Title:
Verfahren zur Charakterisierung eines metallischen Störkörpers
Kind Code:
A1


Abstract:

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Charakterisierung eines metallischen Störkörpers S, der in einer Tiefe T unter einer Bodenoberfläche BO verborgen liegt, und insbesondere zur Kampfmittelsuche, wobei an der Bodenoberfläche BO ein Bohrloch B nahe einer Position P des metallischen Störkörpers S bis mindestens in eine der Lage des metallischen Störkörpers S entsprechende Tiefe T abgetäuft wird und elektromagnetische Pulse über eine Erregerschleife Tx in den Boden hinein um das Bohrloch B herum ausgesendet werden und eine Impulsantwort A in einer Empfängereinheit Rx gemessen wird, wobei die Empfängereinheit Rx in das Bohrloch B abgesenkt wird.
Um ein Verfahren zu einer weiteren Verbesserung der Detektionsmöglichkeiten mit dem Ziel einer weitergehenden Charakterisierung eines metallischen Gegenstandes bei reduziertem Aufwand zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass eine Impulsantwort A des Störkörpers S mit zeitlichem Verlauf in der Empfängereinheit Rx durch einen Magnetiksensor bzw. ein Magnetometer M in allen drei Achsen x, y, z des Raumes hinweg in dem Bohrloch B erfasst und ausgewertet wird.




Inventors:
Kölbel, Jan (21079, Hamburg, DE)
Application Number:
DE102016113136A
Publication Date:
01/18/2018
Filing Date:
07/15/2016
Assignee:
Heinrich Hirdes GmbH, 21079 (DE)
International Classes:



Foreign References:
GB2148012A1985-05-22
200900398892009-02-12
201000263042010-02-04
201002253222010-09-09
49947471991-02-19
EP07807052003-03-19
WO1990001104A11990-02-08
Other References:
ERNSTSON, Kord: Dreiachs-Magnetometer: Was bringen sie bei der Bohrloch-Sondierung in der Kampfmittelortung? In: Ebinger Prüf- und Ortungstechnik GmbH: EbingerNews Sonderausgabe 2015. S. 1 – 8. – Firmenschrift.
Attorney, Agent or Firm:
Schmidt, Axel, Dipl.-Ing., 85609, Aschheim, DE
Claims:
1. Verfahren zur Charakterisierung eines metallischen Störkörpers (S), der in einer Tiefe (T) unter einer Bodenoberfläche (BO) verborgen liegt, und insbesondere zur Kampfmittelsuche,
wobei an der Bodenoberfläche (BO) ein Bohrloch (B) nahe einer Position (P) des metallischen Störkörpers (S) bis mindestens in eine der Lage des metallischen Störkörpers (S) entsprechende Tiefe (T) abgetäuft wird und
elektromagnetische Pulse über eine Erregerschleife (Tx) in den Boden hinein um das Bohrloch (B) herum ausgesendet werden und
eine Impulsantwort (A) in einer Empfängereinheit (Rx) gemessen wird, wobei die Empfängereinheit (Rx) in das Bohrloch (B) abgesenkt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Impulsantwort (A) des Störkörpers (S) mit zeitlichem Verlauf in der Empfängereinheit (Rx) durch einen Magnetiksensor bzw. ein Magnetometer (M) in allen drei Achsen (x, y, z) des Raumes hinweg in dem Bohrloch (B) erfasst und ausgewertet wird.

2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass vor einem Messdurchgang ein Kompensationsschritt durchgeführt wird, indem die Ergebnisse einer Messung bei abgeschalteter Erregerschleife (Tx) ermittelt und zur Nullung in einem Kompensationsglied (K) mindestens für die Dauer dieses Messdurchgangs zur Berücksichtigung in den Messergebnissen abgelegt werden.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messvorgang über verschiedene Tiefen des Bohrlochs (B) oberhalb und unterhalb der angenommenen Tiefe (T) des metallischen Störkörpers (S) wiederholt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein maximaler Abstand (a) von ca. 200 cm des Bohrlochs (B) zu der Position (P) des metallischen Störkörpers (S), vorzugweise aber ein Abstand (d) zu dem metallischen Störkörper (S) bei etwa 120 bis ca. 150 cm eingemessen wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregung durch Induktion in verschiedenen, zueinander orthogonalen Raumrichtungen (x, y, z) durch entsprechende Ausrichtung des Primärfeldes aufgrund unterschiedlicher Anordnung einer auf der Bodenoberfläche (BO) aufliegenden ebenen Erregerschleife (Tx) erfolgt.

6. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Konfigurationen der Erregerschleife (Tx) ausgelegt und gemessen werden, bei denen die Erregerschleife (Tx) als Quadrat oder innerhalb des Quadrats nach Art einer Acht-Schleife über die Position (P) des metallischen Störkörpers (S) hinweg verlegt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nahe der Position (P) des metallischen Störkörpers (S) mindestens drei Bohrlöcher (B) abgetäuft werden, die miteinander ein im Wesentlichen gleichseitiges Dreieck bilden, wobei sich die Position (P) des metallischen Störkörpers (S) ungefähr im Schwerpunkt dieses Dreiecks befindet.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (a) zu einer Außenkante der Erregerschleife (Tx) an der Bodenoberfläche (BO) eine Länge eingestellt wird, die mindestens der der Lage des metallischen Störkörpers (S) entsprechende Tiefe (T) entspricht.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messungen in Abständen (Δ) von ca. 20cm bis 100 cm, vorzugsweise aber ca. 50 cm Tiefenänderung der Empfängereinheit (Rx, M) in dem Bohrloch (B) oberhalb wie unterhalb einer geschätzten Tiefenlage (T) des metallischen Störkörpers (S) ein- bis etwa fünfmal wiederholt werden, wobei vorzugsweise 2–3 Messungen oberhalb und 2–3 Messungen unterhalb der geschätzten Tiefenlage (T) des metallischen Störkörpers (S) vorgenommen werden.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messungen unter Beibehaltung der Bohrlöcher (B) bei drei unterschiedlich ausgelegten Konfigurationen (i, ii, iii) der Erregerschleife (Tx) durchgeführt werden, wobei
ausgehend von einer als Quadrat um die die Position (P) des metallischen Störkörpers (S) als Zentrum herum verlegten Erregerschleife (Tx) anschließend
zwei Verschiebungen dieses Quadrates in der x-y-Ebene unter einer Schwenkung um 90°
und/oder
die Erregerschleife (Tx) innerhalb des gleichen Quadrats nach Art einer Acht-Schleife mit zwei über die Position (P) des metallischen Störkörpers (S) hinweg verlaufenden Ästen (tx) als zweite Anordnung (ii) verlegt und
unter Schwenkung der über die Position (P) des metallischen Störkörpers (S) hinweg verlaufenden Ästen (tx) um 90° in eine dritte Anordnung (iii) verlegt wird, wobei nach Einrichtung einer jeder dieser Anordnung bzw. Konfigurationen (i, ii, iii) der Erregerschleife (Tx) Messungen mit vorgeschalteter Kompensation in allen Bohrlöchern (B) über alle Tiefenlage (T ± α·Δ) mit ganzzahligen Werten für α von 0 bis 2 oder ca. 5 durchgeführt werden.

Description:

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Charakterisierung eines metallischen Störkörpers, der unter einer Bodenoberfläche verborgen liegt, und insbesondere zur Kampfmittelsuche.

Aus dem Stand der Technik sind diverse Ansätze zum Auffinden elektrisch leitfähiger Gegenstände bekannt, die unter einer Bodenoberfläche verborgen liegen. Hierbei bilden Verfahren und Vorrichtungen zur Kampfmittelsuche Einsatzfelder von besonders hoher Bedeutung. Als Kampfmittel sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorrangig Blindgänger und Zerscheller bzw. sog. Teil-Detonierer explosiver Geschosse und Flieger-Bomben bzw. Abwurfmunition oder Torpedos und Minen zu verstehen, wobei von allen genannten Gruppen auch nach vielen Jahrzehnten erhebliche Gefahren für Mensch und Umwelt ausgehen können.

Unter anderem haben sich Ansätze zur Induktion elektromagnetischer Pulse als Mittel zur Lokalisierung metallischer, und damit eben auch nicht-ferromagnetischer Gegenstände bewährt, da sie einer reinen magnetischen Sondierung in wesentlichen Punkten überlegen sind. Bei einer derartigen Kampfmittelsuche werden elektromagnetische Pulse über eine Erregerspule in eine i.d.R. über Geo-Koordinaten exakt bestimmte Fläche in den Boden hinein ausgesendet. Über eine Empfängereinheit wird dann eine elektromagnetische Impulsantwort gemessen, die aufgrund von Wirbelströmen in metallischen Objekten in Reaktion auf einen elektromagnetischen Anregungs-Puls ausgesendet wird.

Um oberflächliche Störungen der Empfängereinheit zu unterdrücken und zudem eine größere Nähe zu einem Verdachtsobjekt unter der Bodenoberfläche herstellen zu können ist u.a. aus der EP 0 780 705 B1 bekannt, dass die Empfängereinheit in ein Bohrloch hinein abgesenkt wird. Das Bohrloch wird zuvor nahe des metallischen Störkörpers bis in eine Lage abgetäuft, die einer Tiefe des metallischen Störkörpers unter der Bodenoberfläche entspricht. Hierzu ist eine genaue Position eines jeweiligen Störkörpers bzw. Verdachtsobjekts sowie dessen Tiefe unter der Bodenoberfläche vorab durch bekannte Verfahren zu bestimmen.

Die vorliegende Erfindung hat das Ziel ein Verfahren zu einer weiteren Verbesserung der Detektionsmöglichkeiten mit dem Ziel einer weitergehenden Charakterisierung eines metallischen Gegenstandes bei reduziertem Aufwand zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 durch ein Verfahren zum Auffinden elektrisch leitfähiger Gegenstände unter einer Bodenoberfläche und insbesondere zur Kampfmittelsuche, wobei ein Bohrloch nahe des metallischen Störkörpers bis in eine der Lage des metallischen Störkörpers entsprechende Tiefe abgetäuft wird und elektromagnetische Pulse über eine Erregerschleife in den Boden hinein um das Bohrloch herum ausgesendet werden und eine Impulsantwort in einer Empfängereinheit gemessen wird, wobei die Empfängereinheit in das Bohrloch abgesenkt wird, dadurch gelöst, dass ein jeweiliges Antwortsignal des Störkörpers mit zeitlichem Verlauf in der Empfängereinheit durch einen Magnetiksensor bzw. ein Magnetometer zugleich in allen drei Achsen des Raumes in dem Bohrloch erfasst wird. Erfindungsgemäß wird also ein Kombinationsverfahren aus elektromagnetischer Anregung an der Erdoberfläche in Kombination mit einer zeitlichen Auswertung von magnetischen Reaktionssignalen in den drei zueinander orthogonalen Achsen des Raumes vorgeschlagen, um deutlichere Rückschlüsse auf eine Form und Orientierung eines Verdachtsobjektes im Boden zu erhalten. Dabei zeichnet sich die Messung eines Antwortsignals als Magnetfeld durch eine sehr sensible Erfassung gerade eines Abklingverhaltens des Antwortsignals aus. Das Abklingverhalten des Antwortsignals wird dabei nachfolgend besonders für eine Charakterisierung des Störkörpers genutzt und besitzt daher besondere Bedeutung.

Aus dem Stand der Technik sind diverse Ansätze unter Nutzung von Magnetometern in Bohrlöchern bekannt, wobei z.B. die WO 1990/001104 A1. Hier sind jedoch nur Anwendungen zur fortlaufenden Vermessung des Verlaufs eines Bohrloches offenbart, die zur Lenkung einer laufenden Bohrung durch einen Untergrund genutzt werden. Erfindungsgemäß wird jedoch eine elektrische Fremdanregung zur Charakterisierung eines hinsichtlich seiner Lage bzw. Tiefe grundsätzlich bekannten Objektes mit dem Ziel genutzt, zwischen einem Kampfmittel und einem weitgehend ungefährlichen Metallteil zu unterscheiden.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche. Demnach wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vor einem Messdurchgang ein Kompensationsschritt durchgeführt, indem die Ergebnisse einer Messung des 3-Achs-Magentometers bei abgeschalteter Erregerschleife ermittelt werden. Diese Ergebnisse werden zu einer Nullung in einem Kompensationsglied insbesondere mindestens für die Dauer dieses Messdurchgangs zur Berücksichtigung in den Messergebnissen abgelegt. Ein Messvorgang kann dabei zahlreiche Einzelmessungen umfassen, insbesondere um den Einfluss von Störungen auf ein Gesamtmessergebnis zu mindern.

Vorzugsweise wird der Messvorgang über verschiedene Tiefen des Bohrlochs wiederholt. Dabei werden sowohl Tiefen oberhalb wie auch unterhalb der angenommenen Tiefe des metallischen Störkörpers zur Messung eingestellt und deren Messwerte verwendet. Vorzugweise werden diese Messungen in Mehrfachen fixer Abstände wiederholt.

In einer Ausführungsform der Erfindung werden nahe der Position des metallischen Störkörpers an der Bodenoberfläche mindestens drei Bohrlöcher abgetäuft. Bei Einsatz von drei Bohrlöchern bilden diese miteinander ein im Wesentlichen gleichseitiges Dreieck. Dabei befindet sich die Position des metallischen Störkörpers ungefähr im Schwerpunkt dieses Dreiecks. Nachfolgend wird jedes dieser Bohrlöcher in gleicher Weise durchgemessen. Bei mehr als drei Bohrlöchern ergeben sich in der Regel vergleichbare geometrische Konstellationen.

Gemäß bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung beträgt ein maximaler Abstand des Bohrlochs zu der Position des metallischen Störkörpers an der Bodenoberfläche ca. 200 cm. Bevorzugt wird aber bei einem Minimalabstand von ca. 100 cm zur Position des metallischen Objektes ein Abstand des Bohrlochs zu dem Objekt bei etwa 120 bis ca. 150 cm an der Bodenoberfläche eingemessen.

Vorteilhafterweise wird ein Abstand der Position des metallischen Störkörpers zu einer Außenkante der Erregerschleife an der Bodenoberfläche gewählt, der der Tiefe der Lage des metallischen Störkörpers unter der Bodenoberfläche entspricht. Es ist darauf hinzuweisen, dass aufgrund von Anlandungsprozessen oder Aufschüttungen auch Tiefenlangen des metallischen Störkörpers von ca. 15 m erreicht werden können, die weit jenseits der ursprünglichen Einschlagtiefen auch schwerer Fliegerbomben liegen, die von etwa 2 m bis ca. 5 m betragen können. Entsprechend groß fallen dann auch die zu verwendenden Erregerspulen aus, wobei im Regelfall Spulen mit Kantenlängen von ca. 7 m × 7 m bis etwa 20 m × 20 m verwendet werden. Quadratische Grundformen werden u.a. aufgrund der Symmetrien im sich ergebenden Feld bevorzugt, es können aber auch z.B. rechteckige Spulenformen verwendet werden.

Vorteilhafterweise wird die Anregung des metallischen Störkörpers durch Induktion in verschiedenen, zueinander nach Möglichkeit orthogonal stehenden Raumrichtungen für eine vollständige Ausleuchtung bzw. Anregung des Raumes unter der Bodenoberfläche im Bereich des metallischen Störkörpers durchgeführt. Das wird durch entsprechende Ausrichtung des Primärfeldes aufgrund unterschiedlicher Anordnung einer auf der Bodenoberfläche aufliegenden ebenen Erregerschleife erzielt. Vorzugsweise werden drei unterschiedliche Konfigurationen der Erregerschleife ausgelegt und gemessen, wie nachfolgend noch anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben wird.

Das vorstehend beschriebene Verfahren kann mit einer dementsprechend ausgebildeten Vorrichtung zur Charakterisierung von tief unter einer Bodenoberfläche liegenden metallischen Objekten genutzt werden, wobei eine Lage und Tiefe eines derartigen metallischen Störobjekts vorab mit anderen geophysikalischen Verfahren und Methoden detektiert worden ist. Eine Charakterisierung durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zielt auf Basis von Informationen über eine Objektgröße, Objektform, Materialeigenschaften und Wandstärke bzw. Metallmasse darauf ab, festzustellen, ob das jeweilige Störobjekt verdächtig in Bezug auf Bombenblindgänger ist, oder nicht. Darüber hinaus kann eine Vorrichtung als System auch für die Detektion von Objekten verwendet werden.

Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile erfindungsgemäßer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung:

1: eine Systemübersicht eines ersten Ausführungsbeispiels unter Auftrennung in eine Sende- und ein Empfangsseite;

2a2c: unterschiedliche Anordnungen einer Erregerschleife an der Bodenoberfläche relativ zu einer Anomalie-Stelle und den entsprechend angeordneten Bohrungen und

3: eine dreidimensionale Ansicht zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Messverfahrens unter Verwendung eines Bohrlochs und

4: eine Ansicht gemäß 3 zu Darstellung eines bekannten Messverfahrens.

Über die verschiedenen Abbildungen hinweg werden für gleiche Elemente oder Verfahrensschritt stets die gleichen Bezugszeichen verwendet. Ohne Beschränkung der Erfindung wird nachfolgend nur ein Einsatz zur Charakterisierung von Anomalien mit dem Ziel einer Unterscheidung in Kampfmittel oder sonstige metallische Körper dargestellt und beschrieben. Es ist aber für den Fachmann offensichtlich, dass in gleicher Weise auch eine Anpassung auf Einsätze in Suche nach Rohstofflagern, wie einer Ortung von Leitungen und Pipelines oder der Archäologie möglich ist.

4 stellt eine räumliche Ansicht zu Darstellung eines bekannten Messverfahrens dar, das einer Lokalisierung eines metallisch leitfähigen Störkörpers S dient, der unter einem Punkt P in einer Tiefe T unter einer Bodenoberfläche BO verborgen liegt. Um diesen Punkt P herum wird eine rechteckige Leiterschleife Tx gelegt, die durch einen gepulsten Strom I(t) durchflossen wird. Da jeder fließende Strom I(t) von einem sich räumlich ausbreitenden, hier der Übersichtlichkeit halber nur angedeuteten Magnetfeld H(t) umgeben ist, wird auch der metallische Störkörper S von einem Teil des Magnetfeldes durchdrungen. Wird nun der fließende Strom I(t) zur Bildung eines Strompulses ganz abrupt abgeschaltet, so wird durch in dem metallischen Störkörper S abklingende Wirbelströme eine elektromagnetische Impulsantwort A(t) erzeugt, die durch eine Empfängerschleife Rx an der Bodenoberfläche BO messbar ist. Aufgrund einer Raumform der elektromagnetischen Impulsantwort ist ein in der Empfängerschleife Rx messbares Antwortsignal von einem jeweiligen Ort der Messung an der Bodenoberfläche BO abhängig. So werden in der angedeuteten Art und Weise viele verschiedene Flächen an der Bodenoberfläche BO durch die Empfängerschleife Rx abgedeckt und dem vorstehend beschriebenen Verfahren entsprechend vermessen.

Im Ergebnis ist mit einem bekannten Verfahren gemäß 4 ein Bereich einer maximalen Stärke der Impulsantwort A an der Bodenoberfläche BO ermittelbar. Damit kann ein Rückschluss auf eine Größe und grobe Außenkontur eines metallischen Störkörpers S geführt werden, also z.B. eine Unterscheidung in einen runden, länglichen oder gebogenen Gegenstand.

Es ist ferner bekannt, mit dem Ziel einer sicheren Charakterisierung eines metallischen Störkörpers S eine Aufnahme von elektromagnetischen Impulsantworten A aufzunehmen, wozu in einem Abstand d zu dem Punkt P der Bodenoberfläche BO ein Bohrloch B in die Tiefe T abgetäuft wird, um damit eine Empfängerschleife Rx möglichst nahe an den metallischen Störkörper S heranzubringen. So können schon aufgrund der größeren Nähe stärkere Messsignale einer Impulsantwort erhalten werden. Zudem werden oberflächliche Störungen der elektromagnetischen Impulsantworten ausgeblendet, wie sie dort i.d.R. bereits durch kleine Metallteile hervorgerufen werden. Das Prinzip läuft im Übrigen so ab, wie vorstehend unter Bezugnahme auf die Abbildung von 4 beschrieben.

In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird gemäß der Abbildung von 3 nun aber keine Empfängerschleife Rx in das Bohrloch B hinab abgesenkt, sondern ein Fluxgate-3-Achs-Magnetometer, nachfolgend bezeichnet als Magnetometer M. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass die magnetischen Anteile der Impulsantworten A zwar schwächer als deren elektrischen Anteile ausgebildet sind, die magnetischen Anteile einer Impulsantwort A(t) aber hinsichtlich einer Auswertung ihrer zeitlichen Abklingkurven mit Blick auf eine Charakterisierung eines jeweiligen metallischen Störkörpers S aussagekräftiger sind.

Besonders vorteilhaft ist es also, dass in dem Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß 3 als Messspitze statt einer prinzipiell nur eindimensional messfähigen Empfängerspule Tx ein 3-Achs-Magnetometer M zum Messen der elektromagnetischen Impulsantworten A in das Bohrloch B eingeführt wird. Damit werden in einer jeweiligen Tiefenlage gleichzeitig drei Messergebnisse als zeitliche Verläufe der Impulsantwort A in den drei Raumrichtungen x, y, z aufgenommen. Damit können unterschiedliche Signalverläufe in den drei Raumrichtungen genutzt werden, um durch eine entsprechende Auswertung Rückschlüsse auf eine Raumform des metallischen Störkörpers S mit dem Ziel einer zuverlässigeren Charakterisierung zu ziehen.

1 zeigt eine Übersicht über ein System gemäß einem Ausführungsbeispiel unter räumlicher Auftrennung in eine Sende- und ein Empfangsseite. Demnach umfasst die Sendeseite einen Generator Gen, der mit einem regelbaren Netzteil NT zur Bereitstellung eines Stroms I von ca. 100 A bis 250 A bei einer Spannung U zwischen ca. 15 V und etwa 30 V verbunden ist. Regelmäßig werden Spannungen unterhalb von 20 V bis ca. 15 V bei Strömen von weniger als 180 A verwendet, vorzugsweise 165 A bis 170 A. Damit sollte eine Generator-Leistung mindestens 10 kW betragen, um über das Netzteil NT die gewünschten Ausgangsgrößen stabil liefern zu können.

Das Netzteil NT ist an einen Impulsgeber IG angeschlossen, der unter Vorgabe einer Steuereinheit Crtl Stromimpulse I(t) herstellt und in die Sendeschleife Tx einspeist. Um Störungen durch die in Zentraleuropa vorherrschende Netzfrequenz von 50 Hz sowie 16 2/3 Hz Bahnstromfrequenz zu umgehen, wird in diesem Ausführungsbeispiel eine Standardfrequenz bzw. Grundfrequenz der Stromimpulse I(t) von 8 1/3 Hz verwendet. Bei 60 Hz Netzfrequenz wird eine Standardfrequenz von 6 1/4 Hz bevorzugt. Es werden positive und negative Strompulse erzeugt, wobei zwischen den Strompulsen ein Beobachtungszeitfenster liegt. Dieses Beobachtungszeitfenster ist ungefähr dreimal so lang wie einer der Strompulse. Zur Ausblendung von sog. Schmutzeffekten werden die ersten und die letzten ca. 10% eines in dem Beobachtungszeitfenster liegenden Impulsantwortsignals A(t) nicht untersucht bzw. ausgewertet.

Anpassungen in der Stromstärke I und/oder der an die Sendeschleife Tx angelegten Spannung U werden im Zuge einer Einrichtung vor der Inbetriebnahme der Messeinrichtung auf der Empfängerseite vorgenommen. Maßgeblich ist daher, dass sich Stromimpulse I(t) mit möglichst klaren Kantenverläufen ergeben, also insbesondere keine Überschwinger im Bereich einer möglichst scharf bzw. abrupt verlaufenden Impulskante auftreten.

Das erste Bauteil auf der Empfangsseite der Vorrichtung ist ein Empfänger Rx in Form eines 3-Achs-Magnetometers M. Das Magnetometer M ist als Teil der Empfangsseite des beschriebenen Messsystems über die Impulsantwort A des metallischen Störkörpers S, die aufgrund der Anregung durch Stromimpulse I(t) der Sendeseite ausgesendet werden, mit der Sendeseite gekoppelt. Ferner ist das Magnetometer M in dem Bohrloch B von der Sendeschleife Tx als Bestandteil der Sendeseite umschlossen. Dieser Sachverhalt ist durch die gepunktete, die Sendeschleife Tx und das Magnetometer M in dem Bohrloch B umschließende Linie angedeutet, wenngleich zur Beschreibung von Sendeseite und Empfangsseite diese räumlichen und funktionalen Kopplungen in der zeichnerischen Darstellung aufgehoben worden sind.

Das Magnetometer M erfasst in einer jeweiligen Tiefenlage T ± α·Δ – in diesem Ausführungsbeispiel mit maximalen ganzzahligen Werten von 2 bis etwa 5 für α – eine räumliche Richtung einer magnetischen Impulsantwort A(t). Die magnetische Impulsantwort A(t) wird mit einem jeweiligen zeitlichen Abklingverhalten unter Zerlegung in die drei Raumrichtungen x, y, z gemessen. Die magnetische Impulsantwort A(t) eines metallischen Störkörpers S ist also nicht nur eine Funktion der Zeit, sondern aufgrund der Raumform des metallischen Störkörpers S sowie der dreidimensionalen Form der elektromagnetischen Felder auch eine Funktion des Raumen. Damit sollten prinzipiell möglichst viele Messungen bei unterschiedlichen Tiefen bzw. Tiefenlagen vorgenommen werden. Aus Gründen der praktischen Durchführbarkeit werden in einem jeweiligen Bohrloch B aber nur Tiefenlagen T ± α·Δ, hier mit α = 0 bis 3 abgedeckt, vorzugsweise i.d.R. nur 3 Tiefen-Messpunkte in Abständen mit Δ ungefähr 20 cm bis etwa 100 cm, hier bevorzugter Weise aber ein Abstandswert Δ von 50 cm, symmetrisch um eine geschätzte Tiefe T des metallischen Störkörpers S herum mit Messungen abgedeckt. In diesem Beispiel werden somit in einem Bohrloch B maximal 1,5 m oberhalb und 1,5 m unterhalb einer geschätzten Tiefe T des metallischen Störkörpers S Messungen eines Abklingverhaltens der magnetischen Impulsantwort des Störkörpers S in drei Achsen aufgenommen.

Das Magnetometer M ist über eine Versorungs- bzw. Messleitung mit einem Kompensationsglied K verbunden. Dieses Kompensationsglied K ist für eine durchzuführende qualitativ und quantitativ hochwertige Messung von besonderer Bedeutung, da hierdurch die magnetischen Einflüsse der Umwelt einschließlich des Erdmagnetfeldes, des Störkörpers S selber sowie der umgebenden elektrisch leitenden Bauteile, wie z.B. auch der Erreger- bzw. Sendespule Tx, als Verfälschungen bzw. Verzerrungen der Messungen durch eine Kompensation ausgeblendet werden. Zur Bestimmung der jeweiligen Kompensationswerte in allen drei Raumachsen x, y, z werden bei abgeschalteter Anregung bzw. stromloser Erregerschleife Tx in der jeweilig eingerichteten Tiefenlage T ± α·Δ die stationären Messsignale des Magnetometers M in dem Bohrloch B bestimmt und für nachfolgende Messungen in dieser Tiefenlage gespeichert. Die eigentlichen Messwerte werden nachfolgend unter Berücksichtigung dieser jeweils gemessenen Kompensationswerte dargestellt. Zum Ausblenden stochastischer Störungen werden für jede Messposition bzw. Tiefe zudem viele Perioden von Anregungsimpulsen durchlaufen und gemessen. Auch bei ca. 100 Perioden nimmt das nur wenig Systemzeit in Anspruch.

An das Kompensationsglied K schließt sich ein Messsignalwandler A/D an, der im Wesentlichen eine Digitalisierung der bislang analog verarbeiteten Signale der drei Raumrichtungen durchführt. Zum Zwecke der Synchronisation ist der Messsignalwandler A/D zudem mit einem hier durch einen Satelliten GS angedeutetes geo-stationären Koordinatensystem verbunden, hier GPS, mit dem auch die Steuereinheit Crtl auf der Sendeseite verbunden ist. Damit werden eine Aussendung von Strompulsen auf der Sendeseite sowie deren Auswertung auf der Empfängerseite miteinander zeitlich exakt synchronisiert. Die nun hier dem Messsignalwandler A/D digitalisiert vorliegenden Messsignale werden einer Software SW zur Verarbeitung und Auswertung zugeführt. Die jeweiligen Ergebnisse werden mindestens mit den Geokoordinaten des Bohrlochs B und einer jeweiligen Tiefeninformation bzw. Messhöhe in einer Datenbank DB abgelegt. So stehen die gewonnenen Daten einer späteren Auswertung und weiteren Verwendung sicher gespeichert zum jederzeitigen Abruf zur Verfügung.

Die Abbildungen der 2a2c zeigen unterschiedliche Anordnungen einer Erregerschleife Tx an der Bodenoberfläche BO relativ zu einer Anomalie-Stelle P und entsprechend angeordneten Bohrungen B. Für eine zuverlässige Charakterisierung des metallischen Störkörpers S ist eine hohe Datenqualität notwendig. Im Prinzip muss der metallische Störkörper S dazu aus möglichst verschiedenen Richtungen angeregt und erfasst werden. Um u.a. den Messaufwand zu minimieren, wird der metallische Störkörper S in jeweils getrennten Schritten in drei Richtungen angeregt. In optimaler Weise sind die drei Richtungen der Anregung alle senkrecht zueinander, wie die Richtungen von den drei Kanten, die an der Ecke eines Würfels zusammentreffen. Dies wird über die Lage und Geometrie der Sendeschleife Tx in praktisch ausreichend guter Näherung erreicht, wie nachfolgend beschrieben. Das elektromagnetische Feld bewegt sich walzenförmig um ein Kabel der stromführenden Sendeschleife Tx, wie in 3 angedeutet. Damit können unter der Bodenoberfläche BO elektromagnetische Anregungen unter deutlicher Betonung von i.d.R. jeweils einer der Raumkoordinaten x, y, z hervorgerufen werden.

Wenn die Bodenoberfläche BO über der Anomalie P also die Auslegung der Sendeschleife Tx nicht z.B. durch Bebauungen etc. eingrenzt und dadurch eine reguläre Auslegung der Sendeschleife Tx unmöglich macht, ist diese spezielle Anregung durch nachfolgend unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschriebenen Standardanordnungen der Sendeschleife Tx z.B. durch die beiden angedeuteten Verschiebungen aus der Standard-Konfiguration heraus weitestgehend zu erreichen.

Des Weiteren bilden hier die drei Bohrlöcher B ein gleichseitiges Dreieck mit der Anomalie P im Mittelpunkt. Dadurch kann das magnetische Feld optimal erfasst werden. Zur Gewinnung zusätzlicher Daten können aber – ohne dass darauf hier noch gesondert eingegangen werden wird – auch vier, fünf oder noch mehr Bohrlöcher unter Einhaltung der nachfolgend angegebenen Kriterien der Lage relativ zu der Position P und der Tiefe T des Störkörpers S verwendet werden. Das ist insbesondere im Fall eines sich über einen größeren Bereich erstreckenden magnetischen Anomalie bzw. metallischen Störkörpers S ratsam. Hierbei kann es sich um ein Gebilde aus mehreren einzelnen Störkörpern S1 bis Sj handeln, deren mögliche Gefährlichkeit durch das beschriebene Verfahren vorzugweise einzeln abzuklären ist.

Bei Anwendung des vorgestellten Verfahrens muss die Lage P an der Bodenoberfläche und die Tiefe T des Störkörpers S bekannt sein. Diese Angaben werden z.B. der Auswertung einer vorangehenden herkömmlichen 3-Achs-Messung entnommen, z.B. einer Gradiometer- oder einer Bohrlochradar-Messung. Darauf basierend werden in einem Abstand von 120 bis ca. 150 cm zu dem Störkörpers S bzw. seiner Position P an der Bodenoberfläche BO Positionen für hier drei Bohrlöcher B eingemessen. In einer bestmöglichen Anordnung um die Position P der Anomalie herum bilden die Bohrlöcher B miteinander ein im Wesentlichen gleichseitiges Dreieck. Hierbei befindet sich die Position P des metallischen Störkörpers S ungefähr im Schwerpunkt dieses Dreiecks.

Die Bohrlöcher B werden hier und mit Durchmessern von ca. 2,5'' verrohrt in einen vorstehend beispielhaft angegebenen Bereich > T + 3·Δ abgetäuft, um nachfolgend in einem PE oder PVC-Rohr als temporäre Auskleidung des Bohrlochs B eine Messung auch in einer Tiefe T + 3·Δ durchführen zu können, also deutlich unterhalb der vermuteten Tiefenlage T des Störkörpers. Bis dahin wird das Magnetometer M abgesenkt, um dort in verschiedenen Tiefen und dementsprechend veränderten Winkeln und Abständen zu dem metallischen Störkörper S hin Messwerte in allen drei Raumachsen gewinnen zu können.

Nun werden Pflöcke O zur Ausbildung eines Quadrates mit der Position P des metallischen Störkörpers S im Mittelpunkt an der Bodenoberfläche BO als Hilfsmittel zum Auslegen der Sendeschleifen Tx eingebracht, wie in der Abbildung von 2a angedeutet. Die Kantenlänge L dieses Quadrates entspricht dabei dem Doppelten der Tiefenlage T des metallischen Störkörpers S. Ein Abstand a der Position P des metallischen Störkörpers S zu der um die Pflöcke O ausgelegten Sendeschleife Tx entspricht der Tiefenlage T des metallischen Störkörpers S.

Die Sendeschleife Tx wird nun über verschiedene Anordnungen auf der Bodenoberfläche BO so ausgelegt, dass der Störkörper S aus drei möglichst unterschiedlichen Richtungen angeregt wird. Dazu wird in einer ersten Messanordnung i die Sendeschleife Tx also als Quadrat um die Pflöcke O herum gelegt. Das ist eine Art von Basiskonfiguration der Sendeschleife Tx, bei der sich bei einem Stromfluss I im Bereich der Position P ein entlang der z-Koordinate ausgerichtetes Erregerfeld ergibt. Es folgen durch seitliche Verlagerungen bzw. Verschiebungen von dieser Basiskonfiguration ausgehend noch zwei weitere Anordnungen ii, iii der Sendeschleife Tx, wie noch unter Bezugnahme auf die Abbildung von 2a beschrieben wird.

Um die eigentliche Messung durchführen zu können, wird nun in ein Bohrloch P ein Magnetiksensor bzw. ein Magnetometer M abgesenkt, das eine jeweilige Impulsantwort A des Störkörpers S mit seinem zeitlichen Verlauf in allen drei Achsen x, y, z des Raumes in dem Bohrloch B erfasst. Diese Messung wird in verschiedenen sog. Messstationen von der Tiefe T ausgehend in Tiefenabständen Δ von ca. 50 cm in dem Bohrloch B wiederholt, so dass sich mit zwei oder drei Messungen oberhalb der Tiefenlage T und zwei oder drei Messungen unterhalb insgesamt fünf oder sieben Messungen mit jeweils drei Zeitverläufen der Impulsantwort A des Störkörpers S in einem Bohrloch je Schleifenkonfiguration ergeben.

Dieses Vorgehen wird ohne Veränderungen an der Anordnung der Erregerschleife Tx auch für die beiden anderen Bohrlöcher B wiederholt. Dabei wird ein nicht weiter dargestellter Messtisch mit dem Sensor Rx bzw. dem 3-Achs-Magentometer M zu dem nächsten Bohrloch B versetzt. Dabei wird besonders darauf geachtet, dass eine Ausrichtung des Sensors Rx immer gleich bleibt – mit anderen Worten muss das einmal eingemessene Koordinatensystem des 3-Achs-Magentometers M ohne Verdrehung über alle Messungen einer Störkörpers S hinweg unverändert bleiben. Es darf insbesondere nicht verdreht werden, da sonst z.B. x- und y-Werte bis zur Unbrauchbarkeit verfälscht werden könnten. Eine entsprechende Markierung auf dem Sensor ist hier hilfreich, wobei die Lage dieser Markierung beim Einführen eines Sensorgestänges in ein neues Bohrloch B immer optisch überprüft werden muss. Diese Überprüfung kann zur vorausschauenden Fehlervermeidung selbstverständlich durch eine mechanische Zwangsführung in Form einer Nut oder eine sonstige Führung etc. ersetzt werden.

An die drei vorstehend beschriebenen Messdurchgänge mit der vorstehend beschriebenen Messanordnung und Konfiguration der Erregerschleife Tx anschließend wird dieses Quadrat der Erregerschleife Tx als Ganzes von der beschriebenen Position um die Position P des Störkörpers S nach rechts und schließlich nach unten hin verlagert. Die bis zu 3 × 7 Messungen werden in jeder dieser beiden weiteren Positionen ii, iii und/oder Konfiguration der Erregerschleife Tx wiederholt.

Im Fall ungünstigerer Platzverhältnisse, wenn also insbesondere nicht ausreichend freie Fläche für die vorstehend beschriebenen Verlagerung der quadratisch ausgeformten Erregerschleife Tx um die Position P des Störkörpers S herum zur Verfügung steht, wird bevorzugt eine sog. Acht-Schleife verwendet, wie in 2b skizziert. Hierbei werden die Seitenkanten halbiert und mit zusätzlichen Hilfspflöcken versehen, von denen aus zwei stets gleichsinnig durchflossene Äste tx der Erregerschleife Tx direkt über die Position P des Störkörpers S hinweg laufen. Die Anregung des Störkörpers S erfolgt dann im Wesentlichen senkrecht zu den Ästen tx in der x-y-Ebene.

Wie in 2c angedeutet, so werden dann über die gleiche durch Pflöcke O markierte Fläche hinweg nach einer z-Schleife in einem Messschritt i gemäß 2a in nachfolgenden Messschritten ii und iii zwei Acht-Schleifen verwendet, die gegeneinander um 90° geschwenkt aufgebaut werden. Damit werden auch unter erschwerten bzw. eingeschränkten Platzbedingungen drei Messanordnungen aufgebaut, um den Störkörper S zur Gewinnung aussagekräftiger Ergebnisse unter drei möglichst unterschiedlichen Richtungen durch ein Impuls-Induktionsverfahren anzuregen.

Um eine hohe Datenqualität zu erhalten muss zudem sichergestellt sein, dass Verzerrungen soweit als möglich ausgeblendet werden. Dazu dient die Einrichtung eines Kompensationsgliedes K. Das Verfahren zur Einstellung des Kompensationsgliedes K läuft wie folgt ab: Vor einem Messdurchgang wird ein Kompensationsschritt durchgeführt, dessen Ergebnis in einem Kompensationsglied K mindestens für die Dauer dieses Messdurchgangs abgelegt wird. Der vorgelagerte Kompensationsschritt wird dabei durchgeführt, indem die Ergebnisse einer Messung bei abgeschalteter Erregerschleife Tx ermittelt und zur Nullung bzw. Null-Einstellung der Messvorrichtung vor Durchführung der eigentlichen Messung verwendet werden. Dazu werden diese Null-Messwerte in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in dem Kompensationsglied K mindestens für die Dauer dieses Messdurchgangs abgelegt, um spätestens bei der Auswertung der Messergebnisse berücksichtigt zu werden. Dieser Kompensationsschritt wird vorzugweise auch für jeden Schritt einer Tiefenmessung in ein und demselben Bohrloch B wiederholt.

In allen beschriebenen Ausführungsbeispielen werden die Messergebnisse aus dem jeweiligen Bohrloch B herausgeführt und in einer nicht weiter dargestellten Datenverarbeitungsanlage durch eine Software SW aufbereitet. Als Ergebnis einer Auswertung kann der Verlauf von Komponenten einer Impulsantwort A in Richtung der x, y, und z-Achsen über fünf bis sieben Messtiefen hinweg betrachtet werden. Anhand dieser Messergebnisse können Rückschlüsse auf eine Lage des Störkörpers S im dreidimensionalen Raum sowie mögliche Symmetrien zu einer wie auch immer im Raum verlaufenden Achse gezogen werden. Damit können auch Längen/Durchmesser-Verhältnisse untersucht werden, die neben Abschätzungen über eine Länge und Dicke eines Störkörpers S wesentliche Indizien für die Charakterisierung eines Störkörpers S als Kampfmittel darstellen, zumal Kampfmittel regelmäßig längliche und in dieser Längsachse rotationssymmetrisch ausgebildete Körper sind.

Bezugzeichenliste

  • A
    elektromagnetische Impulsantwort
    B
    Bohrloch
    BO
    Bodenoberfläche
    S
    metallischer Störkörper
    P
    Position des Störkörpers S an der Bodenoberfläche BO
    a
    Abstand zwischen Position P und Erregerschleife Tx
    d
    Abstand zwischen Bohrloch B und Position P
    T
    Tiefe des Störkörpers S unter der Bodenoberfläche BO
    Tx
    Sendeschleife / Erregerschleife
    Rx
    Empfänger
    M
    Magnetometer
    Δ
    Tiefenschritt bei der Messung in einem der Bohrlöcher B
    L
    Länge einer Seitenkante der Sendeschleife Tx
    I(t)
    zeitlich veränderlicher Stromfluss / Strompuls
    U(t)
    gemessene Spannung
    H(t)
    gemessener magnetischer Fluss der Impulsantwort A in B
    W
    im metallischen Störkörper S induzierte Wirbelströme
    Gen
    Generator
    Imp
    Impulsgenerator
    Crtl
    Steuereinheit
    GS
    Geo-Koordinaten-System (GPS)
    K
    Kompensationsglied
    A/D
    Messsignalwandler
    SW
    Software / Datenverarbeitung der digitalen Messsignale
    DB
    Datenbank zur strukturierten Speicherung der Ergebnisse
    O
    Orientierungspfosten für die Sendeschleife Tx
    tx
    Ast der Erregerschleife Tx bei Acht-Konfiguration
    i
    1. Anordnung der Sendeschleife Tx
    ii
    2. Anordnung der Sendeschleife Tx, verschoben oder als 8-Schleife ausgebildet
    iii
    3. Anordnung der Sendeschleife Tx, um 90° verschwenkt ober als 8-Schleife mit 90° Verkippung der 8-Schleife
    x, y, z
    Achsen/Komponenten des dreidimensionalen Raumes

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • EP 0780705 B1 [0004]
  • WO 1990/001104 A1 [0007]