NO156508B - Mottagerantenne for bruk i en sonde for elektromagnetisk borehullslogging - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører mottagerantenne for bruk i en sonde for elektromagnetisk borehullslogging, ifølge innledningen i krav 1.

Typiske borehull-radarsysterner arbeider med elektromagnetis-ke bølger i kortbølge- og ultrakortbølgeområdet. For disse bølgelengder er den borehull-diameter som står til disposi-sjon svært liten i forhold til bølgelengden. Dette forhold har hittil hindret bruk av anvendelige antenneanordninger med horisontal retningseffekt. I de vanlige sonder er det hittil bare benyttet dipolantenner som har en rundstrålings-karakteristikk i horisontalen, og det brukes eventuelt også foldede dipoler, se US-PS 3 286 163. I den grad det benyttes kompliserte antenner, f. eks. en Yagi-anordning, se fig. 4 i US-PS 3 286 163, forutsettes at antennedelene blir teleskop-aktig kjørt ut, slik at de rager frem fra den egentlige sylinderform av sonden. En slik antenneanordning forutsetter borehull med en diameter som overskrider den vanlige stør-relse, såfremt anvendelsen ikke begrenses til utvidede om-råder i et normalt borehull. 1 vertikalen kan en retningsangivelse for de mottatte radarsignaler bringes på det rene ved at det foretas målinger i en rekke målepunkter som følger etter hverandre i vertikalen. For vertikal retningsoppløsning er det således ikke be-hov for en retningsantenne, skjønt den lett kunne la seg realisere. Det skal videre bemerkes at det av fysikalske grunner ikke kan oppnås en effektiv retningsfokusering med elektriske feltsensorer, da en retningsbestemmelse bare kan utledes av differanse-informasjonen fra minst to sensorer, som i bølgefeltet må ha en innbyrdes avstand som svarer til den gripbare del av en bølgelengde.

Rammeantenner blir i form av s.k. peilerammer eller retnings-mottakeranlegg brukt i radioteknikken med hell i den senere tid, se f.eks. "Handbuch flir Hochfrequenz- und Elektro-Techniker, bd II, 1953, side 489 og 490. På grunn av de forholdsvis lave induserte spenninger er disse rammer gjennom-gående utført som selektiv anordning for smalbånd-mottagelse av utvalgte bærerfrekvenser. Den induserte spenning i en rammeantenne er proporsjonal til rammeflaten, frekvensen og cos av bølgefrontens innfallsvinkel. I motsetning til rund-strålingsdiagrammet fra stav- og dipolantenner viser rammeantenner i horisontal retning et dobbeltsirkeldiagram med to utpregede nullsteder. Ved en korrekt tilpasset kombinasjon av en dipolantenne og en rammeantenne kan det oppnås et kardioide-diagram med bare en pol, ett s.k. nullsted.

Til bestemmelse av innfallsretningen blir peilerammen dreid rundt den horisontale akse, inntil et nullsted kan fastset-tes. Denne s.k. minimal-peiling gir de nøyaktigste resultater på grunn av den steile karakteristikk av nullstedene.

Der hvor en dreibar peileramme av konstruktive eller elektriske grunner ikke kan monteres, benyttes i dag en stasjonær korsramme sammen med et elektrisk goniometer. Ved et slikt goniometer vil feltet for de rettvinklet kryssede mottaker-rammer etterdannet ved to rettvinklet kryssede spoler, som i det indre omfatter en dreiespole, som virker som søkerspo-le. Dreining av søkerspolen simulerer dreining av rammean-tenneanordningen.

Disse kjente rammeantenneanordninger kan med fordel benyttes til bestemmelse av innfallsretningen av separate bærerfrekvenser. Den kombinasjon av en peileramme med en hjelpean-tenne for rund-mottagelse som brukes for oppnåelse av en entydig retningsbestemmelse, krever en meget omhyggelig av-stemning av systemet og forutsetter tidsmessig stabile bæ-rerf rekvenser .

for realisering av brukbare antenneanordninger, muliggjør oppfinnelsen en optimal utnyttelse av dette rom for utledning av brukbare resultater. Dette resultat blir oppnådd, til tross for at de signaler, hvis innfallsretning skal bestemmes, er svært korte og forholdsvis kompliserte bølgetog. Oppløsningen i vertikalen er da mulig på ovenfor angitte måte til tross for sterk vifteform.

Overfor teknikkens stilling oppnås en vesentlig bedring.

Ytterligere fordeler og trekk ved oppfinnelsen vil fremgå av kravene og av nedenstående beskrivelse under henvisning til tegningen, hvor foretrukne utførelser av oppfinnelsen er illustrert. I tegningene viser

fig. 1 en grunnleggende utførelsesform av oppfinnelsen i en forenklet gjengivelse, inklusive koplingsdeler som er anordnet i sonden,

fig. 2 en gjengivelse tilsvarende fig. 1 av en antenneanordning som muliggjør en entydig retningsangivelse av hori-sontalkomponenten,

fig. 3 en gjengivelse av signalbanene ved en antenneanordning ifølge fig. 2,

fig. 4 ytterligere en bedring av antenneanordningen, inklusive koblingselementene som er anordnet i sonden og

fig. 5 et eksempel på vurderingsmetoden for bestemmelse av innfallsretningen.

Et sondelegeme 10, som i fig. 1 bare er delvis antydet med sitt omriss, inneholder en korsrammeantenne 2 på den måten at de vertikale spoleledere 11 er anordnet på sondelegemets ytre hud, spesielt innleiret i flate spor i somdelegemet 1, som består av isolasjonsmateriale. Tverrforbindelsene mellom de vertikale spoleledere 11 blir ført gjennom trykktette gjennomføringer 12 til sondelegemets 1 indre hulrom. Den elektrisk forbikoplede spoleende kan forbindes, felles for begge spoler,ved hjelp av en ledende ytterring 13, som på

samme måte som de vertikale spoleledere er innleiret i sondelegemets 1 ytre hud. Rammeantennene som ermed er forbundet til en korsrammeantenne 2, er sterkt strukkede firkantspoler hvis spolebredde er bestemt av sondens maksimale diameter. Spoleparets ender blir via tilpassede symmetrerings-trans-formatorer 14a, 14b tilpasset asymmetriske koaksiallednin-

ger 15a hhv 15b. Et elektronisk omkoplingsrele 16 gjør det mulig, etter ønske å kople de to koaksialledninger via led-

ning 16 til den ikke nærmere viste opptagningsapparatur som er på overflaten og hvor signalene blir nedtegnet etter tur og vurdert ifølge en fremgangsmåte som er nærmere om-

talt nedenfor.

Rammene av korsrammeanordningen 2 inneholder til enhver tid

bare en vinding og er ikke avstemt, men de er med sin reak-

tans tilnærmet tilpasset den forventede båndmidtefrekvens på kabelimpedansen. Ved ohmsk belastning via forsterkerinngan-

gen er rammene dermed bredbåndet effekttilpasset.

Da retningsdiagrammet for en rammeantenne er en 8-kurve el-

ler dobbeltsirkel-kurve, er retningsbestemmelsen med anten-

nen ifølge fig. 1 tvetydig, dvs. det fremkommer to retnings-angivelser med 180° forskjell. For en nøyaktig bestemmelse kreves ytterligere en måling.

Anordningen ifølge fig. 2 muliggjør en entydig retningsbestemmelse. Korsrammen 20 er blitt komplettert med en ekstra rundmottagerantenne 21. Denne stavformede antenne 21 er fortrinnsvis en usymmetrisk matet dipol eller en foldet-topp antenne.

("Sperrtopfantenne"). Ved antenneanordningen ifølge fig. 2

blir matekabelen for rundmottagerantennen 21 ført gjennom et rør 23 i sentrum av korsrammen 20. Det dreier seg her fortrinnsvis om et ledende metallrør, som av hensyn til sym-metrien for rammekarakteristikken forløper nøyaktig sentrert i rammens lengdeakse. Tverrforbindelsene 24 for rammesidele-

derne 22 blir med fordel lukket på en enkel måte via en føringsring 25 for metallrøret 23. Slik unngår man effek-tivt en gjensidig påvirkning av de to delsystemer 20, 21 av antenneanordningen, og korsrammens 20 retningskarakteristikk blir uforstyrret bibeholdt. Da signalene som induseres i korsrammens 20 rammeantenner ifølge induksjonsloven er 90° faseforskjøvet overfor det elektriske felt som opptas av rundmottagerantennen 21, blir det koplet en 90°-hybrid-kopler 26 i antennemateledningen for rundmottagerantennen 21. Den tredje arm 27 av denne T-kopler 26 kan enten avsluttes med en impedansmotstand eller, som vist, brukes som trigger-signalkilde for den opptagende apparatur. Foruten trigger-signalet, som virker som tidsreferanse for alle opptagninger, kan det via to koaksialreleer 28, 29 for den ikke viste opptaksapparatur valgfritt tilføres signalet fra rundmottagerantennen 21 eller et av de to ortogonale rammesignaler. Anordningen med symmetreringstransformatorene 14a og 14b svarer til det som er vist i fig. 1.

Ved bruk i praksis vil avstanden mellom rundmottagerantennen 21 og rammeantennen 20 føre til den opptakssituasjon som er vist i fig. 3. Den egentlige senderantenne 30 er aksialt at-skilt fra antenneanordningen som dannes av rammeantennen 20 og rundmottagerantennen 21 og er opptatt i samme sondelegeme, nedenfor opptaksanordningen. Den geometriske konfigura-sjon som er vist i fig. 3, hvor bølgetogene som går ut fra senderantennen 3 0 blir reflektert på reflektorene og R2, fører til at ekkoene som opptas av R^ hhv. R2 ved 20 og 21 viser tilsvarende løpetids-differanser. Disse løpetidsdiffe-ranser, som i fig. 3 er angitt med At relativt den sentrale stråle, må beregnes og korrigeres for hvert enkelt ekko.

Fig. 4 viser en ytterligere bedret antenneanordning 40 med tilhørende koplingsdeler som er anordnet i sondelegemet.

Ved denne bedrede antenneanordning er det ikke nødvendig med en etterfølgende beregning av løpetidsdifferansen og utledning av en tilsvarende korreksjon, da antenneanordningens 40 deler er kombinert slik at de har et felles elektrisk sentrum. Antenneanordningen 4 0 består av to avbrutte korsrammer 401, 402, som via en utkoplingskopling 50 er koplet slik at de to rammekonstruksjoner 401, 402 også kan benyttes som halvdeler av en dipol-rundmottagerantenne.

Utkoplingskoplingen 50 omfatter symmetreringstransformato-rer 41, 42 for nedre korsramme 401 og 43, 44 for øvre korsramme 402. Utgangene for delrammene som ligger i samme plan, dvs. utgangene for transformatorene 41 og 4 4 på den ene side og 42 og 43 på den annen side, blir addert via hvert sitt sum-meringsledd 46 hhv 47 og på denne måte ført sammen til de to vanlige ortogonale rammeutganger. Midtre primærvikling av transformatorene 41, 42 for nedre korsramme 401 og 43, 44

for øvre korsramme 402 er koplet i mottakt til primærviklin-gen for ytterligere en symmetreringstransformator 45. Dermed står den elektriske differanse-EMK mellom de to korsrammer ved transformatorens 45 utgang, slik at korsrammene virker som en dipolantenne. Tilpasningsnettverkene anordnes i det elektriske sentrum mellom de to korsrammer, som skje-matisk vist i fig. 4. Utgangsledningene blir med fordel ført ensidig ut gjennom et rør 48 i aksen for den korsramme 402 som ligger nærmest den egentlige opptaksapparatur, på lignende måte som ved anordningen ifølge fig. 2. Dette mu-liggjør en upåklagelig anordning av antenneanordningen i sondelegemer som er egnet for trange borehull.

Ved borehull sonder med stor kaliber er det en mulighet for

at induktiviteten av rammeflaten som dannes på grunn av den nødvendige dipollengde antar verdier som er for høye for en resonansfri bredbåndavstemning. De egentlige rammer 401,

402 kan da gjøres kortere og forsynes med sentrerte forlen-gelser 49, som begynner ved de nøytrale rammeforbindelses-punkter 403 hhv 404 og til tross for forkortelsen av de egentlige rammer gjør det mulig å arbeide med elektriske dipoler med optimal lengde.

For videreføring av antennesignalene er releanordningen med 9 0° hybridkopler, som vist i fig. 2, anordnet.

Ved antenneanordningen ifølge fig. 4 vil midtpunktene for ramme- og rundmottagerantennen falle nøyaktig sammen på grunn av den konstruktive anordningen, slik at løpetidskor-rigering ikke er nødvendig.

De ovenfor omtalte korsrammer er til enhver tid fast anordnet i sondelegemet. For retningsbestemmelse er det ikke nødvendig å dreie rammen. Det er nok å fastslå den geografiske plassering av sonden for hvert målepunkt, for at innfallsretningen av de reflekterende lag skal kunne innordnes i geografiske koordinater. For dette formål er det f. eks. montert et magnetkompass-system i sondelegemet, og utslaget fra dette system blir registrert i hvert målepunkt og blir elektrisk overført til opptaksinnretningen på overflaten. Slike magnetkompass-systerner er i og for seg kjent.

Foruten kompassinformasjonen blir det ved hvert målepunkt med utførelsesformene ifølge fig. 2 og 4 tatt opp

a) mottaksverdiene av rundmottagerantennen,

b) mottaksverdiene av en antenneramme og

c) mottaksverdiene av antennerammen som er ortogonal til

sistnevnte.

Fra disse data kan retningsinformasjonen for en valgfri, teoretisk antatt dreievinkel av en rammeantenne oppnås ved vektoriell addisjon av de mottatte spenninger. Med et data-behandl ingsanlegg som kan koples til opptaksapparaturen og benyttes til vurdering, kan det følgelig simuleres en dreining av rammeantennen i valgfrie vinkeltrinn, slik den kunne vært gjennomført under opptak ved en mekanisk dreibar rammeantenne.

Den fremgangsmåte som er kjent fra radioteknikken og går ut på å oppnå en kardiodid med entydig nullstilling ved at det mottatte signal til en rundmottagerantenne koples faserik-tig inn i signalene for rammen som ligger koaksialt med denne, er i prinsippet ikke anvendelig ved de bredbåndige, pulsformede radarekko-signalene. En viktig forutsetning for signaloverlagring er en vidtgående lik signatur av pulsfor-men for begge antennesignalene. Dette er i prinsippet til-felle ved de smalbåndige sinussignaler som er vanlige i radioteknikken. Ved den sammensatte form av radarsignalene, kan egenartene av de to antennetypene i praksis ikke bringes til slik overensstemmelse at en fullstendig slokking på et definert nullsted blir upåklagelig gjenkjennelig. Derimot kan signaltogenes relative fasestilling gjenkjennes ganske godt.

Til vurdering vil det derfor være hensiktsmessig at man for hvert enkelt ekkopulstog først finner ut vinkelen for ett av de to nullsteder som hører med til rammens retningsdiagram, alene ved rammeantenneinformasjonen. Til kontroll av resultatet, kan også det andre nullsted bringes på det rene. Ved entydige forhold må andre nullsted ligge nøyaktig 18 0° forskutt i forhold til første nullsted. Deretter bestemmes rammesignalets maksimum, f.eks. ved høyredreining, og dette blir vist sammen med rundmottagersignalet. Hvis begge signaler er overveiende faselike, er innfallsretningen lik nullsignalvinkelen + 90°, er signalene i motfase, er innfallsretningen lik nullsignalvinkelen - 90°.

Denne fremgangsmåte gjør det mulig å vurdere de radarsignaler som mottas med en anordning ifølge fig. 2 eller fig. 4 på en rask og effektiv måte og dermed å konstatere signale-nes innfallsretning.

Fig. 5 viser et praktisk eksempel på vurderings-prosedyren for bestemmelse av innfallsvinkelen.

De tilsvarende vektorielt adderte rammeantennesignaler er nedtegnet i en bestemt orientering til nordretningen og i 15° trinn. På et egnet sted (51a, 51b) er dipolmottagersig-nalet, 180° forskutt, tonet inn på begge sider.

Ekkoet 1 har sine minsteverdier ved 52a og 52b. Som innfallsretning vil de to retninger perpendikulært på dette

komme på tale.

En signatursammenligning med dipol-opptaket viser faselikhet ved 53a, i motsetning til 53b. Dermed er innfallsretningen gitt fra den side hvor det er faselikhet (54).

Ekkoet 2 har minsteverdier ved 55a og 55b. Signatursammenligning med dipolen viser faselikhet ved 56a og motfase ved 56b. Således viser pilen 57 innfallsretningen.

Claims (4)

1. Mottagerantenne for bruk i en sonde for elektromagnetisk borehullslogging hvis retningsdiagram i forbindelse med en vurderingsapparatur, som er koplet til antenneanordningen, muliggjør utledning av måleverdier som karakteriserer innfallsretningen for de signaler som tas opp, karakterisert ved at den består av en firkantet korsramme (2; 20; 401, 402) hvis lengdeakse i det vesentlige faller sammen med sondelegemets (1) lengdeakse, og hvis lederpartier (11; 22) parallell med lengdeaksen er anordnet på sondelegemets ytterflate.
2. 2. Antenne som angitt i krav 1, karakterisert ved at lederpartier (11; 22) som er parallelle med lengdeaksen, er innleiret i spor som er utformet i sondelegemets (1) ytterflate.
3. 3. Antenne som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at sondelegemet (1) består av et iso-lerende materiale.
4. 4. Antenne som angitt i krav 1, karakterisert ved at lederpartiene som er parallélle med sondelegemets lengdeakse, i den ene ende som vender bort fra tilkopling-en til opptaksapparaturen, er forbundet ved en ytterring (13), som er felles for begge korsrammens rammer.