DE3149162C2 - - Google Patents

Description

Anordnung zur Ortsbestimmung eines von einem Schiff unter der Wasseroberfläche geschleppten seismischen Streamers.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Ortsbestimmung eines von einem Schiff unter der Wasseroberfläche geschleppten seismischen Streamers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei marinen-seismischen Aufschlußarbeiten wird häufig von einem Schiff ein seismischer Streamer geschleppt, der eine Mehrzahl von druckempfindlichen Detektoren enthält, die allgemein als Hydrophone bezeichnet werden. Eine Quelle seismischer Energie, z. B. ein Luftpulser oder eine Sprengstoffladung, wird benutzt, um durch das Wasser hindurch und in den darunter befindlichen Meeresboden Druckwellen auszusenden. Ein Teil der Energie wird durch die unter dem Meeresboden befindlichen geologischen Diskontinuitäten reflektiert und nachfolgend durch die Hydrophone als Druckschwankungen in dem umgebenden Wasser wahrgenommen. Die mechanische Energie dieser Druckschwankungen wird durch die Hydrophone in ein elektrisches Signal umgewandelt und durch den Streamer zu einer Aufzeichnungseinrichtung an Bord des Schiffes übertragen. Die gesammelten Daten können dann durch Fachleute interpretiert werden, die daraus Informationen über die geologischen Formationen unter dem Meer ableiten können.

Für die Zuordnung und Auswertung der Signale ist es erforderlich, den Ort der einzelnen Hydrophone zu der Zeit, zu der die Druckwellen wahrgenommen worden sind, zu kennen. Da das Schiff sich fortlaufend bewegt und der Streamer sich über mehrere tausend Meter hinter dem Schiff erstrecken kann, ist eine genaue Ortsangabe für die Streamer-Hydrophone schwierig.

Es sind verschiedene Systeme entwickelt worden, um genaue Informationen über den jeweiligen Ort des Schiffes zu liefern. In einer üblichen Anwendung erzeugen mehrere Unterwasser-Transponder bestimmte Ausgangsfrequenz-Signale in Beantwortung eines Abfragesignals vom Schiff. Die Übermittlungszeit für das Abfragesignal und das Antwortsignal des Transponders wird gemessen und die Strecke oder der Entfernungsbereich für jeden Transponder berechnet. Die Position des Schiffes mit Bezug auf die Transponder kann dann durch Triangulation bestimmt werden, falls die Orte der Transponder bekannt sind.

Das Schleppen eines Streamers unmittelbar in Kiellinie des Schiffes ist jedoch selten. Der Streamer ist zwar an das Heck des Schiffes angeschlossen, die Masse des Streamers ist aber im Wasser eingetaucht unter der Oberfläche aufgrund der Wirkung von Tiefensteuerungen, die entlang des Streamers angeordnet sind. Aufgrund dessen kann die Geschwindigkeit einer Querversetzungs- Strömung in der Tiefe des Streamers sich von der auf das Schiff wirkenden Querversetzung unterscheiden, so daß der Streamer im Winkel zum Kurs des Schiffes geschleppt wird. Auch noch weitere, hier nicht aufzuführenden Faktoren können dazu beitragen, daß der Weg des Streamers eine Abweichung gegenüber dem des Schiffes zeigt.

Ein bekanntes Verfahren zur Bestimmung des Streamerortes beruht darauf, daß am Ende des Streamers als Schwanzboje ein Radarreflektor angeordnet wird. Ein an Bord befindliches Radarsystem kann dann unter günstigen Meeresbedingungen benutzt werden, das Ende des Streamers aufzusuchen und den Ort der einzelnen Hydrophone zu interpolieren. Derartige Einrichtungen sind allgemein jedoch unzuverlässig und liefern keine einwandfreien Daten.

Ein zweites bekanntes Verfahren arbeitet mit einer sehr empfindlichen und teuren Einrichtung zur Messung des Seiten- und des Anstellwinkels des am Schiff liegenden Streamerendes. Diese Daten werden mit entlang dem Streamer aufgenommenen Magnetkompaß- Ablesungen und der bekannten Tiefe des Streamers kombiniert und gestatten dadurch, die Hydrophonorte empirisch zu berechnen.

Aus der US 41 87 492 ist eine Anordnung zur Ortsbestimmung einer von einem Schiff unter der Wasseroberfläche geschleppten seismischen Streamers bekannt, der mehrere in unterschiedlichen Längslagen angeordnete seismische Empfänger enthält, die Drucksignale in elektrische Ausgangssignale wandeln. Auch die Sender, die mehrere akustische Signale unterschiedlicher Frequenz in das Wasser abgehen können, sind hierbei in dem Streamer angeordnet.

Mit dieser Anordnung kann zwar die relative Position der einzelnen Streamerstränge untereinander erfaßt werden, es fehlt jedoch ein Bezug zum Untergrund.

Aus der US 42 29 809 ist schließlich eine Anordnung zur Feststellung des Orts eines unter Wasser geschleppten Objektes bekannt, bei der Transponder auf dem Meeresboden zum Empfang und zur Aussendung von Telemetriesignalen verwendet sind, die sowohl von einem Empfänger in dem Objekt, das ebenfalls einen Transponder aufweist, als auch von einem Empfänger auf dem Schiff detektierbar sind.

Die gleichzeitige Erfassung des Ortes einer Vielzahl von Empfängern auf einem Streamer ist nicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ausgehend von der US 41 87 492, eine Anordnung zur Ortsbestimmung eines von einem Schiff geschleppten Streamers anzugeben, die die Nachteile bekannter Anordnungen vermeidet und eine genaue Lokalisation des Verlaufs des Streamers bezüglich des Untergrundes gestattet.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. In der nachfolgenden Beschreibung wird die Erfindung beispielsweise anhand von Figuren erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Transponder-Anordnung in Beziehung zu einem an der Oberfläche fahrenden Meßschiff, das einen marinen Streamer schleppt und

Fig. 2 schematisch die Wirkung der Schiffsbewegung auf die akustischen Wege zwischen dem Schiff und einem Transponder.

Die Transponder werden auf den Meeresboden in einer nichtlinaren Anordnung gesetzt, die wenigstens drei Transponder je Anordnung umfaßt. Die Transponder einer gegebenen Dreiergruppe sind mit genügendem Abstand voneinander angeordnet, damit in einer gegebenen Wassertiefe ausreichende Abstände gegenüber dem Schiff und dem Streamer-Empfänger bestehen. Da die Erfindung mit der Ortung von Schiff und Streamer gegenüber einer gegebenen Aufstellung und nicht mit der Festlegung der tatsächlichen geographischen Lage befaßt ist, kann die letztere Beziehung aus der Kenntnis der Lage der Transponder abgeleitet werden. Hierfür sind verschiedene Verfahren bekannt, mit denen die Lage der Transponder bestimmt und abgestimmt werden kann, so daß eine nähere Erläuterung sich hier erübrigt.

In Fig. 1 ist eine Einzelaufstellung von drei akustischen Transpondern 10, 12 und 14 dargestellt, die auf dem Meeresboden 16 angeordnet sind. Ein Meßschiff 18 an der Meeresoberfläche schleppt einen Streamer 20.

Transponder der hier benötigten Art sind im Handel erhältlich und weisen gewöhnlich eine Bodenplatte 22 auf, die auf dem Meeresboden ruht, sowie ein Kabel 24, das an der Bodenplatte 22 und am Körper 26 des Transponders befestigt ist. Ein Schwimmer 28 ist mit dem Körper 26 des Transponders mittels eines Kabels 30 befestigt und hält den Transponderkörper 26 in einer durch die Länge des Kabels 24 bestimmten Höhe über dem Meeresboden. Der Schwimmer 28 bildet auch ein Mittel zum Wiederfinden, falls das Kabel 24 durchtrennt ist.

Das Schiff 18 ist mit einer akustischen Sende- und Empfangseinrichtung 32 ausgerüstet, die durch das Wasser nach den Transpondern akustische Befehls- oder Abfragesignale aussendet und umgekehrt von den Transpondern Antwortsignale empfängt. Vorzugsweise antworten alle Transponder in der Anordnung auf ein einzelnes, von der Schiffseinrichtung 32 ausgesandtes Frequenzsignal. Es können auch codierte Signale erzeugt werden, um die Transponder, falls erwünscht, vom Schiff aus einzeln zu betätigen.

Der marine Streamer 20 wird unter der Wasserfläche mittels mehrerer, üblicher und hier nicht gezeigter Tiefen- Steuerungen gehalten und enthält gewöhnlich nicht gezeigte Hydrophone und nicht gezeigte Tiefensensoren, die vom Schiff entsprechend abgefragt werden können.

Zusätzlich enthält der Streamer auch mehrere akustische Empfänger 34, die über seine Längserstreckung verteilt liegen. Die Empfänger 34 können die von den Transpondern erzeugten Signale wahrnehmen und identifizierbare Antwortsignale entlang dem Streamer nach dem Schiff übertragen. Gewöhnlich hat der Streamer Einzelkanäle, die von jedem Empfänger nach dem Schiff zur Übertragung der Information führen. Obwohl die Empfänger aktiv oder an eine Energiequelle angeschlossen sein können, werden vorzugsweise passive Empfänger verwendet.

Zur Bestimmung der Orte der Empfänger 34 und damit der Streamerlage wird die akustische Sende- und Empfangseinrichtung 32 des Schiffes ausgelöst, um ein akustisches Befehlssignal auszusenden. Aufgrund des Empfangs des Signals und nach der Verzögerung in der Übertragung durch das Wasser überträgt jeder Transponder einen akustischen Puls in einer unterscheidbaren Frequenz. Diese Pulse werden von der Einrichtung 32 und durch die akustischen Empfänger 34 aufgenommen, die im Streamer untergebracht sind. Der Übersichtlichkeit halber sind in Fig. 1 in punktierten Linien nur die akustischen Laufwege von der Einrichtung 32 nach den Transpondern und zurück und einem einzelnen Empfänger im Streamer dargestellt. Entsprechende Wege sind jedoch für jeden der im Streamer vorhandenen Empfänger zu zeichnen. Die Pfeile I₁, I₂ und I₃ stellen den Befehlspuls dar, der entlang der punktierten Linien vom Schiff nach den Transpondern läuft, die Pfeile R₁, R₂ und R₃ stellen die entsprechenden Pulse von den Transpondern nach dem Schiff dar und die Pfeile R′₁, R′₂ und R′₃ die Pulslaufwege nach den im Streamer untergebrachten Empfängern. Da die räumliche Anordnung der Transponder auf dem Meeresboden und die Schallgeschwindigkeit im Wasser bekannt sind, kann die Lage der Empfänger aus der Kenntnis der Laufzeit, die jeder Puls von dem entsprechenden Transponder braucht, berechnet werden.

An Bord des Schiffes sind entsprechende Mittel vorgesehen, um die Zeitspanne zwischen der Aussendung des Befehlssignals und dem Empfang der Pulse von den Transpondern und den Empfängern zu messen.

In Fig. 2 ist ein einzelnes, entlang der Oberfläche fahrendes Schiff zur Zeit T₀ und einer nachfolgenden Zeit T₁ dargestellt. Die Sende- und Empfangseinrichtung 32 des Schiffes verursacht zur Zeit T₀ einen Puls, der in einer geraden Linie entlang dem eingezeichneten Weg nach dem Transponder läuft. Nach Empfang des Signals zur Zeit T _d überträgt der Transponder einen Puls, der durch die Einrichtung im Schiff zur Zeit T₁ aufgenommen wird. Aus der Fig. 1 ist abzuleiten, daß die Zeit T _d gegeben ist durch die Formel:

Hierin sind die Geschwindigkeit des Schiffes mit Bezug auf den Transponder und c die Schallgeschwindigkeit im Wasser.

Das Verhältnis kann auf verschiedene Weise bestimmt werden. Ein Verfahren beruht auf der Messung der Doppler-Verschiebung in der vom Transponder empfangenen Frequenz. Natürlich müssen, um die Geschwindigkeit in dieser Weise zu bestimmen, die Transponder Pulse in sehr stabilen Frequenzen erzeugen und der Schiffsempfänger muß die scheinbare Änderung in der Frequenz messen können.

Das Verhältnis kann auch aus dem Ausmaß der Entfernungsänderung in der Richtung der Transponder und dem Schiff gemessen werden. Diese Entfernungsänderung kann aus der Kenntnis des Schiffsorts und der Geschwindigkeit mit Bezug auf die Transponder bestimmt werden.

Das Verhältnis ist bei üblichen Schiffsgeschwindigkeiten während seismischer Arbeiten gewöhnlich geringer als 0,002, da etwa 3 m/s und c etwa 1500 m/s beträgt. Falls dann der vernachlässigt wird, ergibt sich

Der Fehler hier weniger als 0,2%. Ein Fehler dieser Größe ist annehmbar bei Meerestiefen, die bei gewissen seismischen Arbeiten für Erdöl-Aufschlußarbeiten vorhanden sind.

Die Kenntnis der Zeit T _d für die Auslösung der Pulse von den Transpondern und die gemessene Zeit der Pulswahrnehmung durch die Empfänger im Streamer, wie sie auf das Schiff übertragen werden, ermöglicht die Berechnung der Entfernung von jedem Transponder nach jedem Empfänger. Diese Entfernungen können dann für eine Triangulation benutzt werden, die für jeden Empfänger in einem Streamer den Ort zur Meßzeit angibt, wobei entweder ein Bordcomputer benutzt oder die Rechnung später in einem Rechenzentrum aufgrund der Aufzeichnungen ausgeführt werden kann.

Claims (6)

1. Anordnung zur Ortsbestimmung eines von einem Schiff unter der Wasseroberfläche geschleppten seismischen Streamers (20), der mehrere in unterschiedlichen Längslagen angeordnete seismische Empfänger (34), die Drucksignale in elektrische Ausgangssignale wandeln, enthält, mit mehreren akustische Signale unterschiedlicher Frequenz in das Wasser abgeben könnenden Schallsendern (10, 12, 14), die mittels Befehlssignalen von Bord des Schiffes aus auslösbar sind,
mit einer Einrichtung an Bord des Schiffes, der die elektrischen Ausgangssignale der Empfänger (34) zugeführt sind, sowie mit einer Auswerteeinheit zur Bestimmung der Position des Streamers in Verbindung mit einer selektiven Ermittlung der Schallaufzeiten zwischen den Schallsendern und den Empfängern, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schallsender durch mindestens drei an unterschiedlichen bekannten Orten des Gewässergrundes plazierte Transponder (10, 12, 14) verkörpert sind,
daß die die Transponder (10, 12, 14) zur Abgabe der akustischen Signale unterschiedlicher Frequenz veranlassenden Befehlssignale akustischer Befehlssignale sind,
daß zusätzlich zu den Empfängern (34) des Streamers (20) ein schiffsfester weiterer Empfänger (32) vorgesehen ist, der die von den Transpondern (10, 12, 14) ausgesandten akustischen Signale erfaßt und in elektrischen Ausgangssignale wandelt,
und daß die Auswerteeinheit auch zur Verarbeitung der Schallaufzeiten zwischen den Transpondern (10, 12, 14) und dem weiteren Empfänger (32) ausgelegt ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transponder (10, 12, 14) eine von einer geraden Linie abweichende Lage zueinander aufweisen.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfänger (34) passiv sind.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Empfänger (34) des Streamers (20) an einen gesonderten Kanal im Streamer angeschlossen ist.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Messung der Schiffsgeschwindigkeit gegenüber den Transpondern (10, 12, 14).

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Messung der Schiffsgeschwindigkeit Mittel enthält, mit denen die Doppler-Verschiebung in der Frequenz der von den Transpondern erzeugten Pulse meßbar ist.