DE10300168A1

DE10300168A1 - Integrierte multiple mehrdimensionale geophysikalische Sende- und Empfangsantennenspule

Info

Publication number: DE10300168A1
Application number: DE2003100168
Authority: DE
Inventors: Thomas Kopp; Arnim Kaus
Original assignee: Kaus Arnim Dr
Current assignee: Kaus Arnim Dr
Priority date: 2003-01-07
Filing date: 2003-01-07
Publication date: 2004-07-22

Abstract

Zur geophysikalischen Erkundung der geologischen Untergrundverhältnisse mittels Zeitbereichselektromagnetik oder NMR-Verfahren besteht bisher die Möglichkeit getrennte Sende- und Empfangsantennenspulen horizontaler und vertikaler Raumrichtungen einzusetzen. Die vorhandenen passiven Geomagnetiksonden messen ausschließlich vorhandene Magnetfeldintensitäten und werden in urbanen Gebieten durch vorhandene magnetisch wirksame Strukturen erheblich gestört. Das neue Verfahren soll hierbei Abhilfe schaffen. DOLLAR A Um die Transienten im Untergrund als Abbild der Geologie und möglicher anthropogener Strukturen zu ermitteln, wird eine Elektromagnetik- oder NMR-Apparatur mit einer nach Tiefenwirkung und Empfindlichkeit spezifizierten integrierten multiplen mehrdimensionalen Sende- und Empfangsantennenspule verbunden, wobei diese durch mindestens eine senkrecht auf der Hauptspulenfläche stehende Nebenspulenfläche herkömmliche Antennensysteme mit vergleichbarer Größe sowohl an Induktionswirkung und damit Tiefenreichweite als auch an Auflösungsvermögen durch die Einbeziehung von mindestens zwei gekoppelten Feldkomponenten und die erfindungsgemäße Richtungsfokussierung und ggf. Gradientenwirkung bei weitem übertrifft. DOLLAR A Anwendungsgebiete sind die Erkundung des geologischen oder athropogenen Untergrundes in bezug auf seine elektrischen, elektromagnetischen und magnetischen Eigenschaften.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine geophysikalische Erkundungsantenne für die Zeitbereichselektromagnetik und die Nuclear Magnetic Resonance Niethode (NMR). Aufgabe der Antennen solcher Erkundungsmethoden ist es, geophysikalische Untergrundeigenschaften von einer Messfläche aus zu bestimmen. Es können dadurch geophysikalische Parameterbestimmungen ohne direkte Stoffprobennahmen vorgenommen und auch z.B. Metallkörper mit gefährlichen Inhaltstoffen gefahrlos in ihrer Lage von einem Oberflächenbereich aus erkannt werden. Zunehmender Bedarf an der Lösung derartiger Erkundungsaufgaben besteht insbesondere bei innerstädtischen Bauvorhaben, wo der zu bebauende Untergrund mit vergangenen Luftkriegen in Verbindung steht, und entsprechende Verdachtsmomente bezüglich der Einlagerung von Bombenblindgängern etwa durch Luftbilder dokumentiert sind.
Die konventionelle Erkundung verdeckter Metallobjekte bsp. erfolgt von Bohrungen oder von der Oberfläche aus, wobei passive Geomagnetiksonden sowie aktive Zeitbereichs-, Frequenzbereichselektromagnetikverfahren und NMR mit getrennten Sende- und Empfangsantennenspulen horizontaler und vertikaler Raumrichtungen zum Einsatz kommen (Garroway et al., 1998). Ein Senden und Empfangen in mehreren Raumrichtungen mit einer integrierten multiplen mehrdimensionalen Antennespulenform findet bei den bekannten aktiven Verfahren nicht statt. Die vorhandenen passiven Geomagnetiksonden messen ausschließlich die Intensitäten des Erdmagnetfeldes und werden in urbanen Gebieten durch vorhandene magnetisch wirksame Strukturen erheblich gestört.
Gegenstand der Erfindung nach Patentanspruch 1 ist eine integrierte multiple mehrdimensionale Sende-/Empfangsantennenspule zur geophysikalischen Erkundung des geologischen oder anthropogenen Untergrundes in bezug auf seine elektrischen, elektromagnetischen und magnetischen Eigenschaften.
Dabei erfolgt erfindungsgemäß der Einsatz einer Zeitbereichselektromagnetik- oder NMR-Apparatur mit einer nach Tiefenwirkung und Empfindlichkeit spezifizierten integrierten multiplen mehrdimensionalen Sende- und Empfangsantennenspule (Patentansprüche 1 – 4), wobei diese durch mindestens eine senkrecht auf der Hauptspulenebene stehende Nebenspulenfläche herkömmliche Antennenspulen mit vergleichbarer Größe sowohl an Induktionswirkung und damit Tiefenreichweite als auch an Auflösungsvermögen durch die Einbeziehung von mindestens zwei gekoppelten Feldkomponenten sende- und empfangsseitig, und die erfindungsgemäße Richtungsfokussierung und ggf. Gradientenwirkung bei weitem übertrifft.
Die technische Durchführung der Erfindung nach Patentanspruch 1 erfolgt mithilfe einer geeigneten Zeitbereichselektromagnetik-Apparatur bestehend aus Sende- und Empfangsteil, welche über Koaxialkabel mit der integrierten multiplen mehrdimensionalen Sende- und Empfangsspule elektrisch verbunden wird und durch einen rechteckigen Transmitterstrom Transienten erzeugt und diese pro Messpunkt als Sondierungskurve aufnimmt, wobei durch die sukzessive profilartige oder flächenartige Erfassung entsprechende Parameterverteilungen ermittelt werden können, welche direkte Rückschlüsse auf die Verteilung der Untergrundeigenschaften und ggf. auf das Vorhandensein verborgener Fremdobjekte ermöglicht. Dabei wird durch die Form der integrierten multiplen mehrdimensionalen Sende- und Empfangsspule eine Abstrahl- und Empfangsbündelung in Richtung des zu erkundenden Untergrundes sowie eine Begrenzung der Wechselwirkungen auf den eigentlichen Untersuchungsbereich erzielt.
Für das fokussierende Antennensystem wie in Patentanspruch 1 beschrieben erfolgt die Wicklung der mehrfachen Kabelschleifenform in mindestens zwei nichtparallelen Ebenen. Die beiden Kabelenden der Antenne werden über ein Koaxialkabel mit der Zeitbereichselektromagnetik-Apparatur verbunden. Danach werden Sondierungen bestehend aus Sende- und Empfangszyklen auf Erkundungsprofilen oder im Messraster durchgeführt. Bereiche mit erhöhten oder emiedrigten transienten Spannungen weisen auf entsprechende elektrische, elektromagnetische oder magnetische Diskontinuitäten im Untergrund im Verhältnis zu den Nachbarsondierungen hin. Der Intensitätskontrast ist dabei ein Maß für die stofflich-physikalische Unterschiedlichkeit.
Das erfindungsgemäße Erkundungsverfahren hat den Vorteil, daß insbesondere bei Ortung von Metallobjekten wie Bombenblindgängem Störungen im Messbereichsumfeld durch randliche oder oberhalb der Messebene befindliche metallische und magnetisch wirksame Strukturen minimiert werden können und im Vergleich zu herkömmlichen Antennen größere Tiefenreichweiten ermöglicht werden. Bei Untersuchungsgeländen mit randlichen Metallzäunen bsp. lässt sich die Antennengeometrie wie in Patentanspruch 2 beschrieben so anordnen, dass die Nebenflächen jeweils senkrecht zum Metallzaun stehen. Die Bündelung der elektromagnetischen Wechselwirkung nach unten und parallel zum Metallzaun erzeugt dann jeweils eine Anregung und Messung, welche den Metallzaun verhältnismäßig weniger induziert als dies bei herkömmliche Antennenspulen der Fall wäre.
Im folgenden wird die Erfindung wie sie in Patentanspruch 1 beschrieben ist, anhand eines Beispiels mit Bezug auf die beiliegenden 1 und 2 näher erläutert. Es zeigt
1 in schematischer Darstellung die integrierte multiple mehrdimensionale Sende- und Empfangskabelschleife während der Sendestromapplikation mit Pfeilsymbolen für den Stromverlauf;
2 in schematischer Darstellung die integrierte multiple mehrdimensionale Sende- und Empfangskabelschleife während der transienten Spannungsmessung.
Zur Durchführung der Messungen werden Sende- und Empfangsteil der Zeitbereichselektromagetikapparatur mit entsprechender Umschaltungseinheit und die integrierte multiple mehrdimensionale Kabelschleife über ein Koaxialkabel zu Verhinderung von unbeabsichtigten Wechselwirkungen elektrisch verbunden, und es wird eine Bateeriestromversorgung angeschlossen. Eine Messfläche wird in ein Messraster eingeteilt und an jedem Messpunkt wird eine zeitbereichselektromagnetische Sondierung durchgeführt, die durch unmittelbar aufeinanderfolgende Sende- und Empfangssequenzen gekennzeichnet ist. Die bei den Empfangszyklen aufgezeichneten transienten Spannungen im Zeitbereich von einer Mikrosekunde bis zu 20 Millisekunden werden als Signalstärken auf den Transmitterstrom normiert und in bezug auf die Messfläche geplottet. Bereiche unterschiedlicher Signalstärkenniveaus bei vergleichbaren Zeiten geben konkrete Hinweise auf entsprechend unterschiedliche stofflich-physikalische Eigenschaften im Untersuchungsgebiet; eng umschriebene hohe Signalstärken können als Bereiche mit einlagernden Metallkörpern gekennzeichnet werden. Die Tiefe von detektierten metallischen Fremdobjekten lässt sich näherungsweise durch eine Halbwertsbreitenbestimmung abschätzen oder durch geeignete Computerprogramme unter Umständen sehr genau ermitteln.

Claims

Integrierte multiple mehrdimensionale geophysikalische Sende- und Empfangsantennenspule zur zerstörungsfreien Erkundung des Untergrundes mit Zeitbereichselektromagnetik oder Nuclear Magnetic Resonance (NMR) gekennzeichnet durch – eine aus einem isoliertem Kabel oder Draht hergestellte, selbsttragende oder getragene, lemniskatenähnliche oder mehrfach lemniskatenähnliche Mehrfachschleifenform in mehr als einer Raumrichtung, sodass eine Hauptschleife oder -spule in einer ebenen oder gekrümmten Fläche parallel zur Erkundungsfläche durch mindestens eine senkrecht stehende ebene oder gekrümmte Nebenschleifen- oder -spulenfläche flankiert wird welche mit der Hauptschleife oder -spule mindestens eine gemeinsame Stoßkante bildet an der jeweils eine gleichsinnige Windungsorientierung besteht, wobei bei mehreren Nebenschleifen- oder -spulen diese untereinander so angeordnet sind, dass eine gegensinnige, unmittelbar nachbarliche Windungsrichtung in den zur Hauptebene nichtparallelen Rändern durch Abstandhaltung vermieden wird; – die Formung des Sendefeldes in einer Weise, die die magnetischen Feldlinien der Hauptschleife oder -spule durch gleichsinnige Windungsorientierung in den gemeinsamen Stoßkanten während der Sendestromapplikation auf einen engräumigeren Radius und zum Durchstoßen der jeweiligen Teilschleifenformen zwingt, sodass durch die erzielte verringerte Fernwirkung auf der mit Nebenflächen bestandenen Seiten der Hauptebene eine Fokussierung auf der gegenüberliegenden Seite der Hauptebene in den zu untersuchenden Raumbereich erreicht wird; – gekoppelte mehrdimensionale Empfangseigenschaften, indem nicht nur die Hauptschleifen- oder -spulenfläche durch Komponenten des Sekundärfeldes induziert wird, sondern zusätzlich die parallel zur Hauptebene verlaufenden Feldkomponenten des Sekundärfeldes Induktion in der oder den Nebenschleifen oder -spulen erzeugen, und damit die gemessene transiente Spannung oder Empfangsleistung als Summe der Einzelbeträge signifikant erhöht wird.
Integrierte multiple mehrdimensionale geophysikalische Sende- und Empfangsantennenspule wie in Patentanspruch 1 beschrieben mit rechteckiger oder ellipsoidisch-rechteckiger Barendung der Haupt- und Nebenschleifenformen gekennzeichnet durch – eine rechteckige oder ellipsoidisch-rechteckige Barendung der einfachen oder mehrfach gewundenen deckungsgleichen Hauptschleifenform in einer ebenen oder gekrümmten Fläche mit zwei gegenüber befindlichen rechteckigen oder ellipsoidischrechteckigen einfachen oder mehrfachen deckungsgleichen Nebenschleifenformen in flachen oder gekrümmten Nebenebenen; – zweidimensionale Sende- und Empfangseigenschaften; – eine richtungsabhängige partielle Gradienteneigenschaft der Empfangsantenne bezüglich der zu den Nebenebenen senkrechten Feldkomponente des Sekundärfeldes, indem durch die gegenüberstehenden beiden Nebenschleifen oder -spulen mit gegensinniger Windungsorientierung diese Feldkomponente bei räumlicher Konstanz der Intensität durch umgekehrtes Vorzeichen eliminiert wird und nur einseitige Wirkungen einen Beitrag zur gemessenen transienten Spannung liefern können und damit ein hohes laterales Auflösungsvermögen in einer Richtung gegeben ist.
Integrierte multiple mehrdimensionale geophysikalische Sende- und Empfangsantennenspule wie in Patentanspruch 9 beschrieben mit hexagonaler oder ellipsoidisch-hexagonaler Berandung der Hauptschleifenform sowie quadratischer oder kugelquadratischer Berandung der Nebenschleifenformen gekennzeichnet durch – eine hexagonale oder ellipsoidisch-hexagonale Berandung der einfachen oder mehrfach gewundenen deckungsgleichen Hauptschleifenform in einer ebenen oder gekrümmten Fläche mit drei gegenüber befindlichen quadratischen oder kugelquadratischen einfachen oder mehrfachen deckungsgleichen Nebenschleifenformen in flachen oder gekrümmten Nebenebenen; – dreidimensionale Sende- und Empfangseigenschaften; – eine richtungsabhängige partielle Gradienteneigenschaft der Empfangsantenne bezüglich der zu den Nebenebenen senkrechten Feldkomponenten des Sekundärfeldes, indem parallel zu einer Nebenschleife oder -spule verlaufende Sekundärfeldkomponenten in den beiden jeweils übrigen Nebenschleifen oder -spulen mit gegensinniger Windungsorientierung durch umgekehrte Vorzeichen eliminiert werden und dementsprechend nur einseitige Anteile einen resultierenden Beitrag zur transienten Spannung liefern können und damit ein erhöhtes laterales Auflösungsvermögen in der Fläche gegeben ist.
Integrierte multiple mehrdimensionale geophysikalische Sende- und Empfangsantennenspule wie in Patentanspruch 1 beschrieben mit oktagonaler oder ellipsoidisch-oktagonaler Berandung der Hauptform sowie rechteckiger oder ellipsoidisch-rechteckiger Berandung der Nebenschleifenformen gekennzeichnet durch – eine oktagonale oder ellipsoidisch-oktagonale Berandung der einfachen oder mehrfachen deckungsgleichen Hauptschleifenform in einer ebenen oder gekrümmten Fläche mit vier gegenüber befindlichen rechteckigen oder ellipsoidisch-rechteckigen einfachen oder mehrfachen deckungsgleichen Nebenschleifenformen in flachen oder gekrümmten Nebenebenen; – dreidimensionale Sende- und Empfangseigenschaften; – eine richtungsabhängige partielle Gradienteneigenschaft der Empfangsantenne bezüglich der zu den Nebenebenen senkrechten Feldkomponenten des Sekundärfeldes, indem durch die beiden gegenüberstehenden Nebenschleifenflächenpaare mit jeweils gegensinniger Windungsorientierung diese Feldkomponenten bei räumlicher Konstanz der Intensität durch umgekehrtes Vorzeichen eliminiert werden und nur einseitige Wirkungen Beiträge zur gemessenen transienten Spannung liefern können und damit ein höchstmögliches laterales Auflösungsvermögen gegeben ist.