CN102209914B - 控制托缆的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种控制在测量船(10)后面拖曳的托缆布置的形状和间距的方法和系统。每个线缆通过沿其长度定位在特殊节点处的横向转向控制装置(16)进行横向转向控制。每个线缆被其横向转向控制装置驱动以实现距相邻托缆的特殊间距。这些实际托缆中的一个被用作其他实际托缆的基准，被转向控制以实现从虚拟拖曳的假想或虚设托缆与实际托缆的特殊间距。

Description

控制托缆的方法和系统

技术领域

本发明大致涉及海上地震勘探，并且更特别地，涉及用于控制拖曳型地震托缆的伸展的系统和方法。

背景技术

如图1所示，在对海底下面的烃类沉积物进行的研究中，测量船10拖曳一个或多个地震源(图中未示出)和一根或多根被装备有水听器和其它传感器的托缆线缆S₁-S₄。在多根托缆的系统中，托缆被在测量船后面以大致平行的布置拖曳到水下。每个托缆的尾端系在标记其位置的尾浮标11上。地震源周期性发射传播到海底中并且反射出地质学构造的地震波。反射的地震波被托缆中的水听器接收。水听器数据被收集起来并进行处理以产生测量区域中的地壳地图。

其中，测量的质量取决于每个水听器的精确位置的认识。沿托缆长度布置的位置传感器，例如航向传感器和声测距装置12，被用于确定托缆的形状以及它们的相对间距。声测距装置典型地是声收发器，它们在一系列通道(a range of channel)上操作，从而在一个声测距装置与另一声测距装置之间发射和接收声测距信号，以产生托缆上的这两个声测距装置位置之间的准确测距通道14。许多测距通道-在图1中只示出了一些-以及从许多航向传感器得到的托缆航向数据被用于计算定义单个托缆的形状以及它们的相对位置的网络方案。当托缆阵列中的一点被连接到例如由GPS接收器提供的测量基准上时，可以确定每个水听器的绝对位置。

沿托缆长度布置于节点处的定位装置例如保持深度的吊舱(depth-keeping birds)和横向转向控制装置16被用于控制托缆的深度和它们距离彼此的间距。定位装置可以被装备有声测距装置，以与如此装备的其他定位装置以及与专门的声测距装置一起测距。在线测量传递过程中精确定位托缆是很重要的，用于产生高质量地图。然而，横流交叉流导致托缆偏离平行于拖曳船航线的直线。相反，托缆可能从它们的拖曳点直接弯曲一角度或者与它们的偏离该直线的尾端一起呈现弯曲的形状。在线测量传递中通常不希望出现托缆的这种偏转。在在线测量操作之间的转弯过程中精确定位也是很重要的，用于在不缠绕托缆的情况下缩短转弯的时间。

在传统的托缆定位系统中，其中一个托缆，在本示例中是最远的左舷托缆S1，被用作基准托缆。船载控制器18收集位置传感器数据并且计算表述托缆形状和它们距离彼此的间距的网络方案。根据网络方案和直接或间接以基准托缆上的点为基准的托缆上的对应转向控制装置节点的目标间距，船载控制器得出每个横向转向控制装置的转向控制命令。转向控制命令被传输至转向控制装置，用于调整它们的控制平面，或鳍(fin)，从而横向驱动托缆，如箭头20所示，以保持目标间距。

在当前系统中，人工操作者通过发送横向转向控制命令至横向位置控制器以驱动基准托缆调整偏转从而转向控制基准托缆。然后，其他托缆被朝向直接或间接以基准托缆为基准的选定间距自动转向控制。但人工定位基准托缆很费时，并且在转弯中可能还非常忙乱。

发明内容

本缺点以及其他缺点通过用于在测量船后面定位一根或多根托的体现本发明的特征的方法得到了解决。本方法包括：拖曳第一实际托缆，沿所述托缆的长度在被间隔开的位置处装备有横向转向控制装置；定义在测量船后面具有形状和位置的假想托缆；确定所述第一实际托缆的形状和位置；定义所述假想托缆和所述第一实际托缆之间的目标横向间距；以及发送横向转向控制命令至横向转向控制装置，从而朝向距所述假想托缆的所述目标横向间距驱动所述第一实际托缆。

本发明的另一方面提供了一种用于控制在测量船后面拖曳的多根托缆的伸展的系统。本系统包括：具有彼此横向偏置的首端的多根实际托缆。每根实际托缆沿其长度布置有多个横向转向控制装置和位置传感器。控制器从位置传感器接收位置数据。控制器包括计算被测量船拖曳的假想托缆的形状和位置的自动转向控制装置。控制器还包括网络计算装置，其根据位置数据确定实际托缆的形状和位置，并且以从自动转向控制装置接收的假想托缆的形状和位置为基准计算每根实际托缆的横向间距。然后，所述控制器发送横向转向控制命令至与计算的横向间距对应的横向转向控制装置。

在本发明的另一方面中，一种用于控制N根实际托缆S₁-S_N的伸展的方法包括：定义假想托缆G_r的形状和位置；确定实际托缆S₁-S_N的形状和位置；调整实际基准托缆S_r距假想托缆G_r的间距；以及调整实际托缆S_n距另一实际托缆S_i的间距，其中，每个n∈{1，2，…，N}并且n≠r并且其中i∈{1，2，…，N}，i≠n，并且在至少一中情况下，i＝r。

附图说明

本发明的这些特征和方面及其优势通过参照下面的描述、附加的权利要求以及附图将得到更好的理解，其中：

图1是测量船拖曳托缆网络的俯视平面图，示意出传统地使用基准托缆声交叉固定(cross-bracing)和横向转向控制托缆；

图2是图1的俯视平面图，示意出根据本发明的被认为是基准托缆的虚拟托缆的用法；

图3是可与图2的托缆网络一起使用的托缆定位控制系统的方框图；以及

图4A-4C是用于图3的控制系统的控制顺序的流程图。

具体实施方式

参考图2所示的示例性四托缆系统描述根据本发明的托缆转向控制系统的操作。(托缆的布置与图1相同。)测量船10拖曳着尾端22被栓系在尾浮标11上的四根托缆S₁-S₄(通常，S₁-S_N表示N根托缆的系统)。托缆的首端23被系在连接到船后甲板上的拖曳缆绳系统24上。扫雷器26被用于保持所使用的托缆网络的充分伸展。横向转向控制装置16-沿每根托缆的长度布置于被间隔开的位置，或转向控制节点，例如每300m一个-施加横向力20以驱动托缆转向右舷或转向左舷。通过通信连接装置，例如沿拖曳线缆延伸并且穿过托缆的硬线连接30，连接到位置传感器和横向转向控制装置以及托缆上的船载控制器28从位置传感器上接收定位和其它数据并且通过连接装置将转向控制命令传递至横向转向控制装置。

正如图1的托缆系统，图2的系统指定一根托缆-在本示例中是最远的左舷托缆S₁-作为基准托缆S_r。最靠近的相邻托缆S₂被朝向距基准托缆S₁选定的间距D转向。如图2中所示，托缆S₂上的首端横向转向控制装置16A的节点比所述选定的间距距离基准托缆S₁的最近路程距离更远。因此，船载控制器对首端转向控制装置16A发出转向控制命令从而驱动托缆转向左舷，如箭头32所示。因为托缆S₂上的转向控制装置16B的尾端转向控制节点比所述选定的间距距离距基准托缆S₁的最近路程距离更近，如图2中所示，所以船载控制器对S₂上的尾端横向转向控制装置16B发出转向控制命令迫使托缆转向右舷，如箭头33所示。转向控制命令包含例如控制数值，例如与间距误差有关的鳍角(fin angle)值，所述间距误差根据理想目标间距和横向转向控制装置所在的托缆上的节点与作为基准的托缆上的最近点之间的实际间距计算得来。箭头32、33的长度与控制每个横向转向控制装置的控制表面方位角的鳍角设置的变化量成正比。在图2中，因为托缆S₁和S₂在沿它们长度的大约中点处具有理想间距D，所以不必须改变横向转向控制装置16C的鳍角设置。

正如托缆S₂直接以基准托缆S₁的形状和位置为基准转向一样，S₂的右舷邻居S₃以S₂的位置和形状为基准转向。并且最远的右舷托缆S₄相对于S₃定位。这是优选的操作模式，因为从声测距装置(acousticranging devices)得出的最近间隔的相邻托缆之间的测距典型地比更远些间隔的不相邻托缆之间的测距更准确。在本示例中，托缆S₂-S₄中的每一个被转向以保持它们距左舷邻居的理想间距。因此基准托缆S₁用作托缆S₂的直接基准和其它托缆的间接基准。

在托缆转向控制系统的一个传统形式中，通过人工操作者经船载控制器给出手动命令来转向基准托缆S₁从而调整基准的偏转(feather)，使得该托缆呈现对应的形状和位置。根据本发明，基准托缆的定位通过使其参考预定义的假想托缆G_r而自动进行。此假想的，或虚拟的，虚设托缆(ghost streamer)通过船载控制器根据可选标准例如目标偏转来定义。一旦选定了标准，船载控制器自动驱动基准托缆S_r，使其与虚设托缆G_r之间呈现预选的间距，该间距可以是零。(在图2中，r＝1。)其它托缆S₂-S₄被如前面描述地例行转向。如图2中所示，虚设托缆G₁被选择成使其首端23′与基准托缆S₁的拖曳点34重合。在本示例中，G₁也被示出具有某一偏转量F。(但可替代地G₁可以选择在船的正后面或从S₁的拖曳点偏置地配置。)

通常，对于具有N根实际托缆S₁-S_N的系统来说，其中一根托缆被指定为基准托缆S_r。在优选布置中，r＝1或N，从而指定最远的左舷或右舷托缆S₁或S_N，使托缆从左舷到右舷S₁-S_N依顺序定位。那么相关的虚设托缆是G₁或G_N。如果基准虚设托缆G_r＝G₁，则实际的托缆S₁以G₁为基准，并且对于每个n∈{2，3，…，N}，S_n以S_n-1为基准。更通常地，如果基准托缆S_r以虚设托缆G_r为基准，则对于每个n∈{1，2，…，N}并且n≠r以及其中i∈{1，2，…，N}，i≠n，实际托缆S_n将以另一实际托缆S_i为基准，并且在至少一种情况下，i＝r。

在图3中示出了托缆转向控制系统的方框图。可以包括一个或多个处理器的船载控制器执行许多单独的步骤以控制托缆的形状和间距。控制用户界面36允许操作者设置不同的横向转向控制参数。这些参数可以包括：

a)虚设托缆ON/OFF-使基准托缆能够转向至虚设托缆或者使该转向失效；

b)基准托缆-在托缆的自动间距控制过程中选择使用哪根托缆作为基准托缆S_r；

c)S_r的最大鳍角-在先线操作过程中基准托缆上使用的鳍角的最大值(用于限制鳍角控制测距的偏置并且用于限制由于托缆的横向移动而引起的水流噪音)；

d)模式-设置在线操作模式(用于托缆形状和间距的扇形控制模式或甚至间距控制模式)；以及

e)偏转(feather)-手动设置3D测线的理想偏转(desired feather)。

这些参数中的一些被发送至计算所有实际托缆S₁-S_N的当前位置的网络计算器装置38。(如在本描述中以及在权利要求中使用的，“位置”是指托缆的位置和形状，除明确地与“形状”一起使用外。)然后，网络计算器计算实际托缆和它们对应的目标托缆之间的间距。

在典型的测量过程中，实时规划器(realtime planner)40定义船遵循的轨迹。每个轨迹由在线线路(online pass)遵循的一连串转弯(turn)构成。规划器沿轨迹和转弯结尾处的在线部分(onlineportion)定义在线射点(online shot point)，并且在转弯的其余部分期间定义离线(offline)船位置。在3D测量中，由转弯得出的最终目标偏转值是经由控制用户界面手动输入的值。在4D测量中，目标偏转角根据在基准测量期间记录的偏转角沿测线设定并调整，新测量被设计成重复进行。

实时规划器将包括偏转匹配相关的计算的轨迹设置发送至自动转向控制装置42，自动转向控制装置42计算需要的虚设托缆的预测位置(future positions)。自动转向控制装置是计算从每个托缆上的每个定位传感器节点，以及从每个托缆上的其他装置的节点，到该托缆的目标托缆的最近路程距离的测距和关系的步骤，不论另一实际托缆或虚拟或虚设托缆是否与此实际托缆相关联。自动转向控制步骤还计算例如作为基准托缆S₁的基准的虚设托缆G₁的形状和位置。自动转向控制步骤可以还可选择地，根据从网络计算器接收的计算的实际托缆位置，计算与其他实际托缆S₂-S_N中每一个相关联的虚设托缆G₂-G_N。(参考图2，例如是其他虚设托缆中的一个G₄的示例，为示意目的没有示出偏转。)这允许虚设托缆和基准托缆从最远的左舷托缆改变至最远的右舷托缆，例如。自动转向控制步骤在转弯和离线期间的大致固定间隔内更新虚设托缆的形状和位置，并且典型地在线射击一次更新一次。

横向转向控制界面43接收托缆间距值，并且在控制用户界面的控制下将它们传递至横向控制器44，横向控制器44将每个节点的托缆间距值转换成托缆转向控制命令例如鳍角命令，并且通过通信连接装置30将它们传递至横向转向控制装置16，横向转向控制装置16适当调整它们的鳍角。

有时，在在线线路过程中，强水流或导航或仪器问题可能导致托缆的伸展不足以覆盖测量区域。测量区域被划分为面元(bin)的网格。如果在某些面元内收集的数据量不够，该传递必须重新进行，至少部分重新进行，以用更多的数据填充那些面元。在随后的在线线路中为完成数据设置而进行的在线线路的重新进行的步骤被称为填实(infill)。实时面元填充管理器步骤(realtime binningsupervisor process)46在航线上监督着这些面元并且调整托缆的伸展，以使所需的填实量最小。根据填充面元的数据得出的用以满足填实要求的所需轨迹被发送至自动转向控制步骤，然后其计算用于传递的对应虚设托缆。

使用另一步骤通过当托缆被从测量船的后甲板上拉出时帮助自动分配托缆的间距而在展开过程中监督托缆系统的伸展情况。展开管理器(deployment supervisor)48将轨迹和展开数据发送至自动转向控制步骤，其为网络计算器计算虚设托缆的位置从而控制横向转向控制装置。

图4A-4C中示出了每在线射击一次进行一次或在离线和转弯中的固定间隔内进行的托缆转向控制步骤的流程图。首先，船载控制器根据从声测距装置收集到的测距和从航向传感器收集到的航向计算网络方案(network solution)50。由网络方案，更新52实际托缆的位置。这些步骤通过网络计算器执行。下一步，自动转向控制步骤根据理想的偏转更新虚设托缆的位置54。然后，网络计算器计算虚设托缆距基准托缆(例如，S₁上的每个节点与其最靠近G₁的点之间)的间距56以及其他实际托缆中的每一个距相邻托缆(S_n上的每个节点与它们最靠近S_n-1的点之间)的间距58。计算了网络中的每个节点处的间距之后，通过控制用户界面控制的横向转向控制界面将该间距发送60至横向控制器。

横向控制器根据一个或多个实际或虚设托缆计算62与横向转向控制装置的间距相对应的横向间距误差项。诸如比例积分(PI)控制环的闭环控制计算64装置的控制表面的新鳍角，或鳍。每个转向控制装置中的马达驱动鳍变化到新鳍角66。在横向转向控制装置被控制而转向托缆的同时，船载控制器触发新数据获取循环68，在此期间，位置传感器(航向传感器和声测距装置)获取托缆位置数据(航向和声测距)70。然后位置传感器将位置数据通过通信连接装置发送72至控制器，以便网络计算器在下一定位数据更新循环期间计算网络方案，典型地每在线射击一次计算一次，以及在离线时或在航线之间转弯时每固定间隔内计算一次。

虽然本发明已经关于优选形式进行了描述，但其他形式也是可能的。例如，在船载横向控制器中运行的PI控制环可以例如在托缆上的每个转向控制装置中单独运行。在这种情况下，转向控制装置将在命令信息中从船载控制器接收必要的间距值。作为另一示例，所描述的系统可适于进行多船测量，其中，多数船载控制器功能通过其中一个船上的主控制器进行，所述主控制器被连接至其他船上的从属控制器。从属控制器主要用于与定位传感器和横向转向控制装置连接。主控制器执行多数其他功能，例如计算完整的网络方案，定义每个托缆的轨迹，并且定义每个船的托缆网络的虚设托缆。无线或其他有线通信连接装置允许主控制器与其他船上的从属控制器通信。作为另一示例，方框图定义了许多执行特殊功能的离散单元(block)。这些单元和它们执行的功能的名字被任意指定以简化系统描述。可以用许多方式在这些单元之间分配各种步骤以实现类似的效果。因此，如这些示例所建议的，权利要求的范围不意于被限制于所详细描述的优选形式。

Claims (13)

1.一种在测量船后面定位一根或多根托缆的方法，所述方法包括：

拖曳第一实际托缆，沿所述托缆的长度在间隔开的位置处装备有横向转向控制装置；

定义在测量船后面具有形状和位置的假想托缆；

确定所述第一实际托缆的形状和位置；

定义所述假想托缆和所述第一实际托缆之间的目标横向间距；

发送横向转向控制命令至横向转向控制装置，从而朝向距所述假想托缆的所述目标横向间距驱动所述第一实际托缆；

拖曳从所述第一实际托缆横向偏置并且沿托缆的长度在被间隔开的位置处装备有横向转向控制装置的多根实际托缆；

确定实际托缆的形状和位置；

定义所述多根实际托缆中的每一根距实际托缆中的另一根，包括所述第一实际托缆，的目标横向间距；

发送横向转向控制命令至横向转向控制装置，从而朝向对应的目标横向间距驱动所述多根实际托缆。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，目标横向间距的其中一个位于所述第一实际托缆与所述多根实际托缆的相邻一根之间。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，每个实际托缆的目标横向间距位于所述托缆和相邻托缆之间。

4.根据权利要求1所述的方法，包括定义多根假想托缆，每根对应于其中一根实际托缆。

5.根据权利要求1-4中任一所述的方法，包括根据预定的轨迹并且根据偏转数据定义假想托缆。

6.根据权利要求1-4中任一所述的方法，包括定义假想托缆和目标横向间距以最小化后面填实的需要，所述填实指在随后的在线线路中为完成数据设置而进行的在线线路的重新进行的步骤。

7.根据权利要求1-4中任一所述的方法，包括定义假想托缆和目标横向间距以在转弯中转向所述多根托缆。

8.根据权利要求1所述的方法，包括使用目标偏转角确定假想托缆的形状。

9.一种用于控制在测量船后面拖曳的多根托缆的伸展的系统，包括：

被测量船拖曳并且具有彼此横向偏置的首端的多根实际托缆，每根实际托缆沿其长度布置有多个横向转向控制装置和位置传感器；

控制器，其从位置传感器接收位置数据并且包括：

自动转向控制装置，用于计算被测量船拖曳的假想托缆的形状和位置；

网络计算装置，其根据位置数据确定实际托缆的形状和位置，并且计算每根实际托缆的横向间距，其中，第一根实际托缆的横向间距以从自动转向控制系统接收的假想托缆的形状和位置为基准，并且其它实际托缆的横向间距以实际托缆的其中一根，包括所述第一根实际托缆，为基准；

其中，所述控制器发送横向转向控制命令至与计算的横向间距对应的横向转向控制装置。

10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述控制器还包括实时规划器，其定位在测量过程中和在转弯中船遵循的轨迹并且将所述轨迹发送至自动转向控制装置，以计算假想托缆的形状和位置。

11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述控制器还包括面元管理器，其将从面元填充的数据中得出的轨迹发送至自动转向控制装置，以计算假想托缆的形状和位置，从而最小化后面填实的需要，所述填实指在随后的在线线路中为完成数据设置而进行的在线线路的重新进行的步骤。

12.根据权利要求9所述的系统，其中，所述控制器还包括展开管理器，其定义在实际托缆伸出和抽回的过程中船遵循的轨迹并且将所述轨迹发送至自动转向控制装置从而计算假想托缆的形状和位置。

13.根据权利要求9所述的系统，其中，自动转向控制装置计算每根实际托缆的假想托缆的形状和位置。

Images