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Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen das Erfassen einer unterirdischen Anomalie, wie eines Hohlraums, eines Rohrs oder irgendeiner anderen Materialmasse, durch elektromagnetische (EM) Wellen, der bzw. die sich von seiner Umgebung durch seine oder ihre EM-Eigenschaften unterscheidet. Insbesondere betrifft die Erfindung eine unterirdische Erfassung durch EM-Wellen, die über Bohrlöcher gesendet und empfangen werden.
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Die Erfassung und Entfernungsmessung von unterirdischen Anomalien ist für viele Anwendungen wichtig, wie die Erfassung von unterirdischen Hohlräumen, nicht verzeichneten Infrastruktur-Rohrleitungen und Erz. Das magnetische Verfahren misst Anomalien in Bezug auf das Erdmagnetfeld. Dieses Verfahren reagiert jedoch nur bei ferromagnetischen Körpern empfindlich. Das akustische Verfahren verwendet Schallwellen, die durch den Boden bzw. die Erde gesendet werden, und reagiert nur auf einen Kontrast in der akustischen Impedanz bzw. des Wellenwiderstandes der Anomalie empfindlich. Das EM-Verfahren verwendet Radiowellen und reagiert auf Unterschiede in den EM-Impedanzen der Anomalie und des umgebenden Mediums empfindlich.
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Eine bekannte EM-Methode ist das Bodenradar (GPR), bei dem das Senden und Empfangen von Wellen oberirdisch durchgeführt wird. Dieses Verfahren weist jedoch eine begrenzte Eindringtiefe in einen Boden mit hoher Leitfähigkeit auf. Um die Eindringtiefe zu erhöhen, werden niedrigere Frequenzen, die weniger stark abgeschwächt verwendet. Niedrige Frequenzen führen jedoch zu einer geringen Auflösung. Ein typischer Abschwächungsfaktor kann von 1 dB/m bis zu einigen zehn dB/m betragen.
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Eine andere EM-Methode verwendet Strahlung von einem Bohrloch zu einem anderen. Dieses Verfahren weist den gleichen Nachteil der Abwägung der Abschwächung gegen die Auflösung auf. Da sich das Signal in eine Richtung (und nicht in den Boden und zurück wie in dem GPR-Verfahren) bewegt, kann die Abwägung der Abschwächung gegen die Auflösung besser toleriert werden. Ein anderer Vorteil der Bohrlochmessung im Vergleich zu dem GPR besteht darin, dass das Senden und Empfangen unter dem Boden bzw. unter der Erde den durch Menschen verursachten Rauschpegel verringern kann, wodurch eine bessere Leistung erzielt wird.
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Beide Verfahren können verwendet werden, um ein Abbild des Bodens zu erzeugen. Das GPR kann entlang eines Pfades über den Boden bewegt werden, um ein Bild mit synthetischer Apertur (synthetic aperture image) zu erzeugen. Zwischen zwei Bohrlöchern kann ein Querschnittsbild durch tomographische Rekonstruktion hergestellt werden, wie es in den
US-Patenten 5185578 und
4742305 von Stolarczyk und anderen offenbart ist. Dieses Verfahren erfordert das Abtasten der Orte des Senders und des Empfängers jeweils entlang ihrer Bohrlöcher. Diese Abtastung wird typischerweise mechanisch durchgeführt und dauert bis zum Abschluss lange.
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Die vorliegende Erfindung ist für die Bohrloch-Tomographie-Methode am Wichtigsten. Die Erfindung nutzt dabei das Phänomen, dass wenn ein EM-Impuls in eine undichte Übertragungs- bzw. Sendeleitung eingespeist wird, die entlang einer dielektrischen Masse platziert ist, eine EM-Schockwelle in die dielektrische Masse abgestrahlt wird, falls die Signalgeschwindigkeit in der Leitung größer ist als die Phasengeschwindigkeit in der dielektrischen Masse. Diese Strahlung ist ähnlich der Cherenkov-Strahlung. Siehe
D. Grischkowsky, I. N. Duling, III, J. C. Chen, and C.-C. Chi, "Electromagnetic shock waves from transmission lins", Physical Review Letters, vol 59, Seiten 1663–1666 (1987).
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Die vorliegende Erfindung strebt an, eine verbesserte unterirdische Erfassung durch EM-Wellen bereitzustellen, die über Bohrlöcher gesendet und empfangen werden, wie es nachstehend detaillierter beschrieben wird.
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Gemäß einer nicht beschränkenden Ausführungsform der Erfindung wird eine verteilte bzw. dezentrale Antenne, auch bekannt als undichte Übertragungs- bzw. Sendeleitung, entlang jedem Bohrloch platziert. Ein Sender wird mit einer der verteilten Antennen verbunden und ein Empfänger wird mit der anderen verteilten Antenne verbunden. Die Übertragungs- bzw. Sendeleitungen sind derart ausgelegt, dass die Phasengeschwindigkeit des Signals entlang jeder Leitung größer bzw. schneller ist als die Phasengeschwindigkeit durch den Boden. Dies kann beispielsweise durch eine Leitung geschehen, die mit dielektrischem Material gefüllt ist, dessen Permittivität geringer ist als die Permittivität des Bodens.
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Wenn ein Impuls in die undichte Übertragungsleitung eingespeist wird, wird der Impuls austreten, während er sich durch die Leitung ausbreitet, und einen Cherenkov-artigen EM-Schockwellen-Kegel in den Boden abstrahlen. Ein Signaldetektor, der mit der Übertragungsleitung an dem anderen Bohrloch verbunden ist, wird die Schockwelle empfangen, nachdem die Schockwelle durch den Boden gegangen ist. Falls sich eine Störung wie ein Luft-Hohlraum oder eine metallische Rohrleitung oder irgendein anderes Objekt zwischen den beiden Bohrlöchern befindet, wird die Schockwelle durch die Störung gestreut und das Signal an der Empfängerleitung wird in Abhängigkeit von dem Ort des Objekts eine Anomalie aufweisen.
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Der Ort des Objekts hängt mit der Zeitverzögerung zusammen, die das Signal benötigt, um von dem Sender durch die undichte Übertragungsleitung, durch den Boden und das Objekt zu der Empfangsleitung und in den Empfänger überzugehen. Der Ort des Objekts kann durch eine Überkreuzung zweier derartiger Signale genau bestimmt werden.
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Dieses Verfahren weist die folgenden Vorteile gegenüber der herkömmlichen Bohrloch-Tomographie auf:
- 1. Es besteht keine Notwendigkeit, den Sender und den Empfänger die Bohrlöcher mechanisch herunterzubewegen. Dieses Verfahren spart Bedienungszeit, da der Ort auf Grundlage der Zeit implementiert wird, zu dem das Signal empfangen wird.
- 2. Ähnlich zu dem Vorstehenden, kann das Verfahren kontinuierlich (z. B. in einem Modus mit wiederholen Impulsen) verwendet werden, um unterirdische Veränderungen in Echtzeit zu erfassen.
- 3. Das System der Erfindung weist eine bessere Richtungsabhängigkeit auf, da die Schockwelle, die durch die verteilte Langdrahtantenne erzeugt wird, sich konisch ausbreitet, wohingegen sich eine Welle von einer räumlich konzentrierten bzw. Punkt-Antenne kugelförmig ausbreitet. Dieses kann längere bzw. größere Eindringentfernungen bereitstellen.
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Im Vergleich zu Verfahren, bei denen sich mindestens ein Teil des Systems im Untergrund befindet, setzt die vorliegende Erfindung eine einfache passive Gerätetechnik (einfach eine Übertragungsleitung) unter der Erde ein, wodurch die Zuverlässigkeit und die Überlebensfähigkeit erhöht wird, es einfacher zu warten ist, und Bohrlöcher von kleinerem Durchmesser erforderlich sind.
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Das Folgende ist eine Liste von nicht-beschränkenden Merkmalen der vorliegenden Erfindung:
Zwei verteilte Antennen werden in Bohrlöchern platziert. Eine sendet ein Signal und ist mit einem ihrer Enden mit einem Sender verbunden und eine empfängt ein Signal und ist mit einem ihrer Enden mit einem Empfänger verbunden. Ein elektromagnetischer Impuls wird in eine der Leitungen eingespeist. Der Impuls tritt nach und nach aus. Falls die Ausbreitungsgeschwindigkeit in der Leitung größer ist als die Ausbreitungsgeschwindigkeit in dem Boden, wird eine Schockwelle durch den Boden gesendet. Die Schockwelle wird in der anderen Leitung empfangen.
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Es werden mehr als zwei verteilte Antennen verwendet, wobei sich jede in ihrem Bohrloch befindet. Zu einem Zeitpunkt wird nur eine Antenne als ein Sender verwendet, während die anderen als Empfänger dienen. Die Funktion des Senders/Empfängers kann während der Arbeit zwischen den Antennen gewechselt werden.
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Der Sender und Empfänger ist mit der (den) Leitung(en) verbunden. Ein Satz von Schaltern verbindet den Sender oder Empfänger mit einem der Enden der Leitung(en). Der Sender und der Empfänger können die Plätze tauschen. Das System kann unter der Erde einen horizontalen Aufbau anstelle eines vertikalen Aufbaus aufweisen oder irgendeinen andern (z. B. geneigten) Pfad aufweisen. Alternativ kann sich ein Kabel unter der Erde befinden und das andere kann sich über der Erde befinden.
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Elektromagnetische Pulse werden durch einen anderen Satz von Signalen dargestellt (zusammengesetzt und zerlegt), wie mit einem Fourier-Verfahren. Daher kann der Sender beispielsweise frequenzmodulierte Signale senden und der Empfänger kann diese Frequenzen unterscheiden und dann das Äquivalent eines einzelnen Impulses aufbauen.
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Die Enden der Kabel können offen/kurzgeschlossen/abgeschlossen sein/oder irgendeine andere Impedanz aufweisen, um die Reflexionen von dem anderen Ende zu steuern.
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Die vorliegende Erfindung wird vollständiger durch die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen verstanden und erkannt werden, wobei:
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1 eine vereinfachte Schnittdarstellung eines Systems zum Erfassen von unterirdischen Anomalien unter oder in der Erde bzw. dem Boden, einschließlich zweier Bohrlöcher, die sich bis zu einer Tiefe in den Boden erstrecken, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
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2 eine vereinfachte Darstellung eines zweidimensionalen Modells zum Simulieren des Systems von 1 durch die Finite-Differenzen-Methode in der Zeitdomäne gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist; und
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3 eine vereinfachte Darstellung einer Schockwelle, die sich entlang der Sendeleitung ausbreitet, wenn ein elektrischen Impuls an ihr angelegt wird, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
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Es wird auf 1 Bezug genommen, die ein System zum Erfassen unterirdischer Anomalien unter oder in der Erde bzw. dem Boden darstellt, einschließlich zweier Bohrlöcher, die sich bis zu einer Tiefe in den Boden erstrecken, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Erfindung verkürzt den zeitintensiven Vorgang des Lokalisierens von unterirdischen Anomalien durch das Bohrloch-Tomographie-Verfahren.
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Eine verteilte bzw. dezentrale Antenne 10 (ebenfalls undichte Übertragungsleitung 10 genannt) ist in jedes Bohrloch 12 eingesetzt. Ein Sender 14 ist mit einer der verteilten Antennen 10 verbunden und ein Empfänger 16 ist mit der anderen verteilten Antenne 10 verbunden. Der Sender 14 erzeugt einen elektronischen Impuls, der sich durch die Leitung (Antenne 10) ausbreitet. Das Signal tritt aus der Antenne 10 aus, während es sich ausbreitet. Die Leitung ist so ausgewählt, das die dielektrischen und magnetischen Konstanten kleiner sind als die des Bodens und daher die Geschwindigkeit der Ausbreitung der elektromagnetische Welle durch die Leitung größer ist als die Geschwindigkeit der Ausbreitung der elektromagnetische Welle durch den Boden. Daher wird eine Schockwelle entlang der Leitung aufgebaut, während sich der Impuls entlang ihr ausbreitet. Diese Schockwelle breitet sich konisch aus, tastet die Erde bzw. den Boden ab, und ein Teil von ihr koppelt an die andere Übertragungsleitung. Ein Signal wird an dem Empfänger 16 erscheinen. Falls der Boden eine Störung (Anomalie) zwischen den zwei Bohrlöchern aufweist, wird die Schockwelle an ihr gestreut and das empfangene Signal wird eine Signatur aufweisen, die mit der Gestalt und dem Ort der Störung zusammenhängt. Ein Prozessor 20 lokalisiert die Anomalie als eine Funktion einer Zeitverzögerung der Störung im Verhältnis zu dem gesendeten Signal.
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2 zeigt ein zweidimensionales Modell zum Simulieren dieser Idee durch die Finite-Differenzen-Methode in der Zeitdomäne. Die Z-Abmessung weist nach unten in den Boden. Die verteilten Antennen werden durch eine Parallelplatten-Übertragungsleitung (parallel-plate transmission line) dargestellt, wobei eine der Platten in jeder Leitung Kopplungslöcher darin aufweist. Der Abstand der Kopplungslöcher (in Bezug auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit) sollte kürzer sein als die Anstiegs- und Abfallzeit des Pulses. Der Puls wird in das linke Ende der unteren Leitung eingespeist, die mit Tx gekennzeichnet ist. Der empfangene Impuls wird an dem linken Ende der oberen Leitung gemessen. Die Leitung ist in dieser Darstellung mit Luft gefüllt, d. h. die relative Permittivität und Permeabilität sind gleich der Einheit bzw. eins. Der Boden und die Anomalie werden durch verschiedene elektromagnetische Eigenschaften dargestellt und können ebenfalls Leitfähigkeitsverluste einschließen. Die Grenze des Rechenraumes wird durch das Verfahren der perfekt abgestimmten Lage (perfectly matched layer method) formuliert (das in dem Feld der Wellengleichungen, insbesondere für Maxwell-Gleichungen, wohlbekannt ist), um die Wellen außerhalb des Bereichs der zwei Linien zu absorbieren.
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3 zeigt die Schockwelle, die sich entlang der Sendeleitung entwickelt, wenn ein elektrischer Impuls auf sie angewendet wird. Diese Welle wird durch die Anomalie gestreut, die durch die kreisförmige Form bei z = 8 und y = 4 dargestellt ist.
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Die Finite-Differenzen-Methode in der Zeitdomäne wurde verwendet, um diese Simulation zu erhalten. Das Verfahren basiert auf einer Diskretisierung der Maxwell-Gleichungen in Zeit und Raum.
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Es wird erkannt werden, dass verschiedene Merkmale der Erfindung, die zur Klarheit in dem Zusammenhang von getrennten Ausführungsformen beschrieben sind, ebenfalls in Kombination in einer einzelnen Ausführungsform bereitgestellt werden können. Ungekehrt können verschiedene Merkmale der Erfindung, die zur Kürze in dem Zusammenhang einer einzelnen Ausführungsform beschrieben sind, ebenfalls getrennt oder in einer geeigneten Teilkombination bereitgestellt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5185578 [0005]
- US 4742305 [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- D. Grischkowsky, I. N. Duling, III, J. C. Chen, and C.-C. Chi, ”Electromagnetic shock waves from transmission lins”, Physical Review Letters, vol 59, Seiten 1663–1666 (1987) [0006]
