DE1623565C - Seismisches Untersuchungsverfahren und Vorrichtung mit durch Energieimpuls senen erzeugten Erschutterungswellen - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein seismisches Unter- rungswellen die Funkenstrecke 2- bis 4mal je Sekunde

suchungsverfahren zur Bestimmung reflektierender auszulösen. Auch dort beginnt jedoch die Registrie-

Schichten in einem Medium, bei dem ein Signal aus rung jeweils mit dem ausgesendeten Impuls und

einer Folge von durch Energieimpulsserien erzeugten zeichnet die auf diesen Impuls zurückzuführende

Erschütterungswellen mit einer Sendedauer, die grö- 5 Echoserie auf. Bei einer 4maligen Auslösung je

ßer ist als die der untersten der gesuchten reflek- Sekunde ergibt sich somit eine Empfangszeit' von

tierenden Schichten entsprechende Laufzeit, von einem 250 ms, da bei einer längeren Empfangszeit eine

einzigen Sendepunkt abgestrahlt wird und nach Überlagerung mit der dem nächsten gesendeten Im-

Reflexion an den reflektierenden Schichten von Meß- puls entsprechenden Echoserie auftreten würde. Die

fühlern aufgenommen und zur Auswertung nach io maximale Untersuchungstiefe ist somit auf 600 m

einem Korrelationsverfahren aufgezeichnet wird. begrenzt. Die gegenüber den anderen vorbekännten

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung Verfahren relativ rasche Impulsfolge trägt dabei nicht

zur Durchführung dieses Verfahrens. etwa zu einer Erhöhung der Auflösung bei, sondern

Bekanntlich beruhen seismische Untersüchungs- gibt lediglich die Möglichkeit, eine nahezu kontiverfahren darauf; daß von einem Sender erzeugte 15 nuierliche Aufzeichnung des Profils in horizontaler mechanische Erschütterüngswellen in das jeweilige Richtung zu erhalten; derartige Vorrichtungen wer-Medium eindringen und nach Brechung und/odei den nämlich für gewöhnlich von Schiffen aus einteilweiser Reflexion an den verschiedenen Schichten gesetzt und dienen zur Ermittlung des Verlaufs, der in zeitlicher Staffelung, also zerlegt in einzelne Korn- Schichtung des Meeresbodens nicht etwa fiür an ponenten bei einer oder mehreren Empfangsstellen. 20 einem einzigen Punkt, sondern in einem ganzen den sogenannten Geophonen, eintreffen. Aus der Gebiet, wofür zweckmäßig an Stelle der langwierigen Laufzeit der einzelnen Komponenten, die sich aus Punkt-zu-Punkt-Messung eine kontinuierliche Aufdem Zeitunterschied zwischen Sendezeitpunkt und zeichnung verwendet wird,- bei der das Schiff sich Empfangszeitpunkt ergibt, läßt sich die Lage der mit gleichbleibender Geschwindigkeit bewegt und zugehörigen Schicht, an der die betreffende Kompo- 25 eine Vorrichtung der soeben beschriebenen Gattung nente reflektiert wurde, ermitteln. an Bord hat, welche Impulse in relativ rascher

Die Erschütterungswellen werden vielfach durch Aufeinanderfolge auszusenden vermag.

Detonation eines Sprengstoffes erzeugt. Hierbei wird Aus der USA.-Patentschrift 2 989 726 ist es be-

jedoch nur ein einziger und zudem ungerichteter und kanntj an Stelle einzelner Energieimpulse mit einer

oberwellenreicher Impuls erhalten, der die Auswer- 30 Folgedauer, die größer ist als die der untersten der

tung der empfangenen Signalkomponenten erschwert. gesuchten reflektierenden Schichten entsprechende

Um zumindest eine bessere Bündelung der ab- Laufzeit; ein Signal aus einer Folge von durch gestrahlten Erschütterungswelle zu erreichen, wurde Energieimpulsserien erzeugten Erschütterüngswellen bekanntlich mit der britischen Patentschrift 826 932 zu verwenden, dessen Sendedäuer, größer ist als die bereits vorgeschlagen, eine Anzahl mechanischer 35 maximal in Betracht kommende Laufzeit. Im Unter-Signalgeneratoren zu verwenden, deren gegenseitige schied zu allen anderen vorstehend behandelten Anordnung und zeitversetzte Auslösung durch die seismischen Untersuchungsverfahren handelt es sich Art der zu erzeugenden Welle bzw. deren Bündelung also dabei nicht um ein kurzzeitiges Einzelsignal, bestimmt wird. Dieses vorbekannte Verfahren ar- sondern der Sender gibt eine Impulsserie mindestens beitet somit nicht von einer Folge von Erschütte- 40 während der ganzen als Maximallauf zeit ia Beträcht rungswellen, sondern nur mit einer einzigen Welle, kommenden Zeitdauer ab. Die Impulsserie ist dabei die durch Überlagerung der von den einzelnen Signal- nicht periodisch, d. h., daß sich während der Sendegeneratoren abgegebenen Einzelwellen entsteht. dauer die Frequenz, die Amplitude oder das Tast-

Aus der Zeitschrift The Oil and Gas Journal, verhältnis der einzelnen Impulse ändern. Durch die

3. 1. 1966, S; 54 und 55, ist auch bereits die Ver- 45 fortlaufende Überlagerung der auf verschiedenen

wendung eines mit einem zündfähigen Gasgemisch Wegen eintreffenden Einzelimpulse am Empfangsort

gefüllten deformierbaren Balges aus elastischem Ma- ist zwar bei diesem Verfahren eine unmittelbare

terial an Stelle von Sprengstoff zur Erzeugung von Entnahme der Laufzeit aus der Aufzeichnung der

Erschütterungswellen bekannt. Durch diese Vorrich- empfangenen Signale nicht möglich, sondern es muß

turig wird jedoch lediglich die Ausübung des Ver- 50 hierzu ein Korrelätionsverfähren angewendet werden,

fahrens insbesondere unter dem Sicherheitsgesichts- Hierzu wird ein unmittelbar vom Sendesignal abge-

punkt verbessert; Erschütterungswellen, deren Sende- leitetes Bezugssignal schrittweise um feste Beträge

dauer größer ist als die der untersten der gesuchten gegenüber dem Empfangssignal phasenverschoben

reflektierenden Schichten entsprechenden Laufzeit, und bei jedem Schritt mit diesem multipliziert und

lassen sich damit jedoch ebensowenig erzeugen wie 55 das Produkt integriert. Das Ergebnis ist die Korrela-

bei der Verwendung von Sprengstoff. tionsfunktion, deren Maximum bei einer ganz be-

Das gleiche gilt für das aus der Zeitschrift World stimmten Phasenverschiebung zwischen Sendesignal

Oil, April 1964, S. 107 bis 110, bekannte Verfahren, und Empfangssigfial auftritt, welch letzteres dann der

wobei es keine Rolle spielt, daß hier die Erschütte- zugehörigen Laufzeit entspricht. Bekanntlich ist es

rungswellen durch zwei gleichzeitig ausgelöste Unter- 60 mit derartigen Korrelationsverfahren möglich, den

wasser-Funkenstrecken erzeugt werden. Die Zeiten Rausch- oder Störabstand eines empfangenen Signales

zwischen zwei aufeinanderfolgenden Auslösungen zu verbessern, wobei die Verbesserung der Integra-

sind nämlich auch bei diesem Verfahren länger als tionsdauer proportional ist. Nachteilig an diesem

die Laufzeit der mechanischen Wellen im zu unter- vorbekannten Untersuchungsverfahren ist jedoch die

suchenden Medium. 65 durch das Korrelationsverfahren bedingte langwierige

Nun ist es zwar aus der Zeitschrift World Oil, und zeitraubende Auswertung der am Empfangsort

April 1959, S. 107 bis 110, bekannt, bei einer der- aufgezeichneten Signale,

artigen Vorrichtung zur Erzeugung der Erschütte- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein

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seismisches Untersuchungsverfahren der einleitend F i g. 2 eine teilweise im Blockschaltbild gehaltene

angegebenen Gattung zu schaffen, bei dem die zeit- Darstellung einer weiteren Ausführungsform der

liehe Aufeinanderfolge der Erschütterungswellen so Vorrichtung,

gewählt ist, daß die Durchführung der Korrelation Fig. 3 das Schema eines Elementarimpulses,

mit den empfangenen Signalen in kurzer Zeit mög- 5 Fig. 4 das durch gleichzeitige sowie gestaffelte

lieh ist und damit Zeit bei der Signalauswertung Impulssendungen (Elementarimpulse) gewonnene

eingespart wird. Signal,

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt bei dem hier F i g. 5 eine andere Kombination von nach dem

vorgeschlagenen Verfahren erfindungsgemäß da- erfindungsgemäßen Verfahren gesendeten-Impulsen,

durch, daß die Erschütieruhgswellen zeitlich derart iö F i g. 6 eine weitere Kombination von Impulsen

gestaffelt sind, daß ihre Frequenz sich in der gleichen zur Ausarbeitung des in F i g. 5 erwähnten Signals,

Weise ändert wie die Lichtstärke entlang eines Inter- Fig. 7 eine Kombination von Elementarsignalen

ferenzbildes in einem System Newtonscher Ringe. für die Optische Korrelation und die resultierende

Hierdurch gelingt es, bei der Auswertung die HuIIkUrVe*

Signale durch optische Transformation in Newtonsche 15 F i g. 8 die Anwendung des Betriebsgeräts züi Ringe zu überführen* welche bei Beleuchtung mit Seildung voH Signalen zur Meereserforschung·
kohärentem Licht einen einzigen Beugüngsfleck er- F i g. 9 zeigt schließlich die Anwendung des gegeben, was gleichbedeutend mit einer unmittelbaren nannten Betriebsgeräts für die Erdknistenefforschung. Signalkompression ist. Das erfindungsgemäße Ver- Ih Fig. 1 wurde bei 1 eifi Mägfietbänd-Abtästfahreh schafft sonach die Voraussetzungen zur Aus- ab gerät-dargestellt. Auf einem Magnetband 2 werden Wertung der erhaltenen Signale nach einem beson- Symbole eingeschrieben^ die bei der Abtastung durch deren optischen Köfrelationsverfahren, das wesentlich den Abtastkopf 3 elektrische Impülssignale liefern, rascher vonstatteri geht als die elektronische Korre- Das Magnetband 2 läuft unter den! Abtastkopf 3 latioii bei dem.zuletzt genahnten bekannten Unter- durch, dem ein Verstärker 6 nachgeschaltet ist. Die süchungs- bzw. Auswerteverfahren. ig Magnetbänder werden von den Spülen 4 und 5 äöge-

Wie bereits erwähnt, ist es auch auf andere Weise trieben, wovon die eine als Antriebsspule wirkt und als durch Änderung der Frequenz möglich, ein nicht- die andere frei läuft. Die am Ausgang des Verperiodisches* aus ImpUlsserien bestehendes Signal stärkers 6 erscheinenden Signale werden mit Hilfe mit einer über der maximalen Laufzeit liegenden eines Wählers 7 zwei öder mehreren symmetrischen Dauer zu erhalten. Nach einer Abwandlung des 30 Signalformungsstufen 8 urid 9 zugeführt. Die Stufe 8 erfindungsgemäßen Verfahrens gelingt dies z.B. da- empfängt ein erstes Signal vom Magnetband, während durch, daß die Amplitude der Erschütterüngswellen ein zweites Signal einer zweiten Stufe 9 zugeführt veränderlich ist und die Verteilung deren Minima wird, die parallel zur ersteh angeordnet ist, wobei und Maxima der Minima- und Maximaverteilung die Auswahllenkung zur einen Oder anderen Signalder Lichtstärke entlang eines Durchmessers eines 35 formungsstufe vom Wähler 7 vorgenommen wird: Die Interferenzbildes in einem System Newtonseher von der Signalföröiurtgsstufe körnmenden und geeich-Ringe ähnlich ist. ten Impulse werden über eine Leitung 10 einer

Nach einer weiteren zweckmäßigen Abwandlung Steuerfunkenstrecke 11 zugeführt, in der diese einen

des Verfahrens kann das gleiche Ergebnis auch da- schwachen Funken erzeugen. Dieser Funke bewirkt

durch erreicht werden, daß die den Symmetrieachsen 40 die Leitfähigkeit dieser Funkenstrecke und löst die

der Erschütterungswellen entsprechenden Zeitpunkte Entladung einer Kondensätörenbatterie 12 aus, wo-

einerseits und die die Erschütterungswellen trennen- durch es zu einer Fünkenseiidung zwischen deü

den Unterbrechungszeiträume andererseits in der beiden Elektroden 13 kömmt.

gleichen Weise verteilt sind wie die Maxima und In der gleichen Zeit, in der der Impuls der Steüer-

Minima der Lichtstärke entlang eines Durchmessers 45 funkenstrecke 11 zugeführt wird, wirkt der Impuls

eines als Newtonsche Ringe bekannten Interferenz- auf eine Verzögerungsstüfe 14, die beispielsweise

bildes. durch eine rilönöstäbile Kippstufe dargestellt wird.

Eine zweckmäßige Vorrichtung zur Durchführung Im weiteren Verlauf wird der verzögerte Impuls über

des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht aus die Leitung 15 einem Heißkathoden-Thyrätfon zü-

einer elektrischen Spahnungsquelle, einem Hoch- 50 geführt und öffnet dieses.

spannungstransformator mit nachgeschaltetem Gleich- In gleicher Weise wird auch das folgende Signal

richter, Vorrichtungen zur Speicherung elektrischer der Signalförmungsstufe 9 und anschließend der

Energie sowie aus Schaltelementen zur zeitweiligen Stfeüertünkenstrecke 18 zugeführt* wonach es zu einer

Unterbrechung der Verbindung zwischen den Spei- Entladung einer Kondensatorenbätterie 19 über die

chervorrichtungen und dem Ausgang des Hoch- 55 Elektroden 2Ö kommt. Das gleiche Und durch eine

Spannungstransformators, ferner Schaltungen zur monostabile Kippstufe 21 verzögerte Signal wird

Funkenauslösung und Funkengeneratoren und zeich- über eine Leitung 22 einem Thyratron 23 zugeführt,

net sich dadurch aus, daß das Produkt aus der Der GleiChrichtertrartsformätor 24 besteht aus

wirksamen Kapazität der Elektroden der Speicher- einem Drehström-Aufwärtstransforrnätor, eineni von

vorrichtung und dem Elektrodenwiderstand zwischen 60 Festdiöden hoher Spanöühgsfestigkeit gebildeten

1O³ und 1O⁵S liegt. Gleichrichter, einem DroSselfilter und einer Koriden-

In der Zeichnung ist das Verfahren nach der Er- sätorenbätterie. Dieser Transformator liefert ' eine

findung sowie die Vorrichtung zu dessert Durchfüh- Spannung von 11 kV.

rung an Hand von Ausführüngsbeispielen und er- Bei einem bevorzugten Aufbau befinden sich die

läuternden Diagrammen veranschaulicht. Es zeigt 65 Elektroden 13 und 20 zueinander in geringer Erttfer-

F i g. 1 das Blockschaltbild einer bevorzugten Aus- nüng in einem Block aus isolierendem. Material,

führungsform der Vorrichtung zur .Durchführung Außerdem sind die Steüerfünkenstrecken mit einer

>des Verfahren, Ventilation versehen* die nach der Kondensatoren-

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Entladung eine Durchwirbelung der ionisierten Luft diese Signale im Verhältnis zueinander in Koinzidenz

bewirkt. oder phasenverschoben auftreten und diese Koinzi-

Die grundsätzliche Arbeitsweise des in Fig. 1 ge- denz oder Phasenverschiebung wiederum durch die

zeigten Betriebsgeräts läßt sich wie folgt zusammen- Koinzidenz oder Phasenverschiebung der auf dem

fassen: . 5 Magnetband 2 eingeschriebenen Symbole gesteuert

Bei 25 wird einem Wechselrichter eine Wechsel- wird. Hieraus ist nunmehr erkennbar, daß die zwi-

spannung zugeführt, die in eine Spannung von sehen den Elektroden 13 und den Elektroden 20

380 V, 50 Hz umgeformt wird, wobei die Leistung auftretenden Funken entweder in Koinzidenz oder

des Wechselrichters 50 kW beträgt. phasenverschoben auftreten.

Der Gleichrichtertransformator 24 liefert an seine io F i g. 2 zeigt ein weiteres Anwendungsbeispiel eines Klemmen eine sehr hohe Spannung von 11 kV. Diese erfindungsgemäßen Betriebsgeräts. Bei 25 liegt eine Spannung wird einem Ladekreis einer Konden- Wechselspannungsquelle, die mit einem Aufwärtssatorenbatterie 19 zugeführt, die mit einem Heiß- transformator 24 verbunden ist, an dessen Ausgang kathoden-Thyratron sowie einer Verdopplerdrossel ein eingebauter Gleichrichter eine Spannung von ausgerüstet ist, wovon letztere mit der Kondensatoren- 15 beispielsweise 22 kV abgibt. Eine der Ausgangsbatterie 19 in. Reihe verbunden ist. Die Zwischen- klemmen dieses Transformators ist mit Masse verschaltung der Drossel hat zur Folge, daß die Kon- bunden, während die andere Klemme mit einem densatorenbatterie wie ein Resonanzkreis arbeitet, Spannungsabgreifer 29 a verbunden ist. Dieser Spanier eine Spitzenspannung von 22 kV liefert. Diese nungsabgreifer berührt eine Reihe von Leiterschienen, Spannung .wird' allerdings durch die Thyratrons 16 20 die auf einer Trommel 23 liegen, wobei diese Trompnd 23 gesperrt.; Sobald nun. jiiese Thyratrons 16 mel von einem Elektromotor 26 angetrieben wird, der und .23 leitend geworden sind, verwendet man diese den Strom von der Spannungsquelle 25 erhält. Berührt Spannung.zür Aufladung der Kondensatorenbatterien der Spannungsabgreifer 29a eine der von der Trom-12 und 19. ,...; , :; mel 28 getragenen Leiterschienen, z.B. die Schiene

■ Erreicht nun .ein auf dem Band 2 eingeschriebenes 25 28 a, so wird diese vom Strom durchflossen. Der Symbol den'Abtastkopf 3, so erzeugt es einen elek- mit der Schiene 28a zur gleichen .Zeit mit dem irischen: Impuls, der durch 6 verstärkt wird und der Spannungsabgreifer 29 a. in Berührung kommende Signalformüngsstufe 8 zur Verfügung steht. Im An- Spannungsabgreif er 29 b empfängt diesen elektrischen Schluß daran läßt dieses Signal die Steuerfunken- Strom und verwendet diesen zur Ladung einer Konstrecke 11 leitend werden, woraufhin die in der 30 densatorenbatterie, z. B. der Batterie 19. Der Motor Kondensatorenbatterie 12 gespeicherte Spannung von 26 bewegt eine Scheibe 26 a, auf der sich eine Anzahl 22 kV zu den beiden Elektroden 13 gelangt. Zwi- Kontakte befinden, die gegenüber den Schienen 28 α. sehen den Endpolen der beiden in einer isolierenden 28 b, 28 c, 28 d versetzt sind. Ein Schaltschütz 26 b, Keramikmuffe befindlichen Elektroden tritt nunmehr das mit der Spannungsquelle 25 verbunden ist, beein Funke mit einer Stärke von 100 Joule auf, wo- 35 rührt die Scheibe 26 α, auf die ebenfalls ein zweites durch die 0,41-Mikrofarad-Kondensatoren entladen Schaltschütz 26 c wirkt. Verbindet eine auf der werden. Die Entladezeit beträgt in der Regel 1 bis Scheibe 26 a liegende Brücke die Schaltschütze 26 b 100 Mikrosekunden. . und 26 c, so fließt ein Strom, der die mittlere Elek-Nach einer gewissen von der Verzögerungsstufe 14 trode der Zündvorrichtung 27 polarisiert. Diese bestimmten Zeit wird das elektrische Steuersignal 40 Polarisationsspannung bewirkt die Entladung des dem Thyratron 16 zugeführt, das hierdurch öffnet Kondensators sowie die Bildung eines Funkens zwi- und leitend wird. Der Gleichrichtertransformator 24 sehen den beiden Elektroden 30. Zwischen dem lädt nunmehr die Kondensatorenbatterie 12 so lange Spannungsabgreifer 26 c und der Zündvorrichtung 27 auf, wie der Ladestrom noch über dem Strom liegt, liegt. ein UND-Gatter 27 a, das vom Abtastgerät 3 der dem direkten Haltestrom des Thyratrons 16 ent- 45 gesteuert wird. Die von diesem Gerät gelieferte spricht. Die Steuerelektrode dieses Thyratrons 16 ist Spannung öffnet das UND-Gatter 27 α bei Abtastung außerdem ständig negativ polarisiert, und zwar durch eines auf dem Band 2 eingeschriebenen Signals. Wird eine Spannung, deren Wert unter dem der Spannung hingegen auf dem Band kein Signal angetroffen, so liegt, die vom von 6 kommenden Signal geliefert wird keine Spanung zum UND-Gatter 27 a geliefert, wird. Auf diese Weise ist nunmehr das Thyratron mit 50 Das in Fig. 2 dargestellte Betriebsgerät arbeitet großer Sicherheit gesperrt und jegliche ungewollte in der nunmehr beschriebenen Weise: Dreht sich die Zündung: der Hochspannungsquelle ausgeschlossen. die Leiterschienen tragende Trommel 28 infolge des Die Arbeitsweise der zweiten Sendeeinheit ist mit Antriebs durch den Motor 26, so lädt sich der Konder der ersten Einheit identisch. densator 19 in dem Augenblick auf, in dem die . Hiervon abgesehen, wurden zwei Einheiten dar- 55 Spannungsabgreifer 29 α und 29 b eine. Leiterschiene, gestellt, zwischen die eine große Anzahl von Sende- z.B. 28a, berühren. Die Aufladung wird in dem einheiten geschaltet werden können. Ferner wird Augenblick beendet, in dem der Kontakt der Spanaus dieser Darstellung deutlich, daß man der Erfin- nungsabgreifer 29 α und 29 & mit einer Leiterschiene dung entsprechend über ein Gerät verfügt, das in- unterbrochen wird. Während dieser Aufladeunterfplge der hohen Funkenzahl in der Lage ist, Signale 60 brechung wird mit Hilfe der auf der Scheibe 26 a hoher Energie auszusenden. (Antrieb durch Motor 26) liegenden; Leiter —- vor-. Bei einem speziellen Aufbau kann das Magnetband ausgesetzt, daß einer dieser Leiter mit den Spannungsmehrere Spuren besitzen, wobei jede Spur als Adresse abgreifern 26 b und 26c Kontakt bildet — das EIeeine Kette von Kondensatoren sowie Lade- und ment 27 polarisiert, das wiederum die Entladung des Entladeelemente besitzt. „ 65 Kondensators 19 auslöst, wodurch ein Funke ent-

. Das erfindungsgemäße Betriebsgerät ermöglicht steht. Das ständig arbeitende System ermöglicht

insbesondere die Aussendung von Signalen mit Hilfe demnach die Aussendung von Funken nach einer

zweier Kondensatorenbatterien 12 und 19, wobei von der Motorgeschwindigkeit abhängenden Takt-

folge. Nachdem diese Geschwindigkeit verändert werden kann, ist es demnach ebenfalls möglich, die Taktfolge der Funken jeweils einzustellen. Auf der Polarisationsleitung des Elements 27 befindet sich ein UND-Gatter 27 a, das den Polarisationsspannungsfluß so lange sperrt, solange auf dem zweiten Eingang dieses Gatters keine Spannung vorliegt. In gleicher Weise kann auch bei geschlossenem Gatter 27 kein Spannungsfiuß für die Entladesteuerung auftreten, und das Fehlen eines Steuerimpulses hat das Aussetzen der Funkenbildung zur Folge, d. h., es entsteht ein Unterbrechungsintervall. Gelangt eine Spannung an das UND-Gatter 27 a, so öffnet dieses und die Steuerung der Zündvorrichtung 27 verläuft nunmehr in gewohnter Form, d. h., es werden Impulse empfangen.

Es besteht die Möglichkeit, zwei oder mehrere Betriebsgeräte zu kombinieren, wobei die verschiedenen Motoren 26 synchronisiert werden können. Hierdurch erhält man gleichzeitig auftretende Entladungsfunken sowie eine Amplitudenänderung der gesendeten Signale. Die Zeitintervalle, während denen die Gatter 27a der einzelnen miteinander verbundenen Geräte geöffnet sind, können unabhängig voneinander eingestellt werden, wodurch man die verschiedenen und das Sendesignal bildenden Erschütterungswellen beliebig modulieren kann.

Bei einer Variante der obengeschilderten Vorrichtung wurde auf die Spannungsabgreifer 29 a und 29 b verzichtet.

F i g. 3 zeigt die Stromkennlinie des Entladekreises in Abhängigkeit von der Zeit, wobei dieser Strom einen Elementarimpuls erzeugt, der die Anstiegszeit des Entladestroms ohne weiteres erkennen läßt, d. h. die Zeit, während der der über die Funkenstrecke gelangende Strom zunimmt. Außerdem wird die Abfallzeit entsprechend der Entladung der von den Kondensatoren 19 gebildeten Kapazität ersichtlich.

Dieser Elementar-Energieimpuls wird in der weiteren Beschreibung als »SONON« bezeichnet.

F i g. 4 zeigt eine Reihe von Impulsen, die von einem wie dem in F i g. 2 dargestellten Gerät ausgesendet werden, bei dem 10 Elektrodenpaare kombiniert wurden. Der erste dargestellte Energieimpuls entspricht der Sendung von fünf »Sonons«, d. h., daß 5 der 10 Geräte durch Öffnen der 5 UND-Gatter 27 a synchronisiert wurden. Der zweite Energieimpuls entspricht der Sendung von 6 Sonons, d. h., daß 6 von 10 Geräten durch Öffnen der 6 UND-Gatter 27 a synchronisiert wurden. Der dritte Energieimpuls entspricht der Sendung von 7 Sonons, der vierte der Sendung von 8 Sonons, der fünfte der von 9, der sechste der von 10, der siebente der von 9, usw.

Nach dem fünfzehnten Impuls, der der Aussendung eines einzigen Sonons entspricht, beginnt ein neuer Kreislauf, in dem ein, zwei, drei, vier Impulse ausgesendet werden, um eine entsprechend der zweiten in Fig. 4 dargestellten Gruppe gemäße Sendung zu erwirken. Im Anschluß daran wird noch eine dritte sowie eine vierte Gruppe gesendet. Bei dieser Sendung arbeiten die einzelnen Motoren 26 mit konstanter Geschwindigkeit, wodurch ebenfalls die Wiederholfrequenz der einzelnen Impulse konstant gehalten wird. Die Synchronisierung der UND-Gatter 27a übernehmen die auf dem Band 2 eingeschriebenen Symbole.

Nach einer gewissen Bodendurchlaufzeit stellt man fest, daß die, wie in F i g. 4 angegeben, ausgesendeten Elementardruckwellen nicht einzeln erscheinen, sondern eine Hüllkurve entsteht, die einer Sinuskurve ähnelt, deren Ordinatenachse um einen Wert gleich einer halben Amplitude nach unten verschoben ist, woraufhin alle Ordinaten positiv sind.

F i g. 5 zeigt eine weitere Impulsfolge, bei der während der ersten zehn Impulse ein einziges Gerät arbeitet, während der zehn folgenden Impulse zwei Geräte synchronisiert sind, während der zehn darauffolgenden Impulse drei Geräte synchronisiert sind; im Verlauf von weiteren zehn Impulsen sind nunmehr nur noch zwei Geräte synchronisiert und während der wiederum zehn darauffolgenden Impulse arbeitet nur noch ein einziges' Gerät. Auf diese Weis'e erzielt man eine Einheits-Erschütterungswelle, die sich im Boden fortpflanzt und von der man im wesentlichen die Hüllkurve empfängt, dadurch bedingt, daß der Boden sich gegenüber den Einheitsimpulsen wie ein Filter verhält. Diese Erschütterungswellenfolgen können aufeinanderfolgend wiederholt werden, wobei die Dauer dieser Wellenfolgen entsprechend der Öffnungs- und Schließzeit des UND-Gatters 27a verändert werden kann.

F i g. 6 zeigt eine Reihe von Impulsen, die vom in F i g. 2 dargestellten Gerät ausgesendet wurden, dessen Motorgeschwindigkeit (Motor 26) variiert. Die Drehbewegung des ,Motors steuert sowohl die Ladeais auch die Entladefrequenz des Kondensators 19, wie aus den in F i g. 2 ersichtlichen Angaben hervorgeht.

F i g. 7 zeigt das Sendeschema einer hinsichtlich der optischen Korrelation besonders vorteilhaften Impulsfolge. Eine erste Erschütterungswelle setzt sich aus vier Einheitsimpulsen zusammen, eine zweite Erschütterungswelle aus sechs Einheitsimpulsen, wobei zwischen diesen beiden Erschütterungswellen ein gewisses Unterbrechungsintervall liegt; eine gewisse Zeit nach der zweiten Erschütterungswelle wird eine dritte Erschütterungswelle ausgesendet. Während der dritten Erschütterungswelle werden neun Impulse ausgesendet, während der vierten schließlich 24 Impulse. Im Anschluß hieran kommt es zur Sendung einer fünften Erschütterungswelle der Dauer der dritten Welle und zu einer sechsten Erschütterungswelle der Dauer der zweiten und zu einer siebenten Erschütterungswelle der Dauer der ersten Welle. Die Dauer der Erschütterungswellen sowie die Unterbrechungsintervalle sind in der Weise gestaffelt, daß die Aufzeichnung bei optischer Dichte auf einem Film der in Fig. 7 dargestellten Erschütterungswelle einem Streifen entspricht, der aus einer Reihe von Newtonschen Ringen ausgeschnitten ist, wobei die Anzahl der genannten Impulse lediglich zur Erläuteterung erfolgte.

Die einzelnen Funken erzeugen Druckwellen, die sich zeitlich wiederholen. Auf diese Weise erhält man eine Reihe von Druckwellen, die als Erschütterungswelle bezeichnet wird. Die mittlere Dauer der Druckwelle sowie die Dauer der Unterbrechungsintervalle zwischen den einzelnen Erschütterungswellen können stark abweichen, und ihre Staffelung erfolgt lediglich mit Hilfe der' Symbole, die auf dem Magnetband eingeschrieben sind, das unter dem Abtastkopf 1 vorbeiwandert. ■

Aus dieser Darstellung geht insbesondere hervor, daß eine Erschütterungswelle innerhalb einer gewissen Zeit T ausgesendet werden kann. Diese Erschütterungswelle der Dauer T wird durch eine Folge von

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auf dem Magnetband 2 eingeschriebenen Symbolen Die Erfindung umfaßt gleichermaßen die Anwen-

geregelt. Nach Ablauf einer bestimmten Zeit kann dung des erfindungsgemäßen Betriebsgeräts auf die

nunmehr eine neue Erschütterungswelle gebildet wer- seismische Untersuchung des Erd- und des Meeres-

den. Bei dieser Zeit handelt es sich um ein gegebenes bodens.

Unterbrechungsintervall. Die Anzahl der Impulse 5 Die Anwendung auf den Meeresboden ist einfach, dieser neuen Erschütterungswelle wird ebenso wie die Die Elektroden befinden sich in einer gewissen Tiefe Gesamtzeit der Erschütterungswelle vorher festgelegt. und die Sendung erfolgt durch Schaffung eines Plas-Die Zeitdauer T' ist vollkommen unabhängig von der mas, aus dem wiederum Elementardruckwellen entZeitdauer T. Auf diese Weise können Erschütte- stehen. Beim Auftreffen auf dem Boden werden die rungswellen zu vorherbestimmten Zeitpunkten aus- io Druckwellen in Signale bestimmter Dauer umgewangelöst werden. In gewisser Entfernung vom Sende- delt und pflanzen sich im Meeresboden mit der ihnen punkt werden die Impulse nicht mehr mit der glei- eigenen Frequenz fort. Die hierzu verwendete Lei-^: chen Intensität aufgenommen, und zwar infolge des stung ist beträchtlich, denn jeder Elementarfunke Durchlaßbereichs des Mediums, eines bestimmten erzeugt beispielsweise 100 Joule; verwendet man Elastizitätsmoduls und einer gewissen Eigenperiode. 15 einen Sender mit 10 gekoppelten Ketten, so kann Man erhält somit ebenfalls eine Druckwelle, deren man während einer Sendedauer von einer Sekunde Gesamtdauer der Dauer der Erschütterungswelle ent- eine elektrische Leistung von 50 Kilojoule abspricht. In gleicher Weise empfängt man nunmehr die strahlen.

Hüllkurve der ausgesendeten Impulse, deren Ampli- Infolge der rechteckigen Form der ausgesendeten

tude gegenüber der der anderen Impulse in einem 20 Wellen weist das Signal eine steile Front auf und

Verhältnis vermindert ist, das sich nach dem Ver- kann somit leicht mit dem von einem Detektor bzw.

hältnis der Sende- und Ruhezeiten während der Seismographen empfangenen Signal korreliert wer-

Dauer der Erschütterungswelle richtet. den, und zwar nachdem dieses Signal von einem

Das Betriebsgerät arbeitet nunmehr wie ein NF- Spiegelreflektor bzw. Horizontalspiegel reflektiert

Sender, wobei die Frequenzdauer veränderlich und 25 wurde. Die Interkorrelationsfunktion des empfan-

nach Belieben einstellbar ist. Die Sende- bzw. Ruhe- genen und des gesendeten Signals kann von irgend-

zeiträume zwischen jeder Erschütterungswelle kön- einem Gerät, insbesondere mit Hilfe eines Rechners

nen beliebig lang gewählt werden. Insbesondere ar- herbeigeführt'werden, dem die Daten des vom Gene-

beitet dieses Betriebsgerät wie ein Sender sehr tiefer rator gesendeten Signals zugeführt werden, wobei

Frequenzen, dessen Bereich nach unten praktisch 30 das Signal zur Abbildung des übertragenen Signals

unbegrenzt ist. In gleicherweise kann dieses Betriebs- gefiltert werden kann und die Aufzeichnung des emp-

gerät auch als MF-Sender verwendet werden, mit dessen fangenen Signale ausdrücken und für die man eine

Hilfe Druckwellen einer Frequenz von über 1000 Hz wird, der sich im Meer befindet und die empfangenen

erzeugt werden können. Zudem ermöglicht die aus- Schwingungen in ein elektrisches Signal umwandelt,

gesendete Druckwelle einen sehr guten Wirkungsgrad. 35 Die Interkorrelationsfunktion komprimiert die

Analog zur Datenauswahl, bei der Momentwerte empfangenen Signale und ermöglicht die Bestimeiner Funktion ausgewertet bzw. die Funktion durch mung der Laufzeit der einzelnen Wellen. Diese Momentwerte ausgedrückt wird, kann man hier von Rechenoperation entspricht einer Ermittlung der Vereiner gestaffelten Sendung sprechen, d. h., beim Aus- Schiebung zwischen den beiden Funktionen, die die senden von Signalen eines bestimmten Wertes und 40 zu verschiedenen Zeitpunkten gesendeten und empzu bestimmten Zeitpunkten sendet man außer den fangenen Signale ausdrücken und für die man eine Elementarimpulsen eine Druckfunktion, deren maximale Kohärenz erhält. Der Sendezeitpunkt wird Periode durch die Sendezeit definiert wird. Es treten durch die Autokorrelationsfunktion des gesendeten hierbei demnach Niederfrequenzerscheinungen auf, Signals bestimmt. Die Laufzeit der mechanischen wobei hinzuzufügen ist, daß der Boden niedere Fre- 45 Bodenwellen erhält man durch Vergleich dieser beiquenzen besser überträgt, die überdies bei ihrer Fort- den Funktionen,
pflanzung weniger gedämpft werden. Die mechanischen Wellen können auf verschiedene

Hiermit werden die Vorteile des in F i g. 1 darge- Art ausgesendet werden. So kann man einmal wäh-

stellten Betriebsgeräts sowie seine Anpassungsfähig- rend einer bestimmten Zeit eine Wellenfolge mit fest

keit klar ersichtlich, insbesondere hinsichtlich der ₅₀ zugeordneter Frequenz aussenden und nach einer

Aussendung von ausgewählten Signalen unterschied- gewissen Zeit eine Wellenfolge unterschiedlicher Fre-

licher Stärken. . quenz nachsenden. Hierbei wird in der Weise verfah-

Mit Hilfe des die Symbole tragenden Magnetban- ren, daß die Wellenfolgen zu einem bestimmten des erfolgt nun die Koinzidenz oder Phasenverschie- Zeitpunkt, vorzugsweise zu Sendebeginn, in Phase bung der von verschiedenen Ketten gesendeten Si- 55 liegen. Dies wird durch Verwendung eines Prognale untereinander. Überlappt man bei einer Va- grammierbandes erreicht, woraufhin die empfanriante mehrere Sendeketten, so erwirkt man dadurch genen Signale addiert werden. Ein reflektiertes Sieine Sendung, die einem in geringer Entfernung vom gnal wird somit verstärkt, da alle mit der gleichen Sendegerät stehenden Betrachter als absolut gleich- Phase gesendeten Signale in Koinzidenz liegen und mäßig erscheint, vorausgesetzt, daß die Elementar- 60 da das seiner Natur nach ungewisse Grundgeräusch Unterbrechungszeiten der ersten Kette durch Sende- sich zumindest teilweise aufhebt. Man erhält somit Intervalle anderer Ketten ausgefüllt sind. eine Bestimmng des Horizontreflektors, die um so

Hieraus wird ersichtlich, daß bei Koinzidenz genauer ausfällt, je größer der Anteil der gesendeten

zweier Ketten zu einem bestimmten Zeitpunkt die mittleren Frequenzen ist. Dieses Verfahren ist inso-

Sendung eines Signals doppelter Amplitude erfolgt. 65 fern sehr interessant, da man die Horizontspiegel in

Das in F i g. 2 gezeigte Betriebsgerät bietet bei ständig angenäherter Form beobachtet. In gleicher

gleichen Vorteilen eine noch größere Anpassungs- Weise können auch Impulsfolgen bzw. Wellenfolgen

fähigkeit. verwendet werden, deren Programm die Frequenz-

staffelung bestimmt, wobei die Korrelationsfunktionen verwendet werden müssen.

Es wurde ein spezielles Sendeverfahren festgelegt, das sich für die optische Korrelation als besonders vorteilhaft erweist. Zur näheren Definition dieses Verfahrens sollten einige Begriffe der klassischen Physik eingeführt werden.

Es ist bekannt, daß beim Auftreffen eines kohärenten Lichtbündels auf einer aus einer reflektierenden Platte und einer durchscheinenden Kugelschale bestehenden Anordnung (die Kugelschale liegt hierbei an einem Punkt auf der Platte auf) eine Anzahl von Interferenzstreifen sichtbar wird, die als »Newtonsche Ringe« bezeichnet werden.

Bewegt man sich von dieser Ringdarstellung ausgehend entlang eines Durchmessers, so bemerkt man einen ständigen Wechsel der Lichtstärke, gemäß einem Gesetz, das wir als Gesetz der Newtonschen Ringe bezeichnen.

Bei einer Variante folgt das Gesetz der Intensitätsverteilung der Erschütterungswellen einem Gesetz Λ der Newtonschen Ringe.

^ Bei einer weiteren, einfacheren Anwendungsvariante ersetzt man die Erschütterungswellen veränderlicher Amplitude durch Erschütterungswellen konstanter Amplitude, die durch Unterbrechungsintervalle voneinander getrennt sind. Das Verteilungsgesetz der Medien jeder dieser Erschütterungswellen entspricht dem Verteilungsgesetz der Tntensitätsmaxima im Gesetz der Newtonschen Ringe und die Medien der Unterbrechungsintervalle entsprechen den Intensitätsminima des Gesetzes der Newtonschen Ringe.

Eine Anwendung auf die Geophysik der Erde ist möglich. Hierzu wird das Sendegerät, d. h. insbesondere der die beiden Elektroden enthaltende Isolierkörper, der mit den Kondensatoren und der Entladevorrichtung verbunden ist, in einen Hohlraum gebracht, der mit einer Flüssigkeit, z. B. Wasser, angefüllt ist. Die Signale gelangen somit in das Wasser und werden in den Boden übertragen. Die Verbindung zwischen zwei Punkten kann somit durch genaues Modulieren der ausgesendeten Wellen \ erfolgen, die sich infolge ihrer schwachen zu-' geordneten Frequenz über sehr große Strecken fortpflanzen.

F i g. 8 zeigt schematisch die Verwendung des erfindungsgemäßen Betriebsgeräts für die seismische Erforschung des Meeresbodens.

Auf dem Schiff 31 sind Stromquelle und Signalgenerator montiert und als Einheit mit der Kennziffer 32 bezeichnet. Ein Kabel 33 verbindet den Signalgenerator mit den in einem Isolierzylinder 34 liegenden Elektroden, wobei das Ende der Elektroden um einige Millimeter aus der Rückseite des Isolierzylinders 34 herausragt.

Sendet man bei 34 Signale aus, so entsteht wie vorher beschrieben eine Anzahl Funken, die ihrerseits mechanische Wellen erzeugen, die sich im flüssigen Medium 45 fortpflanzen. Die gleichen Wellen pflanzen sich nunmehr auch unter dem Meeresboden 44 fort, wobei die mit 35, 36 und 37 bezeichneten Bahnen beschritten werden. Nach Überschreiten der Mediumgrenze zwischen flüssigem Medium 45 und festem Untergrund 44 werden diese Wellen an einem Horizontspiegel 38 reflektiert. Diese reflektierten Wellen werden wiederum von den Seismographen 39, 40 und 41 erfaßt, die mit einer ■ Datenverarbeitungseinheit 42 verbunden sind, die die Aufzeichnung der von den Seismographen 39, 40 und 41 kommenden Signale vornimmt.

In F i g. 8 wurde die Datenverarbeitungseinheit auf

dem zweiten Schiff dargestellt, die jedoch in gleicher Weise auf dem ersten Schiff 31 untergebracht sein kann. Die Kennziffer 46 bezeichnet außerdem eine Welle, die von den Seismographen nicht erfaßt wird.

Die Arbeitsweise des verwendeten Betriebsgeräts

ist einfach: Die Wellenfolgen gelangen in das Medium 44 mit einer Verstärkung, die vom Anteil der Niederfrequenzwellen abhängt und gelangen als solche in den Meeresboden. Die gleichen Wellen werden am Horizontspiegel 38 reflektiert und von den Seismographen 39, 40 und 41 aufgenommen. Die Interkorrelationsfunktion des bei 31 gesendeten Signals sowie jedes bei 39, 40 und 41 empfangenen Signals führt zur zeitlichen Zusammenführung der verschiedenen und zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten bei 34 ausgesendeten mechanischen Wellen und bietet eine Darstellung, die einer solchen bei Empfang eines Impulssignals bei 39, 40 und 41 vergleichbar wäre. Die Verwendung dieser Interkorrelationsfunktionen und der Autokorrelationsfunktion ermöglicht die Bestimmung der Bodenlaufzeit der mechanischen WeI-len. Da andererseits die Wellengeschwindigkeit eine bekannte Größe ist, wird die Tiefe des Horizontspiegels 38 hieraus, abgeleitet.

F i g. 9 zeigt die Sendung eines vom erfindungsgemäßen Betriebsgerät verwendeten Signals für die Bodenuntersuchung.

Der Signalgenerator 50 sendet über die Kabel 51

Signale zum Sendekopf 52, der in einen mehr oder weniger großen Hohlraum (wassergefüllt) getaucht ist.

Vorzugsweise sollte der untere Teil dieses Hohlraumes unterhalb der verwitterten Oberflächenzone (»Wenthering zone«) liegen.

Nach Ingangsetzung des Signalgenerators 50 kommt es bei 52 zur Aussendung von Signalen, die im Boden gruppenweise mit einer niedrigen Frequenz übertragen werden.

Die Bezugsziffern 55 und 56 bezeichnen bevorzugte Bahnen der Wellenfolgen, die nach Reflektierung am Horizontspiegel 53 auf den Bahnen 57 und 58 zurückkehren und von den auf der Bodenoberfläche oder in gewisser Tiefe in den Hohlräumen aufgestellten Seismographen 63 und 64 empfangen werden. Eine Datenverarbeitungseinheit 65 analysiert die von den Seismographen 63 und 64 ausgesendeten elektrischen Signale. Die die Bahnen 59 und 60 einschlagenden Wellenfolgen werden ebenfalls von einem zweiten Horizontspiegel 54 reflektiert und werden nach Rückkehr über die Bahnen 61 und 62 von den gleichen Seismographen 63 und 64 aufgenommen, die mit der Datenverarbeitungseinheit 65 verbunden sind.

Die Zeitspanne zwischen der Ankunft der beiden in Koinzidenz gesendeten Signale ermöglicht die Bestimmung der Entfernung zwischen den beiden Horizontspiegeln 53 und 54. Diese Zeit ist um so genauer definiert, je größer die Genauigkeit der Interkorrelationsfunktion des empfangenen und des gesendeten Signals ist, d. h. je größer der Frequenzbereich der empfangenen Signale ist.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Seismisches Untersuchungsverfahren zur Bestimmung reflektierender Schichten in einem Medium, bei dem ein Signal aus einer Folge von durch Energieimpulsserien erzeugten Erschütte-

rungswellen mit einer Sendedauer, die größer ist als die der untersten der gesuchten reflektierenden Schichten entsprechende Laufzeit, von einem einzigen Sendepunkt abgestrahlt wird und nach Reflexion an den reflektierenden Schichten von Meßfühlern aufgenommen und zur Auswertung nach einem Korrelationsverfahren aufgezeichnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Erschütterungswellen zeitlich derart gestaffelt sind, daß ihre Frequenz sich in der gleichen Weise ändert wie die Lichtstärke entlang eines Durchmessers eines Interferenzbildes in einem System Newtonscher Ringe.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Erschütterungswellen veränderlich ist und die Verteilung deren Minima und Maxima der Minima- und Maximaverteilung der Lichtstärke entlang eines Durchmessers eines Interferenzbildes in einem System Newtonscher Ringe ähnlich ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erschütterungswellen voneinander durch Unterbrechungszeiträume getrennt sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die den Symmetrieachsen der Erschütterungswellen entsprechenden Zeitpunkte einerseits und die die Erschütterungswellen trennenden Unterbrechungszeiträume andererseits in der gleichen Weise verteilt sind wie die Maxima und Minima der Lichtstärke entlang eines Durchmessers eines als Newtonsche Ringe bekannten Interferenzbildes.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bestehend aus einer elektrischen Spannungsquelle (25),^: einem Hochspannungstransformator mit nachgeschaltetem Gleichrichter (24), Vorrichtungen zur Speicherung elektrischer Energie (19) sowie aus' Schaltelementen zur zeitweiligen Unterbrechung der Verbindung zwischen den Speichervorrich-Funkenauslösung und Funkengeneratoren, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt aus der wirksamen Kapazität der Elektroden der Speichergekennzeichnet, daß das Produkt aus der wirksamen Kapazität der Elektroden der Speichervorrichtung und dem Elektrodenwiderstand zwischen IO-³ und 10-⁵ s liegt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen