DE3308559C2

DE3308559C2 - Bohrloch-Meßeinrichtung

Info

Publication number: DE3308559C2
Application number: DE3308559A
Authority: DE
Inventors: Friedhelm 3000 Hannover Sender
Original assignee: Prakla Seismos GmbH
Current assignee: Geco Prakla GmbH
Priority date: 1983-03-08
Filing date: 1983-03-08
Publication date: 1985-03-07
Also published as: DK164007C; DK97184A; DK164007B; DK97184D0; GB8406122D0; NO840853L; SE8401060L; GB2139425B; NO156508C; SE454814B; NO156508B; SE8401060D0; GB2139425A; DE3308559A1; CA1211156A; US4670717A

Abstract

Eine Bohrloch-Meßeinrichtung zur Aufnahme von Radarsignalen in Bohrlöchern ist mit einer Rahmenantenne versehen, die aufgrund ihrer Ausbildung, Schaltung und Anordnung eine Verbesserung in den Aufnahme- und Auswertebedingungen ermöglicht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Bohrloch-Meßeinrichtung zur Aufnahme von Radarsignalen gemäß

Oberbegriff des Anspruchs 1.

Typische Bohrloch-Radarsysteme arbeiten mit elektro-magnctischen Wellen im Kurz- und Ultrakur/wcllenbereich. Für diese Wellenlängen ist der zur Vcrfügung stehende Bohrloch-Durchmesser sehr klein im Verhältnis zur Wellenlänge. Diese Tatsache hai bisher den Einsatz: brauchbarer Antennenanordnungen mit horizontaler Richtwirkung verhindert In den üblichen Sonden werden bislang nur Dipolantennen verwendet, die in der Horizontalen eine Kundstrahlcharakteristik haben, wobei ggf. auch gefaltete Dipole benutzt werden, siehe die I)S-PS 32 86 163. Soweit kompliziertere Antennen verwendet werden, /_ B. eine Yagi-Anordnung, siehe I·" i g. 4 der US-PS 32 86 163, wird dabei vorausgcsetzt, daß die Antennenteile tclcskopartig ausgefahren werden, so daß sie über die eigentliche Zylinderform der Sonde vorspringen. Eine solche Antennenanordnung setzt Bohrlöcher voraus, deren Durchmesser das übliche Maß übersteigt, falls die Verwendung nicht auf Aufwcilungsbcrcichc in einem normalen Bohrloch beschränktwird.

In der Vertikalen kann eine Richtungsangabc für die empfangenen Radarsignale dadurch ermittelt werden, daß Messungen an einer Reihe von in der Vertikalen aufeinanderfolgenden Mcßpunkten vorgenommen werden. Für die vertikale Richtungsauflösung ist demnach eine Richtungsanlcnnc nicht erforderlich, obwohl diese einfach .-.ti realisieren wäre. Zu beachten ist ferner, daß aus physikalischen Gründen mil elektrischen Fcldscnsoreu in engen Bohrlöchern keine wirksame Richtungsbündelung erreicht werden kann, da eine Richtungsbestimmung nur aus der Differenzinformation von mindestens zwei Sensoren abgeleitet werden kann, welche im Wellcnfcld um den erfaßbaren Teil einer Wellenlänge auscinandcrlicgcn müssen.

Rahmenantennen werden als sog. Peilrahmen oder Riehlungscmpfangsanlagen in der Funktechnik bereits seit geraumer Zeil erfolgreich eingesetzt, siehe /.. B. Handbuch für Hochfrequenz- und Eleklro-technikcr, Band II, 1953. Seite 489 und 490. Wegen der relativ geringen induzierten Spannungen sind diese Rahmen durchweg als selektive Anordnung zum schmalbandigen !'impfung ausgewählter Trägerfrequenzen ausgeführt. Die induzierte Spannung in einer Rahmenantenne ist proportional der Rahmenflächc, der Frequenz und dem cos ties Einfallswinkels der Wellenfront. Rahmenantennen weisen im Gegensatz, zum Rundstrahldiagramm von Stab- und Dipolantennen in horizontaler Richtung ein Doppelkrcisciiagramm mit zwei ausgeprägten Nullstellen auf. Durch eine richtig angepaßte Kombination einer Dipol- und einer Rahmenantenne läßt sich ein Kardioidcn-Diagramm mit nur einem Pol, einer sog. Nullstelle, erzielen.

Zur Einfallsrichtungsbestimmung wird der Pcilrahmen um die horizontale Achse gedreht, bis eine Nullstcl-Ie ausgemacht werden kann. Diese sog. Minimum-Peilung liefert wegen der steilen Charakteristik der Nullstellen die genauesten Ergebnisse. Wo ein drehbarer Peilrahmen aus konstruktiven oder elektrischen Gründen nicht aufgestellt werden kann, benutzt man heule einen feststehenden Kreuzrahmen zusammen mit einem elektrischen Goniometer. Bei einem solchen Goniometer wird das Feld der rechtwinklig gekreuzten liinpfangsrahmcn durch zwei rechtwinklig gekreuzte Spulen nachgebildet, deren Inneres eine Drehspule enthalt, die als Suchspule dient. Die Drehung der Suehspiile simuliert eine Drehung der Rahmcnunlcnncnunordnung.

Diese bekannten Rahmcnanlennenanordnungen kon-

non vorteilhaft zur Bestimmung der Einfallsrichtung von diskreten Trägerfrequenzen eingesetzt werden. Die für eine eindeutige Richtungsbestimmung benutzte Kombination eines Pcilrahniens mit einer Hilfsanlenne für Rundempfang erfordert eine sehr sorgfältige Ab-Stimmung des Systems und setzt zeitlich stabile Trägerfrequenzen voraus.

Diese in der Funktechnik seil langem bekannten Einrichtungen und Verfahren konnten bisher für Bohrloch-Meßverfahren aus Raumgründen nicht benutzt werden, ι a Die Aufgabe, eine Anpassung einer solchen Einrichtung für die Verwendung in einem Bohrloch-Meßverfahren, wird nach der Erfindung im grundsätzlichen dadurch gelöst, daß eine Bohrloch-Meßeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen wird. Ausgestaitungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Obwohl die Abmessungen üblicher Bohrlöcher wenig Spielraum zur Realisierung brauchbarer Antennenanordnungen geben, ermöglicht die Erfindung eine optimale Ausnutzung dieses Raumes zur Ableitung brauchbarer Ergebnisse. Dieses Ergebnis wird erreicht, obwohl die Signale, deren Einfallsrichtung zu bestimmen ist, sehr kurze und verhältnismäßig komplizierte Wellenzüge sind. Die Auflösung in der Vertikalen ist dabei trotz starker Fächerung der Einfallsrichtung in der oben angegebenen Weise möglich.

Gegenüber dem Stand der Technik wird eine wesentliche Verbesserung erreicht.

Die Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielhaft erläutert und dargestellt sind, zeigt

Fig. 1 eine Grundausführungsform der Erfindung in vereinfachter Darstellung einschl. der in der Sonde untergebrachten Schallungsteile, j5

F i g. 2 eine der Fi g. 1 entsprechende Darstellung einer eine eindeutige Richtungsangabc der Hori/.ontalkomponente ermöglichende Anlennenanordnung,

F i g. 3 eine Darstellung der Signalwege bei einer Antennenanordriungnach Fig. 2,

Fig. 4 eine weitere Verbesserung der Anienncnanordnung einschl. der in der Sonde enthaltenen Schaltungselemente und

F i g. 5 ein Beispiel des Auswerteverfahrens zur Einfallsrichlungsbcstimmung.

Ein in F i g. 1 nur zum Teil mit seinen Umrissen angedeuteter Sondenkörper 1 enthält eine Kreuzrahmenantenne 2 in der Weise, daß die senkrechten Spulcnleiter

11 auf der Außenhaut des Sondenkörpers angebracht, insbesondere in flachen Nuten des aus Isoliermaterial w bestehenden Sondenkörpers t eingelassen sind. Die Querverbindungen /wischen den senkrechten Spulenleitern 11 werden durch druckdichte Durchführungen

12 in den inneren Hohlraum des Sondenkörpers 1 geführt. Das elektrisch gebrückte Spulenende kann durch ->s einen leitenden Außenring 13, eier ebenso wie die senkrechten Spulenleiter in die Außenhaut des Sondenkörpers 1 eingelassen ist, für beide Spulen gemeinsam verbunden werden. Die damit zu einer Kreuzrahmenantenne 2 verbundenen Rahmenantennen sind stark gcstreck- w> te Rechteckspulen, deren Spulenbreite durch den maximalen Durchmesser der Sonde bestimmt ist. Die Enden des Spulenpaares werden über angepaßte Symnietrieriransformatoren 14a, \4b an asymmetrische Koaxialleilungen 15;i bzw. 156 angepaßt. Ein elektronisches Um- o¹; schaltrcliiis 16 gestattet, die beiden Koaxiallcilungen wahlweise über die Leitung 17 auf die über Tage angeordnete, nicht näher dargestellte Aufnahmeapparatur zu schalten, in der die Signale nacheinander aufgezeichnet und nach einem weiter unten dargestellten Verfahren ausgewertet werden.

Die Rahmen der Kreuzrahmenantenne 2 enthalten jeweils nur eine Windung und sind nicht abgestimmt, sondern mit ihrem induktiven Blindwiderstand etwa für die zu erwartende Bandmittenfrequenz auf die Kabelimpedanz angepaßt Durch die ohmsche Belastung über den Verstärkereingang sind die Rahmen daher breitbandig lcistungsangepaßt.

Da das Richtdiagramm einer Rahmenantenne eine 8-Kurve oder Doppelkreiskurve ist. ist die Richtungsbestimmung mit der Antenne gemäß Fig. 1 zweideutig, d. h. es ergeben sich zwei um 180° verschiedene Richtungsangaben. Für die genaue Bestimmung ist eine zusätzliche Messung erforderlich.

Die Anordnung nach F i g. 2 ermöglicht eine eindeutige Richtungsbestimmung. Die Kreuzrahmenantenne 20 ist durch eine zusätzliche Rundempfangsantenne 21 ergänzt worden. Diese stabförmige Antenne 21 ist vorzugsweise ein unsymmetrisch gespeister Dipol oder eine Sperrtopfantenne. Bei der Antennenanordnung nach F i g. 2 wird das Speisckabel der Rundempfangsantenne 21 durch ein Rohr 23 im Zentrum der Kreuzrahmenantenne 20 geführt. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um ein leitendes Metallrohr, welches aus Symmetriegründen für die Rahmencharakteristik genau zentrisch in der Ralimenlängsachse verläuft. Die Querverbindungen 24 der seitlichen Rahmenleiter 22 werden vorteilhaft einfach über einen Führungsring 25 für das Metallrohr 23 geschlossen. Dadurch wird eine gegenseitige Beeinflussung der beiden Teilsysteme 20,21 der Antennenanordnung wirksam vermieden, und die Richtcharakteristik des Kreuzrahmens 20 bleibt ungestört erhalten. Da die in den Antennen der Kreuzrahmenantenne 20 induzierten Signale It. Induktionsgesetz gegenüber dem von der Rundempfangsantenne 21 aufgenommenen elektrischen Feld um 90° phasenverschoben sind, wird in die Antennenspeiseleitung der Rundempfangsanlenne 21 ein 90°-Hybrid-Koppler 26 geschaltet. Der dritte Arm 27 dieses T-Kopplers 26 kann entweder mit einem Impedanzwiderstand abgeschlossen, oder als Trigger-Signalquelle für die Aufnahmeapparatur verwendet werden, wie dargestellt. Außer dem Triggersignal, welches als Zeitreferenz für alle Aufnahmen dient, können über zwei Koaxialrelais 28, 29 der nicht dargestellten Aufnahmeapparatur wahlweise das Signal von der Rundempfangsantenne 21 oder eines der zwei orthogonalen Rahmensignale zugeführt werden. Die Anordnung mit den Symmetriertransformatoren 14a, 146 entspricht der Fig. 1.

Im praktischen Einsatz ergibt sich durch den Abstand /wischen Rundempfangsantenne 21 und Rahmenantenne 20 die in F i g. 3 dargestellte Aufnahmesituation. Die eigentliche Sendeantenne 30 liegt von der aus Rahmenantenne 20 und Rundcinpfangsantenne 21 gebildeten Antennenanordnung axial getrennt und ist unterhalb der Aufnahmeanordnung im selben Sondenkörper enthalten. Die in der F i g. 3 gezeigte geometrische Konfuguration, bei der die von der Sendeantenne 30 ausgehenden Wellenzüge an den Reflektoren R\ und R: gespiegelt werden, führt dazu, daß die Reflexionen, die von R[ bzw. R2 bei 20 und 21 aufgenommen werden, entsprechende Lauf/.eitdifferenzen aufweisen. Diese Laufztiklifferenzen, die in Fi g. 3 gegenüber einem mittleren Strahl mit Ji angegeben sind, müssen für jede einzelne Reflexion ermittelt und korrigiert werden.

Fig.4 zeigt eine weiter verbesserte Antennenanord-

nung 40 mit zugehörigen, im Sondenkörper untergebrachten Schaltungsteilcn. Bei dieser verbesserten Antennenanordnung ist eine nachträgliche Ermittlung der Laufzeitdifferenz und Ableitung einer entsprechenden Korrektur nicht erforderlich, da die Teile der Antennenanordnung 40 derart zusammengefaßt sind, dall sie einen gemeinsamen elektrischen Mittelpunkt haben. Die Antennenanordnung 40 besteht aus zwei gestockten Kreuzrahmenantennen 401, 402, die über eine Auskoppelschaltung 50 so geschaltet sind, daß die beiden Antennen 401,402 auch als Hälften einer Dipol-Rundempfangsantenne genutzt werden können.

Die Auskoppelschaltung 50 enthält Symmetriertransformatoren 41, 42 für die unteren Kreuzrahmenantennen 401 und 43, 44 für die oberen Kreuzrahmenantennen 402. Die Ausgänge der in gleichen Ebenen liegenden Teilrahmenantennen, d. h. die Ausgänge der Transformatoren 41 und 44 einerseits und 42 und 43 andererseits, werden über je einen Summierübertrager 46 bzw. 47 addiert und derart zu den zwei üblichen orthogonalen Rahmenausgängen zusammengeführt. Die Mitten der Primärwicklung der Transformatoren 41,42 der unteren Kreuzrahmenantennen 401 und 43,44 der oberen Kreuzrahmenantennen 402 sind an die Primärwicklung eines weiteren Symmetriertransformators45 im Gegentakt angeschlossen. Damit steht am Ausgang des Transformators 45 die elektrische Differenz-EMK zwischen den beiden Kreuzrahmenantennen, welche damit wie eine Dipolantenne wirken. Die Anpassungsnetzwerke werden im elektrischen Zentrum zwischen den beiden Kreuzrahmenantennen angeordnet, wie schematisch in F i g. 4 dargestellt ist. Die Ausgangsleitungen werden vorteilhaft durch ein Rohr 48 in der Achse der der eigentlichen Aufnahmeapparatur zunä£hstliegenden Kreuzrahmenantennen 402 einseitig herausgeführt, ähnlich der Anordnung nach Fig.2. Dies ermöglicht eine einwandfreie Unterbringung der Antennenanordnung in Sondenkörpern, die für enge Bohrlöcher geeignet sind.

Bei großkalibrigen Bohrlochsonden besteht die Möglichkeit, daß die Induktivität der sich durch die notwendige Dipollängc ergebenden Rahmenfläche Werte annimmt, die für eine resonanzfreie Breitbandabstimmung zu groß sind. Die eigentlichen Rahmenantennen 401, 402 können dann kürzer aufgeführt und mit zentrischen Verlängerungen 49 versehen werden, die an den neutralen Rahmenverbindungspunkten 403 bzw. 404 ansetzen und gestatten, trotz der Verkürzung der eigentlichen Rahmenantennen mit elektrischen Dipolen optimaler Länge zu arbeiten.

Für die Weiterführung der Antennensignale ist die in F i g. 2 dargestellte Relaisanordnung mit 90° Hybridkoppler vorgesehen.

Bei der Antennenanordnung nach Fig.4 fallen aufgrund der baulichen Anordnung die Mittelpunkte von Rahmen- und Rundempfangsantenne exakt zusammen, so daß Laufzeitkorrekiuren nicht erforderlich sind.

Die vorstehend beschriebenen Kreuzrahmenantennen sind jeweils fest in dem Sondenkörper angeordnet. Zur Richtungsermilllung ist eine Drehung der Rahmenantennen nicht erforderlich. Lediglich die geografische Ausrichtung der Sonde muß für jeden Meßpunkt festgestellt werden, um eine Einordnung der Einfallsrichtung der reflektierenden Schichten in geografischen Koordinaten zu ermöglichen. Hierfür ist z. B. im Sondenkörper ein Magnetkompaßsystem eingebaut, dessen Anzeige an jedem Meßpunkt aufgenommen und in die über Tage befindliche Aufnahmecinrichtung elektrisch übertragen wird. Derartige Magnetkompaßsysteme sind an sich bekannt.

Außer der Kompaßinformation werden an jedem Mcßpunkl mit den Ausführungsformen der F i g. 2 und 4 Ί aufgenommen

a) Die E^npfangsweric der Rundempfangsanicnnc,

b) die Kmpfangswcrtc einer Rahmenantenne und

c) die F.mpfangswerle der dazu orthogonalen Rah menantenne.

Aus diesen Daten kann die Richtungsinformation für einen beliebigen, theoretisch anzunehmenden Drchwinkel einer Rahmenantenne durch vcktorielle Addiiior

!5 der Empfangsspannungen gewonnen werden. Mit cinci an die Aufnahmcapparalur an/.uschlicßcndcn, zur Aus wertung benutzten Rechenanlagc kann demnach eine Drehung der Rahmenantenne in beliebigen Winkelschritten simuliert werden, so, wie sie bei einer mechanisch drehbaren Rahmenantenne während der Aufnahme hätte durchgeführt werden können.

Das aus der Funktechnik her bekannte Verfahren durch phasenrichtige Einkopplung des Empfangssignah einer Rundempfangsantenne in die Signale der koaxial dazu liegenden Rahmenantenne einer Kardioidc mil eindeutiger NuIIsIeIIc zu erhalten, ist bei den breitbandigen, impulslörmigen Signalen der Radarechos nicht grundsätzlich anwendbar. Eine wichtige Voraussetzung für die Signalübcrlagerung ist eine weitestgehend glciehe Signatur der Impulsform für beide Antenncnsignale. Diese ist bei den in der Funktechnik üblichen, schmalbandigen Sinussignalcn grundsätzlich vorhanden. Bei der komplexen Form der Radarsignale können in der Praxis die Charaktcristika der zwei Antennenarten nicht so in Einklang gebracht werden, daß eine volkommenc Auslöschung in einer definierten Nullstcllc einwandfrei erkennbar wird. Dagegen ist die relative Phasenlage der Signalzüge grundsätzlich gut zu erkennen.
Zur Auswertung empfiehlt sich deshalb, für jeden einzclncn Reflexionsimpuls/ug zunächst allein mit der Rahmenantenneninformation den Winkel einer der zwei Nullstellen zu ermitteln, die zu dem Richtdiagramm der Rahmenantenne gehören. Zur Kontrolle des Ergebnisses kann auch die zweite Nullstellc ermittelt werden. Bei eindeutigen Verhältnissen muß die zweite Nullstellc genau um 180" gegen die erste Nullstellc versetzt liegen. Dann wird /.. B. rechlsdrchcnd das Maximum des Rahmenantennensignals ermittelt und zusammen mit dem Rundempfangssignal dargestellt. Sind beide Signale überwiegend gleichphasig, so ist die Einfallsrichlung gleich dem Nullsignalwinkcl +90°, sind die Signale gegenphasig, so ist die Einfallsrichtung gleich dem Nullsignalwinkcl —90".

Dieses Verfahren erlaubt, die mit einer Anordnung nach Fig.2 oder Fig.4 aufgenommenen Radarsignalc schnell und wirkungsvoll auszuwerten und dadurch die Einfallsrichtung der Signale festzustellen.

F i g. 5 zeigt ein praktisches Beispiel des Auswerteverfahrens zur Einfallsrichiungsbestimmung. Es sind in

bo bestimmter Orientierung zur Nordrichlung in 15" Schritten die entsprechenden Vcktoricll addierten Rahmenantenncnsignale aufgezeichnet. An geeigneter Stelle (51.7. 5\b) ist das Dipolcnempfangssignal um 180" versetzt beidseitig eingeblendet.

Die Reflexion 1 hat bei 52;) und 526 ihre Minima. Als Einfallsrichtung kommen die beiden dazu senkrechten Richtungen infrage.
Ein Signalvergleich mil der Dipolauinahmc zeigt

bei 53.7 gleichphasiges Verhallen im Gegensatz zu 53b. Also ist die Kinfallsrichtung von der Seile, bei der die Gleichphasigkeil besteht, gegeben (54).

Die Reflexion 2 hat Minima bei 55a und 55f>; der Signalvergleich mit dem Dipol zeigt bei 56;) Gleichphasigkcit und bei 56i> Gegenphasigkeit. Also zeigt der Pfeil 57 die liinfullsrichtung.

Hierzu ^r> IiIaIl /cichiuingen

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Claims

Patentansprüche:

1. Bohrloch-Meßeinrichtung zur Aufnahme von Radarsignalen mit einer Antennenanordnung, die s Bestandteil eines Sondenkörpers ist und deren Richtdiagramm in Verbindung mit einer an die Antennenanordnung angeschlossenen Auswerteapparatur der Ermittlung der Einfallsrichtung der aufgenommenen Signale dient, gekennzeichnet durch eine rechteckige Rahmenantenne (2; 20; 401,402), deren Längsachse im wesentlichen mit der Längsantenne des Sondenkörpers (1) .zusammenfällt und deren zur Längsachse parallele Leiterabschnitte (II; 22) auf der Außenfläche des Sondenkörpers an- r> geordnet sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Längsachse parallelen Leiterabschnitte (11; 22) in flache Nuten eingelassen sind, die in der Außenfläche des Sondenkörpers (I) ausgcbildet sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sondenkörper (1) aus einem isolierenden Material besteht.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rahmenantenne (2; 20; 401, 402) eine Kreuzrahmenantenne ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Längsachse des Sondenkörpers jo parallelen Leiterabschnitte an dem vom Anschluß zur Aufnahmeapparatur abgekehrten Ende durch einen für beide Rahmen der Kreuzrahmenantenne gemeinsamen Außenring (13) verbunden sind.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, r, dadurch gekennzeichnet, daß die Querverbindungen zwischen den zur Längsachse parallelen Lcitcrabschnitten durch druckdichte Durchführungen (12) in den Innenraum des Sondenkörpcrs(l) geführt sind.

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden 4» Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlennenanordnung eine Antenne (21) mit Rundempfangscharakterislik umfaßt, die koaxial zur Achse der Kreuzrahmenantenne angeordnet ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn- 4^r, zeichnet, daß die Speiseleitung der Antenne mit Rundempfangscharakteristik durch ein Rohr (23) in der Achse der Kreuzrahmenantenne (20) geführt ist und daß die Querverbindungen (24) der zur Längsachse parallelen Leilerabschnitte (22) ringförmig w (25) um das Rohr herumgeführt sind.

9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rahmenantenne ein gestockter Doppclrahmen (401, 402) ist und mittels eines Auskoppclnetzwerks (50) v, gleichzeitig die Antenne mit Rundempfangscharaktcristik bildet.

10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum der Rahmenantenne (2; 20; 401, 402) einen m> zylindrischen Körper aus magnetischem Material hoher Permeabilität enthält.