DE2550715C3

DE2550715C3 - Schaltungsanordnung zum geophysikalischen Prospektieren aus einem Fahrzeug heraus

Info

Publication number: DE2550715C3
Application number: DE2550715A
Authority: DE
Inventors: Diether-Alfred 5305 Alfter- Oedekoven Schroeder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-11-12
Filing date: 1975-11-12
Publication date: 1980-07-03
Also published as: US4245191A; DE2550715A1; DE2550715B2; GB1561095A; US4125804A

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum geophysikalischen Prospektieren aus einem Fahrzeug heraus von im Erdreich vorhandenen und unmodulierte elektromagnetische Sinuswellen reflektierenden Einschlüssen, insbesondere Wasseradern, Erzlagerstätten, Rohrleitungen usw., mit einem Sende- und einem Empfangsteil, mit einem gemeinsamen Quarzoszillator im Sägezahngenerator und Sendeteil und mit einer an diesen angeschlossenen Sendeantenne, mit einer Empfangsantenne im Empfangsteil, mit einem an die Empfangsantenne angeschlossenen Verstärker, mit einer Mischstufe, deren beide Eingänge einmal an den Empfangsantennenverstärker und einmal über Zwischenglieder an die Sendespannung angeschlossen sind, mit einer Kathodenstrahlröhre und mit einem dem Empfangsantennenverstärker nachgeschalteten, die Sinuswellen in ihrer Breite zu Nadelimpulsen zusammendrückenden Impulsformer.

Schaltungsanordnungen zum geophysikalischen Prospektieren und zum Untersuchen der strukturellen Beschaffenheit der oberen Erdschichten, zum Beispiel zum Feststellen vorhandener Bodenschätze, wie Wasser, Erdöl, Erzlagerstätten öder Gäseinschlüssen, sind in zahlreichen Ausführunßsformen bekannt Mit den meisten der bekannten Schaltungsanordnungen, die nach einem ähnlichen Radarprinzip wie die eingangs genannte Schaltungsanordnung aufgebaut sind, werden modulierte elektromagnetische Wellen in die zu untersuchenden Erdschichten eingebracht und der Zeitabstand zwischen dem Zeitaugenblick der Abstrahr jung und dem Zeitaugenblick der Rückkehr der von den Erdschichten reflektierten Wellen mit einem Gerät gemessen, welches in sich Sender und Empfänger vereinigt (DE-AS 11 02 306). Mit diesen bekannten Schaltungsanordnungen -werden jedoch die elektromagnetischen Wellen in Form von Einzelimpulsen oder in Form von Impuls- oder frequenzmodulierten Wellen hoher Frequenz, das heißt im KW- oder UKW-Bereich, ausgestrahlt. Erfahrungsgemäß können hohe Frequenzen viele Bodensorten nicht durchdringen. Bei einem anderen Verfahren werden elektromagnetische Wellen mit einer verhältnismäßig niedrigen Frequenz im Bereich von 80 bis 550 kHz in das Erdreich eingestrahlt Diese Trägerfrequenz wird mit anderen Frequenzen moduliert (FR-PS 9 93 657). Allgemeine Beschreibungen über die Verwendung der sogenannten Reflexionsmethoden, insbesondere auch zum Untersuchen von Salzlagerstätten, sind in der Literatur vorhanden. Verwiesen sei auf den Aufsatz »Die Aussichten der Reflexionsmethode in der Funkmutung« in »Glückauf«, 1943, Seiten 336 bis 340. Ebenso ist es bekannt elektromagnetische Wellen im Langwellenbereich in das Erdreich einzuleiten und dabei kapazitive, induktive und Ohm'sche Messungen anzustellen (Geophysical Prospecting, Band 23, Nr. 1, März 1975, Seiten 104 bis 124). Das kommt daher, weil elektromagnetische Langwellen, das heiß·, mit niedriger Frequenz, die meisten Böden leichter durchdringen.

In der Radartechnik ist es üblich, die ausgestrahlten und die vom Zielobjekt reflektierten, modulierten Wellen nach vollzogener Demodulation im Empfänger auf einer Kathodenstrahlröhre visuell darzustellen und die Zeitablenkung der Kathodenstrahlröhre mit der Modulationsfrequenz durchzuführen. Damit ist der Arbeitsbereich der maximalen Entfernung von der Größe der Modulationsfrequenz abhängig. Infolge der besonderen Bedingungen der begrenzten Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen im Untergrund hat sich herausgestellt, daß dort bei Langwellen um 100 kHz die Reichweite der gesendeten und empfangenen Sinuswelle ungefähr dem Entfernungsbereich der Zeitablenkung mit einer Dreieckswelle gleicher Frequenz entspricht Deshalb ist bei diesem niederfrequenten Untergrund-Radarverfahren eine Modulation überflüssig und verzichtbar. Da nun die Sinuswelle des Senders und die Dreieckswelle der Zeitablenkung von einem gemeinsamen Quarzoszillator synchronisiert werden, sind definierte Messungen in einem sinnvollen Maßstab möglich. Der Verzicht auf Modulation bedeutet, daß im Empfänger anstelle der herkömmlichen Demodulationsschaltungen eine Impulsformerschaltung eingebaut sein muß, was bisher unüblich und daher unbekannt war. Der vorliegenden Erfindung liegt nun im wesentlichen die Aufgabe zugrunde, für eine Schaltungsanordnung der vorgenannten Gattung zum geophysikalischen Prospektieren aus einem Fahrzeug heraus einen besonderen Impulsformer zu schaffen, der schaltungs- und betriebstechnisch einfach ist und die Sinuswellen zu sauberen Nadelimpulsen verformt, die auf dem Bildschirm klar und eindeutig, das heißt laufzeitrichtig und ohne Überlagerungen, dargestellt werden und daher einzeln und getrennt voneinander erkennbar sind. Die Lösung für diese Aufgabe ergibt sich nach der Erfindung dadurch daß der Impulsformer als Penlhode geschaltet ist, deren Steuergitter über eine Hochfrequenzdrossel an einer stabilisierten negativen Vorspannung liegt und deren Schirmgitter unmittelbar an die Betriebsspan* niing geschaltet ist An der Anode werden dann die

Nadelimpulse abgenommen, worunter man spitze Impulse mit steil ansteigenden und abfallenden Flanken versteht Die erfindungsgemäß geschaltete Penthode Stellt eine Abweichung der üblichen Schaltungstechnik dar insofern, als deren Schirmgitter direkt an der vollen positiven Betriebsspannung und das Steuergitter über eine Hochfrequenzdrossel an einer negativen Vorspannung liegt Daher arbeitet die Penthode im Arbeitspunkt »C«, das heißt auf einem solchen Teil der Kennlinie, daß von den am Steuergitter anliegenden Sinuswellen die negativ gerichteten Halbwellenanteile ganz, und von den positiv gerichteten Halbwellenanteilen die Sockel abgeschnitten werden, und die übrigbleibenden Wellenkämme infolge der sehr großen Verstärkung zu spitzen Nadelimpulsen verzerrt werden. Weil bei der Erfindung der Bildschirm der Kathodenstrahlröhre aus Gründen der besseren Anschaulichkeit um 90 Grad gedreht ist liegen die dargestellten Nadelimpulse horizontal untereinander an einer vertikalen Zeitlinie und lassen sich deutlich voneinander unterscheiden. Der räumliche Abstand zwischen den Spitzen der Nadelimpulse läßt sich einfach ausmessen und zur Grundlage von Berechnungen über den Abstand und damit über die Tiefe bzw. Entfernung der reflektierenden Einschlüsse im Erdreich heranziehen.

In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Hochfrequenzdrossel mit ihrem kalten Ende an einem Spannungsteiler liegt und die negative Vorspannung an einem Widerstands-Spannungsteiler abgreift dem eine Zenerdiode und ein Glättungskondensator parallel geschaltet sind. Es sei noch erwähnt daß die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum geophysikalischen Prospektieren aus einem Fahrzeug heraus in einem möglichst geländegängigen Personenkraftwagen, einem Kombiwagen oder Lieferwagen installiert wird. Zweckmäßig wird sie anstelle des ausgebauten vorderen Beifahrersitzes in das Fahrzeug eingesetzt Dort kann sie von einer auf dem hinteren Sitz sitzenden Person bedient werden. Wichtig ist außerdem, daß die Antennen am Kraftfahrzeug elektrisch und elektromagnetisch entkoppelt montiert werden, um zu vermeiden, daß die Sendeantenne direkt in die Empfangsantenne einstrahlt Dies erreicht man zum Beispiel, indem man die Sendeantenne horizontal vor die Front und die Empfangsantenne vertikal hinter das Heck der Karosserie des Kraftfahrzeuges montiert

Am Beispiel der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsform wird die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung nun näher erläutert In der Zeichnung ist

F i g. 1 ein Blockschaltbild der Schaltungsanordnung,

F i g. 2 das Schaltbild der den Impulsformer bildenden Penthode und

F i g. 3 ein Schaltbild des in F i g. 1 gezeigten Strukturdetektors, dzs dort gezeigten Zeigermischers und einer Differenzierstufe.

In dem in Fi g. 1 dargestellten Blockschaltbild ist eine Kathodenstrahlröhre 1 mit zugeordneten Schaltelementen über einen Sägezahn-Generator 2 mit einem Quarzoszillator 3 verbunden. Zur Symmetrierung ist eine Symmetriestufe 4 Vorgesehen, die einerseits mit dem Sägezahngenerator 2 und andererseits mit der y-Ablenkung der Kathodenstrahlröhre in Verbindung steht Der Quarzoszillator 3 ist gleichzeitig über eine Pufferstufe 5 mit einer Sende-Endstufe und diese mit einem Tankkreis 6 verbunden. Der Sende-Endstufe wird Energie von einem Hoehspgnnungserzeuger 7 entnommen, welcher gleichzeitig mit der Kathodenstrahlröhre 1 zur Ausleuchtung verbunden ist Eine Sendeantenne 8 steht über ein Koaxialkabel und einen Anterinenfilter 9 mit der Sendeendstufe 6 in Verbindung. Als Sendeantenne 8 ist vorzugsweise eine abgeschirmte magnetische Großferritantenne vorgesehen. Zur Energieversorgung der bisher beschriebenen Schaltanordnung und der auch weiter nachfolgend beschriebenen Anordnung dienen übliche Kraftfahrzeug-Batterien, beispielsweise ein Doppel-Akkumulator 10 von zweimal sechs Volt.

ίο Zwischen der Batterie und den elektrischen Geräten sind in üblicher Weise bekannte Zwischenstufen angeordnet, so ein mit 11 bezeichneter Betriebsspannungs-Stromversorger und ein mit 12 bezeichneter Vorspannungserzeuger.

Von der Antenne 8, die beispielsweise an der Vorderstoßstange eines Kraftfahrzeuges angebracht ist werden unmodulierte Sinuswellen in den Erdboden gesandt und dort von einem zu ortenden Objekt reflektiert Die Welleniänge der abgestrahlten Sinuswellen beträgt dabei mindestens das Vierfache des erwarteten Abstandes des zu ortend.'· Objektes von der Erdoberfläche.

Die Wellen drehen oftmals bei der Reflexion auf einem zu ortenden Objekt ihre Schwingungseben? um 90°, wie festgestellt wurde. Aus diesem Grunde ist vorgesehen, daß eine zum Empfang der reflektierten Sinuswellen vorgesehene Empfangsantenne 13, die beispielsweise an der rückwärtigen Stoßstange des gleichen Kraftfahrzeuges angebracht sein kann, gegenüber der Sendeantenne 8 um 90° versetzt angeordnet werden kann. Damit wird zusätzlich vermieden, daß ein direkter Empfang der von der Sendeantenne abgestrahlten Sinuswellen in der Empfangsantenne stattfindet und die notwendigerweise immer vorhandene Entkopplung zwischen den beiden Antennen noch verbessert Die Anordnung kann so gestaltet sein, daß die Sendeantenne 8 vertikal ausgerichtet bzw. polarisiert ist, und die Empfangsantenne 13 horizontal ausgerichtet bzw. polarisiert Die Empfangsantennt, die ebenfalls beispielsweise eine Großferritantenne sein kann, ist zum Zweck des Mehrechoempfanges als Breitoandantenne ausgebildet und enthält immer einen breitbandigen Kabelverstärker.

Das in der Empfangsantenne 13 empfangene Signal wird über einen breitbandigen Vorverstärker 14, einen Phasen-Korrektor 15, einen Impedanzwandler 16 und einen regelbaren Breitbandverstärker 17 dem Impulsformer 18 zugeführt. Im Impulsformer 18 werden die von dem zu ortenden Objekt reflektierten Sinuswellen in Nadelimpulse umgewandelt. Die Schaltungsanordnung eines Impulsformers 18 wird weiter unten anhand von F i g. 2 näher erläutert. Das Ausgangssignal der Impulsformers 18 wird dein differenzierenden Impulsver.tär <.er 19 zugeleitet und von dort dem Strukturdetektor 20, der in Verbindung mit F i g. 3 näher erläutprt werden wird. Im Impulsformer werden vom empfangenen Sinussignal nur die positiven Halbwellen in negative Nadelimpulse verformt und dann im Impulsverstärker 19 verstärkt differenziert und nochmals um 180° in der Phase gedreht. Im nachfolgenden Strukturdetektor werden die beiden Impulsarten vom Sende- und Empfangsteil gemischt und eventuell negative Signalreste abgeschnitten.
Von der Sendeantenne wird gleichzeitig direkt das Sendesignal abgeleite' und über den Phasenkorrektor 21 einem weiteren Impulsformer 22 zugeführt und anschließend über den Impulsverstärker 23 ebenfalls auf den Strukturdetektor 20 gegeben. Dem Strukturdetek-

tor 20 ist eine nachfolgend als Zeigermischer 24 bezeichnete Additionsstufe nachgeschaltet. Das so entstandene Mischsignal wird in einer Differenzier-Vorstufe 25 erneut differenziert und dann einer Kathodenstufe 26 zugeleitet, in welcher in bekannter Weise symmetrische Spannungen zum Ansteuern einer Gegentakt-Differenzier-Endstufe 27 erzeugt werden. Die Signale werden von dort der K-Ablenkung der Kathodenstrahlröhre 1 zugeführt. Die X-Ablenkung der Kathodenstrahlröhre i steht, wie bereits erwähnt, mit dem Sägezahngenerator 2 in Verbindung. Somit erfolgt die -Y-Ablenkung durch einen Sägezahnimpuls in Form eines gleichschenkligen Dreiecks, dessen Frequenz mit der Sendefrequenz starr gekoppelt ist Auf diese Weise wird erreicht, daß die aus den ursprünglichen Sinuswelien geformten Impulse auf dem Bildschirm der Kathodenstrahlröhre 1 mit vertikaler Erstreckung abgebildet werden. Diese Impulse stellen ein analoges Maß für den Abstand des georteten Objektes von der Erdoberfläche dar. Die erwähnte Impulsformerstufe weist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel die Impulsformer 18 bzw. 22, die Impulsverstärker 19 bzw. 23, die Differenzier-Vorstufe 25 und die Gegentakt-Differenzier-Endstufe 27 auf. Die genannten Elemente dienen dazu, lediglich die Spitzen der Sinuswellen in verzerrender Weise zu verstärken und bei möglichst geringer Ausdehnung in /^-Richtung eine möglichst große vertikale Erstreckung bzw. Y- Erstreckung zu' erreichen.

Wie aus den vorstehenden Ausführungen ersichtlich, liegt der Erfindung das Prinzip zugrunde, unmodulierte elektromagnetische Schwingungen mit relativ großer Wellenlänge (mindestens viermal so groß wie die erwartete Meßdistanz) in den Boden abzustrahlen, dann von den reflektierten Schwingungen Impulse abzuleiten, gleichzeitig von den abgestrahlten Schwingungen Impulse abzuleiten, diese dann zu mischen und zwecks Auswertung auf einem Bildschirmgerät vergleichend darzustellen. Die Auswertung kann visuell erfolgen. Es ist aber auch möglich, die Oszillogramme zu fotografieren oder zu filmen. Die beschriebene Schaltanordnung

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den Kondensator 36 zugeführt Am Steuergitter 35 liegt außerdem die extrem große Hochfrequenzdrossel 37, deren anderes Ende an einer negativen Vorspannung liegt, die am Spannungsteiler zwischen den Widerständen 38 Und 39 abgegriffen wird; Dem Widerstand 39 liegen noch ein Glättungskondensator 41 und eine Zenerdiode 40 zur Spannungsstabilisauon parallel. Der dadurch eingestellte Arbeitspunkt C liegt ein klein wenig unter dem Fußpunkt der Röhrenkennlinie. Der impulsformer arbeitet infolge der Krümmung der langen und oben steilen Röhrenkennlinie als spannungsabhängiger Verstärker, derart, daß stark positive Anteile des Eingangssignals ein wesentlich stärkeres negatives Ausgangssignal als kleinere Signalanteile am Eingang erzielen. Allzu kleine Signalanteile werden weggeschnitten, ebenso negative Halbwellen und Signale, das heißt sie erzeugen kein Ausgangssignal an der Anode des Impulsformers. Der kleine Gleichstrom- und große wechseistromwiderstand der Hochfrequenzdrossel 37 sowie die Zenerdiode verhindern die Bildung von Richtspannungen am Steuergitter 35, welche sonst den Arbeitspunkt der Röhre verschieben und damit die Phasenanzeige der Zackenimpulse verfälschen würden.

Wie aus F i g. 3 ersichtlich, ist der Zeigermischer 24 als Triode 42 geschaltet, an deren Gitter 43 die beiden Eingangsspannungen E\ und E₂ über Kondensatoren 44 und 45 parallel angeschlossen sind. Der Strukturdetektor 20, der als Diode 46 ausgebildet ist, liegt wechselspannungsmäßig zwischen Gitter 43 und Erdpotential bzw. Masse. Das Gitter 43 liegt über ein Potentiometer 47 an einer negativen Vorspannung — UV. Die insgesamt mit 25 bezeichnete Differenzierstufe ist als Triode 48 geschaltet, deren Gitter 49 über einen hochohmigen Widerstand 50 an der positiven Betriebsspannung Ub und über einen Kondensator 51 an der Anode 52 der als Zeigermischer 24 arbeitenden Triode 42 liegt Die Kapazität des Kondensators beträgt zweckmäßigerweise wenige Picofarad.

Das Gitter 43 der Triode 42 liegt über einen Widerstand 53 an dem Potentiometer 47. An dem Potentiometer 47 ist die negative Vorspannung des

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eines ausgebauten Beifahrersitzes untergebracht werden, wobei zweckmäßigerweise die Bedienungselemente so angeordnet sind, daß eine Bedienung der Einrichtung durch eine auf der Rücksitzbank des Kraftfahrzeuges sitzende Person erfolgen kann.

Ein Ausführungsbeispiel des Impulsformers wird nachfolgend anhand von Fig.2 näher erläutert: Eine Penthode 28 weist in üblicher Weise eine auf Erdpotential liegende Kathode 29 und eine über einen kleinen Widerstand 30 am Betriebsspannungspotential Ub liegende Anode 31 auf. Die Kathode 29 ist mit dem "Brefnsgitter verbunden (32), während das Schirmgitter 33 sowohl auf Betriebsspannungspotentia! als auch über einen Kondensator 34 auf Massepotential liegt Die Eingangsimpulse in Form von Wellen mit Höckern werden dem Steuergitter 35 von der Klemme E über bzw. 23 (vgl. Fig. 1) kommenden Signale werden den Eingängen E\ und Ei zugeführt. Impulse negativer Polarität werden durch die Diode 46 nach Masse abgeleitet während Impulse positiver Polarität auf das Gitter 43 geleitet werden. Somit werden infolge der Wirkung der als Strukturdetektor arbeitenden Diode 46 nur Impulse einer bestimmten Polarität weitergeleitet und verstärkt Da beide Eingänge Ei und E₂ parallel geschaltet sind, entspricht das an der Anode 52 abgenommene und über den Kondensator 51 dem Gitter 49 der Triode 48 zugeführte Ausgangssignal einer Addition der beiden EingarigssigrialeiÄiitfenrAusgang A der Triode 48 kann ein weitefverstarktes bzw. weiterdifferenziertes Signal abgenommen werden, welches dann der Kathodenstufe 26 (vgl. Fig. 1) zugeführt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum geophysikalischen Prospektieren aus einem Fahrzeug heraus von im Erdreich vorhandenen und unmodulierte elektromagnetische Sinuswellen reflektierenden Einschlüssen, insbesondere Wasseradern, Erzlagerstätten, Rohrleitungen usw., mit einem Sende- und einem Empfangsteil, mit einem gemeinsamen Quarzoszillator im Sägezahngenerator und Sendeteil und mit einer an diesem angeschlossenen Sendeantenne, mit einer Empfangsantenne im Empfangsteil, mit einem an die Empfangsantenne angeschlossenen Verstärker, mit einer Mischstufe, deren beide Eingänge einmal an den Empfangsantennenverstärker und einmal über Zwischenglieder an die Sendespannung angeschlossen sind, mit einer Kathodenstrahlröhre und mit einem dem Empfangsantennenverstärker nachgeschalteten, die Sinuswellen in ihrer Breite zusammendrückenden Impulsformer, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Impulsformer (18) die Sinuswellen zu Nadelimpulsen verformt und als Penthode geschaltet ist (28), deren Steuergitter (35) über eine Hochfrequenzdrossel (37) an einer stabilisierten negativen Vorspannung liegt und deren Schirmgitter (33) unmittelbar an die Betriebsspannung (Ub)geschaltet ist.

2.Schaltungsanordnung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzdrossel (37) mit ihrem kalten Ende an einem Spannungsteiler (38, 39) liegt und die negative Vorspannung an einem Widerstand (39; abgreift, dem eine Zenerdiode (40) und ein Glättungskonder sator (-Ί) parallelgeschaltet sind.