DK164007B - Borehulsmaaleindretning - Google Patents

Description

i

DK 164007 B

Opfindelsen angår en borehulsmåleindretning til opfangelse af radarsignaler og af den i indledningen til krav 1 angivne art.

Typiske borehulsradarsystemer arbejder med elektro-5 magnetiske bølger i kort- og ultrakortbølgeområdet. Til disse bølgelængder er det til rådighed stående borehulstværmål meget lille i forhold til bølgelængden. Denne kendsgerning har hidtil hindret anvendelsen af brugbare antenneindretninger med horisontal retningsvirkning. I 10 de sædvanlige sonder har der hidtil været benyttet dipolantenner, som i horisontale retninger har en rund-strålekarakteristik, hvorved der i givet fald også benyttes foldede dipoler, jvf. US-patent nr. 328163. For såvidt som der benyttes mere komplicerede antenner, 15 f.eks. af Yagi-typen, som vist i fig. 4 i US-patent nr. 3286163, forudsættes det, at antennedelene kan føres teleskopisk ud, således at de rager ud over sondens egentlige cylinderform. Et sådant antennearrangement forudsætter borehuller, hvis tværmål overskrider de 20 sædvanlige størrelser, medmindre anvendelsen ikke skal begrænses til udvidede områder i et normalt borehul.

I lodrette retninger kan en retningsangivelse for de modtagne radarsignaler opnås ved målinger af en række, i vertikal retning på hinanden følgende målepunkter.

25 For den vertikale retningsopløsning er en retningsantenne således ikke påkrævet, selvom en sådan ville være let at realisere. Endvidere må det bemærkes, at ingen virksom retningsfocusering med elektriske feltsensorer i snævre borehuller kan opnås af fysiske grunde, da en 30 retningsbestemmelse kun kan udledes af differens information fra mindst to sensorer, som i bølgefeltet ved den del, der skal detekteres, skal ligge en bølgelængde fra hinanden.

2

DK 164007 B

Rammeantenner har i radioteknikken i lang tid med succes været anvendt som såkaldte pejlerammer eller retningsmodtageranlæg, se. f.eks. "Handbuch ftir Hochfrequenz- und Elektrotechniker", bind II, 1953, p.

5 489 og 490. På grund af de relativt små inducerede spændinger er disse rammer helt igennem udført som selektiv indretning til smalbåndsmodtagelse af udvalgte bærerfrekvenser. Den inducerede spænding i en rammeantenne er proportional med rammearealet, frekvensen og cos til bølgefrontens indfaldsvinkel. Rammeantenner har i modsætning til rundstrålediagrammet hos stav- og dipolantenner et dobbeltcirkeldiagram i horisontal retning med to udprægede nulsteder. Ved en rigtigt tilpasset kombination af en dipol- og en rammeantenne kan opnås et 15 kardioidediagram med kun en pol, et såkaldt nulsted.

Til bestemmelse af indfaldsretningen drejes pejlerammen om den vertikale akse, til et nulsted kan findes.

Denne såkaldte minimumspejling frembringer på grund af nulstedets stejle karakteristik de nøjagtige resultater.

20 Hvor en drejelig pejleramme af konstruktive eller elektrisk grunde ikke kan opstilles, benytter man i dag faststående krydsrammer sammen med et elektrisk gonime-ter. Ved et sådant gonimeter bliver den retvinklet krydsede modtagelsesrammes felt gengivet via to retvinklet 25 krydsede spoler, hvis indre indeholder en drejespole, der tjener som søgespole. Søgespolens drejning simulerer en drejning af rammeantenneindretningen.

Disse kendte rammeantenneindretninger kan hensigtsmæssigt anvendes til bestemmelse af indfaldsretningen 30 for diskrete bærerfrekvenser. Den til en entydig retningsbestemmelse benyttede kombination af en pejleramme med en hjælpeantenne til modtagelse 360° rundt fordrer en meget omhyggelig afstemning af systemet og forudsætter varigt stabile bærerfrekvenser.

3

DK 164007 B

Disse i radioteknikken længe kendte indretninger og fremgangsmåder kunne hidtil af pladshensyn ikke anvendes til borehulsmålinger. Den opgave at tilvejebringe en tilpasning af en sådan indretning til anvendelse ved 5 borehulsmåling, løses ifølge opfindelsen derved, at der tilvejebringes en borehulsmåleindretning af den indledningsvis angivne art med de i den kendetegnede del af krav 1 angivne foranstaltninger. Udførelsesformer for opfindelsen er anført i de uselvstændige krav.

10 Selvom dimensionerne af sædvanlige borehuller kun giver lidt plads til realisering af brugbare antenneindretninger, muliggør opfindelsen en optimal udnyttelse af denne plads til opnåelse af brugbare resultater. Dette resultat opnås, selvom signalerne, hvis indfaldsretning 15 skal bestemmes, er meget korte og forholdsvis komplicerede bølgetog. Opløsningen i vertikal retning er derved mulig trods stærk spredning af indfaldsretningen på den ovenfor anførte måde.

I forhold til teknikkens stade opnås en væsentlig 20 forbedring.

Opfindelsen forklares nærmere i det følgende ved hjælp af et eksempel og under henvisning til tegningen, hvor fig. 1 viser en basisudførelsesform for opfindelsen 25 i forenklet fremstilling omfattende de i sonden anbragte koblingsdele, fig. 2 svarende til det i fig. 1 viste en antenneindretning til muliggørelse af en entydig retningsangivelse af horisontalkomposanterne, 30 fig. 3 signalvejene ved en antenneindretning ifølge fig. 2, 4

DK 164007 B

fig. 4 en yderligere forbedring af antenneindretningen indbefattende de i sonden indeholdte koblingselementer/ og fig. 5 et anvendelseseksempel til indfaldsretnings-5 bestemmelse.

’ Et i fig'. 1 kun delvist med et omrids antydet sondelegeme 1 indeholder en krydsrammeantenne 2 således, at vinkelrette spoleledere 11 anbragt på sondelegemets ydre skal, især er indlejret i flade noter på det af isole-10 ringsmateriale bestående sondelegeme 1. Tværforbindelserne mellem de vinkelrette spoleledere 11 føres via tryktætte gennemføringer 12 ind i sondelegemets 1 indre hulrum. Den elektrisk brokoblede spoleende kan via en ledende yderring 13, som ligesom de vinkelrette spole-15 ledere er indlejret i sondelegemets l yder skal, være forbundet fælles for begge spoler. De dermed til en krydsrammeantenne 2 forbundne rammeantenner er stærkt langstrakte firkantspoler, hvis spolebredde er bestemt af sondens maksimale tværmål. Spoleparrets ender tilpas-20 ses via tilpassede symmetritransformatorer 14a, 14b til asymmetriske coaksialledninger 15a henhodsvis 15b. Et elektronisk omskifterrelæ 16 tillader valgfrit at indkoble de to coaksialledninger over ledningen 17 på det på overfladen opstillede, ikke nærmere viste modtageap-25 paratur, hvori signalerne optegnes efter hinanden og vurderes ifølge en nedenfor nærmere forklaret fremgangsmåde.

Krydsrammeantennens 2 rammer indeholder hver kun en vinding og er ikke afstemt, men med deres induktive 30 reaktans næsten tilpasset den forventede båndmidtefrek-vens for kabelimpedansen. Ved den ohmske belastning over forstærkerindgangen er rammerne således bredbåndsmæssigt ydelsestilpasset.

5

DK 164007 B

Da retningsdiagrammet for en rarameantenne er en 8-kurve eller dobbeltcirkelkurve, er retningsbestemmelsen med antennen ifølge fig. 1 tvetydig, d.v.s. der viser sig to 180° forskudte, forskellige retningsangi-5 velser. Til den nøjagtige bestemmelse kræves en yderligere måling.

Indretningen ifølge fig. 2 muliggør en entydig retningsbestemmelse. Krydsrammen 20 er udbygget ved hjælp af en yderligere 360° modtageantenne 21. Denne 10 stavformede antenne 21 er fortrinsvis en usymmetrisk fødet dipol eller en foldet topantenne. Ved antenneindretningen ifølge fig. 2 føres 360° modtageantennens 21 fødekabel gennem et rør 23 i krydsrammens 20 centrum.

Herved drejer det sig fortrinsvis om et ledende metal-15 rør, som af symmetriske hensyn til rammekaratkeristikken forløber nøjagtigt koncentrisk med rammelængdeaksen. Tværforbindelserne 24 for siderammelederne 22 lukkes hensigtsmæssigt enkelt via en føringsring 25 for metalrøret 23. Derved 20 bliver en gensidig indflydelse på begge delsystemerne 20, 21 i antenneindretningen effektivt forhindret, og krydsrammens 20 retningskarakteristik forbliver uforstyrret. Da de i krydsrammen 20 i rammeantennen inducerede signaler ifølge induktionsloven er faseforskudt 90° i forhold til det af 360° 25 modtageantennen 21 optagne elektriske felt, bliver der i 360° modtageantennens 21 antennefødeledning indskudt en T-formet 90° hybridkobler 26. T-koblerens 26 tredie terminal 27 kan enten afsluttes med en impedansmodstand eller kan som vist anvendes som trigger-signalkilde for modtagelsesappara-30 turet. Foruden triggersignalet, som tjener som tidsreference for alle modtagelser, kan der over to coaksialrelæer 28, 29 i det ikke viste modtagelsesapparatur valgfrit tilføres signalet fra 360° modtageantennen 21 eller et af signalerne fra de to orthogonale rammer. Indretningen med symmetritransfor-35 matorerne 14a, 14b svarer til fig. 1.

6

DK 164007 B

I praksis fremkommer via afstanden mellem 360° modtageantennen 21 og rammeantennen 20 den i fig. 3 viste modtagesituation.

Den egentlige sendeantenne 30 ligger i aksial afstand fra den af rammeantennen 20 og 360° modtageantennen 21 dannede an-5 tenneindretning og er indeholdt i det samme sondelegeme neden under modtageindretningen. Den i fig. 3 viste geometriske konfiguration, ved hvilken de fra sendeantennen 30 udgående bølger spejles i reflektorerne og R2, fører til, at refleksionerne, der optages fra R^ henholdsvis R2 ved 20 og 21, 10 har tilsvarende løbetidsdifferencer. Disse løbetidsdifferencer, som er angivet i Fig. 3 med At i forhold til en middel-, / stråle, må detekteres og korrigeres for hver enkelt refleksion.

Fig. 4 viser en yderligere forbedret antenneindretning 40 med tilhørende, i sondelegemet anbragte koblingsdele. Ved denne 15 forbedrede antenneindretning er en efterfølgende detektering af løbetidsdifferencen og afledningen af en tilsvarende korrektion ikke nødvendig, da antenneindretningens 40 dele er således sammensat, at de har fælles elektrisk midtpunkt. Antenneindretningen 40 består af to som stave udformede 20 krydsrammer 401, 402, som er således forbundet over en udgangskobling 50, at begge rammestrukturer 401, 402 også kan udnyttes som halvdele af en dipol 360° modtageantenne.

Udgangskoblingen 50 indeholder symmetritransformatorer 41, 42 for den nederste krydsramme 401 og 43, 44 for den øverste 25 krydsramme 402. De i samme plan liggende delrammers udgange, d.v.s. udgangene fra transformatorerne 41 og 44 på den ene side og 42 og 43 på den anden side, bliver via hver et summationsorgan 46 henholdsvis 47 adderet og således sammenført til de to sædvanlige orthogonale rammeudgange. Midterne af primær-30 viklingen på transformatorerne 41, 42 i den nederste krydsramme 401 og 43, 44 i den øverste krydsramme 402 er tilsluttet primærviklingen på en yderligere symmetritransformator 7

DK 164007 B

45 i modtakt. Derved står de elektriske differens-EMK ved transformatorens 45 udgang mellem de to krydsrammer, som derved virker som en dipolantenne. Tilpasningsnetværket anbringes i det elektriske centrum mellem de to krydsrammer, som 5 skematisk vist i fig. 4. Udgangsledningerne udføres til den ene side fortrinsvis gennem et rør 48 i den ved siden af det egentlige modtageapparatur liggende krydsrammes 402 akse, ligesom indretningen i fig. 2. Dette muliggør en problemfri anbringelse af antenneindretningen i sondelegemer, som er 10 egnede til snævre borehuller.

Ved borehulsonder med store dimensioner er der mulighed for, at induktansen, som forøges på grund af den nødvendige dipollængdes resulterende rammearealværdi, er for stor til en resonansfri bredbåndsafstemning. De egentlige rammer 401, 15 402 kan da udformes kortere og forsynes med koncentriske forlængelser 49, som anbringes på de neutrale rammeforbindelsessteder 403 henholdsvis 404 og tillader at arbejde med elektriske dipoler af optimal længde på trods af den egentlige rammes forkortelse.

20 Til videreføring af antennesignalerne anvendes den i fig. 2 viste relæindretning med 90° hybridkobler.

Ved antenneindretningen ifølge fig. 4 falder på grund af konstruktionen midtpunkterne for ramme- og 360° modtageantennen nøjagtigt sammen, således at løbetidskorrektion ikke 25 er nødvendig.

De i det foregående beskrevne krydsrammer er i hvert tilfælde anbragt fast i sondelegemet. Til retningsbestemmelsen er en drejning af rammen ikke nødvendig. Kun den geografiske indstilling af sonden må bestemmes for hvert raålepunkt for at

DK 164007 B

* 8 muliggøre indordning af de reflekterende lags indfaldsretning i geografiske koordinater. Hertil er eksempelvis i sondelegemet indbygget et magnetkompassystem/ hvis visning optages på hvert målepunkt og overføres elektrisk til den over jorden 5 værende optageindretning. Sådanne magnetkompassystemer er velkendte.

Ud over. kompas informationen optages i hvert målepunkt med de i fig. 2 og 4 viste udførelsesfonner a) 360° modtageantennens modtageværdi, 10 b) en antennerammes modtageværdi, og c) den derpå vinkelrette antennerammes modtageværdi.

Af disse data kan udledes retningsinformation for en vilkårlig teoretisk tiltagende drejningsvinkel for en rammeantenne ved vektoriel addition af modtagespændinger. Med et til op-15 tageapparaturet til detekteringen anvendt regneanlæg kan følgeligt en drejning af rammeantennen i vilkårlige vinkelskridt simuleres, således som den ved en mekanisk drejelig rammeantenne under optagelsen kunne være udført.

Den fra radioteknik kendte fremgangsmåde ved fasekorrekt ind-20 kobling af en 360° modtageantennes modtagesignaler i signalerne for de coaksialt dertil liggende rammer at opnå en kardio-ide med entydigt nulsted/ er principielt ikke anvendelig ved et radarekkos bredbåndede impulsformige signaler. En vigtig forudsætning for signaloverlejringen er en yderst ensartet 25 signatur for begge antennesignalers impulsform. Denne er ved de i radioteknikken sædvanlige smalbåndede sinussignaler principielt til rådighed. Ved radarsignalers komplekse form kan de to antennearters karakteristika i praksis ikke bringes således i samklang, at en fuldkommen udløsning af et veldefi-30 neret nulsted bestemmes problemfrit. Derimod er signaltogets relative faseleje principielt let at bestemme.

9

DK 164007 B

Til detekteringen anbefales det derfor for hvert enkelt refleksionsimpulstog først alene med rammeantenneinformationen at finde vinklen for den ene af de to nulstederv som hører til rammens retningsdiagram. Til kontrol af resultatet kan 5 også det andet nulsted findes. Ved entydige forhold må det andet nulsted ligge nøjagtigt 180° forskudt i forhold til det første nulsted. Derpå bliver eksempelvis ved højredrejning rammesignalets maksimum fundet og vist sammen med 360° modtagesignalet. Hvis begge signaler overvejende er i samme fase, er 10 indfaldsretningen lig med nulsignalvinklen + 90°; hvis signalerne., er i modfase, er indfaldsretningen lig med nulsignalvinklen - 90°.

Denne fremgangsmåde tillader at detektere de med en indretning ifølge krav 2 eller 4 modtagne radarsignaler hurtigt og 15 effektivt og derved at bestemme indfaldsretningen for signalerne. ·

Fig. 5 viser et praktisk eksempel på detekteringsfremgangsmåden til indfaldsretningsbestemmelse. I en bestemt orientering til nordretningen i 15° skridt optegnes de tilsvarende vektorielt 20 adderede rammeantennesignaler. På et passende sted 51a, 51b er det 180° forskudte dipcblmodtagesignal mixet på begge sider. Refleksionen har ved 52a og 52b sine minima. Som indfaldsretning kommer begge de derpå vinkelrette retninger på tale.

En signatursammenligning med dipolmodtagelsen viser ved 25 53a fasesammenfald i modsætning til 53b. Altså er indfalds retningen 54 fra den side, hvor der findes fasesammenfald, givet.

Refleksionen har minima ved 55a og 55b; signatursammenligning med dipolen viser ved 56a fasesammenfald og ved 56b modfase.

. 30 Altså viser pilen 57 indfaldsretningen.

Claims (5)

10 DK 164007 B

1. Borehulsmåleindretning til optagelse af radarsignaler med én antenneindretning, der er indeholdt i et sondelegeme (1), og hvis retningsdiagram i forbindelse 5 med et til antenneindretningen tilsluttet detekterings- •u - apparatur tillader udledningen af de indfaldsretningen kendetegnende måleværdier fra de * modtagne signaler, kendetegnet ved, at antenneindretningen er en firkantet rammeantenne (2; 20; 401, 402), hvis længde- 10 akse i hovedsagen falder sammen med sondelegemets (1) længdeakse, og hvis med længdeaksen parallelle lederafsnit (11; 2'2) er anbragt på sondelegemets yderside.

2. Indretning ifølge krav 1, kendetegnet ved, at de med længdeaksen parallelle lederafsnit (11; 15 22) er indlejret i flade noter, som er udformet i sonde legemets (1) yderside.

3. Indretning ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at sondelegemet (1) består af et isolerende materiale.

4. Indretning ifølge et eller flere af de fore gående krav, kendetegnet ved, at rammeantennen er en krydsrammeantenne (2; 20; 401, 402).

5. Indretning ifølge krav 4, kendetegnet ved, at de med sondelegemets længdeakse parallelle le- 25 deraf snit er forbundet ved den bort fra modtageappara turets tilslutning vendte ende via en for begge kryds-rammeantennens rammeantenner fælles yderring (13).