"Anlage zur Exploration des Untergrundes mit Hilfe Transienter elektromagnetischer Messungen"

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Exploration des Untergrundes mit Hilfe Transienter elektroma¬ gnetischer Messungen gemäß dem Oberbegriff des An¬ spruches 1.

Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Datenerfassung Transienter elektromagnetischer Sig¬ nale, die durch Einspeisung über einen geerdeten Dipol in dem zu explorierenden Untergrund erzeugt werden.

Wenn derartige Signale einen brauchbaren Aufschluß über den Aufbau des Untergrundes liefern sollen, müssen einerseits die stets vorhandenen Störquellen an einer Verfälschung der Signale gehindert werden, wobei vor allem Wechselströme und Radiosignale die Meßergebnisse stören können. Andererseits ist es notwendig, mehrere voneinander entfernte Meßstellen einzurichten. Die sprunghaften Änderungen des Sen¬ destromes diffundieren als Transiente in den Unter¬ grund und erzeugen dort sich ausbreitende Indukti¬ onsströme. Die Aufnahmeeinheiten enthalten Meßstel¬ len, die jeweils verschiedene Komponenten der elek¬ trischen und magnetischen Felder vermessen, die von den Induktionsströmen herrühren.

Die Erfindung geht von einer vorbekannten Anlage dieser Art aus. In dieser Anlage werden die als Meßdaten bearbeitet mit dem Ziel, ein möglichst günstiges Verhältnis von Meßdaten und Stördaten zu

erreichen. Das setzt in der bekannten Anlage die Weitergabe der Meßdaten und den Aufnahmeeinheiten zu einer Zentraleinheit in der ursprünglichen Form der Daten voraus. Dies erfordert eine Übermittlung der Meßdaten auf einzelnen Kanälen und deren Digi¬ talisierung in der Zentraleinheit. Da man maximal lediglich acht Kanäle einrichten kann, ist dadurch die Anzahl der Aufnahmeeinheiten beschränkt (US- PSen 37 37 768, 43 47 821, 45 35 293). Da die Über¬ tragungsleitungen von den Aufnahmeeinheiten zur Zentraleinheit je nach den Erfordernissen des Ein¬ zelfalles bis zu 8 km lang sind, lassen sich Ein¬ streuungen von Störsignalen nicht vermeiden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine An¬ lage des eingangs beschriebenen allgemeinen Aufbaus leistungsfähiger zu machen, wobei insbesondere Störsignale weitgehend ausgeschaltet werden sollen.

Diese Aufgabe löst die Erfindung mit den Merkmalen des Anspruches 1. Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß der Erfindung werden die von den Meßstellen über Sensoren gewonnenen analogen Meßwerte unmit¬ telbar in der zugeordneten Aufnahmeeinheit digita¬ lisiert, wodurch der Übertragungsweg zwischen den die Meßwerte aufnehmenden Sensoren und dem Digita¬ lisierer sehr kurz gehalten werden können. Die Übertragung der digitalisierten Signale erfolgt über lediglich eine telemetrische Verbindung (Lei¬ tung), wodurch die Zahl der Aufnahmeeinheiten prak¬ tisch beliebig vergrößert werden kann. Ein besonde¬ rer Vorteil der Erfindung besteht dabei darin, daß der Frequenzbereich von 0,01 bis 0,3 kHz keiner prinzipiellen Einschränkung durch eine Kanalzahl

unterliegt. Die erfindungsgemäße Anlage kann des¬ halb bei weit voneinander entfernten Meßstellen Messungen in einem elektrisch stark gestörten Ge¬ biet ohne Qualitätsverlust ermöglichen.

Zweckmäßig werden die an den Aufnahmestellen ge¬ speicherten und digitalisierten Signale einzeln ab¬ gerufen und über die telemetrische Digitalverbin¬ dung an die Zentrale weitergegeben. Das ermöglichen die Merkmale des Anspruches 2. Diese Ausführungs¬ form der Erfindung gestattet es, bedarfsweise oder in vorgegebener zeitlicher Reihenfolge die Daten¬ blöcke abzurufen und in den Datenspeicher der Zen¬ traleinheit zu übernehmen. Danach kann dann eine Interpretation der gespeicherten Signale erfolgen, nach der eine quantitative Abschätzung der Vertei¬ lung der elektrischen Widerstände im Untergrund möglich ist, wobei der explorierte Tiefenbereich zwischen einigen Metern und einigen Kilometern lie¬ gen kann.

Die Bearbeitung der Analogsignale in der Aufnahme¬ einheit ist keine Voraussetzung der Erfindung , kann jedoch gemäß dem Anspruch 3 erfolgen, falls der Einzelfall dies erfordert oder der Benutzer der Anlage dies verlangt. Insbesondere erfolgt in die¬ sen Fällen die Bearbeitung gemäß den Mer alen des Anspruches 4, um einen verfälschenden Gang der Mes¬ sungen zu verhindern. Da man die an den Meßstellen empfangenen Komponenten der von den Induktionsströ¬ men herrührenden elektrischen und magnetischen Fel¬ der nutzt, werden meistens die Vertikalkomponente des magnetischen Feldes oder ihre zeitliche Ablei¬ tung, sowie außerdem eine oder mehrere Komponenten des elektrischen Feldes gemessen. Dies erlaubt mit Hilfe der Maxwell-Gleichungen eine Interpretation,

welche zu der oben beschriebenen quantitativen Ab¬ schätzung der elektrischen Widerstände im Unter¬ grund führt.

Die Erfindung ermöglicht ferner die Überwachung und Kontrolle der Aufnahmeeinheiten, d.h. ihrer elek¬ tronischen Analog-Komponenten auf einfache Weise gemäß dem Anspruch 5.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Aus- führungsbeispieles weiter beschrieben, das in der Zeichnung dargestellt ist. Es zeigen

Fig. 1 eine typische Feldanordnung der Meßanlage, wobei jedoch lediglich zwei Aufnahmeeinhei- ten zur Messung elektromagnetischer Tran- sienten gezeichnet sind,

Fig. 2 Signalformen des Sendestroms und der dazuge¬ hörigen empfangenen Transienten, nämlich E für elektrisches Feld und H für magnetisches Feld des Transienten,

Fig. 3 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Erfassungsanlage,

Fig. 4 ein Blockschaltbild des Analogteils der Auf- nahmeeinheit (RU ) und

Fig. 5 ein Blockschaltbild des Digitalteils einer Aufnahmeeinheit (RU).

Aus der Fig. 1 geht das Prinzip einer Anlage zur Exploration des Untergrundes mit Hilfe Transienter elektromagnetischer Messungen (TEM) hervor. Die An¬ lage enthält einen Sender (geerdeter Dipol) und

Aufnähmeeinheiten mit Empfängern (Spule). Sprung¬ hafte Änderungen des Sendestromes diffundieren als Transiente in den Untergrund und erzeugen sich dort ausbreitende Induktionsströme. Diese werden an den Meßstellen empfangen, wobei wie eingangs beschrie¬ ben verschiedene Komponenten ihrer elektrischen und magnetischen Felder genutzt werden können. Bei¬ spiele für Signalformen auf der Sender-Empfänger¬ seite zeigt Fig. 2. Die empfangenen Signale klingen jeweils nach kurzer Zeit ab und heißen daher Tran¬ siente. Sie sind mit Hilfe der Maxwell-Gleichungen zu interpretieren und gestatten so eine quantita¬ tive Abschätzung der Verteilung der elektrischen Widerstände im Untergrund, die ihrerseits Aufschluß über den Aufbau des Untergrundes geben.

Fig. 3 gibt ein Blockschaltbild des erfindungsge¬ mäßen Datenerfassungssystems wieder. Die von den Sensoren (1, 2) empfangenen Signale werden an der jeweiligen Meßstelle in den Aufnahmeeinheiten (3-6) als vollständiges Signal bearbeitet, digitalisiert und zwischengespeichert. Die Aufnahmeeinheiten wer¬ den von der Zentrale (7) aus über ein digitales Te- lemetriesystem gesteuert. Die Aufnahmeeinheiten (3- 6) sind sämtlich mit dieser digitalen Datenleitung verbunden und können in beliebigen Abständen ange¬ schlossen werden. Die Daten aus jeder Aufnahme- einheit werden durch die Zentrale individuell abge¬ rufen und als kompletter Block über die Datenlei¬ tung übertragen. Hierdurch können prinzipiell unbe¬ grenzt viele Aufnahmeeinheiten angeschlossen wer¬ den. Die Synchronisation von Sender und Aufnahme- einheit erfolgt über einen externen Trigger oder über hochgenaue Uhren. Der Analogteil einer Aufnah- meeinheit ist in Fig. 4 als Blockschaltbild wieder¬ gegeben. Er besteht aus verschiedenen Filter- und

Verstärkerstufen. Das Signal geht zunächst durch einen Radio-Frequenz-Filter RF (9), dann durch einen Tiefpass LP (12), dann durch einen Empfangsverstärker IA (13), in dem zusätzlich eine automatische Driftkorrektur BC (10) erfolgt. Es folgt ein Notchfilter NF (15) und schließlich ein Impedanzwandler IMA (16) mit einer zweiten Drift¬ kontrolle BC (10). Anschließend geht das Signal durch einen Fließpunktverstärker in den Digitalteil der Aufnahmeeinheit. Alle Filter- und Verstärker¬ stufen sind Microprocessor-gesteuert. Ein Micropro- cessor-generiertes Testsignal kann nach digi¬ tal/analog Wandlung D/A (11) direkt auf den Eingang gegeben werden. Hierdurch können die Einheiten (12- 16) überprüft werden.

Zur Driftkontrolle BC (10) ermittelt der Micropro¬ zessor Korrekturwerte aus Zeitfenstern der Ein¬ gangssignale. Die Korrekturen werden vor Empfang des nächsten Transienten angebracht.

Fig. 5 zeigt den Digitalteil der Aufnahmeeinheit. Das Interface zum Analogteil bildet der Fließpunkt¬ verstärker AS (19), der Verstärkungen zwischen 0 dB und 90 dB ermöglicht, in Form einer automatischen Verstärkungsregelung AGA (198) und einer 4-bit Exponentelektronik (19). Der Ausgang des automati¬ schen Verstärkers AGA (18) wird im Analog/Digital Wandler ADC (20) digitalisiert, während der 4-bit Exponent direkt vom Microprocessor MP (21) übernom¬ men wird. Der Microprocessor speichert die Daten im Speicher und wartet auf den Datenabruf durch die Zentraleinheit DR (25), um die Daten als Block in die Telemetrie TEL (23) zur Zentrale CDR (25) zu übertragen. Der Microprocessor MP (21) kontrolliert gleichzeitig die Einstellung des Analogteils, wie

Verstärker, Filter und das Testsignal über dem Test- und Kontrollbus TCO (24).