H. Inderthal

Bei sprengseismischen Untersuchungen ist üblicherweise die Registrierapparatur räumlich sehr weit vom Schußpunkt entfernt, und zwischen Meßwagen und Schießmeister besteht eine Sprechverbindung mit Funkgeräten. Wenn die Apparatur aufnahmebereit ist und der Schießmeister den Schuß freigegeben hat, soll nun die Apparatur anlaufen, etwas später soll der Schuß gezündet und dieser Schußmoment (Abriß) möglichst zeitgenau aufgezeichnet werden. Auch das Zeitintervall vom Schuß bis zum Ersteinsatz des Aufzeit-Geophons zur Bestimmung der Schallgeschwindigket! in der Verwitterungsschicht soll mitaufgezeichnet werden, und zwar sicherheitshalber aus technischen Gründen möglichst mehrmals im Sekundenrhythmus.

Das Schußauslösesystem ZXDD erzeugt die Signale für den Start der Apparatur und die Auslösung des Schusses über Funk und kann im Anschluß hieran das Abriß-AufzeitIntervall (Ar-Az) per Funk übertragen.

Gelingt es, eine möglichst genaue zeitliche Übereinstimmung der Programmsteuerungen auf der Sendeseite (Encoder) und der Empfangsseite (Decoder) herbeizuführen, so ist es gleich, ob der Schießmeister per Funk die Apparatur startet oder ob die Schußauslösung per Funk vom Meßwagen her geschieht. In beiden Fällen ist der Programmablauf zeitgleich (synchron). Bei beiden Betriebsarten ist die Übertragung des Abriß-Aufzeit-lntervalis möglich und hinreichend genau. Bei schlechtem direkten Funkkontakt zwischen Meßwagen und Schießmeister kann aber auch eine dritte Station (Relaisgerät) auf der einen Seite die Apparatur starten und auf der anderen Seite über das Schießmeistergerät den Schuß auslösen.Da die von uns verwendeten Funkgeräte nur für reines Wechselsprechen eingerichtet sind, ist allerdings in diesem Fall keine Ar-Az-Übertragung mehr möglich: das Funkgerät der Relaisstation müßte ja gleichzeitig empfangen und senden (siehe Abbildung "Betriebsarten"). Weiterhin ist die Auslösung von vielen gleichzeitigen Funktionen durch ein zentrales Sender-Gerät bei guter Funkverbindung zu allen Empfangsoder Decoder-Stationen möglich (Master-Slave-Prinzip):
z. B. Auslösen eines Schusses und Starten von mehreren Apparaturen oder auch zeitlich gestaffelte Auslösung von Funktionen an verschiedenen Orten.

Nach dem bisher Gesagten läßt sich die technische Funktion des Schußauslösesystems ZXDD in zwei Hauptaufgaben unterteilen:

Remote-Controlled
Shot-Release System ZXDD

In explosion-seismic surveys the recording system is commonly spaced very far from the shotpoint and communication between recording truck and the shooter is effected by means of radiotelephones. When the recording unit is set up and the shooter is ready, the recording unit shall be started, a little later the charge shall be fired and this moment must be recorded temporally correct. The time interval from the shot moment to the first arrival at the uphole-geophone (to be used to determine the velocity in the weathered layer) must be recorded as weil and for safety, on technical reasons, several times in a seconds-rythm.

The shot-release system ZXDD generates the signals for the start of the recording unit and the shot release via radio and can subsequently transmit the uphole-time also via radio.

If one succeeds in achieving an accurate time coincidence for program control of both the transmitter (encoder) and the receiver (decoder) it is of no consequence whether the shooter starts the recording unit via radio or whether the shot is released by radio from the recording truck. In both cases, the operation of the program is synchronous. The transmission of the uphole time interval is feasible and sufficiently accurate in both modes of operation. During times of impaired radio transmission between recording truck and shooter, however, a third station (relais station) can also start the recording unit on the one hand and, on the other hand, set off the charge via the shotrelease device. The radiotelephones employed by us are only suitable for voice intercommunication. Therefore, no transmission of the uphole time is possible as the RT of the relay station would have to receive and transmit simultaneously (see figure for mode of operation). Further, the release of many simultaneous functions is feasible by means of a central transmitter with good radio propagation conditions to all receiver and decoder stations (masterslave principle): for example the release of one shot and the start-up of several recording units or, also, a timesequential release of control-functions at various locations.

From the remarks above we can divide the technical operation of the shot-release system ZXDD into two main functions:

• Bildung eines " zeitgleichen" Augenblicks To im Sender und Empfänger unter Einhaltung eines vorgegebenen Zeitfehlers (± 0,6 ms) und
• Erreichung einer möglichst großen Unempfindlichkeit gegen Störungen, gleich, ob es ein für den Frequenzbereich der Funkgeräte "weißes Rauschen" (Gemisch verschiedener Frequenzen bei sehr niedriger Empfangsfeldstärke) oder ein extrem ähnliches Signal wie das auszuwertende ist.

• The generation of an instant To simultaneously in the transmitter and receiver by limiting the predisposed time error to ± 0.6 ms and
• Achievement of maximum noise immunity, no matter whether it is the white noise of the frequency range of the radiotelephones in use (a multiplicity of various frequencies at very low receiving input field strength) or an extremely similar signal to the signals to be picked up.

Wie diese Aufgabensteilung gelöst wurde, soll nun an Hand der Abbildung " Programmablauf" kurz erläutert werden:

Im Sender (Encoder) -Signale in Zeile 1 bis 6 -werden nach einer Vorlaufzeit von etwa 0,5 s (Zeile 1, zur Aktivierung der Funkendstufe) genau 1 s lang (Zeile 2) vier Frequenzen f₁ bis f₄ über das Funkgerät ausgesendet. Die Rückflanke dieser Sekunde legt im Encoder den Zeitpunkt T₀ fest. Zu Beginn der Sekunde kommt zuerst für die Dauer von 100 ms die sogenannte ARM-Frequenz f₁ (Zeile 3), durch die der darauf abgestimmte Decoder angesprochen wird, Danach werden zwei Frequenzen f₂ und f₃, SYNC 1 und SYNC 2 in Zeile 4 und 5 alternativ mit 40 Hz übertragen, mit denen die quarzgesteuerte Programmteilerkette im Empfänger synchronisiert wird. Am Ende dieses Impulstelegramms kommt dann noch der Markierungsimpuls FLAG mit f₄ von 25 ms Dauer zur Erzeugung des Zeitpunktes T₀ im Empfänger.

Im Empfänger (Decoder) - Zeile 7 bis 15 - geschieht bei Empfang der Signale folgendes : Wenn die ARM-Frequenz als richtig erkannt wird, kann er überhaupt erst auf die folgenden Signale des erwarteten Impulstelegramms "hören" (Zeile 7). Durch die Mittelwertbildung aus den beiden Frequenzen SYNC 1 und SYNC 2 wird dann eine Frequenz SYNC 40 Hz (Zeile 8) gewonnen, die sehr unempfindlich gegen Störungen im Funkweg ist. Diese Frequenz synchronisiert den Programmteiler im Empfänger, wobei dafür gesorgt ist, daß der vorgegebene Zeitfehler nicht überschritten wird. Nur wenn die Synchronisierung gelungen ist, kann die zum Schluß empfangene FLAGFrequenz (Zeile 9) einen bestimmten Impuls des Empfänger-Teilers durchlassen (Zeile 10), dessen Rückflanke dann zeitgleich zu T₀ im Sender die Erzeugung der eigentlichen Steuerimpulse im Empfänger freigibt (Zeile 11).

Der in Zeile 12 angegebene Apparatur-Start liegt immer 400 ms nach T₀, und im Anschluß daran kommt die Auslösung des Schusses (einstellbar, in Zeile 13 als Beispiel 600 ms später gezeichnet). Der gleiche Auslöse-Impuls (Abriß) wird von der Apparatur aufgezeichnet. Zum Schluß ist in Zeile 15 die übertragung des im Schießmeistergerät gespeicherten Ar-Az-Intervalls dargestellt. Das Abriß-Aufzeit-Intervall darf 5 bis 500 ms lang sein und wird jede Sekunde wiederholt. Das Schießmeistergerät hat für diese übertragung im Augenblick T₀ sein Funkgerät automatisch auf Senden geschaltet und das Apparatur-Gerät sein Funkgerät auf Empfang. Die Programmdauer ist auf 6 oder 16 s eingestellt, sie kann aber bei Bedarf geändert werden. Danach wird die gesamte Logik auf ihren Ruhezustand zurückgestellt (Zeile 14).

Die wesentlichen Eigenschaften und Vorteile des Schußauslösesystems ZXDD sind:

How this task has been solved will now be explained briefly in the figure "sequence of operation".

In the transmitter (encoder) (signals in rows 1 to 6) four frequencies, f₁ to f₄, are being transmitted by the RT for exactly 1 s (row 2) after apre-signal time of about 0.5 s (row 1, for activation of the transmitter's final power stage). The trailing edge of the 1 s signal sets the time instant T₀ in the encoder. At the start of the 1 s signal there is at first a 100 ms-Iasting so-called ARM-frequency f₁1 (row 3) with which the decoder, tuned to this frequency, is tripped. Subsequently, two frequencies and f₂, f₁ SYNC 1 and SYNC 2 in row 4 and 5 are alternatively transmitted with 40 Hz which synchronizes the quartzcontrolled program divider-chain in the receiver. At the end of this pulse sequence follows the marker impulse FLAG with f₄ of 25 ms duration for the generation of the time instant T₀ in the receiver.

At the receiver (decoder) (row 7 to 15) the following events take place upon reception of the signals: Only when the ARM frequency is "recognized" as the correct one the decoder is enabled to receive the subsequent signals of the expected pulse train (row 7). By mixing the frequencies SYNC 1 and SYNC 2, a frequency of 40 Hz (row 8) is then obtained which is highly insensitive to radio-interference. This frequency synchronizes the divider in the receiver whereby care is taken that the predisposed time error is not exceeded. Only when synchronization has been achieved the FLAG-frequency (row 9), received at last, enables a certain pulse in the receiver divider (row 10)-whose trailing edge is synchronous to T₀, in the transmitter to activate the generation of the proper control pulses tor the receiver (row 11).

The start of the recording system, as indicated in row 12, lies always 400 ms behind T₀, then follows the release of the shot (optional: in row 13, for example, set 600 ms later). The same release impulse (zero time) is also recorded by the recording unit. The transmission of the uphole time, stored in the shooters unit, is finally represented in row 15. The zero-time-uphole-time-interval may be of 5 to 500 ms duration and is repeated every second. The RT of the shooters unit is for this transmission at the instant T₀o automatically switched to 'transmit' and the RT of the recording unit to 'receive'. The programing duration can be set to 6 or 16 seconds; it may be changed if required. Subsequently, the whole logic circuitry is reset to zero (row 14).

The relevant significant properties and advantages of the shot-release system ZXDD are:

1. Die nach Synchronisierung ereichte Zeitgleichheit der Programmsteuerungen in Encoder und Decoder ist besser als ± 0,6 ms.
2. Durch interne Überwachung der Synchronisierung wird gewährleistet, daß der Schuß oder die Apparatur entweder mit dieser Genauigkeit ausgelöst wird oder überhaupt nicht. Selbst bei einem Nutz-StörsignalVerhältnis von 1 : 1 (effektiv gemessen) kann die Genauigkeit garantiert werden.
3. Der Schußmoment ist in 0,2 s-Schritten von 0,2 bis 2,6 s nach dem Apparaturstart programmierbar.
4. Auf Grund der übertragung eines speziellen Impulsteiegramms mit verschiedenen Frequenzen ist der Einsatz von bis zu vier Trupps auf demselben Funkkanal möglich.
5. Encoder-und Decoder-Gerät sind mechanisch gleichdurch Umstecken von gedruckten Schaltungen wird die Funktion festgelegt.
6. Das Gerät kann über Kabel fernbedient werden (einschließlich Stromversorgung).
7. Der Batterie-Einschub wurde so ausgebildet, daß er auch das Funkgerät aufnehmen kann.
8. Mit einer "Test-Auslösung" kann man das Funktionieren des Systems schnell überprüfen, ohne die Apparatur oder den Schuß auszulösen.

1. The time coincidence of the operation control sequence achieved after synchronization is better than ± 0.6 ms.
2. The internal supervision of the synchronization guarantees that the shot or recording unit is tripped at this accuracy or not at all. This accuracy is guaranteed even when the signal-to-noise-ratio is 1 : 1, effectively.
3. The shot moment is programable in 0.2 s steps from 0.2 to 2.6 s after the start of the recording unit.
4. Based on the transmission of a special pulse sequence of various frequencies it is feasible to operate up to four seismic crews on the same radio channel.
5. Encoder and decoder units are mechanically equivalent -the function is dependent on plug-in printed circuit cards.
6. The unit may be remote-controlled via cable (including the power supply).
7. The battery power-pak was constructed in such a way to house the radiotelephone as weil.
8. With a "test-release" facility, the functioning of the system can be quickly checked, without actually in itiating the shot or recording unit.

Konzipiert wurde das Schußauslösesystem ZXDD für den Funkbetrieb, aber ein Versuch mit Wechselsprech-Verstärkern anstelle der Funkgeräte ergab, daß bei nicht zu langen zweiadrigen Drahtverbindungen die Spezifikationen ebenfalls eingehalten werden.

Eine Weiterentwicklung wie etwa die direkte Bestimmung des Ar-Az-Intervalls in Millisekunden am Schußort und erst spätere eventuelle "digitale" Rückübertragung ist durchaus denkbar. Die Festlegung zeitgleicher Augenblicke in räumlich getrennten Systemen gleich welcher Art ist mit dem ZXDD immer möglich, unabhängig davon, welcher Vorgang zum Zeitpunkt T₀ ausgelöst werden soll.

Das z. Zt. im Gerät ZXDD eingesetzte Funkgerät erzielt eine Reichweite von etwa 12 km. Es wurde bereits wiederholt mit Erfolg bei seismischen Messungen verschiedenster Art eingesetzt wie z. B. bei Salzstockunterschießungen auf der "EXPLORA" und auf Land bei gleichzeitiger Bedienung von zwei seismischen Apparaturen.

Zehn Geräte sind bisher gebaut worden, weitere zehn Geräte werden zunächst noch gebaut. Eine erste Lizenz für den Nachbau wurde Ende 1973 an Geospace vergeben.

The shot release system ZXDD was conceived to be used with radio operation but a test with intercom amplifiers instead of radiotelephones revealed that the specifications could be adhered to when employing a medium length 2-cored cable connection.

Further development such as the direct determination of the uphole time interval in ms at the shot point and later "digital" re-transmission is quite feasible. Fixing timesynchronous instants in spatially separated systems, no matter of which type, is always possible with the ZXDDsystem, independently of the operation to be released at the instant T₀.

The radiotelephone now utilized in the ZXDD system has a range of about 12 km. It has already repeatedly been employed successfully in seismic surveys of va ried type as for example in marine saltdome undershooting with the " Explora" and on land during simultaneous operation of two seismic recording units. Ten units have been built so far, a further ten will be built in the near future. Late in 1973, the construction under licence has been granted to Geospace Corporation.