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DE3124881A1 - "RADAR SYSTEM FOR DETERMINING UNDERGROUND DISTANCES" - Google Patents

"RADAR SYSTEM FOR DETERMINING UNDERGROUND DISTANCES"

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Publication number
DE3124881A1
DE3124881A1 DE19813124881 DE3124881A DE3124881A1 DE 3124881 A1 DE3124881 A1 DE 3124881A1 DE 19813124881 DE19813124881 DE 19813124881 DE 3124881 A DE3124881 A DE 3124881A DE 3124881 A1 DE3124881 A1 DE 3124881A1
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DE
Germany
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electromagnetic
radar system
control device
receiving device
receiving
Prior art date
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Application number
DE19813124881
Other languages
German (de)
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DE3124881C2 (en
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James Charles 22015 Burke Va. Fowler
Stephen David 22180 Vienna Va. Hale
Theodore Edward 20853 Rockville Moser, Md.
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
XADAR CORP
Original Assignee
XADAR CORP
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Priority to AU71958/81A priority patent/AU524580B2/en
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    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/003Bistatic radar systems; Multistatic radar systems
    • GPHYSICS
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    • G01V3/18Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation specially adapted for well-logging
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Description

HOEGER,HOEGER,

P A T E N "i Ä: W * W Ä L' Τ* Ε· > UHLANDSTRASSE 14 c · D 7000 STUTTGART 1PATEN "i Ä : W * W Ä L 'Τ * Ε ·> UHLANDSTRASSE 14 c · D 7000 STUTTGART 1

A 44 725 u Anmelder: ENSCO, Inc.A 44 725 u Applicant: ENSCO, Inc.

UO - 168 5408A Port Royal RoadUO - 168 5408A Port Royal Road

22.6.1981 Springfield, Virginia, U.S.A.6/22/1981 Springfield, Virginia, U.S.A.

Beschrei bungDescription

Radarsystem zur Bestimmung unterirdischer EntfernungenRadar system for determining underground distances

Die Erfindung betrifft ein Radarsystem zur Bestimmung unterirdischer Entfernungen nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs .The invention relates to a radar system for determining underground Distances according to the preamble of the main claim.

Bei vielen Aktivitäten im Bergbau ist es erforderlich, genaue Kenntnis von der Größe und dem Ort verschiedener unterirdischer geologischer Merkmale zu besitzen. Beispielsweise muß die Bedienungsperson eines Bohrers, der im Untertageabbau von Kohle beschäftigt ist, die Grenzen des Kohleflözes genau bestimmen können, wenn die Bewegung des Bohrers durch den Flöz richtig geführt werden soll. Außerdem können geologische Diskontinuitäten, beispielsweise Sandkanäle, beim Bohren angetroffen werden; dabei ist es notwendig, die Kohleerstreckung auf der anderen Seite des Sandkanales zu bestimmen, um beschließen zu können, ob ein weiteres Bohren über den Kanal hinaus wirtschaftlich gerechtfertigt ist. In derartigen Situationen ist ein kompaktes, tragbares und in sich abgeschlossenes Bohrungs-Führungssystem von hohem Nutzen, welches von der bewährten Rad'artec'hnologie Gebrauch macht und genaue und verläßliche Messungen der Dicken bis zur Ober- und Unterseite des Kohlenflözes liefert.Many mining activities require precise knowledge of the size and location of various underground possessing geological features. For example, the operator of a drill working in underground mining occupied by coal, the boundaries of the coal seam can accurately determine when moving the drill through the seam should be guided correctly. In addition, geological discontinuities, such as sand channels, when Drilling may be encountered; it is necessary to determine the coal extension on the other side of the sand channel, in order to be able to decide whether further drilling beyond the canal is economically justified. In such Situations, a compact, portable and self-contained bore guide system is of great benefit, which makes use of the proven Rad'artec'hnologie and provides accurate and reliable measurements of the thicknesses to the top and bottom of the coal seam.

Verschiedene Verfahren zur Vermessung von Grenzen eines Kohlenflözes sind bekannt. In der US-Patentschrift 3 823 787Various methods of surveying the boundaries of a coal seam are known. U.S. Patent 3,823,787

S -I- S -I-

A 44 725 uA 44 725 u

UO - 168 - 7 -UO - 168 - 7 -

22.6.1981June 22, 1981

ist ein Bohrungsloch-Führungssystem beschrieben, bei welchem die Strahlung einer Strahlungsquelle, beispielsweise Caesium 137 von der Felswand zurückgestreut wird, welche einen Kohlenflöz umgibt. Diese Strahlung wird von einem Strahlungszähler erfaßt, der sodann ein Steuersignal erzeugt. Daraufhin wird ein Loch in einer bestimmten Entfernung von der Ober- oder Unterseite des Flözes gebohrt. In der US-Patentschrift 3 961 307 ist eine andere Einrichtung beschrieben, mit welcher die Grenzen eines Untertage-Kohleflözes ermittelt werden. Hier wird die Zeit, die zwischen der Emission monochromatischer, kohärenter Schallwellen von einer unterirdischen Teststation und dem Empfang der Schallwellen nach deren Reflexion an einer Diskontinuität im Flöz verstreicht, als Anzeige der Entfernung zwischen der reflektierenden Diskontinuität und der Teststation benutzt. Ungeachtet der Vorzüge dieser Systeme ist in den genannten vorveröffentlichten Patenten nichts Nennenswertes über die Verwendung von Radar zur Vermessung von Kohlenflözen ausgesagt« ja borehole guide system is described in which the radiation of a radiation source, for example Cesium 137 is scattered back from the rock wall that surrounds a coal seam. This radiation is from a Radiation counter detected, which then generates a control signal. A hole is then drilled a certain distance from the top or bottom of the seam. In the U.S. Patent 3,961,307 describes another device by which the boundaries of an underground coal seam are described be determined. Here is the time between the emission of monochromatic, coherent sound waves of an underground test station and the reception of the sound waves after their reflection at a discontinuity elapses in the seam as an indication of the distance between the reflective discontinuity and the test station used. Regardless of the merits of these systems, there is nothing of note in the aforementioned prepublished patents testified about the use of radar to survey coal seams «j

Verschiedene Faktoren müssen berücksichtigt werden, wenn Radartechnologie erfolgreich für Bohrungs-Führungssysteme im Kohlenbergbau eingesetzt werden sollen. Bohrlöcher in Kohlenflözen besitzen üblicherweise einen Durchmesser von nur 3 oder 4 Zoll; die Radarkomponenten einschließlich der Antennenstruktur und der zugehörigen Elektronik müssen in der Größe so weit reduziert werden, daß sie in das Bohrloch passen. Geophysikalische Erforschungssysteme, welche elektromagnetische Wellen zur Lokalisierung geologischer Formationen verwenden, sind im technischen Bereich der Bohrlochvermessung entwickelt worden. Derartige Systeme enthalten zahlreiche Elemente, die speziell so ausgelegt sind, daß sie innerhalbVarious factors need to be considered when using radar technology are to be used successfully for bore guide systems in coal mining. Boreholes in coal seams usually only 3 or 4 inches in diameter; the radar components including the antenna structure and associated electronics must be reduced in size to fit in the wellbore. Geophysical exploration systems, which electromagnetic Using waves to locate geological formations is in the technical field of borehole surveying has been developed. Such systems contain numerous elements that are specially designed to be within

-8--8th-

A 44 725 UA 44 725 U

UO - 168 - 8 -UO - 168 - 8 -

22.6.1981June 22, 1981

eines Bohrloches arbeiten können. Beispielsweise ist in der US-Patentschrift 3 449 657 eine Spiralantenne reduzierten Durchmessers beschrieben, die in ein Bohrloch herkömmlicher Größe eingepaßt ist und unterirdisch Erdformationen mit elektromagnetischer Energie in einer Ebene quer zur Achse des Bohrloches bestrahlt.of a borehole can work. For example, in US Pat. No. 3,449,657, a spiral antenna is reduced Described diameter, which is fitted into a borehole of conventional size and underground earth formations with electromagnetic energy is irradiated in a plane transverse to the axis of the borehole.

Trotz der Kompaktheit, welche dieses Gerät erreicht, muß weiterhin ein Gr.oßteil der Radar-Steuerschaltung außerhalb des Bohrloches angeordnet werden. Ein Meßkabel, welches die Antenne mit der äußeren Schaltung verbindet, ist zur Obertragung der Steuersignale zur Antenne im Bohrloch notwendig. Veränderungen sowohl in der Größe des Bohrloches als auch der elektrischen Eigenschaften der umgebenden Erde entlang der Längsabmessung des Bohrloches erzeugen jedoch Variationen in der Antennenimpedanz, die von der Sende- bzw. Empfangselektronik des Bohrloch-Radarsystemes erfaßt werden. Demzufolge führen längliche Radar-Steuerkabel, wie sie in den oben beschriebenen Vorrichtungen erforderlich sind, falsche Impedanzen; es treten über- bzw. Nachschwingungen aufgrund von Reflexionen innerhalb der Antennenstruktur selbst auf.Despite the compactness achieved by this device, much of the radar control circuitry must still be external of the borehole. A measuring cable, which connects the antenna to the external circuit, is used for transmission the control signals to the antenna in the borehole are necessary. Changes in both the size of the borehole and however, the electrical properties of the surrounding earth create variations along the length of the borehole in the antenna impedance, which are detected by the transmitter and receiver electronics of the borehole radar system. As a result Elongated radar control cables, as required in the devices described above, carry false impedances; overshoots or post-oscillations occur due to reflections within the antenna structure itself.

Es ist selbstverständlich unmöglich, Steuerdrähte für Bohrloch-Radargeräte zu bauen, welche perfekt der variierenden Impedanz einer Bohrloch-Radarantenne angepaßt sind. Gleichwohl können die Nachschwingungsprobleme, die durch unvollkommene Impedanz-Bestimmungen verursacht werden, minimalisiert werden, wenn die Steuerkabel so kurz wie möglich gehalten werden. Ein Ausführungsbeispiel in der US-Patentschrift 3 412 zeigt ein Bohrloch-Radargerät, bei dem die Energieversorgung und die Zeitsysteme innerhalb des Gerätes selbst angeordnet sind. Dabei werden zwar einige unerwünschte Eigenschaften,It is of course impossible to use control wires for downhole radars to build which are perfectly matched to the varying impedance of a borehole radar antenna. Nevertheless the ringing problems caused by imperfect impedance determinations can be minimized if the control cables are kept as short as possible. An embodiment in U.S. Patent 3,412 shows a borehole radar device in which the energy supply and the time systems are arranged within the device itself are. While doing so, some undesirable properties

-9--9-

A 44 725 uA 44 725 u

UO - 168 - 9 -UO - 168 - 9 -

22.6.1981June 22, 1981

die mit länglichen Steuerkabeln verbunden sind, beseitigt; gleichwohl ist diese Konfiguration zur Vermessung von Kohlenflözen nicht geeignet.which are connected to elongated control cables eliminated; nevertheless this configuration is for the measurement of coal seams not suitable.

Die Entfernungen zwischen dem Bohrloch und der Oberseite sowie dem Bohrloch und der Unterseite des Kohlenflözessind häufig verhältnismäßig gering und liegen zwischen 6 und weniger als 1 Fuß. Die Laufzeiten zwischen dem Bohrloch und der oberen bzw. unteren Grenzfläche sind entsprechend kurz. Reflektierte Impulse kommen häufig am Empfänger an, während noch Impulse vom Sender ausgestrahlt werden. Die Sende- und Empfangseinrichtung müssen demzufolge gleichzeitig aktiv seins was dazu führt, daß Sende-Steuersignale Empfangs-Steuersignale überlappen. Die entsprechend unter Strom gesetzten Sende- und Empfangskreiskabel neigen dann dazu, selbst als RF-Antennen zu wirken. Dies führt zu einem elektromagnetischen Kopplungsphänomen zwischen dem Sender und dem Empfänger und zu Störungen in der Empfangselektronik. Das oben erwähnte Ausführungsbeispiel der US-Patentschrift 3 412 815 enthält nichts, was diese indirekten Kopplungsprobleme bei in Bohrlöchern arbeitenden Radar-Komponenten beseitigen könnte=The distances between the borehole and the top and the borehole and the bottom of the coal seam are often relatively short, between 6 and less than 1 foot. The transit times between the borehole and the upper or lower interface are correspondingly short. Reflected pulses often arrive at the receiver while pulses are still being transmitted by the transmitter. The transmitting and receiving device must therefore be active s the result that send control signals overlap receive control signals. The transmit and receive circuit cables, which are appropriately energized, then tend to act as RF antennas themselves. This leads to an electromagnetic coupling phenomenon between the transmitter and the receiver and to interference in the receiving electronics. The above-mentioned embodiment of US Pat. No. 3,412,815 contains nothing that could eliminate these indirect coupling problems in radar components operating in wells

Andere Ausführungsbeispiele in derselben US-Patentschrift verwenden eine dielektrisch geladene Horn-Richtantenne zur Übertragung elektromagnetischer Energieimpulse und eine getrennte, dielektrisch geladene Horn-Richtantenne zum Empfang der reflektierten Impulse. Die Existenz getrennter Sende- und Empfangsantennen in einem Radar-Führungssystem, welche auch bei geringen Entfernungen funktionieren sollen, führt zu weiteren Kopplungsproblemen. Wenn die reflektierende Grenzfläche verhältnismäßig nahe an der Sendeantenne ist, muß auchOther embodiments in the same US patent use a dielectrically charged horn directional antenna Transmission of electromagnetic energy pulses and a separate, dielectrically charged horn directional antenna for reception of the reflected impulses. The existence of separate transmitting and receiving antennas in a radar guidance system, which should work even at short distances, leads to further coupling problems. When the reflective interface is relatively close to the transmitting antenna must also

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A 44 725 uA 44 725 u

UO - 168 - 10 -UO - 168 - 10 -

22.6.1981June 22, 1981

die Empfangsantenne nahe an der Sendeantenne sein, wenn sie reflektierte Impulse erfassen soll. Wird jedoch die Empfangsantenne nahe an der Sendeantenne plaziert, führt dies leicht zu einer Obersteuerung des Empfängers als Folge einer direkten elektromagnetischen Strahlung vom Sender. Es ist somit schwierig, ein Radar-Führungssystem für kurze .Entfernungen mit getrennten Empfangs- und Sendeantennen zum Empfang reflektierter Impulse zu bringen.the receiving antenna must be close to the transmitting antenna if it is to detect reflected pulses. However, if the If the receiving antenna is placed close to the transmitting antenna, this easily leads to over-steering of the receiver as a result direct electromagnetic radiation from the transmitter. It is thus difficult to find a radar guidance system for short . Bringing distances with separate receiving and transmitting antennas for receiving reflected pulses.

Ein Versuch zur Lösung des Problemes, das durch kurze Reflexionsabstände und entsprechend kurze elektromagnetische Laufzeiten verursacht wird, ist in der US-Patentschrift 3 806 795 beschrieben. Hier wird eine einzige Breitbandantenne dazu verwendet, elektromagnetische Energie sowohl auszusenden als auch zu empfangen. Dieses System strahlt Impuls-angeregte kurzdauernde elektromagnetische Impulse aus, deren Anstiegszeiten größenordnungsmäßig eine Nanosekunde und deren Frequenzen bis zu 400 MHz betragen. Die Antenne wird nach der Aussendung rasch gedämpft, wodurch das System zum Empfang der Reflexionen bereitgemacht wird. Die Kombination kleiner Impulsbreiten und der Antennendämpfung macht akzeptable Messungen bei reflektierenden Grenzflächen möglich, die in einer Entfernung von 4 bis 5 Fuß von der Antenne liegen.An attempt to solve the problem caused by short reflection distances and causing correspondingly short electromagnetic propagation times, is in the US patent 3 806 795. Here a single broadband antenna is used to both receive electromagnetic energy to send out as well as to receive. This system emits impulse-excited short-lasting electromagnetic impulses, their rise times on the order of one nanosecond and their frequencies are up to 400 MHz. The antenna is attenuated quickly after the transmission, which causes the system is made ready to receive the reflections. The combination of small pulse widths and the antenna attenuation makes acceptable measurements possible with reflective interfaces, that are 4 to 5 feet away from the antenna.

Elektromagnetische Impulse mit kurzer Dauer (eine genaue Beschreibung dieser Impulse, die ein als "Kurzimpulsradar" bekanntes Radar bilden, ist in der US-Patentschrift 4 008 zu finden) können die Fähigkeit zur Messung innerhalb kurzer Abstände bei einem Radar-Bohrführungssystem fördern. Häufig sollen jedoch Mineralgrenzen und andere geologische Diskontinuitäten innerhalb von Entfernungen von 1 Fuß oderElectromagnetic impulses of short duration (a detailed description of these impulses known as "short pulse radar" form known radar is in U.S. Patent 4,008 can enhance the ability to measure within short distances in a radar well guidance system. Frequently however, mineral boundaries and other geological discontinuities should be within 1 foot or more

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Ä 44 725 u .Ä 44 725 u.

UO - 168 - 11 -UO - 168 - 11 -

22,6.198122.6.1981

weniger vom Detektionsgerät aus gemessen werden. Die in der US-Patentschrift 3 806 795 beschriebene Vorrichtung kann derartige Messungen nicht genau durchführen. Beispielsweise ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Energie in Kohle ungefähr 0,5 Fuß/nsec. Wenn die Bedienungsperson eines Bohrers versucht, seinen Bohrer gegenüber einer Kohlenflözgrenze zu orientieren, die exakt 1 Fuß vom Bohrloch entfernt ist, brauchte ein elektromagnetischer Suchimpuls, der von. der Antenne im Bohrloch ausgestrahlt wird3 ungefähr 4 Nanosekunden, um von der Antenne zur Grenzfläche und zurück zu laufen. Auch wenn Kurzimpulsradar verwendet wird, überlappen die ausgesandten und die empfangenen Impulse häufig; dann ist es schwierig wenn nicht unmöglich, eine Einantennenkonfiguration so weit zu dämpfen, daß das rückkehrende Signal erfaßt wird. Außerdem ergibt sich bei hochfrequenten Impulsen in einer einzigen Sende-Empfangs-Antennenstruktur häufig ein Nach- bzw. überschwingen. Demzufolge werden bei elektromagnetischen Messungen verhältnismäßig kleiner Entfernungen vorzugsweise getrennte Sende- und Empfangsantennen verwendet, die so aus.gelegt sind, daß zwischen diesen eine elektromagnetische Kopplung vermieden wird.less are measured from the detection device. The device described in US Pat. No. 3,806,795 cannot make such measurements accurately. For example, the speed of electromagnetic energy propagation in coal is approximately 0.5 feet / nsec. When the operator of a drill tries to orient his drill against a coal seam line exactly 1 foot from the borehole, a search electromagnetic pulse from. The downhole antenna broadcast 3 takes approximately 4 nanoseconds to travel from the antenna to the interface and back. Even when short pulse radar is used, the transmitted and received pulses often overlap; then it is difficult, if not impossible, to attenuate a single antenna configuration enough to detect the returning signal. In addition, high-frequency pulses in a single transmit / receive antenna structure often result in ringing or overshooting. Accordingly, in the case of electromagnetic measurements, preferably separate transmitting and receiving antennas are used, which are designed so that electromagnetic coupling between them is avoided.

In der US-Patentschrift 3 440 523 ist insbesondere erkannt, daß es nicht praktisch ist, dieselbe Antenne dort sowohl zur Emission als auch zum Empfang elektromagnetischer Energie zu verwenden, wo ein von einer geologischen Diskontinuität reflektierter Echoimpuls an der Antenne ankommt, bevor der Sender aufgehört hat, Impulse'auszustrahlen, und während der Empfänger noch mit Energie vom Sender gesättigt ist. Das Verfahren, welches in dieser Patentschrift beschrieben ist, verwendet einen rektilinearen .Sender zusammen mit einem Empfangsrahmen, der so montiert ist, daß er um seine ver-In US Pat. No. 3,440,523 in particular it is recognized that it is not practical to have the same antenna there both for the To use both emission and reception of electromagnetic energy where one is reflected by a geological discontinuity Echo pulse arrives at the antenna before the transmitter has stopped emitting pulses and during the receiver is still saturated with energy from the transmitter. The method described in this patent specification uses a rectilinear. transmitter with a Receiving frame, which is mounted in such a way that it

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A 44 725 uA 44 725 u

UO - 168 - 12 -UO - 168 - 12 -

22.6.1981June 22, 1981

tikale Achse tangential zur Zylinderfläche der Drehung um die Achse des Senders verdreht werden kann. Auf diese Weise ergibt sich eine Einrichtung, welche verhindert, daß die ausgestrahlte Strahlung den Empfänger sättigt. Bei diesem Verfahren wird zwar das durch die direkte elektromagnetische Kopplung zwischen der Sende- und der Empfangsantenne erzeugte Problem beseitigt; das Problem der indirekten Kopplung zwischen den Sende-Steuerkabeln und der Empfangsantenne ist jedoch in dieser VerVeröffentlichung nicht angesprochen. Außerdem muß die bekannte Vorrichtung von der Außenseite des Bohrloches her gesteuert werden, wodurch die oben beschriebenen Impedanzprobleme zusätzlich auftreten.vertical axis tangential to the cylinder surface of the rotation the axis of the transmitter can be rotated. In this way there is a device which prevents the Radiated radiation saturates the receiver. In this process, the direct electromagnetic The problem created by coupling between the transmitting and receiving antennas is eliminated; the problem of indirect coupling between the transmission control cables and the receiving antenna is not addressed in this publication. In addition, the known device must be controlled from the outside of the borehole, whereby the above-described Impedance problems also occur.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Radarsystem der im Oberbegriff des Hauptanspruchs bezeichneten Art so auszubilden, daß es zur Vermessung der Grenzflächen eines Mineralflözes geeignet ist.The object of the present invention is to provide a radar system the type designated in the preamble of the main claim so that it is used to measure the interfaces of a Mineral seam is suitable.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Hauptanspruchs beschriebene Erfindung gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by the invention described in the characterizing part of the main claim; advantageous further training are specified in the subclaims.

Das erfindungsgemäße Radarsystem verwendet ein Radargerät, welches in das entlang eines Kohleflözes gebohrte Bohrloch eingeführt wird. Hochfrequente elektromagnetische Impulse werden vom Gerät ausgestrahlt und zurück zu einer Empfangsantenne von der Kohle-Schiefer-Grenzfläche an der Ober- oder Unterseite des Kohleflözes reflektiert. Die Laufzeiten der reflektierten Impulse werden kontinuierlich gemessen, während das Gerät durch das Bohrloch bewegt wird. Auf diese Weise wird eine Angabe über die Entfernungen zwischen dem Bohrloch und der Oberseite und dem Bohrloch und der Unterseite desThe radar system according to the invention uses a radar device which is inserted into the borehole drilled along a coal seam is introduced. High frequency electromagnetic pulses are broadcast from the device and back to a receiving antenna from the coal-shale interface at the top or bottom Reflecting underside of the coal seam. The transit times of the reflected pulses are measured continuously while the device is moved through the borehole. This gives an indication of the distances between the boreholes and the top and the borehole and the bottom of the

-13--13-

A 44 725 uA 44 725 u

UO - 168 - 13 -UO - 168 - 13 -

22,6.198122.6.1981

Flözes erhalten. Das Radargerät ist ungefähr 5 Fuß lang und 2 3/4 Zoll im Durchmesser. Es enthält einen hochfrequenten elektromagnetischen Impulsgeber, eine Richt-Sendeantenne, eine Richt-Empfangsantenne, eine Steuerelektronik und als Stromquelle eine Batterie. Die Komponenten des Schaltkreises sind so ausgestaltet, daß sie in den kleinen Gerätedurchmesser hineinpassen. Die Steuerschaltung führt alle Steuer-, Sende- und Empfangsfunktionen im Gerät selbst aus. Auf diese Weise werden Steuer-Übertragungsleitungen in das Loch hinein erübrigt, wodurch Nach-und überschwingvorgänge aufgrund falscher Impedanzanpassungen innerhalb des Kreises sehr klein gehalten werden. Dadurch, daß die Sendeantenne an einem Punkt zwischen der Steuerschaltung und der Empfangsantenne angeordnet wird, läßt sich die indirekte elektromagnetische Kopplung zwischen den Antennen reduzieren. Schaltkreis-Isolatoren werden dazu eingesetzt, das RF-übersprechen zwischen der Steuerschaltung und der Empfangsantenne weiter zu schwächen. Die Isolatoren sind aus Koaxialkabel hergestelltj das spiralig aufgewickelt wird. Hierdurch wird eine maximale Lange in minimalem ,Raum zur Verfügung gestellt. Die Isolatoren sind jeweils in Reihe mit den Abschnitten der Steuerkabel geschaltet, die zur Sende- und zur Empfangsantenne führen. Eine metallische Abschirmfolie ist an der Innenseite des Gerätes befestigt und kann ebenfalls dazu verwendet werden5 den direkten Durchgang elektromagnetischer Wellen zwischen der Sende- und der Empfangsantenne zu verhindern.Seams preserved. The radar is approximately 5 feet long and 2 3/4 inches in diameter. It contains a high-frequency electromagnetic pulse generator, a directional transmitting antenna, a directional receiving antenna, control electronics and a battery as a power source. The components of the circuit are designed so that they fit into the small diameter of the device. The control circuit carries out all control, transmission and reception functions in the device itself. In this way, control transmission lines into the hole are superfluous, as a result of which ringing and overshooting processes due to incorrect impedance adaptations within the circle are kept very small. By arranging the transmitting antenna at a point between the control circuit and the receiving antenna, the indirect electromagnetic coupling between the antennas can be reduced. Circuit isolators are used to further reduce RF crosstalk between the control circuit and the receiving antenna. The insulators are made of coaxial cable that is coiled in a spiral. This provides a maximum length in a minimum of space. The isolators are each connected in series with the sections of the control cables that lead to the transmitting and receiving antennas. A metallic shielding is attached to the inside of the device and can also be used to direct the 5 passage of electromagnetic waves to prevent between the transmitting and the receiving antenna.

Mit dem erfindungsgemäßen System können geologische Diskontinuitäten erfaßt werden, die in einer Entfernung von weniger als 1 Fuß liegen.With the system according to the invention, geological discontinuities that are less than 1 foot away.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend an-An embodiment of the invention is presented below

-14--14-

' 1J ϊ 1 ΐ >' 1 J ϊ 1 ΐ>

A 44 725 uA 44 725 u

UO - 168 - 14 -UO - 168 - 14 -

22.6.1981June 22, 1981

hand der Zeichnung näher erläutert; es zeigenhand of the drawing explained in more detail; show it

Fig. 1 ein Schaubild, in dem die grundlegende Funktionsweise des Radargerätes in einem Kohleflöz-Bohrloch dargestellt ist;Fig. 1 is a diagram in which the basic operation of the radar device in a coal seam borehole is shown;

Fig. 2 schematisch die verschiedenen hochfrequenten elektromagnetischen Impulse, die vom Radargerät übertragen und empfangen werden;Fig. 2 schematically shows the various high-frequency electromagnetic Pulses transmitted and received by the radar;

Fig. 3 einen Querschnitt durch das Radargerät selbst;3 shows a cross section through the radar device itself;

Fig. 4A die Draufsicht auf das Radargerät, wobei die Anordnung einer Metallfolien-Abschirmung gezeigt ist;4A shows the plan view of the radar device, with the arrangement a metal foil shield is shown;

Fig. 4B die Seitenansicht des Gerätes, wobei die Anordnung der Metallfolien-Abschirmung gezeigt ist;Fig. 4B is a side view of the device showing the arrangement of the metal foil shield;

Fig. 5 das Scheraadiagramm der Radargerät-Elektronik.5 shows the scissor diagram of the radar device electronics.

Die allgemeine Funktionsweise des Radar-Bohrführungssystemes ist in Fig. 1 dargestellt. Ein Kohleflöz, wie er mit dem Bezugszeichen 2 gekennzeichnet ist, ist häufig von Schiefer umgeben. Hierdurch entsteht eine Kohle-Schiefergrenzfläche 4 an der Oberseite des Flözes und eine weitere Kohle-Schiefer-Zwischenfläche 6 an der Unterseite des Flözes. Ein Bohrloch 8 wird in den Kohleflöz gebohrt; Informationen, welche die Orientierung des Bohrloches gegenüber der Oberseite und der Unterseite des Flözes betreffen, werden dadurch erhalten, daß das insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 versehene Radargerät in das Bohrloch eingeführt wird. Ein Richtsender 12 innerhalb des Gerätes strahlt elektromagne-The general functioning of the radar drill guide system is shown in FIG. A coal seam, as indicated by the reference number 2, is often made of slate surround. This creates a coal-shale interface 4 at the top of the seam and another coal-shale interface 6 at the bottom of the seam. A borehole 8 is drilled in the coal seam; Information, which affect the orientation of the borehole relative to the top and bottom of the seam, are thereby obtained that the total provided with the reference numeral 10 radar device is introduced into the borehole. A Directional transmitter 12 inside the device emits electromagnetic

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A 44 725 uA 44 725 u

UO - 168 - 15 -UO - 168 - 15 -

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tische Energie in Form kurzer Impulse im Bereich der Radarwellenlängen durch die Kohle auf eine der Kohle-Schiefer-Zwischenf1ächen, wie dies durch den Weg A angedeutet ist. Ein Teil der elektromagnetischen Energie wird danach zurück zu einem Richtempfanger 14 reflektiert, der im Werkzeug, dem Sender benachbart, angeordnet ist. Die Zeit, die zwischen der Aussendung und dem Empfang der Radarimpulse verstreicht, wird dann bestimmt und dazu verwendet, ein Maß für die Entfernung zwischen dem Bohrloch und der Zwischenfläche abzugeben.table energy in the form of short pulses in the range of radar wavelengths through the coal onto one of the coal-shale interfaces, as indicated by path A. Some of the electromagnetic energy is returned afterwards to a directional receiver 14 reflected in the tool, is arranged adjacent to the transmitter. The time that elapses between the transmission and reception of the radar pulses, is then determined and used to provide a measure of the distance between the borehole and the interface submit.

Da Sender 12 und Empfänger 14 eine Richtwirkung aufweisen, können sich die Radarimpulse nur in einer einzigen Richtung ausbreiten; das Gerät kann somit nur eine'Zwischenfläche zu einer bestimmten Zeit vermessen. In Fig. 1 wird die Entfernung zwischen dem Bohrloch 8 und der Kohle-Schiefer-Zwischenfläche 4 an der Oberseite des Saumes vermessen. Wenn die Entfernungsmessung zwischen Bohrloch und Kohle-Schiefer-Zwischenfläche 6 an der Unterseite des Flözes durchgeführt werden soll, muß das Gerät 10 verdreht werden; dabei werden Sender 12 und Empfänger 14 auf die Zwischenfläche an der Flöz-Unterseite ausgerichtet.Since transmitter 12 and receiver 14 have a directional effect, the radar pulses can only propagate in a single direction; the device can therefore only measure an intermediate surface at a certain time. In Fig. 1 the distance between the borehole 8 and the coal-shale interface 4 is measured at the top of the seam. If the distance measurement between the borehole and the coal-shale interface 6 is to be carried out on the underside of the seam, the device 10 must be rotated; in the process, the transmitter 12 and receiver 14 are aligned with the intermediate surface on the underside of the seam.

Nicht die gesamte elektromagnetische Energie, die vom Sender 12 ausgesandt wird, bewegt sich entlang des Weges A zum Empfänger 14. Die Impulse können im Gegenteil eine ganze Anzahl von Wegen zwischen den beiden Einheiten durchqueren. Einige der Impulse bewegen steh beispielsweise vom Sender zum Empfänger durch die Kohle an der Wand des Bohrloches. Diese Impulse folgen dem Weg, der in Fig. 1 mit B'bezeichnet ist. Andere Impulse können direkt durch die Luft vom Sender zum Empfänger entlang des Weges C gelangen.Not all of the electromagnetic energy emitted by transmitter 12 travels along path A to Receiver 14. On the contrary, the pulses can traverse a number of paths between the two units. Some of the impulses move, for example, from the transmitter to the receiver through the coal on the wall of the borehole. These pulses follow the path denoted by B ′ in FIG. 1 is. Other impulses can travel directly through the air from the transmitter to the receiver along path C.

-16--16-

A 44 725 uA 44 725 u

UO - 168 - 16 -UO - 168 - 16 -

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Die verschiedenen Übertragungsmedien und Entfernungen, die im Spiele sind, erzeugen ein vielfaches Impulsmuster am Empfänger 14, wie dies in Fig. 2 idealisiert dargestellt ist. Zu einer bestimmten Zeit t sendet der Sender 12 einen Energiestoß von 1 oder 2 Nanosekunden aus. Die Energieimpulse, welche sich entlang des Weges C durch die Luft bewegen, erreichen den Empfänger 14 zuerst zur Zeit t . Der Weg B ist langsamer als der Weg C, da die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Energie in Kohle (ungefähr 0,5 Fuß/nsec) ungefähr die Hälfte der Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Energie in Luft ist. Somit erreichen die Impulse, die den Weg B verfolgen, den Empfänger 14 zu einer Zeit t, nach t . Der Weg A, also der Weg, der von der Entfernung zwischen Bohrloch 8 und Kohle-Schieferfläche 4 abhängt, verläuft ebenfalls durch Kohle, ist jedoch länger als der Weg B. Demzufolge kommen die Impulse, welche den Weg A durchqueren, am Empfänger 14 zu einer Zeit t nach t. an.The different transmission media and distances involved create a multiple pulse pattern on the Receiver 14, as shown idealized in FIG. At a certain time t, the transmitter 12 sends a Energy burst of 1 or 2 nanoseconds. The energy impulses that move along path C through the air, first reach the receiver 14 at time t. Path B is slower than path C because of the speed of propagation electromagnetic energy in coal (about 0.5 feet / nsec) about half the speed of propagation of electromagnetic energy is in air. Thus, the impulses that follow path B reach the Receiver 14 at a time t, after t. Path A, i.e. the path taken from the distance between borehole 8 and the coal-shale surface 4, also runs through coal, but is longer than path B. As a result, the impulses come which traverse the path A, at the receiver 14 at a time t after t. at.

Das in Fig. 2 gezeigte Impulsmuster ist in der Praxis selten verwirklicht. Dies beruht auf der Vielzahl von öbertra'gungswegen, die der elektromagnetischenErercjie zur Verfügung stehen. Veränderungen in den elektrischen Eigenschaften des Kohleflözes selbst reflektieren ebenfalls eine bestimmte Energiemenge kurz vor der Kohle-Schiefer-Zwischenfläche. Unregelmäßigkeiten in der Bohrlochwand zusammen mit Grenzen in der Bauweise der übertragungs- und der Empfangsantenne führen zu Impulsen, die nicht so' kurz bzw. wohl definiert wie diejenigen von Fig. 2 sind. Demzufolge ist es nicht möglich, das Impulsmuster am Empfänger zu prüfen und'einen reflektierten Impuls deutlich vom anderen zu unterscheiden.The pulse pattern shown in Fig. 2 is seldom realized in practice. This is due to the multitude of transmission paths which are available to the electromagnetic erercjie. Changes in the electrical properties of the coal seam themselves also reflect a certain amount of energy just before the coal-shale interface. irregularities lead in the borehole wall together with limits in the construction of the transmitting and receiving antenna to pulses that are not as short or well defined as those of FIG. As a result, it is not possible to check the pulse pattern on the receiver and to clearly distinguish one reflected pulse from the other.

Die Dateninterpretation der empfangenen Impulse muß stattdessen auf Veränderungen in dem Impulsmuster gestützt wer-The data interpretation of the received pulses must instead be based on changes in the pulse pattern.

-17--17-

A 44 725 uA 44 725 u

UO - 168 - 17 -UO - 168 - 17 -

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dens wenn Sender und Empfänger im Radargerät entlang des Bohrloches bewegt werden. Die Wege B und C bleiben unabhängig von der Position des Gerätes konstant; Unregelmäßigkeiten der Kohle-Schiefer-Zwischenfläche 4 an der Oberseite des Flözes führen jedoch zu Variationen der Abmessungen des Weges A und damit der Wegzeiten der entsprechenden reflektierten Impulse. Es ist somit möglich, die vom Weg A empfangenen Impulse dadurch zu identifizieren, daß derjenige Abschnitt des Impulsmusters beachtet wird, der sich gegenüber dem Rest des Impulsmusters bei Bewegungen des Gerätes verändert. Derartig identifizierte Impulse können hiernach dazu verwendet werden, die gewünschten Messungen der Entfernungen zwischen Bohrloch und Oberseite und Bohrloch und Unterseite des Flözes durchzuführen.the s when the transmitter and receiver in the radar device are moved along the borehole. Paths B and C remain constant regardless of the position of the device; Irregularities in the coal-shale interface 4 at the top of the seam lead, however, to variations in the dimensions of the path A and thus in the path times of the corresponding reflected pulses. It is thus possible to identify the pulses received from path A by paying attention to that portion of the pulse pattern which changes with respect to the rest of the pulse pattern as the device moves. Pulses identified in this way can then be used to carry out the desired measurements of the distances between the borehole and the top and the borehole and the underside of the seam.

Ein Schnitt durch das Bohrloch-Radargerät 10 ist in Fig. gezeigt. Das Radargerät 10 enthält ein rohrförmiges Gehäuse 16 mit Gewinden 18 am einen Ende, mit welchem das Gerät an eine herkömmliche Bohrstange angesetzt werden kann. Das Gehäuse, welches aus einem stoßfesten Kunststoff oder einem anderen widerstandsfähigen Material hergestellt ist, ist ungefähr 5 Fuß lang und 2 3/4 Zoll im Durchmesser. Eine elektronische Steuereinrichtung 20, die von Batterien 22 und einem Stromversorgungskreis 24 gespeist wird, befindet sich innerhalb des Gehäuses. Die Steuereinrichtung 20 führt alle Kontrollfunktionen aus, die bei den Sende- und Empfangsvorgängen im Gerät notwendig sind. Auf diese Weise werden sowohl die übertragung von Steuersignalen ins Loch hinein als auch hiermit verbundene längliche Steuerkabel vermieden. Daß keine länglichen Steuerkabel erforderlich sind, minimalisiert wiederum das Problem.von Ober- bzw. Nachschwingungen, die auf falschen Impedanzen beruhen. Diese entstehenA section through the borehole radar device 10 is shown in FIG. The radar device 10 includes a tubular housing 16 with threads 18 at one end, with which the device can be attached to a conventional drill rod. The housing, which is made of impact-resistant plastic or another durable material, is approximately 5 feet long and 2 3/4 inches in diameter. An electronic control device 20 powered by batteries 22 and a power supply circuit 24 is located within the housing. The control device 20 leads off all control functions that are necessary for the sending and receiving processes in the device. Be that way both the transmission of control signals into the hole and the associated elongated control cables are avoided. The fact that no elongated control cables are required, in turn, minimizes the problem of harmonics and post-oscillation, which are based on wrong impedances. These arise

-18--18-

r » I ι · 1 Il » * i.r »I ι · 1 Il» * i.

iff ι 1 >·· tiiff ι 1> ·· ti

A 44 725 UA 44 725 U

UO - 168 - 18 -UO - 168 - 18 -

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dadurch, daß die Impedanzen zwischen der Empfangselektronik und der Empfangsantenne, wie oben erläutert, nicht richtig angepaßt werden können.in that the impedances between the receiving electronics and the receiving antenna, as explained above, not can be adjusted properly.

Der Sender 12 befindet sich an einem Punkt zwischen der Steuereinrichtung und dem Empfänger 14 und enthält eine .schleifenförmige Dipol-Sendeantenne 26, die in der Nähe des Gehäuses 16 angeordnet ist. An jedem Ende der Antenne 26 kann eine kapazitiv angekoppelte Widerstandslast verwendet werden. Hierdurch können die breiteren Bandbreiten verwendet werden, die normalerweise das Breitband-Frequenzspektrum kurzer Radarwellenimpulse begleiten. Ein Sendeantennenreflektor 28 befindet sich unter der Sendeantenne 26 und sorgt dafür, daß elektromagnetische Energie von der Vorderseite der Antenne 26 mit doppelter Intensität wie von der Rückseite ausgestrahlt wird. Die Energie, die an der Vorderseite des Empfängers 14 empfangen wird, ist somit viermal so groß wie diejenige an der Rückseite. Auf diese Weise wird die Richtwirkung erzielt, die zur Vermessung von Ober- oder Unterseiten-Grenzflächen erforderlich ist.The transmitter 12 is located at a point between the controller and the receiver 14 and includes a .loop-shaped dipole transmitting antenna 26, which is in the vicinity of the housing 16 is arranged. A capacitively coupled resistive load may be used at each end of the antenna 26 will. This allows the broader bandwidths to be used, which are normally the broadband frequency spectrum accompany short radar wave impulses. A transmitting antenna reflector 28 is located under the transmitting antenna 26 and ensures that electromagnetic energy from the Front of antenna 26 with double intensity as radiated from the rear. The energy that at the front of the receiver 14 is thus four times as large as that at the rear. To this Way, the directional effect is achieved, which is necessary for the measurement of top or bottom interfaces is required.

Impulse mit Frequenzen im Bereich zwischen 200 MHz und 1 GHZ werden an die Sendeantenne 26 durch einen elektromagnetischen Hochfrequenz-Impulsgeber 30 gelegt. Dies geschieht auf Zeitsignale hin, die von der Steuereinrichtung erzeugt und dem Impulsgeber 30 über eine Steuerleitung 32 eingegeben werden. Ein Sendeisolator 34 ist aus gewickeltem Koaxialkabel aufgebaut und in Reihe mit dem Steuerkabel 32 zwischen die Steuereinrichtung 20 und den Impulsgeber 30 geschaltet. Die Funktion des Isolators 34 wird weiter unten ausführlich erläutert.Pulses with frequencies in the range between 200 MHz and 1 GHZ are sent to the transmitting antenna 26 by an electromagnetic High-frequency pulse generator 30 placed. This is done in response to time signals from the control device and the pulse generator 30 via a control line 32 can be entered. A transmission insulator 34 is made of wound Coaxial cable constructed and in series with the control cable 32 between the control device 20 and the pulse generator 30 switched. The function of the isolator 34 is described below explained in detail.

-19--19-

A 44 725 uA 44 725 u

ÜO - 168 - 19 -ÜO - 168 - 19 -

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Der Empfänger 14 enthält eine schleifenförmig Dipol-Empfangs· antenne 36, die ebenfalls in der Nähe des Gehäuses 16 angeordnet und in derselben Weise orientiert ist wie die Sendeantenne 26. Ein Empfangsantennenreflektor 38 verleiht der Empfangsantenne 36 eine Richtwirkung, welche der Richtwirkung der Sende-Antennen- und Reflektorkombination 26, entspricht. Die Empfangsschaltung 40, die mit der Empfangsantenne 36 verbunden ist, wird auf Taktsignale hin betätigt, die von der Steuereinrichtung 20 erzeugt und der Empfangsschaltung über die Steuerleitung 42 zugeführt werden. Ein Empfangsisolator 44 aus gewickeltem Koaxialkabel ist in Reihe mit dem Steuerkabel 42 zwischen Steuereinrichtung 20 und Empfangsschaltung 40 geschaltet.The receiver 14 contains a loop-shaped dipole reception antenna 36, which is also arranged in the vicinity of the housing 16 and oriented in the same way as the Transmitting antenna 26. A receiving antenna reflector 38 gives the receiving antenna 36 has a directional effect which is similar to the directional effect of the transmitting antenna and reflector combination 26, is equivalent to. The receiving circuit 40, which is connected to the receiving antenna 36, is actuated in response to clock signals, which are generated by the control device 20 and fed to the receiving circuit via the control line 42. A Reception isolator 44 made of coiled coaxial cable is in series with the control cable 42 between control device 20 and Receiving circuit 40 switched.

Die besondere Konfiguration der Komponenten im Radargerät, die eben beschrieben wurde, soll die Effekte einer elektromagnetischen Kopplung zwischen der Sende- und der Empfangsantenne so klein wie möglich halten. Das Steuerkabel 32, welches den elektromagnetischen Impulsgeber 30 mit der elektronischen Steuereinrichtung 20 verbindet, neigt dazu, selbst als RF-Antenne zu wirken, wenn es von der Steuereinrichtung her mit Zeltsignalen beaufschlagt wird. Wenn sich die Kohle-Schiefer-Grenzfläche, die vermessen wird, nahe am Radargerät 10 befindet, sind sowohl die Sende- als auch die Empfangsantenne gleichzeitig aktiv; die Zeitsignale am Sender überlappen dann häufig die Funktion des Empfängers. Das entsprechend bestromte Steuerkabel 32 würde somit zu Störungen im aktiven Empfänger führen, wenn das Steuerkabel 32 sich irgendwo in der Nähe des Empfängers befände. Dadurch, daß die Sendeantenne 26 und sein zugeordnetes Steuerkabel 32 an einem Punkt zwischen Steuereinrichtung 20 und Empfangsantenne 36 positioniert werden, werden jedoch diese Kopp-The special configuration of the components in the radar device, which has just been described is intended to reflect the effects of electromagnetic coupling between the transmitting and receiving antennas keep it as small as possible. The control cable 32, which the electromagnetic pulse generator 30 with the electronic control device 20 connects, tends to itself to act as an RF antenna when it is controlled by the control device is acted upon with tent signals. When the coal-shale interface being surveyed gets close is located on the radar device 10, both the transmitting and receiving antennas are active at the same time; the time signals on Transmitters then often overlap the function of the receiver. The correspondingly energized control cable 32 would thus be closed Interference in the active receiver would result if the control cable 32 were anywhere in the vicinity of the receiver. Through this, that the transmitting antenna 26 and its associated control cable 32 at a point between the control device 20 and receiving antenna 36 are positioned, however, these coupling

-20--20-

.A 44 725 u.A 44 725 and

UO - 168 - 20 -UO - 168 - 20 -

22.6.1981June 22, 1981

lungseffekte reduziert. Das Steuerkabel 32 wird dabei aus der Nähe der Empfangsantenne entfernt.reduced effects. The control cable 32 is turned off away from the receiving antenna.

Kopplungseffekte werden weiter durch den Sende-Isolator 34 und den Empfangs-Isolator 44 reduziert, welche als RF-Drosseln wirken und etwaige RF-Signale gleicher Mode abschwächen, die entlang des Steuerkabels 32 und des Steuerkabels 42 laufen. Die Isolatoren 34 und 44 verhindern, daß die Kabel 32, 42 als Antennen·wirken, wenn sie von Steuersignalen bestromt sind. Die Außenseite der Isolatoren kann mit einem absorbierenden Material bedeckt werden, beispielsweise mit dem Material ECCOSORB TM SC-100 der Firma Emerson & Cummings, wobei der Durchmesser des Gehäuses 16 besser angenähert wird-Auf diese Weise wird die RF-Schwächung in den Isolatoren vergrößert und gleichzeitig der Durchgang elektromagnetischer Wellen entlang der Innenseite des Gerätes direkt zwischen Sende- und Empfangsantenne blockiert.Coupling effects are further enhanced by the transmit isolator 34 and reduce the receiving isolator 44, which act as RF chokes and attenuate any RF signals of the same mode, which run along the control cable 32 and the control cable 42. The insulators 34 and 44 prevent the cables 32, 42 act as antennas when they are energized by control signals are. The outside of the insulators can be covered with an absorbent material, for example with the material ECCOSORB ™ SC-100 from Emerson & Cummings, where the diameter of the housing 16 is more closely approximated - In this way, the RF attenuation in the isolators is increased and at the same time the passage of electromagnetic waves along the inside of the device directly between Sending and receiving antenna blocked.

Eine Abschwirmung kann auch dazu verwendet werden, eine direkte Übertragung elektromagnetischer Energie zwischen, der Sendeantenne 26 und der Empfangsantenne 36 zu verhindern. Wie schematisch in den Figuren 4A und 4B zu erkennen ist, ist ein zylindrisches Abschirmelement 46 aus Kupferfolie oder einem anderen geeigneten Metall um den Innendurchmesser des Gehäuses 16 herum angeordnet. Das Abschirmelement bedeckt die gesamte Oberfläche des Geräts 10 mit Ausnahme von öffnungen 48, 50, in denen die Sendeantenne 26 bzw. die Empfangsantenne 36 untergebracht sind. Hierdurch wird eine unbehinderte Funktion der Antennen möglich gemacht. Falls gewünscht, kann das Steuerkabel 42 zwischen der Außenseite des Abschirmelementes und der Innenseite des Gehäuses 16 angeordnet werden; auf diese Weise wird ein Einkoppeln vonA shield can also be used to create a direct To prevent transmission of electromagnetic energy between the transmitting antenna 26 and the receiving antenna 36. As can be seen schematically in FIGS. 4A and 4B, a cylindrical shielding element 46 is made of copper foil or some other suitable metal around the inside diameter of the housing 16. The shielding element covers the entire surface of the device 10 with the exception of openings 48, 50 in which the transmitting antenna 26 or the Receiving antenna 36 are housed. This enables the antennas to function unimpeded. If If desired, the control cable 42 can be connected between the outside of the shielding element and the inside of the housing 16 to be ordered; in this way a coupling of

-21--21-

A 44 725 uA 44 725 u

UO - 168 - 21 -UO - 168 - 21 -

22,6.198122.6.1981

Energie aus der Sendeantenne in das Kabel 42 verhindert.Prevents energy from entering the cable 42 from the transmitting antenna.

Die Schaltkreiskonfiguration des Radargeräts 10 ist in dem Blockdiagramm der Fig. 5 gezeigt. Die elektronische Steuereinrichtung 20 enthält eine Sampler-Steuerung 52, welche Zeitsignale zur Steuerung der Radarabtastfolge erzeugt. Die Sampler-Steuereinrichtung 52 ist ein herkömmlicher Abtast-Zeitgabekreis, der in Bauweise und Funktion dem Modell Tektronic 7S11 ähnelt. Wenn das Radargerät richtig im Bohrloch positioniert ist, betätigt die Bedienungsperson außerhalb des Bohrloches den Ein-Aus-Schalter 54 und leitet so die Abtastfolge ein. Die Abtastgeschwindigkeit ist üblicherweise im Bereich zwischen 10 und 30 Hz voreingestellt, kann jedoch von der Bedienungsperson einjustiert werden, bevor das Gerät in das Bohrloch eingeführt wird.The circuit configuration of the radar device 10 is shown in the block diagram of FIG. The electronic Control device 20 contains a sampler control 52, which generates timing signals to control the radar scan sequence. The sampler controller 52 is conventional Sampling timing circuit which is similar in design and function to the Tektronic 7S11 model. If the radar is correct is positioned in the borehole, the operator operates outside the borehole the on-off switch 54 and thus initiates the scanning sequence. The scanning speed is usually preset in the range between 10 and 30 Hz, however, it can be adjusted by the operator before the tool is inserted into the borehole.

Nach Einleiten der Abtastfolge beginnt die Sampler-Steuereinrichtung 52 Zeitsignale mit einer Frequenz von 200 kHz durch das Steuerkabel 32 und den Sendeisolator 34 zum elektromagnetischen Impulsgeber 30 zu,senden. 200 kHz ist zwar die bevorzugte Zeitsignalfrequenz; es können jedoch andere Zeitsignalfrequenzen im Bereich zwischen 50 und 250 kHz mit zufriedenstellendem Resultat verwendet werden. Auf die Zeitsignale hin gibt der elektromagnetische Impulsgeber 30 an die Sendeantenne 26 Stöße elektromagnetischer Impulse ab, die charakteristischerweise eine Frequenz in der Größenordnung von 100 MHz bis 2 GHz haben. Diese hochfrequenten elektromagnetischen Impulse werden von der Sendeantenne 26 in die umgebende Kohle ausgestrahlt und von einer Kohle-Schiefer-Zwischenfläche zurück zur Empfangsantenne reflektiert, wie oben beschrieben. Die empfangenen Impulse werden in die Empfangsschaltung 40 eingespeist, die einenAfter initiating the scanning sequence, the sampler control device begins 52 time signals with a frequency of 200 kHz through the control cable 32 and the transmission isolator 34 to the electromagnetic pulse generator 30 to send. 200 kHz is the preferred time signal frequency; it can, however other time signal frequencies in the range between 50 and 250 kHz can be used with a satisfactory result. The electromagnetic pulse generator responds to the time signals 30 to the transmitting antenna 26 from bursts of electromagnetic pulses, which characteristically have a frequency in of the order of 100 MHz to 2 GHz. These high frequency electromagnetic pulses are generated by the transmitting antenna 26 broadcast into the surrounding coal and from a coal-shale interface back to the receiving antenna reflected as described above. The received pulses are fed into the receiving circuit 40, the one

-22--22-

* 1* 1

A 44 725 uA 44 725 u

UO - 168 - 22 -UO - 168 - 22 -

22.6.1981June 22, 1981

RF-Verstärker 56 und einen RF-Sampler 58 unter der Steuerung der Sampler-Steuereinrichtung 52 enthält. Der RF-Sampler 58 ist ein analog arbeitender Sample-and-Hold-Kreis, welcher den ankommenden Impulsen folgt und kapazitiv repräsentative Impulse auf ein Taktsignal hin steuert, welches.von der Sampler-Steuereinrichtung 52 er-.zeugt und dem RF-Sampler 58 durch das Steuerkabel 42 und den Empfangsisolator 44 zugeführt wird. Das erste Taktsignal nach Einleiten der Abtastfolge fällt mit dem ersten Zeitsignal der Folge zusammen. Danach folgt die Frequenz der Taktsignale der Frequenz der Zeitsignale; die Zeitperiode zwischen aufeinanderfolgenden Taktsignalen wird jedoch progressiv durch Inkremente von 0,25 nsec vergrößert; auf diese Weise wird eine progressiv anwachsende Verzögerungsperiode zwischen jedem Taktimpuls und jedem Zeitsignal erzeugt. Wenn beispielsweise das anfängliche Zeitsignal in einer bestimmten Abtastfolge zur Zeit t, auftritt, tritt auch das anfängliche Taktsignal zur Zeit t1 auf. Das zweite Zeitsignal tritt zur Zeit t« auf; das zweite Taktsignal tritt jedoch erst zur Zeit t2+0,25 nsec auf. Das dritte Zeitsignal tritt zur Zeit t, auf, während das dritte Taktsignal zur Zeit t,+0,50 nsec auftritt. Die Verzögerung zwischen dem Zeit- und dem Taktsignal wächst so weiter durch die gesamte Abtastfolge, obwohl die effektive Frequenz der Taktsignale und die entsprechende Sampling-Rate gleich der Frequenz der Zeitsignale bleibt. Auf diese Weise kann der RF-Sampler 58 empfangene Impulse sequentiell in progressiv wachsenden Zeitintervallen, welche auf die Aussendung der Impulse von der Sendeantenne 26 folgen, untersuchen.RF amplifier 56 and an RF sampler 58 under the control of sampler controller 52. The RF sampler 58 is an analog sample-and-hold circuit which follows the incoming pulses and capacitively controls representative pulses in response to a clock signal generated by the sampler control device 52 and the RF sampler 58 through the control cable 42 and the receiving isolator 44. The first clock signal after the initiation of the sampling sequence coincides with the first time signal of the sequence. Then the frequency of the clock signals follows the frequency of the time signals; however, the time period between successive clock signals is progressively increased by increments of 0.25 nsec; in this way a progressively increasing delay period is created between each clock pulse and each timing signal. For example, if the initial timing signal occurs in a particular sampling sequence at time t 1 , the initial clock signal also occurs at time t 1. The second time signal occurs at time t «; however, the second clock signal does not occur until time t 2 +0.25 nsec. The third time signal occurs at time t 1, while the third clock signal occurs at time t 1 + 0.50 nsec. The delay between the time signal and the clock signal continues to grow through the entire sampling sequence, although the effective frequency of the clock signals and the corresponding sampling rate remain the same as the frequency of the time signals. In this way, the RF sampler 58 can examine received pulses sequentially at progressively increasing time intervals that follow the transmission of the pulses from the transmitting antenna 26.

Die im Sampler 58 gespeicherten Impulse werden über das Kabel 60 dem Audiofrequenz-Operationsverstärker 62 in derThe pulses stored in the sampler 58 are transmitted via the Cable 60 to the audio frequency operational amplifier 62 in FIG

-23--23-

A 44 725 uA 44 725 u

UO - 168 - 23 -UO - 168 - 23 -

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elektronischen Steuereinrichtung 20 zugeführt. Der Verstärker 62 wird von einem Steuersignal der Sampler-Steuereinrichtung 52 zur selben Zeit ausgelöst, wie die Abtastfolge eingeleitet wird. Er verstärkt die gespeicherten Impulse, so daß sie über ein Oberflächenkabel 64 zur Außenseite des Bohrloches übertragen werden können.electronic control device 20 supplied. The amplifier 62 is controlled by a control signal from the sampler controller 52 triggered at the same time as the scan sequence is initiated. It amplifies the stored impulses, so that they can be transmitted to the outside of the wellbore via a surface cable 64.

Nach Abschluß einer Abtastfolge kehrt die Sampler-Steuereinrichtung 52 zum Ausgang zurück; eine weitere Abtastfolge wird eingeleitet. Die Impulse, die von dem RF-Sampler 58 während einer einzigen Abtastfolge gespeichert und vom Verstärker 62 und dem Oberflächenkabel 64 zur Außenseite des Bohrloches übertragen werden, geben einen einzigen Datensatz ab, der in einer herkömmlichen oszilloskopartigen visuellen Anzeige oder in einem anderen Überwachungskreis verwendet werden kann.After completing a scan sequence, the sampler controller returns 52 back to the exit; another scan sequence is initiated. The pulses generated by the RF sampler 58 stored during a single scan sequence and sent from amplifier 62 and surface cable 64 to the outside of the Boreholes are transmitted from a single data set, which in a conventional oscilloscope-like visual Display or in another monitoring circuit.

Die Abtastfolgen dauern ans während das Radargerät 10 entlang des Bohrloches bewegt wird. Veränderungen in den Impulsmustern, wie sie in den Datenfolgen oder Datensätzen erfaßt werden, dienen dazu, diejenigen gespeicherten Impulse zu ιdentifizierens die an der Kohle-Schiefer-Grenzfläche an der Oberseite oder Unterseite des Kohleflözes reflektiert wurden. Die als reflektierte Impulse identifizierten Impulse wiederum können als Maß für die Entfernung zwischen dem Bohrloch und der reflektierenden Grenzfläche verwendet werden.The scan sequences last s while the radar device 10 is moved along the borehole. Changes in the pulse patterns as detected in the data sequences or data sets, serve to ιdentifizieren those pulses stored the s-shale interface carbon was reflected at the top or bottom of the coal seam at the. The pulses identified as reflected pulses can in turn be used as a measure of the distance between the borehole and the reflective interface.

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Claims (1)

HOEGER, STELLRECHT &-PARTNEr3 1 2488HOEGER, LEGAL LAW & PARTNER3 1 2488 PATEN I A N W Ä w T E£ UHLANDSTRASSE 14 ο · D 7000 STUTTGART 1PATEN I A N WÄ w T E £ UHLANDSTRASSE 14 ο · D 7000 STUTTGART 1 Ä 44 725 u Anmelder: ENSCO, Inc.Ä 44 725 u Applicant: ENSCO, Inc. UO - 168 5408A Port Royal RoadUO - 168 5408A Port Royal Road o6 »1981 Springfield, Virginia, U.S.A,o6 »1981 Springfield, Virginia, U.S.A, PatentansprücheClaims 1. Radarsystem zur Bestimmung unterirdischer Entfernungen mit einer Quelle elektromagnetischer Impulse; einer Sendeeinrichtung, welche mit der Quelle elektromagnetischer Impulse verbunden ist und die elektromagnetischen Impulse in die Erde überträgt; einer Empfangseinrichtung, welche elektromagnetische Energie empfängt, die nach Reflexion von verschiedenen geologischen Diskontinuitäten in der Erde zur Empfangseinrichtung zurückkehrt; einer Steuereinrichtung, welche sowohl die Aussendung der elektromagnetischen Impulse von der Sendeeinrichtung als auch den Empfang der elektromagnetischen Energie von der Empfangseinrichtung steuert, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle elektromagnetischer Impulse (30), die Steuereinrichtung (20), die Sendeeinrichtung (12) und die Empfangseinrichtung (14) innerhalb -eines Gehäuses (16) derart montiert sind, daß die Sendeeinrichtung (12) innerhalb des Gehäuses (16) zwischen der Steuereinrichtung (20) und der Empfangseinrichtung (14) positioniert ist, wodurch eine elektromagnetische Kopplung zwischen der Steuereinrichtung (20) und der Empfangseinrichtung (14) verhindert wird, wobei die Sendeeinrichtung und die Empfangs· einrichtung jeweils Richtantennen (26, 36) innerhalb des Gehäuses (16) enthalten.1. Radar system for determining underground distances with a source of electromagnetic pulses; a transmitting device, which is connected to the source of electromagnetic Impulse is connected and transmits the electromagnetic impulses into the earth; a receiving device, which receives electromagnetic energy after reflection from various geological discontinuities in the Earth returns to the receiving facility; a control device, which both the emission of the electromagnetic Pulses from the transmitting device as well as receiving the electromagnetic energy from the Receiving device controls, characterized in that the source of electromagnetic pulses (30) which Control device (20), the transmitting device (12) and the Receiving device (14) within a housing (16) are mounted such that the transmitting device (12) within the housing (16) between the control device (20) and the receiving device (14) is positioned, whereby an electromagnetic coupling between the Control device (20) and the receiving device (14) is prevented, the transmitting device and the receiving device each having directional antennas (26, 36) within the Housing (16) included. 2. Radarsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeeinrichtung (12) eine erste, schleifenförmige Dipol-Richtantenne (26) und die Empfangseinrichtung (14) eine zweite, schleifenförmige Richt-Dipolantenne (36)2. Radar system according to claim 1, characterized in that the transmitting device (12) has a first, loop-shaped Dipole directional antenna (26) and the receiving device (14) a second, loop-shaped directional dipole antenna (36) -2--2- * * Ct* * Ct tt 1 ·1 · • It«*• It «* SI T » 1SI T »1 A 44 725 uA 44 725 u UO - 168 - 2 -UO - 168 - 2 - 22.6.1981June 22, 1981 enthält.contains. 3. Radarsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Reflexionseinrichtung (28) unter der ersten schleifenförmigen Dipolantenne (26) angeordnet ist und hierdurch der Sendeeinrichtung (12) eine Richtwirkung verleiht, und daß eine zweite Reflexionseinrichtung (38) unterhalb der zweiten schleifenförmigen Dipolantenne (36) angeordnet ist und hierdurch der Empfangseinrichtung (14) Richtwirkung verleiht.3. Radar system according to claim 2, characterized in that a first reflection device (28) is arranged below the first loop-shaped dipole antenna (26) and thereby gives the transmitting device (12) a directivity, and that a second reflection device (38) is arranged below the second loop-shaped dipole antenna (36) and thereby the receiving device (14) gives directivity. 4. Radarsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetischen Impulse, die von der Quelle elektromagnetischer Impulse (30) erzeugt werden, eine Frequenz im Bereich zwischen 100 MHz und 2 GHz aufweisen. 4. Radar system according to claim 1, characterized in that the electromagnetic pulses emitted by the source electromagnetic pulses (30) are generated, have a frequency in the range between 100 MHz and 2 GHz. 5. Radarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (16) ein Abschirmelement (46) enthält, welches um seine Innenfläche herum montiert ist und eine direkte elektromagnetische Kopplung zwischen der Sendeeinrichtung (12) und der Empfangseinrichtung (14) verhindert.5. Radar system according to one of claims 1 to 4, characterized characterized in that the housing (16) includes a shield member (46) which surrounds its inner surface is mounted and a direct electromagnetic coupling between the transmitting device (12) and the receiving device (14) prevented. 6. Radarsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschirmelement (46) aus Metallfolie gebildet ist.6. Radar system according to claim 5, characterized in that the shielding element (46) is formed from metal foil. 7. Radarsystem nach einem der "Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste RF-Drossel (34) in Reihe zwischen die Steuereinrichtung (20) und die Sendeeinrichtung (12) geschaltet ist und. RF-Signale gemeinsamer Mode schwächt, die entlang der Verbindung (32) zwischen7. Radar system according to one of "Claims 1 to 6, characterized in that that a first RF choke (34) in series between the control device (20) and the transmitting device (12) is switched and. Common mode RF signals attenuates along the connection (32) between -3--3- A 44 725 uA 44 725 u UO - 168 - 3 -UO - 168 - 3 - 22.6.1981June 22, 1981 der Steuereinrichtung (20) und der Sendeeinrichtung (12) verlaufen, und daß eine zweite RF-Drossel (44) in Reihe zwischen die Steuereinrichtung (20) und die Empfangseinrichtung (14) geschaltet ist und RF-Signale gemeinsamer Mode schwächt, welche entlang der Verbindung (42) zwischen der Steuereinrichtung (20) und der Empfangseinrichtung (14) laufen.the control device (20) and the transmission device (12) run, and that a second RF choke (44) in series is connected between the control device (20) and the receiving device (14) and RF signals are more common Mode weakens which along the connection (42) between the control device (20) and the receiving device (14) run. 8- Radarsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste RF-Drossel (34) aus einem ersten zylindrisch spiralig gewickelten Koaxialkabel und die zweite RF-Drossel (44) aus einem zweiten zylindrisch spiralig gewickelten Koaxialkabel gebildet wird.8- radar system according to claim 7, characterized in that the first RF choke (34) consisting of a first cylindrically spirally wound coaxial cable and the second RF choke (44) is formed from a second cylindrically spirally wound coaxial cable. 9. Radarsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (16) zylindrischen Querschnitt aufweist, wobei die Durchmesser der beiden zylindrisch gewickelten Koaxialkabel (34, 44) gleich dem Innendurchmesser des zylindrischen Gehäuses (16) sind.9. Radar system according to claim 8, characterized in that the housing (16) has a cylindrical cross section, wherein the diameter of the two cylindrically wound coaxial cables (34, 44) equal to the inner diameter of the cylindrical housing (16). 10« Radarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnets daß die Steuereinrichtung (20) Zeitsignale an die Sendeeinrichtung (12) und Taktsignale an die Empfangseinrichtung (14) während eines Abtastzyklusses abgibt, wobei die Empfangseinrichtung (14) eine Sampling-Einrichtung (58) enthält, die so angeschlossen ist, daß sie die empfangene elektromagnetische Energie erfaßt und speichert und zwar auf einen Taktimpuls der Steuereinrichtung (20) hin, wobei die Steuereinrichtung (20) während eines Abtastzyklusses eine progressiv wachsende Verzögerungsperiode zwischen aufeinanderfolgenden Zeit- und Taktimpulsen erzeugt.10 «radar system according to one of claims 1 to 9, characterized that the control device (20) time signals to the transmitting device (12) and clock signals to the Receiving device (14) during a scanning cycle outputs, wherein the receiving device (14) is a sampling device (58), which is connected so that it detects the received electromagnetic energy and stores in response to a clock pulse from the control device (20), the control device (20) during of a sampling cycle, a progressively increasing delay period between successive timing and clock pulses generated. -4--4- A 44 725 uA 44 725 u UO - 168 - 4 -UO - 168 - 4 - 22.6.1981June 22, 1981 11. Radarsystem zur Bestimmung unterirdischer Entfernungen mit einer Quelle elektromagnetischer Impulse; mit einer Sendeeinrichtung, die mit der Quelle elektromagnetischer Impulse verbunden ist und elektromagnetische Impulse in die Erde überträgt; mit einer Empfangseinrichtung, welche elektromagnetische Energie empfängt, die nach der Reflexion der elektromagnetischen Impulse an verschiedenen geologischen Diskontinuitäten in der Erde zur Empfangseinrichtung zurückkehrt; mit einer Steuereinrichtung, welche sowohl die Aussendung elektromagnetischer Impulse von der Sendeeinrichtung als auch den Empfang der elektromagnetischen Energie durch die Empfangseinrichtung steuert, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste RF-Drossel (34) in Reihe zwischen die Steuereinrichtung (20) und die Sendeeinrichtung (12) geschaltet ist und RF-Signale gemeinsamer Mode abschwächt, welche entlang der Verbindung zwischen der Steuereinrichtung (20) und der Sendeeinrichtung (12) laufen, und daß eine zweite RF-Drossel in Serie zwischen die Steuereinrichtung (20) und die Empfangseinrichtung (14) geschaltet ist und RF-Signale gemeinsamer Mode abschwächt, die entlang der Verbindung zwischen der Steuereinrichtung (20) und der Empfangseinrichtung (14) laufen.11. Radar system for determining underground distances with a source of electromagnetic pulses; with a transmitting device connected to the source of electromagnetic Impulse is connected and transmits electromagnetic impulses into the earth; with a receiving device, which receives electromagnetic energy after the reflection of electromagnetic pulses at various geological discontinuities in the earth return to the receiving facility; with a control device, which both the emission of electromagnetic pulses from the transmitting device and the Receipt of the electromagnetic energy by the receiving device controls, characterized in that a first RF choke (34) in series between the controller (20) and the transmitting device (12) is switched and RF signals of a common mode attenuates which run along the connection between the control device (20) and the transmitting device (12), and that a second RF choke connected in series between the control device (20) and the receiving device (14) and attenuates RF signals of a common mode, which along the connection between the control device (20) and the receiving device (14) run. 12. Radarsystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erste RF-Drossel (34) aus einem ersten spiralig gewickelten Koaxialkabel und die zweite RF-Drossel (44). aus einem zweiten spiralig'gewickelten Koaxialkabel besteht. 12. Radar system according to claim 11, characterized in that the first RF choke (34) consisting of a first spiral wound coaxial cable and the second RF choke (44). consists of a second spiral-wound coaxial cable. 13. Radarsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeeinrichtung (12) eine erste schleifenförmige13. Radar system according to claim 12, characterized in that the transmitting device (12) has a first loop-shaped -5--5- A 44 725 uA 44 725 u UO - 168 - 5UO - 168 - 5th 22.5,1981May 22, 1981 Dipolantenne (26) und die Empfangseinrichtung (14) eine zweite schleifenförmige Dipolantenne (36) enthält.Dipole antenna (26) and the receiving device (14) contains a second loop-shaped dipole antenna (36). 14,, Radarsystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Reflexionseinrichtung (28) unter der ersten.schleifenförmigen Dipolantenne (26) positioniert ist und der Sendeeinrichtung (12) Richtwirkung verleiht, und daß eine zweite Reflexionseinrichtung (38) unter der zweiten schleifenförmigen Dipolantenne (36) angeordnet ist und der Empfangseinrichtung (14) Richtwirkung verleiht. 14 ,, radar system according to claim 13, characterized in that that a first reflection device (28) is positioned under the first loop-shaped dipole antenna (26) and gives the transmitting device (12) directivity, and that a second reflection means (38) under the second loop-shaped dipole antenna (36) arranged and gives the receiving device (14) directivity.
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