TEM mit kleinen Sende- und Empfangsspulen zur Detektion von UXO

Diplomarbeit von Matthias Müller

Zusammenfassung:

Diese Arbeit befasst sich mit Transientenelektromagnetik (TEM) unter Verwendung kleiner Sende- und Empfangsspulen. Übergeordnetes Ziel ist dabei die Entwicklung einer kompakten und mobilen Sende- / Empfangsspuleneinheit zur Detektion von UXO (UneXploded Ordnance).

Als UXO (UneXploded Ordnance) bezeichnet man explosive Munition, die aufgrund einer Fehlfunktion nicht explodiert ist. Wegen des hohen Metallanteils dieser Objekte eignen sich EM-Methoden im Allgemeinen und die TEM Methode im Besonderen zur Auffindung und Charakterisierung von UXO.

Dabei wird durch An- und Abschalten eines Sendestromes in einer quadratischen Spule mit 1m Seitenlänge ein Strom im leitenden Untergrund und speziell in sehr gut leitenden Körpern induziert. Dieser Strom klingt mit der Zeit ab und erzeugt dadurch ein Sekundärfeld.

Typischerweise wird zur Metalldetektion nur der vertikale Anteil dieses Feldes mit einer Induktionsspule vermessen. Um mehr Informationen über die Form und Lage des Störkörpers zu erhalten, werden bei diesem Ansatz auch die beiden horizontalen Magnetfeldanteile mit Induktionsspulen aufgezeichnet. Durch die zusätzlichen dHx/dt- und dHy/dt- Komponenten erhält man eine bessere räumliche Abgrenzung des Metallkörpers und kann Rückschlüsse auf die Form des Körpers ziehen.

Der erste Versuch mit einer selbstkonstruierten Spulenanordnung führte hier zu technischen Problemen, verursacht durch den geringen Abstand zwischen Sende- und Empfangsspule und die große Induktivität der verwendeten Sendespule. Durch das daraus resultierende, zu große Primärfeld wurden die Eingangsverstärker des Messgerätes übersteuert und zeigten als Folge davon nichtlineares Verhalten zu späten Zeiten des Signals.

Im Bezug auf eine Verwendung zur oberflächennahen Bodenerkundung stellt die Verwendung einer größeren Sendespule eine mögliche Lösung dar. Zur Detektion von UXO auf großflächigen Zielgebieten ist eine kompakte, mobile Apparatur unerlässlich und daher die Lösung in einer Begrenzung der Signalstärke vor dem Eingang der Messapparatur zu suchen.

Dazu wurden, zunächst nur für die vertikale Komponente, zwei Ansätze untersucht. Eine identische, aber entgegengesetzt gepolte zusätzliche Empfangsspule koaxial in 50cm Höhe über der ersten zur Aufzeichnung des Feldgradienten lieferte keine zufrieden stellenden Ergebnisse. Die Konstruktion einer neuen, differentiellen Empfangsspule nach Vorbild eines Minendetektors lieferte dagegen gute Ergebnisse.

Dabei werden zwei identische rechteckige Teilspulen so zu einer quadratischen Gesamtspule kombiniert, dass sich über homogenem Untergrund die entgegengesetzt gepolten Signale gleichen Absolutbetrages der beiden Teilspulen zu null addieren. Da sich das technische Problem im Fall der beiden horizontalen Komponenten aufgrund geringer Signalstärke auch ohne Einsatz einer differentiellen Spule lösen lies, bietet sich als optimale Messkonfiguration eine Kombination aus differentiellem dHz/dt und normalen dHx/dt und dHy/dt an.

Inhaltsverzeichnis:

Inhaltsverzeichnis:

Textprobe:

Kapitel 2.4.5, Die Horizontalkomponenten des Sekundärfeldes:

Das statische Magnetfeld einer Induktionsspule besitzt in deren Zentrum lediglich eine vertikale Komponente. Dar über hinaus herrscht Zylindersymmetrie um die Flächennormale durch den Mittelpunkt der Spule.

Obwohl die vertikalen Empfangsspulen sich aufgrund ihrer Ausdehnung nicht nur im Bereich des reinen Vertikalfeldes befinden, sind also bei einer Central - Loop - Konfiguration über einem homogenen Halbraum oder einem eindimensional horizontal geschichteten Halbraum die beiden Horizontalkomponenten des Sekundärfeldes gleich null, da in diesem Fall beim Sekundärfeld die gleiche Symmetrie vorliegt. Nur wenn diese Symmetrie des Sekundärfeldes durch Inhomogenitäten im Untergrund gebrochen wird, kann man also im Zentrum der Sendespule horizontale Feldanteile messen.

Die Aufzeichnung der horizontalen Feldkomponenten bei der Suche nach UXO bietet nach Carlson und Zonge zwei Vorteile. Erstens ist schon anhand eines einzelnen Messprofils eine gewisse Unterscheidung hinsichtlich der Geometrie eines Störkörpers möglich und zweitens werden auch zusätzliche Störkörper registriert, die bei alleiniger Aufzeichnung des Vertikalfeldes unentdeckt blieben.

Die Aussage bezüglich der Geometrie bezieht sich dabei zunächst auf die Unterscheidung zwischen linearen Störkörpern wie zum Beispiel Stromoder Rohrleitungen und 3D - Körpern wie zum Beispiel ein Öltank, durch unterschiedliche Richtungen des Horizontalfeldes an diesen verschiedenen Körpern.

Carlson und Zonge zeigen als Beispiel f ¨ ur einen bei alleiniger Betrachtung des Vertikalfeldes unentdeckt gebliebenen Störkörper eine Stromleitung, die im Horizontalfeld den zuvor beschriebenen Richtungswechsel erzeugte.

Nach Macnae ist der Pegel des Rauschens bei den horizontalen Komponenten nahezu immer deutlich höher als bei der vertikalen Komponente und wird stärker von der Umgebung beeinflusst. Dies kann zum Beispiel durch lokale elektromagnetische Quellen oder Metallobjekte an der Oberfläche (Zaun, etc.) geschehen.