DE20320909U1

DE20320909U1 - Vorrichtung zum Ermitteln von Unregelmässigkeiten in Bodenformationen

Info

Publication number: DE20320909U1
Application number: DE20320909U
Authority: DE
Original assignee: RST Raumfahrt Systemtechnik GmbH
Current assignee: RST Raumfahrt Systemtechnik GmbH
Priority date: 2003-10-06
Filing date: 2003-10-06
Publication date: 2005-07-14
Anticipated expiration: 2013-10-07

Abstract

Vorrichtung zum Ermitteln von Unregelmässigkeiten in Bodenformationen, insbesondere von Hohlräumen oder Rissen in Felsen und Fremdkörpern in Böden, mit Hilfe von in die Bodenformationen gesandten und deren Reflexion von der Unregelmässigkeit empfangenen elektromagnetischen Wellen, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Grundgerät zumindest zwei Sender zum Aussenden von Frequenzen bzw. Frequenzbänder aus unterschiedlichen Frequenzbereichen vorgesehen sind, sowie zumindest ein Empfänger.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ermitteln von Unregelmässigkeiten in Bodenformationen, insbesondere von Hohlräumen oder Rissen in Felsen und Fremdkörpern in Böden, mit Hilfe von in die Bodenformationen gesandten und deren Reflexion von der Unregelmässigkeit empfangenen elektromagnetischen Wellen.
Stand der Technik
Zur Untersuchung von Bodenformationen ist das sog. Bodenradar (Ground Penetrating Radar) bekannt. Mit Hilfe dieses Bodenradars werden elektromagnetische Wellen mit Frequenzen von einem 1 MHz bis zu 10 GHz in den Boden gesandt, um Informationen über seine Struktur zu erhalten. Die elektromagnetischen Wellen oder Radiowellen werden an Grenzschichten reflektiert, wo die dielektrischen Eigenschaften des Materials wechseln. Um die Entfernung zu der detektierten Grenzschicht der Unregelmässigkeit zu bestimmen, wird die Zeit zwischen Aussenden und Empfang der Wellen gemessen. Dieses System wird auch als Pulsradar bezeichnet.
Eine weitere Technik benutzt das sog. Step Frequency Radar. Mit ihm wird eine Sequenz von elektromagnetischen Wellen unterschiedlicher ab- oder aufgestufter Frequenz ausgesandt. Jede Frequenz wird für einen bestimmten Zeitintervall ausgesandt und danach die Frequenz erhöht oder verringert, bis das gewünschte Spektrum abgedeckt ist. Für jede Frequenz misst das System die Amplitude und die Phase des empfangenen Echosignals.
Die Benutzung eines Step Frequency Radars ist beispielsweise beschrieben in der GB 2 249 448 A, der DE 198 47 688 A1 oder der US 5 325 095 .
All diese Verfahren haben aber den erheblichen Nachteil, dass die Unregelmässigkeit nur sehr schwierig bestimmt werden kann. Beispielsweise ist mit dem bekannten Verfahren ein Riss in einer Felsformation nicht von einer eingelagerten Schicht aus einem anderen Material zu unterscheiden.
Aufgabe
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der o.g. Art zu schaffen, mit dem die Art der Unregelmässigkeit in Bodenformationen bestimmt werden kann.
Lösung der Aufgabe
Zur Lösung der Aufgabe führt, dass in einem Grundgerät zumindest zwei Sender zum Aussenden von Frequenzen bzw. Frequenzbändern aus unterschiedlichen Frequenzbereichen vorgesehen sind, sowie zumindest ein Empfänger.
Das anzuwendene Verfahren macht sich das Reflexionsverhalten von Wellen unterschiedlicher Wellenlänge an Ungegelmässigkeiten mit unterschiedlichen spektralen Charakteristiken zunutze. Es wurde herausgefunden, dass normale Bodenschichten, d.h., Schichten aus unterschiedlichem Material, hohe Frequenzen nur in sehr geringem Umfange reflektieren, während z. B. Risse oder Hohlräume Frequenz aus dem niederen Bereich in sehr geringem Umfange reflektieren. Werden nun zwei Frequenzen, die relativ weit auseinander liegen, in eine Bodenformation gesandt, so kann aus der Menge der reflektierten Strahlung jeder Frequenz geschlossen werden, ob es sich um einen normalen Bodenschichtwechsel oder um einen Riss handelt.
Bevorzugt wird, dass ein Sender eine niedrige Frequenz aus dem Bereich von 400 MHz bis etwa 1,6 GHz und der andere Sender eine hohe Frequenz aus dem Bereich von 1 GHz bis 4,6 GHz aussendet.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird für beide Sender und Empfänger das oben beschriebene Step-Frequency-Verfahren angewandt, d.h. es werden jeweils ganze abgestufte Frequenzbänder ausgesandt. Ein Frequenzband gehört dem niederen Frequenzbereich an, ein anderes dem höheren Frequenzbereich.
In einer entsprechenden Software, die integraler Bestandteil der erfindungsgemässen Vorrichtung ist, werden die Signale aufbereitet. Die Software ist so gestaltet, dass verwertbare Bilder ausgegeben werden, welche dem Benutzer zeigen, ob eine normale Bodenschicht oder ein Riss vorliegt. Ferner ist auch eine automatische Detektion möglich, die bei Erkennung eines Risses z.B. eine Warnung ausgibt.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann auf einer gesonderten Maschine angeordnet werden, die beispielsweise durch einen Schacht eines Bergwerks, einen Tunnel, einen Kanal usw. fährt, gedacht ist jedoch auch daran, die Vorrichtung als Handgerät auszugestalten.
Das ganze Verfahren wird berührungslos durchgeführt, ohne das Sende- oder Empfangsantennen das Gestein oder den Boden berühren.
Bei der Ermittlung von Landminen in normalem Boden wirkt sich störend aus, dass der Boden selbst sehr dämpfend ist, so dass Wellen nur sehr wenige Zentimeter eindringen können. Dies gilt vor allem für Wellen mit hoher Frequenz, mit denen nur die Struktur der Oberfläche abgetastet werden kann. Hier dringen nur Wellen mit tieferer Frequenz ein. Durch entsprechendes Ausfiltern von Frequenzen können so Landminen durch die erfindungsgemässe Vorrichtung leicht detektiert werden.
Figurenbeschreibung
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in
1 eine schematische Darstellung der Struktur eines Step Frequency Radars;
2 eine schematische und diagrammartige Darstellung des Reflexionsverhaltens von elektromagnetischen Wellen bei quasikontinuierliche Materialübergang;
3 eine schematisch und diagrammartige Darstellung des Reflexionsverhaltens von elektromagnetischen Wellen bei diskontinuierlichem Materialübergang.
Gemäss dem vorliegenden erfindungsgemässen Verfahren erfolgt eine Detektion von diskontinuierlichen Materialübergängen, wie beispielsweise Risse und Hohlräume in Felsen, durch ein sog. Step Frequency Radar, welches aus dem Stand der Technik bekannt ist. In 1 ist eine Struktur dargestellt, welche nach dem Step-Frequency-Prinzip arbeitet. Grundgerät ist ein PC 1, beispielsweise ein Laptop. Dieser enthält die Radaroperation und eine Software zur Bearbeitung von Daten.
Das Grundgerät 1 sendet über einen Weg 2 Kommandos zu einem Frequenzsynthesizer 3, dem wiederum ein Referenzoszillator 4 zugeordnet ist.
Die Signale, welche durch den Frequenzsynthesizer bereitgestellt werden, werden verstärkt und zu einer Übertragungsantenne 5 abgeben. Ferner werden die Signale auch als Referenzsignale zur Phasenmessung zu Empfängern 6.1 und 6.2 übertragen, die mit einer Empfangsantenne 7 verbunden sind. Der Empfangsbereich verstärkt die Echosignale und führt eine I/Q-Detektion durch.
Die Amplituden und Phasensignale werden gesammelt und über Filter 8.1 und 8.2 und A/D- Wandler 9.1 und 9.2 zu dem Grundgerät 1 übertragen. Dort werden die Daten verarbeitet.
Das Verfahrensprinzip, nach dem das Step Frequency Radar arbeitet ist folgendes:
Im Gegensatz zum klassischen Puls-Radar-System arbeitet ein Step Frequency Radar mit amplitudenkontinuierlichen Radarsignalen. Die erforderliche Signalbandbreite für die gewünschte Radarauflösung wird sequenziell aufgebaut anstatt des ständigen Komplettspektrums beim Pulsradar. Ein Radarsender liefert sequenziell Signale, welche über den gewünschten Frequenzbereich gestuft sind. Die Ab- oder Aufstufung kann beispielsweise linear erfolgen.
Im Empfangsbereich wird eine Phasen- und Amplitudenmessung der Echosignale durchgeführt. Das Ergebnis wird in eine Datenverarbeitung eingegeben.
In den 2 und 3 sind jeweils im Hauptbild Bodenformationen schematisch dargestellt. Rechts davon ist eine diagrammartige Auswertung des Materialparameters ε_r dargestellt. Darunter befindet sich ein Diagramm über die Grösse der Reflexion je nach Frequenz.
In 2 ist ein quasikontinuierlicher Materialübergang dargestellt. Dieser ergibt sich beispielsweise bei Veränderungen von Bodenschichten, wenn sich beispielsweise eine Lehmschicht in einer Sandschicht befindet. Hierbei handelt es sich um Schichten mit unterschiedlichen spektralen Charakteristiken. Im linken Bereich ist ein Sender 10 und ein Empfänger 11 angedeutet, wobei der Sender 10 elektromagnetische Wellen mit einem niedrigem Frequenzbereich aussendet. Im rechten Bereich befindet sich ein Sender 12 und ein Empfänger 13, wobei der Sender 12 elektromagnetische Wellen aus einem hohen Frequenzbereich aussendet.
Aufgrund der im Vergleich zur Wellenlänge langsamen Änderung des Materialparameters ε_r werden Wellen mit hoher Frequenz nur in geringem Masse reflektiegrosserrt, da kein Materialsprung auftritt, d.h. der Reflexionskoeffizient ist niedrig. Im Gegensatz dazu findet für Wellen mit grosser Wellenlänge ein sprunghafter Parameterwechsel statt und folglich wird ein grösserer Anteil der Energie an der Grenzschicht reflektiert. Dies ist auch in dem Diagramm unterhalb der Bodenformation erkennbar, das den Verlauf des Reflexionskoeffizienten über der Frequenz darstellt. Die Lage des Übergangsbereichs zwischen den beiden geschilderten Verhaltensweisen hängt stark von der Beschaffenheit des Materialübergangs ab.
Ein deutlich anderes Reflexionsverhalten tritt bei insbesondere kleinräumlichen diskontinuierlichen Materialübergängen auf, wie beispielsweise bei einem Riss 14 in einer Felsformation gemäss 3. Von Wellen, deren Wellenlänge gross im Vergleich zur vertikalen Ausdehnung des Risses 14 ist, wird nur ein geringer Anteil der Energie reflektiert, während Wellen mit kürzerer Wellenlänge sehr viel stärker beeinflusst werden. Dies ist im Reflexionsdiagramm klar zu erkennen.
Mit Hilfe eines Auswerteprogramms im Grundgerät werden die Amplituden der gewonnenen Daten aus den unterschiedlichen Frequenzbereichen verglichen und daraus eine Entscheidung über die Art der vorliegenden Unregelmässigkeit abgeleitet. Aus den Daten wird geschlossen, ob nur ein Schichtübergang oder aber ein Riss vorliegt. Weitere Informationen über die Beschaffenheit der Grenzschicht (Leitfähigkeit der Unregelmässigkeit) können aus der Phase des reflektierten Signals abgeleitet werden, da an leitfähigen Unregelmässigkeiten, wie beispielsweise eine Landmine, die sich in der Bodenformation befindet, ein Phasensprung auftritt.

1: Grundgerät = PC
2: Weg
3: Frequenzsynthesizer
4: Referenzoszillator
5: Übertragungsantenne
6: Empfänger
7: Empfangsantenne
8: Filter
9: A/D-Wandler
10: Sender
11: Empfänger
12: Sender
13: Empfänger
14: Riss

Claims

Vorrichtung zum Ermitteln von Unregelmässigkeiten in Bodenformationen, insbesondere von Hohlräumen oder Rissen in Felsen und Fremdkörpern in Böden, mit Hilfe von in die Bodenformationen gesandten und deren Reflexion von der Unregelmässigkeit empfangenen elektromagnetischen Wellen, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Grundgerät zumindest zwei Sender zum Aussenden von Frequenzen bzw. Frequenzbänder aus unterschiedlichen Frequenzbereichen vorgesehen sind, sowie zumindest ein Empfänger.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine niedrige Frequenz aus dem Bereich von 400 MHz bis etwa 1,6 GHz und eine hohe Frequenz aus dem Bereich von 1 GHz und 4,6 GHz ausgewählt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Frequenzbänder im step-frequency-Verfahren aus jeweils einem niedrigen Frequenzbereich und einem hohen Frequenzbereich ausgewählt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzen- bzw. Frequenzbänder parallel aussendbar sind.
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundgerät tragbar ist.