BR102012032582A2 - Método e dispositivo para estimar uma distância inter-nó entre nós dispostos ao longo de antenas lineares acústicas rebocadas - Google Patents
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Abstract
MÉTODO E DISPOSITIVO PARA ESTIMAR UMA DISTÂNCIA INTER-NÓ ENTRE NÓS DISPOSTOS AO LONGO DE ANTENAS LINEARES ACÚSTICAS REBOCADAS. Trata-se de um método para estimar uma distância inter-nó entre um nò emissor (A) e um nó receptor (B) que pertence a uma rede que compreende uma pluralidade de nós dispostos ao longo de antenas lineras acústicas rebocadas (20a-20e), sendo que um sinal de acústico é transmitido a partir de nó emissor para o nó recepetor através de um canal acústico abaixo da linha da água. O método compreende uma etapa de estimar a distância inter-nó conforme uma função de uma estimativa de um perfil de velocidade do som do canal acústico abaixo da linha da água, o dito perfil de velocidade do som que depende da profundidade.
Description
"MÉTODO E DISPOSITIVO PARA ESTIMAR UMA DISTÂNCIA INTER-NÓ ENTRE NÓS DISPOSTOS AO LONGO DE ANTENAS LINEARES ACÚSTICAS REBOCADAS"
Campo da invenção
O campo da invenção consiste na aquisição de dados geográficos. Trata-se dos equipamentos exigidos para se estudar o leito marinho e suas propriedades de camadas sedimentares.
Mais especificamente, a invenção pertence a uma técnica para estimar uma distân- cia inter-nó em uma rede de nós acústicos dispostos ao longo de antenas lineares acústicas rebocadas.
A invenção pode ser notavelmente aplicada à indústria de prospecção de óleo com o uso de método sísmico (pesquisa de óleo marinho), mas pode ser de interesse para qual- quer outro campo que exige um sistema que executa aquisição de dados geográficos em um ambiente marinho.
Fundamentos tecnológicos
Pretende-se, mais particularmente abaixo neste documento, descrever os proble- mas existentes no campo de aquisição de dados sísmicos para indústria de prospecção de óleo. A invenção, certamente, não é limitada a este campo de aplicação particular, mas é de interesse para qualquer técnica que tem que lidar com problemas e questões similares ou estreitamente relacionadas.
As operações de aquisição de dados sísmicos no local utilizam de forma convenci- onal redes de sensores (designadas mais adiante nesse documento como "hidrofones" em relação à aquisição de dados em um ambiente marinho). Os hidrofones são distribuídos ao longo de cabos a fim de formar antenas acústicas lineares normalmente mencionadas como "cabos flutuantes" ou "cabos sísmicos flutuantes". Conforme mostrado na figura 1, a rede de cabos sísmicos flutuantes 20a a 20e é rebocada por uma embarcação sísmica 21. Os hidro- fones são indicados por 16 na figura 2, a qual ilustra em detalhes o bloco indicado por C na figura 1 (isto é, uma parte do cabo flutuante indicado por 20a).
O método sísmico tem por base a análise de ondas sísmicas refletidas. Deste mo- do, para coletar dados geográficos em um ambiente marinho, uma ou mais fontes sísmicas submersas são ativadas a fim de propagar séries de onda sísmica omnidirecional. A onde de pressão gerada pela fonte sísmica passa através da coluna de água e insonifica as dife- rentes camadas do leito marinho. Parte das ondas sísmicas (isto é, sinais acústicos) refleti- das é, então, detectada pelos hidrofones distribuídos sobre o comprimento dos cabos sísmi- cos flutuantes. Estes sinais acústicos são processados e retransmitidos por telemetria a par- tir dos cabos sísmicos flutuantes para a estação de operação situada na embarcação sísmi- ca, onde o processamento dos dados em bruto é realizado.
Um problema bem conhecido neste contexto consiste na localização dos cabos sísmicos flutuantes. De fato, é importante localizar de maneira precisa os cabos flutuantes, em particular, para:
monitorar a posição dos hidrofones (distribuídos ao longo dos cabos sísmicos flutu- antes) com a finalidade de obter uma precisão satisfatória da imagem do leito marinho na zona de exploração;
detectar os movimentos dos cabos flutuantes uns em relação aos outros (os cabos flutuantes são muitas vezes submetidos a diversas restrições naturais externas de magnitu- de variável, tais como o vento, ondas, correntes); e
monitorar a navegação de cabos flutuantes, em particular, em uma situação de ul- trapassagem de um obstáculo (tal como uma barcaça de óleo).
Em prática, visa-se realizar uma análise de leito marinho com um número mínimo de passagem da embarcação na área interessada. Para este propósito, o número de cabos flutuantes implantados na rede acústica é substancialmente aumentado. O problema menci- onado anteriormente de localização dos cabos flutuantes é, deste modo, particularmente notável, especialmente em vista do comprimento dos cabos flutuantes, o qual pode variar entre 6 e 15 quilômetros, por exemplo.
O controle das posições de cabos flutuantes está situado na implantação de dispo- sitivos de controle de navegação, comumente mencionados como "birds" (quadrados bran- cos indicados por 10 na figura 1). Os mesmos são instalados em intervalos regulares (a ca- da 300 metros, por exemplo) ao longo dos cabos sísmicos flutuantes. A função daqueles birds consiste em guiar os cabos flutuantes entre eles mesmos. Em outras palavras, os birds são usados para controlar a profundidade, assim como a posição lateral dos cabos flutuan- tes. Para este propósito, e conforme ilustrado na figura 2, cada bird 10 compreende um cor- po 11 equipado com asas articuladas motorizadas 12 (ou, mais geralmente, meio de movi- mento mecânico) que torna possível modificar a posição dos cabos flutuantes lateralmente entre os mesmos (isto é mencionado como uma condução horizontal) e conduzir os cabos flutuantes em imersão (isto é mencionado como uma condução vertical).
Para realizar a localização dos cabos sísmicos flutuantes (permitindo uma condu- ção horizontal precisa dos cabos flutuantes pelos birds), os nós acústicos são distribuídos ao longo dos cabos flutuantes. Estes nós acústicos são representados por quadrados ha- churados indicados por 14, nas figuras 1 e 2. Conforme mostrado na figura 1, alguns nós acústicos 14 da rede estão associados com um bird 10 (caso da figura 2), e outros não es- tão.
Os nós acústicos 14 utilizam meios de comunicação acústica abaixo da linha da água, mais adiante nesse documento mencionados como transdutores eletroacústicos, que permitem estimar as distâncias entre os nós acústicos (chamadas mais adiante nesse do- cumento como "distâncias inter-nó"). Mais especificamente, estes transdutores são trans- missores e receptores de sinais acústicos, os quais podem ser usados para estimar uma distância inter-nó que separa dois nós acústicos (agindo como nó emissor e nó receptor, respectivamente) situados em dois cabos flutuantes diferentes (os quais podem ser adjacen- tes ou não) conforme uma função de uma duração de propagação de sinal acústico medido entre estes dois nós (isto é, um tempo de percurso do sinal de acústico a partir do nó emis- sor para o nó receptor). A partir da rede acústica, isto forma, assim, uma rede de distâncias inter-nó que permite saber o posicionamento horizontal preciso de todos os cabos flutuan- tes.
Compreende-se aqui que o transdutor se refere a um único dispositivo eletroacústi- co que consiste em um transceptor (emissor/receptor) de sinais acústicos, ou uma combina- ção de um dispositivo emissor (por exemplo, um emissor acústico) e um dispositivo receptor (por exemplo, um sensor de partícula de pressão (hidrofone) ou um sensor de partícula de movimento (acelerômetro, geofone,...)).
Usualmente, cada nó acústico compreende um transdutor eletroacústico que possi- bilita que atue alternativamente como um nó emissor e um nó receptor (para a transmissão e a recepção, respectivamente, de sinais acústicos). Em uma modalidade alternativa, um primeiro conjunto de nós age somente como nós emissores e um segundo conjunto de nós age somente como nós receptores. Um terceiro conjunto de nós (cada um agindo alterna- damente como um nó emissor e um nó receptor) também pode ser usado em combinação com o primeiro e segundo conjunto de nós.
A distância inter-nó dAe entre dois nós A e B pode ser tipicamente estimada com base na seguinte fórmula: dAB=c.tAB. com:
- nó A agindo como um nó emissor que transmite um sinal de acústico S para o nó B que age como um nó receptor (vide exemplo na figura 1, com o sinal de acústico S mos-
trado como uma seta entre os nós indicados por A e B);
- tAB. a duração de propagação (tempo de percurso) transcorrido entre o momento de emissão e momento de recepção do sinal de acústico transmitido a partir do nó emissor A para o nó receptor B (supondo que o nó receptor e o nó emissor são sincronizados); e
- c, um valor "medido" ou "estimado" de rapidez do som (também mencionada tam- bém como velocidade do som) do sinal de acústico.
A computação de uma distância inter-nó pode ser realizada, por meio do sistema de navegação (para o posicionamento do conjunto de hidrofones), ou pelo sistema de gerenci- amento de nó (para o fornecimento de informação útil para os birds para condução horizon- tal), ou pelos próprios nós acústicos (neste caso, são equipados com eletrônica destinada para esta computação). Os nós acústicos são adicionalmente sincronizados pelo sistema de gerenciamento de nó através de um barramento de comunicação por fio colocado dentro dos cabos flutuantes. Nos métodos conhecidos para estimar uma distância inter-nó, supõe- se que a velocidade do som c que é usada seja constante no plano vertical. No entanto, em prática, este não será o caso. A velocidade do som no oceano depende amplamente da temperatura, pressão e salinidade de água (especialmente) e, deste modo, é quase sempre dependente da profundidade (z) considerada; neste caso, se discute sobre o perfil de velo- cidade do som (SSP) c(z).
O formato do perfil de velocidade do som na área onde a pesquisa sísmica é execu- tada pode modificar as trajetórias acústicos do som. O som não seguirá uma linha reta (con- forme suposto no método de estimativa de distância inter-nó descrito acima), mas uma traje- tória de raio curvado devido ao fenômeno de refração (de acordo com as leis de Snell Des- cartes). De fato, em um meio não uniforme, os raios de som podem ser curvados (refrata- dos) devido à mudança da velocidade do som e mais precisamente ao seu gradiente. As frentes de onda do som são refratadas em direção à camada onde a velocidade do som é menor, a refração será mais evidente se a mudança na velocidade do som for rápida.
As Figuras 3 a 5 ilustram a influência de um gradiente de velocidade do som no ca- nal. Para cada uma destas figuras, a parte esquerda apresenta um perfil de velocidade do som e a parte direita apresenta as trajetórias de raio correspondentes, obtidos com um mé- todo de rastreamento de trajetória de raio para um lançamento de abertura de 10°, e uma distância de 300m. Aquelas figuras possibilitam comparar as trajetórias de raio seguidas pelo som em dois meios.
Conforme pode ser observado na parte esquerda destas figuras, o primeiro meio (figura 5) é uma coluna de água de 50 m de profundidade com uma velocidade do som constante e o segundo meio (figuras 3 e 4) é um meio constituído com uma coluna de água de 50m e uma profundidade mínima de 25 m de velocidade do som com um gradiente cons- tante.
Conforme pode ser observado na parte direita destas figuras, a profundidade da fonte (nó emissor) é de 25 m nas figuras 3 e 5, 30 m na figura 4. O som irá seguir as trajetó- rias retas no primeiro caso (figura 5) e as trajetórias fortemente curvadas no segundo caso, dependendo da profundidade (figuras 3 e 4).
Quando a trajetória é curvada, a distância ao longo da trajetória será mais importan- te do que no caso de linha reta. Deste modo, a distância inter-nó obtida com o método ante- rior (supondo um perfil de velocidade do som constante) estará além da estimada, o qual é um sinônimo de uma carência de precisão de localização ou uma tendência no resultado de localização (a localização dos cabos flutuantes tendo por base as distâncias inter-nó obtidas com uma pluralidade de pares de nós acústicos).
Conforme descrito nos parágrafos anteriores, supõe-se que o valor de velocidade do som que é usado, nos métodos conhecidos, para estimar a distância inter-nó seja cons- tante no plano vertical, o qual é usualmente uma suposição errada. Além disso, as condi- ções ambientais (temperatura, pressão ou saiinidade da água) podem mudar de uma manei- ra rápida dependendo da posição e das condições meteorológicas (estado do mar, influên- cia do sol, correntes, etc.). O formato do perfil de velocidade do som pode, deste modo, im- plicar os fenômenos de refração que curvam as trajetórias de raio. A fórmula clássica usada para estimar a distância inter-nó (dAB=c.tAB) não será mais válida e o tempo de percurso tAB consistirá em um tempo de percurso em uma curva (isto é, um comprimento de arco LAb) e não em uma linha reta.
Supondo-se uma velocidade do som constante, um erro neste valor de velocidade do som irá implicar um pequeno erro sobre a distância estimada entre dois nós próximos. Por exemplo, para uma distância inter-nó cfos=300m, um erro de 0,5 ms-1 (valor clássico para um velocímetro de som) é equivalente a um erro de 10 cm sobre a distância inter-nó. Ao contrário, supondo-se, por exemplo, que o perfil de velocidade do som da parte esquerda da figura 6 (coluna de água de 50 m e uma profundidade mínima de 25 m de velocidade do som com um gradiente constante), e uma fonte de 15 m de profundidade, a trajetória direto é ilustrado na parte direita da figura 6 (obtido com um método de rastreamento de trajetória de raio para um lançamento de abertura de 10o, e uma distância de 300m). O comprimento da trajetória direto é igual a 300.70 m, o qual corresponde a um erro de 70 cm sobre a dis- tância inter-nó, quando se supõe uma velocidade do som constante de 1482 ms-1 (em 15 m de profundidade) e uma distância real de 300 m. Além disso, se os dois nós AeB considerados não estiverem na mesma profundi-
dade, a trajetória de raio a partir do nó A ao nó B e aquele a partir do nó B ao nó A podem ser diferente e, então, o tempo de percurso pode ser diferente dependendo da forma do si- nal.
Conforme mostrado na figura 7, em região de oceano quente, um perfil de veloci- dade do som típico tem três partes que correspondem a três camadas da coluna de água: a camada de superfície (camada mista), a termoclina principal e a camada isotérmica profun- da. A camada mista pode ter poucos metros de espessura, mas também pode se estender a várias dúzias de metro (dependendo das estações do ano, sol, estado do mar, correntes, ...). A camada mista pode desaparecer em oceanos mais frios. A velocidade do som é quase constante para a camada mista, mas não para a termoclina principal e para a camada iso- térmica profunda. A tendência no campo de aquisição de dados sísmicos consiste em au- mentar a profundidade do cabo flutuante, o qual pode colocar o cabo flutuante (e os nós acústicos) sob a camada mista (e, portanto, na termoclina principal) e, deste modo, aumen- tar os fenômenos de refração. Conforme detalhado acima, estes fenômenos de refração provocam um erro se a fórmula clássica for usada para estimar a distância inter-nó.
Objetivos da invenção
A invenção, em ao menos uma modalidade, tem o objetivo especialmente de supe- rar estas diferentes desvantagens da técnica anterior.
Mais especificamente, consiste em um objetivo de ao menos uma modalidade da invenção fornecer uma técnica para estimar a distância inter-nó que é mais precisa do que a solução conhecida discutida acima.
Consiste em um objetivo adicional de ao menos uma modalidade da invenção for- necer uma técnica deste tipo que é simples de implantar e custa pouco.
Sumário da invenção
Uma modalidade particular da invenção propõe um método para estimar uma dis- tância inter-nó entre um nó emissor e um nó receptor que pertencem a uma rede que com- preende uma pluralidade de nós dispostos ao longo de antenas lineares acústicas reboca- das, sendo que um sinal de acústico é transmitido a partir do nó emissor para o nó receptor através de um canal acústico abaixo da linha da água. O método compreende uma etapa de estimar a distância inter-nó conforme uma função de uma estimativa de um perfil de veloci- dade do som do canal acústico abaixo da linha da água, o dito perfil de velocidade do som que depende da profundidade.
Esta modalidade particular conta com algo completamente novo e inventivo devido ao fato de que leva em conta as propriedades do ambiente representadas especialmente pelo perfil de velocidade do som do canal acústico abaixo da linha da água (entre o nó emissor e o nó receptor). Deste modo, Esta técnica para estimar a distância inter-nó é mais precisa do que a solução conhecida discutida acima, e elimina (ou ao menos reduz) a incli- nação potencial induzida pelos fenômenos de refração.
Em uma primeira implantação, a dita etapa de estimar a distância inter-nó compre- ende as etapas de:
- obter um tempo de percurso do sinal de acústico a partir do nó emissor para o nó receptor, as profundidades de imersão do nó emissor e do nó receptor, uma velocidade do som na profundidade de imersão do nó emissor e a dita estimativa do perfil de velocidade do som;
- determinar uma distância inter-nó aproximada, que corresponde a uma trajetória de linha reta entre o nó emissor e o nó receptor, conforme uma função do tempo de percur- so e da velocidade do som na profundidade de imersão do nó emissor;
- estimar a propagação de som entre o nó emissor e o nó receptor, com o uso de um modelo de propagação de som e o conhecimento das profundidades de imersão do nó emissor e do nó receptor, a distância inter-nó aproximada e a estimativa do perfil de veloci- dade do som, a dita etapa de estimar a propagação de som que fornece um comprimento de arco de uma trajetória de arco entre o nó emissor e o nó receptor; e
- determinar uma estimativa da distância inter-nó, conforme a diferença entre a dita distância inter-nó aproximada e um erro de estimação de distância definido conforme a dife- rença entre o dito comprimento de arco e a dita distância inter-nó aproximada.
Esta primeira implantação envolve a determinação de uma distância inter-nó apro- ximada de acordo com o método conhecido (supondo uma velocidade do som constante no canal) e, então, para corrigir o erro nesta distância inter-nó aproximada. O erro é determina- do com o uso de um modelo de propagação de som (por exemplo, modelo de teoria de raio) e, entre outras suposições, a estimativa do perfil de velocidade do som do canal acústico
abaixo da linha da água.
É feita a hipótese de que o comprimento da trajetória de arco fornecido pela etapa de estimar uma propagação de som (cuja extremidade é posicionada, linha reta, na distân- cia inter-nó aproximada a partir do nó emissor) é aproximadamente igual ao comprimento da trajetória de arco real (cuja extremidade é posicionada, linha reta, na distância inter-nó real a
partir do nó emissor).
De acordo com uma característica particular, a etapa de obter a estimativa do perfil de velocidade do som é realizada com o uso de ao menos um método que pertence ao gru- po que compreende:
- métodos de consultar ao menos uma base de dados de perfis de velocidade do
som; e
- métodos de medição direta, com o uso de um dispositivo de medição e/ou um mé- todo acústico.
Em outras palavras, a estimativa do perfil de velocidade do som é obtida de uma maneira simples e convencional.
De acordo com uma característica particular, a etapa de obter a estimativa do perfil de velocidade do som é realizada com um método de medição indireta, com o uso de um processo de inversão que extrai a estimativa do perfil de velocidade do som a partir de ao menos um sinal de acústico distorcido que resulta a partir da transmissão de um sinal de acústico entre um par de nós através do dito canal acústico abaixo da linha da água.
Deste modo, a estimativa do perfil de velocidade do som é obtida com o uso de um processo de inversão. Isto é mais preciso do que consultar bases de dados, sem exigir o dispositivo de medição e corresponde ao perfil de velocidade do som entre os dois nós do par de nós considerado.
De acordo com uma característica particular, o dito processo de inversão extrai a estimativa do perfil de velocidade do som a partir de um sinal de acústico distorcido que re- sulta a partir da transmissão do dito sinal de acústico entre o dito nó emissor e o dito nó re- ceptor através do dito canal acústico abaixo da linha da água.
Deste modo, somente um par de nós é usado (o par de nós para qual a distância in- ter-nó é estimado).
De acordo com uma característica particular, ao menos duas iterações do dito pro- cesso de inversão são executadas explorando uma diversidade espacial, com o uso de ao menos dois pares de nós diferentes e/ou uma diversidade de tempo, com o uso de u mesmo par de nós em ao menos dois instantes diferentes, cada iteração que fornece uma estimati- va intermediária do perfil de velocidade do som, e a etapa de obter a estimativa do perfil de velocidade do som compreende uma etapa de combinar as estimativas intermediárias do perfil de velocidade do som para obter uma estimativa final do perfil de velocidade do som.
Quanto maior for número de iterações (e, portanto, o número de estimativas inter- mediárias), maior é a estimativa final do perfil de velocidade do som.
De acordo com uma característica particular, os ditos ao menos dois pares de nós diferentes têm profundidades diferentes, sendo que um primeiro e um segundo par de nós são definidos como tendo profundidades diferentes se um nó emissor do primeiro par não tiver a mesma profundidade que um nó emissor do segundo par e/ou se um nó receptor do primeiro par não tiver a mesma profundidade que um nó receptor do segundo par.
Isto permite uma amostragem de coluna de água vertical que proporciona melhores resultados para a estimativa final do perfil de velocidade do som.
Em uma segunda implantação, a dita etapa de estimar a distância inter-nó compre- ende uma etapa de utilizar um processo de inversão que extrai juntamente uma estimativa do perfil de velocidade do som e uma estimativa da distância inter-nó, a partir de um sinal de acústico distorcido que resulta a partir da transmissão do dito sinal de acústico entre o dito nó emissor e o dito nó receptor através do dito canal acústico abaixo da linha da água.
Nesta segunda implantação, ao contrário da primeira modalidade, não há suposição em relação ao perfil de velocidade do som e nenhuma necessidade de uma etapa anterior de estimação da propagação de som (o perfil de velocidade do som é invertido ao mesmo tempo em que a distância inter-nó). Portanto, logicamente, a estimativa do perfil de veloci- dade do som e a estimativa da distância inter-nó são mais precisas.
Em uma terceira implantação, a dita etapa de estimar a distância inter-nó compre- ende as etapas de:
- obter a dita estimativa do perfil de velocidade do som; e
- utilizar um processo de inversão que extrai uma estimativa da distância inter-nó, a partir de um sinal de acústico distorcido que resulta a partir da transmissão do dito sinal de
acústico entre o dito nó emissor e o dito nó receptor através do dito canal acústico abaixo da linha da água, e o conhecimento da dita estimativa do perfil de velocidade do som.
Nesta terceira implantação, conforme a primeira modalidade, há uma suposição em relação ao perfil de velocidade do som, mas ao contrário da primeira modalidade, não há necessidade de uma etapa anterior de estimação da propagação de som (a distância inter- nó é invertida). Portanto, a estimativa da distância inter-nó é mais precisa. A terceira modali- dade é menos dispendiosa do que a segunda modalidade em termos de tempo de computa- ção.
De acordo com uma característica particular (da terceira implantação), a etapa de obter a estimativa do perfil de velocidade do som é realizada com o uso de ao menos um método que pertence ao grupo que compreende:
- métodos de consultar ao menos uma base de dados de perfis de velocidade do
som; e
- métodos de medição direta, com o uso de um dispositivo de medição e/ou um mé- todo acústico.
Em outras palavras, a estimativa do perfil de velocidade do som é obtida de uma maneira simples e convencional.
De acordo com uma característica particular (de qualquer uma dentre a segunda e a terceira implantação), a dita etapa de estimar a distância inter-nó compreende as etapas de:
- obter um tempo de percurso do sinal de acústico a partir do nó emissor ao nó re- ceptor, uma profundidade de imersão do nó emissor, uma velocidade do som na profundi- dade de imersão do nó emissor;
- determinar uma distância inter-nó aproximada, que corresponde a uma trajetória de linha reta entre o nó emissor e o nó receptor, conforme uma função do tempo de percur- so e a velocidade do som na profundidade de imersão do nó emissor;
e o dito processo de inversão é inicializado com a dita distância inter-nó aproxima- da.
Em outras palavras, o processo de inversão (que extrai a estimativa da distância in- ter-nó) é inicializado com uma distância inter-nó aproximada determinada de modo simples (de acordo com o método conhecido, supondo uma velocidade do som constante no canal).
De acordo com uma característica particular (de qualquer uma dentre a primeira, segunda e terceira implantação), o método é implantado pelo dito nó receptor ou um sistema centralizado.
Em outra modalidade, a invenção pertence a um produto de programa de computa- dor que compreende as instruções de código de programa para implantar o método mencio- nado acima (em qualquer uma de suas diferentes modalidades), quando o dito programa é executado em um computador ou um processador.
Em outra modalidade, a invenção se refere a um meio portador legível por compu- tador não transitório, que armazena um programa que, quando executado por um computa- dor ou um processador, faz com que o computador ou o processador realize o método men- cionado acima (em qualquer uma dentre suas diferentes modalidades).
Em outra modalidade, a invenção propõe um dispositivo para estimar uma distância inter-nó entre um nó emissor e um nó receptor que pertence a uma rede que compreende uma pluralidade de nós dispostos ao longo de antenas lineares acústicas rebocadas, sendo que um sinal de acústico é transmitido a partir do nó emissor para o nó receptor através de um canal acústico abaixo da linha da água, caracterizado pelo fato de que o dispositivo compreende meio para estimar a distância inter-nó conforme uma função de uma estimativa de um perfil de velocidade do som do canal acústico abaixo da linha da água, o dito perfil de velocidade do som que depende da profundidade.
Lista de figuras
Outras características e vantagens de modalidades da invenção deverão surgir a partir da seguinte descrição, dada por meio de exemplos indicativos e não exaustivos e a partir dos desenhos em anexo, no quais:
A Figura 1, já descrita com referência à técnica anterior, apresenta um exemplo de rede de cabos sísmicos flutuantes rebocada por uma embarcação sísmica;
A Figura 2, já descrita com referência à técnica anterior, ilustra em detalhes o bloco indicado por C na figura 1 (isto é, uma parte do cabo flutuante);
As Figuras 3 a 6, já descrita com referência à técnica anterior, apresentam, cada, um perfil de velocidade do som (parte esquerda da figura) e trajetórias de raio correspon- dentes (parte direita da figura);
A Figura 7, já descrita com referência à técnica anterior, apresenta um exemplo de perfil de velocidade do som, típico de região do oceano quente;
A Figura 8 é um fluxograma de uma primeira modalidade do método de acordo com a invenção;
A Figura 9 é um fluxograma de uma segunda modalidade do método de acordo com a invenção;
A Figura 10 é um fluxograma de uma terceira modalidade do método de acordo com a invenção;
A Figura 11 é um fluxograma de um processo de inversão que fornece uma estima- tiva do perfil de velocidade do som, a ser usada como entrada na primeira modalidade da figura 8; e
A Figura 12 mostra a estrutura simplificada de um dispositivo de estimação de acordo com uma modalidade particular da invenção.
Descrição detalhada
As Figuras 1 a 7 já têm sido descritas acima em relação à técnica anterior.
Na seguinte descrição, é considerada como um exemplo a estimação da distância inter-nó entre o nó emissor A e o nó receptor B, mostrada na figura 1 e que pertencem a uma rede de nós 14 dispostos ao longo de cabos sísmicos flutuantes 20a a 20e.
Com referência agora à figura 8, apresenta-se uma primeira modalidade do método de acordo com a invenção. Na etapa 81, o nó emissor A transmite um sinal de acústico para o nó receptor B, através de um canal acústico abaixo da linha da água.
Na etapa 82, o nó receptor B recebe o sinal de acústico.
A etapa 83 consiste em medir o tempo de percurso tAB entre o nó emissor A e o nó receptor B.
Na etapa 84, com o conhecimento da velocidade do som C(zA) na profundidade de imersão zA do nó A, uma distância inter-nó aproximada DAb entre os nós A e B é determina- da, com o uso da seguinte fórmula clássica: Dab= C(za) * tAB.
Também na etapa 84, com o conhecimento das profundidades de imersão de nós A e B (zA e zB, respectivamente, as quais podem ser diferentes umas das outras), da distância inter-nó aproximada Dab (vide acima) e de uma estimativa do perfil de velocidade do som C(z), estima-se a propagação de som entre nós AeB (com o uso de um modelo de propa- gação de som, por exemplo, modelo de teoria de raio; o método correspondente é chamado de "método de rastreamento de trajetória de raio"), isto é, estima-se o formato (o qual é um arco) da trajetória real entre os nós A e B (o comprimento Lab deste arco é estimado na eta- pa 85).
Outros modelos de propagação de som podem ser usados no lugar do modelo de teoria de raio para avaliar o sinal recebido no nó B, tal como equação parabólica, integração de número de onda ou modos normais (a escolha depende da freqüência considerada, água profundidade, dependência de alcance,...).
Diferentes formas de se obter uma estimativa do perfil de velocidade do som C(z) são descritas abaixo.
Na etapa 85, o comprimento Lab do arco (trajetória real) entre os nós A e B é esti- mado.
Na etapa 86, com o conhecimento do comprimento de arco Lab, pode se computar
um erro de estimação de distância: ε = Lab - Dab.
Finalmente, na etapa 87, pode se determinar uma distância corrigida D'AB> isto é, uma estimativa da distância inter-nó entre os nós AeB, por meio de computação: Dab = Dab - ε.
Deste modo, a distância inter-nó entre os nós A e B é estimada de modo mais pre-
ciso.
Existem diferentes formas de se obter uma estimativa do perfil de velocidade do som C(z):
com o uso do conhecimento anterior sobre o ambiente: com a consulta de bases de dados de perfil de velocidade do som mundiais;
com o uso de um método de medição direta: com o uso do dispositivo de medição (tal como batitermógrafo, batitermógrafo descartável (XBT), velocímetro de som descartável (XSV)1 velocímetro de som, etc.); ou
com o uso de um método de medição indireta: com o uso de um processo de inver- são (vide abaixo a descrição da figura 11); ou
com o uso de um método acústico sobre diferentes nós do Iayout a fim de explorar suas diferentes profundidades potenciais (cf. método BroadSeis (marca registrada)).
A Figura 11 é um fluxograma de um processo de inversão que fornece uma estima- tiva do perfil de velocidade do som C(z), a ser usada como entrada na primeira modalidade da figura 8.
Na etapa 111, um nó emissor (por exemplo, nó A ou um nó próximo ao nó A) transmite um sinal de acústico para o nó receptor (por exemplo, nó B ou um nó próximo ao nó B), através do canal acústico abaixo da linha da água.
Na etapa 112, o nó receptor recebe o sinal de acústico, como um sinal recebido dis- torcido dependendo das propriedades de canal. De fato, o sinal emitido pelos nós será sub- metido a reflexões na superfície do oceano e no fundo do mar, ou refrações devido ao gra- diente de velocidade do som.
Na etapa 113, se obtém um conjunto de itens observáveis (dados) a partir do sinal recebido distorcido. Por exemplo, os itens observáveis podem consistir na resposta de im- pulso do canal entre os dois nós.
Na etapa 114, os itens observáveis são usados para executar uma inversão das propriedades do ambiente e, especialmente, do perfil de velocidade do som, supondo que a distância inter-nó (entre o nó emissor e o nó receptor) é conhecida e igual à distância inter- nó aproximada obtida anteriormente entre os nós A e B (Dab = C(zA) * Íab)· Em outras pala- vras, o uso dos itens observáveis extraídos a partir do sinal recebido distorcido e correspon- dendo os mesmos a um modelo de propagação (apesar de um processo de otimização de uma função de custo) permite obter uma estimativa do perfil de velocidade do som. Por exemplo, se os itens observáveis consistem na resposta de impulso do canal entre os dois nós, deste modo, a execução de um processo de resposta de impulso correspondente (MIR) proporciona uma estimativa do perfil de velocidade do som (mediante a comparação da res- posta de impulso observada com as respostas de impulso modeladas que correspondem, cada, a um perfil de velocidade do som conhecido diferente).
Na etapa 114, o processo de inversão pode ser inicializado com uma estimativa ob- tida por meio da consulta de bases de dados de perfil de velocidade do som mundiais ou por meio do uso de um método de medição direta (vide detalhes abaixo).
Em uma variável, com a finalidade de se obter melhores resultados, várias itera- ções (também chamadas de realizações) do processo de inversão da figura 11 são execu- tadas, a fim de explorar uma diversidade espacial (com o uso de diferentes pares de nós) e/ou uma diversidade de tempo (com o uso de um mesmo par de nós em ao menos dois instantes diferentes). Cada iteração fornece uma estimativa intermediária do perfil de veloci- dade do som (por exemplo, por meio da computação de uma média).
Nesta variável, se os diferentes nós são posicionados em diferentes profundidades, a amostragem de coluna de água vertical obtida proporciona melhores resultados para a estimação do perfil de velocidade do som. Em outras palavras, é vantajoso que os diferentes pares de nós tenham profundidades diferentes. Utiliza-se a seguinte definição: um primeiro e um segundo par de nós têm diferentes profundidades se um nó emissor do primeiro par não tiver a mesma profundidade que um nó emissor do segundo par e/ou se um nó receptor do primeiro par não tiver a mesma profundidade que um nó receptor do segundo par. Com referência agora à figura 9, apresenta-se uma segunda modalidade do método
de acordo com a invenção (processo de inversão que extrai juntamente uma estimativa do perfil de velocidade do som e uma estimativa da distância inter-nó).
Na etapa 91, o nó emissor A transmite um sinal de acústico para o nó receptor B, através de um canal acústico abaixo da linha da água (isto é, uma coluna de água). Na etapa 92, o nó receptor B recebe o sinal de acústico, como um sinal recebido
distorcido dependendo das propriedades do canal. De fato, o sinal emitido pelos nós será submetido a reflexões sobre a superfície do oceano e sobre o fundo do mar, ou refrações devido ao gradiente de velocidade do som.
Na etapa 93, se obtém um conjunto de itens observáveis (dados a partir do sinal re- cebido distorcido). Por exemplo, os itens observáveis podem consistir na resposta de impul- so do canal entre o dois nós.
Na etapa 94, os itens observáveis são usados para executar uma inversão das pro- priedades do ambiente e, especialmente, uma estimativa do perfil de velocidade do som e juntamente uma estimativa da distância inter-nó Lab. Em outras palavras, o uso dos itens observáveis extraídos a partir do sinal recebido distorcido e a correspondência dos mesmos com alguns obtidos com um modelo de propagação (apesar de um processo de otimização de uma função de custo) permite obter em conjunto uma estimativa do perfil de velocidade do som e uma estimativa da distância inter-nó. Por exemplo, se os itens observáveis consis- tirem na resposta de impulso do canal entre os dois nós, deste modo, a execução de um processo de resposta de impulso correspondente (MIR) proporciona uma estimativa do perfil de velocidade do som e uma estimativa da distância inter-nó (mediante a comparação da resposta de impulso observada com as respostas de impulso modeladas, que corresponde, cada, um par diferente de um perfil de velocidade do som conhecido e uma distância inter- nó conhecida).
Na etapa 94, o processo de inversão pode ser inicializado com a distância inter-nó
aproximada DAb (determinada conforme descrito para a primeira modalidade ilustrada na figura 8: DAb = C(zA) * tAB), isto é, uma distância inter-nó estimada supondo uma velocidade do som constante.
Com referência agora à figura 10, apresenta-se uma terceira modalidade do método de acordo com a invenção (processo de inversão que extrai somente uma estimativa da dis- tância inter-nó).
Na etapa 101, o nó emissor A transmite um sinal de acústico para o nó receptor B, através de um canal acústico abaixo da linha da água (isto é, uma coluna de água).
Na etapa 102, o nó receptor B recebe o sinal de acústico, como um sinal recebido distorcido dependendo das propriedades de canal. De fato, o sinal emitido pelos nós será submetido a reflexões sobre a superfície do oceano e sobre o fundo do mar, ou refrações devido ao gradiente de velocidade do som.
Na etapa 103, se obtém um conjunto de itens observáveis (dados) a partir do sinal recebido distorcido. Por exemplo, os itens observáveis podem consistir na resposta de im- pulso do canal entre os dois nós.
Na etapa 104, os itens observáveis são usados para executar uma inversão das propriedades do ambiente e, especialmente, uma estimativa da distância inter-nó, supondo que o perfil de velocidade do som é conhecido (por exemplo, por meio da consulta de bases de dados de perfil de velocidade do som mundiais ou por meio do uso de um método de medição direta - vide detalhes acima). Em outras palavras, o uso dos itens observáveis ex- traídos a partir do sinal recebido distorcido e a correspondência dos mesmos com um mode- lo de propagação (apesar de um processo de otimização de uma função de custo) permite obter uma estimativa da distância inter-nó. Por exemplo, se os itens observáveis consistirem na resposta de impulso do canal entre os dois nós, deste modo, a execução de um processo de resposta de impulso correspondente (MIR) proporciona uma estimativa da distância inter- nó (mediante a comparação da resposta de impulso observada com as respostas de impul- so modelada, que corresponde, cada, a uma distância inter-nó conhecida diferente).
Na etapa 104, o processo de inversão pode ser inicializado com a distância inter-nó aproximada DAb (determinada conforme descrito para a primeira modalidade ilustrada na figura 1), isto é, uma distância inter-nó estimada, supondo uma velocidade do som constan- te.
Agora com referência à figura 12, apresenta-se a estrutura simplificada de um dis- positivo de estimação 120 (para estimar uma distância inter-nó) de acordo com uma modali- dade particular da invenção.
O dispositivo de estimação 120 pode ser um nó acústico (tal como, o nó receptor B no exemplo acima), o sistema de gerenciamento de nó oi sistema de navegação. Compre- ende uma memória somente para leitura (ROM) 123, uma memória de acesso aleatório (RAM) 121 e um processador 122. A memória somente para leitura 123 (meio portador legí- vel por computador não transitório) armazena as instruções executáveis de código de pro- grama, as quais são executadas pelo processador 122 e possibilitam a implantação da téc- nica da invenção (por exemplo, as etapas 82 a 87 da figura 8; ou as etapas 92 a 94 da figura 9; ou as etapas 102 a 104 da figura 10).
Sob a inicialização, as instruções de código de programa mencionadas anterior- mente são transferidas a partir da memória somente para leitura 123 para a memória de acesso aleatório 121 para que sejam executadas pelo processador 122. A memória de acesso aleatório 121 inclui, semelhantemente, registradores para armazenar as variáveis e parâmetros exigidos para esta execução. O processador 122 recebe a seguinte informação (indicada por 124a a 124e, respectivamente):
o sinal de acústico (transmitido pelo nó emissor e recebido pelo nó receptor), a velocidade do som C(zA) na profundidade de imersão zA do nó A, as profundidades de imersão dos nós A e B, zA e zB, respectivamente, a estimativa do perfil de velocidade do som C(z), e um modelo de propagação.
De acordo com as instruções de código de programa, o processador 122 libera uma estimação da distância inter-nó 125.
Todas as etapas do método de estimação acima podem ser bem implantadas de forma igual:
por meio da execução de um conjunto de instruções de código de programa execu- tadas por uma máquina de computação reprogramável, tal como um aparelho do tipo PC1 um DSP (processador de sinal digital) ou um microcontrolador. Estas instruções de código de programa podem ser armazenadas em um meio portador legível por computador não transitório que é separável (por exemplo, um disquete, um CD-ROM ou um DVD-ROM) ou não separável; ou
por meio de um componente ou máquina dedicada, tal como um FPGA (arranjo de portas programáveis por campo), um ASIC (circuito integrado de aplicação específica) ou qualquer componente de hardware dedicado.
Claims (15)
1. Método para estimar uma distância inter-nó entre um nó emissor (A) e um nó re- ceptor (B) que pertencem a uma rede que compreende uma pluralidade de nós dispostos ao longo de antenas lineares acústicas rebocadas (20a-20e), sendo que um sinal de acústico é transmitido a partir do nó emissor para o nó receptor através de um canal acústico abaixo da linha da água, CARACTERIZADO pelo fato de que o método compreende uma etapa (83 a 87; 93 a 94; 103 a 104) de estimar a distância inter-nó conforme uma função de uma estima- tiva de um perfil de velocidade do som do canal acústico abaixo da linha da água, o dito per- fil de velocidade do som que depende da profundidade.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a dita etapa de estimar a distância inter-nó compreende as etapas de: - obter (83, 84) um tempo de percurso do sinal de acústico a partir do nó emissor para o nó receptor, profundidades de imersão do nó emissor e do nó receptor, uma veloci- dade do som na profundidade de imersão do nó emissor e a dita estimativa do perfil de ve- locidade do som; - determinar (84) uma distância inter-nó aproximada (DAb), que corresponde a uma trajetória de linha reta entre o nó emissor e o nó receptor, conforme uma função do tempo de percurso e da velocidade do som na profundidade de imersão do nó emissor; - estimar (84) a propagação de som entre o nó emissor e o nó receptor, com o uso de um modelo de propagação de som e o conhecimento das profundidades de imersão do nó emissor e do nó receptor, da distância inter-nó aproximada e da estimativa do perfil de velocidade do som, a dita etapa de estimar a propagação de som que fornece um compri- mento de arco (LAb) de uma trajetória de arco entre o nó emissor e o nó receptor; e - determinar (86-87) uma estimativa do distância inter-nó (D'ab). conforme a diferen- ça entre a dita distância inter-nó aproximada e um erro de estimação de distância definido conforme a diferença entre o dito comprimento de arco e a dita distância inter-nó aproxima- da.
3. Método, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de que a etapa de obter a estimativa do perfil de velocidade do som é realizada com o uso de ao me- nos um método que pertence ao grupo que compreende: - métodos de consultar ao menos uma base de dados de perfis de velocidade do som; e - métodos de medição direta, com o uso de um dispositivo de medição e/ou um mé- todo acústico.
4. Método, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de que a etapa de obter a estimativa do perfil de velocidade do som é realizada com um método de medição indireta, com o uso de um processo de inversão (111 a 114) que extrai a estimativa do perfil de velocidade do som a partir de ao menos um sinal de acústico distorcido que re- sulta a partir da transmissão de um sinal de acústico entre um par de nós através do dito canal acústico abaixo da linha da água.
5. Método, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de que o dito processo de inversão extrai a estimativa do perfil de velocidade do som a partir de um sinal de acústico distorcido que resulta a partir da transmissão do dito sinal de acústico entre o dito nó emissor e o dito nó receptor através do dito canal acústico abaixo da linha da água.
6. Método, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de que ao menos duas iterações do dito processo de inversão são executadas explorando uma di- versidade espacial, com o uso de ao menos dois pares de nós diferentes e/ou uma diversi- dade de tempo, com o uso de um mesmo par de nós em ao menos dois instantes diferentes, cada iteração que fornece uma estimativa intermediária do perfil de velocidade do som, e em que a etapa de obter a estimativa do perfil de velocidade do som compreende uma etapa de combinar as estimativas intermediárias do perfil de velocidade do som para se obter uma estimativa final do perfil de velocidade do som.
7. Método, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de que os ditos ao menos dois pares de nós diferentes têm diferentes profundidades, sendo que um primeiro e um segundo par de nós são definidos como tendo diferentes profundidades se um nó emissor do primeiro par não tiver a mesma profundidade que um nó emissor do segundo par e/ou se um nó receptor do primeiro par não tiver a mesma profundidade que um nó re- ceptor do segundo par.
8. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a dita etapa de estimar a distância inter-nó compreende uma etapa de utilizar um processo de inversão (94) que extrai juntamente uma estimativa do perfil de velocidade do som e uma estimativa do distância inter-nó, a partir de um sinal de acústico distorcido que resulta a par- tir da transmissão do dito sinal de acústico entre o dito nó emissor e o dito nó receptor atra- vés do dito canal acústico abaixo da linha da água.
9. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a dita etapa de estimar a distância inter-nó compreende as etapas de: - obter a dita estimativa do perfil de velocidade do som; e - utilizar um processo de inversão (104) que extrai uma estimativa da distância in- ter-nó, a partir de um sinal de acústico distorcido que resulta a partir da transmissão do dito sinal de acústico entre o dito nó emissor e o dito nó receptor através do dito canal acústico abaixo da linha da água, e o conhecimento da dita estimativa do perfil de velocidade do som.
10. Método, de acordo com a reivindicação 9, CARACTERIZADO pelo fato de que a etapa de obter a estimativa do perfil de velocidade do som é realizada com o uso de ao menos um método que pertence ao grupo que compreende: - métodos de consultar ao menos uma base de dados de perfis de velocidade do som; e - métodos de medição direta, com o uso de um dispositivo de medição e/ou um mé- todo acústico.
11. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 10, CARACTERIZADO pelo fato de que a dita etapa de estimar a distância inter-nó compreende as etapas de: - obter um tempo de percurso do sinal de acústico a partir do nó emissor para o nó receptor, uma profundidade de imersão do nó emissor, uma velocidade do som na profundi- dade de imersão do nó emissor; - determinar uma distância inter-nó aproximada (DAb). que corresponde a uma traje- tória de linha reta entre o nó emissor e o nó receptor, conforme uma função do tempo de percurso e da velocidade do som na profundidade de imersão do nó emissor; e em que o dito processo de inversão é inicializado com a dita distância inter-nó aproximada.
12. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, CARACTERIZADO pelo fato de que é implantado pelo dito nó receptor ou um sistema cen- tralizado.
13. Produto de programa de computador, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende as instruções de código de programa para implantar o método conforme | ao menos uma das reivindicações 1 a 12, quando o dito programa é executado em um compu- tador ou um processador.
14. Meio portador legível por computador não transitório, CARACTERIZADO pelo fato de que armazena um programa que, quando executado por um computador ou um pro- cessador, faz com que o computador ou o processador realize o método conforme ao me- nos uma das reivindicações 1 a 12.
15. Dispositivo (120) para estimar uma distância inter-nó entre um nó emissor e um nó receptor que pertencem a uma rede que compreende uma pluralidade de nós dispostos ao longo de antenas lineares acústicas rebocadas, sendo que um sinal de acústico é trans- mitido a partir do nó emissor para o nó receptor através de um canal acústico abaixo da li- nha da água, CARACTERIZADO pelo fato de que o dispositivo compreende meio (121 a 123) para estimar a distância inter-nó conforme uma função de uma estimativa de um perfil de velocidade do som do canal acústico abaixo da linha da água, o dito perfil de velocidade do som que depende da profundidade.
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