Richtungssensitives Georadar- Bohrlochmeßverfahren Heinz Chaloupka Albrecht Glasmachers Volkert Hansen? 3. Fachgespräch Geophysik und Barrieresysteme, Leipzig 17. März 2005
RX Feldtheor. Modellierung ( Hansen ) Antennen- Struktur ( Chaloupka ) TX Empfänger- Elektronik ( Glasmachers )
RX Feldtheor. Modellierung ( Hansen ) Antennen- Struktur ( Chaloupka ) TX Empfänger- Elektronik ( Glasmachers ) Kompromiss > - adaptive Lösungen - Calibrierung
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
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
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
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
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
Bohrlochradar zur Abbildung geologischer Strukturen Ko-polares und kreuz-polares Echo RX Dielektrische Inhomogenität TX
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
Kopolare und kreuzpolare RC l = λ/2 (ca. 30 MHz)
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
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. 20 50 100 Frequenz/MHz 20 50 100 Frequenz/MHz
Methoden der Dynamikkompression 0 dbm A B HF-Verstärker ADC -105 dbm variable Verstärkung gestufte Verstärkung
Exponentielles Kalibriersignal u(t) = û sin(ωt) exp(-t/τ)
Variable Gain Amplifier ( VGA)
RF CMOS - Schalter Einfügungsdämpfung 0,5 db (Schalter on ) Sperrdämpfung 60 db (Schalter off )
Testboard ADCs
Spektrum des abgetasteten Signals