DE69019159T2

DE69019159T2 - Anordnung zur unterirdischen radar-tomographie.

Info

Publication number: DE69019159T2
Application number: DE69019159T
Authority: DE
Inventors: Isamu Komine; Akio Nagamune; Koichi Tezuka
Original assignee: Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1990-07-24
Filing date: 1990-11-09
Publication date: 1995-11-16
Anticipated expiration: 2010-11-10
Also published as: EP0493598A1; EP0493598B1; EP0493598A4; DE69019159D1; CA2065251A1; WO1992001957A1; US5323114A

Description

TECHNISCHER BEREICH

Die Erfindung betrifft eine Untergrund-Radartomographie und eine Vorrichtung dafür, wobei eine elektromagnetische Welle in den Boden abgestrahlt wird, die Amplitude und die Laufzeit einer abgestrahlten Welle, einer Echowelle oder einer Beugungswelle der elektromagnetischen Welle an einer Anzahl von Punkten gemessen werden und eine Signalverarbeitung anhand des Meßergebnisses durchgeführt wird, um dadurch die Verteilung von Schichten und Erdreich im Boden als Schnittinformation zu erhalten, und insbesondere betrifft sie die Erfassung eines sehr schwachen, bei der Fortpflanzung durch den Untergrund abgeschwächten Signals.

STAND DER TECHNIK

Für die Untersuchung einer Felsbank ist es erforderlich, ausführliche Informationen über das Vorhandensein, die Verteilung, Form oder dergleichen von Verwerfungen, verbrochenen Strecken, Rissen usw. auszuwerten. Von der Tomographietechnik, bei der es möglich ist, einen Schichtenaufbau im Schnitt zu analysieren und graphisch darzustellen, wird erwartet, daß eine Untergrundtomographie unter Verwendung einer elektromagnetischen Welle wirkungsvoll in der Auflösung, zerstörungsfrei usw. ist.
Herkömmliche Untergrund-Tomographietechniken unter Verwendung einer elektromagnetischen Welle werden kurz eingeteilt in ein Dauerstrich-Amplitudenmeßverfahren und in eine Untergrund-Radartomographie. Sie verfolgen beide das gleiche Ziel, eine Sofortverarbeitung nach Eingabe von Daten durchzuführen und einen Schichtenaufbau als Schnittbild darzustellen, unterscheiden sich jedoch in der Art der Erfassung der Grunddaten in folgenden Punkten.

(1) Dauerstrich-Amplitudenmeßverfahren

Dieses Verfahren ist ein Verfahren, bei welchem eine Dauerstrichartige elektromagnetische Welle in den Boden abgestrahlt wird, und die Abschwächung der abgestrahlten Welle der elektromagnetischen Welle wird gemessen, um dadurch die Verteilung eines Dämpfungsfaktors einer Felsbank zur Beurteilung des Zustands der Felsbank zu erhalten. Dieses Verfahren ist z.B. in der Literatur durch D. L. Larger und R. J. Lytle, "Determining a subsurface electromagnetic Profile from high-frequency measurements by applying reconstruction- technique algorithm", Radio Science, Band 12, Nr. 2, S. 249, März-April 1977.
Dieses Verfahren beruht auf dem gleichen Prinzip einer medizinischen Röntgentomographie. Im Fall der Untergrunduntersuchung besteht jedoch der Mangel, daß es unmöglich ist, eine ausreichende Genauigkeit zu erzielen, da die Meßpunkte begrenzt sind und nur Amplitudenangaben verwendet werden. Außerdem ist die Abschwächung einer elektromagnetischen Welle im Boden so groß, daß es unmöglich ist, eine genügende Feldstärke des Empfangssignals zu erhalten, und daß der zu untersuchende Bereich äußerst begrenzt ist.
Ein Beispiel dafür ist in der europäischen Patentanmeldung Nr. 0 250 986 zu finden, die eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung geologischer Anomalieen in geologischen Formationen unter Verwendung von radioelektrischer Bilderzeugung mit Nieder- und Mittelfrequenz-Dauerstrich in Verbindung mit rechnergestütztem Bildwiederaufbau offenbart. Die Vorrichtung ist besonders geeignet für die Bilderfassung von Kohlenflözen und umfaßt einen mit einer gerichteten Schleifenantenne ausgerüsteten Sender mit FM-Tauglichkeit und einen ähnlich ausgestatteten Empfänger, der für die genaue Messung und Aufzeichnung von Amplitude und Phasenverschiebung des empfangenen Signals im Verhältnis zum abgestrahlten Signal geeignet ist. Datenverarbeitungseinrichtungen werden zum Erzeugen einer bildlichen Darstellung des Kohlenflözes aus den Rohdaten verwendet.

(2) Untergrund-Radartomographie

Die sogenannte Untergrund-Radartomographie ist ein Verfahren, bei welchem eine impulsartige elektromagnetische Welle in den Boden abgestrahlt wird und die Stärke sowie die Laufzeit der Echowelle, der abgestrahlten Welle oder der Beugungswelle der elektromagnetischen Welle gemessen werden. Ein derartiges Verfahren ist z.B. in der Literatur offenbart durch Masaki Nagata und Toshihiko Sakayama, "Utilization of Electromagnetic Wave Prospect in Rock-Bed Investigation", erweiterte Zusammenfassung des '86 Study Meeting, Japan Society of Engineering Geology, S. 95, 1986, und durch Hideo Otomo, "Present Situation of Geotomographic Technique", Physical Prospect, Band 39, Nr. 6, Dez. 1986.
Neuerdings wird dieses Verfahren in Betracht gezogen, da es Informationen über Kenndaten für Dämpfung und Laufzeit im Boden verwendet, so daß es den detaillierten Aufbau der Schichten abschätzen kann. Das Verfahren verwendet jedoch eine impulsartige elektromagnetische Welle, und das Signal neigt daher dazu, im Boden abgeschwächt zu werden, so daß die Empfangssignalstärke so schwach wird, daß der Bereich, der auf einmal untersucht werden kann, begrenzt ist. Außerdem ist es nach dem gegenwärtigen Stand wegen der Begrenzung in den Vorrichtungen und der Abschwächung in der elektromagnetischen Umgebung schwierig, die Abstrahlleistung zu erhöhen. Insbesondere an der Stelle einer dicken Bodenschicht wie z.B. der Lehmschicht von Kanto (Kanto Loam Layer) in Japan, enthält der Boden viel Wasser, wodurch er eine starke Abschwächung der elektromagneischen Welle verursacht, so daß die praktische Begrenzung im zu untersuchenden Bereich bei einem Verfahren wie der herkömmlichen Radartomographie, welche den Einfluß einer Abschwächung im Boden erfassen kann, groß wird.

(3) Andere Methoden

In der europäischen Patentanmeldung Nr. 0 362 992 wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen des Abstands von einem Ziel offenbart, wobei erste und zweite Pseudozufallssignale mit gleicher Form aber leicht verschiedener Periodendauer verwendet werden. Ein Korrelationsausgang des ersten vom Ziel reflektierten und empfangenen Pseudozufallssignals und des zweiten Pseudozufallssignals wird erfaßt, und der Abstand vom Ziel wird aus dem zeitlichen Abstand zwischen dem Bezugs-Korrelationsausgang und dem Empfangs-Korrelationsausgang ermittelt. Bis jetzt wurde dieses Verfahren nicht auf die Untergrund-Radartomographie angewandt.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Untergrund-Radartomographie sowie eine Vorrichtung hierfür zu schaffen, mit welcher Information über die Kenndaten für Dämpfung und Laufzeit im Boden erhalten sowie eine gedämpfte und abgeschwächte elektromagnetische Welle mit hoher Empfindlichkeit erfaßt werden kann, wodurch es ermöglicht wird, einen großen Bereich auf einmal und eingehend zu untersuchen.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung für die Untergrund-Radartomographie zu schaffen, bei welcher der Einfluß von Störungen aus der Umgebung ausgeschaltet werden kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung für die Untergrund-Radartomographie zu schaffen, bei welcher der Rauschabstand (S/N ratio) in erwünschter Weise verbessert werden kann.
Gemäß der Erfindung wird ein Untergrund-Radartomographiegerät geschaffen, bei welchem eine elektromagnetische Welle in den Boden abgestrahlt wird, die Amplitude und Laufzeit einer abgestrahlten Welle, einer Echowelle oder einer Beugungswelle der elektromagnetischen Welle an einer Anzahl von Punkten gemessen werden und eine Signalverarbeitung anhand des Meßergebnisses durchgeführt wird, um dadurch die Verteilung von Schichten und Erdreich im Boden als Schnittinformation zu erhalten. Das Untergrund-Radartomographiegerät umfaßt eine Kombination folgender Merkmale:
einen ersten Taktgeber;
einen ersten Pseudozufallsgenerator, welcher vom ersten Taktgeber zur Erzeugung eines ersten Pseudozufallssignals gesteuert wird;
einen zweiten Taktgeber mit einer Frequenz, die sich geringfügig von einer Frequenz des ersten Taktgebers unterscheidet;
einen zweiten Pseudozufallsgenerator, welcher vom zweiten Taktgeber zur Erzeugung eines zweiten Pseudozufallssignals gesteuert wird, wobei der zweite Pseudozufallsgenerator die gleiche Schaltungsanordnung aufweist wie diejenige des ersten Pseudozufallsgenerators;
eine erste Multiplizierschaltung, um die ersten und zweiten Pseudozufallssignale miteinander zu multiplizieren;
eine Sendereinrichtung zum Abstrahlen des ersten Pseudozufallssignals;
eine Empfängereinrichtung zum Empfangen einer abgestrahlten Welle, einer Echowelle oder einer Beugungswelle des von der Sendereirichtung in den Boden abgestrahlten Signals;
eine zweite Multiplizierschaltung zum Multiplizieren des ersten Pseudozufallssignals mit dem von der Empfängereinrichtung empfangenen Signal;
ein Zeitunterschied-Meßgerät zum Messen eines Zeitunterschieds zwischen einem Ausgangssignal der ersten Multiplizierschaltung und einem Ausgang der zweiten Multiplizierschaltung;
ein Signalstärke-Meßgerät zum Messen der Signalstärke des Ausgangssignals der zweiten Multiplizierschaltung und einen Operator zur Verarbeitung der durch das Zeitunterschied-Meßgerät bzw. das Signalstärke-Meßgerät erhaltenen Information bezüglich des Zeitunterschieds und der Signalstärke, um dadurch die Schnittinformation für die Schichten und das Erdreich im Boden zu erhalten.
Das Untergrund-Radartomographiegerät gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß es zusätzlich umfaßt:
ein erstes Tiefpaßfilter für den Empfang des Ausgangssignals der ersten Multiplizierschaltung und zur Durchführung einer Bandbegrenzung am empfangenen Signal, um dadurch einen Ausgang für das Zeitmeßgerät zu liefern;
einen ersten elektro-optischen Umsetzer zum Umsetzen des ersten Pseudozufallssignals in ein Lichtsignal;
einen ersten Lichtleiter zum Übertragen des vom ersten elektro-optischen Umsetzer umgesetzten Lichtsignals;
eine Übertragungssonde zum Umsetzen des durch den ersten Lichtleiter übertragenen Lichtsignals in eine elektromagnetische Welle und zum Abstrahlen dieser elektromagnetischen Welle in den Boden;
einen zweiten elektro-optischen Umsetzer zum Umsetzen des zweiten Pseudozufallssignals in ein Lichtsignal;
einen zweiten Lichtleiter zum Übertragen des vom zweiten elektro-optischen Umsetzer umgesetzten Lichtsignals;
eine Empfangssonde mit einem zweiten Verstärker zum Empfangen der elektromagnetischen Welle aus dem Boden und zum Multiplizieren des Empfangssignals mit dem Signal des zweiten Lichtleiters, und ein zweites Tiefpaßfilter zur Durchführung einer Bandbegrenzung am Ergebnis der Multiplikation der zweiten Multiplizierschaltung, wobei ein Ausgang des zweiten Tiefpaßfilters als Lichtsignal ausgegeben wird;
einen dritten Lichtleiter zum Übertragen des von der Empfangssonde abgegebenen Lichtsignals, und
einen dritten opto-elektrischen Umsetzer zum Umsetzen des durch den dritten Lichtleiter übertragenen Lichtsignals in ein elektrisches Signal und zur Weitergabe des Ausgangssignals der zweiten Multiplizierschaltung an das Zeitunterschied-Meßgerät und das Amplitudenmeßgerät.
Aus dem vorstehenden ist ersichtlich, daß es ein Merkmal der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist, daß sie zwei Pseudozufallssignale erzeugt, die sich in der Periodendauer geringfügig voneinander unterscheiden, die aber im Codemuster einander gleich sind. Dieser Punkt wird nachfolgend ausführlicher besprochen.
Da die beiden Pseudozufallssignale im Codemuster einander gleich sind, können sie zu einem gewissen Zeitpunkt in Phase sein, doch kommen sie im weiteren Zeitverlauf außer Phase, und wenn deren Phasen um einen oder mehrere Codes gegeneinander verschoben sind, besteht zwischen den beiden Pseudozufallssignalen keine Korrelation.
Wenn die beiden Pseudozufallssignale miteinander multipliziert werden während sie in Phase sind, wird dauernd ein positives Signal erzeugt, und wenn dieses positive Signal durch ein Tiefpaßfilter geleitet wird, ergibt sich ein großer integrierter Wert. Wenn andrerseits die beiden Pseudozufallssignale außer Phase sind, nimmt das Multplikationsergebnis willkürlich einen positiven oder negativen Wert an, und wenn das entstandene Signal durch ein Tiefpaßfilter geleitet wird, kommt das Signal auf den Mittelwert Null. Im weiteren Zeitverlauf kommen die beiden Pseudozufallssignale wieder in Phase, so daß im Ausgang des Tiefpaßfilters ein impulsartiges Signal erzeugt wird. Diese Abläufe wiederholen sich. In dieser Zeit werden selbst dann, wenn Rauschspannungen den ursprünglichen Signalen überlagert sind, die Rauschspannungen durch das Tiefpaßfilter beherrscht, so daß eine Signalverarbeitung mit hervorragendem Rauschabstand durchgeführt wird.
Z.B. im Vergleich zum Spitzenwert eines Signals, welches dadurch entsteht, daß ein durch direkte Multiplikation eines ersten M-Folgesignals mit einem zweiten M-Folgesignal erhaltenes Produkt durch ein Tiefpaßfilter geschickt wird, ergibt sich der Spitzenwert eines Signals, das dadurch entsteht, daß ein durch Multiplikation des zweiten M-Folgesignals mit dem ersten M-Folgesignal, welches durch eine Sendeantenne, den Untergrund und eine Empfangsantenne gelaufen ist, erhaltenes Produkt durch ein Tiefpaßfilter geschickt wird, mit einer Verzögerung um einen Zeitunterschied, welcher der Laufzeit im Boden entspricht. Da außerdem die Signalamplitude dementsprechend durch die Dämpfung aufgrund der Fortpflanzung im Boden reduziert wird, ist es durch Messen des Zeitunterschieds und der Signalamplitude möglich, die Information zu erhalten, welche erforderlich ist, um ein Schnittbild als Radartomographie zu erzielen. Zu dieser Zeit kann selbst dann, wenn die Signalabschwächung aufgrund der Fortpflanzung im Boden groß ist, ein Signal mit hervorragendem Rauschabstand erzielt werden, so daß es möglich ist, einen weiten Bereich zu untersuchen.
Wie überdies im folgenden beschrieben wird, ist es mit Hilfe der Vorrichtung gemäß der Erfindung möglich, einen Ausgang als Signal zu erhalten, dessen Geschwindigkeit niedriger gemacht wird als die tatsächliche Laufzeit einer elektromagnetischen Welle im Boden, so daß es leicht wird, mit diesem Ausgangssignal zu arbeiten. Das bedeutet daß, wenn die Laufzeit τ ist, die Frequenz eines ersten Taktgebers sei f&sub1; und die Frequenz eines zweiten Taktgebers sei f&sub2;, der Zeitunterschied TD am Ausgangssignal in hohem Ausmaß gedehnt wird, wie durch folgende Formel dargestellt:
TD = τ f&sub1;/(f&sub1; - f&sub2;) ...(1)
Die Laufzeit τ wird in der Zeitachse um f&sub1;/(f&sub1; - f&sub2;) ausgedehnt, oder, gemessen als TD, in der Geschwindigkeit reduziert.
Durch Verarbeitung der Information für die auf diese Weise gemessenen Werte des Zeitunterschieds TD und der Signalstärke ist es möglich, eine Schnittinformation über die Schichten und das Erdreich im Boden zu erhalten.
Mit Hilfe der Vorrichtung gemäß der Erfindung wird daher eine elektromagnetische Welle in den Boden abgestrahlt, und die Amplitude und Laufzeit der abgestrahlten Welle, der Echowelle oder der Beugungswelle der elektromagnetischen Welle kann zur gleichen Zeit mit hoher Genauigkeit gemessen werden, so daß es möglich ist, eine eingehende Untergrundschnittinformation zu erhalten. Zudem ist es möglich, selbst wenn die Signalabschwächung aufgrund der Untergrundfortpflanzung groß ist, ein Signal mit hervorragendem Rauschabstand zu erhalten, so daß ein weiter Bereich gleichzeitig untersucht werden kann. Insbesondere ist es selbst an einem Ort, an welchem die Kanto-Lehmschischt dick ist, so daß sich viel Wasser im Boden befindet und die Dämpfung einer elektromagnetischen Welle groß ist, möglich, den Wirkungsgrad der Untergrunduntersuchung zu verbessern.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung weist das Merkmal auf, daß es ein Lichtübertragungssystem, welches sich für die obenerwähnte Signalverarbeitung eignet, als Maßnahme gegen Rauschen aufgrund einer hoch eingestellten Empfindlichkeit verwendet. Dieser Punkt wird nachfolgend beschrieben.
In einer Radaranlage werden zwei M-Folgesignale erzeugt, die im Codemuster gleich sind, sich aber in der Periodendauer geringfügig unterscheiden, und eines der Signale wird in ein Lichtsignal umgewandelt und auf eine entferntliegende Übertragungssonde über ein Lichtleiterkabel übertragen, so daß es möglich ist, die Einstrahlung von elektromagnetischen Wellen oder dergleichen vom Kabel zwischen der Radaranlage und der Übertragungssonde auszuschalten. Bei diesem Lichtleiterkabel wird selbstverständlich keinerlei Metall als Kern, als Spannelement oder als Hüllmaterial verwendet. In der Übertragungssonde wird ein Lichtsignal in ein elektrisches Signal umgewandelt, und das elektrische Signal wird sodann auf eine Antenne geleitet, so daß eine elektromagnetische Welle in den Boden abgestrahlt wird.
Das andere M-Folgesignal der Radaranlage wird in ein Lichtsignal umgewandelt und auf eine entferntliegende Empfangssonde über ein Lichtleiterkabel übertragen, und in der Empfangssonde wird dasselbe in ein elektrisches Signal umgewandelt, und das elektrische Signal wird mit einem Signal multipliziert, das durch den Empfang der elektromagnetischen Welle aus dem Untergrund über eine Empfangsantenne erhalten wird. Das so entstandene Produkt wird einer Bandbegrenzung durch ein Tiefpaßfilter unterzogen, um dadurch ein Meßsignal zu erhalten, das auf diese Weise einer Korrelationsbetriebs- Verarbeitung unterzogen wird. Das Meßsignal wird in ein Lichtsignal umgewandelt, und das Lichtsignal wird auf die Radaranlage über ein Lichtleiterkabel übertragen. In der Radaranlage wird dieses Lichtsignal in ein elektrisches Signal umgewandelt, um dadurch das Meßsignal zu erhalten.
Wie beschrieben sind die Radaranlage und die entferntliegende Empfangssonde durch ein nichtmetallisches Lichtleiterkabel gekoppelt, um keine Beeinflussung von elektromagnetisch induzierten Rauschspannungen zu erhalten.
Es ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung, daß ein einen Lichtleiter verwendendes Lichtübertragungssystem benützt wird und keine Rauschspannungen zwischen der Radaranlage und der Übertragungs- und Empfangssonde zugemischt werden, so daß es möglich wird, eine Schnittinformation über den Untergrund mit hoher Empfindlichkeit zu erhalten.
Außerdem weist gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung das Untergrund Radartomographiegerät die Eigenschaft auf, daß zwei Taktfrequenzen und die Grenzfrequenz eines Tiefpaßfilters veränderlich gemacht werden. Dieser Punkt wird nachfolgend beschrieben.
Um ein Verfahren zur Verbesserung des Rauschabstands durchzuführen, denkt man leicht daran, als Empfänger einen Verstärker mit hervorragendem Rauschfaktor zu verwenden. Aber selbst wenn ein ideal rauscharmer Verstärker verwendet wird, ist jedoch ein thermisches Rauschen unvermeidlich. Thermisches Rauschen ist ein Rauschen, welches in Abhängigkeit von thermischen Schwingungen der eine Substanz bildenden Moleküle entsteht, und es entsteht immer nur wenn eine Temperatur vorhanden ist.
Die absolute Temperatur sei T, ein Frequenzband sei B und die Boltzmannkonstante k, und das Ausmaß dieses thermischen Rauschens Np ist durch folgende Formel gegeben:
Np = kTB (2)
Die beiden Taktfrequenzen seien f&sub1; und f&sub2; (f&sub1;> f&sub2;), und wenn ein mit f&sub1; gesteuertes M-Folgesignal übertragen wird, wird das Frequenzband Bt des übertragenen Signals ausgedrückt durch:
Bt 5 f&sub1; ...(3)
Andrerseits wird das Frequenzband Br eines Meßsignals, welches durch ein Verfahren entsteht, bei dem eine empfangene Wellenform mit einem unter der Taktfrequenz f&sub2; gesteuerten M-Folgesignal multipliziert und das so entstandene Produkt durch ein Tiefpaßfilter geleitet wird, in Abhängigkeit von der Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters bestimmt. Zu diesem Zeitpunkt ist es erforderlich, die Grenzfrequenz fcut so festzulegen, daß keine vom Meßsignal geführte Information ausgelassen wird. Bei der erfaßten Wellenform wird das Frequenzband 5 f&sub1; der Korrelationsfunktion des M-Folgesignals in der Geschwindigkeit um f&sub1;/(f&sub1;-f&sub2;) erniedrigt, so daß das Frequenzband Br ausgedrückt wird durch:
Br = 5 (f&sub1; - f&sub2;) ...(4)
Es ist daher sinnvoll, daß die Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters wie folgt festgelegt wird:
(f&sub1; - f&sub2;) < fcut < 20(&sub1; - f&sub2;) ...(5)
Zur Vereinfachung des Schaltungsaufbaus kommen zwei Verfahren in Betracht. Eines der Verfahren ist derart eingerichtet, daß die Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters festgelegt ist und die Rauschspannungen durch digitale Signalverarbeitung mit einer Signalverarbeitungseinrichtung in dem auf die Aufnahme des Meßsignals folgenden Stadium reduziert werden. Das andere Verfahren ist derart eingerichtet, daß die Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters stets auf folgenden Wert gebracht wird:
fcut = 5 (f&sub1; - f&sub2;) ...(6)
Bei beiden Verfahren wird der Rauschunterdrückungseffekt Nsup in diesem Fall unter Berücksichtigung der Formeln (2) und (3) wie folgt ausgedrückt:
Nsup = f&sub1;/(f&sub1; - f&sub2;) ...(7)
Das bedeutet daß es, wenn Δf=f&sub1;-f&sub2; klein gemacht wird, möglich ist, einen großen Rauschunterdrückungseffekt zu erzielen. Wenn jedoch Δf klein gemacht wird, wird die Verschiebegeschwindigkeit der beiden M-Folgesignale verzögert, so daß die Meßdauer verlängert wird. Es ist daher dienlich, die Frequenz veränderlich zu machen, um Δf klein werden zu lassen, entsprechend der Notwendigkeit, dadurch den Rauschabstand zu verbessern.
Außerdem weist gemäß einem amderen Merkmal der Erfindung das Untergrund-Radartomographiegerät die Eigenschaft auf, daß die Codelänge eines Pseudozufallssignals veränderlich gemacht wird, so daß der Rauschabstand durch Verändern des Rauschunterdrückungsfaktors eines Empfangssignals verändert wird. Dieser Punkt wird nachfolgend beschrieben. wenn die obenerwähnte Taktfrequenz geändert wird, ändert sich auch der Bereich der meßbaren Entfernungen. Das bedeutet, wenn die Laufzeit v und die Periode eines Pseudozufallssignals Nran ist, daß die Fortpflanzungsstrecke durch folgende Formel ausgedrückt wird:
L=Nran v/f&sub1; ...(8)
Im Fall daß die gewünschte Meßentfernung festgelegt ist, ist es, wenn die Frequenz geändert wird, erforderlich, die Periode des Pseudezufallssignals gemäß Formel (8) zu ändern.
Gemäß diesem Merkmal der Erfindung ist es daher, falls ein größerer Rauschabstand benötigt wird, möglich, den Rauschabstand zu verbessern, indem der Frequenzunterschied zwischen zwei Taktfrequenzen klein gemacht wird, obgleich die Ansprechgeschwindigkeit gering wird. Falls andrerseits ein Grenzwert für die Meßdauer vorliegt, so daß eine kürzere Meßzeit gefordert wird, ist dies wohl erreichbar, wenn der Frequenzunterschied zwischen den Taktfrequenzen groß gemacht wird, obwohl sich der Rauschabstand verschlechtert.
Außerdem wird es bezüglich eines Meßbereichs, der durch die Änderung der Taktfrequenz geändert wird, möglich, einen geeigneten Meßbereich durch Verwendung eines M-Folgesignalgenerators zu erzielen, welcher die Codelänge eines M-Folgesignals ändern kann.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild, welches den Aufbau des Untergrund-Radartomographiegeräts gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt;
Fig. 2 ist ein Schaltbild eines M-Folgesignalgenerators in Fig. 1;
Fig. 3 ist ein Diagramm einer Ausgangswellenform des M-Folgesignalgenerators;
Fig. 4 ist eine Zeitübersicht, welche den Betrieb des Geräts von Fig. 1 zeigt;
Fig. 5 ist ein Erläuterungsschaubild eines Wiederholverfahrens;
Fig. 6 ist ein Flußdiagramm, das den Ablauf des Wiederholverfahrens darstellt;
Fig. 7A und 7B sind Blockschaltbilder, welche den Aufbau des Untergrund-Radartomographiegeräts gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung darstellen;
Fig. 8 ist ein Diagramm einer Ausgangswellenform eines M-Folgesignalgenerators;
Fig. 9A und 98 sind Blockschaltbilder, welche den Aufbau des Untergrund-Radartomographiegeräts gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung darstellen;
Fig. 10 ist ein Schaltbild eines M-Folgesignalgenerators von Fig. 9A; und
Fig. 11 ist ein Schaltbild eines Tiefpaßfilters mit veränderbarer Grenzfrequenz.

BESTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild, das den Aufbau des Untergrund-Radartomographiegeräts gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt. In Fig. 1 bezeichnet die Bezugszahl 1 einen Taktgeber, und 2 bezeichnet einen M-Folgesignalgenerator als ersten Pseudozufallssignalgenerator. Die Bezugszahl 3 bezeichnet einen Taktgeber, und 4 bezeichnet einen M-Folgesignalgenerator als zweiten Pseudozufallssignalgenerator. Die Bezugszahl 5 bezeichnet eine Multiplizierschaltung, und 6 bezeichnet eine Sendeantenne. Die Bezugszahl 7 bezeichnet eine Empfangsantenne, und 8 bezeichnet eine Multiplizierschaltung. Die Bezugszahlen 9 und 10 bezeichnen Tiefpaßfilter (LPF), deren Grenzfrequenzen auf 400 khz eingestellt sind. Die Bezugszahl 11 bezeichnet ein Zeitmeßgerät, und 12 und 13 bezeichnen Spitzenwertmeßgeräte. Die Bezugszahl 14 bezeichnet einen Operator, der mit Hilfe eines Mikrocomputers durch einen Vorgang, welcher später beschrieben wird, ein Schnittbild des Untergrunds erhält und das erhaltene Schnittbild auf einem Bildschirm 15 darstellt.
Die Bezugszahl 16 bezeichnet ein Übertragungs-Bohrloch, und 17 bezeichnet ein Empfangs-Bohrloch. Das Übertragungs-Bohrloch 16 und das Empfangs-Bohrloch 17 beruhen auf einem Querbohrsystem, und gewöhnlich wird der Abstand zwischen diesen Bohrlöchern in einem Bereich von 10 m bis 50 m gewählt, und die Tiefe jedes Bohrlochs wird in einem Bereich von 10 m bis 100 m gewählt. Die Übertragungsantenne 6 und die Empfangsantenne 7 werden durch kleine wasserfeste Dipolantennen gebildet und sind in den Bohrlöchern 16 bzw. 17 an Drähten aufgehängt, um Messungen durchzuführen, während ihre Lage verändert wird. Die Bezugszahl 18 bezeichnet den Untergrund, 19 bezeichnet einen Übertragungsverstärker und 20 bezeichnet einen Empfangsverstärker.
Nachfolgend wird der Betrieb der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung beschrieben.
Der Taktgeber 1 erzeugt ein Taktsignal mit der Frequez f&sub1;, und der Taktgeber 3 erzeugt ein Taktsignal mit der Frequez f&sub2;. Eines der Merkmale der Erfindung ist es, daß diese Frequenzen f&sub1; und f&sub2; des ersten und zweiten Taktgebers auf nahe beieinanderliegende Werte eingestellt werden, so daß der Frequenzunterschied zwischen denselben gering ist. Unter der Vorraussetzung daß f&sub1; = 100,004 MHz und f&sub2; = 99,996 MHz wird nun der Fall eines Frequenzunterschieds von f&sub1; - f&sub2; = 8 kHz beschrieben. Von den Taktgebern 1 bzw. 3 erzeugte Taktsignale mit den Frequenzen f&sub1; bzw. f&sub2; werden den M-Folgesignalgeneratoren 2 bzw. 4 als Synchronisationssignale für die Erzeugung von M-Folgesignalen zugeführt.
Die M-Folgesignalgeneratoren 2 und 4 werden als eine mögliche Zufallsgeneratoreinrichtung verwendet. Wahlweise könnten Barker-Codegeneratoren anstelle der M-Folgesignalgeneratoren verwendet werden. Bei dieser Ausführungsform wird ein M-Folgecode von 7 Bits verwendet, und der Aufbau des Generators für diesen Fall wird im Schaltbild von Fig. 2 gezeigt.
Fig. 2 ist also ein Schaltbild, welches den Aufbau jedes der 7-Bit-M-Folgesignalgeneratoren 2 und 4 darstellt. In Fig. 2 bezeichnet die Bezugszahl 31 ein Schieberegister mit 7-stufigam Aufbau, und 32 bezeichnet eine Exklusiv-Oderschaltung. Von jedem dieser M-Folgesignalgeneratoren 2 und 4 wird ein Signal mit einer Codelängenperiode von 127 Bit erzeugt. Im wesentlichen besteht das Schieberegister 31 aus 7 mit einem Taktsignal synchronisierten Flip-Flop-Stufen, und die Ausgangssignale der sechsten und siebenten Stufe werden über die Exklusiv-Oderschaltung 32 dem Flip-Flop in der ersten Stufe zugeführt. Somit erhält man ein nicht gezeigtes Taktsignal für jedes der Flip-Flops in den entsprechenden Stufen sowie ein Ausgangssignal vom Flip-Flop in der siebenten Stufe, so daß es möglich ist, ein mit dem Taktsignal synchronisiertes M-Folgesignal zu erzeugen. Der somit erzeugte M-Folgecode ist ein periodischer Umlaufcode, der durch eine Kombination von "1" und "0" oder "+" und "-" gebildet ist.
Fig. 3 ist ein Diagramm einer Ausgangswellenform des M-Folgesignalgenerators. Bei dieser Ausführungsform bedeuten die Codes "1" bzw. "0" die Erzeugung von Signalen mit positiver Spannung (+E) bzw. mit negativer Spannung (-E). Falls dieses M-Folgesignal umlaufend erzeugt wird, ist eine Periode beendet, wenn 2&sup7; - 1 = 127 Signale erzeugt sind, da die Bitzahl bei dieser Ausführungsform 7 beträgt. Dann werden aus dem nächsten 128. Signal die gleichen Signale wie in der vorhergehenden Periode erzeugt, und eine derartige Periode wird umlaufend wiederholt.
Allgemein gesehen wird dieses M-Folgesignal, das bei teilweiser Betrachtung ein Zufallssignal ist, als ein Signal unter Verwendung einer Autokorrelationsfunktion benützt und in der Beschreibung einer herkömmlichen Vorrichtung einem Impulskompressionsradar zugeführt.
Die M-Folgesignalgeneratoren 2 und 4 sind aus den gleichen Schaltungen zur Erzeugung der gleichen 7-Bit-M-Folgesignale zusammengesetzt, wobei ihnen Taktsignale mit den Frequenzen f&sub1; und f&sub2; zugeführt werden, welche sich geringfügig voneinander unterscheiden. Ein Schieberegister mit einer Taktfrequenz von ca. 100 MHz kann leicht z.B. mit ECL-Teilen (emittergekoppelten Logikschaltungsteilen) erstellt werden. Die entsprechenden M-Folgesignalgeneratoren 2 und 4 geben im periodischen Umlauf M-Folgesignale M&sub1; und M&sub2; aus, von denen jedes durch die Spannungen +E und -E gebildet ist, je 127 pro Periode. Da sich jedoch die Frequenzen der eingegebenen Taktsignale geringfügig voneinander unterscheiden, unterscheiden sich auch die Perioden der beiden M-Folgesignale M&sub1; und M&sub2; geringfügig voneinander. Nunmehr kann man die entsprechenden Perioden der beiden M-Folgesignale M&sub1; und M&sub2; wie folgt erhalten:
(Die Periode M&sub1;) = 127 x 1/100,004 MHz = 1269,9492 ns
(Die Periode M&sub2;) = 127 x 1/99,996 MHz = 1270,0508 ns
Das bedeutet daß, obwohl jedes der beiden M-Folgesignale M&sub1; und M&sub2; eine Periode von ca. 1270 ns (10&supmin;&sup9; sec) aufweist, ein Zeitunterschied von ca. 0,1 ns zwischen den entsprechenden Perioden der beiden Signale besteht. Wenn daher diese beiden M-Folgesignale M&sub1; und M&sub2; im periodischen Umlauf erzeugt werden, und wenn die Muster der beiden M-Folgesignale zu einem bestimmten Zeitpunkt ta zur Übereinstimmung gebracht werden, entsteht ein Zeitabstand von 0,1 ns zwischen den beiden Signalen jedesmal wenn die einer Periode entsprechende Zeit abgelaufen ist, und ein Zeitabstand von 10 ns entsteht zwischen den beiden Signalen nach einer Zeitspanne , welche 100 Perioden entspricht. Dann erzeugt das M-Folgesignal 127-mal das Signal in seiner einen Periode von 1270 ns, so daß die Zeit zur Erzeugung eines einzigen Signals 10 ns beträgt.
Daher ist der zwischen den beiden M-Folgesignalen M&sub1; und M&sub2; entstehende Zeitabstand von 10 ns gleich der Zeitdauer, die einem einzigen M-Folgesignal entspricht. Die zeitlichen Beziehungen zwischen diesen verschiedenen Signalen werden in Fig. 4 gezeigt.
Fig. 4 ist ein Wellenformdiagramm zur Erläuterung des Betriebs der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung. In Fig. 4 zeigt das Diagramm (a), daß der ein-periodige Ausgang des M-Folgesignalgenerators 4, der als Bezugsgröße dient, 127-mal das Signal umfaßt, wobei die eine Periode 1270 ns beträgt. Das Diagramm (b) zeigt das Stadium, bei welchem der Ausgang M&sub2; vom M-Folgesignalgenerator 4 periodisch umlaufend von der -100. bis zur 300. Periode erzeugt wird. Das Diagramm (c) zeigt, daß der Ausgang M&sub1; vom Taktgeber 3 in einer Periode um 0,1 ns und in 100 Perioden um 10 ns kürzer ist als der Ausgang M&sub2;, und daß die beiden M-Folgesignale M&sub1; und M&sub2; zum Zeitpunkt ta miteinander synchronisiert sind, so daß ihre Signalmuster übereinstimmen. Wenn außerdem die Signalmuster der M-Folgesignale M&sub1; und M&sub2; zu einem gewissen Zeitpunkt miteinander übereinstimmen, wächst der Zeitabstand zwischen den Signalen danach zunehmend an, und nach Ablauf einer konstanten Zeit kommen die Muster der beiden Signale wieder in Übereinstimmung miteinander. Bei dieser Ausführungsform entsteht jedesmal, wenn ca. 126,777 Perioden des M-Folgesignals M&sub1; und 126,767 Perioden des M-Folgesignals M&sub2; abgelaufen sind, d.h. jedesmal, wenn eine Zeit von ca 16,1 ms verstrichen ist, im periodischen Umlauf eine Übereinstimmung der Muster dieser beiden M-Folgesignale M&sub1; und M&sub2;.
Jedes der von den M-Folgesignalgeneratoren 2 bzw. 4 erzeugten M-Folgesignale M&sub1; bzw. M&sub2; wird in zwei Zweige unterteilt, von denen einer in die Multiplizierschaltung 5 geleitet wird. Für die Multipizierschaltungen 5 und 8 werden z.B. Breitband-Gegentaktmischer (DBM) verwendet, um zwei M-Folgesignale zu multiplizieren. Ein M-Folgesignal ist, wie oben erwähnt, ein Signal mit positiver oder negativer Spannung, so daß das Produkt als Ergebnis der Multiplikation von gleichen Zeichen eine positive Spannung und dasjenige von verschiedenen Zeichen eine negative Spannung ergibt. Demzufolge erhält man ein Signal mit positiver oder negativer Spannung als Ausgang jeder der Multiplizierschaltungen 5 und 8.
Daher ist in der Nähe des Zeitpunkts ta, in welchem die Muster der beiden M-Folgesignale M&sub1; und M&sub2; miteinander zusammenfallen, das Ausgangssignal der Multipliezierschaltung 5 ein positives Gleichspannungssignal oder eine Impulsfolge mit positiver Spannung. Die Perioden dieser beiden M-Folgesignale M&sub1; und M&sub2; unterscheiden sich jedoch geringfügig voneinander, und der Zeitabstand von 0,1 ns entsteht zwischen den beiden Signalen jedesmal nach Ablauf der Dauer einer Periode. In 100 Perioden nach dem Zeitpunkt ta entsteht zwischen den M-Folgesignalen M&sub1; und M&sub2; ein zeitlicher Abstand von 10 ns, d.h. der Zeitabstand, welcher einem Signalteil entspricht. In diesem Stadium besteht keine Übereinstimmung zwischen denselben, so daß im Ausgang der Multiplizierschaltung 5 willkürlich ein Signal mit positiver bzw. negativer Impulsfolge erzeugt wird. Die Ausgangswellenform der Multiplizierschaltung 5 wird im Diagramm (e) von Fig. 4 gezeigt.
Das Ausgangssignal der Multiplizierschaltung 5 wird auf das Tiefpaßfilter 9 geführt, so daß es in eine Gleichspannung umgewandelt wird. Jedes der Tiefpaßfilter 9 und 10 weist eine Grenzfrequenz fc auf und hat die Funktion, ein Eingangssignal in seinem Hochfrequenzanteil zu dämpfen, dessen Frequenz höher ist als die Grenzfrequenz fc, um dadurch das Eingangssignal zu glätten. Das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 9 nimmt den Höchstwert zum Zeitpunkt ta an, wenn die Muster der beiden M-Folgesignale M1y und M-&sub2; zusammenfallen, wogegen es den Tiefstwert zu dem Zeitpunkt annimmt, wenn das M-Folgesignal M&sub2; um 100 Perioden vom Zeitpunkt ta nach vorwärts oder rückwärts versetzt ist, das ist also zum Zeitpunkt t ± 127 us. Dieses Ausgangssignal ist ein Spannungssignal einer Dreieckswelle, welche unmittelbar von diesem Höchstwert als Scheitelpunkt bis zu den vorderen und hinteren Tiefstwerten abnimmt. Die Ausgangswellenform dieses Tiefpaßfilters 9 wird im Diagramm (f) von Fig. 4 gezeigt. Dieses Dreieckswellen-Spannungssignal wird vom Tiefpaßfilter 9 alle 16.1 ms ausgegeben, wenn das Synchronverhältnis zwischen den beiden M-Folgesignalen wie oben erwähnt eintritt.
Das Ausgangssignal vom Tiefpaßfilter 9 wird dem Spitzenwertmeßgerät 12 zugeführt. Die Spitzenwertmeßgeräte 12 und 13 haben die Funktion, den Höchstwert einer von den Tiefpaßfiltern 9 bzw. 10 gelieferten Dreieckswelle zu erfassen, d.h. die Spannung des Scheitelpunkts der Dreieckswelle zu messen und ein Impulssignal zum Zeitpunkt der Erfassung des Spannungsspitzenwerts auszugeben. Als Verfahren zum Erfassen des Zeitpunkts der Erzeugung des Spannungsspitzenwerts genügt es z.B., einen Analog/Digital-Umformer und einen Digitaldatenkomparator vorzusehen, so daß ein durch ein Schnellabtastsignal eingegebenes Analogsignal einer Dreieckswelle laufend in ein Digitalsignal umgesetzt wird, und immer wird die Größe der durch ein anstehendes Abtastsignal erhaltenen Digitaldaten mit der Größe der durch ein vorausgehendes Abtastsignal einer vorherigen Abtastung erhaltenen Digitaldaten verglichen, um dadurch die Zeit zu erfassen, wenn das Eingangssignal aus einer ansteigenden Phase in eine abnehmende Phase auf der Zeitachse übergeht. In ähnlicher Weise kann die gleiche Funktion dadurch ausgeübt werden, daß die auf die gleiche Art abgetasteten Analogsignale laufend verglichen werden. Falls die Möglichkeit des Auftretens kleiner Spitzen aufgrund von Störspannungen oder dergleichen besteht, kann ein Schwellenwert festgelegt werden, so daß ein Spitzenwert nur in Bezug auf ein Signal erfaßt wird, welches diesen Schwellenwert übersteigt.
Das Spitzenwertmeßgerät 12 liefert einen Impulsausgang als Signal für den Meßbeginn an das Zeitmeßgerät 11, wenn der Spitzenwert eines Eingangssignals erfaßt wird. Wenn das Signal für den Meßbeginn vom Spitzenwertmeßgerät 12 abgegeben wird, beginnt die Anzeigeeinrichtung 15, die Zeit zu messen. Dieses Stadium wird im Diagramm (i) von Fig. 4 gezeigt.
Das vom M-Folgesignalgenerator 2 ausgegebene M-Folgesignal M&sub1; wird, wie oben beschrieben, in zwei Zweige geteilt, und die andere Seite der beiden wird dem Übertragungsverstärker 19 zugeführt, damit sie einer Leistungsverstärkung unterzogen wird, um eine Ausgangsleistung von ca. 500 mW zu erhalten. Das M-Folgesignal vom Übertragungsverstärker 19 wird auf die Sendeantenne 6 geführt. Die Sendeantenne 6 strahlt eine elektromagnetische Welle des M-Folgesignals in ein Ausbreitungsmedium ab. Diese abgestrahlte elektromagnetische Welle wird durch den Untergrund 18 übertragen, welcher eine Leitfähigkeit oder Dielektrizitätskonstante aufweist, deren Betrag sich von demjenigen des Ausbreitungsmediums unterscheidet, und die abgestrahlte Welle, die Echowelle oder die Beugungswelle der elektromagnetischen Welle wird von der Empfangsantenne 7 erfaßt.
Beispielsweise wird ein von der Empfangsantenne 7 erfaßtes Signal zum Empfangsverstärker 20 geführt, in welchem Verstärkung und Wellenformung erfolgen. Ein Ausgangssignal M&sub1;' des Empfangsverstärkers 20 ist ein Signal, das gegenüber dem M-Folgesignal M&sub1; um eine Zeitspanne verzögert ist, welche der Laufzeit einer elektromagnetischen Welle entspricht, die in Entsprechung mit dem M-Folgesignal M&sub1; von der Übertragungsantenne 6 abgestrahlt und dann von der Empfangsantenne 7 empfangen wird. Genau genommen bestehen feste Signalverzögerungszeiten im Übertragungsverstärker 19, im Empfangsverstärker 20 usw., doch können diese festen Verzögerungszeiten bei der Messung mit einem Verfahren zur Unterdrückung der festen Verzögerungszeiten in dem Schritt der Meßwertverarbeitung ausgeschaltet werden, einem Verfahren zur Abgabe eines Ausgangssignals M&sub1; vom M-Folgesignalgenerator 2 an die Multiplizierschaltung 5 durch eine Verzögerungsschaltung mit gleichwertiger Verzögerungszeit, wenn das Signal der Multiplizierschaltung 5 zugeführt wird, oder einem ähnlichen Verfahren.
In der obenerwähnten Weise wird das M-Folgesignal M&sub1;' mit einer der Laufzeit einer elektromagnetischen Welle zwischen der Übertragungsantenne 6 und der Empfangsantenne 7 proportionalen Verzögerungszeit vom Empfangsverstärker 20 ausgegeben (Fig. 4(d)) und einem Eingang der Multiplizierschaltung 8 zugeführt.
Andrerseits wird das vom M-Folgesignalgenerator 4 ausgegebene M-Folgesignal M&sub2; in zwei Zweige geteilt, wie oben beschrieben, und die andere der beiden Seiten wird auf den anderen Eingang der Multiplizierschaltung 8 geführt. In der Multiplizierschaltung 8 werden die beiden M-Folgesignale M&sub1;' und M&sub2; in gleicher Weise miteinander multipliziert wie in der Multiplizierschaltung 5. Die Multiplizierschaltung 8 liefert das Produkt als Ergebnis der Multiplikation (das Diagramm von Fig. 4) der beiden M-Folgesignale M&sub1;' und M&sub2; an das Tiefpaßfilter 10. Das Tiefpaßfilter 10 gibt ein Spannungssignal einer Dreieckswelle mit einem Scheitelpunkt aus, welcher auftritt, wenn die entsprechenden Muster der beiden M-Folgesignale M&sub1;' und M&sub2; miteinander zusammenfallen (das Diagramm (h) von Fig. 4), wobei das Spannungssignal dem Spitzenwertmeßgerät 13 zugeführt wird.
Der obenerwähnte Vorgang ist der gleiche wie der Vorgang, der bezüglich der Multiplizierschaltung 5 und des Tiefpaßfilters 9 beschrieben wurde. Ein Unterscheidungspunkt liegt nur in dem Zeitpunkt, wenn die Muster der beiden M-Folgesignale M&sub1;' und M&sub2; miteinander zusammenfallen. Der Betrieb des Spitzenwertmeßgeräts 13 ist der gleiche wie derjenige des obenerwähnten Spitzenwertmeßgeräts 12, es liefert jedoch einen erzeugten Impulsausgang, diesmal als Meßbeendigungssignal, an das Zeitmeßgerät 11 (das Diagramm (j) von Fig. 4). Das Zeitmeßgerät 11 mißt die Zeit vom Zeitpunkt ta, bei welchem ihm ein Meßbeginnsignal zugeleitet wird, bis zum Zeitpunkt tb, bei dem ihm ein Meßbeendigungssignal zugeleitet wird. Als Zeitmeßverfahren kann z.B. ein Verfahren, bei dem ein Zeitgatter vorgesehen ist, welches vom Meßbeginn bis zum Meßende fortläuft, so daß die Taktsignale in diesem Zeitgatter gezählt werden, oder ein ähnliches Verfahren verwendet werden.
Ein wichtiger Unterscheidungspunkt der Erfindung gegenüber einem gewöhnlichen Radargerät liegt darin, daß die Meßdauer im wesentlichen äußerst ausgedehnt ist. Beispielsweise ist die Messung eines Abstands von 3 Metern in der Luft durch gewöhnlichen Radar gleichbedeutend mit der Messung einer Zeit von 20 ns (20x10&supmin;&sup9; sec). Gemäß der Erfindung bedeutet jedoch die Messung eines Abstands von 3 Metern das Messen einer Zeit von 254 us (254x10&supmin;&sup6; sec). Es genügt also, ein Signal zu messen, welches auf der Zeitachse um einen Faktor 12.700 gedehnt ist, d.h. auf eine äußerst niedrige Geschwindigkeit gebracht wurde. Daher weist im Vergleich zu einer herkömmlichen Vorrichtung das Radargerät gemäß der Erfindung ein starkes Merkmal insofern auf, als es möglich ist, die Meßgenauigkeit für kurze Abstände zu verbessern und die Möglichkeit besteht, die Vorrichtung mit kostengünstigen langsamen Bauteilen zu erstellen. Die Zeitmessung mit dem Zeitmeßgerät 11 erfolgt jedesmal wenn das Meßbeginnsignal alle 16,1 ms wie oben beschrieben eingegeben wird.
Die Laufzeit und die Amplitude einer abgestrahlten Welle, einer Echowelle oder einer Beugungswelle werden gleichzeitig vom Zeitmeßgerät 11, dem Spitzenwertmeßgerät 12 und dem Spitzenwertmeßgerät 13 gemessen und dem Operator 14 zugeführt, in welchem ein Schnittbild des Untergrunds erarbeitet wird, so daß das Schnittbild an der Anzeigeeinrichtung 15 dargestellt wird. Ein Signalverarbeitungsalgorithmus für die Erzielung eines Schnittbilds im Operator 14 selbst ist herkömmlicherweise bekannt, und es kann z.B. das algebraische Bildwiederaufbauverfahren, das iterative Simultan-Bildwiederaufbauverfahren oder die Diffraktionstomographie verwendet werden, hier wird jedoch ein sogenanntes Wiederholungsverfahren (repetition method) benützt.
Fig. 5 ist ein Schaubild zur Erläuterung des Wiederholungsverfahrens. Wie dargestellt, wird eine Verzögerungslaufzeit tk oder Amplitude ak längs einer Wellenlinie Rk von einem Abstrahlungspunkt zu einem Empfangspunkt gemessen, und diese werden durch nachstehende Formeln (9) bzw. (10) ausgedrückt.
tk = Rk [ds/V(x,y)] ...(9)
ak = Rk [ds/α(x,y)] ...(10)
In den obigen Formeln stellt V(x,y) die Geschwindigkeitsverteilung in einem Abschnitt dar, und α(x,y) bedeutet die Verteilung eines Dämpfungsparameters.
Fig. 6 ist ein Flußdiagramm, welches den Ablauf des Wiederholverfahrens im Operator 14 darstellt. Nachdem die Laufzeitdaten eingegeben sind, werden Ausgangsmuster V&sub0;(x,y) und α&sub0;(x,y) festgelegt, tk und ak werden aus einem Paar von den gleichen Übertragungs- und Empfangspunkten als Meßdaten gemäß den Formeln (9) und (10) erhalten, und die Muster werden korrigiert und den wirklichen Verhältnissen angenähert, um den Restwert aus den Meßwerten zu reduzieren.
Fig. 7A und 78 sind Blockschaltbilder, welche den Aufbau des Untergrund-Radartomographiegeräts gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung darstellen. In Fig. 7A und 7B bezeichnen die Bezugszahlen 41 und 42 jeweils Umsetzer zum Umsetzen eines elektrischen Signals in ein Lichtsignal. Die Bezugszahl 43 bezeichnet einen Umsetzer zum Umsetzen eines Lichtsignal in ein elektrisches Signal, und 44 bezeichnet eine Batterie für die Stromversorgung in einer Übertragungssonde. Die Bezugszahl 45 bezeichnet einen Umsetzer zum Umsetzen eines elektrischen Signals in ein Lichtsignal, 46 bezeichnet einen Umsetzer zum Umsetzen eines Lichtsignal in ein elektrisches Signal, 47 bezeichnet eine Batterie für die Stromversorgung in einer Empfangssonde, 48 bezeichnet einen Umsetzer zum Umsetzen eines Lichtsignal in ein elektrisches Signal, 13 bezeichnet ein Spitzenwertmeßgerät zum Messen der Amplitude eines Spitzenbereichs, 49 bezeichnet ein Zeitunterschiedmeßgerät zum Bestimmen einer Laufzeit aus dem Zeitunterschied zwischen einem Meßsignal und einem Bezugssignal, und 50 bezeichnet eine Betriebs-Anzeigeeinrichtung für die Anzeige eines Vorgangs zur Durchführung einer Tomographieoperation aus der Stärke oder der Laufzeit eines Meßsignals, sowie des Ergebnisses der Operation. Die Bezugszahlen 51 bis 53 bezeichnen jeweils Lichtleiterkabel. Die Bezugszahl 54 bezeichnet eine Übertragungssonde, und 55 bezeichnet eine Empfangssonde. Die Bezugszahl 31 bezeichnet den Untergrund. Die Bezugszahl 60 bezeichnet eine Radaranlage.
Nachfolgend wird der Aufbau der Vorrichtung von Fig. 7A und 7B beschrieben.
Die Frequenzen der Taktgeber 1 und 3 werden unter Berücksichtigung der Radiowellen-Durchlässigkeit im Untergrund und der Meßauflösung gewählt, unter Verwendung von Normalfrequenzgeneratoren, welche die Frequenz im Bereich von 1 MHz bis 1 GHz mit hoher Genauigkeit variieren können. Nachstehend erfolgt die Beschreibung bezüglich des Falls, bei dem die Taktfrequenz auf 100 MHZ eingestellt ist.
Die Frequenzen der Taktgeber 1 bzw. 3 werden auf 100,004 MHz bzw. 99,996 MHz eingestellt, und die Taktgeber 1 und 3 steuern die M-Folgesignalgeneratoren 2 bzw. 4 mit diesen jeweiligen Frequenzen an. Die M-Folgesignalgeneratoren 2 und 4 werden als eine Art einer Einrichtung zur Erzeugung von Pseudozufallssignalen verwendet. Wahlweise können Signale nach dem Barker-Codesystem, dem Gold-Codesysten oder dem JPL-Codesystem anstelle der M-Folgesignale verwendet werden. Bei dieser Ausführungsform wird jedoch ein aus einem 7-Bit- Schieberegister bestehender M-Folgesignalgenerator verwendet, wie in Fig. 2 gezeigt.
Fig. 8 zeigt einen Abschnitt einer Ausgangswellenform eines M-Folgesignalgenerators. Es ist dies ein Beispiel einer PSK- Wellenform (Phasenumtastung), bei welcher der boolesche Wert "1" einer Wellenform zugeordnet wird, die von einer Spannung +E auf eine Spannung -E übergeht, und der boolesche Wert "0" wird einer Wellenform zugeordnet, die von einer Spannung -E auf eine Spannung +E übergeht. Da sie für den Wirkungsgrad der Abstrahlung elektromagnetischer Wellen derjenigen von Fig. 3 überlegen ist, wird die PSK-Wellenform bei dieser Ausführungsform verwendet.
Als Umsetzer von elektrischen Signalen in Lichtsignale 41 und 42, als Lichtleiterkabel 51 und 52 sowie als Umsetzer von Lichtsignalen in elektrische Signale 43 und 46 werden optische Kommunikationseinrichtungen für die schnelle Übertragung von Digitalsignalen verwendet, so daß ein in einer Radaranlage erzeugtes schnelles M-Folgesignal auf die Übertragungssonde 54 und die Empfangssonde 55 übertragen wird. Als Verstärker 19 wird ein 3W-Breitband-Leistungsverstärker für die Leistungsverstärkung eines M-Folgesignals verwendet, um damit eine Antenne zu erregen. Als Batterien 44 und 47 werden Nickel-Cadmium-Zellen verwendet, die in Ihren Abmessungen klein sind und über eine lange Zeit verwendet werden können. Die Antennen 6 und 7 sind Dipolantennen, welche aus zylindrischen Aluminiumrohren hergestellt und an ihren Mittelteilen mit Symmetrierspulen zum Zweck der elektrischen Anpassung versehen sind.
Die Außenseiten der entsprechenden Antennen werden einer Behandlung zur Isolierung und Wasserabdichtung mit Kunststoff unterzogen. Als Umsetzer von elektrischen Signalen in Lichtsignale 45, als Lichtleiterkabel 52 sowie als Umsetzer von Lichtsignalen in elektrische Signale 48 wird eine optische Kommunikationseinrichtung für die langsame Übertragung von Analogsignalen verwendet. Gemäß der Erfindung wird in der Empfangssonde an den M-Folgesignalen eine Signalverarbeitung durchgeführt, die später noch zu beschreiben ist, und in der Folge wird das Signal, das auf eine genügend niedrige Geschwindigkeit und einen verbesserten Rauschabstand gebracht wurde, durch eine optische Kommunikationseinrichtung auf eine Radaranlage übertragen, so daß das Signal eine geringere Verzerrung seiner Wellenform bzw. seines Rauschabstands aufweist.
Alle Verstärkungsteile wie z.B. ein Spannelement und die Außenummantelung des Lichtleiterkabels 51 sind aus nicht-metallischem Material gebildet, und das Lichtleiterkabel 51 dient auch zum Aufhängen der Übertragungssonde 54 in einem Bohrloch. Die Lichtleiterkabel 52 und 53 sind in einem nicht-metallischen Kabel zusammen mit einem nicht-metallischen Spannelement untergebracht und dienen ebenfalls zum Aufhängen der Empfangssonde in einem Bohrloch.
Als Verstärker 20 in der Empfangssonde wird ein hochempfindlicher logarithmischer Breitbandverstärker verwendet, um eine geeignete Empfangsempfindlichket entsprechend der Stärke eines Eingangssignals zu liefern. Zusätzlich ist ein variables Dämpfungsglied in den Verstärker an seinem Eingang eingegliedert, um eine gewünschte Empfindlichkeitsänderung zu ermöglichen. Obwohl in Fig. 7A und 7B nicht gezeigt, kann eine weitere optische Kommunikationseinrichtung zwischen der Radaranlage und der Empfangssonde vorgesehen werden, so daß das variable Dämpfungsglied in diesem Verstärker von der Radaranlage aus eingestellt werden kann.
Nachfolgend wird der Betrieb dieser Ausführungsform beschrieben.
Wenngleich die M-Folgesignalgeneratoren 2 und 4 die gleiche Schaltungsauslegung aufweisen, unterscheiden sich die Taktsignale zum Ansteuern der entsprechenden Signalgeneratoren in der Frequenz geringfügig voneinander, und die jeweiligen Perioden der beiden M-Folgesignale sind geringfügig voneinander verschieden, nämlich 1269,9492 ns bzw. 1270,0508 ns. Wenn man daher annimmt, daß die beiden M-Folgesignale M&sub1; und M&sub2; periodisch erzeugt werden, und daß die Muster der beiden M-Folgesignale zu einem gewissen Zeitpunkt ta miteinander zusammenfallen, entsteht der Zeitabstand von 0,1 ns zwischen den beiden Signalen jedesmal wenn die einer Periode entsprechende Zeit abläuft, und der Zeitabstand von 10 ns entsteht zwischen den beiden Signalen nach 100 Perioden. Da nun ein M-Folgesignal in seiner einen Periode von 1270 ns 127 Signaleinheiten erzeugt, beträgt die Zeit für die Erzeugung eines Signals 10 ns.
Daher entspricht der zwischen den beiden M-Folgesignalen M&sub1; und M&sub2; entstandene Zeitabstand von 10 ns einer relativen Verschiebung zwischen den beiden Signalen um eine Zeit, welche einer Signaleinheit des M-Folgesignals entspricht. Das zeitliche Verhältnis dieser beiden Signale wird in Fig. 4 dargestellt.
Jedes der von den M-Folgesignalgeneratoren 2 bzw. 4 erzeugten M-Folgesignale M&sub1; bzw. M&sub2; wird in zwei Zweige geteilt, von denen ein Teilsignal der Multiplizierschaltung 5 zugeführt wird. Für die Multiplizierschaltungen 5 und 8 werden z.B. Breitband-Gegentaktmischer (DBM) verwendet, so daß die ihnen zugeführten beiden M-Folgesignale miteinander multipliziert werden. Ein M-Folgesignal ist ein Signal mit positiver oder negativer Spannung, wie oben erwähnt, so daß das Produkt als Ergebnis der Multiplikation zwischen gleichartigen Zeichen eine positive Spannung, das Produkt als Ergebnis der Multiplikation zwischen verschiedenartigen Zeichen eine negative Spannung wird, so daß als Ausgang der Multiplizierschaltungen 5 und 8 ein Signal mit positiver oder negativer Spannung erhalten werden kann.
Daher ist in der Nähe des Zeitpunkts ta, in welchem die Muster der beiden M-Folgesignale M&sub1; und M&sub2; miteinander zusammenfallen, das Ausgangssignal der Multiplizierschaltung 5 eine positive Gleichspannung oder eine Impulsreihe mit positiver Spannung. Die entsprechenden Perioden dieser beiden M- Folgesignale M&sub1; und M&sub2; sind jedoch geringfügig voneinander verschieden, und jedesmal wenn die Zeit einer Periode abgelaufen ist, entsteht zwischen den beiden Signalen der Zeitabstand von 0,1 ns. In 100 Perioden nach dem Zeitpunkt ta entsteht der Zeitabstand von 10 ns, d.h. die einem Signal entsprechende Verschiebung zwischen den beiden M-Folgesignalen M&sub1; und M&sub2;. In diesem Stadium haben die beiden Signale keine Korrelation, so daß willkürlich positive oder negative Impulsreihen als Signale im Ausgang der Multiplizierschaltung 5 erzeugt werden.
Das Ausgangssignal der Multiplizierschaltung 5 wird auf das Tiefpaßfilter 9 geführt und in eine Gleichspannung umgewandelt. Das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 9 nimmt einen Höchstwert zum Zeitpunkt ta an, wenn die Muster der beiden M-Folgesignale M&sub1; und M&sub2; miteinander zusammenfallen, und es nimmt einen Tiefstwert zum Zeitpunkt an, wenn das M-Folgesignal M&sub2; um 100 Perioden vom Zeitpunkt ta nach vorwärts oder rückwärts verschoben ist, d.h. zum Zeitpunkt ta ± 127 us. Dieses Ausgangssignal wird ein Spannungssignal einer Dreieckswelle, das direkt von diesem Höchstwert als Scheitelpunkt an zum vorderen oder hinteren Tiefstwert hin abnimmt, und das vom Tiefpaßfilter 9 alle 16,1 ms ausgegeben wird, wenn der periodische Zustand der beiden M-Folgesignale wie oben erwähnt eintritt.
Das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 9 wird dem Zeitunterschiedmeßgerät 49 zugeleitet, um eine Bezugszeit zum Korrigieren der im Radar festgelegten Verzögerungszeit vom Zeitpunkt der Erzeugung der Dreickswelle an zu liefern und dadurch die Laufzeit der elektromagnetischen Welle im Untergrund zu messen.
Das vom M-Folgesignalgenerator 2 ausgegebene M-Folgesignal M&sub1; wird auf die Sendeantenne 6 über die obenerwähnte optische Kommunikationseinrichtung geleitet und als elektromagnetische Welle in den Untergrund abgestrahlt. Die auf diese Weise abgestrahlte elektromagnetische Welle erreicht die Empfangsantenne 7 durch den Untergrund 18. Zu diesem Zeitpunkt ist das empfangene M-Folgesignal ein Signal, welches im Vergleich zum abgestrahlten M-Folgesignal um die Laufzeit der elektromagnetischen Welle verzögert ist.
Das vom M-Folgesignalgenerator 4 ausgegebene M-Folgesignal M&sub2; wird der Multiplizierschaltung 8 in der Empfangssonde über die obenerwähnte optische Kommunikationseinrichtung zugeführt und mit dem empfangenen M-Folgesignal multipliziert, und das Ergebnis der Multiplikation wird durch das Tiefpaßfilter 10 geleitet. Die obenerwähnte Operation ist die gleiche wie die Operation, welche im Hinblick auf die Multiplizierschaltung 5 und das Tiefpaßfilter 9 beschrieben wurde. Ein Unterscheidungspunkt liegt lediglich darin, daß die Zeitpunkte, wenn die Muster der beiden M-Folgesignale M&sub1; und M&sub2; zusammenfallen, voneinander verschieden sind.
Das Meßsignal, welches vom Tiefpaßfilter integriert und auf niedrige Geschwindigkeit gebracht wird, wird dem Zeitunterschiedmeßgerät 49 und dem Spitzenwertmeßgerät 13 in der Radaranlage über die obenerwähnte optische Kommunikationseinrichtung zugeführt. Im Zeitunterschiedmeßgerät 49 wird der Zeitpunkt, wenn der Höchstwert des Meßsignals erzeugt wird, auf der Grundlage der obenerwähnten Bezugszeit gemessen, so daß es möglich wird, die Laufzeit der elektromagnetischen Welle zu erhalten. Diesmal ist die Tatsache, daß die Zeitachse im Vergleich zur Laufzeit einer wirklichen elektromagnetischen Welle im Fall der Messung der Laufzeit im Zeitunterschiedmeßgerät ausgedehnt ist, die gleiche wie im Fall der obigen Ausführungsform.
Außerdem wird im Spitzenwertmeßgerät 13 die Amplitude im Abschnitt des Höchstwerts des Meßsignals gemessen, so daß es möglich ist, die Dämpfung des elektromagnetischen Signals zu messen.
Anschließend wird die Information bezüglich der Laufzeit und Dämpfung der elektromagnetischen Welle im Untergrund der Betriebsanzeigeeinrichtung 50 zugeführt, und aufgrund dieser Information wird ein Schnittbild des Untergrunds in der gleichen Weise wie bei der obenerwähnten Ausführungsform erarbeitet und dargestellt.
Fig. 9A und 9B sind Blockschaltbilder, die den Aufbau des Untergrund-Radartomographiegeräts gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung darstellen. Der Unterscheidungspunkt gegenüber der in Fig. 7A und 7B gezeigten Ausführungsform liegt darin, daß ein Tiefpaßfilter 61 mit einer variablen Grenzfrequenz auf der Ausgangsseite eines Umsetzers von Lichtsignalen in elektrische Signale 48 vorgesehen ist und Taktgeber mit variablen Schwingungsfrequenzen als Taktgeber 1 und 3 verwendet werden, und daß die Codelänge der M-Folgesignale veränderbar gemacht wird.
Nachfolgend wird der Aufbau der in Fig. 9A und 9B gezeigten Vorrichtung beschrieben.
Die Frequenzen der jeweiligen Taktgeber 1 und 3 werden unter Berücksichtigung der Durchlässigkeit des Untergrunds für Radiowellen und der Meßauflösung gewählt, indem Normalfrequenzgeneratoren verwendet werden, welche die Frequenzen von 1 MHz bis 1 GHz mit hoher Genauigkeit variieren können. Bei dieser Ausführungsform kann der Unterschied zwischen den Taktfrequenzen auf 1 Hz, 100 Hz und 8 kHz eingestellt werden. Um den Frequenzunterschied stabil zu halten, wird ein Verfahren verwendet, bei dem ein Vergleichsoszillator in einem der Normalfrequenzgeneratoren gemeinsam benützt wird.
Im folgenden wird der Fall beschrieben, in welchem die Taktfrequenz auf ca. 100 MHz eingestellt ist.
Beispielsweise werden die Frequnzen der Taktgeben 1 und 3 auf 100,004 MHz bzw. 99,996 MHz eingestellt, und die Taktgeber 1 und 3 steuern die M-Folgesignalgeneratoren 2 und 4 mit diesen entsprechenden Frequenzen. Die M-Folgesignalgeneratoren 2 und 4 werden als eine mögliche Art der Pseudozufallssignal-Erzeugungseinrichtungen verwendet. Wahlweise könnten Signale nach dem Barker-Codesystem, dem Gold-Codesystem oder dem JPLCodesystem anstelle der M-Folgesignale verwendet werden.
Bei dieser Ausführungsform wird, wie in Fig. 10 gezeigt, ein 9-Bit-Schieberegister 81 verwendet, und eine durch die exklusiven Oderschaltungen 82 bis 84 gebildete Rückkopplungsschaltung wird mit einem Schalter 85 umgeschaltet, so daß es möglich ist, die Codelänge (Periode) der M-Folgesignale zu verändern. Das bedeutet, daß es durch Umschalten der Stufenzahl n des Schieberegisters 81 auf 9, 7 bzw. 5 möglich ist, die Codelänge der M-Folgesignale auf 2&sup9;-1 = 551, 2&sup7;-1 = 127, bzw. 2&sup5;- 1 = 31 zu schalten. Demzufolge ist es bei der obenerwähnten Taktfrequenz unter der Annahme, daß die Fortpflanzungsgeschwindigkeit im Boden v = 0,6 x 10&sup8; m/s beträgt, möglich, den Meßbereich im Boden aufgrund der Formel (8) auf L = 307 m, 76 m bzw. 19 m zu ändern.
Auf die obererwähnte Weise wird ein M-Folgesignal erzeugt, welches einen periodisch umlaufenden Code eines Binärsignals darstellt, innerhalb der obenerwähnten variablen Codelänge jedoch willkürlich ist.
Ein auf die Radaranlage übertragenes Meßsignal wird durch das Tiefpaßfilter 61 geführt und einer notwendigen und ausreichenden Bandkontrolle unterzogen, so daß es möglich ist, Störspannungen zu unterdrücken und dadurch einen großen Rauschabstand zu erzielen. Bei dieser Ausführungsform besteht das Tiefpaßfilter 61 aus einer variablen Induktivität 92 und einem verstellbaren Kondensator 93, wie in Fig. 11 gezeigt, und es weist eine veränderbare Grenzfrequenz auf, welche ca. 5 mal so groß gehalten wird wie der Frequenzunterschied zwischen den beiden obenerwähnten Taktfrequenzen.
Nachfolgend wird der Betrieb dieser Ausführungsform beschrieben.
Die Vorgänge nach dem Übertragen der von den M-Folgesignalgeneratoren 2 bzw. 4 ausgegebenen M-Folgesignale M&sub1; bzw. M&sub2; über die Lichtleiter 51 und 52 usw. bis zum Umsetzten der empfangenen Wellenformen durch einen Umsetzer von Lichtsignalen in elektrische Signale 48 sind die gleichen wie bei der Ausführungsform von Fig. 7A und 7B, und daher entfällt hier die ausführliche Beschreibung derselben.
In der Radaranlage 60 wird ein übertragenes Meßsignal über das Tiefpaßfilter 61 geleitet. Da die Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters 61 variabel ist, so daß sie auf einen 5 mal höheren Wert eingestellt werden kann als der Frequenzunterschied Δf zwischen den Taktfrequenzen M&sub1; und M&sub2;, ist es möglich, die optimale Rauschunterdrückungswirkung zu erzielen.
Der Mittelwert der beiden Taktfrequenzen sei z.B. fc, dann wird die Rauschunterdrückungswirkung Sup durch das Verhältnis zwischen dem Frequenzband eines übertragenen/empfangenen Signals und dem Frequenzband eines Meßsignals nach dem Durchgang durch ein Tiefpaßfilter bestimmt und durch folgende Formel ausgedrückt:
Sup(Rauschunterdrückungswirkung) = 10 log(Δf/fc)
Daher kann man z.B. im Fall von fc = 100 MHz die Rauschunterdrückungswirkung wie folgt erhalten:
Wenn Δf = 1 Hz, Sup = -80 dB
Wenn Δf = 100 Hz, Sup = -60 dB
Das somit durch das Tiefpaßfilter 61 erhaltene Meßsignal wird auf ein Zeitunterschiedmeßgerät 49 und ein Spitzenwertmeßgerät 13 geführt. In der gleichen Weise wie bei der Ausführungsform von Fig. 7A und 7B wird die Information bezüglich der Laufzeit und Dämpfung der elektromagnetischen Welle im Untergrund an eine Betriebsanzeigeeinrichtung 50 geliefert, und aufgrund dieser Information wird ein Schnittbild des Untergrunds ausgearbeitet und in der Anzeigeeinrichtung 50 dargestellt.

Claims

1. Untergrund-Radartomographiegerät, bei welchem eine elektromagnetische Welle in den Boden abgestrahlt wird, die Amplitude und Laufzeit einer abgestrahlten Welle, einer Echowelle oder einer Beugungswelle der elektromagnetischen Welle an einer Anzahl von Punkten gemessen werden und eine Signalverarbeitung anhand des Meßergebnisses durchgeführt wird, um dadurch die Verteilung von Schichten und Erdreich im Boden als Schnittinformation zu erhalten, wobei das Untergrund-Radartomographiegerät folgendes umfaßt:

einen ersten Taktgeber (1);

einen ersten Pseudozufallsgenerator (2), welcher vom ersten Taktgeber (1) zur Erzeugung eines ersten Pseudozufallssignals gesteuert wird;

einen zweiten Taktgeber (3) mit einer Frequenz (f&sub2;), die sich geringfügig von einer Frequenz (f&sub1;) des ersten Taktgebers (1) unterscheidet;

einen zweiten Pseudozufallsgenerator (4), welcher vom zweiten Taktgeber (3) zur Erzeugung eines zweiten Pseudozufallssignals gesteuert wird, wobei der zweite Pseudozufallsgenerator (3) die gleiche Schaltungsanordnung aufweist wie diejenige des ersten Pseudozufallsgenerators (2);

eine erste Multiplizierschaltung (5), um die ersten und zweiten Pseudozufallssignale miteinander zu multiplizieren;

eine Sendereinrichtung (6) zum Abstrahlen des ersten Pseudozufallssignals;

eine Empfängereinrichtung (7) zum Empfangen einer abgestrahlten Welle, einer Echowelle oder einer Beugungswelle des von der Sendereirichtung in den Boden (18) abgestrahlten Signals;

eine zweite Multiplizierschaltung (8) zum Multiplizieren des ersten Pseudozufallssignals mit dem von der Empfängereinrichtung (7) empfangenen Signal;

ein Zeitunterschied-Meßgerät (49) zum Messen eines Zeitunterschieds zwischen einem Ausgangssignal der ersten Multiplizierschaltung (5) und einem Ausgang der zweiten Multiplizierschaltung (8);

ein Signalstärke-Meßgerät (12, 13) zum Messen der Signalstärke des Ausgangssignals der zweiten Multiplizierschaltung (8), und

einen Operator (14) zur Verarbeitung der durch das Zeitunterschied-Meßgerät (11) bzw. das Signalstärke-Meßgerät erhaltenen Information bezüglich des Zeitunterschieds und der Signalstärke, um dadurch die Schnittinformation für die Schichten und das Erdreich im Boden zu erhalten;

dadurch gekennzeichnet, daß das Untergrund-Radartomographiegerät zusätzlich umfaßt:

ein erstes Tiefpaßfilter (9) für den Empfang des Ausgangssignals der ersten Multiplizierschaltung (5) und zur Durchführung einer Bandbegrenzung am empfangenen Signal, um dadurch einen Ausgang für das Zeitmeßgerät (11) zu liefern;

einen ersten elektro-optischen Umsetzer (41) zum Umsetzen des ersten Pseudozufallssignals in ein Lichtsignal;

einen ersten Lichtleiter (51) zum Übertragen des vom ersten elektro-optischen Umsetzer (41) umgesetzten Lichtsignals;

eine Übertragungssonde (54) zum Umsetzen des durch den ersten Lichtleiter (51) übertragenen Lichtsignals in eine elektromagnetische Welle und zum Abstrahlen dieser elektromagnetischen Welle in den Boden (18);

einen zweiten elektro-optischen Umsetzer (42) zum Umsetzen des zweiten Pseudozufallssignals in ein Lichtsignal;

einen zweiten Lichtleiter (52) zum Übertragen des vom zweiten elektro-optischen Umsetzer (42) umgesetzten Lichtsignals;

eine Empfangssonde (55) mit einem zweiten Verstärker (20) zum Empfangen der elektromagnetischen Welle aus dem Boden und zum Multiplizieren des Empfangssignals mit dem Signal des zweiten Lichtleiters (52), und ein zweites Tiefpaßfilter (10) zur Durchführung einer Bandbegrenzung am Ergebnis der Multiplikation der zweiten Multiplizierschaltung (8), wobei ein Ausgang des zweiten Tiefpaßfilters (10) als Lichtsignal ausgegeben wird;

einen dritten Lichtleiter (53) zum Übertragen des von der Empfangssonde (55) abgegebenen Lichtsignals, und einen dritten opto-elektrischen Umsetzer (48) zum Umsetzen des durch den dritten Lichtleiter (53) übertragenen Lichtsignals in ein elektrisches Signal und zur Weitergabe des Ausgangssignals der zweiten Multiplizierschaltung (8) an das Zeitunterschied-Meßgerät (11) und das Amplitudenmeßgerät (12, 13).

2. Untergrund-Radartomographiegerät nach Anspruch 1, außerdem dadurch gekennzeichnet, daß es zusätzlich umfaßt:

ein erstes Spitzenwert-Meßgerät (12) zum Messen eines Spitzenwerts eines Ausgangs des ersten Tiefpaßfilters (9);

ein zweites Spitzenwert-Meßgerät (13) zum Messen eines Spitzenwerts eines Ausgangs des zweiten Tiefpaßfilters (10), und

ein Zeitmeßgerät (11) zum Messen eines Zwischenraums zwischen einem Zeitpunkt, an welchem ein Spitzenwert durch das erste Spitzenwertmeßgerät (12) erfaßt wird, und einem Zeitpunkt, an welchem ein Spitzenwert durch das zweite Spitzenwertmeßgerät (13) erfaßt wird.

3. Untergrund-Radartomographiegerät nach Anspruch 1, außerdem dadurch gekennzeichnet, daß als jedes der ersten und zweiten Pseudozufallssignale ein aus einem M-Folgesignal (M-sequence signal), einem Gold-Codesystemsignal (gold code System signal) und einem JPL-Codesystemsignal (JPL code System signal) ausgewähltes Signal verwendet wird.

4. Untergrund-Radartomographiegerät nach Anspruch 1, außerdem dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangstaktfrequenz jedes der ersten (1) und zweiten (3) Taktgeber auf einen Wert im Bereich von 1 MHz bis 1 GHz eingestellt ist.

5. Untergrund-Radartomographiegerät nach Anspruch 1, außerdem dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der ersten (1) und zweiten (3) Taktgeber derart eingerichtet ist, daß seine Taktfrequenz veränderbar ist, und daß von den ersten (9) und zweiten (10) Tiefpaßfiltern mindestens das zweite Tiefpaßfilter (10) derart eingerichtet ist, daß es eine Grenzfrequenz aufweist, welche derart veränderbar ist, daß sie einmal bis zwanzigmal so groß ist wie der Frequenzunterschied zwischen dem ersten (1) und zweiten (3) Taktgeber.

6. Untergrund-Radartomographiegerät nach Anspruch 1, außerdem dadurch gekennzeichnet, daß als jeder der ersten (2) und zweiten (4) Pseudozufallsgeneratoren ein Pseudozufallsgenerator verwendet wird, welcher ein Pseudozufallssignal erzeugt, dessen Codelänge veränderbar ist.