DE4309599A1

DE4309599A1 - Method and device for detecting an inaminate object having dynamic properties in the ground

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Publication number: DE4309599A1
Application number: DE19934309599
Authority: DE
Inventors: Oleg Ivanovic Fisun; Richard Prof Dr Schimko
Original assignee: Borus Spezialverfahren und Geraete im Sondermaschinenbau GmbH
Current assignee: Borus Spezialverfahren und Geraete im Sondermaschinenbau GmbH
Priority date: 1993-03-22
Filing date: 1993-03-22
Publication date: 1994-09-29

Abstract

A description is given of a detection method for an inaminate object with dynamic properties below a floor area on the basis of evaluating the frequency spectrum of microwave radiation irradiated into the floor area and reflected from the structure. In the method, the evaluation is performed with respect to a frequency spectrum which is modulated onto the reflected microwave radiation by means of mechanical vibrating processes inside the structure. This method renders possible a simplified identification of, for example, subterranean pipelines or water courses. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.The invention relates to a method in the preamble of claim 1 specified Art.

Aus J. C. Cook, "Proposed Monocycle Pulse VHF Radar for Airborne Ice and Snow Measurements", AIEE Transaction Pa per #60-994, August 1960, sowie ders., "Monocycle Radar Pulses as Environmental Probes", Institute of Science and Technology, Univ. of Michigan, USA, 1964, ist seit länge rem bekannt, daß gepulste VHF-Radarstrahlung für geophysi kalische Anwendungen ein brauchbares Nachweismittel dar stellt.From J.C. Cook, "Proposed Monocycle Pulse VHF Radar for Airborne Ice and Snow Measurements ", AIEE Transaction Pa as of # 60-994, August 1960, and the like, "Monocycle Radar Pulses as Environmental Probes ", Institute of Science and Technology, Univ. of Michigan, USA, 1964, has long been rem known that pulsed VHF radar radiation for geophysi Kalische applications represent a useful means of detection poses.

Das Nachweisprinzip beruht auf der partiellen Reflexion von elektromagnetischen Wellen, speziell auch Mikrowel lenstrahlung, an der Grenzfläche von Objekten mit unter schiedlichen Dielektrizitätskonstanten, wie sie sich aus den grundlegenden Gesetzen der Ausbreitung elektromagne tischer Wellen ergibt.The principle of detection is based on partial reflection of electromagnetic waves, especially microwaves len radiation, at the interface of objects with under different dielectric constants as they arise the basic laws of electromagnetic propagation table waves results.

Die ersten Untersuchungen bedienten sich zur Erreichung einer brauchbaren Eindringtiefe und zur Verringerung von Streuverlusten vergleichsweise langwelliger Strahlung, erfolgten vom Flugzeug aus und waren nur zur Überblicks darstellung großräumiger geophysikalischer Zustände geeignet.The first investigations were used to achieve this a useful depth of penetration and to reduce Scattering losses of comparatively long-wave radiation, were from the plane and were only for overview representation of large-scale geophysical conditions suitable.

In den letzten Jahren wurden die auf der Reflexion von in den Untergrund eingestrahlter Mikrowellenstrahlung beru henden Verfahren und Geräte zur feineren Unterscheidung von ausgedehnten geologischen Strukturen einerseits und von unterhalb der Erdoberfläche befindlichen Objekten an dererseits weiter verfeinert und auf unterschiedliche An wendungszwecke - darunter die Erkundung von Erdöl- oder Erdgaslagerstätten, vgl. beispielsweise die US 4 063 151 und US 4 100 481 - angepaßt. In recent years, the reflection of in based on the radiated microwave radiation existing methods and devices for fine distinction of extensive geological structures on the one hand and from objects below the earth's surface on the other hand, refined and in different ways uses - including exploration of petroleum or Natural gas deposits, cf. for example US 4,063,151 and US 4 100 481 - adapted.

Dabei ist einerseits zur Bestimmung der geophysikalischen Eigenschaften des Untergrundes der Weg verfolgt worden, breitbandige Impulse und zur Aussendung und zum Empfang der Mikrowellen bzw. Radarstrahlung ein und dieselbe (breitbandige) Antenne mit einer entsprechenden kombinier ten Sende-/Empfangsschaltung zu verwenden, vgl. dazu bei spielsweise die US 3 806 795.One is to determine the geophysical Properties of the underground the path has been followed broadband impulses and for sending and receiving the microwave or radar radiation one and the same (broadband) antenna with a corresponding combin to use the transmit / receive circuit, cf. at for example US 3,806,795.

Hierbei beruht der Nachweis der Eigenschaften des Unter grundes auf der Veränderung des Frequenzspektrums der re flektierten gegenüber den ausgesendeten Mikrowellen infol ge der unterschiedlichen und unterschiedlich frequenzab hängigen Dielektrizitätskonstanten verschiedener Bestand teile der bodennahen Schichten.This is based on the proof of the properties of the sub due to the change in the frequency spectrum of the right inflected compared to the emitted microwaves of different and different frequencies dependent dielectric constants of different inventory parts of the layers close to the ground.

Dieses Prinzip ist später - unter Verwendung höherfrequen ter Strahlung, durch Einsatz bewegter Antennen und über den Nachweis der Phasendifferenz zwischen ausgesandtem und empfangenem Signal in einer Mehrzahl von Positionen der Antenne(n) für den Nachweis kleinerer Objekte unter der Oberfläche weiterentwickelt worden, vgl. dazu die US 4 706 031 und DE 38 08 173 C2.This principle is later - using higher frequencies radiation, by using moving antennas and over proof of the phase difference between emitted and received signal in a plurality of positions of the Antenna (s) for the detection of smaller objects under the surface has been developed, cf. plus the US 4 706 031 and DE 38 08 173 C2.

Das Verfahren entsprechend der letztgenannten Druckschrift betrifft speziell eine elektronische Aperturvergrößerung der Empfangsantenne zur Verbesserung des Auflösungsver mögens.The procedure according to the latter document especially concerns an electronic aperture enlargement the receiving antenna to improve the resolution ver like.

Aus der EP 0 288 578 A1 sind ein Nachweisverfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Nachweisvor richtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs be kannt, die ebenfalls aufgrund der Veränderung des Fre quenzspektrums der Mikrowellenstrahlung durch unterschied liche Dielektrizitätskonstanten von Objekten im Untergrund deren Auffindung und ggf. auch Unterscheidung gestatten.EP 0 288 578 A1 describes a detection method according to the The preamble of claim 1 and a proof direction according to the preamble of claim knows that also due to the change in Fre frequency spectrum of microwave radiation by difference dielectric constants of objects in the underground allow them to be found and, if necessary, differentiated.

Die bekannten Verfahren und Vorrichtungen haben damit zum einen den Nachteil, daß sie den Einsatz breitbandiger Mi krowellenimpulse erfordern und damit ihr Auflösungsvermö gen grundsätzlich begrenzt ist.The known methods and devices have one the disadvantage that they use broadband Mi require crow wave impulses and thus their resolving power is generally limited.

Zum anderen ermöglicht das Nachweisprinzip weder eine Un terscheidung von Objekten mit vergleichbaren Dielektrizi tätskonstanten noch den Nachweis von Bewegungsvorgängen im Untergrund.On the other hand, the verification principle does not allow an Un Differentiation of objects with comparable dielectric the constants of the movement still the proof of movement processes in the underground.

Der Erfindung liegt daher Aufgabe zugrunde, ein Nachweis verfahren sowie eine Nachweisvorrichtung der gattungsgemä ßen Art mit hohem Auflösungsvermögen und der Fähigkeit, unter bestimmten Bedingungen Strukturen mit vergleichbaren Dielektrizitätskonstanten zu unterscheiden sowie Bewe gungsvorgänge im Untergrund nachzuweisen, bereitzustellen.The invention is therefore based on the object of proof method and a detection device of the generic type type with high resolution and the ability to structures with comparable structures under certain conditions Distinguish dielectric constants and Bewe evidence of underground processes.

Diese Aufgabe wird durch ein Nachweisverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. eine Nachweisvorrich tung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 18 gelöst.This task is accomplished through a verification procedure with the Features of claim 1 or a proof tion solved with the features of claim 18.

Das erfindungsgemäße Nachweisverfahren vermag unter einer Bodenfläche (worunter nachfolgend allgemein sowohl die Bo denfläche eines natürlichen Terrains als auch eine durch den Menschen baulich gestaltete Bodenfläche sowie im über tragenen Sinne jede eine zu ermittelnde Struktur der opti schen Wahrnehmung entziehende Fläche, also etwa auch eine senkrechte Felswand oder Mauerfläche verstanden werden soll) dem Auge verborgen liegende Strukturen anhand von mechanischen Schwingungen nachzuweisen, die diese Struktu ren im Zusammenhang mit ihnen eigenen Bewegungen oder als Reaktion auf eine künstliche Anregung ausführen.The detection method according to the invention is capable of under one Floor area (below which both the Bo the area of a natural terrain as well as a through the floor area of the building as well as in the above Each of the senses carries a structure of opti to be determined surface that deprives it of perception, i.e. also a surface vertical rock face or wall surface can be understood structures hidden to the eye based on to demonstrate mechanical vibrations that this structure in connection with their own movements or as Execute a response to an artificial stimulus.

Es bietet als dynamisches Verfahren erstmals die Möglich keit einer zeitaufgelösten Mikrowellensondierung von un terirdischen Strukturen bzw. Objekten.As a dynamic process, it offers the possibility for the first time time-resolved microwave probing of un terrestrial structures or objects.

Solche Strukturen sind insbesondere gasförmige, flüssige oder halbflüssige Medien oder solche enthaltende Objekte, also etwa unterirdische Wasserläufe oder von Flüssigkeiten wie Trinkwasser, Abwasser, Öl oder Gasen durchströmte Rohrleitungen, in denen sich im Zusammenhang mit Turbulen zen im Strömungsverlauf Schwingungszustände aufbauen.Such structures are in particular gaseous, liquid or semi-fluid media or objects containing them, like underground watercourses or liquids such as drinking water, waste water, oil or gases Pipelines in which turbulence related build up vibration states in the course of the flow.

Deren Eigenfrequenzen liegen typischerweise im Bereich von 0,1 bis etwa 100 Hz und sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung über die aus ihnen resultierende Modulation einer auf die betref fende Struktur gerichteten und von dieser reflektierten Mikrowellenstrahlung feststellbar. Sie unterscheiden Strukturen der genannten Art von anderen im Untergrund verborgenen Strukturen, in denen keine Bewegungsvorgänge ablaufen, die aber bei Anwendung herkömmlicher Mikro wellen-Ortungsverfahren nicht oder nicht ohne weiteres von den genannten Strukturen unterscheidbar wären, etwa (ruhenden) wasserhaltigen Schichten, stillgelegten Rohr leitungen, Kabelsträngen etc. Their natural frequencies are typically in the range of 0.1 to about 100 Hz and are with the invention Method and the device according to the invention on the modulation resulting from them on the subject structure and reflected by it Microwave radiation detectable. You differentiate Structures of the type mentioned by others in the underground hidden structures in which no movement expire, but when using conventional micro Waves location method not or not easily by the structures mentioned would be distinguishable, for example (dormant) hydrated layers, disused pipe cables, cable harnesses etc.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung sind damit beispielsweise bei der Untersuchung von bereits in der Vergangenheit industriell genutzten Baugründen sowie bei der exakten Lagebestimmung von Was ser- und Abwasserleitungen in diesbezüglich nicht hinrei chend dokumentierten städtischen Bereichen ebenso von gro ßem Wert wie bei der Wassersuche in unerschlossenen Gebie ten oder grundsätzlich auch der Frühwarnung vor Vulkanaus brüchen anhand der veränderten Beweglichkeit von unterir dischen Magmaströmen.The inventive method and the inventive Devices are thus, for example, during the examination of industrially used in the past Soils and the exact location of what Water and sewage pipes are not sufficient in this regard Correspondingly documented urban areas are also of great size value as when searching for water in undeveloped areas early warning of volcanic activity breaks due to the changed mobility of Unterir flow of magma.

Darüber hinaus ist es in der Ausgestaltung des erfinderi schen Verfahrens dahingehend, daß unterirdische Objekte durch eine äußere Anregung - etwa das Anlegen einer andau ernden mechanischen Schwingung an einen zugänglichen Be reich eines ansonsten verborgenen Rohres oder die aus geo physikalischen Verfahren wohlbekannte Erzeugung einer ge steuerten Detonation - zu mechanischen Schwingungen veran laßt werden, aber auch möglich, Strukturen ohne immanente Beweglichkeit nachzuweisen bzw. zu unterscheiden.In addition, it is in the design of the inventive procedure in that underground objects by an external suggestion - for example by putting on another generating mechanical vibration to an accessible Be realm of an otherwise hidden pipe or that from geo physical methods well-known generation of a ge controlled detonation - cause mechanical vibrations let, but also possible, structures without immanent To demonstrate or differentiate mobility.

Im letzteren Falle, d. h. bei einer nicht-selektiven Anre gung, ist zur Unterscheidung verschiedener verborgener Strukturen bzw. Objekte natürlich die Kenntnis typischer Schwingungseigenschaften derartiger Objekte nötig, die insbesondere experimentell durch Eichmessungen bzw. Ver gleichsversuche gewonnen wird.In the latter case, i. H. with a non-selective incentive gung, is to differentiate different hidden Structures or objects, of course, the knowledge of typical Vibration properties of such objects are necessary especially experimentally through calibration measurements or ver equal attempts is won.

Hier erweist sich - wenngleich diese generell angewendet werden kann - die in bevorzugten Ausgestaltungen des Ver fahrens vorgesehene schnelle Fourier-Transformation und/oder Korrelationsanalyse des im Meßsignal enthaltenen modulierten Anteils als besonders effizient, da sie eine detaillierte Analyse des Schwingungs-"Response" der Struk tur auf die Anregung erlaubt.Here it turns out - although this is generally applied can be - which in preferred embodiments of Ver fast Fourier transform and / or correlation analysis of that contained in the measurement signal modulated portion as particularly efficient since it is a detailed analysis of the vibration "response" of the structure allowed on the suggestion.

Die Ortsbestimmung der Strukturen als solche erfolgt im übrigen auf aus dem Stand der Technik bekannte Weise, ins besondere - vereinfacht formuliert - durch schrittweises Abtasten von Bereichen der Bodenfläche mittels der Sende- und der Empfangsantenne der Nachweiseinrichtung und Aus wertung der Laufzeit und ggf. des Einfallswinkels des Re flexionssignals.The location of the structures as such takes place in the remaining in a manner known from the prior art, ins special - in simple terms - through gradual Scanning areas of the floor surface by means of the transmission and the receiving antenna of the detection device and off evaluation of the running time and, if applicable, the angle of incidence of the Re inflection signal.

Ein derartiges Abtasten erfordert eine hinreichende Richt wirkung der Antenne(n) und das Vorsehen einer geeigneten Steuerung, wobei das "Schwenken" der Antenne(n) auch durch elektrische Drehung der Abstrahl- bzw. Empfangskeule er folgen kann.Such scanning requires sufficient direction effect of the antenna (s) and the provision of a suitable one Control, whereby the "pivoting" of the antenna (s) also by electrical rotation of the radiation or reception lobe can follow.

Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht in Kombination mit den bekannten Ortungsverfahren jedoch insofern eine neue Qualität, als nunmehr - besonders effizient durch Einsatz synchron schwenkbarer, getrennter Sende- und Empfangsan tennen und leistungsfähiger Bildverarbeitungs- und Spei chersysteme - eine zeitaufgelöste oder "dynamische" Kar tierung des Untergrundes mittels eines einzigen Untersu chungsmittels und -vorganges möglich ist.The solution according to the invention enables in combination with the known location methods, however, a new one Quality than now - particularly efficient through use synchronously pivotable, separate send and receive and powerful image processing and storage chersysteme - a time-resolved or "dynamic" card the subsurface by means of a single investigation means and process is possible.

Impuls-Ortungsverfahren können ebenso im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren angewandt werden wie die kontinuierliche ("cw-")Einstrahlung der Mikrowellen. Im pulsverfahren haben dabei insbesondere den Vorteil der größeren (Impuls-)Leistung und damit einer größeren Reich weite im Untergrund und erlauben darüber hinaus auch ohne weiteres die Nutzung ein und derselben Antenne als Sende- und Empfangsantenne.Pulse location techniques can also be related the method according to the invention can be applied like that continuous ("cw -") radiation of the microwaves. In Pulse processes have the particular advantage of greater (impulse) power and thus a larger realm wide underground and also allow without further the use of one and the same antenna as a transmitting and receiving antenna.

Bei den Untersuchungen der Erfinder hat es sich überra schend gezeigt, daß im Mikrowellen-Frequenzbereich von 0,8 bis 1,6 GHz - dabei für die Detektion metallischer Objekte speziell im Bereich von 0,8 bis 1,3 GHz - mit vergleichs weise geringen Mikrowellen-Sendeleistungen gute Reichwei ten im Untergrund und eine hohe Auflösung erzielbar sind.In the investigations of the inventors, it was surprising Schend shown that in the microwave frequency range of 0.8 up to 1.6 GHz - thereby for the detection of metallic objects especially in the range of 0.8 to 1.3 GHz - with comparative low microwave transmission power good range underground and a high resolution can be achieved.

Eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Nachweisver fahrens geeignete Nachweisvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 18 wird bevorzugt derart ausgestaltet, daß sie zur Gewährleistung einer hohen Empfindlichkeit und ge ringer Verzerrungen bei der Aufbereitung des Meßsignals eine Regelschleife zur Amplitudenregelung des modulierten Empfangssignal-Anteils aufweist.One for carrying out the detection ver suitable detection device with the features of claim 18 is preferably designed such that they ensure high sensitivity and ge less distortion when processing the measurement signal a control loop for amplitude control of the modulated Received signal portion.

Eine andere bevorzugte Ausgestaltung sieht eine Einrich tung zur Signalakkumulation des Meßsignals bei wahlweise wiederholter Ausführung der Messungen zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses vor.Another preferred embodiment is provided by a facility device for signal accumulation of the measurement signal at optional repeated execution of the measurements to improve the Signal-to-noise ratio.

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung erge ben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren.Other features and advantages of the invention are derived from the subclaims and the following Description of exemplary embodiments with reference to the figures.

Von den Figuren zeigen: From the figures show:

Fig. 1 eine Prinzipskizze einer Nachweisvorrichtung nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung, Fig. 1 is a schematic diagram of a detection device according to a first embodiment of the invention,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Mikrowellensende- /empfangseinrichtung der Nachweisvorrichtung nach Fig. 1, FIG. 2 shows a block diagram of the microwave transmission / reception device of the detection device according to FIG. 1, FIG.

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer zweiten Signalaufberei tungsvorrichtung der Nachweisvorrichtung nach Fig. 1, Fig. 3 is a block diagram of a second Signalaufberei processing device of the detection device according to Fig. 1,

Fig. 4 (a) und (b) vereinfacht dargestellte Signalformen nach Fourier-Transformation des Meßsignals (a) für eine Struktur mit Eigenbewegungen und (b) für eine Struktur oh ne Eigenbewegungen sowie Fig. 4 (a) and (b) simplified waveforms after Fourier transformation of the measurement signal (a) for a structure with natural movements and (b) for a structure without natural movements and ne

Fig. 5 eine Prinzipskizze einer Nachweisvorrichtung nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Fig. 5 is a schematic diagram of a detection device according to another embodiment of the invention.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 4 wird nachfolgend eine erste Ausführungsform der Erfindung beschrieben.A first embodiment of the invention is described below with reference to FIGS. 1 to 4.

Eine auf einem Fahrgestell 2 mobile Mikrowellensende-/-oempfangseinrichtung 1 mit einer kombinierten Sende-/Emp fangsantenne 3 dient zur Untersuchung eines unter einer Bodenoberfläche 4 liegenden Bereiches, in dem sich ein Ka nalisationsrohrsystem 5 sowie langgestreckte Gesteins adern 6 befinden.A on a chassis 2 mobile microwave transmitting / receiving device 1 with a combined transmitting / receiving antenna 3 is used to examine an area below a floor surface 4 , in which a sewer pipe system 5 and elongated rock veins 6 are located.

Indem die Sende-/Empfangseinrichtung 1 auf dem Fahrgestell 2 schrittweise über das Gelände bewegt wird, werden in den Boden mit einer entsprechend der konkreten Beschaffenheit des Untergrundes einzustellenden Frequenz im Bereich von 0,8 bis 1,6 GHz im Impulsbetrieb mit 1 ns Impulslänge und einer Impulsleistung von ca. 10 MW Mikrowellen einge strahlt und Reflexionssignale aufgenommen, in der Sende /Empfangseinrichtung 1 vor-aufbereitet, in einer gesonder ten Aufbereitungsvorrichtung 7 einer schnellen Fourier- Transformation und - je nach dem aktuellen-Signal-Rausch- Verhältnis - ggf. einer Signalakkumulation unterzogen und die aufbereiteten Signale in Form eines Bodentiefen- Diagramms auftretender Reflexe und diesen jeweils zugeord neten Frequenzspektren auf einem Display 8 dargestellt.By moving the transceiver 1 on the chassis 2 step by step across the site, the frequency to be set in the ground in accordance with the specific nature of the subsurface in the range from 0.8 to 1.6 GHz in pulse mode with a pulse length of 1 ns and a pulse power of approx. 10 MW microwaves is emitted and reflection signals are recorded, pre-processed in the transceiver 1 , in a special processing device 7 a fast Fourier transformation and - depending on the current signal-to-noise ratio - if necessary subjected to a signal accumulation and the processed signals in the form of a bottom depth diagram of the reflections that occur and the associated frequency spectra shown on a display 8 .

Aus dem schrittweisen Abtasten des zu untersuchenden Ge ländes und dem bei jedem Meßpunkt im Gelände gewonnenen Bodentiefen-Diagramm ergibt sich dabei ein dreidimensiona les Reflexbild des Untergrund es unter Einschluß von den Reflexen ggf. zugeordneten Aussagen zu dynamischen Eigen schaften der sie verursachenden Objekte.From the gradual scanning of the Ge to be examined country and the one obtained at each measuring point in the field Soil depth diagram results in a three-dimensional les reflection of the underground including it Reflexes, if applicable, associated statements on dynamic eigen of the objects causing them.

Zu dessen Gewinnung werden die Bodentiefen-Diagramme samt Frequenzspektren an allen Meßpunkten zusammen mit den durch eine Positionsbestimmungseinheit 9 ermittelten, zu gehörigen Ebenen-Koordinaten in einen Direktzugriffsspei cher (RAM) 10 gespeichert.To obtain it, the soil depth diagrams including frequency spectra at all measurement points are stored in a direct access memory (RAM) 10 together with the plane coordinates determined by a position determination unit 9 .

Fig. 2 zeigt die Ausführung der Mikrowellensende-/- empfangseinrichtung 1 im Detail. Fig. 2 shows the embodiment of the microwave transmitting - / - receiving means 1 in detail.

Die Sende-/Empfangseinrichtung wird durch eine Steuerung 100 kontrolliert. Ein Mikrowellengenerator 101 gibt auf entsprechenden Befehl der Steuerung 100 ein Mikrowellensi gnal mit einer Leistung von 20 mW aus, das einem (mehr stufigen) Leistungsverstärker 102 zugeführt wird. Dessen Ausgang ist mit einem Richtungs- bzw. Spannungskoppler 103 verbunden, der einen (sehr geringen) Teil der Signallei stung abzweigt, während der Hauptteil über eine Leistungs steuerstufe 104 einem Zirkulator 105 und von diesem der kombinierten Sende-/Empfangsantenne 3 zugeführt wird, über die die Mikrowellen in den zu untersuchenden Bereich ein gestrahlt werden.The transceiver is controlled by a controller 100 . A microwave generator 101 outputs a microwave signal with a power of 20 mW upon a corresponding command from the controller 100, which signal is fed to a (multi-stage) power amplifier 102 . Its output is connected to a directional or voltage coupler 103 , which branches a (very small) part of the signal line, while the main part is supplied via a power control stage 104 to a circulator 105 and from this to the combined transmitting / receiving antenna 3 the microwaves are radiated into the area to be examined.

Die Antenne weist eine ausgeprägte Richtcharakteristik auf und strahlt - unabhängig von einer eventuellen Neigung des Fahrgestells 2 senkrecht nach unten.The antenna has a pronounced directional characteristic and radiates - regardless of a possible inclination of the chassis 2 vertically downwards.

Die aus dem zu überwachenden Bereich von Objekten mit von der Umgebung abweichendem Wert der Dielektrizitätskonstan ten reflektierten Mikrowellensignale werden von der Anten ne 3 empfangen und zum Richtungs- bzw. Spannungskoppler 109 geleitet, wo dem Empfangssignal der im Richtungskopp ler 103 entnommene und im Dämpfungsglied 107 sowie dem re gelbaren Phasenschieber 108 in Amplitude und Phase so ju stierte Anteil des Sendesignals hinzugefügt wird, daß sich der unmodulierte Anteil des Empfangssignals und das abge zweigte Sendesignal auslöschen, so daß für die weitere Si gnalverarbeitung nur ein durch Eigenschwingungen des re flektierenden Objektes modulierter Anteil des Empfangssi gnals erhalten bleibt.The microwave signals reflected from the area of objects to be monitored with a value of the dielectric constant that deviates from the environment are received by the antenna 3 and passed to the directional or voltage coupler 109 , where the received signal is taken from the directional coupler 103 and in the attenuator 107 and the re regulatable phase shifter 108 in amplitude and phase so ju stiert portion of the transmission signal is added that the unmodulated portion of the received signal and the branched transmission signal cancel, so that for the further signal processing only a modulated by natural vibrations of the re reflecting object portion of the Reception signals are retained.

Dieses Signal wird einem Modulator zugeführt, wo es mit einer durch einen ebenfalls über die Steuerung 100 gesteu erten Tonfrequenzgenerator 110 erzeugten und über eine Ad dierstufe 111, deren Funktion weiter unten erläutert wird, zugeführten Modulationsspannung moduliert wird. This signal is fed to a modulator, where it is modulated with a modulation voltage generated by a tone frequency generator 110 , which is also controlled via the controller 100 and is supplied via an ad dier stage 111 , the function of which will be explained below.

Über einen Mikrowellen-Vorverstärker 13, einen Demodula tor 114, einen Schmalband-Verstärker 115, einen Gleich richter 116 und einen NF-Verstärker 117 gelangt das Signal zu einem Verzweigungspunkt, von dem aus es einerseits über ein Bandfilter 119 schließlich der zweiten Signalaufberei tungseinheit 7, zum anderen über eine automatische Ver stärkungsregelung 118 herkömmlicher Art der Addierstufe 111 zugeführt wird. Dort wird es der Modulationsspannung aufgeprägt, die dann dem Modulator 112 zugeführt wird.Via a microwave preamplifier 13 , a demodulator 114 , a narrowband amplifier 115 , a rectifier 116 and an LF amplifier 117 , the signal arrives at a branching point, from which it finally reaches the second signal processing unit 7 via a band filter 119 , on the other hand via an automatic gain control 118 conventional type of the adder 111 is supplied. There it is impressed on the modulation voltage, which is then fed to the modulator 112 .

Die zusätzliche Modulation des modulierten Anteils des Mikrowellen-Empfangssignals mit einer in ihrer Amplitude durch Rückkopplung aus dem Signal selbst gewonnenen Ton frequenzspannung dient der Einhaltung eines optimalen Ar beitsbereiches der Stufen 113 bis 119 und damit der Ver besserung des Signal-Rausch-Verhältnisses und der Verhin derung von Übersteuerungen im Signalaufbereitungsweg, die die gemessenen Frequenzspektren verfälschen und sich damit nachteilig auf die Aussagefähigkeit der nachfolgend aufbe reiteten Meßsignale auswirken würden.The additional modulation of the modulated portion of the microwave reception signal with an amplitude obtained by feedback from the signal itself frequency frequency voltage serves to maintain an optimal working range of stages 113 to 119 and thus the improvement of the signal-to-noise ratio and Verhin change of overrides in the signal processing path, which falsify the measured frequency spectra and would thus have a detrimental effect on the meaningfulness of the subsequently prepared measurement signals.

Fig. 3 zeigt einen schematisierten Aufbau der Signalver arbeitungseinheit 7 genauer. Die Einheit 7 wird durch eine Steuerung (CPU) 700 gesteuert, die außerdem die Steuerung 100 der Sende-/Empfangseinrichtung 1 steuert. Fig. 3 shows a schematic structure of the signal processing unit 7 in more detail. The unit 7 is controlled by a controller (CPU) 700 , which also controls the controller 100 of the transceiver 1 .

Das Signal vom Bandfilter 119 gelangt zu einem Spektren analysator 701 mit Prozeßrechner-Aufbau bzw. -Software, der auf bekannte Weise eine schnelle Fourier- Transformation des Signals zur Überführung vom Zeit- in den Frequenzbereich ausführt. Das transformierte Signal wird gleichzeitig in einem RAM 702 gespeichert, einem Dis play 704 zur visuellen Darstellung für den Bediener und einem Vergleicher 703 zugeführt. Das Display 704 kann da bei auch mit der Anzeigevorrichtung 8 identisch sein.The signal from the band filter 119 arrives at a spectral analyzer 701 with process computer structure or software, which performs a fast Fourier transformation of the signal for the transfer from the time domain to the frequency domain in a known manner. The transformed signal is simultaneously stored in a RAM 702 , a display 704 for visual display for the operator and a comparator 703 . The display 704 can also be identical to the display device 8 .

Der Vergleicher 703 erhält außerdem von einem Eichsignal geber ein Signal, dessen Signal-Rausch-Verhältnis einem für eine korrekte Weiterverarbeitung erforderlichen Wert entspricht. Dieses Signal wird beispielsweise über eine Tastatur 707 eingegeben.The comparator 703 also receives a signal from a calibration signal generator whose signal-to-noise ratio corresponds to a value required for correct further processing. This signal is entered, for example, via a keyboard 707 .

Ist das Signal-Rausch-Verhältnis des Meßsignals kleiner als das des Eichsignals bzw. als ein vorgegebener Mindest wert, so wird ein diesen Umstand kennzeichnendes Signal an die CPU ausgegeben, die daraufhin die Steuerung 100 der Sende-/Empfangseinrichtung anweist, einen weiteren Meßvor gang auszuführen. Das in dessen Ergebnis erhaltene Meßsi gnal gelangt wiederum in den Spektrenanalysator 701, den Speicher 702 (wo es an einem anderen Speicherplatz abge legt wird als das erste Meßsignal) und das Display 704. Es gelangt jedoch auf Veranlassung der CPU 700 nicht direkt zum Vergleicher 703, sondern wird gemeinsam mit dem ersten Meßsignal aus dem Speicher 702 einem an sich bekannten Spektren-Akkumulator 706 zugeführt, wo es mit dem ersten Meßsignal überlagert und dadurch das Signal-Rausch- Verhältnis verbessert wird. Das im Spektren-Akkumulator 706 gewonnene Spektrum wird dem Vergleicher zugeführt und daraufhin geprüft, ob es das erforderliche Signal-Rausch- Verhältnis aufweist. Ist dies der Fall, weist die CPU 700 den Vergleicher 703 zur Ausgabe des Spektrums und die Steuerung 100 zum Abwarten auf einer neuen Steuerbefehl an. Reicht das Signal-/Rausch-Verhältnis noch nicht aus, so wird die Messung solange wiederholt und das Meßergebnis akkumuliert, bis der benötigte Wert erreicht ist oder ab gebrochen wird.If the signal-to-noise ratio of the measurement signal is less than that of the calibration signal or as a predetermined minimum value, a signal characterizing this circumstance is output to the CPU, which then instructs the controller 100 of the transmitter / receiver device to carry out another measurement process to execute. The measurement signal obtained as a result again passes into the spectrum analyzer 701 , the memory 702 (where it is stored in a different memory location than the first measurement signal) and the display 704 . However, at the instigation of the CPU 700, it does not go directly to the comparator 703 , but is fed together with the first measurement signal from the memory 702 to a spectrum accumulator 706 known per se, where it overlaps with the first measurement signal and thereby the signal-to-noise ratio is improved. The spectrum obtained in the spectrum accumulator 706 is fed to the comparator and thereupon checked whether it has the required signal-to-noise ratio. If this is the case, the CPU 700 instructs the comparator 703 to output the spectrum and the controller 100 to wait for a new control command. If the signal-to-noise ratio is not yet sufficient, the measurement is repeated and the measurement result is accumulated until the required value is reached or is aborted.

Zum Abbruch des Meßvorganges sowie zur Eingabe von die Si gnalverarbeitung steuernden Befehlen des Bedieners dient wiederum die Eingabevorrichtung (Tastatur) 707.The input device (keyboard) 707 is again used to abort the measurement process and to enter commands that control the signal processing of the operator.

In den Fig. 4a und b ist ein charakteristisches Fre quenzdiagramm, d. h. Abbild des aufbereiteten Meßsignals im Frequenzregime, einer wasserführenden Leitung 5 (Fig. 4a) demjenigen eines unbewegten Objekts, etwa einer Ge steinsader 6, (Fig. 4b) gegenübergestellt.In FIGS. 4a and b is a characteristic Fre is quenzdiagramm, ie image of the processed measurement signal in the frequency regime, a water-conducting pipe 5 (Fig. 4a) to that of a stationary object, such as a Ge stone wheels 6 (Fig. 4b) compared.

Diese Darstellung zeigt, daß die wasserführende Leitung aufgrund der beim Strömen einer Flüssigkeit in der Leitung auftretenden Turbulenzen im Frequenzbereich unterhalb etwa 30 Hz ein charakteristisches Eigenschwingungsspektrum be sitzt, das über die dadurch verursachte Modulation eines einfallenden und reflektierten Mikrowellenstrahls nachge wiesen wurde, während eine in der Gestalt und ggf. auch der Dielektrizitätskonstanten u. U. vergleichbare und da her bei herkömmlicher Messung von der Rohrleitung nicht ohne weiteres unterscheidbare Gesteinsader (oder elektri sche Leitung o. ä.) kein solches Eigenschwingungsspektrum aufweist.This illustration shows that the water pipe due to the flow of liquid in the pipe Turbulence occurring in the frequency range below about 30 Hz a characteristic natural vibration spectrum that sits on the resulting modulation of a incident and reflected microwave beam nachge was pointed out while one in the form and possibly also the dielectric constant u. U. comparable and there ago with conventional measurement from the pipeline not easily distinguishable stone vein (or electri cal line or similar) no such natural vibration spectrum having.

Damit ist eine leichte Erkennung der Rohrleitung und bei Abtastung des zu untersuchenden Geländes auf die übliche Weise die Kartierung ihres Verlaufs möglich. This is an easy detection of the pipeline and at Scanning the area to be examined for the usual Way of mapping their course possible.

Wird die beschriebene Ausführungsform dahingehend abgewan delt, daß der zweiten Signalaufbereitungseinrichtung 7 ein Speicher für charakteristische Frequenzspektren verschie dener, im zu untersuchenden Untergrund möglicherweise auf tretender Objekte bzw. Strukturen hinzugefügt wird, so ist durch einen Spektrenvergleich bzw. eine Korrelationsanaly se auch deren Unterscheidung und damit eine Identifizie rung verschiedener Strukturen, die Eigenbewegungen aufwei sen, möglich.If the described embodiment is modified so that the second signal conditioning device 7 has a memory for characteristic frequency spectra, which may be added to objects or structures that may appear in the background to be examined, then a comparison of the spectra or a correlation analysis also distinguishes them and thus It is possible to identify different structures that have their own movements.

Auf analoge Weise kann auch der Verlauf mehrerer, sich in geringfügig unterschiedlicher Höhe kreuzender und/oder verzweigender Strukturen anhand ihres jeweils in einem be stimmten Bereich separat ermittelten, charakteristischen Eigenfrequenzspektrums korrekt kartiert werden.In an analogous manner, the course of several, can be in crossing slightly different heights and / or branching structures based on their respective in a be agreed area separately determined, characteristic Natural frequency spectrum can be mapped correctly.

Die beispielhaft beschriebene Vorrichtung und das be schriebene Verfahren sind auch zur Unterscheidung von Ob jekten geeignet, die keine Eigenbewegungen aufweisen, aber auf eine Fremderregung - z. B. durch Anlegen einer Schwin gung an ein zugängliches Ende einer ansonsten verborgenen, stillgelegten Leitung oder eine gezielte Detonation im zu untersuchenden Bodenbereich - aufgrund ihrer unterschied lichen Geometrie und mechanischen Beschaffenheit mit einem unterschiedlichen, charakteristischen Frequenz-"Response" ansprechen.The device described by way of example and the be Written procedures are also used to distinguish between Ob suitable for projects that do not have their own movements, but to a foreign excitement - e.g. B. by putting on a pig towards an accessible end of an otherwise hidden, decommissioned line or a targeted detonation in the too investigating soil area - due to their difference geometry and mechanical properties with one different, characteristic frequency "response" speak to.

Die Anwendung der Erfindung ist nicht an die im beschrie benen Ausführungsbeispiel genannten Frequenzen, Impulsdau ern und sonstigen Einzelheiten gebunden, sondern im Zusam menhang mit einer Vielzahl bekannter Radar-Untergrundun tersuchungsverfahren, insbesondere im gesamten Frequenzbe reich von ca. 100 MHz bis über 10 GHz, mit Impulsdauern von einigen Zehntel bis zu einigen zehn Nanosekunden, ei ner Impuls folge von einigen zehn bis einigen hundert Hertz, Impulsleistungen von ca. 1 bis 100 MW und auch im cw-Sendebetrieb möglich.The application of the invention is not described in the frequencies mentioned embodiment, pulse duration bound and other details, but together with a variety of well-known radar underground investigation procedures, especially in the entire frequency spectrum ranging from approx. 100 MHz to over 10 GHz, with pulse durations from a few tenths to a few tens of nanoseconds, ei A pulse follows from a few tens to a few hundred Hertz, pulse powers from approx. 1 to 100 MW and also in cw transmission possible.

In Fig. 5 ist eine für einen solchen Betrieb geeignete Nachweisvorrichtung in einer Prinzipskizze dargestellt, wobei gleiche Bezugsziffern wie in Fig. 1 auch gleiche Baugruppen bezeichnen und die Beschreibung von deren Funk tion an dieser Stelle nicht wiederholt wird.In Fig. 5 a suitable for such an operation detection device is shown in a schematic diagram, the same reference numerals as in Fig. 1 also denote the same modules and the description of their function is not repeated here.

Im Unterschied zur ersten Ausführungsform sind Sende- und Empfangseinrichtung 1a und 1b hier räumlich getrennt und verfügen über getrennte Antennen 3a und 3b sowie über eine zusätzliche Antennensteuerung 3c, die eine elektrische Verstellung des Abstrahlwinkels der Sendeantenne 3a und des Winkels der Empfangs-Richtkeule der Empfangsantenne 3b bezüglich der Bodenoberfläche in vorgegebenen Abtast schritten bewerkstelligt.In contrast to the first embodiment, the transmitting and receiving devices 1 a and 1 b are spatially separated here and have separate antennas 3 a and 3 b as well as an additional antenna control 3 c which electrically adjust the radiation angle of the transmitting antenna 3 a and the angle of the Receiving directional lobe of the receiving antenna 3 b accomplished with respect to the floor surface in predetermined scanning steps.

Die von den Objekten 5 und 6 im Untergrund reflektierten und über die Empfangsantenne 3b empfangenen Mikrowellen werden hinsichtlich ihrer Frequenzanalyse analog zur er sten Ausführungsform verarbeitet.The microwaves reflected by the objects 5 and 6 in the background and received via the receiving antenna 3 b are processed with respect to their frequency analysis analogously to the first embodiment.

Die Vorrichtung nach dieser Ausführungsform ermöglicht ei ne hohe Tiefenauflösung und eine effiziente "dynamische" Kartierung größerer Areale sowie kontinuierlichen Betrieb, was die Frequenzanalyse des Empfangssignals erleichtern kann.The device according to this embodiment enables egg ne high depth resolution and efficient "dynamic" Mapping of larger areas and continuous operation, which facilitate the frequency analysis of the received signal can.

Claims

1.Procedure for the detection of an inanimate object with dynamic properties in the ground by evaluating at least individual frequency values of the frequency spectrum from the surface and microwave radiation reflected by the structure, characterized by the evaluation of parts of the frequency spectrum which are associated with moving structures as a result of this mechanical vibration processes - and the resulting temporal change in the distribution of volume elements with different dielectric constants ε within the structure to be verified - of the received microwave radiation.

2. The method according to claim 1, characterized ge indicates that the microwave beam imprinted frequency spectrum the natural vibration spectrum of natural movements within the Has structure.

3. The method according to claim 1, characterized ge indicates that the microwave beam imprinted frequency spectrum the vibration response the structure to an artificial mechanical excitation poses.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, because characterized in that the micro wave radiation continuously with a predetermined Frequency is radiated into the ground.

5. The method according to any one of claims 1 to 3, because characterized in that the micro wave radiation radiated into the ground in pulses becomes.

6. The method according to any one of claims 3 to 5, there characterized in that the artificial che mechanical excitation of the structure by applying a continuous vibration of predetermined frequency to the Structure takes place.

7. The method according to any one of claims 3 to 5, because characterized in that the artificial che mechanical excitation of the structure by generating egg mechanical vibration pulse at or near the structure takes place.

8. The method according to any one of claims 2, 4 or 5, characterized by the application on the location of structures, their natural vibration spectrum from turbulent parts of flow processes in one the structure forming or contained in gaseous form gene, liquid or semi-liquid medium results.

9. The method according to any one of claims 1 to 7, ge characterized by the application to the Location of underground water courses.

10. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized by the application on the detection of liquid, especially non-metallic water or sewage pipes.

11. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized by the application on the location of magma flows in volcanic areas.

12. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized by the application on Structures whose mechanical vibrations have natural frequencies have in the range of 0.1 to 100 Hz.

13. The method according to any one of claims 1 to 7, there characterized in that the micro wave radiation a frequency in the range of 0.8 to 1.6 GHz.

14. The method according to any one of claims 5 to 7, because characterized in that the micro wave radiation pulse-like with a pulse duration in the Order of magnitude of 1 ns and with a pulse power in the loading is irradiated from 1 to 100 MW.

15. The method according to any one of claims 1 to 7, 13 or 14, characterized in that the Evaluation of the reflected microwave radiation Step of the fast Fourier transform with respect to mo has dulated signal components.

16. The method according to any one of claims 1 to 7 or 13 to 15, characterized in that the evaluation of the reflected microwave radiation ei a step of correlation analysis with respect to modulated Has signal components.

17. The method according to any one of claims 1 to 7 or 14 to 16, characterized in that the evaluation with regard to a modulated frequency spectrum in the same process with the spatially resolved Er different structures in one Space is under the floor area.

18. Device for carrying out the method according to one of claims 1 to 17, with a microwave transmitter / receiver ( 1 ; 1 a, 1 b) for generating and a radiation of the microwaves and for receiving and processing a reflection signal and one Display device ( 8 ) for outputting the verification result, characterized by

- A first signal processing device ( 103 to 119 ) provided in the microwave transmitting / receiving device ( 1 ; 1 a, 1 b), which has a compensation loop ( 103 to 109 ) for compensating an unmodulated received signal component and a control loop ( 910 to 918 ) for amplitude control of a modulated received signal portion, and
- One of the microwave transmitting / receiving device ( 1 ; 1 a, 1 b) downstream second signal processing device ( 7 ), which further processes the microwave signal processed by the first signal processing device ( 103 to 119 ) by performing a frequency and / or correlation analysis.

19. The apparatus according to claim 17, characterized in that the second signal conditioning device ( 7 ) has a processing unit ( 701 ) for performing a fast Fourier transformation with respect to the modulated portion of the received signal.

20. The apparatus according to claim 18 or 19, characterized in that the second Signalaufbe preparation device ( 7 ) means ( 700 , 702 , 703 , 705 , 706 ) for selective signal accumulation of a plurality of received signals taken together for the purpose of improving the signal-to-noise ratio having.

21. The device according to one of claims 18 to 20, characterized in that the first signal conditioning device a generator ( 110 ) for generating a modulation voltage, a module ( 113 to 117 ) for amplifying, demodulating and filtering the modulated portion of the received signal downstream au tomatic Gain control ( 118 ), an adder ( 111 ) for mixing the output signals of the generator ( 110 ) and the gain control ( 118 ) and one of the modules ( 113 to 117 ) for amplification, demodulation and filtering upstream modulator ( 112 ) for additional Mo dulation of the modulated portion of the received signal with the output signal of the adder ( 111 ).

22. Detection device according to claim 20 or 21, characterized in that the Einrich device for signal accumulation, a storage device ( 702 ) for storing successively recorded, prepared ter measurement signals, a calibration signal generator ( 705 ) for supplying a with respect to the signal-to-noise ratio as normal serving, previously stored signal, an adder ( 706 ) for accumulating successively recorded measurement signals stored in the second storage device ( 702 ), a second comparator unit ( 703 ) for comparing a processed measurement signal or an output signal of the adder ( 706 ) with the calibration signal and a controller ( 700 ) for controlling the interaction of the second storage device ( 702 ), the calibration signal generator ( 705 ), the adder ( 706 ) and the second comparator unit ( 703 ) and the microwave transmission / reception device ( 1 ; 1 a, 1 b).

23. The device according to one of claims 18 to 22, characterized in that the micro wave transmitting / receiving device ( 1 ; 1 a, 1 b) is designed for a frequency in the range from 0.8 to 1.6 GHz.

24. The device according to one of claims 18 to 23, characterized in that the micro wave transmitting / receiving device ( 1 ; 1 a, 1 b) is designed for continuous operation.

25. The device according to one of claims 18 to 23, characterized in that the micro wave transmitting / receiving device ( 1 ; 1 a, 1 b) for pulse operation with a pulse duration in the order of 1 ns and a pulse power in the range 1 to 1000 MW is designed.

26. Device according to one of claims 18 to 25, characterized in that the antenna ( 3 ; 3 a, 3 b) of the microwave transmitter / receiver device ( 1 ; 1 a, 1 b) has a pronounced directional characteristic and can be pivoted in steps is.

27. The apparatus according to claim 26, characterized in that a controller ( 1 c) for gradually pivoting the radiation direction of the antennas ( 3 a, 3 b) is provided.

28. Device according to one of claims 18 to 26, characterized by a position determination device ( 9 ) and a memory ( 10 ) for storing the position data obtained for individual positions of the antenna ( 3 ; 3 a, 3 b) together with proven structures the associated frequency spectra as a spatial image of an area under the floor.