Universität zu Köln

Very Low Frequency Measurements carried out with an Unmanned Aircraft System

Eröss, Rudolf (2015) Very Low Frequency Measurements carried out with an Unmanned Aircraft System. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    The present thesis, for the first time ever, carries out measurements with the Very Low Frequency (VLF) method with an unmanned helicopter. It is a feasibility study to test the applicability of using the VLF method together with an Unmanned Airborne System (UAS). This sensor-platform combination provides fast data acquisition at low cost. Additionally, a UAS is able to carry out surveys over heavily structured or dangerous terrain at low altitudes. This overcomes limitations of ground-based measurements as well as of measurements with manned aircraft. In the geophysical VLF technique, transfer functions relate the vertical magnetic field to the horizontal field components. These transfer functions contain information about lateral resistivity changes of the subsurface. The presented UASVLF measurements are conducted at two sites. As a reference, ground-based VLF and Radiomagnetotellurics (RMT) measurements are carried out additionally to the UAS-VLF measurements. Conception and execution of the measurements is made in cooperation with Mobile Geophysical Technologies (Celle, Germany). The components of the UAS are the unmanned helicopter Scout B1-100 from Aeroscout (Lucerne, Switzerland), the Analogue Digital Unit (ADU) data logger, and the Super High-Frequency induction coil Triple (SHFT) Sensor from metronix. Achieving meaningful results with this novel sensor-platform combination poses several challenges. No information on how to construct a suitable suspension for the devices was available prior to the present study. On the one hand, the suspension has to minimize interferences such as pendulum motions, gyrations, and electromagnetic noise of the helicopter. On the other hand, it must preserve the airworthiness of the helicopter. For this, measurements of the electromagnetic helicopter noise are carried out and influences of sensor rotations on the transfer functions are investigated. It is shown that small rotations have a large impact on the transfer functions. Furthermore, the ADU data logger must have a distance of 2 m and the SHFT sensor a distance of 4 m to the helicopter. With the help of this information, a suitable suspension was constructed by Aeroscout. A processing algorithm for the measured UAS-VLF data is developed. Two methods are presented to determine the transfer functions for available VLF transmiti ters in a certain survey area. The transfer functions determined with a bivariate approach are less disturbed than those determined with a scalar approach. A rotation of the transfer functions is performed in order to be able to interpret the transfer functions with the 2D inversion algorithm MARE2DEM. In the last step of the processing, the transfer functions are in some cases shifted in order to obtain meaningful inversion models. The first UAS-VLF field campaign took place in Wavre, Switzerland. The site is characterized by strong anthropogenic anomalies enabling a first proof-of-concept study for the UAS-VLF method. The second field campaign took place in Cuxhaven, Germany. This site features a salt- to freshwater transition zone. The transfer functions obtained at the respective sites enable to determine the locations of the anomalies correctly. Furthermore, the transfer functions are used to obtain resistivity models of the subsurface. For this, RMT data provide the background resistivities. This is the first time that resistivity models are determined from UAS-VLF measurements. The inversion models obtained with UAS-VLF data agree well with the ground-based VLF and RMT results. It is shown that forward models explain the measured data well and demonstrate the reliability of the information obtained from UAS-VLF measurements.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    In dieser Arbeit werden erstmalig geophysikalischen Very Low Frequency (VLF) Messungen zusammen mit einem unbemannten Hubschrauber durchgeführt. Es ist eine Machbarkeitsstudie, welche untersucht ob es möglich ist die VLF Methode mit einem Unmanned Airborne Systems (UAS) zu kombinieren. Diese Kombination ermöglicht eine schnelle und kostengünstige Aufnahme von Messdaten. Darüber hinaus können Daten über schwer zugänglichem oder gefährlichem Gelände in geringer Flughöhe aufgenommen werden. Dies umgeht Einschränkungen sowohl von bodengebundenen Messungen, als auch von Messungen mit bemannten Flugkörpern. Bei der VLF Methode stellen Transferfunktionen eine Beziehung zwischen der vertikalen magnetischen Feldkomponente und den horizontalen magnetischen Feldkomponenten her. Diese Transferfunktionen enthalten Informationen über laterale Leitfähigkeitsveränderungen im Erdboden. Für zwei unterschiedliche Messgebiete werden UAS-VLF Messungen vorgestellt. Als Referenz dienen parallel durchgeführte, bodengebundene VLF und Radiomagnetotellurik (RMT) Messungen. Die Planung und anschließende Verwirklichung der Messungen wurde in Zusammenarbeit mit Mobile Geophysical Technologies (Celle, Deutschland) durchgeführt. Die hierfür verwendeten Komponenten des UAS bestehen aus dem unbemannten Hubschrauber Scout B1- 100 von Aeroscout (Luzern, Schweiz), dem Analog Digital Unit (ADU) Datenlogger und dem Super High Frequency Induktionspulentriple (SHFT) Sensor von metronix. Um mit dieser neuartigen Sensor-Plattform-Kombination sinnvolle Ergebnisse zu erhalten, müssen einige Herausforderungen gemeistert werden. Bisher stehen keine Informationen darüber zur Verfügung, wie eine Aufhängung für die Geräte zu konstruieren ist. Einerseits muss die Aufhängung den Einfluss etwaiger Störquellen auf die Geräte wie etwa Pendelbewegungen und Vibrationen oder elektromagnetischem Rauschen des Hubschraubers minimieren. Andererseits muss Flugtauglichkeit des unbemannten Hubschraubers erhalten bleiben. Hierfür werden Messungen des elektromagnetischen Hubschrauberrauschens durchgeführt und der Einfluss von Sensorrotationen auf die Übertragungsfunktionen untersucht. Es wird gezeigt, dass bereits kleine Sensordrehungen großen Einfluss auf die Übertragungsfunktionen haben. Außerdem sollte der ADU Datenlogger einen Abstand iii von 2m und der SHFT Sensor einen Abstand von 4m zum Hubschrauber haben. Anhand dieser Vorgaben ist von Aeroscout eine geeignete Aufhängung konstruiert worden. Für die Auswertung der UAS-VLF Daten wird ein Programmpaket entwickelt. Zwei Berechnungsmethoden werden vorgestellt, welche die Transferfunktionen aus den in einem gegebenen Messgebiet vorhandenen VLF Sendern bestimmen. Auf Übertragungsfunktionen die mit der bivariaten Methode berechnet werden, haben Störungen weniger Einfluss als Übertragungsfunktionen die mit der skalaren Methode berechnet werden. Die berechneten Übertragungsfunktionen werden rotiert um eine Interpretation mit dem MARE2DEM 2D-Inversionsalgorithmus zu ermöglichen. Im letzten Schritt der Datenverarbeitung werden Verschiebungen der Übertragungsfunktionen korrigiert. Dies ist teilweise notwendig um aussagekräftige Inversionsmodelle zu erhalten. Das erste Gebiet, in welchem UAS-VLF Messungen realisiert wurden, liegt in Wavre in der Schweiz. Hier wird zunächst erprobt ob und wie gut anthropogene Anomalien mit der UAS-VLF Methode detektiert werden können. Das zweite Messgebiet liegt bei Cuxhaven in Deutschland über einem Salz- zu Süßwasserübergang. Die jeweils berechneten Übertragungsfunktionen ermöglichen es, die Position der Anomalien im Untergrund korrekt zu lokalisieren. Die Übertragungsfunktionen können außerdem dazu verwendet werden Leitfähigkeitsmodelle des Untergrunds zu erhalten. Hierfür werden die RMT Daten zur Bestimmung der Hintergrundleitfähigkeiten verwendet. Dies ist das erste mal, dass Leitfähigkeitsmodelle aus gemessenen UAS-VLF Daten abgeleitet werden. Die mit der UAS-VLF Methode bestimmten Positionen der Anomalien im Untergrund stimmen mit den Positionen, welche mit bodengebundenen VLF und RMT Messungen bestimmt wurden, überein. Es wird gezeigt, dass Vorwärtsmodellierungen in der Lage sind die gemessenen UAS-VLF Daten zu erklären und dass sie die Verlässlichkeit der gewonnen Informationen bestätigen.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Eröss, Rudolfreroess@geo.uni-koeln.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-63542
    Subjects: Physics
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Very Low Frequency MeasurementsEnglish
    Unmanned Aircraft SystemEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Institut für Geophysik und Meteorologie
    Language: English
    Date: 10 August 2015
    Date Type: Publication
    Date of oral exam: 24 June 2015
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 15 Sep 2015 14:21:47
    Referee
    NameAcademic Title
    Tezkan, BülentProf. Dr.
    Junge, AndreasProf. Dr.
    Crewell, SusanneProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/6354

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