CH665682A5

CH665682A5 - DRILL HOLE MEASURING DEVICE.

Info

Publication number: CH665682A5
Application number: CH1266/84A
Authority: CH
Inventors: Friedhelm Sender
Original assignee: Prakla Seismos Gmbh
Priority date: 1984-03-19
Filing date: 1984-03-14
Publication date: 1988-05-31
Also published as: BE899226A; FR2561395B1; NL8400858A; FR2561395A1

Description

BESCHREIBUNG DESCRIPTION

Die Erfindung bezieht sich auf eine Bohrloch-Messeinrichtung zur Aufnahme von Radarsignalen gemäss Oberbegriff des Anspruches 1. The invention relates to a borehole measuring device for receiving radar signals according to the preamble of claim 1.

Typische Bohrloch-Radarsysteme arbeiten mit elektromagnetischen Wellen im Kurz- und Ultrakurzwellenbereich. Für diese Wellenlänge ist der zur Verfügung stehende Bohrloch-Durchmesser sehr klein im Verhältnis zur Wellenlänge. Diese Tatsache hat bisher den Einsatz brauchbarer Antennenanordnungen mit horizontaler Richtwirkung verhindert. In den üblichen Sonden werden bislang nur Dipolantennen verwendet, die in der Horizontalen eine Rundstrahlcharakteristik haben, wobei ggf. auch gefaltete Dipole benutzt werden, siehe die US-PS 3 286 163. Soweit kompliziertere Antennen verwendet werden, z.B. eine Yagi-Anord-nung, siehe Fig. 4 der US-PS 3 286 163, wird dabei vorausgesetzt, dass die Antennenteile teleskopartig ausgefahren werden, so dass sie über die eigentliche Zylinderform der Sonde vorspringen. Eine solche Antennenanordnung setzt Bohrlöcher voraus, deren Durchmesser das übliche Mass übersteigt, falls die Verwendung nicht auf Aufweitungsbereiche in einem normalen Bohrloch beschränkt wird. Typical borehole radar systems work with electromagnetic waves in the short and ultra-short wave range. For this wavelength, the available borehole diameter is very small in relation to the wavelength. This fact has hitherto prevented the use of usable antenna arrangements with horizontal directivity. So far, only conventional dipole antennas have been used in the conventional probes, which have an omnidirectional characteristic in the horizontal direction, with folded dipoles possibly also being used, see US Pat. No. 3,286,163. If more complicated antennas are used, e.g. a Yagi arrangement, see FIG. 4 of US Pat. No. 3,286,163, assumes that the antenna parts are extended telescopically so that they project over the actual cylindrical shape of the probe. Such an antenna arrangement requires boreholes, the diameter of which exceeds the usual size, if the use is not restricted to expansion areas in a normal borehole.

In der Vertikalen kann eine Richtungsangabe für die empfangenen Radarsignale dadurch ermittelt werden, dass Messungen an einer Reihe von in der Vertikalen aufeinanderfolgenden Messpunkten vorgenommen werden. Für die vertikale Richtungsauflösung ist demnach eine Richtantenne nicht erforderlich, obwohl diese einfach zu realisieren wäre. Zu beachten ist ferner, dass aus physikalischen Gründen mit elektrischen Feldsensoren in engen Bohrlöchern keine wirksame Richtungsbündelung erreicht werden kann, da eine Richtungsbestimmung nur aus der Differenzinformation von mindestens zwei Sensoren abgeleitet werden kann, welche im Wellenfeld um den erfassbaren Teil einer Wellenlänge auseinanderliegen müssen. In the vertical direction, an indication of the direction for the received radar signals can be determined by taking measurements at a number of measuring points that follow one another in the vertical. A directional antenna is therefore not required for vertical directional resolution, although this would be easy to implement. It should also be noted that, for physical reasons, it is not possible to achieve effective directional bundling in narrow boreholes with electrical field sensors, since a direction determination can only be derived from the difference information from at least two sensors, which must be separated by the detectable part of a wavelength in the wave field.

Rahmenantennen werden als sog. Peilrahmen oder Richtempfangsanlagen in der Funktechnik bereits seit geraumer Zeit erfolgreich eingesetzt, siehe z.B. Handbuch für Hochfrequenz- und Elektro-Techniker, Band II, 1953, Seite 489 und 490. Wegen der relativ geringen induzierten Spannungen sind diese Rahmen durchweg als selektive Anordnung zum schmalbandigen Empfang ausgewählter Trägerfrequenzen ausgeführt. Die induzierte Spannung in einer Rahmenantenne ist proportional der Rahmenfläche, der Frequenz und dem cos des Einfallswinkels der Wellenfront. Rahmenantennen weisen im Gegensatz zum Rundstrahldiagramm von Stab- und Dipolantennen in horizontaler Richtung ein Doppelkreisdiagramm mit zwei ausgeprägten Nullstellen auf. Durch eine richtig angepasste Kombination einer Dipol- und einer Rahmenantenne lässt sich ein Kardioiden-Diagramm mit nur einem Pol, einer sog. Nullstelle, erzielen. Frame antennas have been used successfully for a long time as so-called tracking frames or directional reception systems in radio technology, see e.g. Handbuch für Hochfrequenz- und Elektro-Techniker, Band II, 1953, pages 489 and 490. Because of the relatively low induced voltages, these frames are consistently designed as a selective arrangement for the narrowband reception of selected carrier frequencies. The induced voltage in a loop antenna is proportional to the loop area, the frequency and the cos of the angle of incidence of the wavefront. In contrast to the omnidirectional diagram of rod and dipole antennas in the horizontal direction, loop antennas have a double circle diagram with two distinct zeros. A correctly adjusted combination of a dipole and a loop antenna can produce a cardioid diagram with only one pole, a so-called zero point.

Zur Einfallsrichtungsbestimmung wird der Peilrahmen um die vertikale Achse gedreht, bis eine Nullstelle ausgemacht werden kann. Diese sog. Minimum-Peilung liefert wegen der steilen Charakteristik der Nullstellen die genauesten Ergebnisse. Wo ein drehbarer Peilrahmen aus konstruktiven oder elektischen Gründen nicht aufgestellt werden kann, benutzt man heute einen feststehenden Kreuzrahmen zusammen mit einem elektrischen Goniometer. Bei einem solchen Goniometer wird das Feld der rechtwinklig gekreuzten Empfangsrahmen durch zwei rechtwinklig gekreuzte Spulen nachgebildet, deren Inneres eine Drehspule enthält, die als Suchspule dient. Die Drehung der Suchspule simuliert eine Drehung der Rahmenantennenanordnung. To determine the direction of incidence, the sighting frame is rotated about the vertical axis until a zero point can be identified. This so-called minimum bearing provides the most accurate results because of the steep characteristics of the zeros. Where a rotating frame cannot be set up for constructional or electrical reasons, a fixed cross frame is used together with an electric goniometer. In such a goniometer, the field of the reception frames crossed at right angles is simulated by two rectangularly crossed coils, the inside of which contains a moving coil which serves as a search coil. The rotation of the search coil simulates rotation of the loop antenna arrangement.

Diese bekannten Rahmenantennenanordnungen können vorteilhaft zur Bestimmung der Einfallsrichtung von diskreten Trägerfrequenzen eingesetzt werden. Die für eine eindeutige Richtungsbestimmung benutzte Kombination eines Peilrahmens mit einer Hilfsantenne für Rundempfang erfordert eine sehr sorgfältige Abstimmung des Systems und setzt zeitlich stabile Trägerfrequenzen voraus. These known loop antenna arrangements can advantageously be used to determine the direction of incidence of discrete carrier frequencies. The combination of a sighting frame and an auxiliary antenna for broadcast reception, used for a clear determination of direction, requires very careful tuning of the system and requires stable carrier frequencies over time.

Diese in der Funktechnik seit langem bekannten Einrichtungen und Verfahren konnten bisher für Bohrloch-Messver-fahren aus Raumgründen nicht benutzt werden. These devices and methods, which have been known for a long time in radio technology, could not previously be used for borehole measuring methods for reasons of space.

Aus der GB-PS 2 123 214 ist ferner eine Antennenanordnung mit einer Kreuzrahmenantenne und einer Monopol-Rundempfangsantenne zur Richtungsbestimmung bekannt, die für übertägige Messanordnungen Verwendung findet. From GB-PS 2 123 214 an antenna arrangement with a cross-frame antenna and a monopole omnidirectional antenna for direction determination is also known, which is used for surface measurement arrangements.

Zur Abtrennung der Rundempfangsinformation ist ein Phasenschiebernetzwerk vorgesehen. Die Antennenanordnung ist für untertätige Einrichtungen nicht geeignet, da der elektrische Mittelpunkt der Antenne nicht in der Mitte der Anordnung liegt, sondern bei der effektiveren Antennenhöhe. Laufzeitverzerrung aufgrund vertikaler Reflektoren können daher beim Einsatz einer derartigen Antenne in Bohrlochsonden nicht ausgeglichen werden. A phase shifter network is provided to separate the broadcast reception information. The antenna arrangement is not suitable for underground facilities, since the electrical center of the antenna is not in the middle of the arrangement, but at the more effective antenna height. Runtime distortion due to vertical reflectors can therefore not be compensated for when using such an antenna in borehole probes.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine einfache Antennenanordnung anzugeben, die nicht durch Laufzeitverzerrungen durch vertikal gerichtete Reflektoren be-einflusst ist und eine eindeutige Richtungsbestimmung empfangener Signale erlaubt. The invention is therefore based on the object of specifying a simple antenna arrangement which is not influenced by propagation time distortions by vertically directed reflectors and which permits unambiguous directional determination of received signals.

Diese Aufgabe wird bei einer Bohrloch-Messeinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäss nach dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst. This object is achieved according to the invention in a borehole measuring device of the type mentioned at the outset according to the characterizing part of patent claim 1.

Eine Weiterausgestaltung des Erfindungsgegenstandes ist Gegenstand des abhängigen Patentanspruches 2. A further development of the subject matter of the invention is the subject of dependent claim 2.

Obwohl die Abmessungen üblicher Bohrlöcher wenig Spielraum zur Realisierung brauchbarer Antennenanordnungen geben, ermöglicht die Erfindung eine optimale Aus2 Although the dimensions of conventional boreholes give little scope for realizing usable antenna arrangements, the invention enables an optimal configuration

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

nutzung dieses Raumes zur Ableitung brauchbarer Ergebnisse. Dieses Ergebnis wird erreicht, obwohl die Signale, deren Einfallsrichtung zu bestimmen ist, sehr kurze und verhältnismässig komplizierte Wellenzüge sind. Die Auflösung in der Vertikalen ist dabei trotz starker Fächerung der Einfallsrichtung in der oben angegebenen Weise möglich. Der Ausdruck «Vertikale» wird hier im Hinblick auf Vertikal-Bohrungen verwendet, die in der Praxis überwiegen. Die Erfindung kann natürlich auch für Bohrlöcher benutzt werden, die abweichend von der Vertikalen oder sogar horizontal gerichtet sind. use of this space to derive useful results. This result is achieved even though the signals whose direction of incidence is to be determined are very short and relatively complicated wave trains. The vertical resolution is possible despite the strong fanning of the direction of incidence in the manner indicated above. The term "vertical" is used here to refer to vertical bores that predominate in practice. The invention can of course also be used for boreholes which are directed differently from the vertical or even horizontally.

Gegenüber dem aus den Figuren 1 bis 3 ersichtlichen, den Stand der Technik darstellenden Grundprinzip wird mittels der erfindungsgemässen Messeinrichtung eine wesentliche Verbesserung erreicht. Compared to the basic principle shown in FIGS. 1 to 3 and representing the prior art, a significant improvement is achieved by means of the measuring device according to the invention.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt: The invention is explained in more detail below with reference to the drawing. It shows:

Fig. 1 das aus dem Stand der Technik her bekannte Grundprinzip in vereinfachter Darstellung einschliesslich der in der Sonde untergebrachten Schaltungsteile ; Figure 1 shows the basic principle known from the prior art in a simplified representation including the circuit parts accommodated in the probe.

Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung einer eine eindeutigere Richtungsangabe der Horizontalkomponente ermöglichende, dem Grundprinzip nach dem Stand der Technik gehörende Antennenanordnung; FIG. 2 shows an illustration corresponding to FIG. 1 of an antenna arrangement which enables a more unambiguous indication of the direction of the horizontal component and which belongs to the basic principle according to the prior art;

Fig. 3 eine Darstellung der Signalwege bei einer Antennenanordnung nach Fig. 2 ; 3 shows the signal paths in an antenna arrangement according to FIG. 2;

Fig. 4 eine beispielsweise Ausführungsform einer erfindungsgemässen Bohrloch-Messeinrichtung einschliesslich der in der Sonde enthaltenen Schaltungselemente ; und 4 shows an exemplary embodiment of a borehole measuring device according to the invention, including the circuit elements contained in the probe; and

Fig. 5 ein zu der Messeinrichtung nach Fig. 4 gehörendes beispielsweise Auswertverfahren zur Bestimmung der Einfallsrichtung. 5 an evaluation method belonging to the measuring device according to FIG. 4 for determining the direction of incidence.

Ein in Fig. 1 nur zum Teil mit seinen Umrissen angedeuteter Sondenkörper I enthält eine Kreuzrahmenantenne 2 in der Weise, dass die senkrechten Spulenleiter 11 auf der Aus-senhaut des Sondenkörpers angebracht, insbesondere in flachen Nuten (nicht vorbekannt), des aus Isoliermaterial bestehenden Sondenkörpers 1 eingelassen sind. Die Querverbindungen zwischen den senkrechten Spulenleitern 11 werden durch druckdichte Durchführungen 12 in den inneren Hohlraum des Sondenkörpers 1 geführt. Das elektrisch gebrückte Spulende kann durch einen leitenden Aus-senring 13, der ebenso wie die senkrechten Spulenleiter in die Aussenhaut des Sondenkörpers 1 eingelassen ist, für beide Spulen gemeinsam verbunden werden. Die damit zu einer Kreuzrahmenantenne 2 verbundenen Rahmenantennen sind stark gestreckte Rechteckspulen, deren Spulenbreite durch den maximalen Durchmesser der Sonde bestimmt ist. Die Enden des Spulenpaares werden über angepasste Symme-triertransformatoren 14a, 14b an asymmetrische Coaxiallei-tungen 15a bzw. 15b angepasst. Ein elektronisches Umschaltrelais 16 gestattet, die beiden Coaxialleitungen wahlweise über die Leitung 16 auf die über Tage angeordnete, nicht näher dargestellte Aufnahmeapparatur zu schalten, in der die Signale nacheinander aufgezeichnet und nach einem weiter unten dargestellten Verfahren ausgewertet werden. A probe body I, which is only partially indicated in FIG. 1, contains a cross-frame antenna 2 in such a way that the vertical coil conductors 11 are attached to the outer skin of the probe body, in particular in flat grooves (not previously known), of the probe body consisting of insulating material 1 are embedded. The cross connections between the vertical coil conductors 11 are guided through pressure-tight bushings 12 into the inner cavity of the probe body 1. The electrically bridged coil end can be connected together for both coils by means of a conductive outer ring 13 which, like the vertical coil conductors, is embedded in the outer skin of the probe body 1. The frame antennas connected to a cross-frame antenna 2 are strongly elongated rectangular coils, the coil width of which is determined by the maximum diameter of the probe. The ends of the coil pair are adapted to asymmetrical coaxial lines 15a and 15b via adapted balancing transformers 14a, 14b. An electronic changeover relay 16 allows the two coaxial lines to be optionally switched via line 16 to the recording apparatus, which is arranged above ground and not shown in more detail, in which the signals are recorded one after the other and evaluated according to a method shown below.

Die Rahmen der Kreuzrahmenanordnung 2 enthalten jeweils nur eine Windung und sind nicht abgestimmt, sondern mit ihrem induktiven Blindwiderstand etwa für die zu erwartende Bandmittenfrequenz auf die Kabelimpedanz angepasst. Durch die ohmsche Belastung über den Verstärkungseingang sind die Rahmen daher breitbandig leistungs-angepasst. The frames of the cross frame arrangement 2 each contain only one turn and are not matched, but rather are adapted to the cable impedance with their inductive reactance, for example for the expected band center frequency. Due to the ohmic load on the gain input, the frames are therefore broadband performance-adapted.

Da das Richtdiagramm einer Rahmenantenne eine 8-Kurve oder Doppelkreiskurve ist, ist die Richtungsbestimmung mit der Antenne gemäss Fig. 1 zweideutig, d.h. es Since the directional diagram of a loop antenna is an 8-curve or double circle curve, the direction determination with the antenna according to FIG. 1 is ambiguous, i.e. it

665 682 665 682

ergeben sich zwei um 180° verschiedene Richtungsangaben. Für die genaue Bestimmung ist eine zusätzliche Messung erforderlich. there are two directions that are different by 180 °. An additional measurement is required for the exact determination.

Die in Fig. 2 dargestellte Anordnung 20 ist durch eine zusätzliche Rundempfangsantenne 21 ergänzt worden. Diese stabförmige Antenne 21 ist vorzugsweise ein unsymmetrisch gespeister Dipol oder eine Sperrtopfantenne. Bei der Antennenanordnung nach Fig. 2 wird das Speisekabel der Rundempfangsantenne 21 durch ein Rohr 23 im Zentrum des Kreuzrahmens 20 geführt. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um ein leitendes Metallrohr, welches aus Symmetriegründen für die Rahmencharakteristik genau zentrisch in der Rahmenlängsachse verläuft. Die Querverbindungen 24 der seitlichen Rahmenleiter 22 werden vorteilhaft einfach über einen Führungsring 25 für das Metallrohr 23 geschlossen. Dadurch wird eine gegenseitige Beeinflussung der beiden Teilsysteme 20,21 der Antennenanordnung wirksam vermieden, und die Richtcharakteristik des Kreuzrahmens 20 bleibt ungestört erhalten. Da die in den Rahmenantennen des Kreuzrahmens 20 induzierte Signale laut Induktionsgesetz gegenüber dem von der Rundempfangsantenne 21 aufgenommenen elektrischen Feld um 90° phasenverschoben sind, wird in die Antennenspeiseleitung der Rundempfangsantenne 21 ein 90°-Hybrid-Koppler 26 geschaltet. Der dritte Arm 27 dieses T-Kopplers 26 kann entweder mit einem Impendanzwiderstand abgeschlossen, oder als Trigger-Signalquelle für die Aufnahmeapperatur verwendet werden, wie dargestellt. Ausser demTriggersignal, welches als Zeitreferenz für alle Aufnahmen dient, können über zwei Coaxialrelais 28,29 der nicht dargestellten Aufnahmeapparatur wahlweise das Signal von der Rundempfangsantenne 21 oder eines der zwei orthogonalen Rahmensignale zugeführt werden. Die Anordnung mit den Symme-triertransformatoren 14a, 14b entspricht der Fig. 1. The arrangement 20 shown in FIG. 2 has been supplemented by an additional omnidirectional antenna 21. This rod-shaped antenna 21 is preferably an asymmetrically fed dipole or a barrier antenna. In the antenna arrangement according to FIG. 2, the feed cable of the round reception antenna 21 is guided through a tube 23 in the center of the cross frame 20. This is preferably a conductive metal tube which, for reasons of symmetry for the frame characteristics, runs exactly centrally in the longitudinal axis of the frame. The cross connections 24 of the side frame conductors 22 are advantageously simply closed via a guide ring 25 for the metal tube 23. This effectively prevents the two subsystems 20, 21 of the antenna arrangement from influencing one another, and the directional characteristic of the cross frame 20 is retained undisturbed. Since the signals induced in the loop antennas of the cross frame 20 are phase-shifted by 90 ° according to the law of induction compared to the electric field picked up by the round reception antenna 21, a 90 ° hybrid coupler 26 is connected to the antenna feed line of the round reception antenna 21. The third arm 27 of this T-coupler 26 can either be terminated with an impedance resistor, or can be used as a trigger signal source for the recording apparatus, as shown. In addition to the trigger signal, which serves as a time reference for all recordings, the signal from the broadcast antenna 21 or one of the two orthogonal frame signals can optionally be supplied via two coaxial relays 28, 29 of the recording apparatus (not shown). The arrangement with the balancing transformers 14a, 14b corresponds to FIG. 1.

Im praktischen Einsatz ergibt sich durch den Abstand zwischen Rundempfangsantenne 21 und Rahmenantenne 20 die in Fig. 3 dargestellte Aufnahmesituation. Die eigentliche Sendeantenne 30 liegt von der aus Rahmenantenne 20 und Rundempfangsantenne 21 gebildeten Antennenanordnung axial getrennt und ist unterhalb der Aufnahmeanordnung im selben Sondenkörper enthalten. Die in der Fig. 3 gezeigte geometrische Konfiguration, bei der die von der Sendeantenne 30 ausgehenden Wellenzüge an den Reflektoren Ri und R2 gespiegelt werden, führt dazu, dass die Reflexionen, die von Ri bzw. R2 bei 20 und 21 aufgenommen werden, entsprechende Laufzeitdifferenzen aufweisen. Diese Laufzeitdifferenzen, die in Fig. 3 gegenüber einem mittleren Strahl mit At angegeben sind, müssen für jede einzelne Reflexion ermittelt und korrigiert werden. In practical use, the distance between the round receiving antenna 21 and the loop antenna 20 results in the recording situation shown in FIG. 3. The actual transmitting antenna 30 lies axially separated from the antenna arrangement formed from the loop antenna 20 and the round receiving antenna 21 and is contained in the same probe body below the receiving arrangement. The geometric configuration shown in FIG. 3, in which the wave trains emanating from the transmitting antenna 30 are reflected on the reflectors Ri and R2, has the result that the reflections which are recorded by Ri and R2 at 20 and 21 have corresponding transit time differences exhibit. These transit time differences, which are indicated in FIG. 3 with respect to a central beam, must be determined and corrected for each individual reflection.

Fig. 4 zeigt eine beispielsweise Ausführungsform einer erfindungsgemässen Antennenanordnung 40 mit zugehörigen, im Sondenkörper untergebrachten Schaltungsteilen. Bei dieser verbesserten Antennenanordnung ist eine nachträgliche Ermittlung der Laufzeitdifferenz und Ableitung einer entsprechenden Korrektur nicht erforderlich, da die Teile der Antennenanordnung 40 derart zusammengefasst sind, dass sie einen gemeinsamen elektrischen Mittelpunkt haben. Die Antennenanordnung 40 besteht aus zwei gestockten Kreuzrahmen 401,402, die über eine Auskoppelschaltung 50 so geschaltet sind, dass die beiden Rahmenstrukturen 401,402 auch als Hälften einer Dipol-Rundempfangsantenne genutzt werden können. FIG. 4 shows an example embodiment of an antenna arrangement 40 according to the invention with associated circuit parts accommodated in the probe body. With this improved antenna arrangement, it is not necessary to subsequently determine the transit time difference and derive a corresponding correction, since the parts of the antenna arrangement 40 are combined in such a way that they have a common electrical center. The antenna arrangement 40 consists of two stacked cross frames 401, 402, which are connected via a decoupling circuit 50 so that the two frame structures 401, 402 can also be used as halves of a dipole omnidirectional antenna.

Die Auskoppelschaltung 50 enthält Symmetriertransfor-matoren 41,42 für den unteren Kreuzrahmen 401 und 43,44 für den oberen Kreuzrahmen 402. Die Ausgänge der in gleichen Ebenen liegenden Teilrahmen, d.h. die Ausgänge der Transformatoren 41 und 44 einerseits und 42 und 43 andererseits, werden über je einen Summierübertrager 46 The decoupling circuit 50 contains balancing transformers 41, 42 for the lower cross frame 401 and 43, 44 for the upper cross frame 402. The outputs of the subframes lying in the same plane, i.e. the outputs of the transformers 41 and 44 on the one hand and 42 and 43 on the other hand are each via a summing transformer 46

3 3rd

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

665 682 665 682

bzw. 47 addiert und derart zu den zwei üblichen orthogonalen Rahmenausgängen zusammengeführt. Die mitten der Primärwicklung der Transformatoren 41,42 des unteren Kreuzrahmens 401 und 43,44 des oberen Kreuzrahmens 402 sind an die Primärwicklung eines weiteren Symmetriertrans-formators 45 im Gegentakt angeschlossen. Damit steht am Ausgang des Transformators 45 die elektrische Diffe-renz-EMK zwischen den beiden Kreuzrahmen, welche damit wie eine Dipolantenne wirken. Die Anpassungsnetzwerke werden im elektrischen Zentrum zwischen den beiden Kreuzrahmen angeordnet, wie schematisch in Fig. 4 dargestellt ist. Die Ausgangsleitungen werden vorteilhaft durch ein Rohr 48 in der Achse des der eigentlichen Aufnahmeapparatur zunächstliegenden Kreuzrahmens 402 einseitig herausgeführt, ähnlich der Anordnung nach Fig. 2. Dies ermöglicht eine einwandfreie Unterbringung der Antennenanordnung in Sondenkörpern, die für enge Bohrlöcher geeignet sind. or 47 added and thus combined to form the two usual orthogonal frame outputs. The middle of the primary winding of the transformers 41, 42 of the lower cross frame 401 and 43, 44 of the upper cross frame 402 are connected to the primary winding of a further balancing transformer 45 in push-pull. The electrical differential EMF between the two cross frames, which thus act like a dipole antenna, is thus at the output of the transformer 45. The matching networks are arranged in the electrical center between the two cross frames, as shown schematically in FIG. 4. The output lines are advantageously led out on one side through a tube 48 in the axis of the cross frame 402 located next to the actual receiving apparatus, similar to the arrangement according to FIG. 2. This enables the antenna arrangement to be accommodated properly in probe bodies which are suitable for narrow boreholes.

Bei grosskalibrigen Bohrlochsonden besteht die Möglichkeit, dass die Induktivität der sich durch die notwendige Dipollänge ergebenden Rahmenfläche Werte annimmt, die für eine resonanzfreie Breitbandabstimmung zu gross sind. Die eigentlichen Rahmen 401,402 können dann kürzer ausgeführt und mit zentrischen Verlängerungen 49 versehen werden, die an den neutralen Rahmenverbindungspunkten 403 bzw. 404 ansetzen und gestatten, trotz der Verkürzung der eigentlichen Rahmen mit elektrischen Dipolen optimaler Länge zu arbeiten. With large-caliber borehole probes, there is the possibility that the inductance of the frame area resulting from the necessary dipole length assumes values that are too large for a resonance-free broadband tuning. The actual frames 401, 402 can then be made shorter and can be provided with central extensions 49 which attach to the neutral frame connection points 403 and 404 and allow, despite the shortening of the actual frames, to work with electrical dipoles of optimal length.

Für die Weiterführung der Antennensignale ist die in Fig. 2 dargestellte Relaisanordnung mit 90° Hybridkoppler vorgesehen. The relay arrangement shown in FIG. 2 with a 90 ° hybrid coupler is provided for the continuation of the antenna signals.

Bei der Antennenanordnung nach Fig. 4 fallen aufgrund der baulichen Anordnung die Mittelpunkte von Rahmen-und Rundempfangsantenne exakt zusammen, so dass Laufzeitkorrekturen im Gegensatz zu den in den Figuren 1 und 2 dargestellten bekannten Ausführungsformen nicht erforderlich sind. 4, due to the structural arrangement, the center points of the frame and omnidirectional antenna coincide exactly, so that, in contrast to the known embodiments shown in FIGS. 1 and 2, runtime corrections are not necessary.

Die vorstehend beschriebenen Kreuzrahmen sind jeweils fest in dem Sondenkörper angeordnet. Zur Richtungsermittlung ist eine Drehung des Rahmens nicht erforderlich. Lediglich die geografische Ausrichtung der Sonde muss für jeden Messpunkt festgestellt werden, um eine Einordnung der Einfallsrichtung der reflektierenden Schichten in geogra-f ischen Koordinaten zu ermöglichen. Hierfür ist z.B. im Sondenkörper ein Magnetkompasssystem eingebaut, dessen Anzeige an jedem Messpunkt aufgenommen und in die über Tage befindliche Aufnahmeeinrichtung elektrisch übertragen wird. Derartige Magnetkompasssysteme sind an sich bekannt. The cross frames described above are each fixed in the probe body. A rotation of the frame is not necessary to determine the direction. Only the geographic orientation of the probe has to be determined for each measuring point in order to enable the direction of incidence of the reflecting layers to be classified in geographic coordinates. For this, e.g. A magnetic compass system is installed in the probe body, the display of which is recorded at each measuring point and is electrically transmitted to the recording device located above ground. Magnetic compass systems of this type are known per se.

Ausser der Kompassinformation werden an jedem Messpunkt mit den Ausführungsformen der Fig. 4 aufgenommen a) die Empfangswerte der Rundempfangsantenne, In addition to the compass information, the embodiments of FIG. 4 are recorded at each measuring point a) the reception values of the broadcast antenna,

b) die Empfangswerte eines Antennenrahmens und c) die Empfangswerte des dazu orthogonalen Antennenrahmens. b) the reception values of an antenna frame and c) the reception values of the antenna frame orthogonal to it.

Aus diesen Daten kann die Richtungsinformation für einen beliebigen, theoretisch anzunehmenden Drehwinkel einer Rahmenantenne durch vektorielle Addition der Empfangsspannung gewonnen werden. Mit einer an die Aufnahmeapparatur anzuschliessenden, zur Auswertung benutzten Rechenanlage kann demnach eine Drehung der Rahmenantenne in beliebigen Winkelschritten simuliert werden, so, wie sie bei einer mechanisch drehbaren Rahmenantenne während der Aufnahme hätte durchgeführt werden können. From this data, the directional information for any, theoretically assumed, angle of rotation of a loop antenna can be obtained by vectorially adding the received voltage. With a computer system to be connected to the recording apparatus and used for evaluation, a rotation of the loop antenna can thus be simulated in any angle steps, as it could have been done with a mechanically rotatable loop antenna during the recording.

Das aus der Funktechnik her bekannte Verfahren, durch phasenrichtige Einkopplung des Empfangsignals einer Rundempfangsantenne in die Signale des koaxial dazu liegenden Rahmens eine Kardioide mit eindeutiger Nullstelle zu erhalten, ist bei den breitbandigen, impulsförmigen Signalen der Radarechos nicht grundsätzlich anwendbar. Eine wichtige Voraussetzung für die Signalüberlagerung ist eine weitestgehend gleiche Signatur der Impulsform für beide Antennensignale. Diese ist bei den in der Funktechnik üblichen, schmalbandigen Sinussignalen grundsätzlich vorhanden. Bei der komplexen Form der Radarsignale können in der Praxis die Charakteristika der zwei Antennenarten nicht so in Einklang gebracht werden, dass eine vollkommene Auslöschung in einer definierten Nullstelle einwandfrei erkennbar wird. Dagegen ist die relative Phasenlage der Signalzüge grundsätzlich gut zu erkennen. The method known from radio technology to obtain a cardioid with a clear zero by in-phase coupling of the received signal of a broadcast antenna into the signals of the frame lying coaxially with it cannot be used in principle for the broadband, pulse-shaped signals of the radar echoes. An important prerequisite for the signal superimposition is a largely identical signature of the pulse shape for both antenna signals. This is basically the case with the narrow-band sinusoidal signals common in radio technology. Given the complex shape of the radar signals, the characteristics of the two types of antennas cannot be reconciled in practice in such a way that complete cancellation in a defined zero point can be recognized perfectly. On the other hand, the relative phase position of the signal trains is basically easy to see.

Zur Auswertung empfiehlt sich deshalb, für jeden einzelnen Reflexionsimpulszug zunächst allein mit der Rahmenantenneninformation den Winkel einer der zwei Nullstellen zu ermitteln, die zu dem Richtdiagramm des Rahmens gehören. Zur Kontrolle des Ergebnisses kann auch die zweite Nullstelle ermittelt werden. Bei eindeutigen Verhältnissen muss die zweite Nullstelle genau um 180° gegen die erste Nullstelle versetzt liegen. Dann wird z.B. rechtsdrehend das Maximum des Rahmensignales ermittelt und zusammen mit dem Rundempfangssignal dargestellt. Sind beide Signale überwiegend gleichphasig, so ist die Einfallsrichtung gleich dem Nullsignalwinkel +90°, sind die Signale gegenphasig, so ist die Einfallsrichtung gleich dem Nullsignalwinkel —90°. For evaluation, it is therefore advisable to first determine the angle of one of the two zeros that belong to the directional diagram of the frame for each individual reflection pulse train using the loop antenna information alone. The second zero can also be determined to check the result. If the situation is clear, the second zero must be offset exactly 180 ° from the first zero. Then e.g. clockwise the maximum of the frame signal is determined and displayed together with the broadcast signal. If both signals are predominantly in phase, the direction of incidence is equal to the zero signal angle + 90 °, if the signals are opposite phase, the direction of incidence is equal to the zero signal angle -90 °.

Dieses Verfahren erlaubt, die mit einer Anordnung nach Fig. 2 oder Fig. 4 aufgenommenen Radarsignale schnell und wirkungsvoll auszuwerten und dadurch die Einfallsrichtung der Signale festzustellen. This method allows the radar signals recorded with an arrangement according to FIG. 2 or FIG. 4 to be evaluated quickly and effectively and thereby the direction of incidence of the signals to be determined.

Fig. 5 zeigt ein praktisches Beispiel des Auswerteverfahrens zur Einfallsrichtungsbestimmung. Es sind in bestimmter Orientierung zur Nordrichtung in 15° Schritten die entsprechenden vektoriell addierten Rahmenantennensignale aufgezeichnet. An geeigneter Stelle (51a, 51b) ist das Dipolenempfangssignal um 180° versetzt beidseitig eingeblendet. 5 shows a practical example of the evaluation method for determining the direction of incidence. The corresponding vectorially added loop antenna signals are recorded in 15 ° steps in a certain orientation to the north direction. At a suitable point (51a, 51b), the dipole reception signal is faded in on both sides offset by 180 °.

Die Reflexion 1 hat bei 52a und 52b ihre Minima. Als Einfallsrichtung kommen die beiden dazu senkrechten Richtungen in Frage. The reflection 1 has its minima at 52a and 52b. The two directions perpendicular to this can be used as the direction of incidence.

Ein Signaturvergleich mit der Dipolaufnahme zeigt bei 53a gleichphasiges Verhalten im Gegensatz zu 53b. Also ist die Einfallsrichtung von der Seite, bei der die Gleichphasigkeit besteht, gegeben (54). A signature comparison with the dipole image shows in-phase behavior in 53a in contrast to 53b. So the direction of incidence is given from the side where the in-phase exists (54).

Die Reflexion 2 hat Minima bei 55a und 55b ; der Signaturvergleich mit dem Dipol zeigt bei 56a Gleichphasigkeit und bei 56b Gegenphasigkeit. Also zeigt der Pfeil 57 die Einfallsrichtung. The reflection 2 has minima at 55a and 55b; the signature comparison with the dipole shows that 56a is in phase and 56b is in phase. So arrow 57 shows the direction of incidence.

4 4th

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

B B

5 Blatt Zeichnungen 5 sheets of drawings

Claims

665 682 PATENT CLAIMS

1.Bore hole measuring device for recording radar signals with an antenna arrangement which is part of a probe body and is connected to an evaluation apparatus connected to the antenna arrangement, characterized in that a cross-frame antenna with rectangular rectangular double frames (401, 402) is provided, the longitudinal axes of which in essentially coincide with the longitudinal axis of the probe body (410) and the conductor sections (411) parallel to the longitudinal axis are arranged in flat grooves on the outer surface of the probe body (410) made of insulating material, and that the antenna arrangement simultaneously forms a dipole antenna with a broadcast reception characteristic by means of a decoupling network , which is arranged coaxially to the axis of the cross-frame antennas.

2. Device according to claim 1, characterized in that the conductor sections parallel to the longitudinal axis of the probe body are connected at the ends facing away from the connection to the receiving apparatus by outer rings (413) common to both frames of the cross-frame antennas, that the cross connections between the longitudinal axis parallel conductor sections are passed through pressure-tight bushings (412) into the interior of the probe body (410), and that the feed line of the antenna is guided through a tube (48) in the axis of the cross-frame antenna (40), which is closest to the receiving apparatus, whereby the decoupling network is arranged between the bushed double frames and the cross connections (424) of the conductor sections (411) parallel to the longitudinal axis are guided in a ring (425) around the tube.