DE1623565B2

DE1623565B2 - Seismisches untersuchungsverfahren und vorrichtung mit durch energieimpulsserien erzeugten erschuetterungswellen

Info

Publication number: DE1623565B2
Application number: DE19671623565
Authority: DE
Inventors: Maurice Les Effraies; Sayous Leon Pau; Barbier (Frankreich)
Original assignee: Societe Nationale des Petroles d Aquitaine, Courbevoie (Frankreich)
Priority date: 1966-12-28
Filing date: 1967-12-27
Publication date: 1971-12-02
Also published as: DE1623565A1; US3483514A; FR1560237A; GB1216488A; US3517380A; OA02614A; JPS5012361B1

Description

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Die Erfindung betrifft ein seismisches Unter- rungswellen die Funkenstrecke 2- bis 4mal je Sekunde

suchungsverfahren zur Bestimmung reflektierender auszulösen. Auch dort beginnt jedoch die Registrie-

Schichten in einem Medium, bei dem ein Signal aus rung jeweils mit dem ausgesendeten Impuls und

einer Folge von durch Energieimpulsserien erzeugten zeichnet die auf diesen Impuls zurückzuführende

Erschütterungswellen mit einer Sendedauer, die grö- 5 Echoserie auf. Bei einer 4maligen Auslösung je

ßer ist. als die der untersten der gesuchten reflek- Sekunde ergibt sich somit eine Empfangszeit' von

tierenden Schichten entsprechende Laufzeit, von einem 250 ms, da bei einer längeren Empfangszeit eine

einzigen Sendepunkt abgestrahlt wird und nach Überlagerung mit der dem nächsten gesendeten Im-

Reflexion an den reflektierenden Schichten von Meß- puls entsprechenden Echoserie auftreten würde. Die

fühlern aufgenommen und zur Auswertung nach io maximale Untersuchungstiefe ist somit auf 600 m

einem Korrelationsverfahren aufgezeichnet wird. begrenzt. Die gegenüber den anderen vorbekännten

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung Verfahren relativ rasche Impulsfolge trägt dabei nicht

zur Durchführung dieses Verfahrens. etwa zu einer Erhöhung der Auflösung bei, sondern

Bekanntlich beruhen seismische Untersuchungs- gibt lediglich die Möglichkeit, eine nahezu kontiverfahren darauf, daß von einem Sender erzeugte 15 nuierliche Aufzeichnung des Profils in horizontaler mechanische Erschütterüngswelleh in das jeweilige Richtung zu erhalten; derartige Vorrichtungen wer-Medium eindringen und nach Brechung und/odei den nämlich für gewöhnlich von Schiffen aus einteilweiser Reflexion an den verschiedenen Schichten gesetzt und dienen zur Ermittlung des Verlaufs der in zeitlicher Staffelung, also zerlegt in einzelne Korn- Schichtung des Meeresbodens nicht etwa nur an ppnenten bei einer oder mehreren Empfangsstellen. 20 einem einzigen Punkt, sondern in einem ganzen den sogenannten Geophonen, eintreffen. Aus der Gebiet, wofür zweckmäßig an Stelle der langwierigen Laufzeit der einzelnen Komponenten, die sich aus Punkt-zu-Punkt-Messung eine kontinuierliche Aufdem Zeitunterschied zwischen Sendezeitpunkt und zeichnung verwendet wird; bei der das Schiff sich Empfangszeitpunkt ergibt, läßt sich die Lage der mit gleichbleibender Geschwindigkeit bewegt und zugehörigen Schicht, an der die betreffende Kompo- 25 eine Vorrichtung der soeben beschriebenen Gattung nente reflektiert wurde, ermitteln. an Bord hat, welche Impulse in relativ rascher

Die Erschütterungswellen werden vielfach durch Aufeinanderfolge auszusenden vermag.

Detonation eines Sprengstoffes erzeugt. Hierbei wird Aus der USA.-Patentschrift 2 989 726 ist es be-

jedoch nur ein einziger und zudem ungerichteter und kanntj an Stelle einzelner Energieimpulse mit einer

oberwellenreicher Impuls erhalten, der die Auswer- 30 Folgedauer, die größer ist als die der untersten der

tung der empfangenen Signalkomponenten erschwert. gesuchten reflektierenden Schichten entsprechende

Um zumindest eine bessere Bündelung der ab- Laufzeit; ein Signal aus einer Folge von durch gestrahlten Erschütterungswelle zu erreichen, wurde Energieimpulsserien erzeugten Erschütterungswellen bekanntlich mit der britischen Patentschrift 826 932 zu verwenden, dessen Sendedäuer. größer ist als die bereits vorgeschlagen, eine Anzahl mechanischer 35 maximal in Betracht kommende Laufzeit. Im Unter-Signalgeneratoren zu verwenden, deren gegenseitige schied zu allen anderen vorstehend behandelten Anordnung und zeitversetzte Auslösung durch die seismischen Untersuchungsverfahren handelt es sich Art der zu erzeugenden Welle bzw. deren Bündelung also dabei nicht um ein kurzzeitiges Einzelsignal, bestimmt wird. Dieses vorbekannte Verfahren ar- sondern der Sender gibt eine Impulsserie mindestens beitet somit nicht von einer Folge von Erschütte- 40 während der ganzen als Maximallaufzeit ia Betracht rungswellen, sondern nur mit einer einzigen Welle. kommenden Zeitdauer ab. Die Impulsserie ist dabei die durch Überlagerung der von den einzelnen Signal- nicht periodisch, d. h., daß sich während der Sendegeneratoren abgegebenen Einzelwellen entsteht. dauer die Frequenz, die Amplitude oder das Tast-

Aus der Zeitschrift The Oil and Gas Journal, verhältnis der einzelnen Impulse ändern. Durch die

3. 1. 1966, S. 54 und 55, ist auch bereits die Ver- 45 fortlaufende Überlagerung der auf verschiedenen

wendung eines mit einem zündfähigen Gasgemisch Wegen eintreffenden Einzelimpulse am Empfangsort

gefüllten deformierbaren Balges aus elastischem Ma- ist zwar bei diesem Verfahren eine unmittelbare

terial an Stelle von Sprengstoff zur Erzeugung von Entnahme der Laufzeit aus der Aufzeichnung der

Erschütterungswellen bekannt. Durch diese Vorrich- empfangenen Signale nicht möglich, sondern es muß

turig wird jedoch lediglich die Ausübung des Ver- 50 hierzu ein Korrelätionsverfähren angewendet werden,

fahrens insbesondere unter dem Sicherheitsgesichts- Hierzu wird ein unmittelbar vom Sendesignal abge-

punkt verbessert; Erschütterungswellen, deren Sende- leitetes Bezugssignal schrittweise um feste Beträge

dauer größer ist als die der untersten der gesuchten gegenüber dem Empfangssignal phasenverschoben

reflektierenden Schichten entsprechenden Laufzeit, und bei jedem Schritt mit diesem multipliziert und

lassen sich damit jedoch ebensowenig erzeugen wie 55 das Produkt integriert. Das Ergebnis ist die Korrela-

bei der Verwendung von Sprengstoff, tionsfunktion, deren Maximum bei einer ganz be-

Das gleiche gilt für das aus der Zeitschrift World stimmten Phasenverschiebung zwischen Sendesignal

Oil, April 1964, S. 107 bis 110, bekannte Verfahren, und Empfangssignal auftritt, welch letzteres dann der

wobei es keine Rolle spielt, daß hier die Erschütte- zugehörigen Laufzeit entspricht. Bekanntlich ist es

rungswellen durch zwei gleichzeitig ausgelöste Unter- 60 mit derartigen Korrelationsverfahren möglich, den

wasser-Funkenstrecken erzeugt werden. Die Zeiten Rausch- oder Störabstand eines empfangenen Signales

zwischen zwei aufeinanderfolgenden Auslösungen zu verbessern, wobei die Verbesserung der Integra-

sind nämlich auch bei diesem Verfahren länger als tionsdauer proportional ist. Nachteilig an diesem

die Laufzeit der mechanischen Wellen im zu unter- vorbekannten Untersuchungsverfahren ist jedoch die

suchenden Medium. 65 durch das Korrelationsverfahren bedingte langwierige

Nun ist es zwar aus der Zeitschrift World Oil, und zeitraubende Auswertung der am Empfangsort

April 1959, S. 107 bis 110, bekannt, bei einer der- aufgezeichneten Signale,

artigen Vorrichtung zur Erzeugung der Erschütte- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein

seismisches Untersuchungsverfahren der einleitend angegebenen Gattung zu schaffen, bei dem die zeitliche Aufeinanderfolge der Erschütterungswellen so gewählt ist, daß die Durchführung der Korrelation mit den empfangenen Signalen in kurzer Zeit möglich ist und damit Zeit bei der Signalauswertung eingespart wird.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt bei dem hier vorgeschlagenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch, daß die Erschütteruhgswellen zeitlich derart gestaffelt sind, daß ihre Frequenz sich in der gleichen Weise ändert wie die Lichtstärke entlang eines Interferenzbildes in einem System Newtorischer Ringe.

Hierdurch gelingt es, bei der Auswertung die Signale durch optische Transformation in Newtonsche Ringe zu überführen, welche bei Beleuchtung mit kohärentem Licht einen einzigen Beugüngsfieck ergeben, was gleichbedeutend mit einer unmittelbaren Signalkomp'ression ist. Das erfindungsgemäße Verfahren schafft sonach die Voraussetzungen zur Aüs'^ Wertung der erhaltenen Signale nach einem besonderen optischen Körrelatiönsverfahren, das wesentlich rascher vonstatten geht als die elektronische Korrelation bei dem.zuletzt genahnten bekannten Untersüchungs- bzw. Auswerteverfahren.

Wie bereits erwähnt, ist es auch auf andere Weise als durch Änderung der Frequenz möglich, ein nichtperiodisches, aus Impülsserien bestehendes Signal mit einer über der maximalen Laufzeit liegenden Dauer zu erhalten. Nach einer Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens gelingt dies z. B. dadurch, daß die Amplitude der Erschütterüngswellen veränderlich ist und die Verteilung deren Minima und Maxima der Minima- und Maximaverteilung der Lichtstärke entlang eines Durchmessers eines Interferenzbildes in einem System Newtonseher Ringe ähnlich ist.

Nach einer weiteren zweckmäßigen Abwandlung des Verfahrens kann das gleiche Ergebnis auch dadurch erreicht werden, daß die den Symmetrieachsen der Erschütterungswellen entsprechenden Zeitpunkte einerseits und die die Erschütterungswellen trennenden Unterbrechungszeiträume andererseits in der gleichen Weise verteilt sind wie die Maxima und Minima der Lichtstärke entlang eines Durchmessers eines als Newtonsche Ringe bekannten Interferenzbildes.

Eine zweckmäßige Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht aus einer elektrischen Spaiinungsquelle, einem Hochspannungstransformator mit nachgeschaltetem Gleichrichter, Vorrichtungen zur Speicherung elektrischer Energie sowie aus Schältelementen zur zeitweiligen Unterbrechung der Verbindung zwischen den Speichervorrichtungen und dem Ausgang des Hochspannungstransformators, ferner Schaltungen zur Funkenauslösung und Funkengeneratoren und zeichnet sich dadurch aus, daß das Produkt aus der wirksamen Kapazität der Elektroden der Speichervorrichtung und dem Elektrodenwiderstand zwischen 10-³ und 10-⁵s liegt.

In der Zeichnung ist das Verfahren nach der Erfindung sowie die Vorrichtung zu dessen Durchführung an Hand von Ausführungsbeispielen und erläuternden Diagrammen veranschaulicht. Es zeigt

F i g. 1 das Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahren,

Fig. 2 eine teilweise im Blöckschaltbild gehaltene Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung,

Fig. 3 das Schema eines Elementarimpulses,
F i g. 4 das durch gleichzeitige sowie gestaffelte Impulssendungen (Elementarimpulse) gewonnene Signal,

F i g. 5 eine andere Kombination von nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gesendeten· Impulsen,

ιό F i g. 6 eine weitere Kombination von impulsen

zur Ausarbeitung des in Fig. 5 erwähnten Signals, F i g. 7 eirie Kombination von Elementarsignalen

für die optische Korrelation und die resultierende Hüllkurve, .

Fig. 8 die Anwendung des Betriebsgefäts zui Sendung von Signalen zur Meereserforschung·

F i g. 9 zeigt schließlich die Anwendung des genannten Betriebsgeräts für die Erdkrüstenef förschüng. In Fig. 1 würde bei 1 ein Magnetband-Abtäst-

äb -gerät' dargestellt. Auf einem Magnetband 2 werden Symbole eingesehriebeiij die bei der Abtastung durch den Abtästkopf 3 elektrische Impülssignale liefern. Das Magnetband 2 läuft unter dein Abtästkopf 3 durch, dem ein Verstärker 6 nachgeschaltet ist. Die Magnetbänder werden von den Spülen 4 und 5 angetrieben, wovon die eine als Antriebsspule wirkt und die andere frei läuft. Die am Ausgang des Verstärkers 6 erscheiöenden Signale werden mit Hilfe eines Wählers 7 zwei öder mehreren symmetrischen Signalformungsstufen 8 uiid 9 zugeführt. Die Stufe 8 empfängt ein erstes Signal vom Magnetband, während ein zweites Signal einer zweiten Stufe 9 zugeführt wird, die parallel zur ersteh angeordnet ist, wobei die Auswahllenkuhg zur einen öder änderen Signalformungsstufe vom Wähler 7 vorgenommen wird; Die von der Signälförmungsstufe kommender! und geeichten Impulse wefdeii über eirie Leitung 10 einer Steuerfunkenstrecke 11 zugeführt, in der diese einen schwachen Funken erzeugen. Dieser Funke bewirkt

4b die Leitfähigkeit dieser Funkenstrecke und löst die Entladung einer Kondensatöreübatterie 12 aus, wo^ durch es zu einer Fühkenseridüng zwischen den beiden Elektroden 13 kömmt

In der gleichen Zeit, in der der Impuls der Steuerfunkenstrecke 11 zugeführt wird, wirkt der Impuls auf eine Verzögerungsstufe 14, die beispielsweise durch eirie riiönöstäbile Kippstufe dargestellt wird. IhI weiteren Verlauf wird der verzögerte Impuls über die Leitung 15 einem Heißkäthöden-Thyrätron zügeführt und öffnet dieses.

Iri gleicher Weise wird auch das folgende Signal der Signälförmungsstufe 9 und anschließend der Steueriürikenstrecke 18 zugeführt, wonach es zu einer Entladung einer Kondensätorenbätterie 19 über die

Elektroden 20 kommt. Das gleiche und durch eine monöstabile Kippstufe 21 verzögerte Signal wird

über eirie Leitung 22 einem Thyratron 23 zugeführt.

Der Gleichrichtertransformator 24 besteht aus

einem Dfehström-Aüfwärtstransfoffnator, einem von

6b Festdiöden hoher Sparinürigsfestigkeit gebildeten Gleichrichter, einem Drosselfilter und einer Koriderisatorenbätterie. Dieser Transformator liefert eine Spannung von 11 kV.

Bei einem bevorzugten Aufbau befinden sich die Elektroden 13 und 20 zueinander in geringer Entfernung in einem Block axis isolierendem. Material. Außerdem sind die Steuerfünkenstrecken mit einer Ventilation versehen, die nach der Kondensatoren-

Entladung eine Durchwirbelung der ionisierten Luft bewirkt.

Die grundsätzliche Arbeitsweise des in Fig. 1 gezeigten Betriebsgeräts läßt sich wie folgt zusammenfassen: .

Bei 25 wird einem Wechselrichter eine Wechselspannung zugeführt, die in eine Spannung von 380 V, 50 Hz umgeformt wird, wobei die Leistung des Wechselrichters 50 kW beträgt.

Der Gleichrichtertransformator 24 liefert an seine Klemmen eine sehr hohe Spannung von 11 kV. Diese Spannung wird einem Ladekreis einer Kondensatorenbatterie 19 zugeführt, die mit einem Heißkathoden-Thyratron sowie einer Verdopplerdrossel ausgerüstet ist, wovon letztere mit der Kondensatorenbatterie 19 in Reihe verbunden ist. Die Zwischenschaltung der Drossel hat zur Folge, daß die Kondensatorenbatterie wie ein Resonanzkreis arbeitet, der eine Spitzenspannung von 22 kV liefert. Diese Spannung wird, allerdings durch die Thyratrons 16 pnd 23 gesperrt; Sobald nun .diese Thyratrons 16 und 23 leitend geworden sind, verwendet man diese Spannung ,zur Aufladungder Kondensatorenbatterien 12 und 19. ,... . _:; .

..·. Erreicht nun ,ein auf dem Band 2 eingeschriebenes Symbol den Abtastkopf 3, so erzeugt es einen elekirischen; Impuls, der durch 6 verstärkt wird und der Signalformüngsstufe 8 zur Verfugung steht. Im An-Schluß daran läßt dieses Signal die Steuerfunkenstrecke 11 leitend werden, woraufhin die in der Kondensatorenbatterie 12 gespeicherte Spannung von 22 kV zu den beiden Elektroden 13 gelangt. Zwisehen den Endpolen der beiden in einer isolierenden Keramikmuffe befindlichen Elektroden tritt nunmehr ein Funke mit einer Stärke von 100 Joule auf, wodurch die 0,41-Mikrofarad-Kondensatoren entladen werden. Die Entladezeit beträgt in der Regel 1 bis 100 Mikrosekunden.

Nach einer gewissen von der Verzögerungsstufe 14 bestimmten Zeit wird das elektrische Steuersignal dem Thyratron 16 zugeführt, das hierdurch öffnet und leitend wird. Der Gleichrichtertransformator 24 lädt nunmehr die Kondensatorenbatterie 12 so lange auf, wie der Ladestrom noch über dem Strom liegt, der dem direkten Haltestrom des Thyratrons 16 entspricht. Die Steuerelektrode dieses Thyratrons 16 ist außerdem ständig negativ polarisiert, und zwar durch eine Spannung, deren Wert unter dem der Spannung liegt, die vom von 6 kommenden Signal geliefert wird. Auf diese Weise ist nunmehr das Thyratron mit großer Sicherheit gesperrt und jegliche ungewollte Zündung: der Hochspannungsquelle ausgeschlossen.

Die Arbeitsweise der zweiten Sendeeinheit ist mit der der ersten Einheit identisch.
. Hiervon abgesehen, wurden zwei Einheiten dargestellt, zwischen die eine große Anzahl von Sendeeinleiten geschaltet werden können. Ferner wird aus dieser Darstellung deutlich, daß man der Erfindung entsprechend über ein Gerät verfügt, das infolge der hohen Funkenzahl in der Lage ist, Signale hoher Energie auszusenden.

. Bei einem speziellen Aufbau kann das Magnetband mehrere Spuren besitzen, wobei jede Spur als Adresse eine Kette von Kondensatoren sowie Lade- und Entladeelemente besitzt. .

Das erfindungsgemäße Betriebsgerät ermöglicht insbesondere die Aussendung von Signalen mit Hilfe zweier Kondensatorenbatterien 12 und 19, wobei diese Signale im Verhältnis zueinander in Koinzidenz oder phasenverschoben auftreten und diese Koinzidenz oder Phasenverschiebung wiederum durch die Koinzidenz oder Phasenverschiebung der auf dem Magnetband 2 eingeschriebenen Symbole gesteuert wird. Hieraus ist nunmehr erkennbar, daß die zwisehen den Elektroden 13 und den Elektroden 20 auftretenden Funken entweder in Koinzidenz oder phasenverschoben auftreten.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Anwendungsbeispieleines erfindungsgemäßen Betriebsgeräts. Bei 25 liegt eine Wechselspannungsquelle, die mit einem Aufwärtstransformator 24 verbunden ist, an dessen Ausgang ein eingebauter Gleichrichter eine Spannung von beispielsweise 22 kV abgibt. Eine der Ausgangsklemmen dieses Transformators ist mit Masse -verbunden, während die andere Klemme mit einem Spannungsabgreif er 29 α verbunden ist. Dieser Spannungsabgreifer berührt eine Reihe von Leiterschienen, die auf einer Trommel 23 liegen, wobei diese Trommel von einem Elektromotor 26 angetrieben wird, der denStrom von der Spannungsquelle 25 erhält. Berührt der Spannungsabgreifer 29 a eine der von der Trommel 28 getragenen Leiterschienen, z.B. die Schiene 28a, so wird diese vom Strom durchflossen. Der mit der Schiene 28a zur gleichen .Zeit mit dem Spannungsabgreifer 29 a. in Berührung kommende Spannungsabgreifer 29 b empfängt diesen elektrischen Strom und verwendet diesen zur Ladung einer Kondensatorenbatterie, z. B. der Batterie 19. Der Motor 26 bewegt eine Scheibe 26 a, auf der sich eine Anzahl Kontakte befinden, die gegenüber den Schienen 28 α, 28 b, 28 c, 28 d versetzt sind. Ein Schaltschütz 26 b, das mit der Spannungsquelle 25 verbunden ist, berührt die Scheibe 26 a, auf die ebenfalls ein zweites Schaltschütz 26 c wirkt. Verbindet eine auf der Scheibe 26 a liegende Brücke die Schaltschütze 26 b und 26 c, so fließt ein Strom, der die mittlere Elektrode der Zündvorrichtung 27 polarisiert. Diese Polarisationsspannung bewirkt die Entladung des Kondensators sowie die Bildung eines Funkens zwisehen den beiden Elektroden 30. Zwischen dem Spannungsabgreifer 26 c und der Zündvorrichtung 27 liegt ein UND-Gatter 27 α, das vom Abtastgerät 3 gesteuert wird. Die von diesem Gerät gelieferte Spannung öffnet das UND-Gatter 27 α bei Abtastung eines auf dem Band 2 eingeschriebenen Signals. Wird hingegen auf dem Band kein Signal angetroffen, so wird keine Spanung zum UND-Gatter 27 a geliefert.

Das in F i g. 2 dargestellte Betriebsgerät arbeitet in der nunmehr beschriebenen Weise: Dreht sich die die Leiterschienen tragende Trommel 28 infolge des Antriebs durch den Motor 26, so lädt sich der Koridensator 19 in dem Augenblick auf, in dem die

Spannungsabgreifer 29 α und 29 b eine. Leiterschiene, z.B. 28a, berühren. Die Aufladung wird in dem Augenblick beendet, in dem der Kontakt der Spannungsabgreifer 29 α und 29 b mit einer Leiterschiene unterbrochen wird. Während dieser Aufladeunterbrechung wird mit Hilfe der auf der Scheibe 26 a (Antrieb durch Motor 26) liegenden Leiter — vorausgesetzt, daß einer dieser Leiter mit den Spannungsabgreifern 26 b und 26 c Kontakt bildet. — das EIement 27 polarisiert, das wiederum die Entladung des

Kondensators 19 auslöst, wodurch ein Funke entsteht. Das ständig arbeitende ■ System ermöglicht demnach die Aussendung von Funken nach einer von der Motorgeschwindigkeit abhängenden Takt-

folge. Nachdem diese Geschwindigkeit verändert werden kann, ist es demnach ebenfalls möglich, die Taktfolge der Funken jeweils einzustellen. Auf der Polarisationsleitung des Elements 27 befindet sich ein UND-Gatter 27a, das den Polarisationsspannungsfluß so lange sperrt, solange auf dem zweiten Eingang dieses Gatters keine Spannung vorliegt. In gleicher Weise kann auch bei geschlossenem Gatter 27 kein Spannungsfluß für die Entladesteuerung auftreten, und das Fehlen eines Steuerimpulses hat das Aussetzen der Funkenbildung zur Folge, d. h., es entsteht ein Unterbrechungsintervall. Gelangt eine Spannung an das UND-Gatter 27 a, so öffnet dieses und die Steuerung der Zündvorrichtung 27 verläuft nunmehr in gewohnter Form, d. h., es werden Impulse empfangen.

Es besteht die Möglichkeit, zwei oder mehrere Betriebsgeräte zu kombinieren, wobei die verschiedenen Motoren 26 synchronisiert werden können. Hierdurch erhält man gleichzeitig auftretende Entladungsfunken sowie eine Amplitudenänderung der gesendeten Si- \ gnale. Die Zeitintervalle, während denen die Gatter S*· 27 a der einzelnen miteinander verbundenen Geräte geöffnet sind, können unabhängig voneinander eingestellt werden, wodurch man die verschiedenen und das Sendesignal bildenden Erschütterungswellen beliebig modulieren kann.

Bei einer Variante der obengeschilderten Vorrichtung wurde auf die Spannungsabgreifer 29 a und 29 b verzichtet.

Fig. 3 zeigt die Stromkennlinie des Entladekxeises in Abhängigkeit von der Zeit, wobei dieser Strom einen Elementarimpuls erzeugt, der die Anstiegszeit des Entladestroms ohne weiteres erkennen läßt, d. h. die Zeit, während der der über die Funkenstrecke gelangende Strom zunimmt. Außerdem wird die Abfallzeit entsprechend der Entladung der von den Kondensatoren 19 gebildeten Kapazität ersichtlich.

Dieser Elementar-Energieimpuls wird in der weiteren Beschreibung als »SONON« bezeichnet.

F i g. 4 zeigt eine Reihe von Impulsen, die von einem wie dem in F i g. 2 dargestellten Gerät ausgesendet werden, bei dem 10 Elektrodenpaare kombiniert wurden. Der erste dargestellte Energieimpuls entspricht der Sendung von fünf »Sonons«, d. h., daß 5 der 10 Geräte durch Öffnen der 5 UND-Gatter 27 a synchronisiert wurden. Der zweite Energieimpuls entspricht der Sendung von 6 Sonons, d. h., daß 6 von 10 Geräten durch Öffnen der 6 UND-Gatter 27 a synchronisiert wurden. Der dritte Energieimpuls entspricht der Sendung von 7 Sonons, der vierte der Sendung von 8 Sonons, der fünfte der von 9, der sechste der von 10, der siebente der von 9, usw.

Nach dem fünfzehnten Impuls, der der Aussendung eines einzigen Sonons entspricht, beginnt ein neuer Kreislauf, in dem ein, zwei, drei, vier Impulse ausgesendet werden, um eine entsprechend der zweiten in Fig. 4 dargestellten Gruppe gemäße Sendung zu erwirken. Im Anschluß daran wird noch eine dritte sowie eine vierte Gruppe gesendet. Bei dieser Sendung arbeiten die einzelnen Motoren 26 mit konstanter Geschwindigkeit, wodurch ebenfalls die Wiederholfrequenz der einzelnen Impulse konstant gehalten wird. Die Synchronisierung der UND-Gatter 27a übernehmen die auf dem Band 2 eingeschriebenen Symbole.

Nach einer gewissen Bodendurchlaufzeit stellt man fest, daß die, wie in F i g. 4 angegeben, ausgesendeten Elementardruckwellen nicht einzeln erscheinen, sondern eine Hüllkurve entsteht, die einer Sinuskurve ■ähnelt, deren Ordinatenachse um einen Wert gleich einer halben Amplitude nach unten verschoben ist, woraufhin alle Ordinaten positiv sind.

F i g. 5 zeigt eine weitere Impulsfolge, bei der während der ersten zehn Impulse ein einziges Gerät arbeitet, während der zehn folgenden Impulse zwei Geräte synchronisiert sind, während der zehn darauffolgenden Impulse drei Geräte synchronisiert sind; im Verlauf von weiteren zehn Impulsen sind nunmehr nur noch zwei Geräte synchronisiert und während der wiederum zehn darauffolgenden Impulse arbeitet nur noch ein einziges Gerät. Auf diese Weise erzielt man eine Einheits-Erschütterungswelle, die sich im Boden fortpflanzt und von der man im wesentlichen die Hüllkurve empfängt, dadurch bedingt, daß der Boden sich gegenüber den Einheitsimpulsen wie ein Filter verhält. Diese Erschütterungswellenfolgen können aufeinanderfolgend wiederholt werden, wobei die Dauer dieser Wellenfolgen entsprechend der Öffnungs- und Schließzeit des UND-Gatters 27 a verändert werden kann.

F i g. 6 zeigt eine Reihe von Impulsen, die vom in F i g. 2 dargestellten Gerät ausgesendet wurden, dessen Motorgeschwindigkeit (Motor 26) variiert. Die Drehbewegung des ,Motors steuert sowohl die Ladeais auch die Entladefrequenz des Kondensators 19, wie aus den in F i g. 2 ersichtlichen Angaben hervorgeht.

F i g. 7 zeigt das Sendeschema einer hinsichtlich der optischen Korrelation besonders vorteilhaften Impulsfolge. Eine erste Erschütterungswelle setzt sich aus vier Einheitsimpulsen zusammen, eine zweite Erschütterungswelle aus sechs Einheitsimpulsen, wobei zwischen diesen beiden Erschütterungswellen ein gewisses Unterbrechungsintervall liegt; eine gewisse Zeit nach der zweiten Erschütterungswelle wird eine dritte Erschütterungswelle ausgesendet. Während der dritten Erschütterungswelle werden neun Impulse ausgesendet, während der vierten schließlich 24 Impulse. Im Anschluß hieran kommt es zur Sendung einer fünften Erschütterungswelle der Dauer der dritten Welle und zu einer sechsten Erschütterungswelle der Dauer der zweiten und zu einer siebenten Erschütterungswelle der Dauer der ersten Welle. Die Dauer der Erschütterungswellen sowie die Unterbrechungsintervalle sind in der Weise gestaffelt, daß die Aufzeichnung bei optischer Dichte auf einem Film der in Fig. 7 dargestellten Erschütterungswelle einem Streifen entspricht, der aus einer Reihe von Newtonschen Ringen ausgeschnitten ist, wobei die Anzahl der genannten Impulse lediglich zur Erläuteterung erfolgte.

Die einzelnen Funken erzeugen Druckwellen, die sich zeitlich wiederholen. Auf diese Weise erhält man eine Reihe von Druckwellen, die als Erschütterungswelle bezeichnet wird. Die mittlere Dauer der Druckwelle sowie die Dauer der Unterbrechungsintervalle zwischen den einzelnen Erschütterungswellen können stark abweichen, und ihre Staffelung erfolgt lediglich mit Hilfe der Symbole, die auf dem Magnetband eingeschrieben sind, das unter dem Abtastkopf 1 vorbeiwandert. ·

Aus dieser Darstellung geht insbesondere hervor, daß eine Erschütterungswelle innerhalb einer gewissen Zeit T ausgesendet werden kann. Diese Erschütterungswelle der Dauer T wird durch eine Folge von

auf dem Magnetband 2 eingeschriebenen Symbolen geregelt. Nach Ablauf einer bestimmten Zeit kann nunmehr eine neue Erschütterungswelle gebildet werden. Bei dieser Zeit handelt es sich um ein gegebenes Unterbrechungsintervall. Die Anzahl der Impulse dieser neuen Erschütterungswelle wird ebenso wie die Gesamtzeit der Erschütterungswelle vorher festgelegt. Die Zeitdauer 7" ist vollkommen unabhängig von der Zeitdauer T. Auf diese Weise können Erschütterungswellen zu vorherbestimmten Zeitpunkten ausgelöst werden. In gewisser Entfernung vom Sendepunkt werden die Impulse nicht mehr mit der gleichen Intensität aufgenommen, und zwar infolge des Durchlaßbereichs des Mediums, eines bestimmten Elastizitätsmoduls und einer gewissen Eigenperiode. Man erhält somit ebenfalls eine Druckwelle, deren Gesamtdauer der Dauer der Erschütterungswelle entspricht. In gleicher Weise empfängt man nunmehr die Hüllkurve der ausgesendeten Impulse, deren Amplitude gegenüber der der anderen Impulse in einem Verhältnis vermindert ist, das sich nach dem Verhältnis der Sende- und Ruhezeiten während der Dauer der Erschütterungswelle richtet.

Das Betriebsgerät arbeitet nunmehr wie ein NF-Sender, wobei die Frequenzdauer veränderlich und nach Belieben einstellbar ist. Die Sende- bzw. Ruhezeiträume zwischen jeder Erschütterungswelle können beliebig lang gewählt werden. Insbesondere arbeitet dieses Betriebsgerät wie ein Sender sehr tiefer Frequenzen, dessen Bereich nach unten praktisch unbegrenzt ist. In gleicherweise kann dieses Betriebsgerät auch als MF-Sender verwendet werden, mit dessen Hilfe Druckwellen einer Frequenz von über 1000 Hz erzeugt werden können. Zudem ermöglicht die ausgesendete Druckwelle einen sehr guten Wirkungsgrad.

Analog zur Datenauswahl, bei der Momentwerte einer Funktion ausgewertet bzw. die Funktion durch Momentwerte ausgedrückt wird, kann man hier von einer gestaffelten Sendung sprechen, d. h., beim Aussenden von Signalen eines bestimmten Wertes und zu bestimmten Zeitpunkten sendet man außer den Elementarimpulsen eine Druckfunktion, deren Periode durch die Sendezeit definiert wird. Es treten hierbei demnach Niederfrequenzerscheinungen auf, wobei hinzuzufügen ist, daß der Boden niedere Frequenzen besser überträgt, die überdies bei ihrer Fortpflanzung weniger gedämpft werden.

Hiermit werden die Vorteile des in F i g. 1 dargestellten Betriebsgeräts sowie seine Anpassungsfähigkeit klar ersichtlich, insbesondere hinsichtlich der Aussendung von ausgewählten Signalen unterschiedlicher Stärken.

Mit Hilfe des die Symbole tragenden Magnetbandes erfolgt nun die Koinzidenz oder Phasenverschiebung der von verschiedenen Ketten gesendeten Signale untereinander. Überlappt man bei einer Variante mehrere Sendeketten, so erwirkt man dadurch eine Sendung, die einem in geringer Entfernung vom Sendegerät stehenden Betrachter als absolut gleichmäßig erscheint, vorausgesetzt, daß die Elementarunterbrechungszeiten der ersten Kette durch Sendeintervalle anderer Ketten ausgefüllt sind.

Hieraus wird ersichtlich, daß bei Koinzidenz zweier Ketten zu einem bestimmten Zeitpunkt die Sendung eines Signals doppelter Amplitude erfolgt.

Das in F i g. 2 gezeigte Betriebsgerät bietet bei gleichen Vorteilen eine noch größere Anpassungsfähigkeit.

Die Erfindung umfaßt gleichermaßen die Anwendung des erfindungsgemäßen Betriebsgeräts auf die seismische Untersuchung des Erd- und des Meeresbodens.

Die Anwendung auf den Meeresboden ist einfach. Die Elektroden befinden sich in einer gewissen Tiefe und die Sendung erfolgt durch Schaffung eines Plasmas, aus dem wiederum Elementardruckwellen entstehen. Beim Auftreffen auf dem Boden werden die

ίο Druckwellen in Signale bestimmter Dauer umgewandelt und pflanzen sich im Meeresboden mit der ihnen eigenen Frequenz fort. Die hierzu verwendete Lei-' stung ist beträchtlich, denn jeder Elementarfunke erzeugt beispielsweise 100 Joule; verwendet man einen Sender mit 10 gekoppelten Ketten, so kann man während einer Sendedauer von einer Sekunde eine elektrische Leistung von 50 Kilojoule abstrahlen.

Infolge der rechteckigen Form der ausgesendeten Wellen weist das Signal eine steile Front auf und kann somit leicht mit dem von einem Detektor bzw. Seismographen empfangenen Signal korreliert werden, und zwar nachdem dieses Signal von einem Spiegelreflektor bzw. Horizontalspiegel reflektiert wurde. Die Interkorrelationsfunktion des empfangenen und des gesendeten Signals kann von irgendeinem Gerät, insbesondere mit Hilfe eines Rechners herbeigeführt'werden, dem die Daten des vom Generator gesendeten Signals zugeführt werden, wobei das Signal zur Abbildung des übertragenen Signals gefiltert werden kann und die Aufzeichnung des empfangenen Signale ausdrücken und für die man eine wird, der sich im Meer befindet und die empfangenen Schwingungen in ein elektrisches Signal umwandelt.

Die Interkorrelationsfunktion komprimiert die empfangenen Signale und ermöglicht die Bestimmung der Laufzeit der einzelnen Wellen. Diese Rechenoperation entspricht einer Ermittlung der Verschiebung zwischen den beiden Funktionen, die die zu verschiedenen Zeitpunkten gesendeten und empfangenen Signale ausdrücken und für die man eine maximale Kohärenz erhält. Der Sendezeitpunkt wird durch die Autokorrelationsfunktion des gesendeten Signals bestimmt. Die Laufzeit der mechanischen Bodenwellen erhält man durch Vergleich dieser beiden Funktionen.

Die mechanischen Wellen können auf verschiedene Art ausgesendet werden. So kann man einmal während einer bestimmten Zeit eine Wellenfolge mit fest zugeordneter Frequenz aussenden und nach einer gewissen Zeit eine Wellenfolge unterschiedlicher Frequenz nachsenden. Hierbei wird in der Weise verfahren, daß die Wellenfolgen zu einem bestimmten Zeitpunkt, vorzugsweise zu Sendebeginn, in Phase liegen. Dies wird durch Verwendung eines Programmierbandes erreicht, woraufhin die empfangenen Signale addiert werden. Ein reflektiertes Signal wird somit verstärkt, da alle mit der gleichen Phase gesendeten Signale in Koinzidenz liegen und

da das seiner Natur nach ungewisse Grundgeräusch sich zumindest teilweise aufhebt. Man erhält somit eine Bestimmng des Horizontreflektors, die um so genauer ausfällt, je größer der Anteil der gesendeten mittleren Frequenzen ist. Dieses Verfahren ist inso-

fern sehr interessant, da man die Horizontspiegel in ständig angenäherter Form beobachtet. In gleicher Weise können auch Impulsfolgen bzw. Wellenfolgen verwendet werden, deren Programm die Frequenz-

staffelung bestimmt, wobei die Korrelationsfunktionen verwendet werden müssen.

Es wurde ein spezielles Sendeverfahren festgelegt, das sich für die optische Korrelation als besonders vorteilhaft erweist. Zur näheren Definition dieses Verfahrens sollten einige Begriffe der klassischen Physik eingeführt werden.

Es ist bekannt, daß beim Auftreffen eines kohärenten Lichtbündels auf einer aus einer reflektierenden Platte und einer durchscheinenden Kugelschale bestehenden Anordnung (die Kugelschale liegt hierbei an einem Punkt auf der Platte auf) eine Anzahl von Interferenzstreifen sichtbar wird, die als »Newtonsche Ringe« bezeichnet werden.

Bewegt man sich von dieser Ringdarstellung ausgehend entlang eines Durchmessers, so bemerkt man einen ständigen Wechsel der Lichtstärke, gemäß einem Gesetz, das wir als Gesetz der Newtonschen Ringe bezeichnen.

Bei einer Variante folgt das Gesetz der Intensitätsverteilung der Erschütterungswellen einem Gesetz der Newtonschen Ringe.

Bei einer weiteren, einfacheren Anwendungsvariante ersetzt man die Erschütterungswellen veränderlicher Amplitude durch Erschütterungswellen konstanter Amplitude, die durch Unterbrechungsintervalle voneinander getrennt sind. Das Verteilungsgesetz der Medien jeder dieser Erschütterungswellen entspricht dem Verteilungsgesetz der Intensitätsmaxima im Gesetz der Newtonschen Ringe und die Medien der Unterbrechungsintervalle entsprechen den Intensitätsminima des Gesetzes der Newtonschen Ringe.

Eine Anwendung auf die Geophysik der Erde ist möglich. Hierzu wird das Sendegerät, d. h. insbesondere der die beiden Elektroden enthaltende Isolierkörper, der mit den Kondensatoren und der Entladevorrichtung verbunden ist, in einen Hohlraum gebracht, der mit einer Flüssigkeit, z. B. Wasser, angefüllt ist. Die Signale gelangen somit in das Wasser und werden in den Boden übertragen. Die Verbindung zwischen zwei Punkten kann somit durch genaues Modulieren der ausgesendeten Wellen erfolgen, die sich infolge ihrer schwachen zugeordneten Frequenz über sehr große Strecken fortpflanzen.

F i g. 8 zeigt schematisch die Verwendung des erfindungsgemäßen Betriebsgeräts für die seismische Erforschung des Meeresbodens.

Auf dem Schiff 31 sind Stromquelle und Signalgenerator montiert und als Einheit mit der Kennziffer 32 bezeichnet. Ein Kabel 33 verbindet den Signalgenerator mit den in einem Isolierzylinder 34 liegenden Elektroden, wobei das Ende der Elektroden um einige Millimeter aus der Rückseite des Isolierzylinders 34 herausragt.

Sendet man bei 34 Signale aus, so entsteht wie vorher beschrieben eine Anzahl Funken, die ihrerseits mechanische Wellen erzeugen, die sich im flüssigen Medium 45 fortpflanzen. Die gleichen Wellen pflanzen sich nunmehr auch unter dem Meeresboden 44 fort, wobei die mit 35, 36 und 37 bezeichneten Bahnen beschritten werden. Nach Überschreiten der Mediumgrenze zwischen flüssigem Medium 45 und festem Untergrund 44 werden diese Wellen an einem Horizontspiegel 38 reflektiert. Diese reflektierten Wellen werden wiederum von den Seismographen 39, 40 und 41 erfaßt, die mit einer Datenverarbeitungseinheit 42 verbunden sind, die die Aufzeichnung der von den Seismographen 39, 40 und 41 kommenden Signale vornimmt.

In Fig. 8 wurde die Datenverarbeitungseinheit auf

dem zweiten Schiff dargestellt, die jedoch in gleicher Weise auf dem ersten Schiff 31 untergebracht sein kann. Die Kennziffer 46 bezeichnet außerdem eine Welle, die von den Seismographen nicht erfaßt wird.

Die Arbeitsweise des verwendeten Betriebsgeräts

ist einfach: Die Wellenfolgen gelangen in das Medium 44 mit einer Verstärkung, die vom Anteil der Niederfrequenzwellen abhängt und gelangen als solche in den Meeresboden. Die gleichen Wellen werden am Horizontspiegel 38 reflektiert und von den Seismographen 39, 40 und 41 aufgenommen. Die Interkorrelationsfunktion des bei 31 gesendeten Signals sowie jedes bei 39, 40 und 41 empfangenen Signals führt zur zeitlichen Zusammenführung der verschiedenen und zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten bei 34 ausgesendeten mechanischen Wellen und bietet eine Darstellung, die einer solchen bei Empfang eines Impulssignals bei 39, 40 und 41 vergleichbar wäre. Die Verwendung dieser Interkorrelationsfunktionen und der Autokorrelationsfunktion ermöglicht die Bestimmung der Bodenlaufzeit der mechanischen WeI-len. Da andererseits die Wellengeschwindigkeit eine bekannte Größe ist, wird die Tiefe des Horizontspiegels 38 hieraus abgeleitet.

F i g. 9 zeigt die Sendung eines vom erfindungsgemäßen Betriebsgerät verwendeten Signals für die Bodenuntersuchung.

Der Signalgenerator 50 sendet über die Kabel 51

Signale zum Sendekopf 52, der in einen mehr oder weniger großen Hohlraum (wassergefüllt) getaucht ist.

Vorzugsweise sollte der untere Teil dieses Hohlraumes unterhalb der verwitterten Oberflächenzone (»Wenthering zone«) liegen.

Nach Ingangsetzung des Signalgenerators 50 kommt es bei 52 zur Aussendung von Signalen, die im Boden gruppenweise mit einer niedrigen Frequenz übertragen werden.

Die Bezugsziffern 55 und 56 bezeichnen bevorzugte Bahnen der Wellenfolgen, die nach Reflektierung am Horizontspiegel 53 auf den Bahnen 57 und 58 zurückkehren und von den auf der Bodenoberfläche oder in gewisser Tiefe in den Hohlräumen aufgestellten Seismographen 63 und 64 empfangen werden. Eine Datenverarbeitungseinheit 65 analysiert die von den Seismographen 63 und 64 ausgesendeten elektrischen Signale. Die die Bahnen 59 und 60 einschlagenden Wellenfolgen werden ebenfalls von einem zweiten Horizontspiegel 54 reflektiert und werden nach Rückkehr über die Bahnen 61 und 62 von den gleichen Seismographen 63 und 64 aufgenommen, die mit der Datenverarbeitungseinheit 65 verbunden sind.

Die Zeitspanne zwischen der Ankunft der beiden in Koinzidenz gesendeten Signale ermöglicht die Bestimmung der Entfernung zwischen den beiden Horizontspiegeln 53 und 54. Diese Zeit ist um so genauer definiert, je größer die Genauigkeit der Interkorrelationsfunktion des empfangenen und des gesendeten Signals ist, d. h. je größer der Frequenzbereich der empfangenen Signale ist.

Claims

Patentansprüche:

1. Seismisches Untersuchungsverfahren zur Bestimmung reflektierender Schichten in einem Medium, bei dem ein Signal aus einer Folge von durch Energieimpulsserien erzeugten Erschütte-

rungswellen mit einer Sendedauer, die größer ist als die der untersten der gesuchten reflektierenden Schichten entsprechende Laufzeit, von einem einzigen Sendepunkt abgestrahlt wird und nach Reflexion an den reflektierenden Schichten von Meßfühlern aufgenommen und zur Auswertung nach einem Korrelationsverfahren aufgezeichnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Erschütterungswellen zeitlich derart gestaffelt sind, daß ihre Frequenz sich in der gleichen Weise ändert wie die Lichtstärke entlang eines Durchmessers eines Interferenzbildes in einem System Newtonscher Ringe.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Erschütterungswellen veränderlich ist und die Verteilung deren Minima und Maxima der Minima- und Maximaverteilung der Lichtstärke entlang eines Durchmessers eines Interferenzbildes in einem System Newtonscher Ringe ähnlich ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erschütterungswellen voneinander durch Unterbrechungszeiträume getrennt sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die den Symmetrieachsen der Erschütterungswellen entsprechenden Zeitpunkte einerseits und die die Erschütterungswellen trennenden Unterbrechungszeiträume andererseits in der gleichen Weise verteilt sind wie die Maxima und Minima der Lichtstärke entlang eines Durchmessers eines als Newtonsche Ringe bekannten Interferenzbildes.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bestehend aus einer elektrischen Spannungsquelle (25),^: einem Hochspannungstransformator mit nachgeschaltetem Gleichrichter (24), Vorrichtungen zur Speicherung elektrischer Energie (19) sowie aus Schaltelementen zur zeitweiligen Unterbrechung der Verbindung zwischen den Speichervorrich-Funkenauslösung und Funkengeneratoren, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt aus der wirksamen Kapazität der Elektroden der Speichergekennzeichnet, daß das Produkt aus der wirksamen Kapazität der Elektroden der Speichervorrichtung und dem Elektrodenwiderstand zwischen IO-³ und IO⁵ s liegt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen