BUW. Richtungssensitives Georadar- Bohrlochmeßverfahren. 3. Fachgespräch Geophysik und Barrieresysteme, Leipzig 17. März 2005 BUW

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Andrea Frei
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1 Richtungssensitives Georadar- Bohrlochmeßverfahren Heinz Chaloupka Albrecht Glasmachers Volkert Hansen? 3. Fachgespräch Geophysik und Barrieresysteme, Leipzig 17. März 2005

2 RX Feldtheor. Modellierung ( Hansen ) Antennen- Struktur ( Chaloupka ) TX Empfänger- Elektronik ( Glasmachers )

3 RX Feldtheor. Modellierung ( Hansen ) Antennen- Struktur ( Chaloupka ) TX Empfänger- Elektronik ( Glasmachers ) Kompromiss > - adaptive Lösungen - Calibrierung

4 r 1 Feldtheoretische Untersuchungen ε r3 Trägermaterial für Antennenelemente z y r 2 x Antennenelement Salzstock 2.7 m x ε r1 Luftspalt < 7 cm Eingangsimpedanz und somit die Bandbreite der (Empfangs)-Antenne hängt stark von der Beschaffenheit (Materialdaten, Durchmesser) des Bohrloches ab

5 Zielsetzung: Simulation der Antenne im Bohrloch Schwierigkeiten: Die Dicke des Luftspaltes liegt in der Größenordnung eines Tausendstel der Wellenlänge Die Länge der Antenne liegt in der Größenordnung der Wellenlänge - Volumenbasierte (kommerzielle) Berechnungsverfahren wie die FDTD sind zur Simulation nicht oder nur eingeschränkt geeignet - Oberflächenintegralgleichungsverfahren (Momentenmethode) sind (kommerziell) nur für ebene Schichtstrukturen erhältlich, haben sich für solche Strukturen allerdings als sehr effizient und genau herausgestellt Entwicklung eines Oberflächenintegralgleichungsverfahrens für zylindrische Schichtstrukturen

6 Mathematische Grundlage: Exakte Berechnung der Felder entlang der Bohrlochachse: Elektrische Feldstärke als Funktion der Ströme (Green sche Funktion): mit und direktes Feld (mehrfach) an den Schichtgrenzen reflektiertes Feld Mit (1) kann eine Integralgleichung zur Berechnung der Antennenströme aufgestellt werden, die mit Hilfe der Momentenmethode gelöst werden kann

7 Eingangsimpedanz eines Dipols mit zylindrischem Trägermaterial (asymptotische Näherung der Green schen Funktion) 2.5cm Dipol λ = 4 m / ε = 1 0 r λ = 1.27 m / ε = 10 1 r Deutliche Verschiebung der Resonanzfrequenz

8 Notwendige weitere Arbeiten Simulation von Anordnungen höherer Komplexität - Arrays aus unterschiedlich beschalteten Dipolen - Berücksichtigung des Luftspaltes Weitere Aufarbeitung der Green schen Funktionen nötig: - Untersuchung der nicht asymptotisch beschreibbaren Anteile - Entwicklung einer numerisch stabilen, effizienten und dabei ausreichend genauen Implementierung des Verfahrens für eine Geometrie, die aus drei oder mehr Schichten besteht

9 Bohrlochradar zur Abbildung geologischer Strukturen Ko-polares und kreuz-polares Echo RX Dielektrische Inhomogenität TX

10 Rohmessdaten RX Zeit Zeit TX ξ Echosignale an 3 bis 5 Antennentoren als Funktion des Ortes ξ im Bohrloch im Frequenzbereich 20 bis 100 MHz

11 Kopolare und kreuzpolare RC l = λ/2 (ca. 30 MHz)

12 Das Problem des beschränkten Bohrlochdurchmessers Signal-Rausch-Abstand Bohrloch 50 cm 5 cm Frequenz I 0 I/10 0 R p 100R p Therm. Rauschen der Antenne Rauschen des Verstärkers

13 Lösungskonzept: Adaptive Anpassung der Antennen- und Empfängereigenschaften an Entfernungsbereich, Bodendämpfung etc. S/N Austausch von Empfindlichkeit und Bandbreite (Entfernungsauflösung) z.b. für Nah/Fern-Problem S/N Umschaltung zwischen Frequenzbereichen bei unterschiedlicher Bodendämpfung etc Frequenz/MHz Frequenz/MHz

14 Methoden der Dynamikkompression 0 dbm A B HF-Verstärker ADC -105 dbm variable Verstärkung gestufte Verstärkung

15 Exponentielles Kalibriersignal u(t) = û sin(ωt) exp(-t/τ)

16 Variable Gain Amplifier ( VGA)

17 RF CMOS - Schalter Einfügungsdämpfung 0,5 db (Schalter on ) Sperrdämpfung 60 db (Schalter off )

18 Testboard ADCs

19 Spektrum des abgetasteten Signals

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