DE19629390A1 - Sensoriksystem zur geometrischen Vermessung unterirdischer Hohlräume und Vermessungsverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensoriksystem zur geometri­ schen Vermessung unterirdischer Hohlräume bzw. Kavernen mit einem in den zu vermessenden Hohlraum einbringbaren Sensorik­ träger, der wenigstens einen Meßimpulssender und mehrere im we­ sentlichen fächerförmig aus der Richtung eines Zentrums oder einer Zentrumsachse des Sensorikträgers empfangende, vorzugs­ weise einen 360°-Rundumbereich erfassende Empfangssensoren bzw. Empfangssensorsegmente, sogenannte "Multiscan"-Sensoren, auf­ weist.

Ein Sensoriksystem zur geometrischen Vermessung unter­ irdischer Hohlräume mit einzelnen Meßsensoren ist beispielsweise prinzipiell aus der DE-OS 44 26 501 bekannt.

Mittlerweile ist aber auch ein Sensoriksystem der ein­ gangs genannten Gattung auf dem Markt, bei dem ein entsprechen­ der Sensorikträger mehrere, nach einem sogenannten "Multiscan"- Verfahren arbeitende Empfangssensoren bzw. Empfangssensorsegmen­ te aufweist und wobei der Meßimpulssender vorzugsweise ein omni­ direktional Meßimpulse aussendender Meßimpulssender ist. Bei dem auf dem Markt befindlichen System werden also mit Hilfe eines Meßimpulssenders omnidirektional Meßimpulse ausgesandt, also Meßimpulse quasi strahlenförmig aus der Richtung eines Zentrums des Sensorikträgers kommend gleichmäßig über den gesamten Raumwinkel von 4π verteilt ausgesandt. Entsprechend verfügt der Sensorikträger über facettenartige Empfangssensorsegmente, die im wesentlichen eine Kugel bildend ebenfalls um ein Zentrum an­ geordnet sind und in der Lage sind, die von den Hohlraumwänden reflektierten, ursprünglich vom Meßimpulssender allseitig ausge­ sandten Strahlen jeweils innerhalb eines bestimmten Winkelbe­ reiches zu erfassen.

Auf diese Weise soll mit einem einzigen, zeitlich sehr kurz befristbaren Meßvorgang eine Vielzahl von Informationen von einem unterirdischen Hohlraum gewonnen werden können. Hierzu sendet also der Meßimpulssender allseitig seine Meßimpulse aus, die nach der Reflexion von den Wänden des Hohlraumes von den Empfangssensorsegmenten empfangen und mit Hilfe einer entspre­ chenden elektronischen Einrichtung ausgewertet werden.

Dieses auf dem Markt befindliche Sensoriksystem hat je­ doch seine Nachteile.

Zunächst einmal ist es erforderlich, um das vom jeweili­ gen Empfangssensorsegment empfangene Meßsignal auszuwerten, jedem Empfangssensorsegment seine Nachfolgeelektronik zuzuord­ nen, die im wesentlichen aus einem Verstärker, einem Analog-Di­ gital-Wandler und einem Speicher besteht. Es ist also erforder­ lich, jedes einzelne Empfangssensorsegment entsprechend zu ver­ kabeln. Dies bedeutet, daß dann, wenn eine entsprechende Auf­ lösung des gesamten Empfangssensors gewährleistet sein soll und deshalb beispielsweise die Empfangsensorsegmente nur einen Öff­ nungswinkel von 3° haben sollen, es gegebenenfalls notwendig ist, über den gesamten Raumwinkel verteilt etwa 200 bis 300 Seg­ mente anzuordnen, denen jeweils eine Nachfolgeelektronik zuge­ ordnet sein muß, so daß mehrere 100 Kabelführungen zu den ein­ zelnen Segmenten notwendig sind.

Da ein Sensoriksystem der eingangs genannten Gattung üblicherweise durch ein Bohrloch unter Drücken bis zu 300 bar in unzugängliche Hohlräume herabgelassen wird, und dabei an einem stahlamierten Bohrlochkabel pendelnd aufgehängt ist, ist für eine solche Vielzahl von Verkabelungen oftmals gar kein Raum vorhanden. Abgesehen davon kann eine solche vielzahlige Verkabe­ lung natürlich zu einer höheren Störanfälligkeit führen.

Selbst bei einer relativ großen Zahl von Empfangsensor­ segmenten, wie im vorhergehenden angedeutet, ist aber die Auf­ lösung der auf dem Markt befindlichen Meßvorrichtung nicht sehr gut, so daß nur ein recht grobes geometrisches Bild von dem ver­ messenen Hohlraum gewonnen wird.

Dieses Bild wird unter Umständen noch unklarer und feh­ leranfälliger, wenn mit dem Bohrloch zur Einführung des Senso­ rikträgers nicht einigermaßen genau das Zentrum des zu vermes­ senden Hohlraumes angezielt wird, so daß dem Empfangssensor einige Wandbereiche des zu vermessenden Hohlraumes besonders nahe sind, während andere Wandbereiche sehr weit entfernt lie­ gen. Dies und auch unterschiedliche Reflexionen führt quasi zu einer Verzerrung der Meßgeometrie und zu unterschiedlichen Auf­ lösungen in unterschiedlichen Hohlraumbereichen, durch die fest­ gelegte Segmentierung des Empfangssensors.

Diese feste Segmentierung führt außerdem dazu, daß das auf dem Markt befindliche System in Bezug auf das Auflösungsver­ mögen auf eine ganz bestimmte Frequenz eines Meßimpulses aus­ gelegt ist. Es ist also nicht so ohne weiteres möglich, Meßim­ pulse unterschiedlicher Frequenzen zu verwenden. Dies könnte aber im Einzelfalle sachdienlich sein.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Sen­ soriksystem der eingangs genannten Gattung insbesondere im Hin­ blick auf das Auflösungsvermögen zu verbessern.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Sensorikträger oder wenigstens sein die Empfangssensoren tragen­ der Teil in definierten Winkelabschnitten um die Zentrumachse drehbar bzw. schwenkbar ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Sensoriksystem kann also der Sensorikträger bzw. ein Teil von ihm in definierten Winkel­ schritten um die Achse gedreht werden, aus deren Richtung die einzelnen Empfangssensoren bzw. Empfangssensorsegmente (schein­ bar) empfangen. Dabei können die Drehwinkelschritte insbesondere wesentlich kleiner gewählt werden als die Öffnungswinkel der Empfangssensoren bzw. der Empfangssensorsegmente.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird also mit Vor­ teil nicht in erster Linie das Auflösungsvermögen des Systems durch die Anzahl der Empfangsensoren bzw. der Empfangssensorseg­ mente und ihre Öffnungswinkel bestimmt, sondern durch die Fein­ einteilung der Winkelschritte beim Drehen des Empfangssensors. Wird nämlich der Empfangssensor in relativ kleinen Schritten ge­ dreht, wonach nach jedem Drehschritt eine entsprechende weitere Messung durchgeführt wird, bei der Meßimpulse ausgesandt und empfangen werden, so ist das Auflösungsvermögen des entsprechen­ den Systems so gut, als wären die Empfangssensoren bzw. Em­ pfangssensorsegmente in entsprechend hoher Anzahl mit einem ent­ sprechend kleinen Öffnungswinkel, entsprechend des Drehschrit­ tes, vorhanden. Das Auflösungsvermögen ist also bei dem erfin­ dungsgemäßen System insbesondere nicht durch die Anzahl der Meß­ sensoren fixiert, sondern kann nach Bedarf durch die Drehung bzw. Schwenkung des Systems frei gewählt werden. Dies bedeutet insbesondere auch, daß die Größe der Winkelschritte bei der Drehung des Sensorikträgers auch an die jeweiligen Frequenzen der verwendeten Meßimpulse angepaßt werden können. Auch die Frequenzen der Meßimpulse sind damit prinzipiell frei wählbar.

Grundsätzlich ist es so, daß jeder Empfangssensor bzw. jedes -sensorsegment, ausgehend von dem Empfangssensor bzw. dem -sensorsegment eine Empfangscharakteristik bzw. einen Empfangs­ bereich aufweist, der eine Art Keulenform hat. Je höher die Fre­ quenz des zu empfangenden Meßimpulses ist, desto schmaler ist die entsprechende Keulenform des Meßsensors bei gleichem Öff­ nungswinkel. Sind also Empfangssensoren bzw. Empfangssensorseg­ mente in gleichmäßigen Winkelabständen um eine Zentrumsachse an­ geordnet, so ergeben in einer geschnittenen Darstellung die durch die jeweiligen Empfangskeulenformen der Sensoren verläuft diese Empfangsbereiche der Empfangssensoren also keine scharfen Strahlen, die auf ein Zentrum bzw. eine Zentrumsachse zulaufen, sondern eine Art Blütenform mit den Keulenformen als Blüten­ blättern, die von dem Zentrum bzw. der Zentrumsachse ausgehen, wobei sich diese Blütenblätter bei unterschiedlichen Frequenzen von Meßimpulsen, also bei schmalerer oder breiterer Ausdehnung mehr oder weniger stark überlappen. Ein Überlapp dieser Keulen­ formen bzw. Blütenblätter soll aber gegeben sein, um die Vortei­ le des Multiscan-Verfahrens zu nutzen, weil sich aus dem Bereich des Überlappens durch mathematische Korrelation und deren Aus­ wertung bei der Auswertung der von den einzelnen Meßsensoren em­ pfangenen Impulse zusätzliche Informationen ergeben, die letzt­ lich das Auflösungsvermögen der Vorrichtung vergrößern.

Gerade bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird dieser Überlapp der Keulenformen genutzt, um auf mathematische Weise das Auflösungsvermögen der Vorrichtung gegenüber der eigentlich durch die Anzahl der Empfangssensoren bzw. Empfangssensorsegmen­ te vorgegebene Auflösung zu verbessern. Ein Vorteil der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung besteht jedoch darin, daß sich der Überlapp nicht nur zwischen zwei Keulenformen einander benach­ barter Empfangssensoren bzw. Empfangssensorsegmente unmittelbar räumlich ergeben muß, sondern sich ein solcher Überlapp auch zeitlich ergeben kann, indem sich die Keulenform eines Empfangs­ sensors bzw. eines Empfangssensorsegmentes mit der eigenen Keu­ lenform zeitlich verzögert aber dennoch räumlich nach einer entsprechenden Winkeldrehung der Vorrichtung überlappt.

Tatsächlich ist also mit dem erfindungsgemäßen System bei unter Umständen geringerer Anzahl von Empfangssensoren bzw. Empfangssensorsegmenten ein Mehrfaches an Informationen erhält­ lich, die zu einem höheren Auflösungsvermögen führen, und zwar unter Umständen ein Vielfaches von Informationen, das sogar größer sein kann als der Faktor, um den die Anzahl der Empfangs­ sensoren durch eine entsprechende Anzahl von Drehschritten scheinbar vergrößert worden ist. Diese zusätzliche Vermehrung von Informationen wird, wie bereits geschildert, dadurch er­ reicht., daß die jeweiligen Messungen abgespeichert und in zeit­ licher Abfolge gesammelt und danach unter Berücksichtigung mathematischer Korrelationen ausgewertet werden.

Insbesondere kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung dabei noch besser sichergestellt werden, daß unter Umständen Fehlreflexionen von Meßimpulsen, die das Meßergebnis insgesamt verfälschen können, unberücksichtigt bleiben, weil auch diese Fehlmessungen, von beispielsweise mehrfach reflektierten Meßim­ pulsen, durch Korrelationskontrollen identifiziert werden kön­ nen.

Insgesamt kann also die erfindungsgemäße Vorrichtung grundsätzlich mit weniger Empfangssensoren bzw. Empfangssensor­ segmenten auskommen als der Stand der Technik und, abhängig von der Größe und Anzahl der gewählten Drehschritte dennoch ein besseres Auflösungsvermögen erzielen. Zwar sind dadurch mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung mehrere Messungen erforderlich, so daß die Messung insgesamt einen größeren Zeitraum in Anspruch nimmt, der jedoch wirtschaftlich von vernachlässigbarer Bedeu­ tung ist. Es kann aber, je nach Bedarf, durch die Auswahl der Meßschritte und der Anzahl der Meßschritte frei ausgewählt wer­ den, ob eine genaue oder eine grobere Kavernenvermessung erfol­ gen soll.

Hinzu kommt noch, daß ein Sensor bzw. ein Sensorsegment mit einer größeren Empfangsfläche ebenfalls eine schmalere "Keu­ lenform" als Empfangsbereich hat als ein kleinerer Sensor. Bei dem erfindungsgemäßen System, das weniger und dafür größere Sen­ soren verwendet, sind somit die vorhandenen Empfangssensoren mit Vorteil detailgenauer ausgerichtet.

Vorzugsweise könnten bei einer erfindungsgemäßen Vor­ richtung um die Zentrumsachse herum etwa 15 Empfangssensoren bzw. Empfangssensorsegmente in gleichmäßigen Winkelabständen von jeweils etwa 24° zwischen einander benachbarten Empfangssensoren angeordnet sein.

Nach einer nächsten Weiterbildung ist jedem Empfangssen­ sor bzw. Empfangssensorsegment ein eigener elektrischer Ver­ stärker zur Verstärkung des von ihm empfangenen Meßimpulses und insbesondere zur individuellen Einstellung seiner Empfangscha­ rakteristik zugeordnet und entsprechend individuell regelbar.

Mit Hilfe des Verstärkers kann in gewisser Weise die im vorhergehenden geschilderte "Keulenform" verändert werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Sensorikträger selbst sich nicht annähernd im Zentrum des zu vermessenden Hohl­ raumes befindet, so daß einige Wandbereiche des Hohlraumes dem Sensorikträger und den Empfangssensoren nahe sind, während andere sehr viel weiter entfernt sind. Je nach Abstand zu den Wänden des zu vermessenden Hohlraumes oder deren Reflexionsbe­ dingungen können also die jeweils zugeordneten Empfangssensoren entsprechend an ihren Verstärkern eingestellt werden, um eine einheitlich genaue Aufnahme des gesamten Hohlraumes zu ermöglichen, wobei diese Einregelung bzw. eine Umregelung der Verstärker auch bei der Drehung der Empfangssensoren be­ rücksichtigt werden kann.

Insgesamt müssen übrigens bei der erfindungsgemäßen Vor­ richtung nicht unbedingt die Empfangssensoren bzw. Empfangssen­ sorsegmente gleichmäßig um ein Zentrum oder eine Zentrumsachse herum angeordnet sein. Es könnte als ausreichend angesehen werden, die Empfangssensoren nur so anzuordnen, daß sie inner­ halb eines Fächerbereiches nur einen Teilwinkelbereich erfassen. Durch die Drehbarkeit des Sensorikträgers könnten dadurch ein­ zelne Bereiche eines Hohlraumes nacheinander erfaßt und genau vermessen werden. Durch die Drehbarkeit des Sensorikträgers ist immer ein Gesamtbild des Hohlraumes bei Bedarf erzielbar.

Eine weitere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vor­ richtung sieht vor, daß sowohl der Meßimpulssender, als auch die Empfangssensoren bzw. Empfangssensorsegmente auf unterschied­ liche Meßimpulsfrequenzen einstellbar sind, um die bereits weiter vorne geschilderten vorteilhaften Möglichkeiten der er­ findungsgemäßen Vorrichtung auszunutzen.

Der Meßimpulssender ist vorzugsweise ein Ultraschall­ sender und die Empfangssensoren sind Ultraschallwandler bzw. sind die Empfangssensorsegmente Segmente eines segmentierten Ultraschallwandlers.

Es kann, wie bei dem auf dem Markt befindlichen System vorgesehen, auch bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein om­ nidirektional aussendender Meßimpulssender verwendet werden. Es erscheint aber durchaus vorteilhaft, vorzugsweise jedem einzel­ nen Empfangssensor bzw. Empfangssensorsegment seinen eigenen Meßimpulssender bzw. -segment zuzuordnen, der bzw. das in der je­ weils gleichen Richtung sendet, aus der der entsprechende Em­ pfangssensor bzw. das entsprechende -segment empfängt. Dies könnte letztendlich zu einer größeren Meßgenauigkeit bei gleich­ zeitiger Kostenminimierung führen. Dabei kann sogar jedes Emp­ fangssensorsegment selbst zunächst (kurzzeitig) als Meßimpuls­ sender fungieren und während der Lauf- und Reflexionszeit des ausgesandten Meßimpulses (wieder) auf Empfang umgeschaltet wer­ den.

Eine weitere Reduzierung der Anzahl der Empfangssensoren bzw. -segmente ist nach einer Weiterbildung des erfindungsge­ mäßen Systems möglich, wenn vorgesehen ist, daß die entsprechen­ den Empfangssensoren nicht zu allen Seiten zur Erfassung eines gesamten Raumwinkels ausgerichtet sind, sondern nur zu einer im wesentlichen ringförmigen oder fächerförmigen Erfassung eines Teiles des Raumwinkels ausgerichtet und vorgesehen sind. Die übrigen Bereiche des Raumwinkels können dadurch erfaßt werden, daß der Sensorikträger oder wenigstens sein die Empfangssensoren bzw. Empfangssensorsegmente tragender Teil, der vorzugsweise auch den Meßimpulssender bzw. die Meßimpulssender trägt, um eine quer zur Drehachse verlaufende Kippachse kippbar angeordnet ist.

Die Lösungsmerkmale, die erfüllt sein sollten, um trotz der Drehbarkeit und der Kippbarkeit des Sensorikträgers bzw. eines Teiles des Sensorikträgers genaue Messungen zu garantie­ ren, sind aus der bereits eingangs zitierten DE-OS 44 26 501 prinzipiell entnehmbar, also beispielsweise die Verbindung fester und beweglicher Teile, die Kontrolle der jeweiligen Dreh­ bzw. Kippstellung und auch die Stabilisierung von Drehstellun­ gen, beispielsweise durch Kreiselsysteme.

Das Sensoriksystem hinsichtlich seiner Sensoranordnung und Sensorauswertung ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung allerdings ein grundsätzlich anderes als bei dem vorbekannten System, was nicht übersehen werden darf, da es sich bei der er­ findungsgemäßen Vorrichtung trotz der möglichen Reduzierung der Empfangssensoren um ein echtes Multiscan-System handelt, bei dem die zusätzliche Drehbarkeit zu einer Verbesserung des Multiscan- Verfahrens führt, während es sich bei dem bekannten System gemäß der DE-OS 44 26 501 um ein System handelte, das mit einzelnen Sensoren arbeitet, bei dem beispielsweise die Drehbarkeit und die Kippbarkeit nur zur jeweiligen Umorientierung dieses einzel­ nen Sensors diente, ohne daß hierdurch Multiscancharakteristiken und Korrelationen erzielt wurden.

Insbesondere sollten sich bei dem erfindungsgemäßen System die im vorhergehenden geschilderten Keulenformen auch einander benachbarter Empfangssensoren bzw. -segmente immer und in jeder Drehstellung überlappen, um aus diesem Überlapp bei jeder Messung eine Korrelationsinformation zu erhalten. Die einzelnen Drehschritte sollten so klein ausgeführt werden, daß dieser Überlapp quasi noch feiner nacheinander durch die ein­ zelnen Dreh- bzw. Meßschritte unterteilbar und erfaßbar ist.

Für ein Verfahren zur geometrischen Vermessung unterir­ discher Hohlräume bzw. Kavernen mit einem Sensoriksystem mit einem in den zu vermessenden Hohlraum einbringbaren Sensorikträ­ ger, der wenigstens einen Meßimpulssender und mehrere im wesent­ lichen fächerförmig aus der Richtung eines Zentrums oder einer Zentrumsachse empfangende, vorzugsweise einen 360°- Rundumbe­ reich erfassende Empfangssensoren bzw. Empfangssensorsegmente, sogenannte Multiscan-Sensoren, aufweist, vorzugsweise nach einem der Ansprüche 1 bis 8, das sich dadurch auszeichnet, daß zumin­ dest die Empfangssensoren bzw. Empfangssensorsegmente zur Durch­ führung zeitlich aufeinanderfolgender Messungen um die Zentrums­ achse der Empfangssensoreinrichtung um vorbestimmbare Winkel­ schritte gedreht werden, die vorzugsweise kleiner sind als die Öffnungswinkel eines jeweiligen Empfangssensors bzw. Empfangs­ sensorsegmentes, und bei dem die zeitlich aufeinanderfolgenden Messungen mathematisch korreliert ausgewertet werden, wird selb­ ständiger Schutz beansprucht.

Ausführungsbeispiele, aus denen sich weitere erfinderi­ sche Merkmale ergeben, sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1a eine schematische Perspektivansicht eines Sen­ sorikträgers eines erfindungsgemäßen Sensorsy­ stems innerhalb einer Kaverne,

Fig. 1b schematische Wiedergaben von Kavernenwandbildern eines Empfangssegmentes des Sensorikträgers ge­ mäß Fig. 1a in verschiedenen Drehstellungen,

Fig. 2 ein Laufzeitdiagramm eines Meßimpulses bis zu seinem Empfang,

Fig. 3a bis e eine Übersicht zur Erläuterung der Anwen­ dung des erfindungsgemäßen Sensoriksystems,

Fig. 4 ein Ablaufschema zur Anwendung des erfindungsge­ mäßen Sensoriksystems,

Fig. 5 bis 7 Echogrammdarstellungen als Aufnahmen von jeweils 24 Empfangssensorsegmenten bei Drehungen des Sensorikträgers um jeweils 5°,

Fig. 8 eine durch eine Korrelationsberechnung erstellte Echogrammdarstellung und

Fig. 9 ein im Vergleich zur Darstellung der Fig. 8 mit einem herkömmlichen Einzelsensor gemessenes Echo­ gramm.

Die Fig. 1a zeigt in schematischer Perspektivansicht den Sensorikträger eines erfindungsgemäßen Sensoriksystems in dem Bereich einer zu vermessenden Kaverne bzw. eines zu vermessenden unterirdischen Hohlraumes. Dabei ist in dieser Darstellung der Sensorikträger im Vergleich zum Durchmesser des Hohlraumes über­ trieben groß dargestellt, um Details erkennbar zu machen.

Der Sensorikträger 1 gemäß Fig. 1a ist als Meßkopf aus­ gebildet, der an dem freien Ende einer in einen zu vermessenden Hohlraum 2 eindringbaren Sonde angeordnet ist. Dabei ist der Sensorikträger 1 mit Hilfe einer entsprechenden Trennung 3 um seine Längsachse 4 schwenkbar bzw. drehbar. Außerdem ist er um eine Kippachse 5 kippbar, also in seiner Neigung verstellbar.

Der Sensorikträger trägt einen Ring bzw. einen Kranz aus Meßimpuls-Sendersegmenten 6 und diesen zugeordneten Empfangs­ sensorsegmenten 7. Eine hierfür angedeutete Trennung in Sender- und Empfangsbereich kann entfallen, wenn ein und derselbe Sen­ sorbereich zu unterschiedlichen Zeiten als Sender und als Emp­ fänger genutzt wird.

Die Meßimpuls-Sendersegmente 6 senden jeweils Meßimpulse in der Ebene des Senderringes bzw. Senderkranzes aus, beispiels­ weise Ultraschallimpulse, und zwar innerhalb von Winkelbereichen 8, die von der Wandung 9 des zu vermessenden Hohlraumes reflek­ tiert und innerhalb der Winkelbereiche 8 von den Empfangssensor­ segmenten 7 empfangen werden. Dies bedeutet, daß die Empfangs­ sensorsegmente 7 entsprechende Abschnitte der Wandung 9 bei ei­ nem Meßvorgang erfassen. Dies ist in der Fig. 1b und deren Be­ standteile I bis IV angedeutet.

Oberhalb der Fig. 1b ist in der Fig. 1 an einem Beispiel gezeigt, daß ein bestimmtes Empfangssensorsegment 7 zunächst einmal in seinem Winkelbereich 8 einen bestimmten Bereich der Wandung 9 des zu vermessenden Hohlraumes 2 erfassen kann. Dazu wird eine Messung durchgeführt, zu der das zugeordnete Meßim­ puls-Sendesegment 6 einen Meßimpuls aussendet, der von dem ent­ sprechenden Wandungsbereich reflektiert und vom Empfangssensor­ segment 7 empfangen wird.

Nach dieser Messung wird der Sensorikträger um die Achse 4 ein Stück weit gedreht, und zwar um einen Winkel, der kleiner ist als der Öffnungswinkel der Segmente 6, 7 bzw. kleiner ist als der Winkel eines Winkelbereiches 8. Bei einer entsprechenden nächsten Messung kann also dasselbe Empfangssensorsegment 7 ei­ nen Winkelbereich 8′ erfassen, der gegenüber dem früheren Win­ kelbereich 8 um einen entsprechenden Drehwinkel verdreht ist, wie dies in der Fig. 1a mit gestrichelten Linien angedeutet ist. In dieser Drehstellung wird eine nächste Messung durchgeführt. Danach kann dann für weitere Messungen der Sensorikträger 1 je­ weils um weitere Winkelschritte für weitere Messungen gedreht werden.

Während der beiden geschilderten ersten Messungen ist insgesamt von ein und demselben Empfangssensorsegment 7 ein Be­ reich der Wandung 9 des zu vermessenden Hohlraumes 2 zu erfas­ sen, der als Ausschnitt in Fig. 1b I wiedergegeben ist. Davon wird bei der ersten Messung ein Wandbereich erfaßt, wie er in Fig. 1b III gezeigt ist. Durch die zweite Messung wird ein Wand­ bereich erfaßt, wie er in der Fig. 1b II gezeigt ist. Dabei ist übrigens die Fig. 1b als Verständnisskizze anzusehen, die in ihrem Maßstab nicht dem Maßstab der Fig. 1a entspricht.

Erkennbar ist aus der Fig. 1b insbesondere, daß bei bei­ den Messungen ein gewisser Überlappungsbereich, wie er in Fig. 1b IV dargestellt ist, jeweils gesondert erfaßt wird. Dieser entsprechende Wandbereich wird also quasi zweimal vermessen, statt nur einmal. Bei großen Winkelbereichen 8 und relativ sehr kleinen Drehwinkeln um die Achse 4 können Überlappungsbereiche noch häufiger durch aufeinanderfolgende Messungen erfaßt werden. Gerade diese Überlappungsbereiche können unter Ausnutzung der größeren Anzahl der sie erfassenden Messungen mathematisch kor­ reliert ausgewertet werden, so daß letztendlich hierdurch Wand­ bereiche der Wandung 9 des zu vermessenden Hohlraumes sehr viel detaillierter erfaßt werden können, als es eigentlich die Breite eines Winkelbereiches 8 im Bereich der Wandung 9 erlauben würde, und zwar unter Umständen sogar detaillierter als es die Ausdeh­ nung des Überlappungsbereiches oder sogar des Drehwinkelberei­ ches selbst erlauben würde.

Wird also die Wandung 9 mit einer Vielzahl von Messungen mit relativ kleinen Drehwinkeln erfaßt, so läßt sich ein detail­ liertes Bild der Wandung 9 mit einer hohen Auflösung erzielen.

In Fig. 2 ist ein Laufzeitdiagramm aufgetragen, das bei­ spielhaft den Empfang eines Meßimpulses mit der Stärke I nach einer Reflexion von der Wandung 9 der zu vermessenden Kaverne im Empfangssensorsegment 7 zeigt, und zwar im oberen Teil der Fig. "unbereinigt" und im unteren Teil der Fig. nach einer mathemati­ schen Behandlung.

Fig. 3 zeigt schematisch in den Figurenbestandteilen a bis e ein Übersichtsschema zur Verdeutlichung der Anwendung des erfindungsgemäßen Sensoriksystems.

In Fig. 3a sind, ausgehend von einer in die Bildebene hinein verlaufenden Zentrumsachse für einen 180°-Bereich keu­ lenförmige Empfangsbereiche von Empfangssensorsegmenten darge­ stellt, die diesen Winkelbereich zur Vermessung einer nicht nä­ her dargestellten Kavernenwand erfassen bzw. überdecken sollen. Diese Anzahl von Empfangsbereichen könnte durch eine entspre­ chende Anzahl von Empfangssensorsegmenten, in diesem Falle 21 Stück, erzielt werden. Zur Erzielung einer entsprechenden Win­ kelbereichsüberdeckung könnten aber erfindungsgemäß auch weniger Empfangssensorsegmente verwendet werden, die zur Verdichtung in­ nerhalb dieses Winkelbereiches um bestimmte Winkelschritte ver­ dreht worden sind, so daß dann die Fig. 3a nicht die Empfangsbe­ reiche zu einem bestimmten Zeitpunkt zeigen würde, sondern auf­ summiert nach einer Durchführung einer gewissen Anzahl zeitlich beabstandeter Drehschritte, bei denen der entsprechende Senso­ rikträger 1 um die Zentrumsachse gedreht worden ist.

Dies wird noch deutlicher bei der Betrachtung der Fig. 3b, die noch eine höhere Verdichtung in dem entsprechenden Win­ kelbereich darstellt, die bei Verwendung entsprechend kleiner Winkeldrehschritte erzielt werden kann, auch mit einer relativ geringen Anzahl von Empfangssensorsegmenten 7.

Die Fig. 3c illustriert an der Darstellung eines keulen­ förmigen Empfangsbereiches eines Empfangssensorsegmentes 7 die Abhängigkeit der Schallkeulenlänge und Schallkeulenbreite von der Empfindlichkeit des Empfangssensorsegmentes 7 bzw. die Ab­ hängigkeit des Öffnungswinkels Sinus (a) von der Frequenz des verwendeten Meßimpulses und dem Durchmesser des Empfangssensor­ segmentes selbst. Dabei wird in der Figur der Durchmesser des Empfangssensorsegmentes mit D bezeichnet. Lamda soll dabei das Produkt aus der Periodendauer der für den Meßimpuls verwendeten Schallwelle in Sekunden und der Schallgeschwindigkeit in m/s sein.

Dabei ist Sinus (a) proportional zu Lamda und umgekehrt proportional zu D. Dies bedeutet, daß die Keulenbreite und -län­ ge umso größer wird, je größer die Periodendauer ist, also desto niedriger die Frequenz ist, und außerdem die Keulenbreite und -länge umso größer wird, desto kleiner der Durchmesser des Emp­ fangssensorsegmentes ist.

Dies bedeutet also noch einmal anders ausgedrückt, daß ein relativ großflächiges Empfangssensorsegment eine relativ schmale, scharfe, detailgenaue Keulenform aufweist, die umso schärfer und genauer ist, desto höher die verwendete Meßimpuls­ frequenz ist. Es ist also für die Meßgenauigkeit durchaus vor­ teilhaft, möglichst große Empfangssensorsegmente zu verwenden, von denen aber beim Multi-Scan-Verfahren nur eine kleinere An­ zahl nebeneinander um eine Zentrumsachse plaziert werden kann. Um dennoch auch eine verdichtete Erfassung eines Winkelbereiches gemäß Fig. 3b zu ermöglichen, wird erfindungsgemäß die Drehung der entsprechend kleinen Anzahl von Empfangssensorsegmenten um relativ kleine Drehwinkelschritte um die Zentrumsachse vorge­ schlagen.

In der Fig. 3c sind die verschieden großen Keulenformen und der sich daraus ergebende Empfangsbereich mit unterschiedli­ chen Schraffierungen kenntlich gemacht und, angefangen bei der kleinsten Keulenform, hin zur größten Keulenform mit I bis IV bezeichnet.

Fig. 3d zeigt den von der entsprechenden Zentrumsachse entfernten Endbereich verschieden großer Keulenformen I bis IV entsprechend der Darstellung gemäß 3c. Diesmal aber ergänzt durch die Darstellung eines Abschnittes einer uneben (onduliert) verlaufenden Kavernenwand 9, auf die bei der vorliegenden Ent­ fernung allerdings nur die Keulenformen II bis IV auftreffen.

Fig. 3e zeigt die sich aus den Meßbedingungen gemäß der Fig. 3d ergebende Echoantwort des jeweiligen Empfangssensorseg­ mentes 7 bei Anwendung der Keulenformen II bis IV, wobei auf der Abszisse dieser funktionalen Darstellung die Laufzeit des ent­ sprechenden Meßsignales von der Aussendung bis zum Empfang, also letztlich die Entfernung des Sensorikträgers von dem entspre­ chenden Bereich der Kavernenwand 9, aufgetragen ist.

Aus dieser Funktion gemäß Fig. 3e ergeben sich mehrere Informationen und gleichzeitig auch Vorteile des erfindungsge­ mäßen Sensoriksystems.

Zunächst einmal wird deutlich, daß ein bestimmter Öff­ nungswinkel Sinus (a) vorhanden sein muß, um eine gewisse Min­ destlänge einer Keulenform zu erreichen, damit der entsprechende Empfangsbereich eines Empfangssensorsegmentes überhaupt, die entsprechende Entfernung überbrückend, bis zur Kavernenwand 9 reicht. Andererseits sollte wiederum auch der Öffnungswinkel Sinus (a) nicht zu groß sein, damit eine möglichst genaue bzw. scharfe Laufzeit oder Entfernungsinformation erhalten wird. Es ist also vorteilhaft, wenn das entsprechende Empfangssensorseg­ ment 7 in Kombination mit dem zugeordneten Meßimpuls-Senderseg­ ment 6, welches es durch Übernahme beider Funktionen selbst sein könnte, in Abhängigkeit von der Kavernenwand 9 in diesem Be­ reich, beispielsweise durch Veränderung der Meßfrequenz, hin­ sichtlich seiner Keulenform eingestellt werden könnte. Nicht nur dies ist bei dem erfindungsgemäßen Sensoriksystem bevorzugt mög­ lich, sondern es ist auch möglich, diese Einstellung jeweils bei Drehung des Sensorikträgers zu verändern, damit immer gerade das Empfangssensorsegment 7 die entsprechende Keulenform aufweist, das gerade auf den entsprechenden Wandbereich 9 ausgerichtet ist.

Fig. 4 zeigt ein Ablaufschema, etwa in Form eines Fluß­ diagrammes bzw. eines Blockschaltbildes für den Einsatzablauf eines erfindungsgemäßen Sensoriksystems.

Der Übersichtlichkeit halber könnte davon ausgegangen werden, daß das System lediglich über 8 Empfangssensorsegmente 7 und einen entweder omnidirektional abstrahlenden Meßimpulssender oder eine entsprechende Anzahl von 8 Meßimpuls-Sendersegmenten 6 verfügt. Diese Empfangssensorsegmente 7 sind in der Fig. 4 nur angedeutet. Den Empfangssensorsegmenten 7 sind, als schematische Blöcke dargestellt, A/D-Wandler und insbesondere Speicherplätze 10 nachgeschaltet.

Ein einzelnes Empfangssensorsegment 7 mit nachgeschal­ teten Verstärkern 12, einem A/D-Wandler 11 und einem Speicher­ platz 10 ist in dem in Fig. 4 enthaltenen Detail I noch einmal genauer dargestellt.

Die Speicherplätze 10 der Empfangssensorsegmente 7 sind obertage mit einer Speichereinheit 13 mit einer größeren Anzahl von Speicherkanälen 14a bzw. 14b verbunden.

In die Speicherkanäle 14b werden zunächst einmal die Speicherplätze 10 der Empfangssensorsegmente 7 ausgelesen, und zwar bei der ersten Messung zunächst einmal ohne eine Drehung des Sensorikträgers 1 entsprechend der Winkelrichtungen, die die Empfangssensorsegmente 7 entsprechend ihrer Anzahl und Anordnung repräsentieren. Dadurch ergibt sich ein relativ grobes Speicher­ raster in den Speicherkanälen 14b. Eine Verfeinerung des Spei­ cherrasters bzw. eine Verdichtung der Erfassung des gesamten 360°-Winkelbereiches, entsprechend der Darstellung der Fig. 3b, wird dadurch erreicht, daß der Sensorikträger 1 mit den Emp­ fangssensorsegmenten 7 um bestimmte Winkelschritte gedreht wird, und zwar in dem in Fig. 4 dargestellten Beispiel um jeweils 3°. Nach jedem derartigen Drehschritt von 3° werden die Speicher­ plätze 10 der Empfangssensorsegmente 7 in entsprechende Spei­ cherkanäle 14a ausgelesen, die also Informationen bekommen, die zur Verfeinerung der Speicherinformation "zwischen" den Spei­ cherkanälen 14b mathematisch korreliert einzuordnen wären. Der entsprechende Ablauf ist im Detail II der Fig. 4 aufgelistet.

Um also eine sehr große Anzahl von Empfangssensorsegmen­ ten zu simulieren, die über ein Multi-Scan-Verfahren mathema­ tisch korreliert miteinander genutzt werden, müssen bei dem er­ findungsgemäßen System nur relativ wenige Empfangssensorsegmente 7 vorhanden sein, während der Effekt einer größeren Anzahl durch eine Drehung in kleinen Schritten und eine entsprechend große Anzahl von Speicherkanälen 14a erzielt wird.

Dabei soll in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen werden, daß sich die Speicherkanäle 14a und 14b ihrer Art nach natürlich prinzipiell nicht unterscheiden, sondern eine unter­ schiedliche Benennung nur aus Gründen einer besseren Deutlich­ keit gewählt worden ist.

Die Fig. 5 bis 7 zeigen Echogramme unter Verwendung von 24 Empfangssensorsegmenten 7, die durch ihre Anordnung einen 360°-Winkelbereich erfassen. Die jeweiligen Echoantworten der Empfangssensorsegmente 7 sind entsprechend der Darstellung der Fig. 3e untereinander aufgezeichnet, also wiederum mit einer Laufzeit bzw. einer Entfernungsskala zur Wandung 9 auf der je­ weiligen Abszisse der Darstellung. Aus diesen Laufzeitinforma­ tionen der Fig. 5 bis 7 ist erkennbar, daß die Kavernenwand 9 insgesamt eine Ondulation, also eine Entfernungsvariation um die Zentrumsachse des Sensorikträgers 1 von 20 m bis ca. 200 m auf­ weist.

Die Fig. 5 bis 7 unterscheiden sich lediglich dadurch, daß zwischen diesen einzelnen Echogrammen die jeweiligen Emp­ fangssensorsegmente 7 um jeweils 5° um die Zentrumsachse ver­ dreht worden sind. Die Echogrammbilder ähneln sich also, wobei aber von den Empfangssensorsegmenten 7 in den Fig. 6 und 7 Zwi­ schenbereiche der Kavernenwand 9 erfaßt werden im Vergleich zu der Erfassung gemäß der Fig. 5.

Im Sinne der Darstellung der Fig. 4 und den dortigen Speicherkanälen 14a bzw. 14b würde also beispielsweise die Fig. 5 die Speicherkanäle 14b repräsentieren, während die Fig. 6 und 7 den Inhalt verschiedener Speicherkanäle 14a zeigen. Würde eine entsprechende Gesamtmessung dargestellt werden sollen, müßten eigentlich die einzelnen Laufzeitkurven der Fig. 5 bis 7 inein­ ander verschachtelt bzw. miteinander kämmend, sich also gegen­ seitig verdichtend, dargestellt werden. Es müßte also erst die erste Laufzeitkurve der Fig. 5 dargestellt werden, darunter die erste Laufzeitkurve der Fig. 6, darunter die erste Laufzeitkurve der Fig. 7 und darunter wiederum die zweite Laufzeitkurve der Fig. 5 usw.

Fig. 8 zeigt in vergrößerter Darstellung das Empfangs­ signal eines Empfangssensorsegmentes nach einer entsprechenden Laufzeit, also quasi einen Ausschnitt aus einer Laufzeitkurve gemäß den Fig. 5 bis 7, der die entsprechende Empfangsamplitude zeigt, jedoch nicht als Ergebnis einer entsprechenden Messung, sondern rein theoretisch gewonnen aus einer mathematischen Kor­ relation bzw. Interpolation von Laufzeitkurven. Es handelt sich also um eine unter Verwendung von Speicherkanälen 14a und 14b gewonnene errechnete Kurve zur weiteren Vervollständigung der durch Messungen gewonnenen Informationen.

Um zu demonstrieren, daß eine solche mathematische In­ formation einer durch Messung zu erhaltenen Information ent­ spricht, ist im Vergleich dazu in der Fig. 9 eine entsprechende Meßkurve aufgezeichnet, die durch Messung an der entsprechenden Stelle, also in der entsprechenden Winkelrichtung, mit Hilfe eines herkömmlichen Einzel-Empfangssensors gewonnen worden ist. Beide Informationen können von nebensächlichen Abweichungen ab­ gesehen relativ genau zur Deckung gebracht werden.

Damit wird deutlich, daß aufgrund der möglichen Berech­ nungen unter Berücksichtigung mathematischer Korrelationen in Überlappungsbereichen zwei einander überlappender benachbarter Keulenformen, egal ob diese tatsächlich räumlich oder zeitlich nach einer Drehung zueinander benachbart sind, weitere Informa­ tionen erhältlich sind, die tatsächlichen Gegebenheiten entspre­ chen und diese also unter Ersparung weiterer Messungen wieder­ geben.

Außerdem soll noch in diesem Zusammenhang darauf hinge­ wiesen werden, daß aus Formatgründen in den Fig. 8 und 9, anders als in den Fig. 5 bis 7, die Amplitude des entsprechenden Emp­ fangssignales in waagerechter Richtung, also eigentlich in Abs­ zissenrichtung, und die Laufzeit-Entfernungsinformation in senk­ rechter Richtung, also eigentlich in Ordinatenrichtung, aufge­ tragen ist.

Claims (10)

1. Sensoriksystem zur geometrischen Vermessung unterir­ discher Hohlräume bzw. Kavernen mit einem in den zu vermessenden Hohlraum einbringbaren Sensorikträger, der wenigstens einen Meß­ impulssender und mehrere im wesentlichen fächerförmig oder strahlenkranzförmig aus der Richtung eines Zentrums oder einer Zentrumsachse empfangende, vorzugsweise einen 360°-Rundumbereich erfassende Empfangssensoren bzw. Empfangssensorsegmente, soge­ nannte "Multiscan"-Sensoren, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorikträger oder wenigstens sein die Empfangssensoren tragender Teil in definierten Winkelschritten um die Zentrums­ achse drehbar bzw. schwenkbar ist.

2. Sensoriksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß um die Zentrumsachse herum etwa 15 Empfangssensoren bzw. Empfangssensorsegmente in gleichmäßigen Winkelabständen von jeweils etwa 24° zwischen einander benachbarten Empfangssensoren angeordnet sind.

3. Sensoriksystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jedem Empfangssensor bzw. -segment ein elek­ trischer Verstärker zur Verstärkung des von ihm empfangenen Meß­ impulses und zur Einstellung seiner Empfangscharakteristik zu­ geordnet und individuell regelbar ist.

4. Sensoriksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ins­ besondere 3, dadurch gekennzeichnet, daß es auf die Verwendung von Meßimpulsen unterschiedlicher Frequenzen einrichtbar ist, indem der Meßimpulssender über eine entsprechende Meßimpulsfre­ quenz-Einstelleinrichtung verfügt und nötigenfalls auch die Em­ pfangssensoren bzw. -segmente.

5. Sensoriksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Meßimpulssender ein Ultraschall­ sender ist und daß die Empfangssensoren, Ultraschallwandler sind bzw. die Empfangssensorsegmente Segmente eines segmentierten Ul­ traschallwandlers sind.

6. Sensoriksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß der Meßimpulssender als ein Meßimpulse in Richtungen rund um das Zentrum bzw. die Zentrumsachse ab­ strahlender omnidirektionaler Sender ist.

7. Sensoriksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Empfangssensor bzw. Empfangs­ sensorsegment ein eigener, in der Empfangsrichtung des zugeord­ neten Empfangssensors bzw. -segmentes abstrahlender Meßimpuls­ sender zugeordnet ist.

8. Sensoriksystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß der Empfangssensor bzw. die Empfangssensorsegmente selbst sowohl als Meßimpulssender als auch als Empfangssensor zeitlich nacheinander nutzbar sind.

9. Sensoriksystem nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorik­ träger oder wenigstens sein die Empfangssensoren bzw. -segmente tragender Teil, der vorzugsweise auch den Meßimpulssender bzw. die Meßimpulssender trägt, um eine quer zur Drehachse verlau­ fende Kippachse kippbar angeordnet ist.

10. Verfahren zur geometrischen Vermessung unter­ irdischer Hohlräume bzw. Kavernen mit einem Sensoriksystem mit einem in den zu vermessenden Hohlraum einbringbaren Sen­ sorikträger, der wenigstens einen Meßimpulssender und mehrere im wesentlichen fächerförmig oder strahlenkranzförmig aus der Richtung eines Zentrums oder einer Zentrumsachse empfangende, vorzugsweise einen 360°-Rundumbereich erfassende Empfangssen­ soren bzw. Empfangssensorensegmente, sogenannte "Multiscan"- Sensoren, aufweist, vorzugsweise nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Empfangssensoren bzw. Empfangssensorensegmente zur Durchfüh­ rung zeitlich aufeinanderfolgender Messungen um die Zentrums­ achse der Empfangssensoreinrichtung um vorbestimmbare Winkelbe­ reiche gedreht werden, die vorzugsweise kleiner sind als die Öffnungswinkel bzw. Erfassungswinkel eines jeweiligen Empfangs­ sensors bzw. -segmentes, und daß die zeitlich aufeinander­ folgenden Messungen mathematisch korreliert ausgewertet werden.