DE102006059204B4 - Verfahren und Anlage zur Messung des Erdmagnetfeldes auf offener See - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Messung des Gradienten des Erdmagnetfeldes in seinen Komponenten auf offener See, bei dem
– hinter einem in Fahrt befindlichen Schiff mittels einer längeren Leine zwei hintereinander schwimmende, durch eine kürzere Leine verbundene Schwimmkörper (11, 13) geschleppt werden,
– die jeder ein hochgenaues Vektormagnetometer mit Lagesensoren (2) in sich tragen,
– nach einer mathematischen Rotation von Meßwerten der Vektormagnetometer mittels Messwerten der Lagesensoren (2) in ein Standard-Koordinatensystem in dem Standard-Koordinatensystem der Gradient einzeln für die vektoriellen Anteile des Erdmagnetfeldes berechnet wird und
– daraus ebenfalls einzeln für jeden Vektor das Erdmagnetfeld durch Integration rekonstruiert wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Messung des Gradienten des Erdmagnetfeldes auf offener See.
• Für Messungen der Stärke und der Richtung des Erdmagnetfeldes werden unter anderem Vektormagnetometer genutzt. Sie bestehen aus drei orthogonal zueinander angeordneten Fluxgatemagnetometern, die üblicherweise in einer kompakten Einheit zusammengefasst werden. Bei Messungen auf dem Meer muß das Magnetometer an einem langen Kabel hinter dem Schiff geschleppt werden, um außerhalb des magnetischen Eigenfeldes des Schiffes messen zu können. Zur Bestimmung der drei senkrecht zur Erdoberfläche, nach Norden und nach Osten weisenden Anteile des Erdmagnetfeldes muß das Magnetometer mit Sensoren ausgerüstet sein, die die Rekonstruktion der Lage des Magnetometers im Raum zu jedem Zeitpunkt ermöglichen.
• Magnetische Messungen auf dem Meer werden als Standardverfahren sowohl in der Grundlagenforschung als auch in der Rohstoffsuche eingesetzt. Vor allem bei letzterer interessiert ausschließlich das Magnetfeld der Erdkrustengesteine (Krustenfeld), welches Rückschlüsse auf geologische Strukturen und den Gehalt der Gesteine an bestimmten Mineralien zulässt. Um das Krustenfeld zu bestimmen, müssen von den Messwerten die Anteile des erdmagnetischen Hauptfeldes mit Quellen im tiefen Erdinnern und die vor allem aus der Ionosphäre stammenden äußeren Anteile des Erdmagnetfeldes abgezogen werden. Während der Abzug des Hauptfeldes mit geeigneten mathematischen Modellen kein Problem ist, stellt der Abzug der zeitlich veränderlichen äußeren Anteile eine erhebliche Herausforderung dar.
• Für Messungen auf dem Meer hat sich für diesen Zweck die Technik der longitudinalen Gradientenmessung als geeignet erwiesen. Dabei werden zwei identische Magnetometer in einem großen Abstand vom Schiff und mit einem kleineren Abstand untereinander geschleppt und betrieben. Als Differenz zwischen den gleichzeitigen Messungen der beiden Magnetometer wird ein Gradient errechnet, der seine Ursache in den Veränderungen des Erdmagnetfeldes entlang der Meßstrecke hat. Die äußeren Anteile sind wegen der großen Entfernung ihrer Quellen von der Erdoberfläche über die kurze Distanz zwischen den beiden Magnetometern praktisch identisch am Ort beider Magnetometer und heben sich bei der Differenzbildung auf. Deshalb kann durch Integration des Gradienten ein Magnetfeld am Ort der Messung rekonstruiert werden, in dem die äußeren Anteile nicht mehr enthalten sind.
• Die Gradientenmethode erfordert hochgenaue und sehr basisstabile Magnetometer. Für diesen Zweck Protonenpräzessionsmagnetometer oder Overhausermagnetometer einzusetzen, ist vorteilhaft. Diese Magnetometertypen können bedingt durch ihr Messprinzip nur die Stärke des Erdmagnetfeldes als skalaren Zahlenwert bestimmen. Infolgedessen enthält das aus dem Gradienten rekonstruierte Magnetfeld jedoch keine Richtungsinformation.
• BARCKHAUSEN, U. et al., „A new towed marine vector magnetometer: methods and results from a Central Pacific cruise", In: Geophysical Research Abstracts, 2006, Band 8, 02680, 2 S., als Abstract zu einem Vortrag und der dazu gehaltene Vortrag beziehen sich auf eine Messanordnung zum Messen des Erdmagnetfeldes, bei der ein Vektormagnetometer und ein Lagemessgerät in einem Schwimmkörper hinter einem Schiff gezogen werden. Dadurch ist das Erdmagnetfeld mit drei zueinander orthogonalen Richtungskomponenten vektoriell erfassbar. Jedoch sind die vektoriellen Komponenten der Messgröße insbesondere durch zeitlich variierende Einflüsse des Sonnenwindes unterschiedlich stark gestört. In beidseits zu dem Schwimmkörper mit dem Vektormagnetometer beabstandeten Schwimmkörpern ist jeweils ein Overhauser Magnetometer zur Messung eines skalaren Magnetfeldwertes angeordnet. Mittels der Gradientenmethode wird in bekannter Art und Weise der Gradient für das Totalfeld berechnet. Aus der Differenz des berechneten Totalfeldes und den Messwerten eines einzelnen Overhauser Magnetometers kann der zeitlich variierende Verlauf des Magnetfeldes bestimmt werden. Somit werden zwei eigenständige Messungen durchgeführt. Abhängig von der Stärke der zeitlich variierenden Einflüsse werden für eine weitere Auswertung entweder die Ergebnisse der Messung mit dem Vektormagnetometer bei geringer Störung oder aber die Ergebnisse des Gradienten für das Totalfeld verwendet.
• SeaSPY Overhauser Magnetometer Technical Application Guide, 2002, Marine Magnetics Corp., beschreibt als Betriebsanleitung ein solches Overhauser Magnetometer. Dabei handelt es sich um ein Skalargradiometer mit Totalfeldsensoren, welche im Gegensatz zu einem Vektorgradiometer keine Komponenten messen.
• ALLEN, G. I. et al., „Initial Evaluation of the New Real-time Tracking Gradiometer Designed for Small Unmanned Underwater Vehicles", In: OCEANS, 2005, Proc. of MTS/IEEE, Band 3, S. 1956–1962 beschreibt einen Schwimmkörper mit Fluxgate-Magnetometeranordnungen und eine damit durchgeführte Messung. Die Fluxgate-Magnetometeranordnungen sind aus drei mit kleinskaligem Abstand und orthogonal zueinander angeordneten Fluxgatemagnetometern aufgebaut. Es erfolgt keine direkte Komponentenauswertung, sondern es wird eine indirekte Komponenteninformation geliefert.
• US 4,427,943 A beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Nachverfolgen von Objekten unter Wasser, wobei solche Objekte ein intrinsisches Magnetfeld haben oder solche Objekte eine erfassbare Störung eines extrinsischen Magnetfeldes wie dem Erdmagnetfeld verursachen. Mit einem geschleppten System, an dem kleinskalig ein bzw. zwei Paare von Vektormagnetometern angebracht sind, wird ein Gradiometer ausgebildet. Ausgewertet werden damit allein das Totalfeld in Form einer Totalfelddifferenz beider Magnetometer, eine Summe beider Totalfelder und deren Verhältnis. Es handelt sich somit nur um nur eine Sonde, wobei keine Komponenten ausgewertet werden.
• US 4,739,262 A beschreibt eine Anordnung, bei der zwei Schwimmkörper im Abstand von ca. 450 m bzw. 600 m hinter einem Schiff geschleppt werden. In den Schwimmkörpern sind Magnetometer angeordnet. Ein Auswerteverfahren ermöglicht die Bestimmung des horizontalen magnetischen Gradienten des Erdmagnetfeldes, wobei zeitliche Variationen herausgerechnet werden. Die Anordnung und Verfahrensweise dienen insbesondere zur Beseitigung von Störfeldern durch das Schiffsfeld auf die einzelnen Magnetometer. Es handelt sich weder um ein Vektormagnetometer noch um ein Vektorgradiometer.
• WO 2006/055020 A1 beschreibt für den Einsatz auf offener See einen Schwimmkörper mit einer Anordnung zum Messen elektrischer bzw. tellurischer Ströme. Außerdem kann ein magnetischer Totalfeldsensor angebracht werden.
• WO 03/052460 A1 beschreibt ein Verfahren zum Verarbeiten mariner magnetischer Gradientendaten, welche mittels zweier hinter einem Schiff geschleppter Sensoren ermittelt werden. Gegenstand ist insbesondere ein Verfahren zur Beseitigung von Störfeldern durch das Schiffsfeld auf die einzelnen Sensoren.
• Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine auf offener See einsetzbare Messmöglichkeit des Erdmagnetfeldes in seinen Komponenten zu schaffen, bei der die zeitlich veränderlichen äußeren Anteile eliminiert werden.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 bzw. durch die Anlage mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 5. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.
• Diese Aufgabe wird insbesondere dadurch gelöst, dass man hinter einem in Fahrt befindlichen Schiff mittels einer längeren Leine zwei hintereinander schwimmende, durch eine kürzere Leine mit einander verbundene Schwimmkörper herschleppt, die jeder ein hochgenaues Vektormagnetometer mit Lagesensoren in sich tragen, dass man nach einer mathematischen Rotation von deren Messwerten in ein Standard-Koordinatensystem den Gradienten einzeln für die vektoriellen Anteile des Magnetfeldes berechnet und daraus ebenfalls einzeln für jeden Vektor das Magnetfeld durch Integration rekonstruiert. Mit anderen Worten wird dabei als Zwischenschritt jeweils ein eigener Gradient des Magnetfelds pro Richtungskoordinate berechnet.
• Indem für die Gradientenmessung zwei hochgenaue Vektormagnetometer mit Lagesensoren eingesetzt werden, erhält man nach der mathematischen Rotation der Messwerte in ein Standard-Koordinatensystem durch Berechnung den Gradienten einzeln für die vektoriellen Anteile des Magnetfeldes und daraus dann ebenfalls einzeln für jeden Vektor durch Integration das rekonstruierte Magnetfeld. Als Ergebnis erhält man den Verlauf des Magnetfeldes entlang der Messlinie mit der vollständigen Information über seine Stärke und Richtung ohne die zeitlich variablen äußeren Anteile des Erdmagnetfeldes. Der Informationsgehalt ist gegenüber einer Messung nur der Stärke des Magnetfeldes erheblich höher und ermöglicht die Anwendung einer Fülle von zusätzlichen Auswerteverfahren.
• Diese bei geologischen und geophysikalischen Untersuchungen zustande gekommene Erfindung ist nicht nur auf das Gebiet der Geologie und ihrer Anwendungen beschränkt. Es kommen auch Anwendungen z. B. bei der Suche nach Rohstoffen, Schiffswracks und in der Unterwasser-Archäologie in Frage. Die geschleppten Vektormagnetometer bestehen aus einem dreiachsigen Fluxgatemagnetometer, zweiachsigen Lagesensoren, einer Uhr und einer Rechnereinheit für das interne Prozessing zur Übertragung und zur internen Aufzeichnung der Daten. Diese Einheiten sind in ein geeignetes wasser- und druckdichtes Gehäuse eingebaut, welches vorne und hinten Anschlüsse für die Kabel zur Stromversorgung und Datenübertragung hat.
• Um zwei Vektormagnetometer zu einem marinen Vektorgradiometer zu kombinieren, werden diese durch ein geeignetes Kabel (Zwischenkabel) von 150 Meter Länge verbunden, über das auch die Stromversorgung und die bidirektionale Datenübertragung stattfinden. Die miteinander verbundenen Vektormagnetometer werden an einem ca. 750 Meter langen Kabel (Hauptkabel) hinter einem Schiff geschleppt. Dieses Kabel dient in gleicher Weise wie das Zwischenkabel der Stromversorgung und der bidirektionalen Datenübertragung. Zu dem Gesamtsystem gehören auf dem Schiff eine satellitengestützte Positionsbestimmung, eine Stromversorgung und eine Rechnereinheit zur Datenübertragung und Datenerfassung.
• Diese Kabel können der Messwerteübertragung von den Meßgeräten in den Schwimmkörpern auf das schleppende Schiff und/oder der Stromversorgung der Messgeräte und auch als Leinen zum Schleppen der Schwimmkörper dienen.
• Die Schwimmkörper kann man mit weiteren Messgeräten wie einem Zeitmesser und/oder Tiefenmessgerät und/oder Sichtgeräte der Grundbeschaffenheit ausrüsten.
• In der Praxis hat man zwischen dem ziehenden Schiff und dem ersten Schwimmkörper eine Leinenlänge von 750 Metern und zwischen den beiden Schwimmkörpern eine Leinenlänge von 150 Metern mit Erfolg benutzt.
• Das Wesen der Erfindung ist nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
• 1 einen als Sensor dienenden gezogenen Schwimmkörper.
• 2 die Anlage zur Messung des Erdmagnetfeldes.
• In 1 ist der torpedoartig geformte Schwimmkörper dargestellt, der in seinem Inneren ein dreiachsiges Fluxgate Magnetometer 1, einen zweiachsigen Lagesensor 2, einen Zeitmesser 3, eine Vorrichtung zur internen Datenaufzeichnung 4 und verdrillte Drähte 5 zur Weiterleitung von Messdaten eines weiteren angehängten Schwimmkörpers an das die Schwimmkörper schleppende Schiff in sich aufnimmt.
• 2 stellt die gesamte Anlage zur Messung des Erdmagnetfeldes dar:
  An den Heckaufbau 14 des die Schwimmkörper 11, 13 ziehenden Schiffes ist ein 750 m langes Kabel 10 angehängt, das den als ersten Sensor dienenden Schwimmkörper 11 zieht, an den der als zweiter Sensor dienende Schwimmkörper 13 über ein 150 m langes Kabel angehängt ist.
• Im Inneren des Heckaufbaues 14 ist eine Vorrichtung 6 zur Positionsbestimmung, ein Strom erzeugendes Aggregat 7, eine Vorrichtung 8 zur bidirektionalen Datenübertragung und eine Vorrichtung 9 zur Datenerfassung untergebracht, mit deren Hilfe das am jeweiligen Ort der Fahrstrecke herrschende Erdmagnetfeld ermittelt und in seinen Daten ausgewertet und gespeichert wird.

Claims (9)

1. Verfahren zur Messung des Gradienten des Erdmagnetfeldes in seinen Komponenten auf offener See, bei dem – hinter einem in Fahrt befindlichen Schiff mittels einer längeren Leine zwei hintereinander schwimmende, durch eine kürzere Leine verbundene Schwimmkörper (11, 13) geschleppt werden, – die jeder ein hochgenaues Vektormagnetometer mit Lagesensoren (2) in sich tragen, – nach einer mathematischen Rotation von Meßwerten der Vektormagnetometer mittels Messwerten der Lagesensoren (2) in ein Standard-Koordinatensystem in dem Standard-Koordinatensystem der Gradient einzeln für die vektoriellen Anteile des Erdmagnetfeldes berechnet wird und – daraus ebenfalls einzeln für jeden Vektor das Erdmagnetfeld durch Integration rekonstruiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man als Leinen Kabel (10, 12) der Messwerteübertragung von den Meßgeräten in den Schwimmkörpern auf das schleppende Schiff und/oder der Stromversorgung der Messgeräte benutzt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man die Schwimmkörper (11, 13) mit weiteren Messgeräten wie einem Zeitmesser (3) und/oder Tiefenmessgerät und/oder Sichtgeräten der Grundbeschaffenheit ausrüstet.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man zwischen dem ziehenden Schiff und dem ersten Schwimmkörper (11) eine Leinenlänge von 750 Metern und zwischen den beiden Schwimmkörpern (11, 13) eine Leinenlänge von 150 Metern benutzt.
5. Anlage zur Messung des Gradienten des Erdmagnetfeldes in seinen Komponenten auf offener See, wobei – hinter einem in Fahrt befindlichen Schiff zwei hintereinander schwimmende, von dem Schiff mittels einer längeren Leine gezogene, ihrerseits durch eine kürzere Leine mit einander verbundene Schwimmkörper (11, 13) befindlich sind, – die jeder ein hochgenaues Vektormagnetometer mit Lagesensoren (2) in sich tragen, – und eine Vorrichtung (9) zur Datenerfassung vorgesehen ist, zum mathematischen Rotieren von erzielten Messwerten der Vektormagnetometer in ein Standard-Koordinatensystem mittels Messwerten der Lagesensoren (2), danach zum Berechnen des Gradienten einzeln für die vektoriellen Anteile des Erdmagnetfeldes in dem Standard-Koordinatensystem – und zum Rekonstruieren des Erdmagnetfeldes aus dem einzeln für die vektoriellen Anteile des Magnetfeldes berechneten Gradienten ebenfalls einzeln für jeden Vektor des Erdmagnetfeldes durch Integration.
6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Leinen Kabel (10, 12) der Messwerteübertragung von den Meßgeräten in den Schwimmkörpern (11, 13) auf das schleppende Schiff und/oder Kabel der Stromversorgung der Messgeräte benutzt sind.
7. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwimmkörper (11, 13) mit weiteren Messgeräten wie einem Zeitmesser (3) und/oder Tiefenmessgerät und/oder Sichtgeräten der Grundbeschaffenheit ausrüstet sind.
8. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ziehenden Schiff und dem ersten Schwimmkörper (11) eine Leinenlänge von 750 Metern und zwischen den beiden Schwimmkörpern (11, 13) eine Leinenlänge von 150 Metern benutzt ist.
9. Anlage nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei der die Vorrichtung (9) zur Datenerfassung im Schiff angeordnet ist.