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Einfache Ortungsgeräte auf VLF-/LF-Basis (1)

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Längstwellen lassen sich aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften auch zur Ortung unterirdischer Objekte ausnutzen. Darauf aufbauend werden in zwei Folgen verschiedene Ortungsgeräte beschrieben, wobei teilweise Platinen des im FA vorgestellten LIAP-Systems Verwendung finden.


Bild 1: Durch den Aufbau auf ein AluminiumU-Profil mit einer gewichtsmäßig ausbalancierten Aufteilung der Komponenten lässt sich das Ortungsgerät, hier Versuchsgerät 2, leicht tragen und bedienen.

Die Ausbreitungsbedingungen von Längstwellen sind meistens konstant und die sehr weit reichende Bodenwelle wird weniger von der Tages- oder Jahreszeit beeinflusst als bei höheren Frequenzen. Auch die Raumwelle unterliegt bei der Reflexion an der lonosphäre recht stabilen Verhältnissen, sodass Betrag und Phase der Aussendung am Empfänger fast konstant sind. Zu diesen positiven Ausbreitungsbedingungen gesellt sich eine Eigenschaft der Längstwellen, die nur den elektromagnetischen Wellen mit tiefen Frequenzen eigen ist: Sie dringen in leitfähige Materialien wie den Erdboden und das Wasser ein.

Die Eindringtiefe richtet sich dabei nach der Leitfähigkeit des Bodens bzw. des Wassers und der genutzten Wellenlänge. Je größer diese ist, d.h., je geringer die Frequenz ist, um. so tiefer dringen die Wellen in den Boden ein. Bei guter Leitfähigkeit können das bis über 100 in sein. Dort breiten sie sich parallel zur Erdoberfläche aus. Unterschiedliche Leitfähigkeiten der Schichten beeinflussen die Dichte der Feldlinien. An den Stoßstellen kommt es zur Ausbildung von Wirbelströmen, die ein Sekundärfeld erzeugen.

Geologische Untersuchungen mit den Längstwellen

Die von starken Längstwellensendem abgestrahlten Wellen lassen sich für Untersuchungen des Bodenuntergrunds benutzen, sodass keine eigenen Sender erforderlich sind. Mit speziellen Messapparaturen kann man somit magnetotellurische Messungen durchführen. Dabei sind sowohl Leitfähigkeitsanomalien als auch tektonische Störungen in tiefer liegenden Schichten erkennbar. Aus Real- und Imaginärteil der vertikalen Feldkomponente in Bezug auf die horizontale Komponente lassen sich die Daten zur Erkennung der unterschiedlichen Leitfähigkeiten ermitteln. Aber auch mit einfacheren Messungen können schon beachtliche Ergebnisse erzielt werden.

Einfache Feldstärkemessungen der vertikalen magnetischen Komponente erlauben Rückschlüsse auf die Leitfähigkeit der Schichtung unter dem Sensor. Befinden sich z.B. Metallrohre oder Leitungen im Boden, so lässt sich mit einer darüber bewegten Messspule die durch die Erhöhung des magnetischen Flusses ansteigende Induktionsspannung messen. Die Spannungsänderung richtet sich dabei nach der Größe des unterirdischen Gegenstands und dessen Abstand von der Erdoberfläche. Weitere Grenzen setzen aber auch der Abstand des Senders und selbstverständlich die Leistungsfähigkeit der Sensorspule.

Anforderungen an einfache Längstwellen-Ortungsgeräte

Gemeinsam mit J. Haase und Wolf-Dieter Holz vom Team Delta (3) habe ich ein Konzept für den Aufbau einfacher, aber sehr wirkungsvoller VLF-/LF-SelbstbauOrtungsgeräte erarbeitet. Die Schaltungen lassen sich mit dem im FA vorgestellten UAP-Platinensystern realisieren. Das Konzept gestattet es auch Hobby-Elektronikein und Funkamateuren, die nicht über ein spezielles Messequipment verfügen, diese Geräte aufzubauen. Ein möglichst großer Rahmen zur individuellen Gestaltung der Geräte, sowohl vom Schaltungsaufwand als auch vom Design her und zwangsläufig auch in preislicher Hinsicht, wurden als wesentliche Bestandteile in die Planungen integriert. Darüber hinaus sollte eine hohe Funktionstauglichkeit erreicht werden.

DCF77 als Signalquelle

Kommerzielle Messgeräte, die im VLF-Bereich arbeiten, verfügen oft über einen abstimmbaren Frequenzbereich, z.B. 15 bis 25 kHz. Es lässt sich dann der für den Messort geeignetste Längstwellen-Sender nutzen. Für ein einfaches Selbstbaugerät bringt dieses Konzept allerdings Schwierigkeiten mit sich. Einige Stufen des Gerätsmüssten dazu selektiv abstimmbar ausgeführt werden, oder noch besser wäre eine Frequenzumsetzung mit ZF-Stufen. Dieses Verfahren engt jedoch den Kreis der Anwender, die ihr Gerät selber aufbauen können, von vornherein zu stark ein.

Außerdem fielen die Aussendungen der starken, meist militärischen Längstwellensender im unteren Frequenzbereich durch einen relativ häufigen Wechsel der Signalpegel auf, auch muss hier mit Abschaltungen gerechnet werden. Diese Gründe gaben den Ausschlag für eine Überprüfung der Möglichkeit, das Signal des Senders DCF77 in Mainflingen für die Messungen heranzuziehen. Folgende Punkte sprechenfür die Benutzung der DCF77-Signale:

Folgende Punkte sprechen dagegen:

Testergebnisse

Ich baute drei Geräte mit unterschiedlicher Schaltungsstruktur. Die ersten beiden Geräte verfügen zusätzlich über eine Vergleichsmöglichkeit, die Arbeitsfrequenz lässt sich auf die 23,4-kHz-Sendefrequenz des deutschen Marinesender Ramsloh umschalten.

Die Geräte wurden zunächst in Siegen auf ihre Leistungsfähigkeit überprüft. Mit beiden Frequenzen ließen sich hier Gasrohre, Kabel und Wasserleitungen sehr genau orten. Ich war erstaunt, eine alte, meiner Meinung nach auch völlig verrottete Brunnenleitung, die an einigen Stellen mehrere Meter überschüttet ist, aufzuspüren und verfolgen zu können.

Herr Holz vom Team Delta testete dann das zweite Gerät intensiv an verschiedenen Orten in Thüringen, Brandenburg und Sachsen. Mit Referenzmessungen an Objekten, deren unterirdische Bestandteile von der Lage und den Ausdehnungen her bekannt waren, erzielte er folgende Ergebnisse: Größere Bunker sind bis zu einer Überdeckung von mindestens 10 in eindeutig zu orten und als solche vor Ort ohne Zuhilfenahme von Auswerteprogrammen zu identifizieren. Stollen sind ebenfalls bis zu dieser Tiefe eindeutig zu orten und im Verlauf zu verfolgen. Hierzu sind ebenfalls keine Auswerteprogramme erforderlich. Im Erdboden bis in 5 in Tiefe befindliches Mauerwerk kann ohne Probleme geortet werden, ohne Auswerteprogramme zu Hilfe zu nehmen.

Metallische Wasserleitungen sowie im Erdboden befindliche Kabel und Leitungen aller Art lassen sich, auch wenn sie nicht in Betrieb sind, ohne Signaleinspeisung problemlos verfolgen. Das funktioniert mit dem Ortungsgerät 2 bis in Tiefen von etwa 5 in. Geologische Störungszonen und -körper sind ebenso wie kleine Stollen mit größeren Überdeckungen zu orten, wofür Auswerteprogramme zur Anwendung kommen sollten. Hierbei ist aber der Zeitfaktor zu berücksichtigen. Die bei den Messungen gegenüber anderen Verfahren gewonnene Zeit wird für die Auswertung benötigt. Die Messungen werden durch folgende Faktoren beeinträuchtigt oder unmöglich gemacht:

Insgesamt gesehen übertrafen die Ergebnisse aber bei weitem meine Erwartungen.

Funktionsprinzip eines Ortungsgeräts

Bild 2 zeigt das vereinfachte Blockschaltbild eines Längstwellen-Ortungsgeräts. Diese Minimalausführung erleichtert das Verständnis der Arbeitsweise des Geräts. Ganz links ist die Antenneneinheit dargestellt. Die Messspule ist auf einen Ferritstab gewickelt.

Die Kreiskapazitäten zur Abstimmung befinden sich mit dem Antennenanpassverstärker in einem gesonderten Gehäuse. Die Abstimmkondensatoren bilden mit der Antenneneinheit einen Schwingkreis. Dieser wird auf den Sender, der das Messsignal liefern soll, abgestimmt. Der Anpassverstärker verfügt über eine hohe Eingangsimpedanz, um den Schwingkreis nicht unnötig zu bedämpfen.

Neben der Impedanzwandlung sorgt diese Stufe für die Vorverstärkung. Die Folgestufe ist eine Verstärkerschaltung, die mehrstufig ausgeführt werden sollte. Da insgesamt eine sehr hohe Verstärkung zu erzielen ist, wirkt sich auch eine räumliche Aufteilung sehr günstig aus - Rückkopplungen werden so wirkungsvoll unterdrückt. Ist das Signal genügend hoch verstärkt, so kann es einem Gleichrichter zugeführt werden. Bei bipolarer Versorgungsspannung bietet sich die Realisierung mit einem aktiven Präzisionsgleichrichter an.

Das gleichgerichtete Messsignal wird zu einer Pegelanzeige weitergegeben. Das kann z.B. eine zehnstufige LED-Zeile sein - es ist aber auch möglich ein analoges Zeigerinstrument zu benutzen. Ändert sich nun die magnetische Durchflutung in der Messspule, so ändert sich die induzierte Spannung in der Spule geringfügig. Durch die hohe Verstärkung ergibt sich am Ausgang eine große Gleichspannungsänderung, die nun angezeigt wird.

Mechanischer Aufbau der Geräte

Es hat sich als günstig erwiesen, die unterschiedlichen Baugruppen in verschiedenen Gehäusen auf einer Aluminium-U-Profilschiene zu montieren. Das zuunterst angeschraubte Kunststoffgehäuse der Antenneneinheit sollte auf keinen Fall über die Aluminiumschiene herausragen. Es ist nahezu unmöglich, beim Orten im unwegsainen Gelände alle Unebenheiten zu überblicken und jeden größeren Stein zu sehen. Das Montageprofil schützt die Antenneneinheit vor Stößen und vor Aufschrammen auf dem Untergrund. Da die Antennenspule beim Messen unbedingt senkrecht ausgerichtet sein soll, ist eine geschickt ausbalancierte Platzierung der verschiedenen Funktionsgruppengehäuse notwendig.

Die Box mit der kapazitiven Abstimmeinheit und dem Anpassverstärker sollte deshalb auf die der Antenneneinheit abgewandten Montageseite befestigt werden. Führt man die Verbindungskabel steckbar aus, so lassen sie sich bei ausreichend großen Durchgangsbohrungen des Montageprofils komplett abnehmen. Für die Unterbringung der Platinen zeichnen sich Aluminium-Spritzgussgehäuse durch ihre Robustheit und ihr elektrisches Abschirmverhalten besonders aus.

Darüber hinaus lassen sie sich hervorragend bearbeiten. Platziert man einen Teil der Verstärkerstufen in das Gehäuse der Antennenanpassstufe und setzt für die Anzeige- und Bedieneinheit ein Exemplar mit ausreichender Größe ein, so können darin alle restlichen Stufen, ebenso wie die Batterien bzw. Akkumulatoren, untergebracht werden. Zum Schluss montiert man den Haltegriff so, dass sich das Gerät beim Tragen in senkrechter Stellung befindet, der Griff darf dabei die LED-Anzeigezeile nicht verdecken.

Antenneneinheit

Um eine leistungsfähige Antenne zu erhalten, wickelt man die Antennenspule auf einen großen Ferritstab mit hoher Permeabilität. Eine sehr sorgfältig angebrachte Schinnung ist an der Innenseite des Kunststoffantennengehäuses unbedingt erforderlich. Diese sollte den Ferritstab längsseitig überlappend umgeben, wobei es an den Überlappungsstellen keine elektrisch leitenden Verbindungen geben darf. Die Schirmung würde sonst als Kurzschlusswicklung wirken und dem Schwingkreis einen Kreisstrom entziehen. Für das Schirmblech kann dickere Aluminiumfolie, die sich noch mit der Schere schneiden läusst, Verwendung finden.

Das abgesetzte Stück für den Kunststoffdeckel erhält mit einem kurzen, querschnittsmäßig ausreichend bemessenen Draht eine Verbindung zur Hauptschirmung. Diese liegt auf dem Bezugspotenzial der Antennenspule - auch der Schirm des Koaxialkabels mit Cinchsteckem ist hier aufgeldgt. Bei unsachgemäßer Schirmung, die z.B. Längsschlitze aufweist, kann es durch den Antenneneffekt zu einer verstärkten Unsymmetrie der Richtungsempfindlichkeit kommen.

Der Ferritkern lässt sich mittels Abstandshalter mittig im Gehäuse mit ungefähr gleichen Distanzen zu den Schirmungsblechen montieren - mindestes 5 mm sollten aber unbedingt eingehalten werden, da es sonst zu einer, wenn vielleicht auch geringfügigen, Bedämpfung kommen kann. Durch diesen Effekt würde sich auch der Schwingkreis verstimmen; auf jeden Fall ist der Abgleich erschwert. Besser ist es daher, die Abgleichkondensatoren außerhalb der Antenneneinheit unterzubringen. Noch eine Bemerkung zu den Ferritstäben: Diese sind heutzutage leider nicht billig, große Restposten sind zudem sehr rar geworden. Ich habe bei meinen Untersuchungen vorrangig Ferritkerne aus der laufenden Fertigung berücksichtigt, damit sich die Messergebnisse auch verifizieren lassen.

Mit den bei mir verwendeten, schwergewichtigen Rechteck-I-Kernen bzw. den einfacher zu handhabenden, zylindrischen Ferritstäben von Amidon (5) mit mindestens 10 cm Länge und 1 cm Durchmesser aus dem Kernmaterial #33 erzielte ich im VLF-Bereich mit Abstand die überzeugendsten Ergebnisse.

Allerdings erbrachten einige größere Ferritstäbe aus dem Restposten-Lagerbestand recht zufriedenstellende Ergebnisse. Insbesondere die Möglichkeit mit passenden Spulenkörpern kapazitätsarme Kammerwicklungen aufzubringen und die Antennenspule mit hoher Windungszahl in Eigenresonanz zu betreiben, stellte sich als durchaus akzeptabel heraus. Aus diesem Grund sollten diejenigen, die noch nicht zu kleine Ferritstäbe bevorratet haben, sich errnuntert fühlen, durch eigenes Experimentieren vielleicht doch auch zu ganz annehmbaren Ergebnissen zu kommen.

Sollten mehrere Stäbe des gleichen Typs vorhanden sein, so kann als Versuch zur Spannungserhöhung eine Bündel- bzw. Reihenanordnung getestet werden. Kleine Ferritstäbe, die oft bewickelt als DCF77 Fertigantennen vertrieben werden, haben sich als mehr oder weniger untauglich für Ortungszwecke erwiesen. Das Ferritmaterial ist sehr spröde und bruchempfindlich. Bei der Einbaumontage kann dem durch Zwischenlegen von Dämpfungsgummi oder Schaumstoff Rechnung getragen werden. Ein gesonderter Beitrag über Ferritstabantennen wird demnächst im FUNK-AMATEUR erscheinen.

Abstimmeinheit

Um eine genaue Abstimmung der magnetischen Antenne zu ermöglichen, wurde eine Abstimmplatine entwickelt. Mittels 8-poligern DIL-Schalter lassen sich die abgestuften Kondensatoren auf Resonanz abgleichen. Ein letzter Feinabgleich kann gegebenenfalls mit dem Trimmkondensator erfolgen. Mit dieser Platine erfolgt sowohl der Erstabgleich, als auch ein späteres Nachabgleichen, um eventuelle Veränderungen, sei es durch Alterung oder durch mechanische Verstimmung, zu korrigieren.

Arbeitet man ohne Resonanzfilter, so sind unterschiedliche Arbeitsfrequenzen umschaltbar. Die Platine VK 1, Bilder 8 und 9, lässt bei geschickter Auswahl der Kondensatoren die lückenlose Einstellung der Kapazität bis über 10 nF zu. Dabei richtet sich die geringe Restkapazität, d.h., der niedrigst einzustellende Wert bei Ruhestellung aller Schalter und ausgedrehtem Stator des Trimmkondensators, nach dem Minimalwert des Trimmers und der Einbauart der Platine.

Antennenanpassverstärker

Um den Schwingkreis so wenig wie möglich zu bedämpfen, sollte alg erste Verstärkerstufe unbedingt ein nichtinvertierender Elektrometerverstärker mit hoher Eingangsimpedanz zum Einsatz kommen. Dieser Verstärker wird unmittelbar neben der Abstimmeinheit platziert. Er nimmt zugleich die Impedanzwandlung wahr, leitet das Ausgangssignal an Folgestufen mit niederimpedanten Eingang weiter und sorgt auch für die erste Grundverstärkung.

Wien-Brücken-Resonanz-Durchlassfilter

Diese steilflankige Filterstufe lässt die eingestellte Resonanzfrequenz durch und sperrt die Frequenzbänder oberhalb und unterhalb, wodurch das Ortungssystem relativ unempfindlich gegen starke Störstralungen aus dem LF- und VLF-Bereich wird (3). Gleichzeitig erhöht sich die Empfindlichkeit des Geräts. Befindet sich der Messort in weiter Entfernung vom Sender, ist die Durchlassfilterbenutzung äußerst vorteilhaft. Ein weiteres Plus beim Betrieb eines solchen Resonanzfilters ergibt sich durch die relativ hohe Durchlassverstärkung, die ihn diesbezüglich gegenüber anderen Filtermaßnahmen oder einer Quarzkopplung überlegen macht. Für weniger aufwändige Geräte, die nur für einfache Ortungen von Metallrohren, Leitungen usw. in einern nicht zu weitem Abstand des Senders bestimmt sind, kann auf den Einbau des Resonanz-Durchlass-Filters verzichtet werden.

Signalverstärker

Das schwache Sendersignal bedarf einer sehr hohen Verstärkung. Bedingt durch die begrenzte Slew-Rate der Operationsverstärker und Rückkopplungsneigung bei diesen hohen Verstärkungen, sollte sich die Gesamtverstärkung aus mehreren Teilverstärkungen örtlich getrennter Stufen zusammensetzen. Es empfiehlt sich daher, die weiteren Signalverstärker, die elektrisch hinter dem Antennenanpassverstärker bzw. dem Durchlassfilter angeordnet sind, in einem gesonderten Gehäuse unterzubringen.

Wird das Anzeige- und Bediengehäuse in ausreichender Größe ausgewählt, so bietet sich dort die Platzierung an. Die Koppelbzw. Fußpunktkondensatoren bei unipolar betriebenen Verstärkerschaltungen lassen sich so dimensionieren, dass ein zusätzlicher Filtereffekt eintritt. Soll das Ortungsgerät sehr empfindlich sein und auch in einer großen Entfernung vom Sender betrieben werden können, so ist eine Verstärkungsumschaltung mit einer ausreichenden Reserve zu verwenden. (wird fortgesetzt)

Literatur

  1. Klawitter, G.; Herold, K., Oexner, M: Langwellen und Längstwellenfunk. Siebel Verlag, Meckenheim 2000
  2. Donner, E: Magnetotellurische Messungen im VLF-Bereich. Freiberger Forschungshefte, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1983
  3. Holz, W.D.; Jantzen, A.: Team-Delta.
  4. Friese, W.: Universelles analoges Platinensystem UAP (2). FUNKAMATEUR 52 (2003) H. 4, S.366-367
  5. Profi-Electronic: Homepage, www.amidon.de

Kasten 1: Grenzen bei der Anwendung

Was kann man mit diesem Messprinzip orten?

Lange Metallrohre und Leitungen, größere Hohlräume bis 20 m Tiefe, Mauern und Mauerfundamente mit und ohne Eiseneinlagen, geologische Grenzschichten

Welche Gegenstände sind nicht auffindbar?

Vergrabene Münzen, Gold- oder Silberstücke, Metallteile, Metallkoffer, Schatztruhen usw.

Ausnahme: Kleine Objekte lassen sich dann aufspüren, wenn beim Vergraben ein größerer Erdaushub stattfand, der dann auf der entsprechenden Fläche durch eine sich von der Umgebung abweichende Bodenleitfähigkeit zu einer Messwertabweichung führt.

Sind Erfahrungen notwendig?

Das Arbeiten mit aufwändigen, empfindlicher Geräten erfordert eine gewisse Erfahrung, um die angezeigten Messergebnisse schwieriger Objekte auch richtig deuten zu können.

Wolfgang Friese - DG9WF

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