signal von der Rundempfangsantenne --21-- oder eines der zwei orthogonalen Rahmensignale zugeführt werden.
Die Anordnung mit den Symmetrietransformatoren --14a, 14b-- entspricht der Fig. 1.
Im praktischen Einsatz ergibt sich durch den Abstand zwischen Rundempfangsantenne --21-und Rahmenantenne --20-- die in Fig. 3 dargestellte Aufnahmesituation. Die eigentliche Sendeantenne --30-- liegt von der aus Rahmenantenne --20-- und Rundempfangsantenne --21-- gebildeten Antennenanordnung axial getrennt und ist unterhalb der Aufnahmeanordnung im selben Sondenkörper enthalten. Die in der Fig. 3 gezeigte geometrische Konfiguration, bei der die von der Sendeantenne --30-- ausgehenden Wellenzüge an den Reflektoren --R1 und R2-- gespiegelt werden, führt dazu, dass die Reflexionen, die von --R 1 bzw. R 2-- bei --20 und 21-- aufgenommen werden, entsprechende Laufzeitdifferenzen aufweisen.
Diese Laufzeitdifferenzen, die in Fig. 3 gegenüber einem mittleren Strahl mit f1 t angegeben sind, müssen für jede einzelne Reflexion ermittelt und korrigiert werden.
Fig. 4 zeigt eine weiter verbesserte Antennenanordnung --40-- mit zugehörigen, im Sondenkörper untergebrachten Schaltungsteilen. Bei dieser verbesserten Antennenanordnung ist eine nachträgliche Ermittlung der Laufzeitdifferenz und Ableitung einer entsprechenden Korrektur nicht erforderlich, da die Teile der Antennenanordnung --40-- derart zusammengefasst sind, dass sie einen gemeinsamen elektrischen Mittelpunkt haben. Die Antennenanordnung --40-- besteht aus zwei gestockten Kreuzrahmen --401, 402--, die über eine Auskoppelschaltung --50-- so geschaltet sind,
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dass die beiden Rahmenstrukturen --401, 402-- auch als Hälften einer Dipol-Rundempfangsantenne genutzt werden können.
Die Auskoppelschaltung --50-- enthält Symmetriertransformatoren --41, 42-- für den unteren Kreuzrahmen --401-- und --43, 44-- für den oberen Kreuzrahmen --402--. Die Ausgänge der in gleichen Ebenen liegenden Teilrahmen, d. h. die Ausgänge der Transformatoren --41 und 44-- einerseits und --42 und 43-- anderseits, werden über je einen Summierübertrager --46 bzw. 47-addiert und derart zu den zwei üblichen orthogonalen Rahmenausgängen zusammengeführt. Die mitten der Primärwicklung der Transformatoren --41, 42-- des unteren Kreuzrahmens --401-- und --43, 44-- des oberen Kreuzrahmens --402-- sind an die Primärwicklung eines weiteren Symmetriertransformators --45-- im Gegentakt angeschlossen.
Damit steht am Ausgang des Transformators - die elektrische Differenz-EMK zwischen den beiden Kreuzrahmen, welche damit wie eine Dipolantenne wirken. Die Anpassungsnetzwerke werden im elektrischen Zentrum zwischen den beiden Kreuzrahmen angeordnet, wie schematisch in Fig. 4 dargestellt ist. Die Ausgangsleitungen werden vorteilhaft durch ein Rohr --48-- in der Achse des der eigentlichen Aufnahmeapparatur zunächstliegenden Kreuzrahmens --402-- einseitig herausgeführt, ähnlich der Anordnung nach Fig. 2. Dies ermöglicht eine einwandfreie Unterbringung der Antennenanordnung in Sondenkörpern, die für enge Bohrlöcher geeignet sind.
Bei grosskalibrigen Bohrlochsonden besteht die Möglichkeit, dass die Induktivität der sich durch die notwendige Dipollänge ergebenden Rahmenfläche Werte annimmt, die für eine resonanzfreie Breitbandabstimmung zu gross sind. Die eignetlichen Rahmen --401, 402-- können dann kürzer ausgeführt und mit zentrischen Verlängerungen --49-- versehen werden, die an den neutralen Rah- menverbindungspunkten --403 bzw. 404-- ansetzen und gestatten, trotz der Verkürzung der eigentlichen Rahmen mit elektrischen Dipolen optimaler Länge zu arbeiten.
Für die Weiterführung der Antennensignale ist die in Fig. 2 dargestellte Relaisanordnung mit 900 Hybridkoppler vorgesehen.
Bei der Antennenanordnung nach Fig. 4 fallen auf Grund der baulichen Anordnung die Mittelpunkte von Rahmen- und Rundempfangsantenne exakt zusammen, so dass Laufzeitkorrekturen nicht erforderlich sind.
Die vorstehend beschriebenen Kreuzrahmen sind jeweils fest in dem Sondenkörper angeordnet.
Zur Richtungsermittlung ist eine Drehung des Rahmens nicht erforderlich. Lediglich die geographische Ausrichtung der Sonde muss für jeden Messpunkt festgestellt werden, um eine Einordnung der Einfallsrichtung der reflektierenden Schichten in geographischen Koordinaten zu ermöglichen. Hiefür ist z. B. im Sondenkörper ein Magnetkompasssystem eingebaut, dessen Anzeige an jedem Messpunkt aufgenommen und in die über Tage befindliche Aufnahmeeinrichtung elektrisch übertragen wird. Derartige Magnetkompasssysteme sind an sich bekannt.
Ausser der Kompassinformation werden an jedem Messpunkt mit den Ausführungsformen der Fig. 2 und 4 aufgenommen a) die Empfangswerte der Rundempfangsantenne, b) die Empfangswerte eines Antennenrahmens und c) die Empfangswerte des dazu orthogonalen Antennenrahmens.
Aus diesen Daten kann die Richtungsinformation für einen beliebigen, theoretisch anzunehmenden Drehwinkel einer Rahmenantenne durch vektorielle Addition der Empfangsspannungen gewonnen werden. Mit einer an die Aufnahmeapparatur anzuschliessenden, zur Auswertung benutzten Rechenanlage kann demnach eine Drehung der Rahmenantenne in beliebigen Winkelschritten simuliert werden, so, wie sie bei einer mechanisch drehbaren Rahmenantenne während der Aufnahme hätte durchgeführt werden können.
Das aus der Funktechnik her bekannte Verfahren, durch phasenrichtige Einkopplung des Empfangssignals einer Rundempfangsantenne in die Signale des koaxial dazu liegenden Rahmens eine Kardioide mit eindeutiger Nullstelle zu erhalten, ist bei den breitbandigen, impulsförmigen Signalen der Radarechos nicht grundsätzlich anwendbar. Eine wichtige Voraussetzung für die Signal- überlagerung ist eine weitestgehend gleiche Signatur der Impulsform für beide Antennensignale. Diese ist bei den in der Funktechnik üblichen, schmalbandigen Sinussignalen grundsätzlich vorhanden. Bei der komplexen Form der Radarsignale können in der Praxis die Charakteristika der
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zwei Antennenarten nicht so in Einklang gebracht werden, dass eine vollkommene Auslöschung in einer definierten Nullstelle einwandfrei erkennbar wird.
Dagegen ist die relative Phasenlage der Signalzüge grundsätzlich gut zu erkennen.
Zur Auswertung empfiehlt sich deshalb, für jeden einzelnen Reflexionsimpulszug zunächst allein mit der Rahmenantenneninformation den Winkel einer der zwei Nullstellen zu ermitteln, die zu dem Richtdiagramm des Rahmens gehören. Zur Kontrolle des Ergebnisses kann auch die zweite Nullstelle ermittelt werden. Bei eindeutigen Verhältnissen muss die zweite Nullstelle genau um 180 gegen die erste Nullstelle versetzt liegen. Dann wird z. B. rechtsdrehend das Maximum des Rahmensignals ermittelt und zusammen mit dem Rundempfangssignal dargestellt. Sind beide Signale über-
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Dieses Verfahren erlaubt, die mit einer Anordnung nach Fig. 2 oder 4 aufgenommenen Radarsignale schnell und wirkungsvoll auszuwerten und dadurch die Einfallsrichtung der Signale festzustellen.
Fig. 5 zeigt ein praktisches Beispiel des Auswerteverfahrens zur Einfallsrichtungsbestimmung.
Es sind bestimmter Orientierung zur Nordrichtung in 150 Schritten die entsprechenden vektoriell addierten Rahmenantennensignale aufgezeichnet. An geeigneter Stelle (51a, 51b) ist das Dipolenempfangssignal um 1800 versetzt beidseitig eingeblendet.
Die Reflexion 1 hat bei --52a und 52b-- ihre Minima. Als Einfallsrichtung kommen die beiden dazu senkrechten Richtungen in Frage.
Ein Signaturvergleich mit der Dipolaufnahme zeigt bei --53a-- gleichphasiges Verhalten im Gegensatz zu --53b--. Also ist die Einfallsrichtung von der Seite, bei der die Gleichphasigkeit besteht, gegeben (54).
Die Reflexion 2 hat Minima bei --55a und 55b-- ; der Signaturvergleich mit dem Dipol zeigt bei --56a-- Gleichphasigkeit und bei --56b-- Gegenphasigkeit. Also zeigt der Pfeil 57 die Einfallsrichtung.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Bohrloch-Messeinrichtung zur Aufnahme von Radarsignalen mit einer Antennenanordnung, die Bestandteil eines Sondenkörpers ist und deren Richtdiagramm in Verbindung mit einer an die Antennenanordnung angeschlossenen Auswerteapparatur der Ermittlung der Einfallsrichtung der auf-
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