DE3037325A1

DE3037325A1 - Impulsradarverfahren und -einrichtung zum untersuchen des zustandes und der homogenitaet eines kohlefloezes

Info

Publication number: DE3037325A1
Application number: DE19803037325
Authority: DE
Inventors: Julian Brham Ponca City Okla. Coon; James Charles Burke Va. Fowler; Steven David Vienna Va. Hale; Theodore Edward Rockville Moser, Md.
Original assignee: Conoco Inc
Current assignee: ConocoPhillips Co
Priority date: 1979-11-02
Filing date: 1980-10-02
Publication date: 1981-05-07
Also published as: PL227596A1; GB2061658A; CA1182547A; AU6141280A; PL131681B1; DE3037325C2; GB2061658B; JPS5667778A; FR2468921B1; AU518913B2; FR2468921A1; ZA805261B

Description

30.September 1980 10876 Dr.ν.Β/Ε

CONOCO INC.
Ponca City, Oklahoma, V.St.A.

Impulsradarverfahren und -einrichtung zum Untersuchen des Zustandes und der Homogenifät eines Kohleflözes

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Radarverfahren

gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung Einrichtungen zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Die Erfindung befaßt sich also generell mit der Anwendung der Radartechnik auf die Untersuchung von Erdformationen, ein bevorzug ^s₉ jedoch nicht ausschließliches Ar·'·'™- :u nso-Het ist der Schutz vor Gefahren am Abbauort eines Kohleflözes im Unteti.u„ .jbau.

Es sind bereits Versuche unternommen worden, die Radartechnik zur Untersuchung geologischer Materialien oder Formationen zu verwenden, diese Versuche waren bisher jedoch mit der Ausnahme von Salzlagerstätten und extrem trockenen Formationen ohne Erfolg. Man hat bisher im allgemeinen die für die Luft- und Raumfahrtindustrie entwickelten Radarverfahren unmittelbar auf Erduntersuchungen, also die Untersuchung des Erdinneren angewandt. Bei den in der Luft- und Raumfahrtindustrie angewendeten Verfahren zur Aufzeichnung <τ^ anschließenden Verarbeitung von Radarsignalen hat man bisher das h^ptau^^Tierk auf die Verbesserung des Signal/ Rausch-Verhältnisses hinsichtlich statistischer Rauschstörungen gerichtet und hiermit konnte eine zuverlässige Anzeige nur innerhalb sehr geringer Eindringtiefen erreicht werden, die in der Größenordnung von wenigen Fuß

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BAD ORfGiNAL

also etwa in der Größenordnung von einem Meter lagen. Hinsichtlich dieses Standes der Technik sei z.B. auf die US-PSen 3 806 795, 3 831 173 und 4 072 942 verwiesen. Bei einer aus der US-PS 4 008 469 bekannt gewordenen neueren Entwicklung wird für geologische Untersuchungen ein hybrides Impulsradarsystem, das mit kurzen Impulsen arbeitet, verwendet, aber auch hier wird mit der verwendeten digitalen Signal Verarbeitungstechnik nur die Verbesserung des Störabstandes hinsichtlich statistischer Störungen angestrebt. Bei keinem bekannten Radarverfahren für Erduntersuchungen (im folgenden kurz "Geo-Radar") hat man Maßnahmen zur Beseitigung des Problems von quellen- oder senderkohärenten Störungen (die im folgenden im Gegensatz zum statistischen Rauschen als "Interferenzen" bezeichnet werden sollen) getroffen, d.h. Maßnahmen gegen Störungen durch Mehrfachreflexionen, Mehrfachwegausbreitungen, Reflexionen durch unerwünschte Ursachen und dergleichen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Radarverfahren und eine Radar-Einrichtung für Erd- oder geologische Untersuchungen anzugeben, das sich besonders für Untersuchungen einer zukünftigen Abbaustrecke vor dem Abbauort, insbesondere in einer Kohlengrube eignet und eine visuelle Darstellung der untersuchten Formation liefert, insbesondere eines Kohlenflözes und der in diesem evtl. vorhandenen Diskontinuitäten.

Weiterhin soll durch die Erfindung ein Geo-überwa-

chungsradar für Kohlebergwerke angegeben werden, welches Unstetigkeiten, aufgelassene Bohrlöcher und dgl. festzustellen und anzuzeigen gestattet.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein

Radarverfahren und eine Radareinrichtung zur Untersuchung eines Kohleflözes anzugeben, das eine verhältnismäßig lange effektive Reichweite hat und mit einer Elektronik arbeitet, die hinsichtlich der industriellen Bergwerksbestimmungen, wie der MSHA-Normen, zulässig ist.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Radareinrichtung zur Untersuchung von geologischen Formationen anzugeben,

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O Π *2 Π Q ^) R ί5> U O / O Z

das wenig Leistung benötigt und eine ausreichende Reichweite hat und eine anschließende Signalverarbeitung ermöglicht;, durch die quellen- oder senderkohärente Störungen ("Interferenzen") beträchtlich verringert werden.

Insbesondere soll eine solche Einrichtung angegeben

werden, die in ihr selbst eine Stapelung oder Summation von Echos oder Reflexionen von einem gemeinsamen Punkt durchzuführen gestattet_s um senderkohärente Interferenzen zu verringern. Schließlich soll ein Verfahren angegeben werden, mit dem es möglich ist, kontinuierlich die Homogenität der Struktur eines Kohleflözes vor einer Abbaumaschine festzustellen.

Diese Aufgaben werden durch das im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Verfahren gelöst. Weiterbildungen und Ausgestaltungen des Verfahrens gemäß der Erfindung sowie vorteilhafte Einrichtungen zur Durchführung dieser Verfahren sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Das vorliegende Radarverfahren arbeitet vorteilhafterweise in einem Frequenzbereich von 10 Megahertz bis 5 Gigahertz. Die empfangenen Signale werden sowohl analog als auch digital verarbeitet, um die Probleme zu verringern_s Vielehe s^fiderkohärente Störungen oder Interferenzen sowie solche, die durch statistische Störungen oder Rauschen verursacht werden. Die empfangene elektromagnetische Energie wird verstärkt, abgetastet oder gerastert und bandgefiltert mit einer anschließenden zeitbezogenen Verstärkung (time gain amplification); anschließend kann ein zeitanaloges Rückkehr- oder Echosignal direkt visuell dargestellt und betrachtet werden und/oder das Rückkehr- oder Echosignal kann zur weiteren Verbesserung noch digital verarbeitet warden. Vorteilhafterweise wird sowohl für die Steuerung einer Bandaufzeichnung als auch die digitale Signalverarbeitung ein Steuer-Mikroprozessor-verwendet, v/elcher in der Lage ist. Daten von ein.und demselben Quellen- oder Reflexionspunkt zusammenzusetzen und/oder zu stapeln. Die dabei erhaltenen Daten können registriert und /oder visuell ausgegeben werden.

Jm folganden werden Ausführungsbeispiele sowie weitere

Vorteile ι;ηύ f-eH'iKii ύ~ν Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung nähsr

ig/

-10-erläutert.

Es zeigen: _ ■ . _._.-.

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Kohleflöz und Abbauort mit einer speziellen Radar-Sender- und Empfänger-Anordnung;

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Kohl ebergwerkpfe.il er. mit einer speziellen Radar- Sender-Empfänger-Anordnung; ^:

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Pfeiler in einem ._:

Kohlebergwerk mit wieder einer anderen Ausführungsform einer Radar-Sender-Empfänger-Anordnung; . - - :.:...-■ ,--·■

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Geo -Radareinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer vorteil haften Steuereinheit für die Einrichtung gemäß Fig. 4; ...-.- ,.-.■.--.-■ . -..

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer vorteilhaften Filterschaltung für die Steuereinheit gemäß Fig. 5; . .

Fig, 7 ein Blockschaltbild von vorteilhaften Zeitoder Taktsteuerschaltungen für die Steuereinheit gemäß Fig. 5;

. Fig.. 8 ein Blockschaltbild einer vorteilhaften Zeit-Verstärkungsfunktions-Schaltung für die Steuereinheit gemäß Fig. 5; ■ -

Fig. 9 ein Blockschaltbild einer vorteilhaften Mikroprozessorschaltung für die Steuereinheit gemäß.-Fig.; 5; '-. ■-''■:

Fig. 1O eine graphische Darstellung des zeitlichen:^v Verlaufes einer Spannung bei einer nichtlinearen Abtastrampe oder Abtast-Sägezahnfimktion, die bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung

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-11-verwendet wird, und

Fig. 11 ein vorteilhafter Abtastrampen- oder Abtastsägezahn-Generator für eine Einrichtung gemäß der Erfindung.

Es war bereits erwähnt worden, daß durch die Erfindung ein zuverlässiges Radarsystem für Erduntersuchungen angegeben werden soll, das den Zustand eines Kohleflözes und das Vorhandensein evtl. Anomalien in diesem Kohleflöz vor einer Abbaumaschine festzustellen gestattet. In den Figuren 1, 2 oder 3 sind einige der häufigsten Anwendungen für Verfahren und Einrichtungen der vorliegenden Art dargestellt. Fig. 1 zeigt einen Kohleflöz 10 und eine Abbauortfläche 12, an die ein Stollen oder eine Sohle bzw. eine Förderstrecke 14 angrenzt. Der Kohleflöz 10 enthält beispielsweise eine Diskontinuität 16, wie eine Tonader oder einen Hohlraum, sowie ein aufgelassenes und nicht registriertes Bohrloch 18.

In diesem Falle ist ein Radarref1exionsuntersuchungsverfahren dargestellt, bei welchem ein Radarsender an einer Mehrzahl von vorzugsweise gleichmäßig beabstandeten Sendestellen 20, 22, 24, 26, 28, 30 usw. erregt wird, um elektromagnetische Energie in den Kohleflöz 10 abzustrahlen, für deren Empfang eine Radarempfängerinstallation an einer Stelle 32 vorgesehen ist. Es ist ferner die Geometrie von quellen- oder senderkohärenten Störungen ("Interferenzen") durch die in Fig. 1 dargestellten mehrfachen Ausbreitungswege dargestellt.Für die Erregung des Radarsenders an einer vorgegebenen Quellen- oder Sendestelle, z.B. der Sendestelle 26, würden also von der ganzen Diskontinuität 16 oder einem erheblichen Teil dieser Diskontinuität primäre Reflexionswege, die durch nur zwei Strahlengänge 34 und 36 dargestellt sind, an der Empfangsstelle 32 eintreffen. In entsprechender Weise wird das Bohrloch 18 ein charakteristisches Radarecho liefern, das längs eines Strahlenganges 37 an der Empfangsstelle 32 eintrifft. Ferner sind ein direkter Ausbreitungsweg 38, der durch die Kohle verläuft und ein direkter Ausbreitungsweg, der durch die Luft verläuft, dargestellt. Wie unten noch näher erläutert werden wird, liefert das Radarsystem gemäß der Erfindung infolge einer Verbesserung sowohl des Signal/Rausch-Verhältnisses als auch der Definition bezüglich sender-

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kohärenter Interferenzen ein zuverlässiges Empfängerausgangssignal für eine visuelle Darstellung der verschiedenen unerwünschten oder Störungsstellen im Kohleflöz 10. Hierbei können verschiedene Kombinationen von gemeinsamer Quellen- oder Senderstellenpositionierung und/oder digitaler Stapel- oder Überlagerungsve^arbeitung verwendet werden, je nach den Erfordernissen der betreffenden Operation.

Fig. 2 zeigt ein anderes Anwendungsbeispiel in einem

Kohlebergwerk, bei dem ein Kohlepfeiler 40, der ein Bohrloch 42 enthalten kann, sowohl hinsichtlich Abmessungen als auch Anomalien durch ein Radartransmissionsverfahren untersucht wird. Hier werden mehrere Radarsender-Quellenpunkte oder Sendestellen 44, 46, 48 usw. in einer Folge mit gleichen Abständen gesetzt ("geschossen") und die elektromagnetische Energie wird an der entgegengesetzten Stoß-, Wand-oder Oberfläche 50 des Kohlepfeilers 40 empfangen. Kohlepfeiler sind im allgemeinen rechteckig und eine solche Transmissionsprüfung kann sowohl unerwünschte und störende Anomalien innerhalb des Pfeilers 40 offenbaren als auch eine Angabe der Abmessungen des Kohlepfeilers durch Analyse der Energielauf- oder Ausbreitungszeiten durch die Kohle liefern. Mit gleichen gegenseitigen Abständen angeordnete Empfangsstellen sind bei 52a, 52b...52n angedeutet. Im Falle der Transmissionsprüfung lassen sich die quellen- oder senderkohärenten Störungen als die direkten Strahlengänge oder Ausbreitungswege gegenüber den Strahlengängen oder Ausbreitungswegen, die an den Seitenwänden 54 oder 56 sowie an anderen Anomalien, wie dem Bohrloch 42 reflektiert werden, identifizieren. Hinsichtlich der Mehrfachausbreitung von der Sendestelle 44 zur Empfangsstelle 52 sind ein direkter Weg 58, Mehrfachreflexionswege von den Seitenwänden, wie längs des Weges 60, und ein über das Bohrloch 42 verlaufender reflektierter Ausbreitungsweg 62 dargestellt. Entsprechende Mehrfachausbreitungen treten auch zwischen allen anderen Sende- und Empfangsstellenkombinationen auf.

Wieder ein anderes Verfahrensbeispiel ist in Fig. 3

dargestellt, hier wird die Radarenergie von mehreren, gleich beabstandeten Sendestellen 64a, 64b,...64n abgestrahlt und an einer oder mehreren gleichen

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Empfangsstellen empfangen. Beispielsweise wird ein Kohlepfeiler 70, der ein Bohrloch 72 enthält, hinsichtlich Abmessungen und Anomalien durch einen in eine Reihe von Positionen gebrachten Radarsender 74 und einen Radarempfänger 76 untersucht. Beim Empfang werden die senderkohärenten Interferenzen dadurch weiter kompliziert, daß nicht nur Mehrfach-Wandgrenzflächen-Reflexionen auftreten, wie eine durch den Reflexionsweg 78 dargestellt ist, sondern auch Ausbreitungswege 80 mit einer einfachen Reflexion an einer Wand, ein direkter Ausbreitungsweg 82 in der Kohle und ein längs der Vorderseite 86 des Pfeilers 70 in Luft verlaufender übertragungsweg für die gesendete Energie. Auch in diesem Falle können jedoch die senderkohärenten Interferenzen durch das vorliegende Verfahren unterdrückt oder zumindest genügend herabgesetzt werden, so daß zuverlässige Daten über Ziele oder Unstetigkeiten im Kolileflöz erziel bar sind.

Fig. 4 zeigt ein prinzipielles Blockschaltbild einer

Ausführungsform einer Radareinrichtung 90 zur Untersuchung des Erdinneren. Die Einrichtung arbeitet mit einem konventionellen Radarsender 92 und kann eine breitbandige Sende- und Empfangsantenne enthalten, vorteilhafterweise werden jedoch zum Senden und Empfangen getrennte Antennen verwendet. Es ist ferner hinsichtlich einer möglichst großen Reichweite vorteilhaft, daß der Sender 92 im Frequenzbereich von 40 Mehahertz bis 640 Megahertz arbeitet; besonders gute Resultate wurden mit einem Sender und einer Breitbandantenne mit einer Mittenausgangsfrequenz von 120 Megahertz erreicht. Die optimale Sendefrequenz hängt jedoch zu einem gewissen Grade von den jeweiligen Verhältnissen ab und kann sich in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Kohleflözes etwas ändern, z.B. in Abhängigkeit von dessen Feuchtigkeitsgehalt usw. Die Einrichtung 90 enthält vier Hauptteile, nämlich den Sender 92, einen Empfängerteil 96, eine Steuereinheit 98 und ein Sichtgerät 100. Die Steuereinheit 98 liefert wie bei den bekannten Georadareinrichtungen Leistung-und Taktsignale an den Sender 92. Der Sender 92, der Empfängerteil 96 und die Steuereinheit 98 sind so ausgelegt, daß sie den für einen Untertagebetrieb erlassenen Leistungsbeschränkungen genügen; Das Sichtgerät 100 kann jedoch an einem entfernten Ort angeordnet sein und mit normalem Leistungsverbrauch, z.B. Netzanschluß arbeiten. Ferner kann ein Digitalrechner 102, z.B. ein Minikomputer üblicher Bauart, vorgesehen

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sein, der von der Steuereinheit 98 mit Daten für eine weitere Verarbeitung und Anzeige bzw. Ausgabe gespeist wird.

Der EmpfangsteiT 96 enthält einen konventionellen Radarempfänger-Hochfrequenzverstärker 108, einen breitbandigen Hochfrequenzverstärker, der ein Eingangssignal von einer Breitbandantenne 104 erhält, und das verstärkte Ausgangssignal wird einer Sampling- oder Abtastschaltung 110 zugeführt, um das Hochfrequenzsignal nach unten in einen brauchbaren Audiofrequenzbereich am Ausgang 112 umzusetzen. Bei dem Breitbandverstärker 108 handelt es sich um eine konventionelle Standard-Radarschaltung, z.B. Avantek Inc. Typ UTO 1002 und als Abtastschaltung 110 kann eine Schaltungsanordnung verwendet werden, wie sie in Rasteroszillographen gebräuchlich ist, insbesondere eine Schaltungsanordnung, wie sie auf Seite 172 des Buches "Electronic Components and Measurements" von Wedlock et al, Verlag Prentice-HaIl Inc., 1969, beschrieben ist. Eine solche Abtastschaltung baut einen Impuls von der Größenordnung einer Millisekunde aus einer Vielzahl von sukzessive verzögerten Proben oder Abtastwerten auf, so daß sich ein Signal oder eine Anzeige mit viel geringerer Frequenz ergibt. So können beispielsweise Proben, die alle 0,5 Nanosekunden gewonnen werden, d.h. zwei Milliarden Proben pro Sekunde, effektiv auf den Frequenzbereich von 5 KHz reduziert werden.

Das abgetastete oder gerasterte Empfängerausgangssignal auf der Leitung 112 wird der Steuereinheit 98 zugeführt, die alle für die Zeit- oder Taktsteuerung und Signalverarbeitung erforderlichen Schaltungen enthält. Eine Zeit- oder Taktsteuerschaltung 114 liefert zeitbestimmende oder Systemtaktsignale an den Sender 92, den Empfängerteil 96 und Signalverarbeitungsschaltungen 116, die ihrerseits Ausgangssignale an eine Bandeinheit 118, einen Steuerteil 120 der Ausgabeeinheit 100 und den Digitalrechner 102 liefern. Die Ausgabeeinheit 100 kann irgendeine handelsübliche Ausgabeeinrichtung 122 enthalten, z.B. ein Faksimileregistriergerät, einen Speicheroszillographen, ein photographisches Registriergerät oder ein geophysikalisches Registriergerät irgend eines anderen Typs.

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Fig. 5 ist ein genaueres Blockschaltbild der Steuereinheit 98. Die Steuereinheit 98 erfüllt drei Hauptfunktionen: Sie liefert Leistung und Taktsignale an den Sender 91 und den Empfängertei 1 96, sie verarbeitet ferner die empfangene Radarsignal schwingung, die ihr über die Leitung 112 zugeführt wird, und sie registriert die analogen und/oder digitalen Daten auf einem Magnetband in einer Bandeinheit 124. Alle die verschiedenen Funktionen einschließlich der Steuerung der Bandeinheit 124 werden durch eine Mikroprozessorschaltung 126 ausgeübt.

Die Taktsteuerschaltung 114 hat Ausgangsleitungen

und 130, die zum Radarsender bzw. zum Empfangsteil führen. Außerdem werden zeitbestimmende Ausgangssignale über Leitungen 132 und 134 an die Bandeinheit 124 und über eine Leitung 136 an einen noch zu beschreibenden Verstärker 138 mit zeitbezogenem Verstärkungsgrad ( time gain amplifierjgeleitet. Es sind ferner eine Bereichssteuerung 140 und eine Null zeitsteuerung 142 vorgesehen, die durch Steuerpotentiometer am Steuerpult in bekannter Weise einstellbar sind. Die Bereichssteuerung 140 bestimmt die Zeitdauer, die der Empfänger aktiv ist und kann beispielsweise so ausgebildet sein, daß sie eine Einstellung von 50 Nanosekunden bis 2000 Nanosekunden erlaubt. Die Null zeitsteuerung 142 dient zur Einstellung der Position des Anfanges des empfangenen Signals bezüglich des gesendeten Signals und kann beispielsweise zwischen +500 Nanosekunden und -500 Nanosekunden einstellbar sein. Die Null zeitsteuerung 142 dient dazu, unterschiedlichen Kabellängen zwischen dem Sender und dem Empfänger Rechnung tragen zu können.

Das empfangene Radarsignal wird nach Breitbandverstärkung und Abtastung über die Ausgangsleitung 112 einem Verstärker 144 zugeführt, in dem das zurückgekehrte Signal auf eine Amplitude verstärkt wird, welche sich für den Eingang des Registriergerätes oder der Bandeinheit 124 eignet. Der Verstärker 144 hat zwei Betriebszustände, die durch einen Verstärkungsregel- oder AVR-Schalter 146 einstellbar sind. In der Stellung "EIN" wird dem Verstärker über die Leitung 148 eine Regel spannung von der Mikroprozessorschaltung 126 zugeführt, wobei der Mikroprozessor das Ausgangssignal des Digitalisierers analysiert und den Verstärkungsfaktor des Verstärkers so einstellt, daß der Maximalwert des Signals an den maximal

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zulässigen Eingangssignal wert des Analog/Digital-Konverters 150 angepaßt wird. Wenn sich der AVR-Schaiter 146 in der Stellung "AUS" befindet, kann der Verstärkungsfaktor in bekannter Weise durch einen Steller am Steuerpult auf einen gewünschten Amplitudenfaktor eingestellt werden.

Das verstärkte Ausgangssignal vom Verstärker 144 wird dann der Reihe nach durch ein Hochpaßfilter 152 und ein Tiefpaßfilter 154 geleitet. Die gefilterten Signale werden dann dem Verstärker 138 mit dem zeitabhängigen Verstärkungsgrad zugeführt, wobei die Steuerung durch einen Eingang 156 vom Steuerpult erfolgt, der die gewünschte Zeit-Verstärkungsgrad-Funktion bestimmt; der zeitgesteuerte Verstärker 138 dient dazu, einen späteren Teil des Signals, des Echos oder der Spur bezüglich früherer Teile entsprechend einer ausgewählten Rampen- oder Sägezahnfunktion zu verstärken, wie noch weiter unten näher erläutert werden wird. Das AusgangssignaT des Verstärkers 138, das auf einer Leitung 158 zur Verfügung steht, kann dann entweder in analogem Format über eine Karteiregistrierungsschaltung 160 der Bandeinheit 124 zur Registrierung zugeführt werden oder es kann einem Analog/Digital -Konverter 150 zur Digitalisierung und dann dem Eingang der Mikroprozessorschaltung 126 zugeleitet werden, wie noch näher erläutert werden wird.

Alternativ kann ein Abtastrampengenerator 161 für die

Signalverarbeitung in der Taktsteuerschaltung 114 verwendet werden. Der Abtastrampengenerator (oder Sägezahngenerator) 161, der anhand von Figur 7 noch näher erläutert werden wird, dient für eine Betriebsart, bei der die empfangenen Radarsignale mit einer Korrektur für die Sender-Empfänger-Versetzung gestapelt oder einander überlagert werden, d.h. in Form eines Stapels für einen gemeinsamen Reflexionspunkt. Es werden also die Versetzungsabstände vom Sendungsort oder der Quelle zum Empfänger für jede Serie von gesendeten und empfangenen Radarsignalen zur Beseitigung der Sendestelle-Empfangsstelle-Abstände korrigiert und anschließend werden die Signale in der Mikroprozessorschaltung 126 gestapelt, wobei man Ausgangsdaten für die verschiedenen gemeinsamen Reflexionspunkte erhält. Diese Datenverarbeitung kann auch mit den von der Bandeinheit 124 abgespielten Daten in einem Komputer (EDV) durchgeführt werden.

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Die Bandeinheit 124 ist vorteilhafterweise ein Vierkanal- oder Vierspur-Kassettengerät für Aufzeichnung und Wiedergabe. Eine geeignete Bandeinheit ist unter dem Handelsnamen PHI-DECK von der Firma Triple I, Inc., Oklahoma City, Oklahoma, V.St.A. erhältlich. Die Bandeinheit 124 enthält elektronische Schaltungen, die sowohl eine analoge als auch eine digitale Aufzeichnung ermöglichen. Beim Analogbetrieb läuft das Band mit einer Geschwindigkeit von 9,5 cm/s und auf einer Spur werden die Taktimpulse und die Abtastbeginn-Impulse mit Amplitudenmodulation aufgezeichnet, während auf einer zweiten Spur die Radardaten mit Frequenzmodulation aufgezeichnet werden. IRIG-Zwischenbandparameter werden in der üblichen Weise verwendet. Die digitale Aufzeichnungselektronik ist in der Lage, vier Spuren phasencodierter Daten mit etwa 110 Bits pro Millimeter (2800 Bits pro Zoll) aufzuzeichnen. Die Verfügbarkeit von zwei parallelen elektronischen Schaltungen ermöglicht es der Bedienungsperson des Radargerätes die Aufzeichnungsart im Einsatz selbst zu bestimmen und sie kann die Betriebsart einfach durch Umlegen eines Schalters und Wechseln der Bänder ändern.

Die Mikroprozessorschaltung 126 steuert die Geschwindigkeit des Bandgerätes und stellt ferner einen Datenpuffer für die digitale Abspiel- und Aufzeichnungselektronik der Bandeinheit 124 dar. Die Mikroprozessorschaltung stellt außerdem die Kartei nummer in einer Kartei anzeige 162 ein, so daß die Bedienungsperson feststellen kann, in welcher Datenregistratur die Aufzeichnung erfolgt. Auch für die Aufzeichnungswiedergabe oder Bandsteuerung 164 stellt die Mikroprozessorschaltung 126 eine Schnittstelle dar. Der Mikroprozessorschaltung 126 werden die Eingangssignale vom Analog/ Digital-Konverter 150 über eine Leitung 166 zugeführt. Beim digitalen Betrieb empfängt der Mikroprozessor den digitalisierten Radarsignal zug (Spur) über eine Leitung 166 zur weiteren Verarbeitung. Die hauptsächlichen Operationen, die in der Mikroporzessorschaltung 126 durchgeführt v/erden, sind Stapelungs-, Summierungs- und Zusammensetzungsoperationen, wie sie bei der Verarbeitung geophysikalischer Echosignale üblich sind. Unter Berücksichtigung der Versetzungen gemeinsamer Quellenpunkte und Berücksichtigung ähnlicher Zeitdifferenzen werden also die Signalzug- oder Spurdaten von den

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aufeinanderfolgenden Signal zügen oder Spursignalen bei der Aufzeichnung addiert. Diese Operation erhöht das Verhältnis von Signal zu Rauschen und ermöglicht die Aufzeichnung der normalerweise relativ schwachen Signale mit größerer Amplitude. Die Ausgangsdaten auf einer Leitung 168 haben ein 16-Bit-Format, was einen größeren Dynamikbereich ermöglicht als bei der analogen Datenaufzeichnung, und mittels eines Digital/Analog-Konverters 170 können die digitalen Daten in analoge Daten zurückverwandelt werden, um gewünschte Daten abspielen und wiedergeben zu können.

In Fig. 6 ist die Schaltung der Filter 152 und 154 (Fig. 5) genauer dargestellt. Die Steuer- und Schaltnetzwerke sind für das Hochpaßfilter und das Tiefpaßfilter gleich. Mittels eines von der Frontplatte her bedienbaren Drehschalters 172 (Daumenradschalter), bei dem es sich um einen Standardtyp der Firma EECE Inc., handeln kann, wird ein binär codiertes Dezimalausgangssignal für ein Widerstandsschaltnetzwerk 176 erzeugt, das z.B. eine Baueinheit des Typs Siliconix DG-201 sein kann. Das digitale Ausgangssignal des Schalters 172 wird außerdem einer an der Frontplatte angeordneten LCD-Frequenzanzeigevorrichtung 178 zugeführt. Das jeweilige Hochpaß- bzw. Tiefpaßfilter ist mittels des Widerstandsnetzwerkes progammierbar, indem die Widerstände zur Einstellung des Wertes der Grenzfrequenz in die aktive Filterschaltung eingeschaltet werden. Die Grenzfrequenz wird durch die Flüssigkristall-Frequenzanzeigevorrichtung 178 an der Frontplatte bzw. demßteuerpult angezeigt. Das aktive Filter 180, dem das Eingangssignal über die Leitung 182 zugeführt und das Ausgangssignal über die Leitung 184 entnommen wird, ist also ein Bandpaßfilter, das durch das Schaltnetzwerk 176 steuerbar ist. In den in Reihe geschalteten Filtern 152 und 154 (Fig.5) ist das Hochpaßfilter 152 ein Vierpol- Bessel-Filter zur Reduzierung von Einschwingvorgängen an der Eckfrequenz und das Tiefpaßfilter 154 ist ein Vierpol-Butterworth-Filter, bei beiden Filtern handelt es sich also um konventionelle aktive Filter.

In Fig. 7 ist die Taktsteuerschaltung 114 genauer dargestellt. Durch einen Haupttaktoszillator 186 bekannter Bauart (z.B.Connor-Winfield 514-R) wird ein Grundtaktfrequenz-Ausgangssignal von vier Megahertz auf einer Leitung 188 erzeugt. Das Taktsignal auf der Leitung 188 wird

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einem konventionellen Zähler 190 zugeführt, der als 16:1-Untersetzer arbeitet (z.B. Typ CD 4520) und auf einer Leitung 192 ein Ausgangssignal mit einer auf 50 Kilohertz verringerten Frequenz liefert. Das Grund- oder Haupttaktfrequenzsignal auf der Leitung 188 wird ferner einem 8:1-Zähler 194 (z.B. Typ CD 4520) zugeführt, der ein 500-Kilohertz-Ausgangssignal auf einer Leitung 136 liefert, um die Zeit-Verstärkungs- und/oder Abtastrampenfunktionen zu tasten und ein Eingangssignal für einen multiplizierenden Digital/Analog-Konverter 198 (z.B.Typ Analog Devices AD 7541) zu liefern. Der Dt/A-Konverter 198 liefert ein lineares Abtastrampen- oder Abtastsägezahn-Ausgangssignal auf einer Leitung 200 sowie ein Abtastbeginnimpuls-Ausgangssignal auf einer Leitung 202. Mittels eines Schalters 201 kann ein nichtlineares Abtastrampenausgangssignal dadurch eingeschaltet werden, daß man die Taktausgangsleitung mit einem nichtlinearen Abtastrampen- oder Abtastsägezahngenerator 161 (Fig. 11) verbindet, wie noch näher erläutert werden wird. Diese Schaltung dient für die Gemeinsame-Reflexionspunkt-Stapeloperation.

Das 50-Kilohertz-Ausgangssignal auf der Leitung 192

wird ferner einer Sendeverzögerungsschaltung 204, zB. einem Monovibrator des Typs 74121 zugeführt, die ein um einen festen Betrag verzögertes Ausgangssignal auf einer zum Sender 92 ("_α. .; führenden Leitung 128 erzeugt. Der 50-Kilohertz-Puls auf der Leitung 192 wird ferner einer einstellbaren Verzögerungsschaltung 208,(z.B. Typ 74121) zugeführt, mittels derer vom Steuerpult bzw. der Frontplatte aus die Zeit bzw. Synchronisierung des Empfängers einstellbar ist. Das Ausgangssignal der Verzögerungsschaltung 208 wird einer Realzeit-Rampen- oder Sägezahnschaltung 210 zugeführt, die zur Bereichseinstellung des Radars dient. Das Ausgangssignal der Realzeit-Rampen-Schaltung 210 wird einem Eingang eines Vergleichers 212 zugeführt, dessen anderem Eingang das Abtastrampenausgangssignal vom D/A-Konverter 198 über eine Leitung 200 zugeführt wird. Das auf einer Ausgangsleitung 130 auftretende Ausgangssignal des Vergleichers 212 stellt einen Empfängertaktoder Empfänger-Synchronisierimpuls für den Empfänger 106 dar. Als Vergleicher 212 kann ein Modulbauteil, wie National Semi-Conductor, Typ LM 361 und als multiplizierender D/A-Konverter 196 eine Schaltung des Typs analog Devices AD 7451 verwendet werden.

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Die Taktsteuerschaltung 114 (Fig.7) liefert über die

Ausgangsleitungen 128 und 130 schnelle bzw. hochfrequente Taktsignale für den Sender bzw. Empfänger sowie die Zeit-Verstärkungsgrad- und Abtastlängensignale. Der von der einstellbaren Verzögerungsschaltung 208 empfangene Impuls, der vom Steuerpult aus steuerbar ist, bestimmt die Zeit der ersten empfangenen Probe, d.h. plus oder minus 500 Nanosekunden bezüglich des Sendetastimpulses. Der verzögerte Empfängerimpuls schaltet dann den Realzeit-Rampen-Generator 210 ein, der ein rampen- oder sägezahnartiges Signal liefert, dessen Länge ebenfalls durch einen Schalter am Steuerpult einstellbar ist. Die Realzeit-Rampen-Spannung wird dann mit der Abtastrampenspannung verglichen, um den tatsächlichen Empfangstastimpuls vom Vergleicher 212 zu erzeugen. Die Dauer der Abtastrampenlänge ist gewöhnlich in der Größenordnung von 100 Millisekunden, während die Wiederholungsfrequenz des Realzeit-Rampensignals vom Generator 210 in der Größenordnung von 50 Kilohertz liegt.

Es können also etwa 5000 Sendeimpulse verwendet werden, um eine einzige Radarecho-Spur oder Signal folge zu bilden, während das Abtastrampensignal und die Abtastbeginnimpulse auf der Leitung 200 bzw. 202 in der Mikroprozessorschaltung 126 dazu verwendet werden, die empfangenen Daten zu steuern.

Fig. 8 zeigt den "Zeit-Verstärkungsgrad-Verstärker" 138, dem ein analoges Eingangssignal vom Tiefpaßfilter 154 (Fig. 5) über eine Leitung 214 zugeführt wird. Vom Abtastgenerator oder Zähler 194 (Fig. 7) werden Taktimpulse über die Leitung 136 einem ersten Zähler 216 zugeführt, der als 8:1-Untersetzer arbeitet und ein Ausgangssignal an ein Verstärkungsgradfunktion-Netzwerk 218 liefert. Das Verstärkungsgradfunktion-Netzwerk 218 ist ein lösch- und programmierbarer Festwertspeicher (EPROM), z. B. eine Baueinheit des Typs INTEL 2704, und die Zeit-Verstärkungsgradfunktion wird den Erfordernissen entsprechend gewählt, so daß der Verstärker 38 zeitabhängigen Verstärkungsgrades sowohl eine Audioverstärkung als auch die erforderlichen Zeit-Verstärkungsgitad-Funktionen liefert. Die Rate oder Frequenz des Verstärkers 138 kann durch eine von drei Taktfrequenzen gesteuert werden, die am Steuerpult einstellbar sind; die eingestellte Takt-

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frequenz ermöglicht es dem Verstärker 138 insbesondere seine Funktion in einer ganzen, einer halben oder einer viertel Abtastung zu vollenden oder zu durchlaufen. Wenn eine Abtastung vollendet ist, werden die Zähler zurückgesetzt.

Das Ausgangssignal des Zählers 216 adressiert das Verstärkungsgradfunktionsnetzwerk 218, das bis zu acht Zeit-Verstärkungsgrad-Funktionen aufweisen kann, die mittels eines Schalters 220 wählbar sind. Das Serienausgangssignal des Verstärkungsgradfunktionsnetzwerks kann also gewählt und zum Ausgang durchgeschleust werden mit dem Grundtakt des Verstärkungsgradfunktionsnetzwerks 218. Das getastete oder durchgeschleuste Ausgangssignal vom Schalter 220 schaltet dann einen 8:1-Zähler 222 weiter, der einen multiplizierenden Digital/Analog-Konverter 224 adressiert, während dieser das analoge Eingangssignal auf der Leitung 214 vom Tiefpaßfilter 154 (siehe Fig. 5) erhält. Während das analoge Signal dem Eingang des Konverters 224 über die Leitung 214 zugeführt wird, bewirkt die Adressierung des Konverters 224., daß das Ausgangssignal auf einer Leitung 226 eine dem Analogsignal aufgedrückte Zeit-Verstärkungsgrad-Rate hat. Dieses Analogsignal wird dann einem konventionellen Analogschalter 228 zugeführt, um ein Bereichsmarkierungs-Eingangssignal von einer Leitung 230 einzuführen und das auf der Leitung 158 zur Verfügung stehende analoge Ausgangssignal kann dann über die Karteimarkierungsstufe 160 (Fig. 5) einer analogen Aufzeichnungsvorrichtung zugeführt werden. Die Bereichsmarken auf der Leitung 230 können auf irgend eine bekannte Weise erzeugt werden, z.B. mittels Multivibrator-Generatorschaltung, die eine differenzierte Rechteckausgangsschwingung von 20 Hz liefert, welche die Position längs des Radarimpulslaufweges angibt. Die Bereichsmarkierung kann auch zur Steuerung der Zusammensetzungs- und Stapelungsoperationen dienen, indem sie dem Prozessor mitteilt, wann eine neue Datenspur oder Datensignalfolge zu registrieren ist.

Fig. 9 zeigt ein Blockschaltbild der Mikroprozessorschaltung 126. Die Eingangssignale von den verschiedenen Teilen der Steuereinheit werden einem Steuerprozessor 232 zugeführt, der die Verarbeitung und Aufzeichnung der Radardaten steuert. Im Analogbetrieb steuert der Steuer-

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prozessor 232 nur die Bandaufzeichnungseinheit 124. Beim Digitalbetrieb kann die Bedienungsperson jedoch die Anzahl der zu stapelnden Signalfolgen oder Signal spuren eingeben und der Steuerprozessor 232 veranlaßt dann, daß die angegebene Anzahl von Spuren oder Signalfolgen zueinander addiert werden. Wenn die Stapelungsoperati on beendet ist, bewirkt ein Bandformatprozessor 234 dann, daß die Daten auf einem Magnetband oder dgl. in der Bandeinheit 124 registriert werden. Inzwischen veranlaßt der Steuerprozessor 232 daß die nächste Serie von Signalfolgen oder Spuren gestapelt wird. Der Bandformatprozessor 234 und der Steuerprozessor 232 teilen sich in einen Abschnitt eines Speichers, insbesondere eines beliebig zugreifbaren Speichers 236 (Random-Speicher), der auch als Stapelungs- und Ausgangspuffer arbeitet. Der Formatprozessor 234 steuert ferner die Geschwindigkeit der Bandeinheit 124 (Fig. 5), so daß sie ihren Aufzeichnungszyklus beendet hat, wenn die neue Spur für die Aufzeichnung fertig ist.

Für den Steuerprozessor 232 und den Bandformatprozessor 234 kann eine Baueinheit Motorola Typ 6802 verwendet werden und als Random-Speicher 236 eine Baueinheit des Typs Harris 6504. Dem Steuerprozessor 232 ist ein Festwert- oder Lesespeicher 238 zugeordnet, z.B. ein 4K-Speicher des Typs Intersil 6653, und dem Bandformatprozessor 234 ist ein Festwertspeicher 240 zugeordnet, z.B. ein 2K-Spei eher des Typs Intersil 6653. Der Steuerprozessor 232 hat einen Anschluß 166, der eine Dateneingangsleitung 242, eine EOC-Statuseingangsleitung 244 und eine Startsteuer-Rückleitung 246 enthält. Ein Anschluß 248 enthält Leitungen 250, 252 und 254 für Kartei nummer-, Signal folge- oder Spurnummer-bzw. Markierungsspur-Eingangssignale. Ausgangssignale für den Digital/Analog-Konverter 170 (Fig. 5) stehen auf einer Datenausgangsleitung 256 zur Verfugung, der ein Hilfsanschluß 258 zugeordnet ist. Auf einer Leitung 260 tritt ein Verstärkungsgradbereichausgangssignal für die Anzeige am Steuerpult zur Verfügung. Eine Leitung 262 liefert einen parallelen Datenausgang mit 16 Adern und einem Tastimpuls für den Eingang eines Hilfsrechners, z.B. des digitalen Komputers 102 (Fig. 4). Der Steuerprozessor 232 liefert schließlich über eine Leitung 264 Ausgangssignale für die Steuerung eines Steuerpultoder Frontplattenprozessors.

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In der Mikroprozessorschaltung 126 werden die adressierten Daten vom Randomspeicher 236 über eine Leitung 266 zugeführt, während der Austausch von Daten- und Steuerimpulsen über eine Verbindung 268 erfolgt. Der Steuerprozessor 232 bewirkt die übertragung von Ausgangssignalen zum Bandformatprozessor 234 Ibereine Leitung 270, während eine Statusrückmeldeimpulsanzeige über eine Leitung 272 zurückübertragen wird.Der Bandformatprozessor 234 ist ferner mit dem Random-Speicher 236 über einen Datenbus 274 und einen Adressenbus 276 zum Daten- bzw. Adressenaustausch verbunden. Der Bandformatprozessor 234 hat einen Anschluß 278 mit mehreren Ausgängen, die die für die Bandeinheit 124 (Fig. 5) erforderlichen Steuersignale liefern, nämlich Signale zur Steuerung der Bandbewegung, Banddaten und Bandgeschwindigkeit auf Leitungen 280, 282 bzw. 284, während ein Datenaustausch in zwei Richtungen bezüglich Banddaten und Bandstatus über Leitungen 286 und 288 ausgetauscht werden.

Die mit veränderbarer Bandgeschwindigkeit arbeitende Bandeinheit 124 (Fig. 5) ist unter Steuerung durch den Bandformatprozessor 234 in der Lage, auf einem Magnetband oder dgl. Daten mit konstanter Dichte zu speichern, auch wenn die Radareinheit mit veränderlichen Datenfrequenzen arbeitet. Ohne diese Eigens^,.. .. ι. ci-i die feldsteuerung oder der Bandformatprozessor 234 entweder einen groii. . fferspei eher benötigen oder der Bandantriebsmechanismus müßte außerordentlich schnell zum Anlauf bzw. zum Anhalten gebracht werden können. Beides wäre mit einer Einrichtung niedriger Leistung schwierig zu realisieren, wie sie hier vorliegt und für einen Betrieb in Kohlegruben zulässig ist.

Der Bandformatprozessor 234 bewirkt die Aufzeichnung

eines Identifizierungsblockes zu Beginn jeder Serie von Aufzeichnungen, d.h. Karteien, so daß die Daten beim Abspielen einwandfrei identifiziert werden können. Das Abspielen der Daten kann auf zweierlei Weise geschehen. Erstens, wenn alle aufgezeichneten Daten wie.·; " abgespielt werden sollen, bewirkt der Bandformatprozessor 234 das Lesen aller digitaler Aufzeichnungen und gibt die entsprechenden Werte an einen Komputeranschluß aus, d.h. vom Bandformatprozessor 234 über den willkürlich zugreifbaren Speicher 236 sowie

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den Steuerprozessor 232 zum Ausgangsanschluß 262. Zusätzlich zu dieser digitalen Datenausgabe ist es möglich, ein- analoges Ausgangssignal für irgend eine angeschlossene konventionelle Wiedereingaberichtung, wie ein Sichtgerät, herzustellen. Bei der zweiten Art des Abspielens der Daten kann die Bedienungsperson am Steuerpult eine gewünschte Aufzeichnung oder Karteinummer wählen und die Mikroprozessorschaltung 126 sucht dann das Band ab, bis die gewünschte Aufzeichnung (Kartei) gefunden ist, worauf die Daten im gleichen Format ausgegeben werden, bis das Ende der Aufzeichnung oder Kartei nummer erreicht ist.

Fig. 10 zeigt das lineare Abtastrampensignal 298 vom

Ausgang des multiplizierenden D/A-Konverters 198 (Fig. 7), das für normale Kompositions- oder Zusammensetzoperationen ohne Berücksichtigung der Versetzung zwischen Quelle und Empfänger verwendet wird. Dabei wird also ein linear rampenartig oder sägezahnartig ansteigendes Signal 298 mit einer Dauer von z.B. 125 Millisekunden vom multiplizierenden D/A-Konverter 212 erzeugt, und ein Realzeit-Rampensignal 302 (Fig. 10), dessen Länge gleich der Fenster- oder Bereichslänge ist und z.B. 200 Nanosekunden betragen kann, wird im Rampengenerator 210 (Fig. 7) für eine parallele Eingabe in dem Vergleicher 212 erzeugt. Das Realzeitrampensignal 302 wiederholt sich mit der Impulswiederholungsfrequenz, z.B. 50 KHz, und im Vergleicher 212 wird dann ein in Zeitabschnitte unterteiltes Probenausgangssignal von z.B. einer halben Nanosekunde Dauer erzeugt, jedesmal wenn die sägezahnartig ansteigende Spannung des Realzeitrampensignals 312 mit der Abtastrampenspannung 298 verglichen wird. Es handelt sich dabei hier um einen linearen Abtast- oder Probenentnahmeprozess für eine wirksame Impulsechozusammensetzung und Reduzierung statistischer Rauschinterferenzen.

Eine Unterdrückung sowohl statistischer als auch kohärenter Störungen läßt sich durch eine alternative Stapelungsbetriebsart erreichen, bei der eine Datenverarbeitung bezüglich eines gemeinsamen Empfangspunktes erfolgt. Bei Betätigung des Schalters 201 (Fig. 7) wird dabei der Abtastrampengenerator 161 (Fig. 11) an den Eingang des multiplizierenden D/A-Konverters 198 (Fig. 7) angeschaltet, so daß diesem anstelle

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der linearen Zeit-Verstärkungsgrad-Funktion nun eine ausgewählte nichtlineare Rampenfunktion zugeführt wird, wie noch erläutert werden soll.

Durch eine anfängliche Eichung wird die Energieausbreitungsgeschwindigkeit in dem jeweiligen Kohlematerial bestimmt, so daß die Energielaufzeiten für eine spezielle Versetzung zwischen Radarsignalquelle und Empfänger kontinuierlich errechnet werden können. Die Energielaufzeit von einer gegebenen Quelle zu einem bestimmten Empfänger mit der Versetzung X ist durch die folgende Gleichung gegeben:

dabei bedeuten:

T Zweiweg-Reflexionszeit für die Versetzung X;

t Zweiweg-Reflexionszeit bei der Versetzung Null (0); X Versetzungsstrecke und

V die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Radarenergie in dem betreffenden Kohlematerial.

In dem Diagramm in Fig. 10 ist eine nichtlineare Abtrastrampenspannung 300 mit Überlagerung der Realzeit-Sägezahnimpulsspannung 302 für einen speziellen Versetzungsquotienten, nämlich X/V dargestellt. Bei einer gewählten Abtastungs- oder Ablenkdauer von 125 Millisekunden wird bei jeder ansteigenden Flanke der Realzeit-Sägezahnspannung 302 eine Probe mit einer Dauer in der Größenordnung von einer halben Nanosekunde freigegeben, wenn die (X/V)-Spannung der nichtlinearen Abtastrampenkurve 300 mit der Realzeitsägezahnspannung 302 übereinstimmt. Für jede spezielle Versetzung oder jedeispeziellen (X/V)-Wert der für die spezielle Radaruntersuchung gewählt wird, steht dann eine bestimmte Abtastrampenkurve 300 zur Verfügung. Die der Mikroprozessorschaltung (Fig. 9) zugeführten Eingangsdaten für den speziellen Versetzungsabstand X und die spezielle Geschwindigkeit V vervollständigen also die anfängliche Kurve der nichtli-

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nearen Abtastrampe 300 bevor die Sender-Empfänger-Serie erregt wird. Die Ausgangsdaten vom Steuermikroprozessor 232 haben die Form eines Setzimpulsausgangssignales auf einer Leitung 304 (Fig. 11) und eines aus 8 Bit bestehenden binären Voreinstellungssignales (Preset) auf einem Anschluß 306. Der Setzimpuls dient zur Angabe des Beginns der Abtastung oder Probeentnahme, während das Preset-Signal die Kurvenform entsprechend der jeweiligen (X/V)-Funktion steuert.

Fig. 22 zeigt eine Ausführungsform des nichtlinearen Abtastrampengenerators 161, dessen Schaltung im wesentlichen mit dem des in Fig. 8 dargestellten Verstärkers mit zeitabhängigem Verstärkungsgrad entspricht, über eine Eingangsleitung 188a wird ein Taktsignal vom Haupttaktgenerator 186 (Fig. 7) einem Zähler 308 zugeführt, an dessen Ausgang ein Rampenfunktionsnetzwerk 310 angeschlossen ist, bei dem es sich um einen Festwertspeicher (z.B. Typ 2704) handeln kann, der für die speziellen nichtlinearen Kurvenfunktionen, z.B. die Kurvenfunktion 300 in Fig.10, vorprogrammiert ist. Das gewünschte Kurvenausgangssignal kann dann durch einen Wahl schalter 312 mit einer entsprechenden Anzahl von Stellungen eingestellt und einem Zähler 314 zugeführt werden, der seinerseits ein Ausgangssignal über eine Leitung 316 sowie den Schalter 201 an den multiplizierenden D/A-Konverter 198 (Fig. 7) liefert. Der D/A-Konverter 198 erzeugt dann die nichtlineare Abtastrampenspannung auf der einen Eingangsleitung 200 des Vergleichers 212.

Die Zähler 308 und 314 können gleiche oder ähnliche integrierte Schaltungen sein, wie sie für die entsprechenden Zähler 216 bzw. 222 der Schaltung gemäß Fig. 8 verwendet wurden. Das Setz-Eingangssignal auf der Leitung 304 vom Steuermikroprozessor 232 wird dem Rampenfunktionsnetzwerk 310 zur Steuerung der Äusgangssequenz dieses Netzwerks zugeführt und dem Zähler 314 wird über die Leitung 306 das binäre 8-Bit-Preset-Eingangssignal zugeführt.

In der Schaltung gemäß Fig. 11 teilt der Zähler 308

die Haupttaktimpulse auf der Leitung 188a auf ein Viertel der Impulswiederholungsfrequenz herunter. Die verschiedenen Rampenfunktionen sind im Ram-

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penfunktionsnetzwerk 310 in Form einer Folge von Nullen und Einsen gespeichert und jeder Takt-Eingangsimpuls, der dem Rampenfunktionsnetzwerk 310 zugeführt wird, bewirkt das Herauslesen eines Bits aus diesem Speicher. Der folgende Zähler 314 wird also jeweils beim Eingang eines 1-Bits weitergeschaltet. Das Ausgangssignal des Zählers 316 wird dann dem multiplizierenden D/A-Konverter 198 (Fig. 7) zugeführt, der das Signal in die analoge Rampenspannung für den Vergleicher 312 umwandelt.

Die nichtlineare Rampenspannung für jede Versetzung

kann zum Zeitpunkt des Schutzes bzw. der Sendung bei der betreffenden Versetzung errechnet werden oder die Bedienungsperson kann die anfängliche Versetzung sowie die Änderung der Versetzung und die Gesamtzahl der Versetzungen eingeben, so daß dann der Mikroprozessor alle Versetzungs-Abtastrampen gleich errechnen kann. Die einzige zusätzliche Information, die für die Rechnung benötigt wird, ist die volle Fensterlänge und die Ausbreitungsgeschwindigkeit im betreffenden Medium. Diese Information kann von der Bedienungsperson ohne weiteres eingegeben werden, da die Ausbreitungsgeschwindigkeit in dem betreffenden Medium, z.B. Kohleflöz, für die Radaroder Sonaroperation vorab bestimmt wird.

Das im Vorstehenden beschriebene Radarverfahren sowie

die Einrichtungen zu dessen Durchführung ermöglichen also eine einfache Ermittlung des Zustandes und der Homogenität der Kohle an Ort und Stelle. Die Erfindung kann unmittelbar am Abbauort, z.B. am Kohlenstoß Anwendung finden und zwar sowohl beim Streckenabbau als auch beim Pfeilerabbau, und sie ermöglicht eine genaue Untersuchung des Kohlekörpers, der sich unmittelbar vor der Abbaumaschine oder Vortriebsmaschine befindet. Durch das Verfahren und die Einrichtung gemäß der Erfindung wird außerdem ein Signalverarbeitungsschema realisiert, einschließlich einer auf einen gemeinsamen Reflexionspunkt bezogenen Signalverarbeitung, das eine genaue und zuverlässige Signalrückkehr in Bereichen zu erzielen gestattet, die bisher nicht erfaßt werden können.

Die Kombination und Anordnung der oben beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Elemente und Einheiten kann, soweit dies sinnvoll und zweckmäßig ist, selbstverständlich geändert werden.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

(\ .,■ Impulsradarverfahren zum Untersuchen des Zustandes und der Homogenität eines Kohleflözes oder einer anderen geologischen Formation, bei welchem Impulse elektromagnetischer Energie in eine Oberfläche (Stoß) des Kohleflözes gesendet werden und die in die Oberfläche gesendete Energie unter Erzeugung eines Rückkehr- oder 'Echosignales pro gesendetem* Impuls empfangen wird, dadurch gekennzeichnet, daß ausgewählte sukzessive Echosignale zur Beseitigung senderkohärenter Interferenzen bei gleichzeitiger Erhöhung des Signal/Rausch-VerhäTtnisses verarbeitet werden und etwaige strukturelle Inhomogenitäten im Kohleflöz oder der Formation visuell angezeigt werden.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e -

kennzei chnet, daß das Senden mit einer Folge von Impulsen jeweils an einer von mehreren Quellenpositionen erfolgt, die an bestimmten, bekannten Stellen längs der Oberfläche beabstandet sind und daß das Empfangen an mindestens einer Stelle erfolgt, die eine bekannte versetzte Position bezüglich jeder Quellenposition aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzei chnet, daß das Senden und Empfangen an verschiedenen Seiten oder Stoßflächen eines Kohlepfeilers erfolgt (Fig. 2).
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzei chnet, daß das Senden und Empfangen an der gleichen Stoßfläche (86) eines Kohlepfeilers (70) erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e kennzei chnet, daß das Senden an mindestens einer Stelle durchgeführt wird, von der sich wiederholt Hochfrequenzimpulse ausbreiten, und daß das Empfangen jeweils an mehreren Empfangsstellen durchgeführt wird, die an bekannten, ausgewählten Orten bezüglich der Sendestelle oder den Sendestellen beabstandet sind.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Kohleflözes eine bestimmte Seiten- oder Stoßfläche eines Kohlepfeilers ist und daß das Empfangen an einer anderen Seiten- oder Stoßfläche des Kohlepfeilers durchgeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche eine bestimmte Seiten- oder Stoßfläche eines Kohlepfeilers ist, und daß das Empfangen und Senden an der gleichen Seiten- oder Stoßfläche des Kohlepfeilers durchgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bestimmte wieder-

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holte Echosignale, die die gleichen Sende- und Empfangspositionen bezüglich der Oberfläche des Kohleflözes haben, zusammengesetzt oder überlagert werden.
9. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch g e kennzei chnet, daß die Verarbeitung eine stapelnde Summation
ist, welche eine Ausgangsanzeige von Echosignal daten gemeinsamer Reflexionspunkte ermöglicht.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch g e kennzei chnet, daß die Signal daten für den gemeinsamen Reflexionspunkt für jede Sendequellenposition bezüglich einer Empfangsposition mit bekannter Versetzung angezeigt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch g e kennzei chnet, daß die Verarbeitung eine stapelnde Summierung ist, die eine Ausgangsanzeige von Echosignal daten zu einem gemeinsamen Reflexionspunkt ermöglicht.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzei chnet, daß die Echosignal daten für den gemeinsamen Reflexionspunkt für jede Empfangsposition bezüglich einer Sendequellenpo-

siti on mit bekannter Versetzung angezeigt werden.
13. Einrichtung zur Bestimmung der Struktur eines Kohleflözes oder einer anderen geologischen Formation unter Verwendung von
Hochfrequenzenergie, gekennzeichnet durch

eine Sendevorrichtung mit einer Richtantenne zum Abstrahlen gepulster
Hochfrequenzenergie durch eine freie Oberfläche eines Kohleflözes in
diesen hinein;

eine Empfangsvorrichtung mit einer Antenne zum Empfangen von reflektierter Hochfrequenzenergie aus dem Kohleflöz;

eine Vorrichtung zum Verstärken und Abtasten (Rastern) des reflektierten
Energiesignals unter Erzeugung eines Empfängersignals verringerter Frequenz;

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eine Vorrichtung zur selektiven Bandfilterung und zeitabhängiger Verstärkung des Empfängersignals unter Erzeugung eines zeitanalogen Echosignales;

eine selektiv" steuerbare Vorrichtung, deren Eingang das analoge Echosignal zur Analog/Digital-Umwandlung und zeitkoinzidenten Signal Zusammensetzung unter Erzeugung eines digitalen Echosignals zuführbar ist, und

eine Vorrichtung zur Aufzeichnung und/oder Wiedergabe eines gewählten zeitanalogen und/oder digitalen Echosignals.
14. Einrichtung zur Bestimmung der Struktur von Kohleflözen mit Hilfe von Hochfrequenzenergie, gekennzeichnet, durch

eine Sendevorrichtung (92) mit einer Richtantenne (94) zum Abstrahlen von Hochfrequenzenergieimpulsen vorgegebener Impulswiederholungsfrequenz in eine freiliegende Oberfläche eines Kohleflözes an mindestens einer Sendestelle;

eine Empfangsvorrichtung (96) mit einer Antenne (104) zum Empfangen gepulster Hochfrequenzenergie an mindestens einer Empfangsstelle längs des Kohleflözes;

eine Vorrichtung (108) zum Verstärken der empfangenen Hochfrequenzenergiesignale unter Erzeugung eines Echosignals für jeden gesendeten Impuls;

eine Vorrichtung (210) zum Erzeugen einer Realzeit -

Rampenspannung (302) mit der Impulswiederholungsfrequenz und einer Rampendauer gleich einer vorgegebenen Zeitfensterlänge;

eine Vorrichtung (161, 194, 201) zum Erzeugen einer Abtastrampenspannung mit einem vorgegebenen Untervielfachen der Impulswiederholungsfrequenz;

einen Vergleicher (212) zum Vergleichen der Realzeitrampenspannung (302) und der Abtastrampenspannung (298, 300) zur Erzeugung einer Vielzahl von Abtastratenimpulsen;

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-δει ne Abtast- oder Rastervorrichtung (110), der die

verstärkten Echosignale zugeführt sind und die unter Steuerung durch die Abtastratenimpulse ein Rückkehrspur- oder Echosequenzausgangssignal erzeugt;

Aufzeichnungs- und Wiedergabeeinrichtungen (118, 100) und

eine Mikroprozessoranordnung (126), der die Echosequenzsignale zugeführt sind und die Ausgangsdaten in einem Aufzeichnungsformat für die Aufzeichnungs- und Anzeigevorrichtung (118, 100) liefert.
15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch

gekennzei chnet, daß die Vorrichtung zum Erzeugen der Abtastrampenspannung eine multiplizierende Digital/Analog-Konverteranordnung (198) enthält, der ein Eingangstaktpuls des gewählten Untervielfachen der Impulswiederholungsfrequenz zugeführt ist und die eine linear ansteigende sägezahnartige Rampenspannung (298) erzeugt.
16. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch

gekennzei chnet, daß die Vorrichtung zum Erzeugen der Abtastrampenspannung (300) eine Abtastrampengeneratoranordnung (161) mit einer programmierbaren Speicheranordnung (310), die durch einen Eingangspuls gesteuert ist und einen Ausgangsimpuls mit einer vorgegebenen, nichtlinearen Rate erzeugt, und eine multiplizierende Digital/Analog-Konverterschaltung (198) enthält, die durch dasImpulsausgangssignal nichtlinearer Rate gesteuert ist und eine nichtlinear ansteigende Abtastrampenspannung (300) erzeugt, enthält.
17. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzei chnet, daß der Abtastrampengenerator (161) eine erste Zähleranordnung (308) mit einem Taktimpulseingang(188a) und einem Ausgang für ein geteiltes Impulssignal, ferner ein Rampenfunktionsnetzwerk (310), das' das geteilte Impulsausgangssignal 'empfängt .-, durch einen Setzeingang (304) von der Mikroprozessoranordnung (232) freigebbar ist und ein vorprogrammiertes binäres Impulsausgangssignal liefert, welches einer Sendestellen-Empfänger-Versetzung als Funktion der Ausbreitungsgeschwindigkeit im Kohleflöz entspricht, und eine zweite Zähleranordnung (314), der das

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binäre Impulsausgangssignal zugeführt ist, die auf ein Voreinstellungseingangssignal von der Mikroprozessoranordnung (232) anspricht und das Impulseingangssignal nichtlinearer Folgefrequenz für die multiplizierende Digital/ Analog-Konverteranordnung (198) liefert, enthält.
18. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzei chnet, daß zusätzlich vorgesehen sind:

eine Verstärkeranordnung (144) mit einem Eingang (112), dem das gerasterte Echosequenzausgangssignal zuführbar ist;

eine aktive Hochpaßfilterschaltung (152), der das Ausgangssignal der Verstärkeranordnung (144) zugeführt ist;

eine aktive Tiefpaßfilterschaltung (154), der das Ausgangssignal von der Hochpaßfilterschaltung (152) zuführbar ist;

eine Verstärkerschaltung (138) mit zeitabhängigem

Verstärkungsfaktor, der das Ausgangssignal von der Tiefpaßfilterschaltung (154) zugeführt ist und die ein analoges Echofolgesignal für den Eingang der Mikroprozessorschaltung (126) liefert.
19. Einrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß außerdem eine Anordnung (158, 150) vorgesehen ist, die das analoge Echofolgesignal von der Verstärkerschaltungi 138)jmit dem zeitabhängigen Verstärkungsfaktor der Aufzeichnungsund Wiedergabeeinrichtung direkt zuführt.
20. Einrichtung nach Anspruch 18, dadurch

gekennzei chnet, daß außerdem eine Analog/Digital-Konverterschaltung (150) vorgesehen ist, der das analoge Echofolgesignal zugeführt ist und die ein digitales Dateneingangssignal an die Mikroprozessorschaltung (126) liefert.

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