WO2013083114A2 - Verarbeitungseinrichtung für messdaten geophysikalischer untersuchungsmethoden, verfahren zur verarbeitung von messdaten geophysikalischer untersuchungsmethoden und geophysikalisches erkundungssystem - Google Patents

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WO2013083114A2
WO2013083114A2 PCT/DE2012/001173 DE2012001173W WO2013083114A2 WO 2013083114 A2 WO2013083114 A2 WO 2013083114A2 DE 2012001173 W DE2012001173 W DE 2012001173W WO 2013083114 A2 WO2013083114 A2 WO 2013083114A2
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Benjamin BOCHMANN
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Bochmann Benjamin
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V1/00—Seismology; Seismic or acoustic prospecting or detecting
    • G01V1/003—Seismic data acquisition in general, e.g. survey design
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V3/00—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation
    • G01V3/38—Processing data, e.g. for analysis, for interpretation, for correction

Definitions

  • Processing device for measurement data of geophysical investigation methods method for processing measurement data of geophysical investigation methods and geophysical survey system
  • the present invention relates to a processing device for measurement data of geophysical investigation methods according to the preamble of claim 1, a method for processing measurement data of geophysical investigation methods according to the preamble of claim 9 and a geophysical survey system according to the preamble of claim 10.
  • Geophysical survey methods are used in applied geophysics, which includes basic research as well as reservoir exploration and development. Numerous methods of investigation are used, including geoelectrics, geomagnetics, magnetotellurics, seismics and seismology.
  • the MagnetoUurik is a method known from US 2677801 A, in which about the measurement of the variable magnetic field and ground potentials on the earth's surface statements about distributions of the electrical conductivity of the near-surface soil layers of the lithosphere (30 to 100 km) and the upper mantle up to some a hundred kilometers can be made. These conductivity distributions provide information about the structuring and composition of the earth.
  • magnetotellurism is used for reservoir exploration and development, eg of oil and gas, ore and water resources, or for geothermal energy, but also in questions of final disposal on landfills and disposal of contaminated sites. Near-surface structures up to a maximum of 10 km are investigated, which are still accessible with holes.
  • geophysical basic research is interested in the properties of the mantle, which can no longer be studied invasively, but with methods of seismology and magnetotellurics. Magnetotelluric uses the natural .Variations of the magnetic field of the
  • the variable magnetic fields generate eddy currents in the more or less conductive earth whose potential differences on the earth's surface can be measured by means of bottom electrodes.
  • the penetration depth of the magnetic fields is frequency-dependent; Higher frequency fields are attenuated more with increasing depth than low frequency, which can be explained by the skin effect.
  • Magnetotellurik either the natural variations of the earth's magnetic field are used, or, as in the Controlled Source MT or Radiolotellurik, magnetic fields are artificially generated.
  • a vector magnetometer is connected to a magnetotelluric measuring station.
  • the ground potential differences are registered by means of ground electrodes, which are processed by differential amplifiers.
  • the signals from the sensors are first amplified and filtered, then digitized and stored as a digital time series.
  • the actual data evaluation (also called inversion) takes place on PCs, workstations or computing clusters, but not on the measuring instruments themselves.
  • the measurement data also called time series below, depending on the measurement time and observed periods several hundred megabytes to several gigabytes in size can be read out and transferred to the computer for data evaluation.
  • the demands on the dynamics of the magnetic field measurements are high:
  • the main field of the earth can be up to 60000 nT, while the largest magnetic field fluctuations interesting for the magnetotelluric are below 1000 nT.
  • it requires very high-resolution systems with very low inherent noise and high stability to distinguish measurement artifacts from natural fluctuations, on the other hand, the influence of artificial disturbances is not negligible in all places. Therefore, magnetotelluric measurements are usually carried out in areas remote from civilization in order to avoid artificial disturbances - eg those that occur through the mains primarily at frequencies at 50 and 60 Hz or caused by the railway network, which in Germany mainly disturbances in the Frequency 16.7 Hz caused.
  • the measurements are made in areas with little access, so that the total weight of the equipment to be transported substantially determines labor productivity.
  • the largest item in the weight balance is the power supply of the gauges, especially in explorations that can take weeks to months in basic science.
  • Such long measurement times are necessary for investigations of the upper mantle, are measured in the long periods with period lengths of 1000 to 10,000 s with the highest possible signal-to-noise ratio.
  • the weight of a complete typical measuring station can be 100 kg or more.
  • the typical measurement time in industrial geophysics is only 8 to 16 hours (see US Pat. No. 6,191,587 Bl Sp.4, line 51) and thus places significantly lower demands on the battery capacity and the power consumption of the measuring devices.
  • the data can only be evaluated if the deviations between the clock generators of the individual stations are low, so that the temporal assignment of the measurement signals is unambiguous.
  • Geophysical data recorder so measuring devices for recording temporal changes of electric and / or magnetic fields in the field of geophysics, have long been known (US 2 240 520 A). The data was initially recorded on paper or film strips. Still in the 1970s recording devices were widespread, with which the variations on magnetic or perforated tape were stored (see DE 1 623 103, p 16). As electronics development progressed, very high resolution recorders with robust and fast digital storage media, e.g. Hard disks or semiconductor memories. It is therefore often used to record the time series in the Magnetotellurik multi-channel recorder from the field of seismics, which are connected via external devices for signal matching to the magnetic field sensors and ground electrodes.
  • the power consumption of the device plays a central role in the feasibility of Magnetotelluric exploration, which is often done in rough terrain and is not accessible by car.
  • the measurement setup of a recorder with external signal conditioning takes a lot of space and thus further limits the usability in hard to reach areas or reduces the possibility to hermetize the system, for example, to use it for measurements on the seabed.
  • the purchase price also plays a role because the stations are usually not monitored during the measurement and thus a loss of the entire system must be taken into account.
  • Magneto-magnetic sensors usually use satured-core magnetometers (also called flux-gates) or induction coils with very high inductance.
  • the main field of the earth contains no sensor information in addition to the orientation of the sensor relative to the earth's magnetic field and is not used in the data analysis. Therefore, some sensors are used which record only the fluctuations, but not the main field. This makes it easy to resolve the field variations; a simple data recorder with 16-bit analog-to-digital converter and relatively low noise and stability requirements is sufficient.
  • the RAP apparatus works on this principle.
  • the disadvantage is that additional electric power has to be applied for the compensation of the main field.
  • the sensor is expediently aligned manually in the direction of the magnetic field so that at least one of the three component sensors is perpendicular to the field and does not have to be compensated.
  • the sensor Once the sensor has been adjusted and compensated, it must not be moved during the measurement so that the sensors do not overdrive.
  • full-range sensors are used which can also record the main field of the earth and are thus position-independent, because the magnetic field is determined by measuring the three components.
  • the lower power consumption and the smaller dimensions are also advantageous due to the omission of the compensation.
  • Satellite time synchronization methods are usually not provided in sea and seabed systems.
  • a / D converters in geophysical data recorders today are almost exclusively sigma-delta converters, which are described in US Pat. No. 4,866,442.
  • Each individual channel either has its own A / D converter, or an A / Dr converter scans several channels with the aid of a multiplexer.
  • the multiplexer switches the signals at different times to the A / D converter (DE 2043538 A, US Pat. No. 5,770,945 A or US Pat. No. 7,772,477 B2).
  • Using a multiplexer can reduce circuit complexity and reduce power consumption.
  • the differential error between the channels is reduced because only one A / D converter scans all channels. In some applications, however, the constant temporal offset between the individual time series is disturbing.
  • the clock generator of a geophysical recorder is a critical element, since the recorder has to remain extremely stable over time over a long period of time and under the influence of the environment, and in the case of magnetotellurics it also has to make do with very low power consumption. This precision is necessary in order to obtain the synchronicity of the time series for the evaluation after the measurement.
  • Ultrastable, oven-stabilized clock generators as used in US Pat. No. 6,191,587 B1, are not suitable in the current state of the art because of the high power consumption and the limited permissible working temperature range, especially at temperatures below 0 ° C.
  • the data is usually also transmitted via serial (RS232, RS422 or RS485, USB or 1 EEE 1 394) interfaces, whereby only RS232, I EEE 1 394 and USB are available as standard interfaces on laptops, but the cable length is limited to a few meters , For the faster RS422 or RS485, which also allow long connections, special hardware is necessary.
  • serial RS232, RS422 or RS485, USB or 1 EEE 1 394
  • the interfaces are also used to control the device, optimize the structure (position of the magnetometers) or control the condition, eg. the battery voltage or the temperature.
  • the interfaces mentioned above is the need to install special software on the evaluation computer in order to enable the control of the recorder (cf US 6 191 587 B1, division 10, lines 1 5 ff.). In many cases, the measurement must be stopped so that the data can be read out.
  • the object of the present invention is to provide a flexible geophysical measuring system for both basic research and industrial geophysics.
  • the system should meet the conditions of basic research on the measurement accuracy (signal-to-noise ratio, etc.) and stability (temperature drift, long-term stability) even under adverse environmental conditions with manageable total weight (achievable by low power consumption and accordingly lighter batteries).
  • the technical progress of the full-range sensors should be able to be used, whereby the actual dynamic range of the measuring system must be sufficient to carry out measurements of the field variations with comparable accuracy to existing systems with narrow-bore sensors.
  • the invention should provide high productivity in industrial geophysics, which is achieved by reliability, ease of operation and simple design. It should also be used in hard to reach places and can be used relatively inexpensive for seabed studies.
  • the inventors have recognized that although a technical advance in the last decade in the field of battery-powered digital signal processing has taken place, so that, for example, more powerful and faster processors with lower power consumption, for example, for use in smartphones have been developed, but these advantages relativize the increasing chip complexity.
  • the higher the number of transistor functions integrated in a processor the greater the number of undocumented errors present in each processor, which, under normal conditions, are often not dramatic. impact, but can cause data loss on real-time systems exposed to extreme conditions.
  • the object of the invention could not be solved on the basis of a conventional standard single-board computer, since this insufficiently meets the high demands for a wide operating temperature range, reliability of all components and the framework regarding the power consumption, the minimum reaction time, the mechanical dimensions, the specific voltage - and could meet the clock supply.
  • standard components are almost always available for only a few years. It was therefore operated a complete self-development.
  • the processing device for measurement data of geophysical investigation methods comprises an analogue part with at least one input for a geophysical sensor and an analog-digital converter, a digital part for further processing of the digitized signals and at least a power supply, and is characterized in that a digital signal processor is provided for controlling the functions of the analog part and the digital part.
  • a digital signal processor is provided for controlling the functions of the analog part and the digital part.
  • a digital signal processor differs from conventional processors in its parallel bus architecture and simplified execution units.
  • Digital signal processors enable data processing with very short latency and delay times, even at low system clock rates, resulting in a particularly good ratio of signal processing speed to power consumption.
  • DSPs are less flexible because they generally have significantly less memory resources, very primitive memory management, and no standardized floating-point units.
  • the DSP instruction set is not compatible with standard processors due to the special architecture. Therefore, there are only specially adapted operating systems for each DSP, mostly for signal processing tasks. Typically, DSPs are therefore used exclusively for time-critical signal processing tasks and combined with standard processors that use an available embedded operating system to handle the remainder of the non-time critical tasks.
  • the analog part has a low-pass filter which is adapted to essentially not filter artificial disturbances in the measurement data so that they are also digitized, and the digital part has a low-pass filter adapted to the artificial disturbances in the digitized signals (time series).
  • the low-pass filter in the digital part does not have to be physical, but can also be analytical.
  • the low-pass filters (anti-alias filters) in the analog part can be used to digitize artificial interference (16.7 Hz and 50 or 60 Hz) and only completely in preprocessing of the time series by means of digital filters in the digital part be removed.
  • the analog circuit complexity can be simplified so that it fits into a relatively small housing.
  • the digital signal processor is adapted to handle the control of the analog part and the recording of the measured data and possibly a control of the means for data transmission and possibly a data storage substantially simultaneously, then particularly short reaction times to external events are achieved by the fact that with the customized software
  • the DSP can be adapted to prioritization of the tasks to be performed. External events can e.g. the reading of A / D converters, but also the control of amplifier stages.
  • the low-pass filtering of the digitized signals and possibly further signal processing (preprocessing) as well as the time synchronization are processed substantially simultaneously.
  • software in particular assembler-optimized software, is implemented in the digital signal processor, which records the measurement data, the calibration of the analog-to-digital converter, the low-pass filtering of the digitized signals and the further signal processing (preprocessing) Time synchronization, the monitoring of the processing device and the data storage processes substantially simultaneously.
  • This software in particular the assembler-optimized software, is exclusively specialized in the above-mentioned tasks and thus achieves significantly shorter reaction times. ons and processing times as solutions based on standard real-time operating systems (RTOS from various manufacturers or Real Time Linux).
  • the DSP remains almost exclusively in the non-active state (idle), in which the current consumption is negligible.
  • the usual embedded processors have longer transition times from idle to active mode by a factor of 100 to 1000 due to their computer architecture, which is usually obsolete for compatibility reasons.
  • the processor While the processor is inactive during the transitional periods, it consumes the normal operating current. The longer the transition time from the idle state to the active state, the lower the maximum data rate and the higher the power consumption.
  • the response time and the minimization of power consumption can be provided that the data is not organized on the storage medium with either the usual in the PC field file systems or a conventional real-time file system, but by a specially adapted and fault-tolerant file system , which offers defined maximum access times while optimally exploiting the data transfer rate of the storage medium. It must also allow a clear recovery of the still readable records even with partial damage to the disk, while the processor or signal processor require a minimum of administrative work and low memory usage.
  • the data stream to be stored in a file is subdivided into individual data blocks written on the medium.
  • the size of the data blocks is chosen so that it coincides with the predetermined classification or addressing of the storage medium.
  • a fragmentation of the data stream or the file is prevented by the deletion of individual files associated with a release of the storage space of the file to be deleted is not permitted, but only a complete deletion of the storage medium is provided.
  • the file system differs from many known systems because in most applications this limitation is unacceptable.
  • the functionality of a data recorder with very large and removable memory is not significantly limited.
  • a common system clock is provided for analog part and digital part, which is in particular a temperature-compensated clock generator (TCXO).
  • TCXO temperature-compensated clock generator
  • the temperature drift of the clock is minimized by the use of a temperature compensated clock generator, which, in contrast to oven-stabilized oscillators (OCXO), does not significantly add to the overall power consumption of the system.
  • a satellite receiver for determining time and position data eg GPS or Glonass
  • the digital part .bevoryak adapted to determine the satellite receiver position data for the processing device and / or a time reference to with their Help to synchronize the system clock.
  • At least two, preferably five inputs for measurement data in particular two Tellurikkanäle and three magnetometer channels, provided which are connected together with the analog-digital converter.
  • the magnetotellurics can then be used as a geophysical investigation method, whereby the processing of the measurement data of the individual channels takes place virtually simultaneously. It is possible to process the measurement data of all channels via an analog-to-digital converter, if it is connected in a time-shifted manner via a multiplexer to the individual channels and it is ensured that no mutual interaction takes place between the channels. This is done for example by an electromagnetic shielding of the individual channels with each other.
  • Crosstalk is, moreover, frequency-dependent and completely negligible at frequencies of less than 100 Hz, that is to say the frequencies of less than 10 Hz of interest for magnetotellurics.
  • Interference voltage pulses due to the parasitic capacitances of the multiplexer are effectively prevented by correspondingly adapted measuring pauses, wherein the decay time of the voltage pulses is adjusted by a suitable choice of the input impedance.
  • the time series between the channels have a constant time offset, but this time offset can be compensated with the aid of digital filters in the DSP.
  • At least one telluric amplifier which includes at least one zero-drift instrument amplifier, also called auto-zero instrument amplifier, because it is characterized by a particularly low noise spectrum uniformly distributed over all frequencies in the low-frequency frequency range below 1 Hz. They belong to the family of clocked amplifiers, which include the chopper-stabilized amplifier, but in contrast to the zero-drift amplifiers are characterized by a parasitic ripple at the amplifier output, which can affect the signals as a noise voltage. Untacted amplifiers have a 1 / f noise characteristic, i. H. the noise power density reciprocally increases with decreasing frequency below a corner frequency of 10 to 100 Hz to the frequency.
  • At least one input has an input resistance of greater than or equal to 1 ⁇ , preferably greater than or equal to 100 ⁇ , and in particular greater than or equal to 1 G ⁇ .
  • the resistance of the solid earth varies in the range of a few ⁇ up to about 100,000 square meters (see US 6,191,587 Bl, Sp.4, line 27).
  • the high input resistance is necessary since the potential difference can only be measured precisely if the input resistance of the telluric amplifier is several orders of magnitude higher than the maximum resistance between the bottom electrodes.
  • the analog part of the digital part is designed to be removable, can be made in a very simple and inexpensive way, an adaptation of the device to other methods of investigation, that is, to the sensors to be used.
  • an adaptation of magnetotelluric to seismic applications can take place.
  • This can be ensured with the digital part according to the invention, because this is tailored primarily to the needs in geophysical applications. For example, this has the lowest possible power consumption at low clock rates required in magnetotellurics, while, for example, seismics also have the possibility of being able to record rapidly variable measured variables, such as sound waves. This is made possible by the high data processing speed and the low response delay of the digital signal processor.
  • the processing device except for a preferred for the start-stop function for special measurement scenarios provided for actuating means dispensed with other means for operation on the device and means for checking are reduced to a single status display.
  • the processing device has functions for predefining the measurement task and the automatic triggering of data acquisition and far-reaching control options via one or more interfaces, such as Bluetooth, WLAN, LAN, GPRS, UMTS, Ethernet and the like., Which may also be active during the measurement. With these functions and interfaces, a manual control or a control directly at the processing device can be dispensed with in most measurement tasks. Then the processing device is particularly simple and robust.
  • At least one input is protected against electrical surges ver, in particular an adapted and multi-level protection against lightning strikes effectively bridged the unacceptably high input voltages with very low response time and so the risk of destruction of the preferably extremely high permissible input voltages Amplifier minimized by lightning strikes.
  • the lightning protection can be realized, for example, by a combination of very rapidly switching semiconductor components, gas discharge tubes and classic fuses. By suitable choice of the components, it can be achieved that the voltage at the amplifier inputs does not reach critical values due to the discharge of the charge. In the case of very high-energy surge pulses, which occur very rarely, the amplifier inputs are finally completely separated from the overvoltage-conducting electrodes by the response of the fuses.
  • the input of the amplifier with a passive RC filter is protected against high-frequency electromagnetic interference.
  • Particularly advantageous means for retrieval are provided. These may be designed, for example, as a means for transmitting the position of the processing device and / or as a means for emitting light, in particular at least as a flash lamp. Then, even in rough terrain, and in particular when strong weather conditions are expected to occur and / or when animals are exposed, retrievability can be guaranteed even during long measurement campaigns.
  • geophysical survey system with one or more geophysical sensors, preferably magnetometers and ground electrodes for use in magnetotellurics or sensors for use in seismics, and a device for processing the measurement data generated by the sensors characterized in that the processing device according to the invention is provided. Furthermore, means are preferably provided for storing the processed measurement data, which in particular are likewise controlled by the DSP.
  • the networking of the system for the control and data acquisition of measuring arrays, as used in the profiling technique in magnetotellurics. can be used with standardized transmission methods (eg Ethernet) also for real-time applications.
  • remote maintenance via cellular networks may be used to read the measurement data and control the processing equipment.
  • GSM Global System for Mobile communications
  • the decor is relatively inexpensive. Another cost advantage results from the use of the compared to the narrow range sensors comparatively favorable full-range sensors.
  • the device is very robust due to its reduced complexity, by the integration of all digital data processing tasks on a single signal processor, and redundant design of "storage media and power supplies, the fault-tolerant file system and the use of highly reliable components from aircraft and vehicle construction. Due to the adapted anti-alias filter in combination with digital fil- tern, the device is insensitive to civilization disturbances. There is no need for specialist staff to set up the facility: telemetry and satellite synchronization antennas are integrated into the facility, and measurement data acquisition and satellite-time synchronization can be performed automatically.
  • the device can be integrated into existing measuring systems via Ethernet.
  • FIG. 2 a, 2 b show the processing device according to the invention of the geophysical survey system according to the invention according to FIG. 1 in a preferred embodiment in a perspective view of the front side (FIG. 2 a) and the rear side (FIGS
  • FIG. 3 shows the processing device according to the invention according to Fig. 2a, 2b in a schematic block diagram representation.
  • FIG. 1 shows, purely schematically, the geophysical exploration system 1 according to the invention in a preferred embodiment in use on land, for example for basic research.
  • the exploration system 1 has one or more processing devices 11 for measurement data of geophysical investigation methods, in this case magneto-technology.
  • the processing devices 11 are set up at a remote civilization site in the field.
  • the power is supplied by batteries 48 and 49, wherein a power supply, for example, as a solar module or fuel cell can be performed.
  • a power supply for example, as a solar module or fuel cell can be performed.
  • To the signal recording device 11 at least three, usually four bottom electrodes 35 are connected, which are designed in L or X position.
  • the magnetometer 34 is installed a few meters away from the processing device 11 to keep it away from static magnetic fields and electromagnetic fields. The orientation of the magnetometer 34 may vary. Wireless communication as well as satellite synchronization and location can be done with the dome antenna 206 mounted on the device.
  • FIG. 2a, 2b show purely schematically the processing device 11 according to the invention of the geophysical survey system 1 according to the invention according to FIG. 1 in a preferred embodiment in perspective views, FIG. 2a showing the front side and FIG. 2b the back side.
  • Storage media can also be easily changed in the field by opening the watertight flap 201.
  • Connector 202 is used for data transmission and control as well as control via Ethernet. To the connectors 203 and 204, the operating voltage is applied.
  • the antennas for the wireless data transmission 55 or for the satellite synchronization 58 are designed as a compact and unbreakable dual domed antenna 206.
  • a status display 207 and a button 205 on the upper side of the housing, which can have various predefined functions, eg that of a start / stop button.
  • a status display 207 and a button 205 on the upper side of the housing, which can have various predefined functions, eg that of a start / stop button.
  • the input 210 is the ground terminal.
  • the magnetometer 34 is connected to the connector 213.
  • FIG. 3 shows the processing device 11 according to the invention according to FIGS. 2a, 2b in a schematic block diagram representation for explaining the interaction of its parts. It can be seen that processing device 11 has an analog part 30 and a digital part 31.
  • the analog part 30 is specially designed for the Magnetotellurik low clocked with 5 inputs 32, 33, namely 3 inputs 32 for magnetometers 34 and 2 differential inputs 33 for bottom electrodes 35.
  • a ground terminal 36 is provided, to which also an electrode is connected.
  • the analog part 30 further comprises a magnetometer section 37 associated with the magnetometer inputs 32 and a telluric section 38 associated with the bottom electrode inputs 33. Each input of the magnetometer section
  • Figure 37 has an amplitude adjustment in the form of an amplifier or attenuator, over-voltage protection and a low-pass filter, and each input of the telluric section
  • both the magnetometer section 37 and the telluric section 38 are connected on the output side to the input of an analog-to-digital converter 39, which transmits its signals to the digital part 31.
  • the digital part 31 has a digital signal processor 40, a power supply 41, a system clock 42 and system timer 57, as well as a telemetry module 43 (for example for GPRS or UMTS) and a satellite synchronization module 44 (for example GPS and / or Glonass).
  • the digital signal processor 40 has directly connected Memory modules 45, 46, formed, for example, as CompactFlash cards, and a network controller 47, and is suitably programmed to control the data acquisition, calibration, preprocessing, data storage and transmission, time synchronization and monitoring of the device.
  • the power supply 41 is fed by two batteries 48, 49 and supplies via corresponding electrical lines 50, 51, 52, 53 the digital signal processor 40, the telemetry module 43, the satellite synchronization module 44, the analog-to-digital converter 39 , the magnetometer 34 and the magnetometer section 37 and the telluric section 38.
  • the system clock 42 provides both the digital signal processor 40 and the analog-to-digital converter 39 a system-wide clock. Controlled by the digital signal processor 40, the clock of the system clock generator 42 is checked and readjusted with the aid of the determined time base of the satellite synchronization module 44 with the antenna 58. The system timer 57 is also synchronized via the satellite synchronization module.
  • the data is taken from the processing device 11 either via the wired network 54 or via the telemetry module 43 to the antenna 55 by means of a mobile computer 56 or other suitable data processing equipment, which also take over the setting of the processing device 11, which otherwise only a configurable button 205 (eg for start / stop) and a status display 207 has.
  • both the power supply 48, 49 and the data storage 45, 46 are designed to be redundant in order to enable uninterrupted operation during maintenance and to increase reliability on the one hand.
  • all conventional storage media 45, 46 and types of batteries, in particular 12V batteries can be used.
  • Supporting a solar module or a fuel cell can be used at one of the power supply terminals 48 or 49. If all supply voltages fail, the fault-tolerant file system ensures that the previously written data can be uniquely assigned in each case and read out when the supply voltage is restored.
  • the main static magnetic field of the earth including the variations with the vector magnetometer 34 (triaxial) can be recorded, whereby the variations of the electric fields from ground potential di ferences with the two base electrode pairs 35 and the earth electrode 36 are measured ,
  • These sensors 34, 35, 36 are connected to the processing device 11, in which the measurement signals are processed and stored as digital time series with a high-accuracy time base which has less than 1 ppm of frequency deviation over the entire operating temperature range.
  • the device is usually left unattended to avoid artificial interference.
  • the reading of the time series is normally carried out during maintenance or after the measurement with a commercially available laptop 56, which is connected to the measuring device via the wired network 54.
  • the processing device 11 uses standard transmission protocols (HTTP, FTP, etc.) for this, so that any commercially available computer can be used with any common operating system.
  • HTTP HyperText Transfer Protocol
  • FTP FTP
  • the housing of the processing device 1 1 is waterproof and unbreakable. It prevents high-frequency electromagnetic scattering by completely enclosing the electronic circuits with a conductive material.
  • the antennas for the satellite synchronization 58 and for the telemetry module 55 are located on the top of the housing. Both antenna functions are realized with the dome antenna 206, wherein alternative for special measurement scenarios, the antenna signals can also be supplied via corresponding lines.
  • the two CompactFl ash storage media 45, 46 are accessible via a flap 201. All connectors are waterproof when plugged in as well as unplugged. Likewise, the flap is waterproof when closed.
  • a control lamp 207 on the upper side of the housing, which indicates the device status via a flashing code.
  • the entire electronics consists of two boards, namely the digital motherboard (digital part 31) and the analog board (analog part 30), which is arranged above the digital motherboard 31 and shielded by a conductive partition wall electromagnetically from the digital motherboard 31.
  • the magnetometer section 37 prepares the three analog output signals of the magnetometer 34 by means of an amplitude adjustment and bandwidth limitation by means of a low-pass filter and forwards the data to the analog-to-digital converter 39.
  • the inputs 32 of the magnetometer section 37 are protected against overvoltages that may occur in the wiring.
  • the analog portion 30 includes a telluric section 38 having two telluric amplifiers that produce a sufficiently amplified output signal from ground potential differences using zero drift instrumentation amplifiers. So that the measurement is not falsified, the input of the instrument amplifier has a significantly higher input resistance, as it occurs in common measuring arrangements with displays of 10 ... 100 m between the bottom electrodes.
  • the Tellurik amplifier has a multi-level lightning protection, which also derives high currents with such a short response time that the risk of destruction of the extremely high-impedance amplifier is minimized by lightning strikes.
  • the total of 5 channels namely the 3 magnetometer channels and 2 Tellurik channels, are digitized by a compared to the filter cutoff frequency of the analog low-pass filter fast clocked analog-to-digital converter 39 and arrive via board connector to the digital motherboard 31st
  • the low-pass filters operate so that the strongest artificial noise at the frequencies 16.7 Hz, 50 Hz and 60 Hz are attenuated, but the frequency components are attenuated in the high-frequency time series available. Only in prepro cessing the high-frequency time series by means of digital low-pass filters, these are completely removed on the digital mainboard 31 and converted into low-frequency time series. As a result, the analog circuit complexity can be simplified so that it fits into a relatively small housing. The lower analog circuit complexity can increase the signal-to-noise ratio, minimize temperature drift, and reduce power consumption.
  • the influence of temperature on the processing device is very low with offset drift forces of ⁇ 0.1 ⁇ / ⁇ or gain errors of ⁇ 1 ppm / K.
  • the entire analog part, including the analog-to-digital converter, requires an electrical power of less than 0.1 W.
  • the preprocessing comprises filtering of the time series by means of digital filters and decimation for noise reduction and data reduction. Digital filters are absolutely insensitive to environmental influences and can be designed much less noise than analogue filters.
  • the advantage in signal processing results from the combination of a simplified analog circuit with a further digital filtering. Remaining analog circuit artifacts can be further compensated with customized software algorithms.
  • the digital mainboard 31 supplies the modules on the analog part 30 via a voltage supply 41 and also derives the clock signal for the analog-to-digital converter 39 from the system clock, which is generated with the aid of a temperature-compensated clock generator (TCXO).
  • the digital signal processor 40 derives its clock signal from the system clock. This ensures that all essential components are supplied with the same system clock, so that work synchronously and thus have a lower electromagnetic Ab : radiation than asynchronous systems.
  • the system timer 57 is designed as a temperature-compensated oscillator, but has such a low power consumption that it can keep using a backup battery, the correct system time on voltage interruptions, eg during transport of the device. This proves to be particularly advantageous in operations where no or only a weak satellite synchronization signal is present.
  • the analog part 30 sits as a plug-in board on the digital motherboard 31 and can thus be easily replaced by another application-specific analog part, e.g.
  • the processing device 11 can be set up as a magnetotelluric processing device 11 in the present case, but also as a seismic processing device.
  • the Digital Motherboard 31 is primarily designed for field use in geophysical applications and offers versatile uses. It is responsible for data processing processing speeds up to about 1 million readings per second, which can occur in seismic applications with many geophones in total. The power consumption depends on the maximum frequency of the measured variable and achieves values of ⁇ 0.2 W at the very low frequencies in the magnetotelluric system.
  • the analog part 30 and the digital part 31 together weigh 300 to 500 g.
  • the weight of the processing device 11 is from 1 to 3 kg.
  • a digital signal processor 40 that handles data acquisition, analog-to-digital converter 39 calibration, time series preprocessing, data storage and transmission, time synchronization and monitoring substantially simultaneously.
  • an assembler-optimized software is implemented, which is specialized exclusively on the above tasks and is not based on commercially available real-time operating systems.
  • the data stream can be optimized to a minimum latency and to a maximum throughput, on the other hand one can make the best possible use of the power-saving functions of the signal processor in idle mode.
  • transition times between idle mode and active mode which are usually very short in signal processors, can be exploited in order to reduce power consumption with slowly changing measured variables and the associated low sampling frequencies.
  • Other popular processor types for more general applications which are generally suitable for battery-powered devices, usually have a factor of 100 to 1000 longer transition times and can therefore not or only inefficiently for those signal processing applications in which the power consumption is critical.
  • TCP / IP stack is also implemented in the signal processor, which is unusual due to the limited memory resources of the signal processor, but in this case significantly reduces overall power consumption, response time to external events, and circuit complexity.
  • the minimalist DSP design makes the processing device smaller, lighter, and less prone to interference than more complex mixed processor systems.
  • Magnetotellurik be used as a magnetometer 34 for the range of long periods triaxial saturation nuclear magnetometer 34, with which can be measured direct magnetic fields.
  • the required operating voltage is provided by the processing device 11.
  • the variations of the electric fields are detected by measurements of the potential differences between each two bottom electrodes 35 at intervals of 10 to 100 m.
  • the bottom electrodes 35 are dependent on the application and are therefore not part of the processing device 11 but of the system 1.
  • system 1 satisfies the harsh conditions of basic research to high dynamics and stability at low power consumption and on the other hand can increase productivity in industrial geophysics because of high reliability, compact dimensions, low weight and simplified operating concepts. Furthermore, it can also be used in a relatively inexpensive manner for seabed investigations in particular.
  • the applications of system 1 are not limited to only the magnetotellurics in all special forms, e.g. the Audiomagnetotellurik, the very-low-frequency method or (in combination with active transmitters) the Controlled Source Magnetotellurik, but also in the field of geoelectrics and geomagnetics, e.g. for archaeological prospecting.
  • it can be configured as a seismic recorder.
  • it can be easily adapted to different physical examination methods.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verarbeitungseinrichtung (11) für Messdaten geophysikalischer Untersuchungsmethoden, ein Verfahren zur Verarbeitung von Messdaten geophysikalischer Untersuchungsmethoden und ein geophysikalisches Erkundungssystem (1). Damit wird ein flexibel einsetzbares und robustes geophysikalisches Messsystem (1) sowohl für die Grundlagenforschung als auch für die industrielle Geophysik bereitgestellt. Dabei genügt das System (1) insbesondere den hohen Anforderungen der Grundlagenforschung an die Messgenauigkeit und weist andererseits für die industrielle Geophysik eine hohe Zuverlässigkeit bei unkomplizierter Bedienung und einfachem Aufbau auf. Weiterhin kann es insbesondere auch relativ kostengünstig für Meeresbodenuntersuchungen einsetzbar gemacht werden. Schließlich lässt es sich leicht an unterschiedliche geophysikalische Untersuchungsmethoden anpassen.

Description

Verarbeitungseinrichtung für Messdaten geophysikalischer Untersuchungsmethoden, Verfahren zur Verarbeitung von Messdaten geophysikalischer Untersu- chungsmethoden und geophysikalisches Erkundungssystem
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verarbeitungseinrichtung für Messdaten geophysikalischer Untersuchungsmethoden nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, ein Verfahren zur Verarbeitung von Messdaten geophysikalischer Untersuchungsmethoden nach dem Oberbegriff von Anspruch 9 und ein geophysikalisches Erkundungssystem nach dem Oberbegriff von Anspruch 10.
Geophysikalische Untersuchungsmethoden werden in der angewandten Geophysik eingesetzt, zu der die Grundlagenforschung, aber auch die Lagerstättenerkundung und -erschließung gehören. Hierbei kommen zahlreiche Untersuchungsmethoden zum Einsatz, worunter beispielsweise Geoelektrik, Geomagnetik, Magnetotellurik, Seismik und Seismologie zu nennen sind.
Die MagnetoUurik ist eine aus der US 2677801 A bekannte Methode, bei der über die Messung des veränderlichen Magnetfeldes und von Bodenpotenzialen an der Erdoberfläche Aussagen über Verteilungen der elektrischen Leitfähigkeit der oberflächennahen Bodenschichten der Lithosphäre (30 bis 100 km) und des oberen Erdmantels bis zu einigen hundert Kilometern gemacht werden können. Diese Leitfähigkeitsverteilungen geben Hinweise über die Strukturierung und Zusammensetzung der Erde. In der angewandten Geophysik wird die Magnetotellurik für die Lagerstättenerkundung und Erschließung, z.B. von Öl- und Gas- sowie Erz- und Wasservorkommen, oder auch für die Geothermie eingesetzt, aber auch bei Fragen der Endlagerung auf Deponien und der Beseitigung von Altlasten. Dabei werden oberflächennahe Strukturen bis höchstens 10 km untersucht, die mit Bohrungen noch erreichbar sind. Außerdem interessiert man sich in der geophysikalischen Grundlagenforschung für die Eigenschaften des Erdmantels, die nicht mehr invasiv untersucht werden können, jedoch mit Methoden der Seismologie und der Magnetotellurik. Man nutzt bei der Magnetotellurik die natürlichen .Variationen des. magnetischen Feldes der
Erde, die in der leitfähigen Ionosphäre entstehen und in erster Näherung als ebene Welle auf die Erdoberfläche treffen. Die veränderlichen Magnetfelder erzeugen in der mehr oder weniger leitfähigen Erde Wirbelströme, deren Potenzialdifferenzen an der Erdoberfläche mittels Bodenelektroden gemessen werden können. Die Eindringtiefe der magnetischen Felder ist frequenzabhängig; höherfrequente Felder werden mit zunehmender Tiefe stärker gedämpft als niederfrequente, was sich durch den Skin-Effekt erklären lässt. Bei der Magnetotellurik werden entweder die natürlichen Variationen des Erdmagnetfeldes genutzt, oder es werden, wie in der Controlled Source-MT bzw. Radiomagnetotellurik, Magnetfelder künstlich erzeugt.
An eine Magnetotellurik-Messstation wird ein vektorielles Magnetometer angeschlossen. Außerdem werden die Bodenpotenzialdifferenzen mittels Bodenelektroden registriert, die von differenziellen Verstärkern aufbereitet werden. Üblicherweise werden die Signale der Sensoren zuerst verstärkt und gefiltert, dann digitalisiert und als digitale Zeitreihe gespeichert.
Die eigentliche Datenauswertung (auch Inversion genannt) erfolgt auf PCs, Workstations bzw. Rechenclustern, jedoch nicht auf den Messgeräten selbst. Dazu werden die Messdaten, im Folgenden auch Zeitreihen genannt, die je nach Messzeit und zu beobachtenden Perioden einige hundert Megabytes bis einige Gigabytes groß sein können, ausgelesen und auf die Rechner zur Datenauswertung übertragen.
Die Anforderungen an die Dynamik der Magnetfeldmessungen sind hoch: Das Hauptfeld der Erde kann bis zu 60000 nT betragen, während die größten für die Magnetotellurik interessanten Magnetfeldfluktuationen unter 1000 nT liegen. Einerseits erfordert es sehr hoch aufgelöste Systeme mit sehr geringem Eigenrauschen und hoher Stabilität, um Messartefakte von den natürlichen Fluktuationen zu unterscheiden, andererseits ist der Einfluss künstlicher Störungen nicht an allen Orten zu vernachlässigen. Deshalb werden Magnetotellurik-Messungen meist in zivilisationsfernen Gebieten durchgeführt, um künstliche Störungen zu vermeiden - z.B. solche, die durch das Stromnetz primär bei Frequenzen bei 50 bzw.60 Hz auftreten oder durch das Leitungsnetz der Bahn bedingt sind, das in Deutschland hauptsächlich Störungen bei der Frequenz 16,7 Hz verursacht. Oft werden die Messungen in wenig erschlossenen Gebieten durchgeführt, so dass das Gesamtgewicht der zu transportierenden Ausrüstung wesentlich die Arbeitsproduktivität bestimmt. Den größten Posten in der Gewichtsbilanz stellt die Spannungsversorgung der Messgeräte dar, besonders bei Explorationen, die in der Grundlagenforschung Wochen bis Monate dauern können. Solche langen Messzeiten sind für Untersuchungen des oberen Erdmantels notwendig, bei der lange Perioden mit Periodendauern von 1000 bis 10000 s mit einem möglichst hohen Signal-Rauschverhältnis gemessen werden. Das Gewicht einer kompletten typischen Messstation kann 100 kg und mehr betragen. Im Gegensatz dazu beträgt die typische Messzeit in der industriellen Geophysik nur 8 bis 16 Stunden (vgl. US 6 191 587 Bl Sp.4, Zeile 51) und stellt damit deutlich geringere Anforderungen an die Batteriekapazität und die Leistungsaufnahme der Messgeräte.
In der Magnetotellurik haben sich verschiedene Messanordnungen etabliert. In der Grundlagenforschung werden 3 bis 10 Stationen im Abstand von einigen 10 bis 100 km aufgebaut, wobei jede Station das Magnetfeld und die elektrischen Feldkomponenten aufzeichnet. Das hat den Vorteil, dass lokale Störungen durch Vergleich mit den Daten der anderen Stationen sofort erkannt werden können. Unter bestimmten Umständen kann man bei der Dateninversion auch die Magnetfelddaten entfernter Stationen verwenden. Dieses Verfahren wird als Remote Reference bezeichnet (vgl. US 6 191 587 Bl, Sp. 9, Zeile 25). Das größte Problem bei der Interpretation der Messdaten in der Magnetotellurik ist die als static shift bekannte lokale Verzerrung des elektrischen Feldes. Man verwendet verschiedene sogenannte Profiling-Tech- niken, bei denen ein dichtes Netz aus vielen Messstationen aufgebaut wird, wie in US 6 191 587 Bl beschrieben wird. In diesem Fall reicht die Aufzeichnung des Magnetfeldes von einer Messstation.
Unabhängig vom Messaufbau können die Daten nur dann ausgewertet werden, wenn die Abweichungen zwischen den Taktgeneratoren der einzelnen Stationen gering sind, damit die zeitliche Zuordnung der Messsignale eindeutig ist.
Geophysikalische Datenrekorder, also Messgeräte zur Aufnahme von zeitlichen Änderungen von elektrischen und/oder magnetischen Feldern im Bereich der Geophysik, sind schon lange bekannt (US 2 240 520 A). Die Aufzeichnung der Daten erfolgte zunächst auf Papier- oder Filmstreifen. Noch in den 1970er Jahren waren Aufzeichnungsgeräte verbreitet, mit denen die Variationen auf Magnet- oder Lochband gespeichert wurden (vgl. DE 1 623 103, S. 16). Mit fortschreitender Elektronikentwicklung entwickelten sich vor allem im Bereich der weitaus länger als die Magnetotellurik etablierten Seismik sehr hochauflösende Rekorder mit robusten und schnellen digitalen Speichermedien, wie z.B. Festplatten oder Halbleiterspeichern. Man setzt zur Aufnahme der Zeitreihen in der Magnetotellurik daher oft mehrkanalige Rekorder aus dem Bereich der Seismik ein, die über externe Geräte zur Signalanpassung an die Magnetfeldsensoren und Bodenelektroden angeschlossen sind.
Damit müssen jedoch Nachteile, wie ein geringe Produktivität und hohe Anschaffungskosten in Kauf genommen. Die Kombination von Seismik-Rekordern mit externer Signalanpassung ist störanfälliger und aufwändiger zu verkabeln als voll integrierte Magnetotellurik-Systeme, es entstehen, zwangsläufig neue Fehlerquellen_durch die Übertragung von analogen Signalen über lange Leitungen, z.B. durch Thermospannungen oder Hochfrequenzeinstreuung. Für einen solchen Aufbau ist technisch versiertes Personal notwendig. Weiterhin sind mehrkana- lige Seismik-Rekorder nicht primär auf geringe Leistungsaufnahme optimiert, sondern auf maximalen Dynamikbereich in einem Frequenzbereich > 100 Hz, der für die Untersuchungen mit langperiodischer Magnetotellurik uninteressant ist. Seismik-Rekorder weisen meist eine Leistungsaufnahme von mehreren Watt auf. Bedenkt man, dass das Gesamtgewicht des Aufbaus meist durch den Akkumulator bestimmt wird, der notwendig ist, um eine gesicherte Spannungsversorgung sicherzustellen und in üblichen Messszenarien ein Gewicht von 100 kg und mehr aufweisen kann, spielt die Leistungsaufnahme des Gerätes ein zentrale Rolle bei der Durchführbarkeit von Magnetotellurik-Explorationen, die oft in unwegsamen Gelände durchgeführt werden und nicht mit dem Auto erreichbar ist. Außerdem nimmt der Messaufbau eines Rekorders mit externer Signalanpassung sehr viel Platz ein und beschränkt damit weiterhin die Einsetzbarkeit in schwer zu erreichenden Gegenden bzw. reduziert die Möglichkeit, das System zu hermetisieren, um es z.B. für Messungen auf dem Meeresgrund einzusetzen. Weiterhin spielt auch der Anschaffungspreis eine Rolle, weil die Stationen üblicherweise während der Messung nicht kontrolliert werden und damit ein Verlust des gesamten Systems in Kauf genommen werden muss.
Um diese Probleme zu beseitigen, sind Datenaufzeichnungsgeräte entwickelt worden, die eine Signalaufbereitung für Magnetometer, Tellurikverstärker und den eigentlichen Datenlogger enthalten. Bekannt sind für Messungen auf dem Land eine Eigenentwicklung der Universität Göttingen, im Folgenden RAP genannt (Steveling, E. ; Leven, M.: Stand der RAP-Gerä- teentwicklung. in: 15. Koll. Elektromagnetische Tiefenforschung, Höchst, Hrsg: K. Bahr (Göttingen), A. Junge (Frankfurt/M.), 1994.431-438), und das System der US 6 191 587 Bl sowie ausschließlich für Messungen auf dem Meeresgrund bestimmte Vorrichtungen nach US 5770945 A, US 2011 / 0031973 AI sowie US 7705599 B2.
Wegen der nur unzureichenden Fortschritte in der Entwicklung der Datenaufzeichnungsgeräte für die Magnetotellurik hat diese heute nicht den Stellenwert, den die Seismik einnimmt. Der Mangel an Magnetotellurik-Rekordern bremst den Fortschritt in der Grundlagenforschung, so dass immer noch auf Eigenentwicklungen zurückgegriffen wird (vgl. zum Beispiel: S. Golden, R. Roßberg , A. Junge, „Langperiodische MT-Messungen in einem See mit dem Langzeit-Datenlogger Geolore", 20. Kolloquium Elektromagnetische Tiefenforschung, Königstein, 29.09.-3.10.2003, Hrsg.: A. Hördt und J. B. Stoll, im Folgenden Geolore genannt). In der Magnetotellunk werden meist Sättigungskernmagnetometer (auch Fluxgate genannt) oder Induktionsspulen mit sehr großer Induktivität eingesetzt. Das Hauptfeld der Erde beinhaltet außer der Ausrichtung des Sensors relativ zum Erdmagnetfeld keine Sensorinformation und wird bei der Datenanalyse nicht weiter verwendet. Man setzt daher zum Teil Sensoren ein, die nur die Fluktuationen, jedoch nicht das Hauptfeld aufzeichnen. Damit lassen sich die Feldvariationen einfach auflösen; ein einfaches Datenaufzeichnungsgerät mit 16-Bit Analog- Digital-Wandler und verhältnismäßig geringen Anforderungen an das Rauschen und an die Stabilität ist dazu ausreichend. Nach diesem Prinzip arbeitet die RAP-Apparatur. Der Nachteil ist, dass für die Kompensation des Hauptfeldes zusätzliche elektrische Leistung aufgebracht werden muss. Außerdem wird zweckmäßigerweise der Sensor manuell in Richtung des magnetischen Feldes ausgerichtet, damit zumindest einer der drei Teilsensoren senkrecht zum Feld steht und nicht kompensiert werden muss.
Ein einmal justierter und kompensierter Sensor darf während der Messung nicht verschoben werden, damit die Sensoren nicht übersteuern. Alternativ verwendet man Vollbereichssensoren, die auch noch das Hauptfeld der Erde aufzeichnen können und damit lageunabhängig sind, weil das Magnetfeld mit der Messung der drei Komponenten festgelegt ist. Vorteilhaft ist neben der wegfallenden Sensorjustage auch die geringere Leistungsaufnahme und die geringeren Abmessungen durch den Wegfall der Kompensation. Allerdings stellen solche Sensoren um den Faktor 60000/1000=60 sehr viel höhere Anforderungen an die Messstation hinsichtlich des Eigenrauschens und der Stabilität, wenn mit der gleichen Genauigkeit gemessen werden soll. Es ist zwar möglich, Messstationen mit sehr rauscharmen Verstärkern zu konstruieren (z.B. DE 2043538 A), allerdings sind die Stationen wechselnden Umweltbedingungen ausgesetzt, vor allem erheblichen Temperaturschwankungen, und die maximale Leistungsaufnahme ist wegen der Spannungsversorgung aus Batterien deutlich eingeschränkt. Temperaturschwankungen verursachen eine unvermeidbare Drift der Sensorelektronik, einerseits wegen der Temperaturabhängigkeit der Bauelemente und zum anderen wegen Thermo- spannungen, die an sämtlichen Steckverbindern auftreten können. Die Temperaturdrift stört vor allem den Frequenzbereich unterhalb von 1 Hz, der in der Magnetotellunk ausgewertet wird. Weiterhin sind vor allem die extrem hochohmigen Tellurik-Verstärker durch die in großem Abstand platzierten Elektroden starken Überspannungen bei Gewitter ausgesetzt.
Ein Ansatz zur Reduzierung der Umwelteinflüsse liegt darin, die Messstation zu hermetisie- ren und die Messungen auf dem Seeboden durchzuführen, auf dem über lange Zeiten relativ gleichbleibende Temperaturen herrschen (vgl. Geolore). Dieses System ist jedoch auf ein Referenzsystem an Land für die magnetischen Komponenten angewiesen, da es nur die elektrischen Felder aufzeichnen kann. Eine zusätzliche hochauflösende Magnetfeldmessung würde schon auf Grund der Leistungsaufnahme selbst optimierter Magnetometer die Stromaufnahme um > 100 mW erhöhen. Bei US 5 770945 A beispielsweise liegt die Leistungsaufnahme bei
12 mA bei +/- 12 V (288 mW) pro Magnetfeldrichtung.
Bei Messungen auf dem Meer- und Seeboden werden hohe Frequenzen durch die leitfähige Wasserschicht stark gedämpft (vgl. DE 1 623 103, S. 5). Diese Tiefpasswirkung kann man nutzen, um den Schaltungsaufwand der Anti-Alias-Filter der Messstation zu minimieren. Außerdem herrschen im Wasser vergleichsweise günstige Messbedingungen für das elektrische Feld, so dass bei hinreichend niederohmigen Elektrodenwiderständen unter Umständen eine passive Signalfilterung.ausreichen kann.
Geräte, die für See- und Meeresbodenmessungen konzipiert- sind, können deshalb nicht ohne weiteres für Landmessungen eingesetzt werden. Hinzu kommt das Fehlen von Schutzschaltungen gegenüber elektrischen Entladungen (Blitzschutz), und es sind nur für Landmessungen unpraktische drahtgebundene Kommunikationsfähigkeiten vorhanden. Satelliten-Zeitsynchronisationsmethoden sind in See- und Meeresbodensystemen meist nicht vorgesehen.
Die Analog-Digital- Wandler (A/D-Wandler) in geophysikalischen Datenrekordern sind heute fast ausschließlich Sigma-Delta-Wandler, die in US 4866442 A beschrieben werden. Jeder einzelne Kanal besitzt entweder einen eigenen A/D-Wandler, oder ein A/DrWandler tastet mit Hilfe eines Multiplexers mehrere Kanäle ab. Der Multiplexer schaltet die Signale zeitlich versetzt an den A/D-Wandler (DE 2043538 A, US 5770945 A oder US 7872477 B2). Mit dem Einsatz eines Multiplexers kann die Schaltungskomplexität verringert und die Leistungsaufnahme reduziert werden. Außerdem reduziert sich der differenzielle Fehler zwischen den Kanälen, da nur ein A/D-Wandler alle Kanäle abtastet. In manchen Einsatzbereichen stört jedoch der konstante zeitliche Versatz zwischen den einzelnen Zeitreihen.
Üblich ist, den A/D-Wandler mit einer Frequenz deutlich über der doppelten maximalen Nutzfrequenz zu betreiben. Damit wird das Abtasttheorem übererfüllt (Überabtastung), und man kann den analogen Schaltungsaufwand zu Lasten einer höheren Datenverarbeitungsgeschwindigkeit auf der digitalen Seite reduzieren.
Der Taktgenerator eines geophysikalischen Rekorders ist ein kritisches Element, da der Rekorder über einen langen Zeitraum und den Umwelteinflüssen ausgesetzt extrem zeitstabil bleiben muss und im Falle der Magnetotellurik auch mit sehr geringer Leistungsaufnahme auskommen muss. Diese Präzision ist notwendig, um die Synchronität der Zeitreihen für die Auswertung nach der Messung zu erhalten. Ultrastabile, ofenstabilisierte Taktgeneratoren, wie sie in US 6 1 91 587 B l eingesetzt werden, sind nach dem heutigen Stand der Technik wegen der hohen Leistungsaufnahme und des zu eingeschränkten zulässigen Arbeitstemperaturbereichs, vor allem bei Temperaturen unter 0°C, nicht geeignet. Es ist üblich, wie in US 6 191 587 B l , die Genauigkeit der Taktgeneratoren durch Synchroni sation mit Hilfe eine GPS-Empfängers zu erhöhen bzw. die Stationen auf den gleichen Systemtakt einzustellen. Das ist jedoch nur anwendbar, wenn die Messungen im frei en Gelände durchgeführt werden. Bei Messungen im dichten Wald oder unter Wasser können keine oder nur ungenaue GPS-Signale empfangen werden. Je nach Qual ität des Taktgenerators kann ein System ohne GPS-Synchronisation eine gewisse Zeit synchron bleiben; bei US 6 1 91 587 B l bis zu einer Stunde (vgl . Sp. 8, Teile 20).
Üblicherweise werden die Daten je nach Datenmenge und Umgebungstemperatur auf H alblei terspeicherkarten (Flashspeicher-Karten) oder mechanischen Festplatten (US 5 770 945 A) gespeichert. Oft verwendet man das FAT-Dateisystem, weil mit diesem eine einfache Datenübertragung durch Entnahme des Datenträgers mit allen gängigen Rechnersystemen mögl ich ist (vgl. Geolore). Das Hauptproblem bei FAT-Dateisystemen ist jedoch die unbestimmte Zugriffszeit im Fall einer Fragmentation des Datenträgers, was zu Datenverlusten in Echtzeitumgebungen führen kann. Außerdem ist dieses Dateisystem nicht fehlertolerant gegenüber Schreib-/Lesefehlern, einer partiellen Zerstörung des Datenträgers und unterliegt Größenbeschränkungen, die an die Größen heutiger Datenträger heranreichen. Das Problem der nicht berechenbaren Zugriffszeiten ist ein Problem aller gängigen Standard-Dateisysteme. Für Echtzeit- Anwendungen sind spezielle Lösungen notwendig, wie sie z.B. in US 8 046 558 B2 beschrieben werden oder im Real-Time-File System (im Folgenden als RTFS bezeichnet) von EB S Inc., Groton, Massachusetts real isiert wurden.
Die Datenübertragung erfolgt meist auch über serielle (RS232, RS422 oder RS485, USB oder 1 EEE 1 394) Schnittstellen, wobei lediglich RS232, I EEE 1 394 und USB als Standardschnittstel len an Laptops verfügbar sind, die Leitungslänge aber auf wenige Meter beschränkt i st. Für die schnelleren RS422 oder RS485, die auch lange Verbindungen erlauben, ist speziel le H ardware notwendig.
Neben der Datenübertragung dienen die Schnittstellen mei st auch der Gerätesteuerung, Opti mierung des Aufbaus (Lage der Magnetometer) bzw. zur Kontrolle des Zustands, wie z.B . der Batteriespannung oder der Temperatur. Allen oben genannten Schnittstellen gemein ist die Notwendigkeit, spezielle Software auf dem Auswerterechner zu installieren, um die Steuerung des Rekorders zu ermöglichen (vgl. US 6 191 587 B l , Sp. 10, Zeilen 1 5 ff.). In vielen Fällen muss die Messung gestoppt sein, damit die Daten ausgelesen werden können.
Eine Echtzeit-Datenauswertung ist dann nicht möglich. Bei Seismik- oder Audio-Magnetotel- lurik-Messungen ist das auch aus Gründen unzureichender Übertragungsgeschwindigkeit oft nicht realisierbar.
Als alternative Bedienungsmöglichkeit wird bei US 6 191 587 Bl ein Bildschirm und ein. Tastenfeld verwendet, was jedoch mehr oder weniger geschultes, zumindest eingearbeitetes Personal voraussetzt, um das proprietäre Bedienkonzept zu verstehen,
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein flexibel einsetzbares geophysikalisches Messsystem sowohl für die Grundlagenforschung als auch für die industrielle Geophysik bereitzustellen. Dabei soll das System insbesondere den Bedingungen der Grundlagenforschung an die Messgenauigkeit (Signal-Rauschverhältnis, etc.) und Stabilität (Temperaturdrift, Langzeitstabilität) auch unter widrigen Umwelteinflüssen bei handhabbarem Gesamtgewicht (erreichbar durch geringe Leistungsaufnahme und dementsprechend leichtere Batterien) genügen. Insbesondere soll beim Einsatz der Magnetometer der technische Fortschritt der Vollbereichssensoren genutzt werden können, wobei der tatsächliche Dynamik-Umfang des Messsystems ausreichen muss, Messungen der Feldvariationen mit einer zu existierenden Systemen mit Schmalbefeichssensoren vergleichbaren Genauigkeit durchzuführen. Andererseits soll die Erfindung eine hohe Produktivität in der industriellen Geophysik bieten, was durch Zuverlässigkeit, unkomplizierte Bedienung und einfachen Aufbau erreicht wird. Es soll insbesondere auch an schwer erreichbären Orten einsetzbar sein und dabei relativ kostengünstig für Meeresbodenuntersuchungen einsetzbar gemacht werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Verarbeitungseinrichtung für Messdaten geophysikalischer Untersuchungsmethoden nach Anspruch 1, einem Verfahren zur Verarbeitung von Messdaten geophysikalischer Untersuchungsmethoden nach Anspruch 9 und einem geophysikalischen Erkundungssystem nach Anspruch 10. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Dabei haben die Erfinder erkannt, dass zwar ein technischer Fortschritt in den letzten zehn Jahren im Bereich der batteriebetriebenen digitalen Signalverarbeitung stattgefunden hat, so dass z.B. leistungsfähigere und schnellere Prozessoren mit geringerer Stromaufnahme z.B. für den Einsatz in Smartphones entwickelt wurden, sich diese Vorteile sich jedoch durch die steigende Chipkomplexität relativieren. Je höher die Anzahl der in einem Prozessor integrierten Transistorfunktionen ist, um so größer ist die Anzahl der heute in jedem Prozessor vorhandenen undokumentierten Fehler, die zwar unter normalen Bedingungen oft keine dramati- sehen Auswirkungen haben, jedoch bei Echtzeitsystemen, die extremen Bedingungen ausgesetzt werden, zu Datenverlust führen können.
Die Aufgabe der Erfindung konnte nicht auf Basis eines üblichen Standard-Einplatinencomputers gelöst werden, da dieser nur unzureichend die hohen Anforderungen nach einem weiten Arbeitstemperaturbereich, Zuverlässigkeit aller Komponenten sowie die Rahmenbedingungen bzgl. der Leistungsaufnahme, der minimalen Reaktionszeit, der mechanischen Abmessungen, der speziellen Spannungs- und der Taktversorgung erfüllen konnte. Außerdem sind solche standardmäßig erhältlichen Komponenten fast immer nur wenige Jahre verfügbar. Es wurde daher eine vollständige Eigenentwicklung betrieben.
Die Verarbeitungseinrichtung für Messdaten geophysikalischer Untersuchungsmethoden, insbesondere der Geoelektrik, Magnetotellurik, Seismik, Seismologie und dgl., umfasst einen Analogteil mit zumindest einem Eingang für einen geophysikalischen Sensor und einem Ana- log-Digital-Wandler, einen Digitalteil zur Weiterverarbeitung der digitalisierten Signale und zumindest eine Spannungsversorgung, und zeichnet sich dadurch aus, dass ein digitaler Signalprozessor zur Steuerung der Funktionen des Analogteils und des Digitalteils vorgesehen ist. Dass heißt, dass im Digitalteil keine weiteren Prozessoren zur Steuerung der Funktionen vorgesehen sind, außer bei separaten Modulen, wie beispielsweise GPS-Modulen oder Tele- metrie-Modulen (z.B. für GPRS/UMTS).
Ein digitaler Signalprozessor (DSP) unterscheidet sich von herkömmlichen Prozessoren durch eine parallele Bus-Architektur und vereinfachte Ausfuhrungseinheiten. Digitale Signalprozessoren ermöglichen eine Datenverarbeitung mit sehr kurzen Latenz- und Verzögerungszeiten, auch bei niedrigem Systemtakt, wodurch sich ein besonders gutes Verhältnis von Signalverarbeitungsgeschwindigkeit zur Leistungsaufnahme ergibt. Allerdings sind DSP weniger flexibel einsetzbar, da sie im Allgemeinen deutlich weniger Speicherressourcen, eine sehr primitive Speicherverwaltung und keine standardisierten Floating-Point-Einheiten beinhalten. Der Befehlssatz von DSP ist auf Grund der speziellen Architektur nicht zu dem von Standard-Prozessoren kompatibel. Deshalb gibt es für jeden DSP nur speziell angepasste Betriebssysteme, meist für Signalverarbeitungsaufgaben. Üblicherweise werden DSP deshalb auschließlich für zeitkritische Aufgaben zur Signalverabeitung verwendet und mit Standard-Prozessoren kombiniert, auf denen ein verfügbares Embedded-Betriebssystem zur Abarbeitung der restlichen, zeitunkritischen Aufgaben eingesetzt wird.
Durch den neuartigen Einsatz eines DSP zur Steuerung der zeitkritischen Funktionen sowohl des Analogteils als auch der des Digitalteils wird erreicht, dass die Komplexität des gesamten Messsystems sehr gering ist. Außerdem ist die Leistungsaufnahme sehr niedrig, so dass auch für Anwendung in der Grundlagenforschung bei sehr langfristigen Messungen nur relativ kleine und damit leichte Batterien eingesetzt werden müssen. Durch den geringen Batteriebedarf und die kleinen Abmessungen der Verarbeitungseinrichtung ist eine Hermetisierung für Unterwasseranwendungen sehr einfach möglich.
Besonders bevorzugt weist der Analogteil einen Tiefpass-Filter auf, der angepasst ist, künstliche Störungen in den Messdaten im Wesentlichen nicht zu filtern, so dass diese mit digitalisiert werden, und der Digitalteil weist einen Tiefpass-Filter auf, der angepasst ist, die künstlichen Störungen in den digitalisierten Signalen (Zeitreihen) zu filtern. Der Tiefpass-Filter im Digitalteil muss dabei nicht körperlich, sondern kann auch analytisch vorliegen. Durch diese besondere Ausgestaltung erfolgt eine Verlagerung analoger Schaltungskomplexität in den Digitalteil, und es wird verstärkt erreicht, dass das Signal-zu-Rauschverhältnis erhöht, die Temperaturdrift minimiert und die Leistungsaufnahme gesenkt werden. Beispielsweise können die Tiefpass-Filter (Anti-Alias-Filter) in dem Analogteil so arbeiten, dass künstliche Störungen (16,7 Hz und 50 bzw. 60 Hz) mit digitalisiert werden und erst im Preprocessing der Zeitreihen mittels digitaler Filter in dem Digitalteil vollständig entfernt werden. Insgesamt kann dadurch der analoge Schaltungsaufwand so vereinfacht werden, dass er in einem verhältnismäßig kleinen Gehäuse Platz findet.
Wenn der digitale Signalprozessor angepasst ist, die Steuerung des Analogteils und die Aufnahme der Messdaten und gegebenenfalls eine Steuerung der Mittel zur Datenübertragung sowie gegebenenfalls eine Datenspeicherung im Wesentlichen gleichzeitig abzuarbeiten, dann werden besonders kurze Reaktionszeiten auf externe Ereignisse dadurch erreicht, dass mit der angepassten Software auf dem DSP eine angepasste Priorisierung der anstehenden Aufgaben erzielt werden kann. Externe Ereignisse können z.B. das Auslesen von A/D-Wandlern, aber auch das Steuern von Verstärkerstufen sein. Vorteilhaft wird auch die Tiefpass-Filterung der digitalisierten Signale und ggf. eine weitere Signalverarbeitung (Preprocessing) sowie die Zeitsynchronisation im Wesentlichen gleichzeitig abgearbeitet.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist in dem digitalen Signalprozessor eine Software, insbesondere eine assembleroptimierte Software, implementiert, die die Aufnahme der Messdaten, die Kalibrierung des Analog-Digital- Wandlers, die Tiefpass-Filterung der digitalisierten Signale und die weitere Signalverarbeitung (Preprocessing), die Zeitsynchronisation, die Überwachung der Verarbeitungseinrichtung und die Datenspeicherung im Wesentlichen gleichzeitig abarbeitet. Diese Software, insbesondere die assembleroptimierte Software, ist ausschließlich auf die o.g. Aufgaben spezialisiert und erreicht damit deutlich kürzere Reakti- ons- und Abarbeitungszeiten als Lösungen, die auf marktüblichen Echtzeit-Betriebssystemen (RTOS von verschiedenen Herstellern bzw. Real Time Linux) basieren. Somit bleibt bspw. bei Magnetotellurik-Messungen der DSP fast ausschließlich im nicht aktiven Zustand (Idle), in dem die Stromaufnahme zu vernachlässigen ist. Für diesen Betriebsmodus (Idle und kurzes Aufwachen) sind prinzipiell nur DSP geeignet, da die gängigen Embedded-Prozessoren auf Grund ihrer meist aus Kompatibilitätsgründen veralteten Rechnerarchitektur um den Faktor 100 bis 1000 längere Übergangszeiten vom Idle- in den aktiven Modus aufweisen. In den Übergangszeiten ist der Prozessor zwar inaktiv, er verbraucht jedoch den normalen Betriebsstrom. Je länger die Übergangszeit vom Idle-Zustand in den aktiven Zustand ist, um so niedriger ist die maximale Datenrate und um so höher die Leistungsaufnahme.
Zur Erhöhung der Zuverlässigkeit, der Reaktionszeit und der Minimierung der Leistungsaufnahme kann vorgesehen werden, dass die Daten auf dem Speichermedium weder mit einem der im PC-Bereich üblichen Dateisysteme noch mit einem üblichen Echtzeit-Dateisystem organisiert werden, sondern durch ein speziell angepasstes und fehlertolerantes Dateisystem, das definierte maximale Zugriffszeiten bietet und dabei die Datenübertragungsrate des Speichermediums optimal ausnutzt. Es muss außerdem eine eindeutige Wiederherstellung der noch lesbaren Datensätze auch bei teilweiser Beschädigung des Datenträgers ermöglichen und dabei dem Prozessor bzw. Signalprozessor einen minimalen Verwaltungsaufwand und eine geringe Arbeitsspeicherauslastung abverlangen.
Um dies zu realisieren, wird der in einer Datei abzulegende Datenstrom in einzelne Datenblöcke unterteilt auf das Medium geschrieben. Die Größe der Datenblöcke ist so gewählt, dass sie sich mit der vorgegebenen Einteilung bzw. Adressierung des Speichermediums deckt. Eine Fragmentierung des Datenstroms bzw. der Datei wird verhindert, indem das Löschen von einzelnen Dateien verbunden mit einer Freigabe des Speicherplatzes der zu löschenden Datei nicht gestattet ist, sondern nur eine vollständige Löschung des Speichermediums vorgesehen ist. In diesem Punkt unterscheidet sich das Dateisystem von vielen bekannten Systemen, da in den meisten Anwendungsbereichen diese Einschränkung nicht hinnehmbar ist. Die Funktionalität eines Datenrekorders mit sehr großem und wechselbarem Speicher wird damit jedoch nicht nennenswert eingeschränkt. Hingegen gewährleistet es die Echtzeitfähigkeit, und der Aufwand für die Verwaltung des Speichermediums wird minimiert: In der implementierten Software kann immer davon ausgegangen werden, dass nach dem letzten geschriebenen Datenblock wieder ein freier Datenblock folgt, solange nicht das Ende des Speichermediums erreicht ist. Verwaltungsinformationen des Dateisystems decken sich hierdurch wesentlich mit Verwaltungsinformationen des Speichermediums und verursachen dadurch keine künstlichen Beschränkungen hinsichtlich der möglichen Dateigröße. Weiterhin reduzieren sich die Zugriffszeiten im Wesentlichen auf die Zugriffszeiten des physikalischen -Speichermediums, und es kann nahezu die maximale Datenübertragungsbandbreite des Speichermediums genutzt werden. Durch Speicherung einer Referenz in jedem Datenblock können Daten auch bei teilweise beschädigtem Datenträger korrekt zugeordnet werden, wodurch eine Rekonstruktion der Daten ermöglicht wird. Das Dateisystem unterscheidet sich damit vom oben genannten RTFS, da es sehr viel einfacher strukturiert, aber auch nicht kompatibel zu existierenden Dateisystemen ist. Durch die extrem vereinfachte Struktur ist das Dateisystem auch weniger fehleranfällig als existierende Lösungen gegenüber möglichen Software-Fehlern.
Besonders zweckmäßig ist für Analogteil und Digitalteil ein gemeinsamer Systemtaktgeber vorgesehen, der insbesondere ein temperaturkompensierter Taktgenerator (TCXO) ist. Dadurch wird erreicht, dass alle wesentlichen Komponenten in der Verarbeitungseinrichtung synchron arbeiten und damit weniger elektromagnetische Störungen erzeugen als asynchron arbeitende Komponenten. Die Temperaturdrift des Taktgebers wird durch die Verwendung eines temperaturkompensierten Taktgenerators minimiert, wobei der Taktgeber im Gegensatz zu ofenstabilisierten Oszillatoren (OCXO) nicht wesentlich zur Gesamtleistungsaufnahme des Systems beiträgt.
Vorteilhaft ist ein Satelliten-Empfänger zum Ermitteln von Zeit- und Positionsdaten (bspw. GPS oder Glonass) vorgesehen, wobei der Digitalteil .bevorzugt angepasst ist, über den Satelliten-Empfänger Positionsdaten für die Verarbeitungseinrichtung zu ermitteln und/oder eine Zeitreferenz, um mit deren Hilfe den Systemtakt zu synchronisieren. Durch satellitengestütztes Nachjustieren des TCXO kann die Präzision des Systemtakts weiter erhöht werden.
Auch bei ausbleibendem Satelliten-Signal können so Toleranzen bzw. das Temperaturverhalten des Taktgebers ausgeglichen werden.
Vorzugsweise sind zumindest zwei, bevorzugt fünf Eingänge für Messdaten, insbesondere zwei Tellurikkanäle und drei Magnetometerkanäle, vorgesehen, die gemeinsam mit dem Ana- log-Digital- Wandler verbunden sind. Dann lässt sich als geophysikalische Untersuchungsmethode die Magnetotellurik einsetzen, wobei die Verarbeitung der Messdaten der einzelnen Kanäle quasi zeitgleich erfolgt. Es ist dabei möglich, die Messdaten aller Kanäle über einen Analog-Digital-Wandler zu verarbeiten, wenn dieser zeitversetzt über einen Multiplexer mit den einzelnen Kanälen verbunden ist und gewährleistet wird, dass zwischen den Kanälen keine gegenseitige Wechselwirkung stattfindet. Dies erfolgt beispielsweise durch eine elektromagnetische Schirmung der einzelnen Kanäle untereinander. Ein Übersprechen ist im Übrigen frequenzabhängig und bei Frequenzen von kleiner 100 Hz, also den für die Magnetotellurik interessanten Frequenzen von unterhalb 10 Hz, vollständig zu vernachlässigen. Außerdem werden Störspannungsimpulse infolge der parasitären Kapazitäten des Multiplexers durch entsprechend angepasste Messpausen wirksam verhindert, wobei die Abklingzeit der Spannungsimpulse durch geeignete Wahl der Eingangsimpedanz eingestellt wird. Die Zeitreihen zwischen den Kanälen weisen einen konstanten zeitlichen Versatz auf, jedoch lässt sich dieser Zeitversatz mit Hilfe von digitalen Filtern im DSP ausgleichen.
Zweckmäßig ist zumindest ein Tellurikverstärker vorgesehen, der zumindest einen Zero- Drift-Instrumentenverstärker, auch Auto-Zero-Instrumentenverstärker genannt, beinhaltet, weil dieser durch ein besonders geringes und auf alle Frequenzen gleichverteiltes Rauschspektrum im niederfrequenten Frequenzbereich unterhalb von 1 Hz gekennzeichnet sind. Sie gehören zur Familie der getakteten Verstärker, zu denen auch die zerhackerstabilisierten Verstärker zählen, die jedoch im Gegensatz zu den Zero-Drift- Verstärkern durch eine parasitäre Welligkeit am Verstärkerausgang charakterisiert sind, die als Störspannung die Signale beeinflussen kann. Ungetaktete Verstärker weisen eine 1/f-Rauschcharakteristik auf, d. h. die Rauschleistungsdichte steigt mit abnehmender Frequenz unterhalb einer Eck-Frequenz von 10 bis 100 Hz reziprok zur Frequenz an.
Vorzugsweise weist zumindest ein Eingang einen Eingangswiderstand von größer gleich 1 ΜΩ, bevorzugt größer gleich 100 ΜΩ und insbesondere größer gleich 1 GQ auf. Der Widerstand der festen Erde variiert im Bereich von einigen Ωιτι bis hin zu ca. 100000 Qm (vgl. US 6 191 587 Bl, Sp.4, Zeile 27). Der hohe Eingangswiderstand ist notwendig, da die Potenzialdifferenz nur dann präzise gemessen werden kann, wenn der Eingangswiderstand des Tellu- rik-Verstärkers um einige Größenordnungen höher ist als der maximale Widerstand zwischen den Bodenelektroden.
Wenn der Analogteil vom Digitalteil abnehmbar ausgebildet ist, kann auf sehr einfache und kostengünstige Art und Weise eine Anpassung der Einrichtung an andere Untersuchungsmethoden, dass heißt an die zu verwendenden Sensoren vorgenommen werden. Beispielsweise kann eine Anpassung von Magnetotellurik- an Seismik-Anwendungen erfolgen. Dies kann mit dem erfindungsgemäßen Digitalteil sichergestellt werden, weil dieser primär auf die Bedürfnisse in geophysikalischen Anwendungen zugeschnitten ist. Zum Beispiel weist diese eine in der Magnetotellurik erforderliche möglichst geringe Leistungsaufnahme bei geringen Taktraten auf, während z.B. für die Seismik auch die Möglichkeit besteht, schnell veränderliche Messgrößen wie z.B. Schallwellen aufnehmen zu können. Dies wird durch die hohe Datenverarbeitungsgeschwindigkeit und die geringe Reaktionsverzögerung des digitalen Signalprozessors ermöglicht. Somit kann beispielsweise problemlos ein niedrig getakteter Analog- tei l mit 5 Eingangskanälen für die Magnetotellurik und ein hoch getakteter Analogteil mit ei nigen hundert Kanälen für die Seismik eingesetzt werden.
Zur Produktivitätserhöhung und Vereinfachung der Bedienung kann vorgesehen werden, dass die Verarbeitungseinrichtung mit Ausnahme eines bevorzugt für die Start-Stopp-Funktion für spezielle Messszenarien vorgesehenen Betätigungsmittels auf sonstige Mittel zur Bedienung am Gerät verzichtet und Mittel zur Kontrolle auf eine einzige Status-Anzeige reduziert werden. Stattdessen verfügt die Verarbeitungseinrichtung über Funktionen zur Vordefinition der Messaufgabe und der automatischen Triggerung der Datenaufnahme und weitreichendere Kontrollmöglichkeiten über ein oder mehrere Schnittstellen, beispielsweise Bluetooth, WLAN, LAN, GPRS, UMTS, Ethernet und dgl., die auch während der Messung aktiv sein können. Mit diesen Funktionen und Schnittstellen kann auf eine manuel le Steuerung oder eine Kontrolle direkt an der Verarbeitungseinrichtung bei den meisten Messaufgaben verzichtet werden. Dann ist die Verarbeitungseinrichtung besonders einfach und robust aufgebaut.
Weiterhin zweckmäßig kann vorgesehen werden, dass zumindest ein Eingang gegen elektri sche Überspannungen geschützt ist, insbesondere einen angepassten und mehrstufigen Schutz gegen Blitzeinschläge aufweist, der unzulässig hohe Eingangsspannungen mit sehr geringer Ansprechzeit wirksam überbrückt und so die Gefahr einer Zerstörung des vorzugsweise bei zulässigen Eingangsspannungen extrem hochohmigen Verstärkers durch Blitzeinschläge mi nimiert. Der Blitzschutz kann beispielswei se durch eine Kombination aus sehr schnell schal tenden Halbleiterbauelementen, Gasentladungsröhren und klassischen Schmelzsicherungen realisiert werden. Durch geeignete Wahl der Bauelemente kann erreicht werden, dass durch Ableitung der Ladung die Spannung an den Verstärkereingängen keine kritischen Werte erreicht. Bei sehr energiereichen Überspannungsimpulsen, die sehr selten auftreten, werden die Verstärkereingänge schließlich durch Ansprechen der Schmelzsicherungen vollständig von den überspannungsführenden Elektroden getrennt. Zusätzlich ist der Eingang des Verstärkers mit einem passiven RC-Filter gegen hochfrequente elektromagnetische Störsignale geschützt.
Besonders vorteilhaft sind Mittel zur Wiederauffindung vorgesehen. Diese können beispielsweise als Mittel zum Senden der Position der Verarbeitungseinrichtung und/oder als Mittel zum Abstrahlen von Licht, insbesondere zumindest als eine Blitzl ampe ausgebildet sein. Dann kann auch in unwegsamem Gelände und insbesondere bei zu erwartendem starken Wet - tereinfl uss und/oder bei Tiereinwirkung die Wiederauffindbarkeit auch bei langen Messkampagnen gewährleistet werden. Unabhängiger Schutz wird beansprucht für das erfindungsgemäße Verfahren zur Verarbeitung von Messdaten der Geoelektrik, Magnetotellurik, Seismik, Seismologie und dgl. geophysikalische Untersuchungsmethoden, wobei die Messdaten analog vorliegen und mit Hilfe einer Vorrichtung mit einem Analogteil mit einem Analog-Digital-Wandler und einem Digitalteil in digitalisierte Signale umgewandelt werden, das sich dadurch auszeichnet, dass die Steuerung der Funktionen des Analogteils und des Digitalteils mit Hilfe eines digitalen Signalprozessors erfolgt. Bevorzugt ist vorgesehen, dass eine Verarbeitungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche verwendet wird.
Weiterer unabhängiger Schutz wird beansprucht für das erfindungsgemäße geophysikalische Erkundungssystem mit ein oder mehreren geophysikalischen Sensoren, bevorzugt Magnetometer und Bodenelektroden für den Einsatz in der Magnetotellurik oder Sensoren für den Einsatz in der Seismik, und einer Einrichtung zur Verarbeitung der von den Sensoren erzeugten Messdaten, das sich dadurch auszeichnet, dass die erfindungsgemäße Verarbeitungseinrichtung vorgesehen ist. Bevorzugt sind weiterhin Mittel zum Speichern der verarbeiteten Messdaten vorgesehen, die insbesondere ebenfalls von dem DSP gesteuert werden.
Mit der erfindungsgemäßen Verarbeitungseinrichtung werden insbesondere folgende Vorteile erzielt:
Grundlagenforschung:
Es ist eine sehr hochauflösende und langzeitstabile Messung von veränderlichen Größen bei besonders hoher Unempfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen, wie z.B. Temperaturschwankungen und elektrischen Entladungen, möglich. In der Magnetotellurik können Voll- bereichs-Magnetfeldsensoren genutzt werden, die neben dem kleinen Nutzsignal auch das verhältnismäßig große statische Hauptfeld der Erde aufzeichnen, um so die Sensorausrichtung zu ermitteln. Die Messgenauigkeit des kleinen Nutzsignals ist sonst nur von aufwändigeren Schmalbereichssensoren erreicht worden. Gegenüber den Schmalbereichssensoren ist jedoch keine Sensor-Justierung notwendig, womit der Anwendungsbereich auf Messungen an unzugänglichen oder sich bewegenden Stellen (Meerbodenmessungen, Wüste) ausgedehnt wird. Der Einsatzbereich wird darüber hinaus durch die in dieser Geräteklasse minimale Leistungsaufnahme und einen sehr weiten Arbeitstemperaturbereich von -40...85°C erweitert, womit sich wegen der reduzierten Batteriekapazität ein geringes Gesamtgewicht sowie ein kompakter Messaufbau realisieren lässt. Die Vernetzung des Systems zur Kontrolle und Datenaufnahme von Mess-Arrays, wie sie in der Profiling-Technik in der Magnetotellurik einge- setzt werden, ist mit standardisierten Übertragungsverfahren (z.B. Ethernet) auch für Echtzeit-Anwendungen möglich.
Außerdem kann eine Fernwartung über Mobilfunknetze (z.B. GSM) zum Auslesen der Messdaten und zur Kontrolle der Verarbeitungseinrichtung erfolgen. Es liegt ein gemeinsames Basissystem (Digitalteil) für Magnetotellurik- und Seismik-Messungen vor. Es beinhaltet eine sehr genaue (Frequenzabweichung < 1 ppm über den gesamten Betriebstemperaturbereich von -40...85°C) und satellitensynchronisierbare (z.B. GPS/Glonass) Zeitbasis. Messungen mit korrekter Zeitbasis sind auch möglich, wenn kein Satelliten-Signal vorhanden ist, da ein zweiter batteriegepufferter temperaturkompensierter Taktgenerator mit geringerer, aber für die MT meist ausreichend hoher Genauigkeit zur Verfügung steht.
Die Einrichtung ist relativ preiswert. Ein weiterer Kostenvorteil ergibt sich durch den Einsatz der gegenüber den Schmalbereichssensoren vergleichsweise günstigen Vollbereichssensoren.
Industrielle Geophysik
Bei der Lagerstättenerkundung und -erschließung tragen die Gerätekosten nur einen geringen Anteil zu den Gesamtkosten bei, während der Hauptkostenfaktor durch Bohrungen und die Durchführung der Feldmessungen bestimmt wird. Kostenintensive Fehlbohrungen lassen sich minimieren, in dem geologische Strukturen mit vergleichsweise billigen nichtinvasiven Methoden besser aufgelöst werden. Voraussetzung dafür ist die Verbesserung der Messdaten was durch Verlängerung der Messzeit zur Verbesserung des Signal-Rauschverhältnisses und/oder durch Erhöhung der gleichzeitig registrierenden Sensoren bzw. Messstationen zur Verbesserung der lokalen Auflösung und des Signal-Rauschverhältnisses erreicht werden kann. Außerdem kann je nach Strukturierung und Zusammensetzung des Untergrundes die Kombination von unterschiedlichen Methoden wie Seismik und Magnetotellurik sinnvoll sein. Der Erfolg oder Misserfolg einer Prospektion bzw. Exploration hängt damit entscheidend von der Produktivität der Messungen ab, die mit der erfindungsgemäßen Einrichtung sowie dem Verfahren und dem System wesentlich verbessert wird.
Das geringe Gewicht und die kompakten Maße tragen dazu wesentlich bei, da die Messungen oft an Stellen durchgeführt werden, die nicht mit dem Auto erreicht werden können. Weiterhin ist die Einrichtung sehr robust auf Grund ihrer reduzierten Komplexität, durch die Integration sämtlicher digitalen Datenverarbeitungsaufgaben auf einen einzigen Signalprozessor, und redundante Auslegung von„Speichermedien und Spannungsversorgungen, das fehlertolerante Dateisystem sowie die Nutzung von hoch zuverlässigen Komponenten aus dem Flug- und Fahrzeugbau. Durch den angepassten Anti-Alias-Filter in Kombination mit digitalen Fil- tern ist die Einrichtung unempfindlich gegenüber Zivilisationsstörungen. Für den Aufbau der Einrichtung ist kein Fachpersonal notwendig: Telemetrie- und Satellitensynchronisati- ons-Antennen sind in die Einrichtung integriert, die Messdatenaufnahme sowie die Satelliten- Zeit-Synchronisation kann automatisch erfolgen.
Darüber hinaus lässt sich die Einrichtung mittels Ethernet in bestehende Messsysteme integrieren.
Die Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung sowie weitere Merkmale werden anhand der Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den Figuren deutlich. Dabei zeigen
Fig. 1 das erfindungsgemäße geophysikalische Erkundungssystem in einer bevorzugten Ausgestaltung im Einsatz in einer Draufsicht,
Fig.2a, 2b die erfindungsgemäße Verarbeitungseinrichtung des erfindungsgemäßen geophysikalischen Erkundungssystems nach Fig. 1 in einer bevorzugten Ausgestaltung in einer perspektivischen Ansicht der Vorderseite (Fig. 2a) und der Rückseite (Fig.2b) und
Fig.3 die erfindungsgemäße Verarbeitungseinrichtung nach Fig. 2a, 2b in einer schematischen Blockbilddarstellung.
Fig. 1 zeigt rein schematisch das erfindungsgemäße geophysikalische Erkundungssystem 1 in einer bevorzugten Ausgestaltung im Einsatz an Land beispielsweise für die Grundlagenforschung.
Es ist zu erkennen, dass das Erkundungssystem 1 ein oder mehrere Verarbeitungseinrichtungen 11 für Messdaten geophysikalischer Untersuchungsmethoden, vorliegend der Magnetotel- lurik, aufweist. Die Verarbeitungseinrichtungen 11 sind an einem zivilisationsfernen Ort im Gelände aufgebaut. Die Spannungsversorgung erfolgt mit Batterien 48 und 49, wobei eine Spannungsversorgung beispielsweise auch als Solar-Modul oder Brennstoffzelle ausgeführt werden kann. An die Signalaufzeichnungseinrichtung 11 werden mindestens drei, meistens vier Bodenelektroden 35 angeschlossen, die in L- oder X-Lage ausgelegt werden. Das Magnetometer 34 wird mit einigen Metern Abstand zur Verarbeitungseinrichtung 11 installiert, um es von statischen Magnetfeldern und elektromagnetischen Feldern fernzuhalten. Die Ausrichtung des Magnetometers 34 kann variieren. Drahtlose Kommunikation sowie die Satelliten-Synchronisation und Ortsbestimmung können mit der auf dem Gerät montierten Dom- Antenne 206 erfolgen. Fig. 2a, 2b zeigen rein schematisch die erfindungsgemäße Verarbeitungseinrichtung- 11 des erfindungsgemäßen geophysikalischen Erkundungssystems 1 nach Fig. 1 in einer bevorzugten Ausgestaltung in perspektivischen Ansichten, wobei in Fig.2a die Vorderseite und in Fig.2b die Rückseite gezeigt ist. Speichermedien können durch Öffnen der wasserdichten Klappe 201 auch im Feld einfach gewechselt werden. Steckverbinder 202 dient der Datenübertragung und Steuerung sowie der Kontrolle mittels Ethernet. An die Steckverbinder 203 und 204 wird die Betriebsspannung angelegt. Die Antennen für die drahtlose Datenübertragung 55 bzw. für die Satellitensynchronisation 58 sind als kompakte und bruchsichere Dom-Doppelantenne 206 ausgelegt. Außerdem befinden sich auf der Gehäuseoberseite eine Status-Anzeige 207 und ein Taster 205, der verschiedene vordefinierte Funktionen, z.B. die eines Start/Stopp- Tasters, besitzen kann. Zur Aufnahme der Potenzialdifferenzen der Elektroden 35 dienen zwei differenzielle Verstärkereingänge, nämlich 208 und 209 für den ersten und 211 und 212 für den zweiten Kanal. Der Eingang 210 ist der Erdungsanschluss. Das Magnetometer 34 wird an den Steckverbinder 213 angeschlossen.
Fig.3 zeigt die erfindungsgemäße Verarbeitungseinrichtung 11 nach den Fig. 2a, 2b in einer schematischen Blockbilddarstellung zur Erläuterung des Zusammenwirkens seiner Teile. Es ist zu erkennen, dass Verarbeitungseinrichtung 11 einen Analogteil 30 und einen Digitalteil 31 aufweist.
Der Analogteil 30 ist speziell für die Magnetotellurik niedrig getaktet mit 5 Eingängen 32, 33 ausgebildet, nämlich 3 Eingänge 32 für Magnetometer 34 und 2 differenzielle Eingänge 33 für Bodenelektroden 35. Außerdem ist ein Erdungsanschluss 36 vorgesehen, an den auch eine Elektrode angeschlossen wird. Der Analogteil 30 weist weiterhin eine Magnetometer-Sektion 37 auf, die den Magnetometer-Eingängen 32 zugeordnet ist, und eine Tellurik-Sektion 38, die den Bodenelektroden-Eingängen 33 zugeordnet ist. Jeder Eingang der Magnetometer-Sektion
37 weist eine Amplitudenanpassung in Form eines Verstärkers oder Dämpfungsgliedes, einen Überspannungsschutz und einen Tiefpass-Filter auf, und jeder Eingang der Tellurik-Sektion
38 weist einen Überspannungsschutz, einen passiven Hochfrequenzfilter, einen Instrumentenverstärker und einen Tiefpass-Filter auf. Sowohl die Magnetometer-Sektion 37 als auch die Tellurik-Sektion 38 sind ausgangsseitig mit dem Eingang eines Analog-Digital-Wandlers 39 verbunden, der seine Signale an den Digitalteil 31 übermittelt.
Der Digitalteil 31 weist einen digitalen Signalprozessor 40, eine Spannungsversorgung 41, einen Systemtaktgeber 42 und Systemzeitgeber 57, sowie ein Telemetrie-Modul 43 (beispielsweise für GPRS oder UMTS) und ein Satellitensynchronisations-Modul 44 (beispielsweise GPS und/oder Glonass) auf. Der digitale Signalprozessor 40 weist direkt verbundene Speicher-Module 45, 46, die beispielsweise als CompactFlash-Karten ausgebildet sind, und einen Netzwerkcontroller 47 auf, und ist durch geeignete Programmierung angepasst, die Datenaufnahme, Kalibrierung, Preprocessing, Datenspeicherung und -Übertragung, Zeitsynchronisation und Überwachung der Einrichtung zu steuern.
Die Spannungsversorgung 41 wird von zwei Batterien 48, 49 gespeist und versorgt über entsprechende elektrische Leitungen 50, 51, 52, 53 den digitalen Signalprozessor 40, das Tele- metrie-Modul 43, das Satellitensynchronisations-Modul 44, den Analog-Digital-Wandler 39, das Magnetometer 34 sowie die Magnetometer-Sektion 37 und die Tellurik-Sektion 38.
Der Systemtaktgeber 42 stellt sowohl dem digitalen Signalprozessor 40 als auch dem Analog- Digital-Wandler 39 einen systemweiten Takt zur Verfügung. Gesteuert durch den digitalen Signalprozessor 40 wird mit Hilfe der ermittelten Zeitbasis des Satellitensynchronisati- ons-Moduls 44 mit der Antenne 58 der Takt des Systemtaktgebers 42 kontrolliert und nachjustiert. Der Systemzeitgeber 57 wird ebenfalls über das Satellitensynchronisations-Modul synchronisiert.
Die Datenentnahme aus der Verarbeitungseinrichtung 11 erfolgt entweder über das kabelgebundene Netzwerk 54 oder über das Telemetrie-Modul 43 mit der Antenne 55 mittels eines mobilen Computers 56 oder anderer geeigneter Datenverarbeitungseinrichtungen, die auch die Einstellung der Verarbeitungseinrichtung 11 übernehmen, die ansonsten nur über einen konfigurierbaren Taster 205 (z.B. für Start/Stopp) und eine Status-Anzeige 207 verfügt.
Es ist zu erkennen, dass aus Gründen der Ausfallsicherheit sowohl die Spannungsversorgung 48, 49 als auch die Datenspeicherung 45, 46 redundant ausgelegt sind, um einerseits einen unterbrechungsfreien Betrieb während der Wartung zu ermöglichen und andererseits die Zuverlässigkeit zu erhöhen. Prinzipiell lassen sich alle herkömmlichen Speichermedien 45, 46 und Sorten von Batterien, insbesondere 12V-Batterien, einsetzen. Unterstützend kann an einem der Spannungsversorgungsanschlüsse 48 oder 49 ein Solar-Modul oder eine Brennstoffzelle eingesetzt werden. Fallen alle Versorgungsspannungen aus, so stellt das fehlertolerante Dateisystem sicher, dass die bisher geschriebenen Daten in jedem Fall eindeutig zugeordnet und bei Wiederherstellung der Versorgungsspannung ausgelesen werden können.
Im Folgenden soll der genaue Aufbau und die Funktionsweise noch weiter verdeutlicht werden: Mit der erfindungsgemäßen Verarbeitungseinrichtung 1 1 kann das statische Hauptmagnetfeld der Erde einschließlich der Variationen mit dem Vektor-Magnetometer 34 (dreiachsig) aufge nommen werden, wobei die Variationen der elektrischen Felder aus Bodenpotenzialdi fferenzen m it den zwei B odenelektrodenpaaren 35 und der Erdungselektrode 36 gemessen werden. Diese Sensoren 34, 35 , 36 werden an die Verarbeitungseinrichtung 1 1 angeschlossen , in der die Messsignäle aufbereitet und als digitale Zeitreihen mit ei ner hochgen auen Zeitbasis, die weniger al s .1 ppm Frequenzabweichung über den gesamten Betriebstemperaturberei ch aufweist, gespeichert werden.
Während der Messung arbeitet das Gerät mei st unbeaufsichtigt, um künst liche Störungen zu vermeiden.
Das Auslesen der Zeitreihen erfolgt normalerweise während der Wartung oder nach der Mes sung mit einem handelsüblichen Laptop 56, der über das kabelgebundene Netzwerk 54 an das Messgerät angeschlossen w i rd. Die Verarbeitungseinrichtung 1 1 verwendet dazu S tandard-Übertragungsprotokol le (HTTP, FTP etc.), so dass dazu j eder handelsübl iche Rechner mit j edem gängigen Betriebssystem genutzt werden kann. Über den Netzwerkcontrol ler 47 und di e kabelgebundene Netzwerkschnittstel l e 54, die bevorzugt ; eine Echtzeit-Ether- net- Schnittstell e ist, können auch mehrere Geräte vernetzt werden und es kann der Betriebszustand, z.B . der Batteriezustand ausgelesen werden. Alternativ können das Datenauslesen und die Kontrolle auch ferngesteuert über Mobilfunknetze wie z.B . GSM und UMTS erfol gen.
Das G ehäuse der Verarbeitungseinrichtung 1 1 ist wasserdicht und bruchsicher. Es verhindert hochfrequente elektromagneti sche Ei nstreuung, indem es die elektronischen Schaltungen vollständig mit einem leitfähigen Material umschließt.
An der Vorderseite des Gehäuses befinden sich al le für die Sensorverkabelung notwendigen Stecker, an der Rückseite die Steckverbinder für die Spannungsversorgung der Verarbei tungseinrichtung 1 1 sowie für die Bedienung (Ethernet 54). Die Antennen für die Satelliten synchroni sation 58 und für das Telemetrie-Modul 55 befinde n sich auf der Gehäuseoberseite. Beide Antennenfunktionen werden mit der Dom-Antenne 206 realisiert, wobei alternati v für spezielle Messszenarien die Antennensignale auch über entsprechende Leitungen zugeführt werden können. Die beiden CompactFl ash-Speichermedien 45, 46 sind über eine Klappe 201 zugänglich. Alle Steckverbi nder sind sowohl im gesteckten als auch im nicht gesteckten Zustand wasserdicht. Ebenso ist die Klappe im geschlossenen Zustand wasserdicht. Zur manuellen Kontrolle der Verarbeitungseinrichtung 11 dient eine Kontrolllampe 207 an der Gehäuseoberseite, die über einen Blinkcode den Gerätezustand anzeigt. Größere Anzeigen, wie z.B. LCD oder TFT-Anzeigen, wurden aus Gründen der Zuverlässigkeit und des Stromverbrauchs weggelassen, da per Ethernet 54 eine zuverlässige und komfortable Bedienung möglich ist. Eine manuelle Gerätejustierung ist nicht notwendig, weil Kalibrierungen etc. automatisch erfolgen. Daher beschränken sich die Steuerungsmöglichkeiten an der Verarbeitungseinrichtung 11 selbst auf einen einzigen konfigurierbaren Taster 205 (z.B. mit Start/Stopp-Funktion), der ebenfalls robust und wasserdicht ausgelegt ist.
Die gesamte Elektronik besteht aus zwei Platinen, nämlich der digitalen Hauptplatine (Digitalteil 31) und der analogen Platine (Analogteil 30), die oberhalb der digitalen Hauptplatine 31 angeordnet und durch eine leitfähige Trennwand elektromagnetisch von der digitalen Hauptplatine 31 abgeschirmt wird.
Die Magnetometer-Sektion 37 bereitet die drei analogen Ausgangssignale des Magnetometers 34 durch eine Amplitudenanpassung und Bandbreitenbegrenzung mittels eines Tiefpass-Fil- ters auf und leitet die Daten an den Analog-Digital-Wandler 39 weiter. Die Eingänge 32 der Magnetometer-Sektion 37 sind gegen Überspannungen, die bei der Verkabelung eintreten können, geschützt.
Außerdem beinhaltet der Analogteil 30 eine Tellurik-Sektion 38 mit zwei Tellurik- Verstärkern, die mittels Zero-Drift-Instrumentenverstärkern aus den Bodenpotenzialdifferenzen ein hinreichend verstärktes Ausgangssignal erzeugen. Damit die Messung nicht verfälscht wird, weist der Eingang des Instrumentenverstärkers einen deutlich höheren Eingangswiderstand auf, als er in gängigen Messanordnungen mit Auslagen von 10...100 m zwischen den Bodenelektroden auftritt. Außerdem verfügt der Tellurik- Verstärker über einen mehrstufigen Blitzschutz, der auch hohe Ströme mit so geringer Ansprechzeit ableitet, dass die Gefahr einer Zerstörung des extrem hochohmigen Verstärkers durch Blitzeinschläge minimiert wird.
Die insgesamt 5 Kanäle, nämlich die 3 Magnetometerkanäle und 2 Tellurik-Kanäle, werden von einem im Vergleich zur Filtergrenzfrequenz des analogen Tiefpassfilters schnell getakteten Analog-Digital-Wandler 39 digitalisiert und gelangen über Platinensteckverbinder zur digitalen Hauptplatine 31.
Auf dem Analogteil 30 arbeiten die Tiefpass-Filter so, dass die stärksten künstlichen Störungen bei den Frequenzen 16,7 Hz, 50 Hz bzw. 60 Hz zwar gedämpft werden, die Frequenzanteile jedoch abgeschwächt in den Hochfrequenz-Zeitreihen vorhanden sind. Erst im Prepro- cessing der Hochfrequenz-Zeitreihen mittels digitaler Tiefpass-Filter werden diese auf der digitalen Hauptplatine 31 vollständig entfernt und in Niederfrequenz-Zeitreihen gewandelt. Dadurch kann der analoge Schaltungsaufwand so weit vereinfacht werden, dass er in einem verhältnismäßig kleinen Gehäuse Platz findet. Auf Grund der geringeren analogen Schaltungskomplexität kann das Signal-zu-Rauschverhältnis erhöht, die Temperaturdrift minimiert und die Leistungsaufnahme gesenkt werden.
Der Temperatureinfluss auf die Verarbeitungseinrichtung ist mit Offset-Driftweften von < 0,1 μν/Κ bzw. Verstärkungsfehlern von < lppm/K sehr gering. Der gesamte Analogteil einschließlich des Analog-Digital-Wandlers benötigt dazu eine elektrische Leistung von weniger als 0,1 W. Das Preprocessing umfasst eine Filterung der Zeitreihen mittels digitaler Filter und Dezimierung zur Rauschreduzierung und Datenreduktion. Digitale Filter sind absolut unempfindlich gegenüber Umwelteinflüssen und können deutlich rauschärmer als analoge Filter ausgelegt werden. Der Vorteil in der Signalverarbeitung ergibt sich aus der Kombination einer vereinfachten analogen Schaltung mit einer weiterführenden digitalen Filterung. Verbleibende analoge Schaltungsartefakte können weiter mit angepassten Softwarealgorithmen kompensiert werden.
Die digitale Hauptplatine 31 versorgt über eine Spannungsversorgung 41 die Baugruppen auf dem Analogteil 30 und leitet aus dem Systemtakt, der mit Hilfe eines temperaturkompensierten Taktgenerators (TCXO) 42 erzeugt wird, auch das Taktsignal für den Analog-Digi- tal-Wandler 39 ab. Der digitale Signalprozessor 40 leitet aus dem Systemtakt sein Taktsignal ab. Dadurch wird erreicht, dass alle wesentlichen Komponenten mit demselben Systemtakt versorgt werden, damit synchron arbeiten und dadurch eine geringere elektromagnetische Ab: Strahlung aufweisen als asynchrone Systeme. Der Systemzeitgeber 57 ist als temperaturkompensierter Oszillator ausgeführt, weist aber eine so geringe Leistungsaufnahme auf, dass er mit Hilfe einer Pufferbatterie die korrekte Systemzeit auch über Spannungsunterbrechungen, z.B. beim Transport der Einrichtung, halten kann. Dies erweist sich als besonders vorteilhaft bei Einsätzen, in denen kein oder nur ein schwaches Satellitensynchronisations-Signal vorhanden ist.
Der Analogteil 30 sitzt als Steckplatine auf der digitalen Hauptplatine 31 und kann damit durch einen anderen anwendungsspezifischen Analogteil problemlos ausgetauscht werden, z.B. kann die Verarbeitungseinrichtung 11 wie vorliegend als Magnetotellurik-Verarbeitungs- einrichtung 11, aber auch als Seismik- Verarbeitungseinrichtung eingerichtet werden.
Die digitale Hauptplatine 31 wurde primär für den Feldeinsatz in geophysikalischen Anwendungen konzipiert und bietet vielseitige Verwendungsmöglichkeiten. Sie ist für Datenverar- beitungsgeschwindigkeiten bis zu ca. 1 Million Messwerte pro Sekunde geeignet, die bei Seismik-Anwendungen mit vielen Geophonen in der Summe auftreten können. Die Leistungsaufnahme hängt von der Maximalfrequenz der Messgröße ab und erreicht bei den sehr niedrigen Frequenzen in der Magnetotellurik Werte von <0,2 W.
Der Analogteil 30 und der Digitalteil 31 wiegen zusammen 300 bis 500 g. Mit einem entsprechend robusten Gehäuse mit Maßen von ca.20 cm x 20 cm x 10 cm ergibt sich ein Gewicht der Verarbeitungseinrichtung 11 von 1 bis 3 kg.
Der Kern des Echtzeit-Computers ist ein digitaler Signalprozessor 40, der Datenaufnahme, Kalibrierung des Analog-Digital- Wandlers 39, Preprocessing der Zeitreihen, Datenspeicherung und Übertragung, Zeitsynchronisation und Überwachung im wesentlichen gleichzeitig abarbeitet.
Auf dem digitalen Signalprozessor 40 ist eine assembleroptimierte Software implementiert, die ausschließlich auf die oben genannten Aufgaben spezialisiert ist und nicht auf marktüblichen Echtzeit-Betriebssystemen basiert.
Zum einen kann damit der Datenstrom auf eine minimale Latenz und auf einen maximalen Durchsatz optimiert werden, andererseits kann man die Stromsparfunktionen des Signalprozessors im Idle-Modus bestmöglich ausnutzen.
Somit lassen sich die bei Signalprozessoren üblicherweise sehr kurzen Übergangszeiten zwischen Idle-Modus und aktivem Modus ausnutzen, um die Leistungsaufnahme bei langsam veränderlichen Messgrößen und den damit verbundenen niedrigen Abtastfrequenzen zu reduzieren. Andere gängige Prozessortypen für allgemeinere Anwendungen, die prinzipiell für batteriebetriebene Geräte geeignet sind, weisen in der Regel um den Faktor 100 bis 1000 längere Übergangszeiten auf und lassen sich daher nicht oder nur ineffizient für diese Signalverarbeitungsanwendungen einsetzen, in der die Leistungsaufnahme kritisch ist.
Weniger zeitkritische Aufgaben, wie z.B. die Bedienung des TCP/IP-Stacks, sind ebenfalls im Signalprozessor implementiert, was auf Grund der begrenzten Speicherressourcen des Signalprozessors unüblich ist, in diesem Fall jedoch maßgeblich zur Verringerung der Gesamtleistungsaufnahme, der Antwortzeit auf externe Ereignisse und der Schaltungskomplexität beiträgt. Durch das minimalistische DSP-Design ist die Verarbeitungseinrichtung kleiner, leichter und weniger störanfällig als komplexere gemischte Prozessorsysteme.
Für schnell veränderliche Signale ist es notwendig, dass gemessene Datensätze schnell und mit definierter Verzögerung auf das Datenspeichermedium geschrieben werden, damit der Datenpuffer neue Messwerte aufnehmen kann, ohne dass Datenverlust auftreten kann. Dies wird mit dem angepassten Dateisystem realisiert, mit dem im wesentlichen die maximale Schreibgeschwindigkeit des Datenträgers bei vernachlässigbarer Schreibverzögerung erreicht wird.
Für die Magnetotellurik werden als Magnetometer 34 für den Bereich der langen Perioden dreiachsige Sättigungskernmagnetometer 34 eingesetzt, mit denen sich magnetische Gleichfelder messen lassen. Die benötigte Betriebsspannung wird von der Verarbeitungseinrichtung 11 bereitgestellt.
Die Variationen der elektrischen Felder werden durch Messungen der Potenzialdifferenzen zwischen je zwei Bodenelektroden 35 in Abständen von 10 bis 100 m erfasst. Die Bodenelektroden 35 sind abhängig vom Anwendungsfall und sind daher nicht Bestandteil der Verarbeitungseinrichtung 11, sondern des Systems 1.
Aus dem Vorstehenden ist deutlich geworden, dass mit der erfindungsgemäßen Verarbeitungseinrichtung 11, dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem erfindungsgemäßen System 1 ein flexibel einsetzbares geophysikalisches Messsystem sowohl für die Grundlagenforschung als auch für die industrielle Geophysik bereitgestellt wird.
Dabei genügt das System insbesondere harten Bedingungen der Grundlagenforschung an die hohe Dynamik und Stabilität bei niedriger Leistungsaufnahme und kann andererseits die Produktivität in der industriellen Geophysik wegen der hohen Zuverlässigkeit, der kompakten Abmessung, des geringen Gewichts und der vereinfachten Bedienkonzepte erhöhen. Weiterhin kann es insbesondere auch relativ kostengünstig für Meeresbodenuntersuchungen einsetzbar gemacht werden. Die Anwendungen des Systems 1 beschränken sich nicht nur auf die Magnetotellurik in allen Spezialformen wie z.B. die Audiomagnetotellurik, das Very-Low- Frequency-Verfahren oder (in Kombinationen mit aktiven Sendern) die Controlled Source- Magnetotellurik, sondern kann auch im Bereich der Geoelektrik und Geomagnetik, z.B. für die archäologische Prospektion, eingesetzt werden. Außerdem kann es als Seismik-Rekorder konfiguriert werden. Schließlich lässt es sich leicht an unterschiedliche physikalische Untersuchungsmethoden anpassen.

Claims

Patentansprüche
1. Verarbeitungseinrichtung (11) für Messdaten geophysikalischer Untersuchungsmethoden, insbesondere der Geoelektrik, Magnetotellurik, Seismik, Seismologie und dgl., umfassend einen Analogteil (30) mit zumindest einem Eingang (32, 33) für einen geophysikalischen Sensor (34, 35) und einem Analog-Digital-Wandler (39), einen Digitalteil (31) zur Weiterverarbeitung der digitalisierten Signale und zumindest eine Spannungsversorgung (48, 49), dadurch gekennzeichnet, dass ein digitaler Signalprozessor (40) zur Steuerung der Funktionen des Analogteils (30) und des Digitalteils (31) vorgesehen ist.
2. Verarbeitungseinrichtung (11) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Analogteil (30) einen Tiefpass-Filter aufweist, der angepasst ist, künstliche Störungen in den Messdaten im Wesentlichen nicht zu filtern, so dass diese mit dem Nutzsignal digitalisiert werden, und dass der Digitalteil (31) einen Tiefpass-Filter aufweist, der angepasst ist, die künstlichen Störungen in den digitalisierten Signalen (Zeitreihen) zu filtern, und/oder dass die Organisation der Datenspeicherung auf den Datenspeichermedien mit einem angepassten Dateisystem erfolgt, mit dem die Zugriffszeiten des verwendeten Speichermediums nicht durch Datenblockfragmentierung und/oder hohen Verwaltungsaufwand verlängert werden, um Pufferüberläufe zu verhindern.
3. Verarbeitungseinrichtung (11) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der digitale Signalprozessor (40) angepasst ist, um die Steuerung des Analogteils (30), eine Aufnahme der Messdaten und gegebenenfalls eine weitere Signalverarbeitung (Preproces- sing), sowie gegebenenfalls eine Steuerung der Datenübertragung und eine Datenspeicherung im Wesentlichen gleichzeitig abzuarbeiten, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass in dem digitalen Signalprozessor (40) eine Software, insbesondere eine assembleroptimierte Software, implementiert ist, die die Steuerung des Analogteils (30), die Aufnahme der Messdaten, die weitere Signalverarbeitung (Preprocessing), eine Steuerung der Datenübertragung und die Datenspeicherung im Wesentlichen gleichzeitig abarbeitet.
4. Verarbeitungseinrichtung (11) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für Analogteil (30) und Digitalteil (31) ein gemeinsamer Systemtaktgeber (42) vorgesehen ist, der insbesondere ein temperaturkompensierter Taktgenerator (42) ist, und/oder dass der Analogteil (30) vom Digitalteil (31) abnehmbar, insbesondere auf den Digitalteil (31) steckbar, ausgebildet ist.
5. Verarbeitungseinrichtung (11) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Satellitensynchronisations-Vorrichtung (44) vorgesehen ist, wobei der Digitalteil (31) bevorzugt angepasst ist, über die Satellitensynchronisations-Vorrichtung (44) Positionsdaten für die Verarbeitungseinrichtung (11) zu ermitteln und/oder eine Zeitreferenz, um mit deren Hilfe den Systemtakt zu synchronisieren.
6. Verarbeitungseinrichtung (11) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei, bevorzugt fünf Eingänge (32, 33) für Messdaten, insbesondere mindestens zwei Tellurikkanäle (33) und drei Magnetometerkanäle (32), vorgesehen sind, die gemeinsam mit dem Analog-Digital-Wandler (39) verbunden sind und/oder dass zumindest ein Tellurikverstärker vorgesehen ist, der zumindest einen Zero-Drift- Verstärker aufweist.
7. Verarbeitungseinrichtung (11) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Eingang (33) einen Eingangswiderstand von größer gleich 1 ΜΩ, bevorzugt größer gleich 100 ΜΩ und insbesondere größer gleich 1 GQ aufweist und/oder dass auf Bedienelemente bis auf ein einfaches optionales Betätigungsmittel (205) verzichtet wird und die Kontrolle der Funktionen der Verarbeitungseinrichtung über eine oder mehrere Schnittstellen, insbesondere Bluetooth-, WLAN-, LAN-, GPRS-, UMTS- oder Ethernet-Schnittstellen erfolgt.
8. Verarbeitungseinrichtung (11) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Eingang (32, 33) eine Filterung gegen elektromagnetische Störsignale, insbesondere einen mehrstufigen Blitzschutz aufweist und/oder dass Mittel zur Wiederauffindung vorgesehen sind, bevorzugt Mittel zum Senden der Position der Verarbeitungseinrichtung und/oder Mittel zum Abstrahlen von Licht, insbesondere zumindest eine Blitzlampe.
9. Verfahren zur Verarbeitung von Messdaten der Geoelektrik, Magnetotellurik, Seismik, Seismologie und dgl. geophysikalische Untersuchungsmethoden, wobei die Messdaten analog vorliegen und mit Hilfe einer Vorrichtung (11) mit einem Analogteil (30), mit einem Analog- Digital-Wandler (39) und einem Digitalteil (31) in digitalisierte Signale umgewandelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Funktionen des Analogteils (30) und des Digitalteils (31) mit Hilfe eines digitalen Signalprozessors (40) erfolgt, wobei bevorzugt eine Verarbeitungseinrichtung (11) nach einem der vorherigen Ansprüchen verwendet wird.
10. Geophysikalisches Erkundungssystem (1) mit ein oder mehreren geophysikalischen Sensoren (34, 35), bevorzugt Magnetometer (34) und Bodenelektroden (35) oder Geophone, und einer Einrichtung (11) zur Verarbeitung der von den Sensoren (34, 35) erzeugten Mess- daten, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verarbeitungseinrichtung (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 vorgesehen ist und bevorzugt weiterhin Mittel (45, 46) zum Speichern der verarbeiteten Messdaten vorgesehen sind.
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