CH665682A5

CH665682A5 - Bohrloch-messeinrichtung.

Info

Publication number: CH665682A5
Application number: CH1266/84A
Authority: CH
Inventors: Friedhelm Sender
Original assignee: Prakla Seismos Gmbh
Priority date: 1984-03-19
Filing date: 1984-03-14
Publication date: 1988-05-31
Also published as: BE899226A; FR2561395B1; NL8400858A; FR2561395A1

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf eine Bohrloch-Messeinrichtung zur Aufnahme von Radarsignalen gemäss Oberbegriff des Anspruches 1.

Typische Bohrloch-Radarsysteme arbeiten mit elektromagnetischen Wellen im Kurz- und Ultrakurzwellenbereich. Für diese Wellenlänge 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 ggf. auch gefaltete Dipole benutzt werden, siehe die US-PS 3 286 163. Soweit kompliziertere Antennen verwendet werden, z.B. eine Yagi-Anord-nung, siehe Fig. 4 der US-PS 3 286 163, wird dabei vorausgesetzt, dass die Antennenteile teleskopartig ausgefahren werden, so dass sie über die eigentliche Zylinderform der Sonde vorspringen. Eine solche Antennenanordnung 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 sog. Peilrahmen oder Richtempfangsanlagen in der Funktechnik bereits seit geraumer Zeit erfolgreich eingesetzt, siehe z.B. Handbuch für Hochfrequenz- und Elektro-Techniker, Band II, 1953, Seite 489 und 490. Wegen der relativ geringen induzierten Spannungen sind diese Rahmen durchweg 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 sog. Nullstelle, erzielen.

Zur Einfallsrichtungsbestimmung wird der Peilrahmen um die vertikale Achse gedreht, bis eine Nullstelle ausgemacht werden kann. Diese sog. Minimum-Peilung liefert wegen der steilen Charakteristik der Nullstellen die genauesten Ergebnisse. Wo ein drehbarer Peilrahmen aus konstruktiven oder elektischen 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.

Diese in der Funktechnik seit langem bekannten Einrichtungen und Verfahren konnten bisher für Bohrloch-Messver-fahren aus Raumgründen nicht benutzt werden.

Aus der GB-PS 2 123 214 ist ferner eine Antennenanordnung mit einer Kreuzrahmenantenne und einer Monopol-Rundempfangsantenne zur Richtungsbestimmung bekannt, die für übertägige Messanordnungen Verwendung findet.

Zur Abtrennung der Rundempfangsinformation ist ein Phasenschiebernetzwerk vorgesehen. Die Antennenanordnung ist für untertätige Einrichtungen nicht geeignet, da der elektrische Mittelpunkt der Antenne nicht in der Mitte der Anordnung liegt, sondern bei der effektiveren Antennenhöhe. Laufzeitverzerrung aufgrund vertikaler Reflektoren können daher beim Einsatz einer derartigen Antenne in Bohrlochsonden nicht ausgeglichen werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine einfache Antennenanordnung anzugeben, die nicht durch Laufzeitverzerrungen durch vertikal gerichtete Reflektoren be-einflusst ist und eine eindeutige Richtungsbestimmung empfangener Signale erlaubt.

Diese Aufgabe wird bei einer Bohrloch-Messeinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäss nach dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Eine Weiterausgestaltung des Erfindungsgegenstandes ist Gegenstand des abhängigen Patentanspruches 2.

Obwohl die Abmessungen üblicher Bohrlöcher wenig Spielraum zur Realisierung brauchbarer Antennenanordnungen geben, ermöglicht die Erfindung eine optimale Aus2

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nutzung dieses Raumes zur Ableitung brauchbarer Ergebnisse. Dieses Ergebnis wird erreicht, obwohl die Signale, deren Einfallsrichtung 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 «Vertikale» 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 aus den Figuren 1 bis 3 ersichtlichen, den Stand der Technik darstellenden Grundprinzip wird mittels der erfindungsgemässen Messeinrichtung eine wesentliche Verbesserung erreicht.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 das aus dem Stand der Technik her bekannte Grundprinzip in vereinfachter Darstellung einschliesslich der in der Sonde untergebrachten Schaltungsteile ;

Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung einer eine eindeutigere Richtungsangabe der Horizontalkomponente ermöglichende, dem Grundprinzip nach dem Stand der Technik gehörende Antennenanordnung;

Fig. 3 eine Darstellung der Signalwege bei einer Antennenanordnung nach Fig. 2 ;

Fig. 4 eine beispielsweise Ausführungsform einer erfindungsgemässen Bohrloch-Messeinrichtung einschliesslich der in der Sonde enthaltenen Schaltungselemente ; und

Fig. 5 ein zu der Messeinrichtung nach Fig. 4 gehörendes beispielsweise Auswertverfahren zur Bestimmung der Einfallsrichtung.

Ein in Fig. 1 nur zum Teil mit seinen Umrissen angedeuteter Sondenkörper I enthält eine Kreuzrahmenantenne 2 in der Weise, dass die senkrechten Spulenleiter 11 auf der Aus-senhaut des Sondenkörpers angebracht, insbesondere in flachen Nuten (nicht vorbekannt), des aus Isoliermaterial bestehenden Sondenkörpers 1 eingelassen sind. Die Querverbindungen zwischen den senkrechten Spulenleitern 11 werden durch druckdichte Durchführungen 12 in den inneren Hohlraum des Sondenkörpers 1 geführt. Das elektrisch gebrückte Spulende kann durch einen leitenden Aus-senring 13, der ebenso wie die senkrechten Spulenleiter in die Aussenhaut des Sondenkörpers 1 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 Symme-triertransformatoren 14a, 14b an asymmetrische Coaxiallei-tungen 15a bzw. 15b angepasst. Ein elektronisches Umschaltrelais 16 gestattet, die beiden Coaxialleitungen 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 Verstärkungseingang sind die Rahmen daher breitbandig leistungs-angepasst.

Da das Richtdiagramm einer Rahmenantenne eine 8-Kurve oder Doppelkreiskurve ist, ist die Richtungsbestimmung mit der Antenne gemäss Fig. 1 zweideutig, d.h. es

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ergeben sich zwei um 180° verschiedene Richtungsangaben. Für die genaue Bestimmung ist eine zusätzliche Messung erforderlich.

Die in Fig. 2 dargestellte Anordnung 20 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. Hierbei 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 Metallrohr 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 induzierte Signale laut Induktionsgesetz gegenüber dem von der Rundempfangsantenne 21 aufgenommenen elektrischen Feld um 90° 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 Impendanzwiderstand abgeschlossen, oder als Trigger-Signalquelle für die Aufnahmeapperatur verwendet werden, wie dargestellt. Ausser demTriggersignal, welches als Zeitreferenz für alle Aufnahmen dient, können über zwei Coaxialrelais 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 Symme-triertransformatoren 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 Ri und R2 gespiegelt werden, führt dazu, dass die Reflexionen, die von Ri bzw. R2 bei 20 und 21 aufgenommen werden, entsprechende Laufzeitdifferenzen aufweisen. Diese Laufzeitdifferenzen, die in Fig. 3 gegenüber einem mittleren Strahl mit At angegeben sind, müssen für jede einzelne Reflexion ermittelt und korrigiert werden.

Fig. 4 zeigt eine beispielsweise Ausführungsform einer erfindungsgemässen 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, dass die beiden Rahmenstrukturen 401,402 auch als Hälften einer Dipol-Rundempfangsantenne genutzt werden können.

Die Auskoppelschaltung 50 enthält Symmetriertransfor-matoren 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 andererseits, werden über je einen Summierübertrager 46

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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 Symmetriertrans-formators 45 im Gegentakt angeschlossen. Damit steht am Ausgang des Transformators 45 die elektrische Diffe-renz-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 eigentlichen Rahmen 401,402 können dann kürzer ausgeführt und mit zentrischen Verlängerungen 49 versehen werden, die an den neutralen Rahmenverbindungspunkten 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 90° Hybridkoppler vorgesehen.

Bei der Antennenanordnung nach Fig. 4 fallen aufgrund der baulichen Anordnung die Mittelpunkte von Rahmen-und Rundempfangsantenne exakt zusammen, so dass Laufzeitkorrekturen im Gegensatz zu den in den Figuren 1 und 2 dargestellten bekannten Ausführungsformen 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 geografische Ausrichtung der Sonde muss für jeden Messpunkt festgestellt werden, um eine Einordnung der Einfallsrichtung der reflektierenden Schichten in geogra-f ischen Koordinaten zu ermöglichen. Hierfür 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. 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 Empfangsspannung 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 Empfangsignals 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 Signalüberlagerung 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 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 Rahmensignales ermittelt und zusammen mit dem Rundempfangssignal dargestellt. Sind beide Signale überwiegend gleichphasig, so ist die Einfallsrichtung gleich dem Nullsignalwinkel +90°, sind die Signale gegenphasig, so ist die Einfallsrichtung gleich dem Nullsignalwinkel —90°.

Dieses Verfahren erlaubt, die mit einer Anordnung nach Fig. 2 oder Fig. 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 in bestimmter Orientierung zur Nordrichtung in 15° Schritten die entsprechenden vektoriell addierten Rahmenantennensignale aufgezeichnet. An geeigneter Stelle (51a, 51b) ist das Dipolenempfangssignal um 180° 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.

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5 Blatt Zeichnungen

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1. Bohrloch-Messeinrichtung zur Aufnahme von Radarsignalen mit einer Antennenanordnung, die Bestandteil eines Sondenkörpers ist und mit einer an die Antennenanordnung angeschlossenen Auswerteapparatur verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kreuzrahmenantenne mit rechtek-kigen gestockten Doppelrahmen (401,402) vorgesehen ist, deren Längsachsen im wesentlichen mit der Längsachse des Sondenkörpers (410) zusammenfallen und deren zur Längsachse parallele Leiterabschnitte (411) in flachen Nuten auf der Aussenfläche des aus isolierendem Material bestehenden Sondenkörpers (410) angeordnet sind, und dass die Antennenanordnung mittels eines Auskoppelnetzwerkes gleichzeitig eine Dipolantenne mit Rundempfangcharakteristik bildet, die koaxial zur Achse der Kreuzrahmenantennen angeordnet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Längsachse des Sondenkörpers parallelen Leiterabschnitte an den vom Anschluss zur Aufnahmeapparatur abgekehrten Enden durch jeweils für beide Rahmen der Kreuzrahmenantennen gemeinsame Aussen-ringe (413) verbunden sind, dass die Querverbindungen zwischen den zur Längsachse parallelen Leiterabschnitten durch druckdichte Durchführungen (412) in den Innenraum des Sondenkörpers (410) geführt sind, und dass die Speiseleitung der Antenne durch ein Rohr (48) in der Achse der Kreuzrahmenantenne (40) geführt ist, die der Aufnahmeapparatur am nächsten liegt, wobei das Auskoppelnetzwerk zwischen den gestockten Doppelrahmen angeordnet ist und die Querverbindungen (424) der zur Längsachse parallelen Leiterabschnitte (411) ringförmig (425) um das Rohr herumgeführt sind.