DE3124881C2

DE3124881C2 - Radar system for determining underground distances

Info

Publication number: DE3124881C2
Application number: DE19813124881
Authority: DE
Inventors: James Charles Burke Va. Fowler; Stephen David Vienna Va. Hale; Theodore Edward Rockville Moser, Md.
Original assignee: XADAR CORP SPRINGFIELD VA US
Current assignee: XADAR CORP SPRINGFIELD VA US
Priority date: 1981-06-16
Filing date: 1981-06-25
Publication date: 1985-05-30
Also published as: DE3124881A1; AU524580B2; GB2100544B; GB2100544A

Abstract

Es wird ein Radarsystem bzw. ein mit Radar arbeitendes Führungsgerät beschrieben, welches Entfernungen zwischen Bohrloch und der Oberseite sowie dem Bohrloch und der Unterseite eines Kohlenflözes dadurch bestimmt, daß die Laufzeit elektromagnetischer Impulse gemessen wird. Diese werden von dem Gerät ausgesandt und zurück zu einer Empfangsantenne im Gerät von der Grenzfläche an der Oberseite bzw. Unterseite des Kohlenflözes reflektiert. Das Gerät enthält einen hochfrequenten elektromagnetischen Impulsgeber, eine Richt-Sendeantenne, eine Richt-Empfangsantenne, als Stromquelle eine Batterie und eine Steuerschaltung, welche alle Steuerungen und Sende-/Empfangsfunktionen an der Stelle des Gerätes selbst durchführt. Dadurch, daß die Sendeantenne an einem Punkt zwischen der Steuerschaltung und der Empfangsantenne plaziert wird, werden indirekte elektromagnetische Kopplungen zwischen den Antennen reduziert. Schaltkreisisolatoren werden dazu verwendet, RF-Übersprechen zwischen der Steuerschaltung und der Empfangsantenne weiter abzuschwächen.A radar system or a guidance device working with radar is described which determines the distances between the borehole and the top and the borehole and the underside of a coal seam by measuring the transit time of electromagnetic pulses. These are sent out by the device and reflected back to a receiving antenna in the device from the interface on the top or bottom of the coal seam. The device contains a high-frequency electromagnetic pulse generator, a directional transmitting antenna, a directional receiving antenna, a battery as a power source and a control circuit that performs all controls and transmission / reception functions on the device itself. By placing the transmitting antenna at a point between the control circuit and the receiving antenna, indirect electromagnetic coupling between the antennas is reduced. Circuit isolators are used to further reduce RF crosstalk between the control circuit and the receiving antenna.

Description

Die Erfindung betrifft ein Radarsystem zur Bestimmung unterirdischer Entfernungen in Bohrlöchern nachThe invention relates to a radar system for determining subterranean distances in boreholes

dem Oberbegriff des Anspruchs 1.the preamble of claim 1.

Bei vielen Aktivitäten im Bergbau ist es erforderlich, genaue Kenntnis von der Größe und dem Ort verschiedener unterirdischer geologischer Merktrale zu besitzen. Beispielsweise muß die Bedienungsperson eines Bohrers, der im Untertageabbau von Kohle beschäftigt ist, die Grenzen des Kohleflözes genau bestimmen können, wenn die Bewegung des Bohrers durch den Flöz richtig geführt werden soll. Außerdem können geologische Diskontinuitäten, beispielsweise Sandkanäle, beim Bohren angetroffen werden; dabei ist es notwendig, die Kohleerstreckung auf der anderen Seite des Sandkanales zu bestimmen, um beschließen zu können, ob ein weiteres Bohren über den Kanal hinaus wirtschaftlich gerechtfertigt ist in derartigen Situationen ist ein kornpaktes, tragbares und in sich abgeschlossenes Bohrungs-Führungssystem von hohem Nutzen, welches von der bewährten Radartechnologie Gebrauch macht und genaue und verläßliche Messungen der Dicken bis zur Ober- und Unterseite des Kohlenflözes liefert.Many mining activities require a thorough understanding of the size and location of various subterranean geological features. For example, the operator of a drill who is engaged in underground mining of coal must be able to accurately determine the boundaries of the coal seam if the movement of the drill through the seam is to be properly guided. In addition, geological discontinuities, such as sand channels, can be encountered while drilling; It is necessary to determine the coal extension on the other side of the sand channel in order to be able to decide whether further drilling beyond the channel is economically justified , which makes use of the proven radar technology and provides accurate and reliable measurements of the thicknesses up to the top and bottom of the coal seam.

Verschiedene Verfahren zur Vermessung von Grenzen eines Kohlenflözes sind bekannt. In der US-Patentschrift 38 23 787 ist ein Bohrungsloch-Führungssystem beschrieben, bei welchem die Strahlung einer Strahlungsquelle, beispielsweise Caesium 137 von der Felswand zurückgestreut wird, welche einen Kohlenflöz umgibt. Diese Strahlung wird von einem Strahlungszähler erfaßt, der sodann ein Steuersignal erzeugt. Daraufhin wird ein Loch in einer bestimmten Entfernung von der Ober- oder Unterseite des Flözes gebohrt.Various methods of surveying the boundaries of a coal seam are known. In U.S. Patent 38 23 787 describes a borehole guidance system in which the radiation from a radiation source, for example cesium 137 is scattered back from the rock wall, which forms a coal seam surrounds. This radiation is recorded by a radiation counter, which then generates a control signal. Thereupon a hole is drilled a certain distance from the top or bottom of the seam.

In der DE-OS 23 45 884 ist eine andere Einrichtung beschrieben, mit welcher die Grenzen eines Untertage-Kohleflözes ermittelt werden. Hier wird die Zeit, die zwischen der Emission monochromatischer, kohärenter Schallwellen von einer unterirdischen Teststation und dem Empfang der Schallwellen nach deren Reflexion an einer Diskontinuität im Flöz verstreicht, als Anzeige der Entfernung zwischen der reflektierenden Diskontinuität und der Teststation benutzt. Ungeachtet der Vorzüge dieser Systeme ist in den genannten vorveröffentlichten Patenten nichts Nennenswertes über die Verwendung von Radar zur Vermessung von Kohlenflözen ausgesagt. In DE-OS 23 45 884 another device is described with which the boundaries of an underground coal seam be determined. Here the time between the emission becomes more monochromatic, more coherent Sound waves from an underground test station and the reception of the sound waves after their reflection of a discontinuity in the seam, indicating the distance between the reflecting discontinuity and the test station used. Regardless of the merits of these systems, the aforementioned is prepublished Patents did not say anything worth mentioning about the use of radar to survey coal seams.

Verschiedene Faktoren müssen berücksichtigt werden, wenn Radartechnologie erfolgreich für Bohrungsloch-Führungssysteme im Kohlenbergbau eingesetzt werden sollen. Bohrlöcher in Kohlenflözen besitzen üblicherweise einen Durchmesser von nur 7,5 cder 10 cm; die Radarkomponenten einschließlich der Antennenstruktur und der zugehörigen Elektronik müssen in der Größe so weit reduziert werden, daß sie in das Bohrloch passen. Geophysikalische Erforschungssysteme, welche elektromagnetische Wellen zur Lokalisierung geologischer Formationen verwenden, sind im technischen Bereich der Bohrlochvermessung entwickelt worden. Derartige Systeme enthalten zahlreiche Elemente, die speziell so ausgelegt sind, daß sie innerhalb eines Bohrloches arbeiten können. Beispielsweise ist in der US-Patentschrift 34 49 657 eine Spiralantenne reduzierten Durchmessers beschrieben, die in ein Bohrloch herkömmlicher Größe eingepaßt ist und unterirdisch Erdformationen mit elektromagnetischer Energie in einer Ebene quer zur Achse des Bohrloches bestrahlt.Various factors must be considered when using radar technology to be successful for wellbore guidance systems to be used in coal mining. Boreholes in coal seams usually have a diameter of only 7.5 or 10 cm; the radar components including the antenna structure and associated electronics must be reduced in size to fit into the wellbore fit. Geophysical exploration systems, which use electromagnetic waves to localize geological Using formations have been developed in the technical field of well logging. Such Systems contain numerous elements that are specifically designed to operate within a wellbore can work. For example, in US Pat. No. 3,449,657, a spiral antenna is reduced Described diameter, which is fitted into a borehole of conventional size and underground earth formations irradiated with electromagnetic energy in a plane transverse to the axis of the borehole.

Trotz der Komptaktheit, welche dieses Gerät erreicht, muß weiterhin ein Großteil der Radar-Steuer· bs schaltung außerhalb des Bohrloches angeordnet werden. Ein Meßkabel, welches die Antenne mit der äußeren Schaltung verbindet, ist zur Übertragung der Steuersignale zur Antenne im Bohrloch notwendig. Veränderungen sowohl in der Größe des Bohrloches als auch der elektrischen Eigenschaften der umgebenden Erde entlang der Längsabmessung des Bohrloches erzeugen jedoch Variationen in der Antennenimpedanz, die von der Sende- bzw. Empfangselektronik des Bohrloch-Radarsystems erfaßt werden. Demzufolge führen lange Radar-Steuerkabel, wie sie in den oben beschriebenen Vorrichtungen erforderlich sind, zu falschen Impedanzen; es treten Über- bzw. Nachschwingungen aufgrund von Reflexionen innerhalb der Antennenstruktur selbst auf.Despite the compactness achieved by this device, must continue to have a large part of the radar control · bs circuit can be arranged outside the borehole. A measuring cable, which connects the antenna with the outer Connecting circuit is necessary to transmit the control signals to the antenna in the borehole. Changes both in the size of the borehole and in the electrical properties of the surrounding earth however, along the length of the borehole create variations in antenna impedance that are determined by the transmitter and receiver electronics of the borehole radar system can be detected. As a result, long radar control cables such as those described above run Devices are required to produce incorrect impedances; there are overshoots or post-oscillations of reflections within the antenna structure itself.

Es ist selbstverständlich unmöglich, Steuerdrähte für Bohrloch-Radargeräte zu bauen, welche perfekt der variierenden Impedanz einer Bohrloch-Radarantenne angepaßt sind. Gleichwohl können die Nachschwingungsprobleme, die durch unvollkommene Impedanz-Bestimmungen verursacht werden, minimalisiert werden, wenn die Steuerkabe! so kurz wie möglich gehalten werden. Ein Ausfiihrungsbeispiel in der US-Patentschrift 34 12 815 zeigt ein Bohrloch-Radargerät, bei dem die Energieversorgung und die Zeitsysteme innerhalb des Gerätes selbst angeordnet sind. Dabei werden zwar einige unerwünschte Eigenschaften, die mit langen Steuerkabeln verbunden sind, beseitigt; gleichwohl ist diese Konfiguration zur Vermessung von Kohlenflözen nicht geeignet.It is of course impossible to build control wires for downhole radars which perfectly vary Impedance of a borehole radar antenna are matched. Nevertheless, the post-oscillation problems, caused by imperfect impedance determinations can be minimized if the control cable! be kept as short as possible. An exemplary embodiment in the US patent 34 12 815 shows a borehole radar device in which the energy supply and the time systems are within the Device itself are arranged. While doing so, there are some undesirable properties associated with long control cables connected, eliminated; however, this configuration is not for the measurement of coal seams suitable.

Die Entfernungen zwischen dem Bohrloch und der Oberseite sowie dem Bohrloch und der Unterseite des Kohlenflözes sind häufig verhältnismäßig gering und liegen zwischen 180 und weniger als 30 cm. Die Laufzeiten zwischen dem Bohrloch und der oberen bzw. unteren Grenzfläche sind entsprechend kurz. Reflektierte Impulse kommen häufig am Empfänger an, während noch Impulse vom Sender ausgestrahlt werden. Die Sende- und Empfangseinrichtung müssen demzufolge gleichzeitig aktiv sein, was dazu führt, daß Sende-Steuersignale Empfangs-Steuersgignale überlappen. Die entsprechend unter Strom gesetzten Sende- und Empfangskreiskabel neigen dann dazu, selbst als HF-Antennen zu wirken. Dies führt zu einem elektromagnetischen Kopplungsphänomen zwischen dem Sender und dem Empfänger und zu Störungen in der Empfangselektronik. Das oben erwähnte Ausführungsbeispiel der US-Patentschrift 34 12 815 enthält nichts, was diese indirekten Kopplungsprobleme bei in Bohrlöchern arbeitenden Radar-Komponenten beseitigen könnte.The distances between the borehole and the top and the borehole and the bottom of the Coal seams are often relatively small and lie between 180 and less than 30 cm. The terms between the borehole and the upper and lower interfaces are correspondingly short. Reflected Pulses often arrive at the receiver while the transmitter is still sending out pulses. the Transmitting and receiving devices must therefore be active at the same time, which means that transmit control signals Receive control signals overlap. The correspondingly energized transmit and receive circuit cables then tend to act as RF antennas themselves. This leads to an electromagnetic Coupling phenomenon between the transmitter and the receiver and to disturbances in the receiving electronics. The above-mentioned embodiment of US Pat. No. 3,412,815 does not contain anything that implies this Could eliminate coupling problems in radar components operating in boreholes.

Andere Ausführungsbeispiele in derselben US-Patentschrift verwenden eine dielektrisch geladene Horn-Richtantenne zur Übertragung elektromagnetischer Energieimpulse und eine getrennte, dielektrisch geladene Horn-Richtantenne zum Empfang der reflektierten Impulse. Die Existenz getrennter Sende- und Empfangsantennen in einem Radar-Führungssystem, welche auch bei geringen Entfernungen funktionieren sollen, führt zu weiteren Kopplungsproblemen. Wenn die reflektierende Grenzfläche verhältnismäßig nahe an der Sendeantenne ist, muß auch die Empfangsantenne nahe an der Sendeantenne sein, wenn sie reflektierte Impulse erfassen soll. Wird jedoch die Empfangsantenne nahe an der Sendeantenne plaziert, führt dies leicht zu einer Übersteuerung des Empfängers als Folge einer direkten elektromagnetischen Strahlung vom Sender. Es ist somit schwierig, ein Radar-Führungssystem für kurze Entfernungen mit getrennten Empfangs- und Sendeantennen zum Empfang reflektierter Impulse zu bringen.Other embodiments in the same US patent use a dielectrically charged horn directional antenna for the transmission of electromagnetic energy pulses and a separate, dielectrically charged Horn directional antenna for receiving the reflected pulses. The existence of separate transmitting and receiving antennas in a radar guidance system, which should also work at short distances, leads to further coupling problems. When the reflective interface is relatively close to the If the transmitting antenna is, the receiving antenna must also be close to the transmitting antenna when it receives reflected pulses should capture. However, if the receiving antenna is placed close to the transmitting antenna, this easily leads to one Override of the receiver as a result of direct electromagnetic radiation from the transmitter. So it is Difficult to find a radar guidance system for short distances with separate receiving and transmitting antennas to receive reflected impulses.

Ein Versuch zur Lösung des Problemes, das durch kurze Reflexionsabstände und entsprechend kurze elek-An attempt to solve the problem caused by short reflection distances and correspondingly short electrical

tromagnetische Laufzeiten verursacht wird, ist in der US-Patentschrift 38 06 795 beschrieben. Hier wird eine einzige Breitbandantenne dazu verwendet, elektromagnetische Energie sowohl auszusenden als auch zu empfangen. Dieses System strahlt Impuls-angeregte kurzdauernde elektromagnetische Impulse aus, deren Anstiegszeiten größenordnungsmäßig eine Nanosekunde und deren Frequenzen bis zu 400 MHz betragen. Die Antenne wird nach der Aussendung rasch gedämpft, wodurch das System zum Empfang der Reflexionen bereitgemacht wird. Die Kombination kleiner Impulsbreiten und der Antennendämpfung macht akzeptable Messungen bei reflektierenden Grenzflächen möglich, die in einer Entfernung von 1,2 bis 1,5 m von der Antenne üegen.Tromagnetic transit times is caused, is described in US Pat. No. 3,8 06,795. Here is a only broadband antenna is used to both transmit and receive electromagnetic energy. This system emits impulse-excited short-lasting electromagnetic impulses, their rise times on the order of one nanosecond and their frequencies are up to 400 MHz. the The antenna is quickly attenuated after transmission, which makes the system ready to receive the reflections will. The combination of small pulse widths and antenna attenuation makes acceptable measurements possible with reflective interfaces at a distance of 1.2 to 1.5 m from the antenna lie.

Elektromagnetische Impulse mit kurzer Dauer (eine genaue Beschreibung dieser Impulse, die ein als »Kurzimpulsradar« bekanntes Radar bilden, ist in der US-Patentschrift 40 08 469 zu finden) können die Fähigkeit zur Messung innerhalb kurzer Abstände bei einem Radar-Bohrführungssystem fördern. Häufig sollen jedoch Mineralgrenzen und andere geologische Diskontinuitäten innerhalb von Entfernungen von 30 cm oder weniger vom Detektionsgerät aus gemessen werden. Die in der US-Patentschrift 38 06 795 beschriebene Vorrichtung kann derartige Messungen nicht genau durchführen. Beispielsweise ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Energie in Kohle ungefähr 15 cm/ nsec. Wenn die Bedienungsperson eines Bohrgerätes versucht, seinen Bohrer gegenüber einer Kohlenflözgrenze zu orientieren, die exakt 30 cm vom Bohrloch entfernt ist, brauchte ein elektromagnetischer Suchimpuls, der von der Antenne im Bohrloch ausgestrahlt wird, ungefähr 4 Nanosekunden, um von der Antenne zur Grenzfläche und zurück zu laufen. Auch wenn Kurzimpulsradar verwendet wird, überlappen die ausgesandten und die empfangenen Impulse häufig; dann ist es schwierig wenn nicht unmöglich, eine Einantennenkonfiguration so weit zu dämpfen, daß das rückkehrende Signal erfaßt wird. Außerdem ergibt sich bei hochfrequenten impulsen in einer einzigen Sende-Empfangs-Antennenstruktur häufig ein Nach- bzw. Überschwingen. Demzufolge werden bei elektromagnetischen Messungen verhältnismäßig kleiner Entfernungen vorzugsweise getrennte Sende- und Empfangsantennen verwendet, die so ausgelegt sind, daß zwischen diesen eine elektromagnetische Kopplung vermieden wird.Electromagnetic impulses of short duration (an exact description of these impulses, which are known as »short pulse radar« Form known radar, can be found in US Pat. No. 40 08 469) can have the ability to Measurement within short distances with a radar drill guide system support financially. Often, however, mineral boundaries and other geological discontinuities are intended Measured within 30 cm or less of the detection device. The one in the The device described in US Pat. No. 3,806,795 cannot accurately perform such measurements. For example, the speed of propagation of electromagnetic energy in coal is approximately 15 cm / nsec. When the operator of a drill tries to move his drill against a coal seam boundary Orientation, which is exactly 30 cm away from the borehole, required an electromagnetic search pulse, broadcast by the antenna in the borehole takes about 4 nanoseconds to travel from the antenna to the interface and back. Even if short pulse radar is used, the transmitted and received pulses often overlap; then it is difficult, if not impossible, to attenuate a single antenna configuration to the point that the returning Signal is detected. In addition, high-frequency pulses result in a single transmit-receive antenna structure often an overshoot or overshoot. As a result, electromagnetic measurements relatively small distances, preferably separate transmitting and receiving antennas are used, which are designed so that electromagnetic coupling is avoided between them.

In der US-Patentschrift 34 40 523 ist insbesondere erkannt, daß es nicht praktisch ist. dieselbe Antenne dort sowohl zur Emission als auch zum Empfang elektromagnetische Fnerpie 711 verwendet, wo pin von einer geologischen Diskontinuität reflektierter Echoimpuls an der Antenne ankommt, bevor der Sender aufgehört hat, Impulse auszustrahlen, und während der Empfänger noch mit Energie vom Sender gesättigt ist. Das Verfahren, welches in dieser Patentschrift beschrieben ist, verwendet einen rektilinearen Sender zusammen mit einem Empfangsrahmen, der so montiert ist, daß er um seine vertikale Achse tangential zur Zylinderfläche der Drehung um die Achse des Senders verdreht werden kann. Auf diese Weise ergibt sich eine Einrichtung, welche verhindert, daß die ausgestrahlte Strahlung den Empfänger sättigt. Bei diesem Verfahren wird zwar das durch die direkte elektromagnetische Kopplung zwischen der Sende- und der Empfangsantenne erzeugte Problem beseitigt; das Problem der indirekten Kopplung zwischen den Sende-Steuerkabeln und der Empfangsantenne ist jedoch in dieser Vorveröffentlichung nicht angesprochen. Außerdem muß die bekannte Vorrichtung von der Außenseite des Bohrloches her gesteuert werden, wodurch die oben beschriebenen Impedanzprobleme zusätzlich auftreten.In US patent specification 34 40 523 it is recognized in particular that it is not practical. the same antenna there for both emission and reception electromagnetic Fnerpie 711 used where pin from a geological Discontinuity of reflected echo pulse arrives at the antenna before the transmitter has stopped, To emit pulses while the receiver is still saturated with energy from the transmitter. The procedure which is described in this patent uses a rectilinear transmitter in conjunction with a Receiving frame mounted so that it is tangential to the cylindrical surface of rotation about its vertical axis can be rotated around the axis of the transmitter. In this way there is a device which prevents the emitted radiation from saturating the receiver. In this process, the generated by the direct electromagnetic coupling between the transmitting and receiving antennas Problem resolved; the problem of indirect coupling between the transmit control cables and the receive antenna however, is not addressed in this prior publication. In addition, the known device can be controlled from the outside of the borehole, eliminating the impedance problems described above additionally occur.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Radarsystem der im Oberbegriff des Hauptanspruchs bezeichneten Art so auszubilden, daß es zur Vermessung der Grenzflächen eines Mineralflözes geeignet ist.The object of the present invention is to provide a radar system as described in the preamble of the main claim Art to be trained in such a way that it is suitable for measuring the interfaces of a mineral seam.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 bzw. Anspruch 10 beschriebene Erfindung gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by the invention described in the characterizing part of claim 1 and claim 10, respectively solved; advantageous developments are given in the subclaims.

Das erfindungsgemäße Radarsystem verwendet ein Radargerät, welches in das entlang eines KohleflözesThe radar system according to the invention uses a radar device which is inserted along a coal seam

is gebohrte Bohrloch eingeführt wird. Hochfrequente elektromagnetische Impulse werden vom Gerät ausgestrahlt und zurück zu einer Empfangsantenne von der Kohle-Schiefer-Grenzfläche an der Ober- oder Unterseite des Kohleflözes reflektiert. Die Laufzeiten der reflektierten Impulse werden kontinuierlich gemessen, während das Gerät durch das Bohrloch bewegt wird. Auf diese Weise wird eine Angabe über die Entfernungen zwischen dem Bohrloch und der Oberseite und dem Bohrloch und der Unterseite des Flözes erhalten. Das Radargerät ist ungefähr 1,5 m lang und 7 cm im Durchmesser. Es enthält einen hochfrequenten elektromagnetischen Impulsgeber, eine Richt-Sendeantenne, eine Richt-Empfangsantenne, eine Steuerelektronik und als Stromquelle eine Batterie. Die Komponenten des Schaltkreises sind so ausgestaltet, daß sie in den kleinen Gerätedurchmesser hineinpassen. Die Steuerschaltung führt alle Steuer-. Sende- und Empfangsfunktionen im Gerät selbst aus. Auf diese Weise werden Steuer-Übertragungsleitungen in das Loch hinein erübrigt, wodurch Nach- und Überschwingvorgänge aufgrund falscher Impedanzanpassungen innerhalb des Kreises sehr klein gehalten werden. Dadurch, daß die Sendeantenne an einem Punkt zwischen der Steuerschaltung und der Ernpfangsantenne angeordnet wird, läßt sich die indirekte elektromagnetische Kopplung zwischen den Antenner, reduzieren. Drosseln werden dazu eingesetzt, das HF-Übersprechen zwischen der Steuerschaltung und der Empfangsantenne weiter zu schwächen. Die Drosseln sind aus Koaxialkabel hergestellt, das spiralig aufgewikkelt wird. Hierdurch wird eine maximale Länge in minimalem Raum zur Verfügung gestellt. Die Drosseln sind jeweils in Reihe mit den Abschnitten der Steuerkabel geschaltet, die zur Sende- und zur Empfangsantenne führen. Eine metallische Abschirmfolie ist an der Innenseite des Gerätes befestigt und kann ebenfalls dazu verwendet werden, den direkten Durchgang elektromagnetischer Wellen zwischen der Sende- und der Empfangsantenne zu verhindern.
Mit dem erfindungsgemäßen System können geologisehe Diskontinuitäten erfaßt werden, die in einer Entfernung von weniger als 30 cm liegen.is drilled borehole is introduced. High frequency electromagnetic pulses are emitted from the device and reflected back to a receiving antenna from the coal-shale interface at the top or bottom of the coal seam. The transit times of the reflected pulses are measured continuously as the device is moved through the borehole. In this way an indication of the distances between the borehole and the top and the borehole and the bottom of the seam is obtained. The radar is approximately 1.5 m long and 7 cm in diameter. It contains a high-frequency electromagnetic pulse generator, a directional transmitting antenna, a directional receiving antenna, control electronics and a battery as a power source. The components of the circuit are designed so that they fit into the small diameter of the device. The control circuit carries out all control. Send and receive functions in the device itself. In this way, control transmission lines into the hole are superfluous, as a result of which ringing and overshooting processes due to incorrect impedance adjustments within the circle are kept very small. By arranging the transmitting antenna at a point between the control circuit and the receiving antenna, the indirect electromagnetic coupling between the antenna can be reduced. Chokes are used to further weaken the HF crosstalk between the control circuit and the receiving antenna. The chokes are made from coaxial cable that is wound up in a spiral. This provides a maximum length in a minimum of space. The chokes are connected in series with the sections of the control cables that lead to the transmitting and receiving antennas. A metallic shielding foil is attached to the inside of the device and can also be used to prevent the direct passage of electromagnetic waves between the transmitting and receiving antennas.
With the system according to the invention, geological discontinuities can be detected which are located at a distance of less than 30 cm.

Ein Ausführungsbeispie! der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigt
Fig. 1 ein Schaubild, in dem die grundlegende Funktionsweise des Radargerätes in einem Kohleflöz-Bohrloch dargestellt ist;An implementation example! the invention is explained in more detail below with reference to the drawing; it shows
1 is a diagram showing the basic mode of operation of the radar device in a coal seam borehole;

F i g. 2 schematisch die verschiedenen hochfrequenten elektromagnetischen Impulse, die vom Radargerät übertragen und empfangen werden;F i g. 2 schematically shows the various high-frequency electromagnetic impulses emitted by the radar device transmitted and received;

F i g. 3 einen Querschnitt durch das Radargerät selbst; F i g. 4A die Draufsicht auf das Radargerät, wobei dieF i g. 3 shows a cross section through the radar device itself; F i g. 4A shows the plan view of the radar device, the

Anordnung einer Metallfolien-Abschirmung gezeigt ist; F i g. 4B die Seitenansicht des Gerätes, wobei die An-Arrangement of a metal foil shield is shown; F i g. 4B the side view of the device, the connection

Ordnung der Metallfolien-Abschirmung gezeigt ist;Order of the metal foil shield is shown;

F i g. 5 das Schemadiagramm der Radargerät-Elektronik. F i g. 5 the schematic diagram of the radar electronics.

Die allgemeine Funktionsweise des Radar-Bohrführungssystemes ist in F i g. 1 dargestellt. Ein Kohleflöz, wie er mit dem Bezugszeichen 2 gekennzeichnet ist, ist häufig von Schiefer umgeben. Hierdurch entsteht eine Kohle-Schiefergrenzfläche 4 an der Oberseite des Flözes und eine weitere Kohle-Schiefer-Zwischenfläche 6 an der Unterseite des Flözes. Ein Bohrloch 8 wird in den Kohleflöz gebohrt; Informationen, welche die Orientierung des Bohrloches gegenüber der Oberseite und der Unterseite des Flözes betreffen, werden dadurch erhalten, daß das ingesamt mit dem Bezugszeichen 10 versehene Radargerät in das Bohrloch eingeführt wird. Ein Sender 12 mit Richtantenne innerhalb des Gerätes strahlt elektromagnetische Energie in Form kurzer Impulse im Bereich der Radarwellenlängen durch die Kohle auf eine der Kohle-Schiefer-Zwischenflächen, wie dies durch den Weg A angedeutet ist. Ein Teil der elektromagnetischen Energie wird danach zurück zu einem Empfänger 14 mit Richtantenne reflektiert, der im Gerät dem Sender benachbart angeordnet ist. Die Zeit, die zwischen der Aussendung und dem Empfang der Radarimpulse verstreicht, wird dann bestimmt und ist ein Maß für die Entfernung zwischen dem Bohrloch und der Zwischenfläche. The general operation of the radar well guidance system is shown in FIG. 1 shown. A coal seam, as indicated by the reference number 2, is often surrounded by slate. This creates a coal-shale interface 4 at the top of the seam and another coal-shale interface 6 at the bottom of the seam. A borehole 8 is drilled in the coal seam; Information relating to the orientation of the borehole with respect to the upper side and the underside of the seam is obtained in that the radar device, which is provided overall with the reference numeral 10, is introduced into the borehole. A transmitter 12 with a directional antenna inside the device radiates electromagnetic energy in the form of short pulses in the range of the radar wavelengths through the coal onto one of the coal-slate interfaces, as indicated by path A. Some of the electromagnetic energy is then reflected back to a receiver 14 with a directional antenna, which is arranged in the device adjacent to the transmitter. The time that elapses between the transmission and reception of the radar pulses is then determined and is a measure of the distance between the borehole and the interface.

Da Sender 12 und Empfänger 14 mit einer Richtantenne zusammenarbeiten, können sich die Radarimpulse nur in einer einzigen Richtung ausbreiten; das Gerät kann somit nur eine Zwischenfläche zu einer bestimmten Zeit vermessen. In F i g. 1 wird die Entfernung zwischen dem Bohrloch 8 und der Kohle-Schiefer-Zwischenfläche 4 an der Oberseite des Saumes vermessen. Wenn die Entfernungsmessung zwischen Bohrloch und Kohle-Schiefer-Zwischenfläche 6 an der Unterseite des Flözes durchgeführt werden soll, muß das Gerät 10 verdreht werden; dabei werden Sender 12 und Empfänger 14 auf die Zwischenfläche an der Flöz-Unterseite ausgerichtet. Since transmitter 12 and receiver 14 work together with a directional antenna, the radar pulses can only spread in a single direction; the device can therefore only be an intermediate surface to a specific one Measure time. In Fig. 1 becomes the distance between borehole 8 and the coal-shale interface 4 measured at the top of the hem. If the distance measurement between borehole and Coal-shale intermediate surface 6 is to be carried out on the underside of the seam, the device 10 must be rotated will; The transmitter 12 and receiver 14 are aligned with the intermediate surface on the underside of the seam.

Nicht die gesamte elektromagnetische Energie, die vom Sender 12 ausgesandt wird, bewegt sich entlang des Weges A zum Empfänger 14. Die Impulse können im Gegenteil eine ganze Anzahl von Wegen zwischen den beiden Einheiten durchqueren. Einige der Impulse bewegen sich beispielsweise vom Sender zum Empfänger durch die Kohle an der Wand des Bohrloches. Diese Impulse folgen dem Weg, der in F i g. 1 mit B bezeichnet ist. Andere Impulse können direkt durch die Luft vom Sender zum Empfänger entlang des Weges Cgelangen.Not all of the electromagnetic energy emitted by the transmitter 12 travels along path A to the receiver 14. On the contrary, the pulses can traverse a number of paths between the two units. For example, some of the pulses travel from the transmitter to the receiver through the coal on the wall of the borehole. These impulses follow the path shown in FIG. 1 is denoted by B. Other impulses can travel directly through the air from the transmitter to the receiver along path C.

Die verschiedenen Übertragungsmedien und Entfernungen, die im Spiele sind, erzeugen ein vielfaches Impulsmuster am Empfänger 14, wie dies in F i g. 2 idealisiert dargestellt ist. Zu einer bestimmten Zeit fo sendet der Sender 12 einen Energiestoß von 1 oder 2 Nanosekunden aus. Die Energieimpulse, welche sich entlang des Weges C durch die Luft bewegen, erreichen den Empfänger 14 zuerst zur Zeit t_c. Der Weg B ist langsamer als der Weg C, da die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Energie in Kohle (ungefähr 15 cm/ nsec) ungefähr die Hälfte der Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Energie in Luft ist. Somit erreichen die Impulse, die den Weg B verfolgen, den Empfänger 14 zu einer Zeit tb nach f<> Der Weg A, also der Weg, der von der Entfernung zwischen Bohrloch 8 und Kohle-Schieferfläche 4 abhängt, verläuft ebenfalls durch Kohle, ist jedoch langer als der Weg B. Demzufolge kommen die Impulse, welche den Weg A durchqueren, am Empfänger 14 zu einer Zeit f., nach tb an.The various transmission media and distances involved create a multiple pulse pattern at the receiver 14, as shown in FIG. 2 is shown idealized. At a certain time fo, the transmitter 12 sends out a burst of energy of 1 or 2 nanoseconds. The energy pulses, which move along the path C through the air, first reach the receiver 14 at time t _c . Path B is slower than path C because the speed of propagation of electromagnetic energy in coal (about 15 cm / nsec) is about half the speed of propagation of electromagnetic energy in air. Thus, the impulses that follow the path B reach the receiver 14 at a time tb after f <> The path A, i.e. the path that depends on the distance between borehole 8 and coal-shale surface 4, also runs through coal, is however, longer than path B. Accordingly, the pulses which traverse path A arrive at receiver 14 at a time f., after tb .

Das in F i g. 2 gezeigte Impulsmuster ist in der Praxis selten verwirklicht. Dies beruht auf der Vielzahl von Übertragungswegen, die der elektromagnetischen Energie zur Verfügung stehen. Veränderungen in den elektrischen Eigenschaften des Kohleflözes selbst reflektieren ebenfalls eine bestimmte Energiemenge kurz vorder Kohle-Schiefer-Zwischenfläche. Unregelmäßigkeiten in der Bohrlochwand zusammen mit Grenzen inThe in Fig. The pulse pattern shown in FIG. 2 is seldom realized in practice. This is due to the multitude of Transmission paths that are available for electromagnetic energy. Changes in the electrical properties of the coal seam itself also briefly reflect a certain amount of energy front coal-shale interface. Irregularities in the borehole wall along with boundaries in

ίο der Bauweise der Übertragungs- und der Empfangsantenne führen zu Impulsen, die nicht so kurz bzw. wohl definiert wie diejenigen von F i g. 2 sind. Demzufolge ist es nicht möglich, das Impulsmuster am Empfänger zu prüfen und einen reflektierten Impuls deutlich vom anderen zu unterscheiden.ίο the construction of the transmitting and receiving antenna lead to impulses that are not as short or well-defined as those in FIG. 2 are. Hence is it is not possible to check the pulse pattern on the receiver and a reflected pulse clearly from the other to distinguish.

Die Dateninterpretation der empfangenen Impulse muß stattdessen auf Veränderungen in dem Impulsmuster gestützt werden, wenn Sender und Empfänger im Radargerät entlang des Bohrloches bewegt werden. Die Wege Sund Cbleiben unabhängig von der Position des Gerätes konstant; Unregelmäßigkeiten der Kohle-Schiefer-Zwischenfläche 4 an der Oberseite des Flözes führen jedoch zu Variationen der Abmessungen des Weges A und damit der Wegzeiten der entsprechenden reflektierten Impulse. Es ist somit möglich, die vom Weg A empfangenen Impulse dadurch zu identifizieren, daß derjenige Abschnitt des Impulsmusters beachtet wird, der sich gegenüber dem Rest des Impulsmusters bei Bewegungen des Gerätes verändert. Derartig identifizierte Impulse können hiernach dazu verwendet werden, die gewünschten Messungen der Entfernungen zwischen Bohrloch und Oberseite und Bohrloch und Unterseite des Flözes durchzuführen.
Ein Schnitt durch das Bohrloch-Radargerät 10 ist in F i g. 3 gezeigt. Das Radargerät 10 enthält ein rohrförmiges Gehäuse 16 mit Gewinden 18 am einen Ende, mit welchem das Gerät an eine herkömmliche Bohrstange angesetzt werden kann. Das Gehäuse, welches aus einem stoßfesten Kunststoff oder einem anderen widerstandsfähigen Material hergestellt ist, ist ungefähr 1,5 m lang und 7 cm im Durchmesser. Eine elektronische Steuereinrichtung 20, die von Batterien 22 und einem Stromversorgungskreis 24 gespeist wird, befindet sich innerhalb des Gehäuses. Die Steuereinrichtung 20 führt alle Kontrollfunktionen aus, die bei den Sende- und Empfangsvorgängen im Gerät notwendig sind. Auf diese Weise werden sowohl die Übertragung von Steuersignalen ins Loch hinein als auch hiermit verbundene lange Steuerkabel vermieden. Daß keine langen Steuerkabei erforderlich sind, minimalisiert wiederum das Problem von Über- bzw. Nachschwingungen, die auf falschen Impedanzen beruhen. Diese entstehen dadurch, daß die Impedanzen zwischen der Empfangselektronik und der Empfangsantenne, wie oben erläutert, nicht richtig angepaßt werden können.The data interpretation of the received pulses must instead be based on changes in the pulse pattern as the transmitter and receiver in the radar are moved along the borehole. The paths Sund C remain constant regardless of the position of the device; Irregularities in the coal-shale interface 4 at the top of the seam lead, however, to variations in the dimensions of the path A and thus in the path times of the corresponding reflected pulses. It is thus possible to identify the pulses received from path A by paying attention to that portion of the pulse pattern which changes with respect to the rest of the pulse pattern as the device moves. Pulses identified in this way can then be used to carry out the desired measurements of the distances between the borehole and the top and the borehole and the underside of the seam.
A section through the borehole radar device 10 is shown in FIG. 3 shown. The radar device 10 includes a tubular housing 16 with threads 18 at one end, with which the device can be attached to a conventional drill rod. The housing, which is made of an impact-resistant plastic or other resilient material, is approximately 1.5 m long and 7 cm in diameter. An electronic control device 20, which is fed by batteries 22 and a power supply circuit 24, is located within the housing. The control device 20 carries out all control functions that are necessary for the transmission and reception processes in the device. In this way, both the transmission of control signals into the hole and associated long control cables are avoided. The fact that no long control cables are required, in turn, minimizes the problem of overshoots or ringing, which are based on incorrect impedances. These arise from the fact that the impedances between the receiving electronics and the receiving antenna, as explained above, cannot be matched correctly.

Der Sender 12 befindet sich an einem Punkt zwischen der Steuereinrichtung und dem Empfänger 14 und arbeitet auf eine schleifenförmige Dipol-Richtantenne 26, die in der Nähe des Gehäuses 16 angeordnet ist. An jedem Ende der Antenne 26 kann eine kapazitiv angekoppelte Widerstandslast verwendet werden. Hierdurch können die breiteren Bandbreiten verwendet werden, die normalerweise das Breitband-Frequenzspektrum kurzer Radarwellenimpulse begleiten. Ein Sendeantennenreflektor 28 befindet sich unter der Sendeantenne 26 und sorgt dafür, daß elektromagnetische Energie von der Vorderseite der Antenne 26 mit doppelter Intensität wie von der Rückseite ausgestrahltThe transmitter 12 is located at a point between the controller and the receiver 14 and operates to a loop-shaped dipole directional antenna 26, which is arranged in the vicinity of the housing 16. At a capacitively coupled resistive load can be used at each end of antenna 26. Through this the wider bandwidths can be used, which is normally the broadband frequency spectrum accompany short radar wave impulses. A transmitting antenna reflector 28 is located under the transmitting antenna 26 and ensures that electromagnetic energy from the front of the antenna 26 is doubled Intensity as broadcast from the back

wird. Die Energie, die an der Vorderseite des Empfängers 14 empfangen wird, ist somit viermal so groß wie diejenige an der Rückseite. Auf diese Weise wird die Richtwirkung erzielt, die zur Vermessung von Oberoder Unterseiten-Grenzflächen erforderlich ist.will. The energy that is received at the front of the receiver 14 is thus four times as large as the one at the back. In this way the directional effect is achieved, which is necessary for the measurement of Oberoder Underside interfaces is required.

Impulse mit Frequenzen im Bereich zwischen 200 MHz und 1 GHz werden an die Sendeantenne 26 durch einen elektromagnetischen Hochfrequenz-Impulsgeber 30 gelegt. Dies geschieht auf Zeitsignale hin, die von der Steuereinrichtung 20 erzeugt und dem Impulsgeber 30 über eine Steuerleitung 32 eingegeben werden. Eine Drossel 34 ist aus gewickeltem Koaxialkabel aufgebaut und in Reihe mit dem Steuerkabel 32 zwischen die Steuereinrichtung 20 und den Impulsgeber 30 geschaltet. Die Funktion der Drossel 34 wird weiter unten ausführlich erläutert.Pulses with frequencies in the range between 200 MHz and 1 GHz are sent to the transmitting antenna 26 placed by a high frequency electromagnetic pulse generator 30. This happens in response to time signals, generated by the control device 20 and input to the pulse generator 30 via a control line 32 will. A choke 34 is constructed of coiled coaxial cable and is in series with the control cable 32 connected between the control device 20 and the pulse generator 30. The function of the throttle 34 continues explained in detail below.

Der Empfänger 14 enthält eine schleifenförmige Dipol-Richtantenne 36, die ebenfalls in der Nähe des Gehäuses 16 angeordnet und in derselben Weise orientiert ist wie die Richtantenne 26. Ein Empfangsantennenreflektor 38 verleiht der Richtantenne 36 ihre Richtwirkung, welche der Richtwirkung der Richt-Antennen-/Reflektorkombination 26,28 entspricht. Die Empfangsschaltung 40, die mit der Empfangs-Richtantenne 36 verbunden ist, wird auf Taktsignale hin betätigt, die von der Steuereinrichtung 20 erzeugt und der Empfangsschaltung über die Steuerleitung 42 zugeführt werden. Eine Drossel 44 aus gewickeltem Koaxialkabel ist in Reihe mit dem Steuerkabel 42 zwischen die Steuereinrichtung 20 und die Empfangsschaltung 40 geschaltet.The receiver 14 includes a looped directional dipole antenna 36, which are also arranged in the vicinity of the housing 16 and oriented in the same way is like the directional antenna 26. A receiving antenna reflector 38 gives the directional antenna 36 its directional effect, which corresponds to the directional effect of the directional antenna / reflector combination 26,28. The receiving circuit 40, which is connected to the receiving directional antenna 36, is actuated in response to clock signals received from generated by the control device 20 and fed to the receiving circuit via the control line 42. A choke 44 of coiled coaxial cable is in series with the control cable 42 between the control device 20 and the receiving circuit 40 switched.

Die besondere Konfiguration der Komponenten im Radargerät, die eben beschrieben wurde, soll die Effekte einer elektromagnetischen Kopplung zwischen der Sende- und der Empfangsantenne so klein wie möglich halten. Das Steuerkabel 32, welches den elektromagnetischen Impulsgeber 30 mit der elektronischen Steuereinrichtung 20 verbindet, neigt dazu, selbst als H F-Antenne zu wirken, wenn es von der Steuereinrichtung her mit Zeitsignalen beaufschlagt wird. Wenn sich die Kohle-Schiefer-Grenzfläche, die vermessen wird, nahe am Radargerät 10 befindet, sind sowohl die Sende- als auch die Empfangsantenne gleichzeitig aktiv; die Zeitsignale am Sender überlappen dann häufig die Funktion des Empfängers. Das entsprechend bestromte Steuerkabe! 32 würde somit zu Störungen im aktiven Empfänger führen, wenn das Steuerkabel 32 sich irgendwo in der Nähe des Empfängers befände. Dadurch, daß die Sende-Richtantenne 26 und ihr zugeordnetes Steuerkabel 32 an einem Punkt zwischen der Steuereinrichtung 20 und der Empfangs-Richtantenne 36 positioniert werden, werden jedoch diese Kopplungseffekte reduziert. Das Steuerkabei 32 wird dabei aus der Nähe der Empfangsantenne entfernt.The special configuration of the components in the radar device, which has just been described, is intended to reduce the effects keep an electromagnetic coupling between the transmitting and receiving antenna as small as possible. The control cable 32, which connects the electromagnetic pulse generator 30 to the electronic control device 20 connects, tends to act as an HF antenna itself when it is connected to the control device Time signals is applied. When the coal-shale interface that is being measured is close to the radar device 10, both the transmitting and receiving antennas are active at the same time; the time signals on Transmitters then often overlap the function of the receiver. The correspondingly energized control cable! 32 would thus lead to interference in the active receiver if the control cable 32 is anywhere in the vicinity of the recipient. Because the transmission directional antenna 26 and its associated control cable 32 be positioned at a point between the control device 20 and the receiving directional antenna 36, however, these coupling effects are reduced. The control cable 32 is in the vicinity of the receiving antenna removed.

Kopplungseffekte werden weiter durch die senderseitige Drossel 34 und die empfangsseitige Drossel 44 reduziert, welche etwaige HF-Signale gleicher Mode abschwächen, die entlang des Steuerkabels 32 und des Steuerkabels 42 laufen. Die Drosseln 34 und 44 verhindern, daß die Kabel 32, 42 als Antennen wirken, wenn sie von Steuersignalen bestromt sind. Die Außenseite der Drosseln kann mit einem absorbierenden Material bedeckt werden, wobei der Durchmesser des Gehäuses 16 besser angenähert wird. Auf diese Weise wird die HF-Schwächung in den Drosseln vergrößert und gleichzeitig der Durchgang elektromagnetischer Wellen entlang der Innenseite des Gerätes direkt zwischen Sende- und Empfangsantenne blockiert.Coupling effects are further reduced by the transmitter-side choke 34 and the receiver-side choke 44, which attenuate any RF signals of the same mode that are transmitted along the control cable 32 and the Control cable 42 run. The chokes 34 and 44 prevent the cables 32, 42 from acting as antennas when they are energized by control signals. The outside of the chokes can be covered with an absorbent material are covered, the diameter of the housing 16 is more closely approximated. In this way, the RF attenuation in the chokes increases and at the same time the passage of electromagnetic waves along them the inside of the device directly between the transmitting and receiving antenna.

Eine Abschirmung kann auch dazu verwendet werden, eine direkte Übertragung elektromagnetischer Energie zwischen der Sende-Richtantenne 26 und der Empfangs-Richtantenne 36 zu verhindern. Wie schematisch in den Fig.4A und 4B zu erkennen ist, ist ein zylindrisches Abschirmelement 46 aus Kupferfolie oder einem anderen geeigneten Metall um den Innendurchmesser des Gehäuses 16 herum angeordnet. Das Abschirmelement bedeckt die gesamte Oberfläche des Geräts 10 mit Ausnahme von öffnungen 48, 50, in denen die Sende-Richtantenne 26 bzw. die Empfangs-Richtantenne 36 untergebracht sind. Hierdurch ist eine unbehinderte Funktion der Antennen möglich. Falls gewünscht, kann das Steuerkabel 42 zwischen der Außenseite des Abschirmelementes und der Innenseite des Gehäuses 16 angeordnet werden; auf diese Weise wird ein Einkoppeln von Energie aus der Sende-Richtantenne in das Kabel 42 verhindert.A shield can also be used to prevent direct electromagnetic transmission To prevent energy between the transmitting directional antenna 26 and the receiving directional antenna 36. How schematic 4A and 4B can be seen, a cylindrical shielding element 46 made of copper foil or another suitable metal around the inside diameter of the housing 16. The shielding element covers the entire surface of the device 10 with the exception of openings 48, 50 in which the transmitting directional antenna 26 and the receiving directional antenna 36 are accommodated. This is an unhindered Function of the antennas possible. If desired, the control cable 42 can be connected between the outside of the Shielding element and the inside of the housing 16 are arranged; in this way a coupling becomes of energy from the transmitting directional antenna into the cable 42 is prevented.

Die Schaltkreiskonfiguration des Radargeräts 10 ist in dem Blockdiagramm der F i g. 5 gezeigt. Die elektronische Steuereinrichtung 20 enthält eine Sampler-Steuerung 52, welche Zeitsignale zur Steuerung der Radarabtastfolge erzeugt. Die Sampler-Steuereinrichtung 52 ist ein herkömmlicher Abtast-Zeitgabekreis. Wenn das Radargerät richtig im Bohrloch positioniert ist, betätigt die Bedienungsperson außerhalb des Bohrloches den Ein-Aus-Schalter 54 und leitet so die Abtastfolge ein. Die Abtastgeschwindigkeit ist üblicherweise im Bereich zwischen 10 und 30 Hz voreingestellt, kann jedoch von der Bedienungsperson einjustiert werden, bevor das Gerät in das Bohrloch eingeführt wird.The circuit configuration of the radar device 10 is shown in the block diagram of FIG. 5 shown. The electronic Control device 20 contains a sampler controller 52, which time signals for controlling the radar scanning sequence generated. The sampler controller 52 is a conventional sample timing circuit. if the radar is properly positioned in the borehole, the operator operates outside the borehole the on-off switch 54 and thus initiates the scanning sequence. The scanning speed is usually in the range preset between 10 and 30 Hz, but can be adjusted by the operator before the device is inserted into the borehole.

Nach Einleiten der Abtastfolge beginnt die Sampler-Steuereinrichtung 52 Zeitsignale mit einer Frequenz von 200 kHz durch das Steuerkabel 32 und den Sendeisolator 34 zum elektromagnetischen Impulsgeber 30 zu senden. 200 kHz ist zwar die bevorzugte Zeitsignalfrequenz; es können jedoch andere Zeitsignalfrequenzen im Bereich zwischen 50 und 250 kHz mit zufriedenstellendem Resultat verwendet werden. Auf die Zeitsignale hin gibt der elektromagnetische Impulsgeber 30 an die Sende-Richtantenne 26 Stöße elektromagnetischer Impulse ab, die charakteristischerweise eine Frequenz in der Größenordnung von 100 MHz bis 2GHz haben. Diese hochfrequenten elektromagnetischen Impulse werden von der Sendeantenne 26 in die umgebende Kohle ausgestralt und von einer Kohle-Schiefer-Zwischenfläche zurück zur Empfangs-Richtantenne 36 reflektiert, wie oben beschrieben. Die empfangenen Impulse werden in die Empfangsschaltung 40 eingespeist, die einen HF-Verstärker 56 und einen HF-Sampler 58 unter der Steuerung der Sampler-Steuereinrichtung 52 enthält. Der HF-Sampler 58 ist ein analog arbeitender Sampie-and-Hoid-Kreis, welcher den ankommenden Impulsen folgt und kapazitiv repräsentative Impulse auf ein Taktsignal hin steuert, welches von der Sampler-Steuereinrichtung 52 erzeugt und dem HF-Sampler 58 durch das Steuerkabel 42 und die Drossel 44 zugeführt wird. Das erste Taktsignal nach Einleiten der Abtastfolge fällt mit dem ersten Zeitsignal der Folge zusammen. Danach folgt die Frequenz der Taktsignale der Frequenz der Zeitsignale; die Zeitperiode zwischen aufeinanderfolgenden Taktsignalen wird jedoch progressiv durch Inkremente von 0,25 nsec vergrößert; auf diese Weise wird eine progressiv anwachsende Verzögerungsperiode zwischen jedem Taktimpuls und jedem Zeitsignal erzeugt. Wenn beispielsweise das anfängliche Zeitsignal in einer bestimmten Abtastfolge zur Zeit fi auftritt, tritt auch das anfängliche Taktsignal zur Zeit ii auf. Das zweite Zeitsignal tritt zur Zeit t₂ auf; das zweiteAfter the sampling sequence has been initiated, the sampler control device 52 begins to send time signals at a frequency of 200 kHz through the control cable 32 and the transmission isolator 34 to the electromagnetic pulse generator 30. 200 kHz is the preferred time signal frequency; however, other timing signal frequencies in the range between 50 and 250 kHz can be used with satisfactory results. In response to the time signals, the electromagnetic pulse generator 30 emits bursts of electromagnetic pulses to the directional transmitting antenna 26, which typically have a frequency of the order of magnitude of 100 MHz to 2 GHz. These high-frequency electromagnetic pulses are emitted from the transmitting antenna 26 into the surrounding coal and reflected back to the receiving directional antenna 36 by a coal-slate interface, as described above. The received pulses are fed to the receiving circuit 40 which includes an RF amplifier 56 and an RF sampler 58 under the control of the sampler controller 52. The RF sampler 58 is an analog sample-and-hoid circuit which follows the incoming pulses and controls capacitive representative pulses in response to a clock signal generated by the sampler control device 52 and the RF sampler 58 through the control cable 42 and the throttle 44 is supplied. The first clock signal after the initiation of the sampling sequence coincides with the first time signal of the sequence. Then the frequency of the clock signals follows the frequency of the time signals; however, the time period between successive clock signals is progressively increased by increments of 0.25 nsec; in this way a progressively increasing delay period is created between each clock pulse and each timing signal. For example, if the initial timing signal occurs in a particular sampling sequence at time fi, the initial clock signal also occurs at time ii. The second time signal occurs at time t ₂ ; the second

11 1211 12

Taktsignal tritt jedoch erst zur Zeit Γ2 + 0,25 nsec auf. Das dritte Zeitsignal tritt zur Zeit ti auf, während das dritte Taktsignal zur Zeit tj + 0,50 nsec auftritt. Die Verzögerung zwischen dem Zeit- und dem Taktsignal wächst so weiter durch die gesamte Abtastfolge, obwohl 5 die effektive Frequenz der Taktsignale und die entsprechende Sampling-Rate gleich der Frequenz der Zeitsignale bleibt. Auf diese Weise kann der HF-Sampler 58 empfangene Impulse sequentiell in progressiv wachsenden Zeitintervallen, welche auf die Aussendung der Impulse von der Sende-Richtantenne 26 folgen, untersuchen. However, the clock signal only occurs at time Γ2 + 0.25 nsec. The third time signal occurs at time ti , while the third clock signal occurs at time tj + 0.50 nsec. The delay between the time signal and the clock signal continues to grow through the entire sampling sequence, although the effective frequency of the clock signals and the corresponding sampling rate remain the same as the frequency of the time signals. In this way, the RF sampler 58 can examine received pulses sequentially in progressively increasing time intervals which follow the transmission of the pulses from the transmitting directional antenna 26.

Die im HF-Sampler 58 gespeicherten Impulse werden über das Kabel 60 einem Tonfrequenz-Operationsverstärker 62 in der elektronischen Steuereinrichtung 20 zugeführt. Der Verstärker 62 wird von einem Steuersignal der Sampler-Steuereinrichtung 52 zur selben Zeit ausgelöst, wie die Abtastfolge eingeleitet wird. Er verstärkt die gespeicherten Impulse, so daß sie über ein Oberflächenkabel 64 zur Außenseite des Bohrloches übertragen werden können.The pulses stored in the HF sampler 58 are transmitted via the cable 60 to an audio frequency operational amplifier 62 in the electronic control device 20 is supplied. The amplifier 62 is controlled by a control signal the sampler controller 52 is triggered at the same time the sampling sequence is initiated. He strengthens the stored pulses so that they can be transmitted via a surface cable 64 to the outside of the borehole can be transferred.

Nach Abschluß einer Abtastfolge kehrt die Sampler-Steuereinrichtung 52 zum Ausgang zurück; eine weitere Abtastfolge wird eingeleitet. Die Impulse, die von dem HF-Sampler 58 während einer einzigen Abtastfolge gespeichert und vom Verstärker 62 und dem Oberflächenkabel 64 zur Außenseite des Bohrloches übertragen werden, geben einen einzigen Datensatz ab, der in einer herkömmlichen oszilloskopartigen visuellen Anzeige oder in einem anderen Überwachungskreis verwendet werden kann.After completing a scan sequence, the sampler controller returns 52 back to the exit; another scan sequence is initiated. The impulses from the RF sampler 58 stored during a single scan sequence and from amplifier 62 and the surface cable 64 are transmitted to the outside of the borehole, give a single data record, which is in a conventional oscilloscope-type visual display or in some other surveillance circuit can be.

Die Abtastfolgen dauern an, während das Radargerät 10 entlang des Bohrloches bewegt wird. Veränderungen in den Impulsmustern, wie sie in den Datenfolgen oder Datensätzen erfaßt werden, dienen dazu, diejenigen gespeicherten Impulse zu identifizieren, die an der Kohle-Schiefer-Grenzfläche an der Oberseite oder Unterseite des Kohleflözes reflektiert wurden. Die als reflektierte Impulse identifizierten Impulse wiederum können als Maß für die Entfernung zwischen dem Bohrloch und der reflektierenden Grenzfläche verwendet werden.The scan sequences continue as the radar device 10 is moved along the borehole. Changes in the pulse patterns, as they are recorded in the data sequences or data records, are used to those stored Identify pulses occurring at the coal-shale interface at the top or bottom of the coal seam. The pulses identified as reflected pulses can, in turn, be classified as Measure of the distance between the borehole and the reflective interface can be used.

Hierzu 3 Blatt ZeichnungenFor this purpose 3 sheets of drawings

4545

5050

5555

6060

Claims

Patent claims:

1. Radar system for determining underground distances in boreholes, with a source of electromagnetic Impulse, a transmitting device that communicates with the source of electromagnetic pulses is connected and transmits the electromagnetic pulses into the earth; a receiving device, which receives electromagnetic energy after reflection from various geological discontinuities returns to the receiving facility in the earth; a control device, which both the transmission of the electromagnetic pulses from the transmitting device as well as the reception the electromagnetic energy from the receiving device, characterized in that that the source of electromagnetic pulses (30), the control device (20), the transmission device (12) and the receiving device (14) are mounted within a housing (16) in such a way that that the transmitting device (12) within the housing (16) between the control device (20) and the Receiving device (14) is positioned, whereby an electromagnetic coupling between the Control device (20) and the receiving device (14) is prevented, the transmitting device and the receiving means each contain directional antennas (26, 36) within the housing (16).

2. Radar system according to claim 1, characterized in that that the transmitting device (12) has a first, loop-shaped dipole directional antenna (26) and the Receiving device (14) contains a second, loop-shaped dipole directional antenna (36).

3. Radar system according to claim 1, characterized in that that the electromagnetic pulses generated by the source of electromagnetic pulses (30) have a frequency in the range between 100 MHz and 2 GHz.

4. Radar system according to one of claims 1 to 3, characterized in that the housing (16) is a Includes shielding element (46) mounted around its inner surface and a direct electromagnetic Coupling between the transmitting device (12) and the receiving device (14) is prevented.

5. Radar system according to claim 4, characterized in that the shielding element (46) made of metal foil is formed.

6. Radar system according to one of claims 1 to 5, characterized in that a first RF choke (34) is connected in series between the control device (20) and the transmission device (12) and RF signals common mode weakens along the connection (32) between the control device (20) and the transmitter (12) run, and that a second RF choke (44) in series between the control device (20) and the receiving device (14) are connected and HF signals are more common Mode weakens, which along the connection (42) between the control device (20) and the receiving device (14) to run.

7. Radar system according to claim 6, characterized in that the first RF choke (34) consists of one first cylindrically spirally wound coaxial cable b5 and the second RF choke (44) from a second cylindrically spirally wound coaxial cable is formed.

8. The radar system of claim 7, wherein the housing has a cylindrical cross-section, thereby characterized in that the diameters of the heaths are cylindrical spirally wound HF chokes (34, 44) equal to the inner diameter of the cylindrical housing (16) are.

9. Radar system according to one of claims 1 to 8, characterized in that the control device (20) Time signals to the transmitting device (12) and clock signals to the receiving device (14) during of a sampling cycle, the receiving device (14) being a sampling device (58) which is connected in such a way that it detects and stores the received electromagnetic energy in response to a clock pulse from the control device (20), the control device (20) a progressively increasing delay period between successive ones during a scan cycle Time and clock pulses generated.

10. Radar system for determining underground distances in boreholes, with a source of electromagnetic Impulse, a transmitting device that communicates with the source of electromagnetic pulses is connected and transmits the electromagnetic pulses into the earth; a receiving device, which receives electromagnetic energy after reflection from various geological discontinuities returns to the receiving facility in the earth; a control device, which both the transmission of the electromagnetic pulses from the transmitting device as well as the reception the electromagnetic energy from the receiving device, characterized in that that a first RF choke (34) in series between the control device (20) and the transmitting device (12, 26, 30) is switched and attenuates RF signals of the common mode, which are transmitted along the connection run between the control device (20) and the transmission device (12), and that a second RF choke connected in series between the control device (20) and the receiving device (14, 36, 40) and attenuates RF signals of common mode along the connection between the control device (20) and the receiving device (14) run.

11. Radar system according to claim 10, characterized in that that the first RF choke (34) consists of a first spirally wound coaxial cable and the second RF choke (44) consists of a second spirally wound coaxial cable.

12. Radar system according to claim 11, characterized in that that the transmitting device (12) has a first loop-shaped dipole antenna (26) and the receiving device (14) contains a second loop-shaped dipole antenna (36).

13. Radar system according to claim 12, characterized in that a first reflection device (28) is positioned under the first loop-shaped dipole antenna (26) and the transmitting device (12) Gives directivity, and that a second reflection means (38) under the second loop-shaped Dipole antenna (36) is arranged and gives the receiving device (14) directional effect.