Vorrichtung und Verfahren zur übertragung von Information in festen Medien

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur übertragung von Information in festen Medien der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung sowie ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 23.

Information wird auf unterschiedliche Weise übertragen, wobei berücksichtigt wird, ob die Informationsübertragung durch ein gasförmiges, flüssiges oder festes Medium erfolgen soll. In gasförmigen Medien wird Information häufig durch elektromagnetische Funkwellen übertragen. Die Informationsübertragung mittels Funkwellen in festen Medien ist wegen der hohen Dämpfung dieser Wellen meistens gar nicht oder allenfalls nur sehr eingeschränkt möglich. In festen Medien erfolgt daher die Informationsübertragung in der Regel durch elektrische oder optische Leiter.

Aus dem Tierreich ist bekannt, dass z. B. Klopfkäfer (Anobiidae, Nagekäfer) mittels akustischen Signalen, d. h. seismischen Oberflächenwellen (Raleighwellen) miteinander kommunizieren. Aus dem Bergbau ist bekannt, dass im Rahmen der Entwicklung von Rettungsverfahren die akustisch induzierte Ortung untersucht wurde,- dieses sich jedoch als sehr schwierig herausstellt, da die übertragungsfunktion des Erdreiches mit rezent eingestürzten Hohlräumen die Signale stark verfremdet.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur übertragung von Information in festen

Medien der gattungsgemäßen Art zu schaffen, mit der die Informationsübertragung verbessert wird. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur übertragung von Information in festen Medien der eingangs genannten Art anzugeben, das einfach und funktionssicher ist.

Diese Aufgaben werden durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 23 gelöst. In diesem Zusammenhang sind mechanische Wellen die mechanischen Schwingungen und Wellen eines elastischen Mediums, die auch als Schallwellen bezeichnet werden.

Wesentlich sind dabei eine Kopplung einer Quelle bzw. eines Senders an das feste Medium, die Transmission des Signals durch den Festkörper sowie dessen Empfang und Identifikation. Die Transmission von elastischen Wellen durch feste Medien, deren Struktur, Beschaffenheit, Eigenschaften und Zustand bekannt sind, kann dadurch quantifiziert werden, dass eine übertragungsfunktion für das feste Medium ermittelt wird. Bei geologischen Formationen ist das feste Medium meist nicht bekannt, es sind daher übertragungsfunktionen zu ermitteln oder Kalibrierungsversuche durchzuführen sowie die Signale eindeutig zu identifizieren .

Durch die vorliegende Erfindung kanne Information mit Hilfe von mechanischen Wellen vollständig oder teilweise innerhalb fester Medien wie beispielsweise durch das Erdreich, durch Gesteinsschichten, durch unterirdische Bauwerke und Lagerstätten, Staudämme, Tunnel und Gebäude übertragen werden. Dabei bedeutet "vollständig", dass die übertragung der

Information ausschließlich durch feste Medien als sogenannter Körperschall erfolgt und "teilweise" bedeutet, dass die Informationsübertragung z. T. auch durch flüssige Medien oder gasförmige Medien wie z. B. Wasser oder Luft stattfindet .

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst ein Ablaufsteuerungsmodul einen programmierbaren Micro-Controller, der mit Hilfe der Software die Ablaufsteuerung vornimmt und Speicherschaltungen enthält. Außerdem ist es vorteilhaft, dass das Ablaufsteuerungsmodul einen Speicher umfasst, in dem eine Ident- nummer abgelegt ist, die die Identität des jeweiligen Kommunikationsknotens abbildet. Ferner ist das Ablaufsteuerungsmodul zweckmäßigerweise mit mindestens je einem Eingang und Ausgang versehen, um entsprechende Informationen für die Ablaufsteuerung einzugeben bzw. von dieser auszugeben. Damit sowohl analoge als auch digitale Daten verarbeitet werden können, weist das Ablaufsteuerungsmodul einen Analog/Digital -Wandler auf. Es ist außerdem von Vorteil, dass das Ablaufsteuerungsmodul einen Timer zur Steuerung eines zeitlichen Ablaufs umfasst, durch den in Aktivitätspausen des Kommunikationsknotens ein besonders geringer Energiebedarf einstellbar ist. Dies ist insbesondere bei Kommunikationsknoten von Bedeutung, die mit begrenzten Energieressourcen betrieben werden.

Gemäß einer Ausführungsform der Vorrichtung ist der Kommunikationsknoten mit einer Anschlussvorrichtung für eine Zuleitung von elektrischer Energie, z. B. durch ein Versorgungsnetz, versehen. Alternativ dazu sieht eine vorteilhafte Ausführung vor, dass der Kommunikationsknoten mit

einer lokalen elektrischen Energiequelle ausgestattet ist, wobei diese ein Speicher ist. Hierfür kommen Akkus, Batterien sowie auch andere elektrochemische Speicher in Betracht, ebenso nukleare oder kapazitive Speicher. In einer weiteren alternativen Ausführung weist der Kommunikationsknoten einen Energiewandler auf, der verfügbare Umgebungsenergie in elektrische Energie umsetzt. Dabei kann es sich beispielsweise um thermische Energie, Vibrationen, Strömungen von Wasser oder Gas oder radioaktive Strahlung handeln.

Als Wandler des elektrischen Informationsflusses in mechanische Wellen kommen Schallwandler in Betracht, die nach dem elektromagnetischen, elektrostatischen, magnetostriktiven oder piezoelektrischen Prinzip arbeiten. Vorteilhaft ist auch, dass die Sendeeinrichtung und/oder Empfangseinrichtung einen elektronischen Verstärker um- fasst . In der Sendeeinrichtung bewirkt dieser Verstärker eine Leistungsverstärkung des von der Ablaufsteuerung herausgegebenen Informationsflusses und eine Impedanzanpassung an einen elektroakustischen Wandler. Die zu trans- mittierende Information wird kodiert, z. B. analog dem Morseprinzip. Die Signalform ist entweder im Frequenzbereich oder bezüglich der zeitlichen Länge bekannt. Wichtig ist eine gute Ankopplung, um das Signal/Stör-Verhältnis zu optimieren.

Zweckmäßigerweise weist die Sendeeinrichtung und/oder Empfangseinrichtung Filter auf, beispielsweise Korrelationsfilter oder Bandpassfilter. Angepasste Filter können eine Korrelation von Sende- und Empfangssignal realisieren und auf diese Weise akustische Störungen und

hohe Dämpfungen bekämpfen. Mittels Bandpassfiltern in der Empfangseinrichtung wird die Qualität der Signalerkennung verbessert . Dabei ist auch auf die Umgebungsgeräusche zu achten, beispielsweise von Fahrzeugen, Maschinen oder durch geologische Aktivitäten ausgelöst, welche einen störenden Einfluss haben können. Diese störenden Signale werden mit den genannten Filtern unterdrückt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der Kommunikationsknoten eine Schnittstelle zum Anschluss eines drahtgebundenen Bussystems auf. Dies ist von Bedeutung für sogenannte Endknoten, die an der Grenze zu anderen Medien, z. B. Wasser oder Luft oder nahe der Grenze angeordnet werden. Ebenso ist es von Vorteil, dass solche Endknoten über Komponenten zur Funkkommunikation verfügen, damit die Daten per Funkwellen übertragen werden können.

Außerdem ist es zweckmäßig, den Kommunikationsknoten mit mindestens einem Sensor zu versehen, wobei mehrere Sensoren die Möglichkeit bieten, unterschiedliche Parameter zu erfassen. Hierbei kann es sich um Umgebungsparameter wie Temperatur, Druckkräfte oder Position, oder um Parameter des Kommunikationsknotens selbst wie z. B. Energiestatus oder Innentemperatur handeln. Diese Information kann mittels der mechanischen Wellen übertragen und gegebenenfalls von Endknoten aus auch per Funkwellen weitergeleitet werden. In weiterer Ausgestaltung ist mindestens ein Aktor, vorzugsweise mehrere Aktoren vorgesehen, die direkt oder indirekt an die Kommunikationsknoten angeschlossen sind. Selbsttätig oder in Abhängigkeit von ausgetauschter Information können die Kommunikationsknoten diese Aktoren

steuern. Beispiele für solche Aktoren sind Ventile, Schalter, Relais, Motoren etc..

Vorteilhaft ist die Vernetzung mehrer Kommunikationsknoten zu Netzwerken, welche die Information über mehrere Stationen durchreichen können, wodurch höhere Reichweiten erzielt werden. Weiterhin können redundante Informationspfade realisiert werden, was zu einer höheren übertragungssicherheit führt. Schließlich ist eine räumliche oder flächige überwachung ausgedehnter Strukturen auf diese Weise möglich, woraus ebenfalls eine erhöhte Redundanz und Sicherheit der Informationsgewinnung resultiert. Vorteilhaft ist insbesondere eine Einrichtung selbst organisierender Netze, bei denen der Informationsfluss nicht fest vorgegeben wird, sondern nach den jeweiligen Ausbreitungsbedingungen von den Kommunikationsknoten ermittelt wird. Optimale Kommunikationspfade können auch dynamisch verwaltet werden, das heißt, sie werden regelmäßig überprüft und gegebenenfalls neu erstellt. Dies ist bei sich ändernden Umgebungsbedingungen, z. B. Verschiebungen, Einfluss von wechselnden Wasserständen etc. und auch bei Ausfall einzelner Kommunikationsknoten im Netz vorteilhaft.

Die Signalübertragung beim erfindungsgemäßen Verfahren ist eine Transmission und Identifikation von Signalen durch Fels, andere feste oder zum Teil feste Medien. Durch die elastischen Eigenschaften des Mediums wird das Signal während dessen Wellenausbreitung gestreut, gedämpft etc.. Dies kann mit einer durch Versuche ermittelten übertragungsfunktion des Mediums beschrieben und rechnerisch kompensiert werden.

Eine zusätzliche Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses kann durch das in der Seismik gängige Verfahren der Stapelung erreichen, d. h. die erwarteten Signale werden mehrfach empfangen und übereinander gelegt. Dabei besteht die Möglichkeit, mehrere Empfänger vorzusehen, -was bezüglich der Stromversorgung unproblematischer ist. Zusätzlich können Verarbeitungstechniken für multiple Empfänger angewandt werden. Alternativ oder zusätzlich zur Ausführung mit mehreren Empfängern besteht weiter die Möglichkeit, das Signal mehrfach zu senden, wodurch temporäres Rauschen zerstapelt wird.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Ablaufsteuerung der Betriebszustände des Kommunikationsknotens wie Sendebetrieb, Empfangsbetrieb, Messwerterhebung, Timerstatus, Bereitschaft etc. mit Hilfe eines Ablaufsteuerungsmoduls, das zweckmäßigerweise einen programmierbaren Micro-Controller umfasst . In der Sendeeinrichtung wird mit Hilfe eines Wandlers elektrische Information in mechnische Wellen gewandelt und mit Hilfe eines Senders in das feste Medium eingekoppelt. Hierzu ist ein mechanischer Kontakt des Senders mit dem festen Medium erforderlich.

Weiter ist es von Vorteil, wenn die Kommunikation zwischen Kommunikationsknoten dadurch erfolgt, dass Information auf die als Trägerwelle dienende mechnische Welle aufmoduliert wird. Dazu werden im Sender die Amplitude oder die Frequenz oder die Phase oder eine Mischform daraus im Takt des Informationsstroms beeinflusst . Dabei sind sowohl digitale als auch analoge Modulationsverfahren möglich. Außerdem ist es zweckmäßig, dass in der Empfangseinrichtung mit Hilfe

eines Demodulators ein auf einer Trägewelle aufmodulierter Informationsstrom abgetrennt und in einen digitalen oder analogen Datenstrom gewandelt wird.

Eine einfache Form Information aufzumodulieren ist bei Verwendung eines Morsekodes gegeben. Dies ist vorteilhaft, weil ein Morsekode einfach zu kodieren und dekodieren ist. Dabei ist die Verwendung von Frequenz- oder Amplituden- modulierung möglich. Als einfache Form der Amplituden- modulierung braucht nur ein Puls ausgesendet und empfangen zu werden. Sind die Zeitabstände zwischen den Pulsen lange genug gewählt, werden Probleme mit Kodephasen (Konversionen, Reflexionen usw.) vermieden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert . In der Zeichnung zeigt :

Fig. 1 in schematischer Darstellung den Aufbau eines Kommunikationsknotens,

Fig. 2 ein Flussdiagramm zur Energieerzeugung,

Fig. 3 in schematischer Darstellung die Komponenten eines Ablaufsteuerungsmoduls,

Fig. 4 einen Sender im mechanischen Kontakt mit einem festen Medium,

Fig. 5 einen Empfänger im mechanischen Kontakt mit einem festen Medium,

Fig. 6 Sensoren in der Umgebung des Kommunikationsknotens,

Fig. 7 Aktoren in der Umgebung des Kommunikationsknotens,

Fig. 8 ein aus mehreren Kommunikationsknoten gebildetes Netzwerk.

In Fig. 1 ist der Aufbau eines Kommunikationsknotens 1 gezeigt, der eine Sendeeinrichtung 2, eine Empfangseinrichtung 3 und ein Ablaufsteuerungsmodul 4 umfasst . Ferner sind Sensoren 5 und Aktoren 6 vorgesehen, die auch in der Umgebung des Kommunikationsknotens 1 angeordnet sein können. Zum Kommunikationsknoten 1 gehört auch eine Energiequelle 7, die je nach der geplanten Positionierung des Kommunikationsknotens 1 unterschiedlich sein kann. So ist es beispielsweise möglich, den Kommunikationsknoten 1 mit einer Anschlussvorrichtung für eine Zuleitung von elektrischer Energie zu versehen, so dass die Energie aus einem Versorgungsnetz bezogen werden kann. Alternativ dazu sind auch lokale elektrische Energiequellen möglich, wobei eine solche Energiequelle ein Speicher ist. Hierfür kommen Akkus, Batterien sowie auch andere elektrochemische Speicher in Betracht, ebenso nukleare oder kapazitive Speicher. Eine weitere Alternative besteht darin, dass der Kommunikationsknoten einen Energiewandler aufweist, der verfügbare Umgebungsenergie in elektrische Energie umsetzt. Dabei kann es sich beispielsweise um thermische Energie, Vibrationen, Strömungen von Wasser oder Gas oder radioaktive Strahlung handeln. Sofern kurzzeitig ein hoher Leistungsbedarf zu erwarten ist oder für den Fall, dass Phasen mit geringer oder fehlender Umgebungsenergie auftreten, können zusätzliche Speicher, z. B. Kondensatoren

oder Akkumulatoren vorgesehen sein, um die Versorgung der Kommunikationsknoten sicherzustellen .

Die Fig. 2 zeigt ein Flussdiagramm zur Energieerzeugung. Das Bezugszeichen 10 bezeichnet die Energiequelle, die mit einem Wandler 11 zur Umsetzung in elektrische Energie verbunden ist. Die elektrische Energie wird einem elektrischen Speicher 12 zugeführt, der auch als Puffer dient, um Schwankungen der eingespeisten Energie auszugleichen. Aus dem Speicher 12 wird die elektrische Energie einem Spannungswandler 13 zugeführt, nach welchem dann eine konstante Versorgungsspannung 14 zur Verfügung steht .

In Fig. 3 sind die Komponenten des Ablaufsteuerungsmoduls 4 gezeigt, das Eingänge 8 und Ausgänge 9 umfasst . Zur Ablaufsteuerung dient ein Micro-Controller 15 mit einem Speicher 16 und einer Software 17. Außerdem ist ein Timer 18 vorgesehen, durch den in Aktivitätspausen des Kommunikationsknotens ein besonders geringer Energiebedarf einstellbar ist. Ferner umfasst das Ablaufsteuerungsmodul 4 einen Analog/Digital -Wandler 19, so dass sowohl analoge als auch digitale Daten verarbeitet werden können.

Die Fig. 4 zeigt einen Sender 20, der Bestandteil der in Fig. 1 genannten Sendeeinheit 2 ist, im mechanischen Kontakt mit einem festen Medium 21. Der Sender 20 umfasst einen elektroakustischen Wandler, dem ein Leistungsverstärker 22 zugeordnet ist, der eine Leistungsverstärkung des von der Ablaufsteuerung herausgegebenen Informationsflusses und eine Impedanzanpassung an den elektro-

akustischen Wandler bewirkt. Im Sender 20 wird den mechanischen Wellen eine Information aufmoduliert , z. B. mittels Amplitudenmodulation mit der morsekodierten Information.

Die Fig. 5 zeigt einen Empfänger 23, der Bestandteil der in Fig. 1 genannten Empfangseinrichtung 3 ist und im mechanischen Kontakt mit dem festen Medium 21 steht. Der Empfänger 23 umfasst einen elektroakustischen Wandler. Im Ausführungsbeispiel sind ein Verstärker 24 und Filter 25 vorgesehen, wobei der Filter das Signal/Rauschverhältnis verbessert . Dies kann zur Erzielung hoher Reichweiten sinnvoll sein, wie auch zur überwindung akustischer Störungen. Ferner ist ein Demodulator 26 vorhanden, durch den ein auf einer Trägerwelle aufmodulierter Informationsstrom abgetrennt und in einen Datenstrom gewandelt wird.

Außerdem ist in Fig. 5 noch eine Weckeinrichtung 27 vorgesehen, die zur Abgabe von Weckrufen geeignet ist. Diese Weckrufe sind bestimmte Signale, welche einen Kommunikationsknoten aus einem besonders stromsparenden Modus in volle Empfangs- oder Betriebsbereitschaft versetzen. Diese Signale sind ausschließlich für die übermittlung eines einzigen oder weniger Weckbefehle geeignet . Sinn dieser Einrichtung ist es, die Kommunikationsknoten zumeist in einem energiesparenden Modus zu halten und nur bei Bedarf zu aktivieren. Eine Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses kann durch den Zusammenschluss mehrerer Empfänger zu einem Array erreicht werden. Auch hier ist eine gute Ankopplung an das feste Medium wichtig, um das Signal/Rausch-Verhältnis zu optimieren, wobei die

übertragungsfunktion des Empfängers bekannt ist . Hierfür kommt die beispielsweise als Micro-Electrical-Mechanical- System bekannte Technik in Betracht .

Die Empfangs- und Sendeeinrichtungen können in einem Gerät zusammengefasst sein. Es ist auch möglich, Kommunikations- knoten so auszubilden, dass sie unidirektional arbeiten, wobei sie in diesem Fall nur einen Sender oder einen Empfänger aufweisen müssen. Alternativ dazu können die Kommunikationsknoten so ausgebildet sein, dass sie bidirektional arbeiten, wozu sie jedoch einen Sender und einen Empfänger benötigen.

Die Fig. 6 zeigt Sensoren 28, die im festen Medium 21 in einer Umgebung des Kommunikationsknotens angeordnet sind. Die Sensoren 28 sind jeweils mit Eingängen 29 des in Fig. 3 angegebenen Analog/Digital -Wandlers 19 verbunden und somit an das Ablaufsteuerungsmodul 4 geschaltet . Diese Sensoren 28 in der Umgebung des Kommunikationsknotens sind zur Erfassung von Umgebungsparametern vorgesehen, beispielsweise mechanische Spannungen, Temperatur, Vibrationen, radioaktive Strahlung, Verschiebungen, Wassergehalt, Strömungsgeschwindigkeiten etc.. Die Anzahl der Sensoren 28 kann nach den zu erfassenden Parametern bestimmt werden.

In Fig. 7 sind Aktoren 30 gezeigt, die im festen Medium 21 in der Umgebung des Kommunikationsknotens angeordnet sind und direkt oder indirekt an Ausgänge 31 des Ablaufsteuerungsmoduls 4 bzw. des Kommunikationsknotens ange-

schlössen werden können. Als Aktoren kommen beispielsweise Ventile, Schalter, Relais und Motoren in Betracht.

Die Fig. 8 zeigt ein Netzwerk, das aus einer Vielzahl von Kommunikationsknoten 1 in dem festen Medium 21 sowie außerhalb des festen Mediums befindlicher Kommunikationsknoten

32 besteht. Der Bereich des festen Mediums ist mit UI und der darüber liegende Bereich mit OI bezeichnet. Der Bereich OI ist oberirdisch, so dass am übergang vom festen Medium 21 zum oberirdischen Medium "Luft" eine Grenze gebildet ist, an der ein als Endknoten 33 ausgebildeter Kommunikationsknoten angeordnet ist. Dieser Endknoten 33 ist zusätzlich mit einem Anschluss eines drahtgebundenen Bussystems 34 versehen und mit Komponenten zur Funkkommunikation oder optischen Kommunikation mit den Kommunikationsknoten 32 ausgestattet.

Vorteilhafterweise sind die Kommunikationsknoten 1, 33 so ausgelegt, dass ein breitbandiger Bereich von Schwingungs- frequenzen abgestrahlt und empfangen werden kann. Diese Breitbandigkeit erlaubt für verschiedene Umgebungsmedien wie Sand, Beton, Wasser, Lehm etc. eine Optimierung der übertragung. Vorzugsweise sind die Kommunikationsknoten 1,

33 in der Lage, die optimalen übertragungsfenster selbstständig zu ermitteln und untereinander abzustimmen. Die Möglichkeit der breitbandigen Informationsübermittlung stellt auch die Basis für zahlreiche Verfahren dar, mit denen Eigenschaften des übertragungsverfahrens optimiert werden können. Beispiele für breitbandige Verfahren sind Korrelationsverfahren sowie die Pulskompression oder das Aussenden von Frequenzhüben, welche dann im Empfänger bei

Anwendung passender Verarbeitungsverfahren zu einer Verbesserung des Signal/Rauschabstandes und damit zu mehr übertragungssicherheit und höheren Reichweiten führen.

Vorzugsweise ist der Betrieb der Kommunikationsknoten zyklisch, so dass sich kurze Phasen der Aktivität wie Senden, Daten erheben, Empfangen durch lange Phasen der Ruhe abwechseln. Der Wechsel von Ruhephasen zu aktiven Phasen kann durch den Timer gesteuert erfolgen, wobei in Netzwerken zeitsynchrone Abläufe erforderlich sein können. Vorteilhaft sind auch asynchrone Verfahren, insbesondere nach folgender Maßgabe :

Mindestens ein Kommunikationsknoten ist permanent empfangsbereit und zeichnet alle eintreffenden Signale auf, alle anderen Kommunikationsknoten werden asynchron aktiv und kommunizieren dann jeweils mit dem immer aktiven Kommunikationsknoten.

Vorzugsweise wird eine Anzahl der Kommunikationsknoten genau dort platziert, wo in festen Medien wiederholt Informationen erhoben werden müssen. Beispiele hierfür sind:

überwachung und Zustandsmessung von Bauwerken wie Brücken, Häuser, Staudämme, Tunnel usw. auf Betriebs - Parameter wie Belastung, Verkehrsfluss, Verfügbarkeit etc. sowie auf Veränderungen im laufenden Betrieb sowie

vor und nach Katastrophen, wie beispielsweise Erdbeben oder terroristische Anschläge.

überwachung von künstlichen Lagerstätten wie z. B. radioaktiven Endlagern.

überwachung natürlicher Ressourcen, z. B. Wasser, Erdöl, Erdgas, Methanvorkommen am Meeresgrund.

überwachung von geologischen Formationen, z. B. zur Erdbebenvorhersage .

überwachung von Land und Wasser auf menschliche Aktivitäten, welche durch Schall oder andere Messgrößen registrierbar sind, z. B. Fahrzeuge, Truppenbewegungen, Schiffe usw..

überwachung von Pipelines oder Kabeln im Erdreich.