-
Verfahren zur akustischen Übertragung von Nachrichten-
-
signalen'durch den Erdboden Es ist bekannt, daß akustische Signale,
die in den Erdboden übertragen werden, mit empfindlichen Aufnehmern über große Entfernungen
verfolgt werden können. Derartige Signale werden in der Erdbebenforschung registriert
und benutzt, um Aussagen über die. Natur und den Ursprung der Signalquelle und ferner
auch über die Art der von ihr
verursachten Bodenbewegungen zu machen.
Die Reichweite solcher Signale hängt nicht nur von der Stärke der Quelle und der
Empfindlichkeit der Aufnehmer ab, sondern auch von den Eigenschaften des Zwischenraumes
zwischen Quelle und Aufnehmer und ferner davon, ob diese Eigenschaften im voraus
für die Aufnahme berücksichtigt worden sind.
-
Aus der angewandten Geophysik ist bekannt, daß bei entsprechender
Wahl der Signalquelle die damit erzeugten Signale ueber mehrere hundert Kilometer
Entfernung empfangen werden können. Als Signalquelle dienen z.B. Sprengungen, Fallgewichte
und Uibratoren. In der Reflexions- und Refraktionsseismik werden akustische Signale
erzeugt und auf den Erdboden übertragen, um die Zeit zwischen der Aussendung und
dem Empfang dieser Signale zu messen und daraus Kenntnisse über die Lage von Grenzflächen
zu gewinnen, die mit Bezug auf die akustischen Signale die Eigenschaft von Unstetigkeitsflächen
haben und im allgemeinen auch geologische Grenzflächen bilden. Die dabei ausgewertete.
-
Große ist die Laufzeit des Signals zwischen Quelle und Empfänger.
Um die Laufzeit zu messen und auszuwerten, genügt es im wesentlichen, mit einem
Empfänger die Ankunft des Signale aufzunehmen und festzustellen. Da aber im Boden
stets eine gewisse, als Geräuschpsgel in den Aufzeichnungen auftretende Unruhe vorhanden
ist, müssen die Nutzsignale am Empfänger so weit definiert oder. definierbar sein,
daß sie von den Störsignalen unterschieden werden können. Es ist bekannt, hierfür
Verfahren der Informatik- einzusetzen.
-
Dazu gehört auch, ein gleiches Signal mehrmals zu wiederholen und
aus den daraus erzielten Aufnahmen das Signal zu ermitteln.
-
Während bei den Bodenuntersuchungen der Geophysik im wesentlichen
allein die Laufzeit, d.h. das Eintreffen eines Signals bei einer Empfangsstation,
gemessen bzw.
-
aufgenommen worden ist, sieht die Erfindung vor, akustische, durch:
den Sodenyaufende Signale zur Nachrichtenübermittlung zu verwenden.
-
Nach der Erfindung ist ein Verfahren zur akustischen Übertragung von
Nachrichtensignalen durch den Erdboden mittels seismischer Impulse zwischen einem
an den Boden gekoppelten Sender und einem an den Boden gekoppelten Empfänger dadurch
gekennzeichnet, daß jeweils nach Amplitude und/oder Frequenz und/oder Phase definierte
Signale, die bestimmten Informationswerten zugeordnet sind, verwendet werden. Dabei
werden vorzugsweise die Signale mit einem Vibrator erzeugt, dessen Vibrationsamplitude,
-frequenz und -phase einstellbar und nach vorgegebenen Funktionen veränderbar sind.
-
Die Erfindung nutzt aus, daß akustische Signale nicht nur durch ihren
die Laufzeit bestimmenden Einsatz ausgezeichnet sind, sondern in ihrer Amplitude,
Phase und Frequenz Parameter aufweisen, denen Informationswerte zugeordnet
und
die damit als Informationsträger genutzt werden können.
-
Bei Benutzung eines Vibrators ist es auf verhältnismäßig einfache
Weise möglich, die Schallquelle, in diesem Fall den Vibrator, so zu steuern, daß
dem Signal die jeweils gewünschte Information aufgeprägt und es mit ausreichender
Energie auf den Untergrund übertragen wird.
-
Diese Signalquelle hat weiter den Vorzug, daß Signale in verhältnismäßig
rascher Folge abgegeben werden. Dabei ist besonders vorteilhaft, daß die Signale
in ihrer Folge eine bestimmte, wohl definierte Phasenlage;besitzen.
-
Im einzelnen stehen bei derartigen Signalen folgende Variable für
die Informationsübertragung zur Verfügung: 1. Höhe der Amplitude 2. Frequenzbereich
3, Phasenmodulationsrichtung 4. Phasenmodulationsgrad 5. Vorzeichen der Amplitude.
-
mit Rücksicht auf das Problem, am Empfänger die Nutzsignale eindeutig
von den Störgeräuschen zu unterscheiden empfiehlt es sich für die Zwecke der Nachrichtenübermittlung,
mehr als eine der vorstehend genannten Variablen für die Signalerkennung zu verwenden
und für diese Signalerkennung Korrelationsverfahren einzusetzen. Dabei ist festgestellt
worden, daß die Ilariablen 2 und 4 für die
Signalerkennung besonders
geeignet sind, während für die Informationsübertragung die Variablen 3 und 5 Verwendung
finden können.
-
Zur Verbesserung des Verhältnisses von Nutz- und Störsignal empfiehlt
es sich außerdem, ein zu übertragendes Signal mehrfach wiederholt auszusenden. Zur
Verbesserung der Signalqualität können die mehrfach wiederholten Signale mit einer
statistischen Kodierung versehen werden.
-
Hierzu werden Signale in Teilabschnitte unterteilt, die so gestaltet
sind, daß sie als Elemente eines binären oder quaternären Systems aufgefaßt werden
können. Die Kodierung geschieht so, daß bei einer statistischen Zusammenfassung
von Teilsignalen die besonders von Störungen beeinflußten Anfangs- und Endabschnitte
der Teilsignale zu Null addieren, während die ittelabschnitte durch die Addition
verstärkt hervortreten und damit deutlich von den Störungen unterschieden werden
können.
-
Weitere Vorzüge und merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen
sowie aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, in denen die Erfindung
beispielsweise erläutert und dargestellt ist.
-
Es zeigen: Fig. 1 Schematisch sins Anordnung zur akustisclion Übertragung
von Nachrichten-Signalen durch den Erdboden, Fig. 2 eine Folge von Signalen oder
Signalgliedern, Fig. 3 eine aus vier Gliedern zusammengesetzte Codefolge und das
Ergebnis der Korrelation für diese Folge, Fig. 4 eine Fig. 3 entsprechende Darstellung
für eine mit Bezug auf Fig. 3 komplementäre Codefolge, Fig. 5 die Summierung der
Korrelationsergebnisse aus den Fig. 3 und +, Fig. 6 ein Beispiel für eine aus vier
Gliedern zusammengesetzte Folge eines quaternären Codes und das zugehörige Ergebnis
der Autokorrelation, Fig. 7 Zusammensetzung der mittleren Spitzenamplitude bei Benutzung
von quaternär codierten Folgen.
-
Zur akustischen Übertragung von Nachrichtensignalen durch den Erdboden,
s. Fig. 1, wird an der Erdoberfläche 0 oder in einem Schacht- oder Bohrloch 12 ein
hier vereinfacht dargestellter Sender 10 angeordnet. Der Sender überträgt joweils
nach Amplitude und/oder Frequenz und/oder Phase definierte Signale, die bestimmten
Informationswerten zugeordnet sind, in den Erdboden. Diese akustischen Signale breiten
sic nach allen Seiten mit Schallgeschwindigkeit aus, wobei die Schallgeschwindigkeit
von dem jeweiligen Medium abhängt. Falls eine Sohichtung vorhanden ist, s. die Schichtgrenze
16, treffen am Empfänger 14 zuerst die Signale ein, die an der Schichtgrenze 16
entlang oder durch das Liegende gelaufen sind.
-
Hierfür brauchbare Sender und Empfänger sind an sich bekannt.
-
Fig. 2 zeigt eine Folge von drei Signalgliedern A, 13, C, die von
einem Sender 10, Fig. 1, in das umgebende Erdreich zur Übermittlung von Nachrichten
übertragen werden können. In Fig. 2 ist die waagerechte die Zeitachse. Das Signalglied
A ist eine von einem hohem zu einem niedrigen Wert sich ändernde Frequenzfolge,
wobei die Amplituden alle gleich groß sind.
-
Die beiden senkrechten Striche 21, 22 markieren den Anfang und das
Ende des Signaigliedes A.
-
Auf das Signalglied A folgt das Signalglied B, dessen Anfang und Ende
durch die Striche 22 und 23 markiert sind. Das Signalglied 0 besteht aus der gleichen
Frequenzfolge wie das Signalglied A, mit rl^tn Unterschied, daß die Folge umgekehrt
verläuft, d. h., von der niedrigen zur hohen Frequenz.
-
Die beiden Signalglieder A und B werden auch als Downsweep und Upsweep
bezeichnet.
-
An das Signalglied 0 schließt zwischen den Strichen 23 und -) (die
wiederum Anfang und Ende markieren), das Signalglied C an.
-
C stimmt mit A überein bis auf den Unterschied, daß gegenüber A bei
C die Phasen umgekehrt liegen. Ein entsprechendes Signalglied mit umgekehrter Phasenlage
kann auch aus dem Signalglied B abgeleitet werden. Es ist demnach moglich, aus einer
Frequenzfolge ein binäres oder sogar quaternäres System aufzubauen.
-
Z.C. kann das Signalglied A als Darstellung von + 1 und dementsprechend
das Signalglied C als Darstellung von - 1 angesehen werden. Bei Summierung von A
und B, entsprechend + 1 und - 1, ist das resultat 0.
-
Fig. 3 zeigt eine Codefolge, die aus vier Gliedern zusammengesetzt
ist, die entweder - 1 oder + 1 darstellen. Die Amplituden und die Dauer der einzelnen
Glieder sind gleich. Bei einer Autokorrelatiun dieser Codefolge ergibt sich die
rechts in der Figur schematisch dargestellte Wellenlinie mit einer mittleren Spitzenamplitude
von + 4.
-
Fig. 4 zeigt eine Codefolge ebenfalls aus vier Gliedern, wobei diese
Codefolge komplementär zu der in Fig. 3 ist, im Sinne der komplementären lleihen,
s. den Aufsatz von Golay, TE Transactions on Informationtheory, April 1961, S. B2
- 87.
-
Für diese Codefolge ist ebenfalls eine Autokorrelationslinie im rechten
Teil der Fiutt dargestellt. Fig. 5 zeigt die Summenbildung zwischen den Korrelationskurven
der Fig. 3 und 4.
-
Aus diesen Kurvon und der Summenkurve im unteren Teil der Fig. 5
geht
anschaulich die Komplementarität der Codefolgen nach Fig. 3 und 4 hervor. Die Seitenflügel
der l(orrelationsl<urven addieren sich zu 0. Die mittleren Spitzen, deren Arnplitudengröße
gleich dem n-fachen des Einzelgliedes der Folge ist, wobei n = der Anzahl der Glieder
der Folge ist, addieren sich zu einer mittleren Spitze von 2 n bei einer Breite,
die der Dauer von zwei Signalgliedern entspricht und in Fig. 5 mit 2 angegeben ist.
In Fig. 3 und 4 ist entsprechend die Dauer eines Signalgliedes mit eingezeichnet.
Die Zusammenfassung von Signalfolgen in der dargostellten Weise gestattet, mit verhältnismäßig
geringen Energien Signalezu erzeugen und zu-übertragen, die trotzdem von den unvermeidlichen
Störgeräuschen aufgrund ihrer Korrelationseigenschaften an der Aufnahmestelle getrennt
werden können.
-
Die Fig. 6 und 7 bilden ein Beispiel für die Verwendung eines quaternären
Codes, dessen Glieder von dem Upsweep und dem Downsweep derselben Frequenzfolge
sowie deren Inversen gebildet werden. In Fig. 6 sind Upsweep und Downsweep durch
eine von links nach rechts ansteigende bzw. abfallende Cerade dargestellt. Ein Phasenverlauf
ist mit dem Pluszeichen, der inVerse Phasenverlauf mit dem Minuszeichen gekennzeichnet.
-
Anstelle von U und D für Upsweep und Downsweep sind in Fig. 7 die
Buchstaben A und B verwendet worden. Auch hier zeigt sich, daß bei Kombination der
Autokorrelationsergebnisse und einer für alle Signaiglieder gleichen Amplitudengröße,
die als 1 angenommen wird. sich eine Summe von n (A2- + 02) ergibt. Für A2 82 =
1 ist auch hier eine mittlere Spitzenhöhe von 2 n
festzustellen,
wobei n die Anzahl der Signalglieder in einer Codefolge ist.
-
- PATENTANSPRÜCHE -
Leerseite