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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auffinden elektrisch leitfähiger Gegenstände unter einer Bodenoberfläche und insbesondere zur Kampfmittelsuche sowie eine dementsprechende Vorrichtung.
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Aus dem Stand der Technik sind diverse Ansätze zum Auffinden elektrisch leitfähiger Gegenstände bekannt, die unter einer Bodenoberfläche verborgen liegen. Hierbei bilden Verfahren und Vorrichtungen zur Kampfmittelsuche Einsatzfelder von besonders hoher Bedeutung. Als Kampfmittel sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorrangig Blindgänger und Zerscheller bzw. sog. Teil-Detonierer explosiver Geschosse und Flieger-Bomben zu verstehen, wobei von allen genannten Gruppen auch nach vielen Jahrzehnten erhebliche Gefahren für Mensch und Umwelt ausgehen können.
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Unter anderem haben sich Ansätze zur Induktion elektromagnetischer Pulse als Mittel zur Lokalisierung metallischer, und damit eben auch nicht-ferromagnetischer Gegenstände bewährt, da sie einer reinen magnetischen Sondierung in wesentlichen Punkten überlegen sind. Bei einer derartigen Kampfmittelsuche werden elektromagnetische Pulse über eine Erregerspule in eine i.d.R. über Geo-Koordinaten exakt bestimmte Fläche in den Boden hinein ausgesendet. Über eine Empfängerspule wird dann eine elektromagnetische Impulsantwort gemessen, die aufgrund von Wirbelströmen in metallischen Objekten in Reaktion auf einen elektromagnetischen Anregungs-Puls ausgesendet wird. Anhand dieser Impulsantwort kann grundsätzlich eine Abschätzung einer Größe sowie einer Lage und Tiefe eines metallischen Materials getroffen werden. Ein zeitliches Abklingverhalten der Impulsantwort kann u.a. als Hinweis auf eine Dicke einer metallischen Schicht herangezogen werden, siehe u.a. Technical Note TN-7, „Applications of transient electromagnetic techniques“ von J.D. McNeill, Geonics Ltd. Ontario, Kanada.
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Aus der
WO 00/00 848 A1 ist ein Metalldetektor zum Lokalisieren von Metallobjekten unter einer Oberfläche durch Induktion bekannt, der zum Lokalisieren und Abschätzen von Form und Größe eines Metallobjekts unter Verwendung mehrerer orthogonal zueinander stehender Erregerspulen sowie als Differenzmess-Spulen verschalteten Empfängerspulenpaaren ausgebildet ist.
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Die
WO 96/11 414 A1 offenbart zu diesem Zweck einen Sensor, der mindestens eine Erregerspule und mindestens eine darin angeordnete Gradientenspule umfasst und auf einer Kreisbahn drehbar angeordnet ist.
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Ferner ist aus der
US 5 629 626 A eine mobile Plattform bekannt, die mit einer Vielzahl von Magnetometern in einer vorbestimmten Anordnung zum Erfassen von Orts- und Magnetfeldintensitätsdaten mit einer Geschwindigkeit von ca. 10 m/s über eine Oberfläche bewegt wird.
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US 2002/0 163 346 A1 offenbart ein bewegtes System mit mehreren Sende- und Empfangsspulen, die unterschiedliche Größen und Abstände zueinander aufweisen können sowie in unterschiedlichen Ebenen angeordnet sein können. Von einer jeweiligen Anordnung wird eine spektrale Übertragungsfunktion über einen ausgewählten Frequenzbereich als Referenzübertragungsfunktion erzeugt und gespeichert, um nachfolgend anhand gemessener Übertragungsfunktionen Abweichungen aufzufinden, die abhängig von der Anwesenheit von Metall in der jeweils überstrichenen Umgebung sind.
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Aus der
WO 2014/159 126 A1 ist ein Verfahren und eine bewegbare Detektionsvorrichtung bekannt, bei dem unter Anwendung eines Puls-Induktionsverfahrens jeweils der Reihe nach eine Sendespule einen magnetischen Impuls in den Untergrund sendet und alle einer Mehrzahl von 3D-Empfängern orthogonale Komponenten eines abklingenden elektro-magnetischen Antwortsignals für eine nachfolgende rechnergestützte Auswertung auffangen.
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Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu einer weiteren Verbesserung der Detektionsmöglichkeiten mit dem Ziel einer weitergehenden Charakterisierung eines elektrisch leitfähigen Gegenstandes bei reduziertem Aufwand zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 durch ein Verfahren zum Auffinden elektrisch leitfähiger Gegenstände unter einer Bodenoberfläche und insbesondere zur Kampfmittelsuche unter Verwendung einer Erregerspule zum Aussenden elektromagnetischer Pulse über eine anhand von Geo- bzw. Orts-Koordinaten exakt bestimmte Fläche in einen Boden hinein, wobei über einen Empfänger eine elektromagnetische Impulsantwort gemessen wird, die aufgrund von Wirbelströmen in einem metallischen Objekt in Reaktion auf den elektromagnetischen Puls ausgesendet wird, gelöst, bei dem ein nur in z-Richtung ausgerichtetes elektromagnetisches Primärfeld durch Anregung einer in einer x-y-Ebene verlaufenden bzw. liegenden Erregerspule erzeugt wird, wobei mehrere 3D-Empfängerspulen im Wesentlichen in der x-y-Ebene der Erregerspule verteilt zur Aufnahme einer jeweiligen lokalen Impulsantwort am Ort einer jeweiligen 3D-Empfängerspule verwendet werden und die Erregerspule und die 3D-Empfängerspulen als Einheit bewegt und die Impulsantworten mit ihrem Abklingverhalten in den drei Raumachsen unter exakter Erfassung der aktuellen Ortskoordinaten gespeichert und/oder ausgewertet werden. Erfindungsgemäß wird also ein elektro-magnetisches Feld im Boden über einer zu untersuchenden Fläche durch eine Anregung nur einer Sendespule erzeugt, wobei das Feld über dieser Fläche nur in z-Richtung ausgerichtet ist. Dazu liegt diese Sendespule in einer x-y-Ebene. Das Magnetfeld weist bekannterweise geschlossene Feldlinien mit im Wesentlichen elliptischem Verlauf und zudem einen Intensitäts-Abfall mit der dritten Potenz der Entfernung auf. Dieses Feld verursacht eine Anregung eines metallischen Störkörpers im Boden, die je nach Abstand und Position relativ zu der Sendespule Komponenten in x-, y- und/oder z-Richtung aufweist. Daher umfasst eine Impulsantwort eines metallischen Störkörpers damit auch bei Anregung nur in z-Richtung i.d.R. Komponenten in allen drei Raumrichtungen. Die drei Komponenten einer Impulsantwort sind in einer 3D-Empfängerspule, auch als 3-Achs-Empfängerspulenwürfel bezeichnet, unabhängig und getrennt voneinander mit ihrem Abklingverhalten messbar. Anhand dieser gemessenen Komponenten der Impulsantwort und ihren jeweiligen Intensitäten in den drei Raumrichtungen bzw. Achsen und einem jeweiligen Abklingverhalten ist ein Rückschluss auf eine Raumform des metallischen Objektes sowie dessen Lage im Raum möglich. An unterschiedlichen Positionen zur Messung positioniert zeigen 3D-Empfängerspulen grundsätzlich unterschiedliche Impulsantworten auf ein und denselben Sendeimpuls. Damit werden grundsätzlich in einem Durchgang bei Anregung durch nur einen Impuls aus einer Sendespule parallel so viele Messungen durchgeführt, wie 3D-Empfängerspulen in der x-y-Ebene über die Fläche verteilt angeordnet sind. Damit wird erheblich an Zeit und Energie für eine erneute Positionierung einer einzelnen Empfängerspule mit wiederholtem Erzeugen eines Sendeimpulses eingespart.
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Durch eine Mehrzahl solcher 3-dimensionalen Auswertungen auf Basis mehrerer in der x-y-Ebene zur Aufnahme der jeweiligen Impulsantworten über die Fläche verteilt angeordneter 3D-Empfängerspulen wird in einem einzigen Messintervall eine Vielzahl von Impulsantworten zu den jeweiligen Positionen innerhalb der abgedeckten Fläche erhalten, wobei mehrere in der x-y-Ebene innerhalb und außerhalb der Erregerspule angeordnete 3D-Empfängerspulen verwendet werden. Damit wird je Messintervall an einem Ort einem größeren Flächen-Bild einer möglichen Belastung durch Kampfmittel und anderen metallischen Objekten nicht nur ein Mosaik-Steinchen zugefügt, sondern es wird mit nur einer Messung in verfeinerter Auflösung über die Fläche hinweg gleich eine Anzahl von kleinerer Mosaik-Steinchen mit Teil-Informationen gewonnen, wobei diese Anzahl der Zahl der über die Fläche verteilt angeordneten 3D-Empfängerspulen entspricht. Damit ist im Zuge einer Auswertung dieser Teilinformationen eine Raumform des metallischen Objektes mit erhöhter Zuverlässigkeit feststellbar. Neben einer Information über eine Tiefe und Lage im Raum bzw. Boden ist dabei auch eine Angabe über eine zylindrische oder Kegelstumpf-förmige Außenkontur mit gewissen Längen und Durchmesserverhältnissen ein ganz wesentliches Indiz für einen Blindgänger, während Abweichungen von einer Rotationssymmetrie auf einen Teil-Detonierer bzw. Zerscheller oder weitgehend fehlende Symmetrie auf als unkritisch anzusehende Metallteile schließen lassen. Es ist so der Schritt von einer reinen Sondierung nach Kampfmitteln in einer Fläche hin zu einer Detektion mit Charakterisierung aufgefundener metallischer Störkörper als mögliche Kampfmittel vollzogen worden.
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Da die 3D-Empfängerspulen im Wesentlichen in der x-y-Ebene der Erregerspule verteilt angeordnet sind, wird diese Anordnung als mechanisch kompakte Einheit bewegt, wobei mehrere in der x-y-Ebene gegeneinander versetzt und nur teilweise überlappend angeordnete Erregerspulen zeitlich gegeneinander versetzt aktiviert werden. Im Zuge dieser Bewegung werden die Impulsantworten bei exakter Erfassung der aktuellen Ortskoordinaten je 3D-Empfängerspule in Form dreier Signale gespeichert und/oder ausgewertet. Wie nachfolgend noch im Detail anhand eines Ausführungsbeispiels der Erfindung beschrieben wird, so erlauben die zeitlich vergleichsweise kurzen Anregungen durch das Primärfeld der Sendespule mit den zu messenden Impulsantworten die Realisierung eines quasi-stationären Messverfahrens. Mit anderen Worten gesagt wird die Einheit aus der Erregerspule mit den in der x-y-Ebene der Erregerspule verteilt angeordneten 3D-Empfängerspulen als mechanische Gesamtheit und insbesondere starre Anordnung während der laufenden Messungen mit Geschwindigkeiten von ca. 0,5 m/s und sogar höheren Geschwindigkeiten bewegt bzw. verfahren.
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Als Lösung der genannten Aufgabe weist eine Vorrichtung zur Kampfmittelsuche dementsprechend auf:
- * eine in einer x-y-Ebene liegende Erregerspule zur Erzeugung eines elektromagnetischen Primärfeldes nur in z-Richtung, die zum Aussenden elektromagnetischer Pulse über eine anhand von Geo- bzw. Orts-Koordinaten exakt bestimmte Fläche in einen Boden hinein vorgesehen ist und
- * mehrere im Wesentlichen in der x-y-Ebene der Erregerspule verteilt angeordnete 3D-Empfängerspulen, die zur gleichzeitigen und voneinander unabhängigen elektrischen Aufnahme der drei räumlichen Komponenten einer jeweiligen lokalen Impulsantwort in Form getrennter Signale sowie deren jeweiligen zeitlichen Abklingverhalten ausgebildet sind,
- * wobei die Erregerspule und die 3D-Empfängerspulen mit einer Einrichtung zur exakten Erfassung der Ortskoordinaten zusammen eine bewegte bzw. bewegliche Einheit bilden und diese Einheit mit einer Einrichtung zur Speicherung und/oder Auswertung der Impulsantworten verbunden ist. Die x-y-Ebene der Sendespule liegt dabei zur Erhöhung der Effizienz selbstverständlich soweit als möglich auf der Bodenoberfläche auf, wobei die x-y-Ebenen, in denen die 3D-Empfängerspulen angeordnet sind, im Wesentlichen der x-y-Ebene der Sendespule entsprechen. Aufgrund der endlichen Abmessungen der angesprochenen Komponenten ist es praktisch aber kaum möglich, dass alle Bestandteile genau in einer gemeinsamen x-y-Ebene auf der Bodenoberfläche liegen, die zudem noch bewegt wird. Auch hierzu wird auf nachfolgend noch beschriebene Abbildung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung mit ergänzenden Erklärungen verwiesen.
- * in der x-y-Ebene mehrere 3D-Empfängerspulen innerhalb und außerhalb der Erregerspule angeordnet sind, so dass mehrere in einer x-y-Ebene innerhalb und außerhalb der Erregerspule bzw. einer von der Erregerspule umschlossenen Fläche angeordnete 3D-Empfängerspulen verwendet werden. Damit wird ein zur Auswertung einer Impulsantwort nutzbarer Bereich über die Dimension der jeweiligen in z-Richtung abstrahlenden Erregerspule hinaus ausgeweitet. Diese zusätzlichen Messpunkte können durch eine effektive Vergrößerung einer untersuchbaren Fläche ein Ergebnis verbessern und so zur Klärung der Raumform eines metallischen Objektes und damit zu einer sichereren Charakterisierung schon im Zuge der Auswertung eines einzigen Anregungsimpulses beitragen.
- * mehrere Erregerspulen vorgesehen sind, die zur zeitlich gegeneinander versetzten Aktivierung ausgebildet sind,
- * in der x-y-Ebene mehrere Erregerspulen gegeneinander versetzt und nur teilweise überlappend angeordnet sind.
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Zur Verbesserung der Abdeckung und Untersuchung einer bestimmten Fläche sind in der x-y-Ebene mehrere Erregerspulen gegeneinander versetzt angeordnet und vorzugsweise zur zeitlich gegeneinander versetzten Aktivierung ausgebildet. Unter Verwendung von Zeitschlitzen wird damit eine gegenseitige Beeinflussung oder Verfälschung von Messergebnissen durch räumlich versetzte Anregungsimpulse vermieden. Im Rahmen eines vorstehend erwähnten quasi-stationären Verfahrens ist ein Durchlauf eines Mess-Zyklus bestehend aus dem Aussenden eines Primärimpulses und Aufnahme von Impulsantwort so kurz, dass zeitlich direkt anschließend unter Abdeckung im Wesentlichen derselben Fläche mindestens eine weitere Anregung durch eine relativ zu der betreffenden Untersuchungsfläche versetzt angeordneten Erregerspule durchführbar ist. Die flächig angeordneten 3D-Empfängerspulen bleiben gegenüber einer vorausgehenden Messung quasi ortsfest, um nun bei geänderter Anregung neue Impulsantworten aufzunehmen.
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Mehrere Erregerspulen sind in der x-y-Ebene teilweise überschneidend bzw. überlappend angeordnet, wobei eine zeitlich serielle Aktivierung der mehreren Erregerspulen in x-y-Ebene besonders vorteilhaft ist, die insbesondere unter Beachtung einer für die jeweiligen Impulsantworten erforderliche Messzeit durchgeführt wird. Vorteilhafterweise ist das System aus mehreren Erregerspulen und mehreren Empfängerspulen dazu ausgebildet, seine Messaufgabe in Bewegung als quasi-statischer Mess-Betrieb auszuführen. Damit wird ein Bodenraum unter einer jeweils zu untersuchenden Fläche quasistatisch und zudem in gewisser Weise unter verschiedenen Winkeln angeregt. Ein Durchschalten aller Erregerspulen mit Aufnahme der jeweiligen Impulsantworten ist dabei immer noch schnell im Vergleich zu einer Ortsänderung bzw. Geschwindigkeit von mehr als ca. 0,5 m/s. Damit werden Ergebnisse bei ausreichend hoher Präzision einer jeweilig zugeordneten Geo-Position erzielt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche. Demnach wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung durch die zeitlich versetzte Ansteuerung der Erregerspulen in einem regulären Messbetrieb eine fast kreisförmige Bewegung von Anregungspulsen über fast die gesamte durch einen Rahmen gebildete Flache erzeugt.
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Die Erregerspulen und die 3D-Empfängerspulen bilden vorteilhafterweise eine kompakte sowie ihrer Flächenabdeckung und mechanischen Steifigkeit zum Trotz leichtgewichtige elektro-mechanische Einheit. Eine derartige Einheit wird in einer Weiterbildung in Form eines Moduls auch zur Anpassung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung an größere Arbeitsbreiten durch Vervielfachung bei entsprechender elektrischer Verschaltung und mechanischer Stabilisierung genutzt. In diesem Sinne ist das vorstehend beschriebene System als Einheit modular aufgebaut. Insbesondere darauf aufbauend ist ein System realisierbar, das durch Klapp- und/oder Faltmechanismen eine kompakte Transportstellung außerhalb seines aktiven Einsatzes einnimmt.
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Vorzugsweise ist ein System der vorstehend beschriebenen Art für einen Einsatz an Land, zu Wasser bzw. unter Wasser direkt über oder auf dem Grund oder aber aus der Luft einsetzbar. Neben Bomben und Minen können damit auch Seeminen oder Torpedos aufgespürt werden. Damit sind auch Messungen in definiertem Abstand ganz ohne Bodenkontakt durchführbar.
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Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile erfindungsgemäßer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung:
- 1: eine seitliche Ansicht eines Feldverlaufs einer in z-Richtung ausgerichteten Erregerspule in zwei Positionen relativ zu einem metallischen Störobjekt unter einer zu untersuchenden Bodenfläche;
- 2: eine abstrahierte Draufsicht auf eine Anordnung von Erregerspulen und 3D-Empfängerspulen;
- 3a bis 3d: eine Draufsicht auf eine Anordnung von Erregerspulen und 3D-Empfängerspulen gemäß einer ersten Ausführungsform, eine Draufsicht auf eine um 3D-Empfängerspulen ergänzte Anordnung, eine Seitenansicht der Anordnung von 3b sowie eine isometrische Darstellung der Anordnung gemäß der 3b und 3c;
- 4: eine abstrahierte Draufsicht auf eine Anordnung von Erregerspulen und 3D-Empfängerspulen gemäß einer Abwandlung der Ausführungsform von 3b als Grundmodul in einer Ausführungsform mit vergrößerter Arbeitsbreite und
- 5: eine Draufsicht auf eine Vorrichtung zur Durchführung eines aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrens mit einer ortsfest aufgebauten Sendespule und einer mobil verschiebbaren Empfängerspule.
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Über die verschiedenen Abbildungen der Zeichnung hinweg werden für gleiche Elemente stets die gleichen Bezugszeichen verwendet.
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Aufgrund des weiterhin sehr hohen Gefährdungspotentials und der kaum zu überblickenden Anzahl möglicher Verdachtsflächen wird nachfolgend nur auf eine Suche nach Kampfmitteln eingegangen. Dennoch sollen alternative Einsatzfelder im Bereich der Archäologie, dem Auffinden von Bodenschätzen oder zur Ortung von Kabeln oder unterirdisch verlaufenden Pipelines grundsätzlich von einem Einsatz erfindungsgemäßer Verfahren und Vorrichtungen nicht ausgeschlossen werden.
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5 zeigt eine Draufsicht auf eine Vorrichtung zur Durchführung eines aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrens zur induktiven Suche zum Auffinden von Gegenständen aus elektrisch leitendem Material in Form eines Störkörpers S. Der Störkörper S wird unter einer Bodenfläche F im Erdboden vermutet und muss insbesondere im Vorfeld von Erdarbeiten aufgefunden, zumindest aber näher untersucht werden, um eine Gefährdung sicher ausschließen zu können. Dieses Verfahren ist einer bekannten magnetischen Sondierung dahingehend überlegen, dass hierdurch prinzipiell auch nicht ferromagnetische Objekte detektierbar sind, wie z.B. magnetisch unsichtbare Bomben, Minen mit einer Hülle aus Aluminium oder Granaten und sonstigen Explosivkörpern mit Außenhüllen aus Messing o.ä..
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Auf der insgesamt zu untersuchenden Bodenfläche F wird eine große Sendespule 1 mit einer Abdeckung einer Fläche f ortsfest aufgebaut. Durch die Sendespule 1 wird dann ein Magnetfeld B aufgebaut, das zur Erzeugung von Wirbelströmen in elektrisch leitfähigen Teilen im Boden möglichst schlagartig abgeschaltet wird. Die in elektrisch leitfähigen Teilen induzierten Wirbelströme senden ihrerseits elektro-magnetische Felder aus, in der Abbildung von 5 als B' angedeutet, die als Impulsantwort über eine Empfängerspule 2 gemessen werden können.
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Die von der Sendespule 1 umschlossene Fläche f stellt eine Teilfläche der insgesamt zu untersuchenden Bodenfläche F dar. Innerhalb dieser Teilfläche f wird der darunter liegende Erdboden nun dadurch abgesucht, dass die Empfängerspule 2, die eine deutlich kleinere Fläche Δ überdeckt, innerhalb der Teilfläche f im Zuge von Teilmessungen mit jeweils separaten Pulsanregungen durch die Sendespule 1 solange von einer Position in die nächste verschoben wird, bis alle Positionen innerhalb der durch die Sendespule 1 begrenzten Teilfläche f abgedeckt worden sind. Eine Impulsantwort ist bei geringerem Abstand eines elektrisch leitfähigen Störkörpers S zu der Empfängerspule 2 größer, als wenn die Empfängerspule 2 weiter davon entfernt positioniert ist. Über eine genaue Zuordnung der Stärke der jeweils gemessenen Impulsantworten zu den jeweiligen Geo-Koordinaten lassen sich somit die Positionen minimaler Abstände zu einem möglichen Störkörper S bzw. Verdachtspunkt mit auffällig hoher Impulsantwort im Rahmen einer Auswertung bestimmen. Hier werden dann weitere Untersuchungen angestellt.
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Zur Erleichterung der vorstehend beschriebenen zahlreichen Positionierungen ist diese Empfängerspule 2 in der angedeuteten Weise zur mechanischen Stabilisierung in eine starre Rahmenkonstruktion 3 aus nicht-metallischem Material eingebunden. Diese Rahmenkonstruktion 3 wird entweder von mindestens einem Menschen getragen oder in der skizzierten Weise als kleiner Wagen oder Karren 4 von Hand gezogen. Für eine genaue Zuordnung der jeweiligen Messergebnisse zu einer jeweiligen Position ist der Karren 4 in nicht weiter dargestellter Weise mit einem sehr präzisen Geo-Ortungssystem verbunden, insbesondere unter GPS-Anbindung. Die einzelnen Messergebnisse werden nachfolgend unter Protokollierung genauer Geo-Daten mit dem Ziel einer Lokalisierung von Orten ausgewertet, wo im Boden metallische Objekte bzw. ein Störkörper S verborgen sein könnten.
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Nach erfolgter vollständiger Abdeckung der durch die Sendespule 1 begrenzten Fläche f wird die Sendespule 1 abgebaut und entsprechend verschoben wieder aufgebaut, so dass in zeichnerisch nur angedeutet dargestellter Weise eine durch die Sendespule 1 neue begrenzte Fläche f' als weiterer Teil der zu untersuchenden Gesamtfläche F festgelegt ist. Nachfolgend wird auch diese neue Fläche f' durch die Empfängerspule 2 positionsweise in der vorstehend beschriebenen Art und Weise überstrichen.
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Zur Minderung von Personal- und Zeitaufwand bei gleichzeitiger Erhöhung der Detektionsmöglichkeiten und Verbesserung der Ergebnisse werden nun Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung näher beschrieben. Zur Verdeutlichung grundlegender Überlegungen stellt vorab 1 einen B-Feldverlauf einer in z-Richtung ausgerichteten Erregerspule 1 mit Speisung durch eine nicht weiter im Detail dargestellte elektronisch gesteuerte Generator- oder sonstige Versorgungseinheit relativ zu einem metallischen Störobjekt S unter einer zu untersuchenden Bodenfläche F in einer perspektivischen Ansicht dar. Die innerhalb der Sendespule 1 befindliche Teilfläche f ist kleiner als die von 5. Aufgrund der Ausformung elliptischer Magnetfeldlinien ist das durch die Erregerspule 1 erzeugte Magnetfeld B nur in der Ebene der Teilfläche f im Wesentlichen entlang der z-Achse eines kartesischen Koordinatensystems ausgerichtet. Außerhalb eines mittleren Bereichs zeigen die Magnetfeldlinien im Raum neben der z- auch deutlich erkennbare x- und/oder y-Komponenten auf. Damit erfolgt eine Anregung eines möglichen metallischen Störkörpers S also in der Regel auch bei einer Anregung durch einen nur in z-Richtung ausgesandten elektro-magnetischen Puls in allen drei Raumachsen bzw. - komponenten. Daher wird auch eine zum Aufspüren eines metallischen Störkörpers S erforderliche Impulsantwort mit jeweils zugehörigem Abklingverhalten regelmäßig Komponenten in allen drei Raumachsen x, y und z aufweisen. Bei einer Messung mit einer nur entlang der z-Achse empfindlichen Empfängerspule 2 gehen damit wertvolle Informationen verloren. Dahingegen können diese Anteile einer Impulsantwort dann vorteilhaft genutzt werden, wenn statt einer nur entlang der z-Achse empfindlichen Empfängerspule 2 ein sog. 3-Achs-Empfängerspulenwürfel 5 als Empfängersystem verwendet wird, wie hier in 1 vorgesehen.
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Werden nun mehrere 3-Achs-Empfängerspulenwürfel 5 über die durch die Erregerspule 1 umschlossene Teilfläche f verteilt angeordnet, so werden diese aufgrund ihrer abweichenden Position relativ zu dem in 1 angenommenen Störkörper S i.d.R. in allen drei Raumachsen voneinander abweichende Teile der Impulsantwort messen. Durch Vervielfachung der Anzahl der 3-Achs-Empfängerspulenwürfel 5 auf eine Anzahl N innerhalb der von der Erregerspule 1 umschlossene Teilfläche f erhält man also bei nur einem durch die Erregerspule 1 ausgesandten elektro-magnetischen Puls dementsprechend N Messwerte der N 3-Achs-Empfängerspulenwürfel 5 mit Signalanteilen in den drei Raumrichtungen x, y und z.
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Eine jeweilige Impulsantwort ist trotz einer Schwächung des Magnetfeldes mit der dritten Potenz des Abstandes aber auch noch außerhalb der Sende- bzw. Erregerspule 1 durch einen 3-Achs-Empfängerspulenwürfel 5 messbar. Bedingt durch den Versatz der beiden 3-Achs-Empfängerspulenwürfel 5 gegeneinander in der Ebene der Fläche F werden beide 5 auch hier bei ein und derselben Erregung durch die Erregerspule 1 an ihren jeweiligen Positionen voneinander abweichende Impulsantworten registrieren. Es ist also vorteilhaft, mehrere 3-Achs-Empfängerspulenwürfel 5 innerhalb wie außerhalb der Erregerspule 1 anzuordnen. Nun werden Messergebnisse an allen Orten der 3-Achs-Empfängerspulenwürfel 5 ohne weitere Positionsänderungen in einem Durchgang ermittelt, wobei ein Durchgang durch das Aussenden eines Impulses durch die Erregerspule 1 gekennzeichnet ist.
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Bildet man nun ein Array von 3-Achs-Empfängerspulenwürfeln 5, so kann man auch mehrere Erregerspulen 11, 21, 31,... darüber anordnen. In 1 ist daher exemplarisch eine zweite Erregerspule 11 über einer Teilfläche f' dargestellt, die nun eine gegenüber dem angenommenen Störkörper S deutlich versetzte Position einnimmt. Aufgrund der veränderten Position der Erregerspule 11 relativ zu dem Störkörper S ergibt sich ein anderer Feldverlauf und damit eine veränderte Anregung des metallischen Störkörpers S. Das hat abweichende Signale einer jeweiligen Impulsantwort zur Folge. Daher wird auch in dem Fall, dass ein identischer Anregungsimpuls durch die zweite Erregerspule 11 zu dem Störkörper S hin ausgesendet wird, i.d.R. jeder der 3-Achs-Empfängerspulenwürfel 5 jeweils Messwerte zu Komponenten der Impulsantwort in allen Raumachsen liefern, die von denen einer Anregung durch die Erregerspule 1 abweichen. Unter der Voraussetzung, dass die Erregerspulen 1 und 11 baugleich sind und stets gleiche Anregungs-Impulse aussenden, kann ohne Aufwand durch Verlagerung einer nun zu aktivierenden Erregerspule 1, 11 und gleicher Anordnung der vielen 3-Achs-Empfängerspulenwürfel 5 sogleich eine weitere Messung unter Nutzung der Ergebnisse aller 3-Achs-Empfängerspulenwürfel 5 durchgeführt werden.
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2 zeigt eine Draufsicht auf eine Anordnung von Erregerspulen und vieler regelmäßig verteilt angeordneter 3D-Empfängerspulen als erstes Ausführungsbeispiel. Konkret umfasst hier eine zu einer in einem mechanisch steifen und aus nicht elektrisch leitfähigem Material hergestellten Rahmen 6 als mechanische Einheit 7 baulich zusammengefasste Anordnung drei Erregerspulen 1, 11, 21 mit N = 17 3D-Empfängerspulenwürfeln 5, die im Wesentlichen gemeinsam in einer x-y-Ebene als Messpunkte knapp über einer Bodenoberfläche angeordnet sind. Bei einmaliger Positionierung können die Erregerspulen 1, 11, 21 zeitlich aufeinander folgend je einen Anregungsimpuls in den Boden aussenden. Auch bei statisch positioniertem Rahmen 6 wandert ein Puls durch aufeinander folgendes Aktivieren der einzelnen Erregerspulen 1, 11, 21 entlang des in gestrichelter Linie eingezeichneten Pfeils von 2. Dabei ermitteln die 17 3D-Empfängerspulenwürfel 5 zu jedem Anregungsimpuls 17 * 3 Messkurven. Als Besonderheit sind in 2 die Erregerspulen 1, 11, 21 so angeordnet, dass die Erregerspule 11 die Erregerspulen 1 und 21 deutlich überlagert. Dadurch wird eine noch höhere Auflösung durch zusätzliche Messdaten bei geringerer Verlagerung der anregenden Spule erzielt.
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Über ein enges Raster von 3D-Empfängerspulenwürfeln 5 als Messpunkte hinweg werden nun Messsignale jeweils in den drei Raumachsen hinsichtlich ihrer Stärke bzw. Intensität einer Impulsantwort ausgewertet. Die sich über eine Vielzahl derartiger Messpunkte ergebenden Abweichungen können damit nicht nur auf das Vorhandensein eines Störkörpers S hinweisen. Die Veränderungen über die drei Raumachsen hinweg lassen sogar deutliche Schlüsse auf eine Raumform und Lage eines Störkörpers S sowie dessen Material zu. Damit ist anhand dieser Daten neben einer Detektion auch eine Charakterisierung eines Störkörpers S anhand seiner ungefähren geometrischen Form möglich. Da Blindgänger eine i.d.R. zylindrische oder Kegelstumpf-förmige Außenkontur haben, sind diese anhand eines auf Basis der zahlreichen Messwerte in allen drei Raumachsen bestimmten Computermodells mit hoher Zuverlässigkeit erkennbar. Abweichungen von einer Rotationssymmetrie lassen dagegen auf Zerscheller oder Teil-Detonierer schließen, die ebenfalls ein hohes Gefahrenpotential darstellen. Auch hier sind Bergungsmaßnahmen mit großer Vorsicht durchzuführen, wobei eine Tiefe und Lage im Boden mit Koordinaten jedoch auf Basis der Messergebnisse unter Anwendung erfindungsgemäßer Verfahren relativ genau bekannt sind. Ohne hinreichende Rotationssymmetrien, bei zu geringer Größe oder Masse kann hingegen von ungefährlichen metallischen Ansammlungen ausgegangen werden, also regelmäßig von Müll bzw. zivilem Schrott, der nicht grundsätzlich geborgen werden muss.
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Es dauert nur eine kurze Zeit t1, um die Anregungsimpulse in den Boden auszusenden. Die Impulsantworten laufen nach dem Aussenden eines jeden Anregungsimpulses auch aus Tiefen von mehreren Metern im Boden innerhalb einer Zeit t2 mit ausreichender Berücksichtigung eines charakteristischen Abklingverhaltens der Impulsantworten ein. Eine Grenze zur Aufnahme eines Abklingverhaltens der vergleichsweise schwachen Impulsantworten wird insbesondere durch das elektronische Rauschen definiert und ist je Anwendungsfall mess- und einstellbar. Auch bei einer Hintereinanderschaltung von hier drei Erregerspulen 1, 11, 21 beträgt die Summe aus t1+t2 unter Berücksichtigung eines zeitlichen Sicherheitsabstands vor dem Aussenden eines weiteren Anregungsimpulses durch eine nächste Erregerspule nur wenige Millisekunden. Alle drei Anregungsimpulse mit zugehörigen Aufnahmen der Impulsantworten sind damit innerhalb von deutlich unter 1 s durchführbar. Damit ist eine vorstehend beschriebene Vorrichtung als mechanische Einheit 7 also auch bei laufender Messung mit einer Geschwindigkeit v von mehr als ca. 0,5 m/s verfahrbar bzw. bewegbar, ohne dass aufgrund der hohen Messgeschwindigkeit deutliche Fehler auftreten würden. Eine Zuordnung der Messergebnisse zu den jeweiligen 3D-Empfängerspulenwürfeln 5 und deren aktuelle Geo-Koordinaten ist dabei stets durch Mittel sichergestellt, wie schon vorstehend zu 5 als bekannt beschrieben.
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3a zeigt eine Draufsicht auf eine Anordnung von fünf Erregerspulen 1, 11, 21, 31, 41 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung als in einem Rahmen 6 fixierte mechanische Einheit 7. Im Unterschied von dem Ausführungsbeispiel von 2 sind die Erregerspulen 1, 11, 21 direkt aneinander angrenzend angeordnet, die durch die Erregerspulen 31, 41 teilweise überdeckt werden. Die Erregerspulen 31, 41 sind dabei auch direkt aneinander angrenzend angeordnet.
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Die Abbildung von 3b stellt eine Draufsicht auf eine um mit N=28 3D-Empfängerspulen 5 ergänzte Anordnung gemäß 3a dar. Durch zeitlich versetzte Ansteuerung der Erregerspulen 1, 11, 21, 31, 41 wird hier nun in einem regulären Messbetrieb eine fast kreisförmige Bewegung von Anregungspulsen über fast die gesamte durch den Rahmen 6 gebildete Fläche erzeugt. Ohne jede Umgruppierung innerhalb dieser mechanischen Einheit 7 werden dabei je Impulsanregung von 28 3D-Empfängerspulen 5 für jeweils 3 Raumachsen insgesamt 84 Messkurven aufgenommen. Diese Daten werden in hier nicht weiter dargestellten Aufbereitungs- und Auswertungseinrichtungen zusammen mit den jeweils aktuellen Geo-Daten verarbeitet, um schließlich anhand der Verteilung der gemessenen Impulsantworten ein räumliches Modell der elektrischen Leitfähigkeit unter der gesamten zu untersuchenden Fläche zu erstellen.
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3c ist eine Seitenansicht der Anordnung von 3b. Auf dieser Ansicht geht hervor, dass im vorliegenden Ausführungsbeispiel insbesondere die überlappend angeordneten Erregerspulen 1, 41 streng genommen keine gemeinsame Ebene, sondern unter geringem Abstand parallel zueinander liegende Ebenen in x-y-Richtung bilden. Ebenso liegen die 3D-Empfängerspulen 5 in Reihen von sechs und fünf Einheiten im Wechsel gegeneinander in der Höhe gegeneinander versetzt und bilden damit zwei unter geringem Abstand parallel zueinander liegende Ebenen in x-y-Richtung, die nicht mit der bzw. den Ebenen der Erregerspulen 1, 11, 21, 31, 41 zusammenfallen. Diese Abweichungen sind jedoch minimal und können in guter Näherung vernachlässigt werden, wie auch ein in der Realität schon aufgrund von Unebenheiten und/oder Bewuchs in einem Bereich zwischen 5 bis 20 cm schwankender Abstand der genannten Bauteile relativ zu einer Bodenoberfläche BO. Da die Bodenoberfläche BO selber schon aufgrund der Tatsache, dass sie i.d.R. bewachsen ist, selber keine ideale Ebene darstellen kann und die mechanische Einheit 7 hierüber bewegt wird und im Zuge dessen u.a. in mechanische Schwingung geraten kann, sind diese Abweichungen allesamt in guter Näherung vernachlässigbar.
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Zu dem gleichen Ausführungsbeispiel zeigt die Abbildung von 3d schließlich eine isometrische Darstellung der Anordnung gemäß der 3b und 3c als mechanische Einheit 7 aus Erregerspulen 1, 11, 21, 31, 41 und 3D-Empfängerspulen 5, die außen von einem mechanisch belastbaren Rahmen 6 umschlossen und getragen wird. Hier ist eine Bewegung dieser Einheit 7 mit einer Geschwindigkeit v entlang einer durch Strich-Punktierung angedeuteten Mittelachse der Einheit 7 angegeben.
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Die Abbildung von 4 stellt eine Draufsicht auf eine weitere Anordnung von Erregerspulen und 3D-Empfängerspulen dar. Hier bildet eine Abwandlung der Ausführungsform gemäß 3b mit fünf sich jeweils überlappend angeordneten Erregerspulen 1, 11, 21, 31, 41 eine Art von Grundmodul. Dieses Grundmodul ist unter Punktspiegelung dieses Aufbaus an den Schmalseiten der Einheit 7 strukturkonform um Einheiten 7', 7'' ergänzt worden. Eine interne Verkabelung und Verschaltung der beschriebenen Spulen wird in nicht weiter dargestellter Weise durchgeführt, so dass im Wesentlichen nur eine Seite der nun die Einheiten 7, 7' und 7" umfassenden Struktur mit Energieversorgungs- und Signalverarbeitungseinrichtungen in einer eine Signalbeeinflussung ausschließenden Nähe zu versehen ist.
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Durch den beschriebenen Ansatz ist unter Beibehaltung der hier gewählten Überlappung aller Erregerspulen 1, 11, 21, 31, ... über die Einheiten 7, 7', 7'' hinweg eine Ausführungsform mit nahezu verdreifachter und damit deutlich vergrößerter Arbeitsbreite unter entsprechender Vervielfachung der weiterhin regemäßig angeordneten 3D-Empfängerspulen 5 geschaffen worden. Nur in den durch gestrichelte Kreise umschlossenen Zonen a, b kommt es nun zu einer Doppelbelegung von 3D-Empfängerspulen 5, die durch selektives Entfernen einzelner 3D-Empfängerspulen 5 zu beheben ist.
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Ferner sind durch diese Zonen a, b Drehachsen 8 verlaufend vorgesehen, um zumindest Teile der hinzugefügten Einheiten 7', 7" dazu durch Klappen um 90° oder gar fast 180° aus- und einzuschwenken. Damit ist eine kompaktere Anordnung dieser Vorrichtung für Transport, raumsparende Lagerung oder sonstige Passivstellungen erreichbar. Im Betrieb hingegen werden 15 Erregerspulen und 68 3D-Empfängerspulen beispielsweise gemäß einem vorstehend beschriebenen Verfahren über eine Gesamtfläche, oder aber unabhängig in den drei Abschnitten der Einheiten 7, 7' und 7'' angesteuert bzw. Messsignale abgeführt und in entsprechend dimensionierten Rechnern verarbeitet und gespeichert.
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Damit sind vorstehend Ausführungsformen von Verfahren mit entsprechenden Vorrichtungen beschrieben worden, die unter Nutzung starker z-gerichteter primärer elektro-magnetischer Impulse zur Induktion von Wirbelstromsystemen in metallischen Körpern unter der Bodenoberfläche bei Messung eines zeitlichen Verlaufs des Abklingverhaltens in den drei Raumachsen mittels sog. 3D-Empfängerspulenwürfel parallel in einer Mehrzahl von Messpunkten in der x-y-Ebene neben einer reinen ortsgenauen Detektion auch Hinweise zu einer Charakterisierung eines jeweiligen metallischen Körpers liefern. Aufgrund der hohen Messgeschwindigkeiten können in einer jeweiligen Position einer Vorrichtung zur Abdeckung einer größeren Fläche mehrere Sendespulen zeitversetzt je einen elektro-magnetischen Puls aussenden mit nachfolgender Aufnahme und Auswertung der zugehörigen Impulsantworten über alle vorgesehenen 3D-Empfängerspulenwürfel. Das Verfahren arbeitet auch dann noch so schnell, dass die Vorrichtungen als mechanische Einheit im Sinne einer quasi-stationären Messung bei geringem Aufwand dynamisch bewegt bzw. verfahren werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sendespule / Erregerspule
- 2
- Empfängerspule in der x-y-Ebene
- 3
- Rahmenkonstruktion
- 4
- Wagen / Karren
- 5
- 3D-Empfängerspule / 3D-Empfängerspulenwürfel
- 6
- nicht elektrisch leitfähiger Rahmen
- 7
- mechanische Einheit
- 7', 7''
- punksymmetrisch aufgebaute Einheiten
- 8
- Dreh-/Klappachse
- 11, 21, 31, 41
- weitere Sendespule / Erregerspule
- a,b
- Zone in einem Überlappungsbereich von Einheiten 7,7',7''
- B
- durch die Erregerspule 1 erzeugtes Magnetfeld
- B'
- induziertes Feld
- BO
- Bodenoberfläche
- S
- elektrisch leitendes Material / Störkörper
- F
- zu untersuchende Bodenfläche
- f
- von der Erregerspule 1 umschlossene Teilfläche
- f'
- von der Erregerspule 11 umschlossene Teilfläche
- Δ
- kleine Fläche einer Empfängerspule 2/ 3D-Empfängerspulenwürfel 5
- N
- Anzahl der 3D-Empfängerspulenwürfel 5
- t1
- Zeit zum Aussenden eines Anregungsimpulses in den Boden
- t2
- Zeit eines charakteristischen Abklingverhaltens der Impulsantwort
- v
- Geschwindigkeit einer Bewegung / Verschiebung der Einheit 7
