DE1293351B

DE1293351B - Messanordnung zum Aufsuchen von nichtleitenden Koerpern

Info

Publication number: DE1293351B
Application number: DEE18395A
Authority: DE
Inventors: Dr Ludwig; Wesch
Original assignee: Eltro GmbH and Co
Current assignee: Eltro GmbH and Co
Priority date: 1959-10-23
Filing date: 1959-10-23
Publication date: 1969-04-24
Also published as: GB1119151A; US3392384A

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung zum Aufsuchen von nichtleitenden Körpern, die in einen zu untersuchenden Körper eingebettet sind und deren Dielektrizitätskonstante von der des zu untersuchenden Körpers abweicht, unter Benutzung eines von der Sendeantenne ausgehenden hochfrequenten Strahlungsfeldes, bei dem im Empfangs system die von der Sendeantenne ausgehende direkte Strahlung kompensiert wird.
Es sind Verfahren bekannt, die zum Nachweis metallischer Gegenstände im Erdreich elektomagnetische Suchspulen verwenden, die mit einem Hochfrequenzsender verbunden sind. Sehr schwierig ist es, den Nachweis für nichtmetallische Gegenstände zu führen, selbst wenn in diesen nichtmetallischen Gegenständen noch gewisse Metalle oder Metallpulver eingeschlossen sind. Es wurde verschiedentlich versucht, mit elektromagnetischen Wellen die Reflexion dieser Wellen zum Nachweis der nichtmetallischen Gegenstände zu verwenden, wobei man eine physikalische Erscheinung ausnutzt, die besagt, daß überall dort, wo räumlich ein Sprung in der Dielektrizitätskonstante vorhanden ist, eine Reflexion von Wellen stattfindet. Der Nachweis in der angegebenen Form ist jedoch mit einem erheblichen Nachteil verbunden, der darin besteht, daß die elektromagnetischen Wellen sowohl an der Oberfläche des zu untersuchenden Mediums als auch in der Tiefe des Mediums, in der der dielektrische Sprung liegt, reflektiert werden. Es wäre naheliegend, für den Nachweis die elektro-magnetischen Wellen zu bündeln und zwecks besserer Bündelung sehr kurze Wellen zu verwenden, insbesondere Wellen im Bereich von 50 cm bis 1 mm.
Ein solches Verfahren ist aber praktisch nicht geeignet, dielektrische Körper im Erdreich nachzuweisen, insbesondere, wenn das Erdreich in seinem Wassergehalt schwankt. Das Erdreich selbst hat durch den verschiedenen Wassergehalt und auch durch seine verschiedene Zusammensetzung Schwankungen in der Dielektrizitätskonstante, derart, daß diese mindestens zwischen 4 und 40 liegt. Dadurch schwankt nach einfachen Gesetzmäßigkeiten die Reflexion der Oberflächenwelle, und für jede Dielektrizitätskonstante müßte ein nach dem geschilderten Verfahren arbeitendes Gerät entweder neu geeicht oder neu eingestellt werden. Zudem ist bekannt, daß durch die Reflexion der Oberflächenwelle bis zu 80 Olo der eingestrahlten Energie in den Empfänger kommt und die aus dem Erdreich kommende Energie unter 10 0/o liegt, meistens unter 1 °/o. Es ist also nach den bekannten Verfahren unmöglich, einen empfindlichen Nachweis der aus dem Erdboden oder aus einem beliebigen Medium kommenden Strahlung zu führen und mit einer solchen Methode insbesondere diffizile Mutungen durchzuführen.
Zur Behebung dieser Schwierigkeiten wurde bereits versucht, eine einzige elektromagnetische Wellen ausstrahlende Spule zu verwenden und die Änderung des effektiven Strahlungswiderstandes dieser Spule zu messen. Dieses Verfahren ist jedoch ziemlich unempfindlich, so daß mit ihm in großer Tiefe liegende Körper, deren Dielektrizitätskonstante von der des sie umgebenden Mediums abweicht, nicht festgestellt werden können.
Es ist ferner eine Anordnung zum Aufsuchen von im Erdboden vorhandenen Körpern bekannt, bei der von einem Sender ausgestrahlte gerichtete elektromagnetische Wellen von einem Empfänger aufgenom- men werden und die vom Sender auf den Empfänger direkt übertragene oder an der Erdoberfläche reflektierte Welle durch Übertragung einer Schwingung vom Sender auf den Empfänger kompensiert wird, die der direkt übertragenen Schwingung entgegengesetzt gleich ist. Dieses Verfahren hat aber den Nachteil, daß bei dem Bewegen dieser Anordnung über das Gelände es nicht durchführbar ist, den Abstand von Sender und Empfänger stets völlig konstant zu halten. Ändert sich aber dieser Abstand, dann ändert sich auch die Größe der direkten Strahlung, und deren genaue Kompensation ist nicht mehr möglich. Auch werden die an der Erdoberfläche reflektierten Wellen stark durch Unebenheiten des Erdbodens beeinflußt, die zwischen dem Sender und dem Empfänger liegen, so daß auch hierdurch eine zuverlässige Kompensation der an der Erdoberfläche reflektierten Strahlung im Empfänger unmöglich wird.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, diese Nachteile zu vermeiden und eine zuverlässige Anzeige der gesuchten dielektrischen Körper zu schaffen. Sie geht dabei von einer Meßanordnung aus, bei der im Empfangssystem die von der Sendeantenne ausgehende direkte Strahlung kompensiert wird. Sie löst die gestellte Aufgabe dadurch, daß gemäß der Erfindung die Sendeantenne in an sich bekannter Weise als breitstrahlendes Antennensystem ausgebildet ist und das Empfangssystem aus zwei abwechselnd an die Meßeinrichtung gelegten Empfängern besteht, die so abgeglichen sind, daß in der Meßeinrichtung die von den beiden Empfangs antennen aufgenommenen Wellen des Senders, soweit sie längs der Oberfläche des zu untersuchenden Körpers verlaufen oder von dieser reflektiert werden, einander aufheben und lediglich die an der Oberfläche des gesuchten dielektrischen Mediums reflektierten Wellen zur Anzeige gelangen.
Die die Oberflächenwelle auslöschende Schaltung kann mechanisch und/oder elektrisch erfolgen. Eines der Empfangssysteme kann weiterhin durch eine Gegenkopplung derart gesteuert werden, daß der automatische Ausgleich aller empfangenen Signale im Gerät aufrechterhalten wird und die Anzeige des nachzuweisenden Signals bzw. Gegenstandes durch die Größe der Gegenkopplung erfolgt. Die Erfindung wird an Hand der im nachfolgenden beispielsweise beschriebenen Vorrichtung und der anliegenden Apparateskizze erläutert.
Nach A b b. 1 wird zum Nachweis des dielektrischen Körpers eine Sendeantenne 10 verwendet, welche ein größeres Gebiet anstrahlt. Innerhalb dieses angestrahlten Gebietes, das über seine Fläche durch die Sendeantenne gleichmäßig ausgeleuchtet sein soll, befinden sich zwei hintereinanderliegende Empfangsantennen 11 und 12. Diese Empfangsantennen bilden mit der Sendeantenne 10 nach A b b. 2 einen Winkel, der variabel eingestellt werden kann, so daß in verschiedener Tiefe liegende Gegenstände genauestens geortet werden können. Die Meßanordnung arbeitet nun derart, daß die in A b b. 2 angedeutete Oberflächenwelle 1, 2 automatisch in dem Doppel-Empfangs-Antennensystem, wie im folgenden beschrieben, kompensiert wird und nur noch die aus der Tiefe kommende und an dem nachzuweisenden Gegenstand reflektierte Welle 3, 4 nachzuweisen ist. Die Kompensation arbeitet nun nach dem in A b b. 3 angegebenen Prinzipschema. Die Antennen 11 und 12 sind mit einem Schalterl3 verbunden, der einmal das Antennensystem 11 oder ein anderes Mal das Antennensystem 12 zusammen mit den Gleichrichtern oder Verstärkern an die nachfolgende Leitung schaltet.
Hinter dem Schalter 13 folgt ein Nachverstärker 14 und ein Resonanzverstärker 15. Der Resonanzverstärker 15 ist über einen Schalter 16, der mit dem Schalter 13 synchron läuft, verbunden. Der Schalter 16 und das nachfolgende Element 17 bilden einen Phasendetektor, in dem die von 11 und 12 kommenden Signale verglichen und gleichgerichtet werden. Sobald die von 11 und 12 kommenden Signale gleich groß sind, zeigt das Meßinstrument 18 keinen Ausschlag an, da die Amplituden des Signals sich gegenseitig aufheben. Sobald eine Abweichung der Amplitude 11 oder 12 erfolgt, wird über eine Gegenkopplungsleitung 19 einer der Empfangsanzeiger nachgeregelt, so daß das Meßinstrument 18 wieder auf 0 gestellt wird. Die Größe der Gegenkopplung wird durch das Meßinstrument 20 angezeigt und dient zum hochempfindlichen Nachweis der aufzufindenden Reflexions-oder Störwelle aus dem Medium, indem sich der dielektrische Gegenstand befindet.
Durch Verwendung des Resonanzverstärkers und durch die Gegenkopplung werden nicht nur alle Störungen des Gesamtsystems ausgeglichen, sondern es läßt sich auch der Nachweis mit den höchsten Empfindlichkeiten einstellen. Der Nachweis selbst erfolgt nun derart, daß zuerst die Anordnung nach A b b. 1 über einer metallischen Platte oder einem beliebigen homogenen Dielektrikum derart eingestellt wird, daß die beiden Signale von 11 und 12 vollkommen gleich ausfallen und das Meßinstrument 18 auf 0 steht. Diese Einstellung kann entweder durch Dämpfungsglieder 21 und 22 erfolgen oder durch Steuerung eines Zwischenverstärkers, der bei Verwendung einer Empfangsdiode zwischen 11 und 13 oder 12 und 13 liegt. Anschließend wird die Anordnung nach A b b. 1 derart über den Erdboden bewegt, wie es der Pfeil a an dieser Anordnung anzeigt.
Sobald das Antennensystemll im Beispielsfalle in die Gegend kommt, in der ein Dielektrikum in einem ziemlich homogenen anderen Dielektrikum enthalten ist, wird das Antennensystem 11 eine Anzeige ergeben, während das Antennensystem 12 noch keine reflektierte oder eine wesentlich reduzierte Strahlung empfängt. Da in dem Areal, in welchem die Anordnung gemäß A b b. 1 strahlungsmäßig arbeitet, die Oberfläche eine ziemlich gleichbleibende Dielektrizitätskonstante aufweist, so daß ohne weiteres angenommen werden kann, daß die Verhältnisse an der Oberfläche gleich bleiben, wird die starke Oberflächenwelle weiter kompensiert bleiben, während die Strahlung aus dem Erdboden über 11 ein starkes Signal auslöst.
Selbst wenn durch Inhomogenitäten die Oberflächenwelle nicht voll kompensiert ist, läßt sich das aus dem Erdboden kommende Signal noch besser nachweisen, als bisher bekannt war. Durch die Geometrie der Anordnung nach A b b. 1 (Bündelung aller Antennensysteme und Lage derselben) hat man es in der Hand, das Areal auszusuchen, innerhalb dessen ein Nachweis erfolgen soll. Man wird die Empfangs-Antennensysteme 11 und 12 nicht zu weit auseinandernehmen, da man immerhin damit rechnen muß, daß die Oberfläche beispielsweise des Erdbodens geringfügige Änderungen mit sich bringt. Es hat sich herausgestellt, daß eine Entfernung der beiden Antennensysteme in der Größenordnung zwi- schen 10 und 50 cm für eine genaue Meßanzeige ausreicht.
Sollen sehr kleine Oberflächenbezirke untersucht werden und ein sehr genauer Nachweis notwendig sein, so ist es sehr viel besser, auf außerordentlich kurze Wellenlängen überzugehen, da diese sich sehr scharf bündeln lassen, und da sich für diese Wellenlängen die Empfangsantennen mit ausgezeichneter Richtcharakteristik und einem Öffnungswinkel von beispielsweise kleiner als 10 leicht herstellen lassen.
Für diesen Fall soll die Anordnung im Bereich von 5 cm bis 1 mm arbeiten, und es ist empfehlenswert, hauptsächlich mit der 8-mm-Welle zu arbeiten. Dies ergibt noch den Vorteil, daß in diesem Wellenlängengebiet infolge der Dispersion die Dielektrizitätskonstante des Wassers sehr stark abgesunken ist und sich Feuchtigkeit im Erdboden weniger bemerkbar macht als bei langen Wellen.
Die Schalter 13 und 16 laufen synchron und können entweder mechanisch oder elektrisch ausgeführt werden. Bei einer mechanischen Ausführung, beispielsweise bei Verwendung von Hohlleitersystemen, kann der Schalter aus zwei Dämpfungsscheiben bestehen, welche gemeinsam auf einer Achse sitzen, wobei diese Dämpfungsscheiben um 1800 versetzt sind. Bei der Drehung der Dämpfungsscheiben tauchen diese einmal in das System 11 oder 12 ein und sperren damit abwechslungsweise 11 oder 12.
Der Schalter 13 kann jedoch auch aus einer elektrischen Anordnung genommen werden, wobei am besten ein an sich bekannter Multivibrator verwendet wird und die wechselseitig aus dem Multivibrator entnommene Spannung das Gitter einer Verstärkerröhre oder eines Oszillators im System 11 oder im System 12 sperren.
Da sich naturgemäß die Oberflächenwellen immer in ihrer Energie außerordentlich von der aus dem Medium herauskommenden Welle unterscheiden, hat es sich für einen sehr empfindlichen Nachweis herausgestellt, besondere Antennensysteme zu verwenden, die nicht freistrahlend sind, sondern welche es erlauben, die Hochfrequenz-Energie direkt an den Erdboden hinzuführen. Zu diesem Zweck lassen sich vorteilhaft Anordnungen, beispielsweise nach A b b. 4 verwenden, bei denen aus dem Empfangstrichter 11 ein oder mehrere Drähte herauskommen, welche mit einem Dielektrikum umgeben sind und die nun die Wellen in Form von Drahtwellen direkt an den Erdboden heranführen. Diese Wellen sind in Form der Goublau-Wellen an sich bekannt.
Es gibt jedoch auch eine andere Möglichkeit, den Wellenwiderstand des Erdbodens an den Wellenwiderstand des Antennensystems anzugleichen und den Wellenwiderstand des freien Raumes, der zwischen Antennensystem und Erdboden liegt, zu überbrücken. Dies geschieht am vorteilhaftesten durch Verwendung von Dielektrika verschiedener Leitfähigkeit, welche in Form von Fäden 21 a, 22 a an die Antennen systeme angekoppelt sind oder als bewegliche Stielstrahler bzw. Rohrstrahler an sich bekannter Natur ausgebildet sind und lose den Erdboden berühren. Um an den Fäden selbst und am Erdboden keine weiteren Stoßwellen zu erzeugen, ist es empfehlenswert, diese Fäden über ihre Länge in ihrem Widerstand bzw. in ihrer Leitfähigkeit veränderlich einzustellen, so daß nach Art einer Exponentialleitung der Wellenwiderstand des Systems 11 an den mittleren Wellenwiderstand des Erdbodens angepaßt werden kann. Trotz der beiden angegebenen Möglichkeiten wird in der Regel noch eine Rest-Reflexion am Erdboden übrigbleiben; aber diese Rest-Reflexion läßt sich durch die Erfindung bedeutend besser ausgleichen als die direkte Anstrahlung des Mediums bzw. des Erdbodens. Die Erfindung bringt einen wesentlichen technischen Fortschritt bei dem Aufspüren von nichtleitenden oder nur schwachleitenden Gegenständen, insbesondere im Erdboden befindlichen Gegenständen. So läßt sich hierdurch beispielsweise Holz im Erdboden nachweisen oder auch Holzkisten, die im Erdboden vergraben sind, darüber hinaus aber Kunststoff-Gegenstände und hier wieder Minen, welche eine Kunststoffhülle besitzen. Weiterhin lassen sich auch in der Geologie Adern eines Materials finden, die in einem Medium abweichender Dielektrizitätskonstante eingebettet sind, beispielsweise Kohlenschichten (Flöze) hinter einer gesteinsführenden Schicht, Torf hinter einer Sandschicht, oxydische Stoffe jeglicher Art, beispielsweise auf Basis von Eisen, Titan, Wolfram, Aluminium-Oxyd, insbesondere in Form von Bauxit, welche erhebliche abweichende Dielektrizitätskonstanten gegenüber dem Erdboden haben, desgleichen auch sulfidische Stoffe, ferner Erze, dessen Metall verbunden ist mit einem Metalloid, beispielsweise Arsen, Phosphat, Selen, Antimon u. dgl., und demnach eine abweichende Dielektrizitätskonstante besitzen. Weiterhin läßt sich die Anordnung in der Archäologie verwenden, wenn es darum geht, Gegenstände unterschiedlicher Dielektrizitätskonstanten, feste Mauerwerke in losem Sand aufzufinden oder aber Grabkammern, Skulpturen, Skelette unter dem Erdboden. Die Erfindung ist auch in der Kriminalistik zur Auffindung vergrabener toter Körper, entwendeter Gegenstände verwendbar.

Claims

Patentansprüche: 1. Meßanordnung zum Aufsuchen von nichtleitenden Körpern, die in einen zu untersuchenden Körper eingebettet sind und deren Dielektrizitätskonstante von der des zu untersuchenden Körpers abweicht, unter Benutzung eines von der Sendeantenne ausgehenden hochfrequenten Strahlungsfeldes, bei dem im Empfangssystem die von der Sendeantenne ausgehende direkte Strahlung kompensiert wird, dadurch gekennzeichn et , daß die Sendeantenne in an sich bekannter Weise als breitstrahlendes Antennensystem ausgebildet ist und das Empfangssystem aus zwei abwechselnd an die Meßeinrichtung gelegten Empfängern besteht, die so abgeglichen sind, daß in der Meßeinrichtung die von den beiden Empfangsantennen aufgenommenen Wellen des Senders, soweit sie längs der Oberfläche des zu untersuchenden Körpers verlaufen oder von dieser reflektiert werden, einander aufheben und lediglich die an der Oberfläche des gesuchten dielek- trischen Mediums reflektierten Wellen zur Anzeige gelangen.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor Beginn der Untersuchung der Abgleich der beiden Empfangs systeme durch Dämpfungsglieder oder durch Röhrenregelung erfolgt.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum abwechselnden Anlegen der beiden Empfänger an die Meßeinrichtung zwei synchron laufende mechanische oder elektrische Schalter (13, 16) dienen.
4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Empfängersysteme durch eine Gegenkopplung (14) derart gesteuert wird, daß der automatische Ausgleich aller empfangenen Signale im Gerät aufrechterhalten wird und die Anzeige (20) des nachzuweisenden Signals bzw. Gegenstandes durch die Größe der Gegenkopplung erfolgt.
5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Sende-Antenne (10) mit Ausstrahlungsvermögen über ein größeres Gebiet, zwei hintereinanderliegende Empfangs-Antennen (11, 12), deren Stellung mit der Stellung der Sende-Antenne einen variabel einstellbaren Winkel bildet, einen Schalter (13), der wahlweise entweder die eine (11) oder die andere (12) Empfangs-Antenne mit dem hinter ihm geschalteten Nachverstärker (14) und Resonanzverstärker (15) verbindet, der über einen mit dem erstgenannten Schalter (13) synchron arbeitenden Schalter (16) verbunden ist, welcher seinerseits mit dem nachfolgenden Element (17) einen Phasendetektor bildet, in dem die von den Empfangs-Antennen kommenden Signale mittels eines Meßinstrumentes (18) verglichen und gleichgeschaltet werden können, und durch eine Gegenkopplungsleitung (19) mit Meßinstrument (20), des weiteren durch eine von Hand einstellbare Empfindlichkeitsregelung (21 und 22).
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sende- und Empfangsantennensysteme ein oder mehrere Drähte (21 a, 22 a) aufweisen, welche mit einem Dielektrikum versehen sind und den zu untersuchenden Körper berühren.
7. Anordnung nach AnspruchS oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennen- und Empfangssysteme mit einem oder einer Mehrzahl von künstlichen Fäden (21 a, 22 a) versehen sind, welche einen über ihre Länge einstellbaren Wellenwiderstand haben, mittels dessen der Wellenwiderstand der einzelnen Systeme an den mittleren Wellenwiderstand des zu untersuchenden Körpers angeglichen wird.
8. Anordnung nach Anspruch 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennensysteme aus an sich bekannten beweglichen Stiel- oder Rohrstrahlern bestehen.