DE3149163C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Hilfsanordnung zur Bestimmung der
Position eines von einem Schiff unter der Wasseroberfläche ge
schleppten seismischen Streamers nach dem Oberbegriff des An
spruchs 1.
Bei marine-seismischen Aufschlußarbeiten schleppt ein Meßschiff
einen seismischen Streamer, der eine Mehrzahl von druckempfind
lichen Detektoren aufweist, die allgemein als Hydrophone be
zeichnet werden. Eine Quelle seismischer Energie, wie ein Luft
pulser oder eine Sprengstoffladung, wird benutzt, um Druck
wellen durch das Wasser hindurch in den Bereich unter dem
Meeresboden auszusenden. Ein Teil der Energie wird durch unter
dem Meeresboden liegende geologische Diskontinuitäten reflektiert
und nachfolgend durch die Hydrophone als Druckschwankungen in
dem umgebenden Wasser wahrgenommen. Die mechanische Energie die
ser Druckschwankungen wird durch die Hydrophone in ein elektri
sches Signal umgesetzt und durch den Streamer hindurch zur Auf
zeichnungsapparatur an Bord eines Schiffes übertragen. Die auf
genommenen Daten können dann durch die Fachleute interpretiert
werden, die daraus Informationen über die untermeerischen geo
logischen Formationen ableiten.
Für eine sinnvolle Interpretation der Signale ist es erforder
lich, den genauen Ort der einzelnen Hydrophone zu der Zeit zu
kennen, in der die Druckwellen aufgenommen worden sind. Da das
Schiff sich fortlaufend bewegt und der Streamer sich über mehr
als Tausende von Metern hinter dem Schiff erstrecken kann, ist
eine genaue Ortsbestimmung der Hydrophone schwierig.
Für die Ortsbestimmung eines Schiffes sind bereits die ver
schiedensten Systeme entwickelt worden, die dazu genaue In
formationen liefern. Ein Streamer läuft aber selten in Kiel
linie des Schiffes. Der Streamer ist zwar an das Heck des
Schiffes angeschlossen, die Masse des Streamers liegt jedoch
unter der Wasseroberfläche untergetaucht aufgrund der Wirkung
von Tiefensteuerungen, die entlang dem Streamer angeordnet sind.
Aufgrund dessen kann die Geschwindigkeit einer Querversetzungs
strömung in der Tiefe des Streamers von der Querversetzung,
die das Schiff beeinflußt, abweichen, so daß der Streamer mit
einem Winkel zum Kurs des Schiffes läuft. Weitere Faktoren, die
hier nicht aufgeführt zu werden brauchen, können ebenfalls eine
Abweichung des Streamerweges von dem des Schiffes hervorrufen.
Ein bekanntes Verfahren zur Ortsbestimmung eines Streamers ar
beitet mit der zusätzlichen Anordnung eines Radarreflektors
als Schwanzboje am Ende des Streamers. An Bord befindliche
Radarsysteme können dann unter günstigen Seebedingungen das
Ende des Streamers finden und den Ort der einzelnen Hydrophone
interpolieren. Derartige Systeme sind jedoch im allgemeinen
nicht zuverlässig und die erforderlichen Daten können mit Un
genauigkeiten behaftet sein.
Ein zweites bekanntes Verfahren arbeitet mit einer sehr em
pfindlichen und teuren Einrichtung zur Messung des Seiten-
und Neigungswinkels des am Schiff anschließenden Streamer
endes. Diese Daten in Verbindung mit Magnetkompaß-Anzeigen,
die entlang dem Streamer aufgenommen worden sind, und der be
kannten Tiefe des Streamers erlauben eine empirische Berechnung
der Hydrophonorte.
Im üblichen Betrieb fährt das Schiff mit einer Geschwindigkeit
von etwa 3 m/s, wobei etwa alle 10 s eine seismische Erregung
erzeugt wird. Die untere Grenze für das Zeitintervall zwischen
den seismischen Erregungen wird durch die Zeit bestimmt, die
für die Ausbreitung aller reflektierter seismischer Wellen er
forderlich ist. Insbesondere werden bei Benutzung eines Luft
pulsers in Intervallen von weniger als 4 s die Schallwellen
nicht ausreichend ausgebreitet, so daß die aufgenommenen Daten
wegen des reflektierten Störgeräusches nur schwer oder gar nicht
ausgewertet werden können. Daher führt die Verwendung eines Luft
pulsers in Verbindung mit den Hydrophonen zur Entfernungsbestim
mung zu Schwierigkeiten und gestattet keine genaue Ortung der
Hydrophone.
Aus der DE 24 30 863 A1 ist eine Einrichtung zur relativen
Ortsbestimmung eines von einem Schiff geschleppten seismischen
Streamers bekannt, bei dem Schallsignale zur Entfernungsmessung
zwischen einer schiffsfesten Schallquelle und Hydrophonen des
Streamers in Verbindung mit Gatter- bzw. Torschaltungen sowie
einem Zählwerk verwendet werden. Aufgrund fehlender Redundanz
ist die Genauigkeit der Entfernungsbestimmung relativ beschränkt.
Es ist ferner aus "Atomenergie" (12. Jg. 1967, S. 207-213) be
kannt, Schallgeschwindigkeiten in flüssigen Medien dadurch zu
bestimmen, daß der Impulsabstand von Impulsen bestimmt wird, die
über eine in Rückkopplungsschaltung betriebene Meßstrecke geführt
sind (Sing-Around-Methode).
Dieser Druckschrift ist keine Anregung zu entnehmen, das darge
stellte Verfahren zur Bestimmung des relativen Ortes einer Viel
zahl von Hydrophonen entlang eines Streamers und damit dessen
Verlaufes zu verwenden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur
Bestimmung der (relativen) Position eines von einem Schiff ge
schleppten Streamers zu schaffen, mit der eine sehr genaue und
von Störgeräuschen nahezu unbeeinflußte Messung der Entfernung
zwischen einer schiffsfesten Quelle und entlang des Streamers
angeordneter Hydrophone möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung
gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unter
ansprüchen angegeben.
Nach der Erfindung ist eine Hilfs-Einrichtung vorgesehen, mit
der der Ort eines hinter einem Meßschiff geschleppten marinen
Streamers genau bestimmt werden kann und zu der eine akustische
Quelle gehört, die insbesondere außenbords vom Heck des Schif
fes unter der Wasseroberfläche angeordnet ist und hochfrequente
Schallimpulse kurzer Dauer aufgrund eines äußeren Befehls aussen
den kann. Eine Mehrzahl von Hydrophonen ist im Streamer unter
gebracht und kann Pulse von der akustischen Quelle aufnehmen
und in Abhängigkeit davon Signale durch gesonderte Kanäle im
Streamer übertragen. Um eine redundante Messung zu erreichen,
werden durch eine vorgewählte Anzahl von Hydrophonsignalen je
weils zusätzliche Impulse der akustischen Quelle ausgelöst.
Die Messung der Zeit, die von einem ersten, mit äußerer Aus
lösung erzeugten Puls bis zum Empfang des letzten, durch ein
Hydrophon erzeugten, vorbestimmten Signal verstrichen ist, ge
stattet eine genaue Bestimmung der Entfernung.
Vorzugsweise werden zwei akustische Quellen getrennt und außen
bords vom Heck des Schiffes angeordnet, so daß sie beide hoch
frequente Schallimpulse emittieren können. Die zwei Quellen
können in verschiedenen Zeitabschnitten zur Erzeugung von auf
den Ort der Hydrophone bezogener Daten benutzt werden, oder
sie können mit verschieden-frequenten Pulsen arbeiten, die von
den Hydrophonen unterschieden werden, so daß aufgrund dessen
verschiedene Signale zum Schiff zurückgegeben werden.
Vorzugsweise werden auch die Rücksignale von den Hydrophonen
benutzt, um die Amplitude der akustischen Quellenpulse zu
steuern, so daß die für die Übertragung benötigte Energie
und damit auch der Nachhall auf ein Minimum gebracht werden
können.
Die Frequenz der Schallpulse liegt vorzugsweise im Bereich
zwischen 3,5 und 250 kHz, und die Pulse weisen eine Dauer
auf, die im Bereich der für eine einzelne bis etwa für 20
Schwingungen benötigten Zeit liegt.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden alle Hydrophon-
Kanäle gleichzeitig aufgenommen, und die akustische Quelle
wird für die Erzeugung zusätzlicher Pulse jeweils nur dann
ausgelöst, nachdem das Signal empfangen worden ist, das nach
Anregung durch den vorhergehenden Puls von dem letzten oder
weitest abgelegenen Hydrophon des Streamers stammt.
In der nachfolgenden Beschrei
bung wird die Erfindung beispiels
weise anhand von Figuren erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine Draufsicht auf einen von einem Schiff ge
schleppten marinen Streamer und
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer für die Erfindung be
nutzten Einrichtung.
Fig. 1 zeigt schematisch in Draufsicht ein Meßschiff 10,
das einen marinen-seismischen Streamer 14 schleppt. Der
Kurs des Schiffes ist durch die gestrichelte Linie 12
angegeben und der Streamer 14 läuft im Bogen nach der
einen Seite. Mehrere Tiefensteuerungen 16 üblicher Bau
art halten die Masse des Streamers auf einer Tiefe von
angenähert 5 bis 10 m unter der Meeresoberfläche. Eine
Schwanzboje 18 ist am nachlaufenden Ende des Streamers
14 befestigt und hält das Ende des Streamers an der
Oberfläche. Eine Mehrzahl von Hydrophonen 20 sind über
die Länge des Streamers verteilt zwecks Aufnahme von
Druckschwankungen und der Übertragung von dem Empfang
dieser Schwankungen anzeigenden Signale entlang dem
Streamer nach der Aufzeichnungsapparatur an Bord des
Schiffes. Zusätzlich enthält der Streamer 24 mehrere Tie
fensensoren 22 und Magnetkompasse 24, die zur Gewinnung
von Information über die Tiefe und Ausrichtung des Strea
mers an den Orten dieser Instrumente abgefragt werden
können.
Ein Luftpulser ist außenbords am Heck des Schiffes 10
angeordnet. Bei einem üblichen Luftpulser wird auf einen
Druck im Bereich von 34 bis 550 at komprimierte Luft
plötzlich aus einer Tauchkammer in einer Zeitspanne von
wenigen Millisekunden freigesetzt, um einen akustischen
Impuls zu erzeugen.
Ein Paar hochfrequenter akustischer Quellen 28 und 30
ist außenbords vom Schiffsheck angeordnet. Die Quellen
liegen in einer Strecke von etwa 20 bis 40 m auseinander.
Die Quellen 28 und 30 erzeugen hochfrequente Pulse
kurzer Dauer, die durch die Hydrophone 20 aufgenommen
werden. Nach Empfang der Pulse emittieren die Hydrophone
ein Signal, das entlang dem Streamer auf das Schiff über
tragen wird. Die übertragenen Hydrophonsignale werden
benutzt, um zusätzliche Pulse der Quellen 28 und 30 in
einer gesteuerten Schwingungsschleife auszulösen. Eine
Messung der für eine gegebene Zahl von Schwingungen be
nötigten Zeit ermöglicht redundante, genaue Berechnungen
der Strecken bis zu den Hydrophonen, wobei die Geschwin
digkeit der Pulse in Wasser gegeben ist. Aufgrund der
berechneten Entfernungen können die Orte der Hydrophone
genau in Verbindung mit den Tiefendaten bestimmt werden,
die durch Abfragung der Sensoren 22 erzielt worden sind.
Fig. 2 veranschaulicht in Blockform eine Funktionsschal
tung, die benutzt werden kann, um den vorstehend erläu
terten Zweck der Entfernungsfindung zu erfüllen. Gemäß
Fig. 2 wird eine akustische Quelle 100 zur Auslösung eines
Pulses hoher Frequenz und kurzer Dauer über einen äußeren
Starter 110 und einen Trigger 120 getriggert. Der Puls
liegt vorzugsweise in einem Bereich von 2 bis 100 kHz;
besonders bevorzugt ist der Bereich von 3 bis 10 kHz.
Die Pulslänge geht vorzugsweise von einer Einzelschwin
gung bis 20 Schwingungen. Es können auch längere Pulse
benutzt werden, die jedoch keinen zusätzlichen Vorteil
bringen. Die akustische Quelle kann piezoelektrischer,
ferroelektrischer oder elektromagnetischer Art sein.
Vorzugsweise weist die Quelle eine piezoelektrische oder
ferroelektrische Einrichtung mit einem akustischen
Schmalbündelstrahler auf, der in der allgemeinen Richtung
des Streamers ausgerichtet ist. Derartige Einheiten sind
im Handel erhältlich und haben eine Frequenz im Bereich
von 2 bis 8 kHz und können Einheitsschwingungspulse er
zeugen.
Wie erwähnt, sind die akustischen Quellen
außenbords am Heck des Meßschiffes angeordnet und liegen
etwa 20 bis 40 m zum Zweck der Triangulation auseinander.
Der Puls der akustischen Quelle 100 läuft durch das
Wasser mit einer Geschwindigkeit von etwa 1500 m/s
und trifft auf das Streamer-Hydrophon 130. Die Hydro
phone, wie das Hydrophon 130, liegen entlang dem Strea
mer in Abständen von 100 bis 500 m und vorzugsweise in
Abständen von 400 m verteilt. Bei Wahrnehmung des Pul
ses antwortet das Hydrophon und überträgt durch den
Streamer ein Signal nach dem Schiff. Diese Signale wer
den gewöhnlich entlang gesonderter elektrischer Leitern
übertragen, die zu jedem Hydrophon hinführen. Die von
dem Hydrophon übertragenen Signale gehen durch ein Gatter
140, das alle Signale sperrt, mit Ausnahme derjenigen,
die während der vorgewählten Zeitintervalle erwartet
werden. Da die angenäherten Entfernungen zwischen den
akustischen Qellen und den einzelnen Hydrophonen aus
den Abständen der Hydrophone entlang dem Streamer be
kannt sind, kann auch das angenäherte Zeit-"Fenster"
für den Empfang der Signale von den einzelnen Hydrophonen
bestimmt werden. Das Gatter 140 dient daher zur Abblockung
von Scheinsignalen, die durch Reflexionen an der Wasser
oberfläche und dem Ozeanboden erzeugt worden sind.
Da eine redundante Bestimmung
des Ortes jedes Hydrophons entlang dem Streamer durch
ein im Ring umlaufendes Rückkopplungssystem angestrebt ist,
muß die akustische Quelle einen Puls nach Empfang eines
eintreffenden Hydrophonsignales auslösen. Um die Erzeu
gung verwechselbarer Hydrophonsignale zu verhindern,
werden die Hydrophone in Reihenfolge über
Einzelkanäle abgefragt.
Die Signale, die durch das Gatter 140 laufen, werden
in der Einheit 150 verstärkt und geformt. Die geformten
Signale werden parallel durch ein zeitüberwachtes Zähl
werk 160 und eine Verstärkungsregelung 170 gegeben. Die
Verstärkungsregelungs-Einheit stellt selbsttätig die Über
tragungsenergie der akustischen Quelle 100 in Abhängig
keit von der Stärke der Signale vom Verstärker 150 ein,
um den Energieverbrauch auf ein Minimum zu bringen. Das
zeitüberwachte Zählwerk 160 zählt die Anzahl der Rück
kopplungssignale, die von dem gewählten Hydrophon aus
gehen und nimmt die Dauer der Zeitspanne auf, die für
eine voreingestellte Anzahl von Wiederholungssignalen
benötigt wird.
Da die einzig wichtige Zeitspanne die Zeit ist, die für
den Durchgang des akustischen Pulses durch das Wasser
erforderlich ist, kann diese Zeit mit Wiederholungen
gemessen und der Durchschnittswert bestimmt werden, um
die Entfernung genau zu bestimmen.
Für das selbsttätige, erneute Triggern eines akustischen
Pulses durch den Trigger 120 aufgrund der durch das Zähl
werk 160 gehenden Signals ist eine entsprechende Schal
tung vorgesehen. Nachdem eine vorbestimmte Anzahl von
Signalen, vorzugsweise sechs, empfangen worden ist, wird
das Zählwerk auf Null zurückgestellt, um den Beginn zu
sätzlicher Entfernungsbestimmungs-Vorgänge für nachfol
gende Hydrophone durch die äußere Startvorrichtung 110
abzuwarten.
Obwohl Fig. 2 nur eine einzelne akustische Quelle dar
stellt, wird vorzugsweise ein Paar Quellen benutzt, so
daß unabhängige Entfernungsbestimmungen durch Triangula
tion errechnet und die Hydrophonorte mit entweder der
Kenntnis der Tiefe oder den entsprechenden Kompaß-Rich
tungen genau bestimmt werden können.
Falls zwei akustische Quellen verwendet werden, sollten
sie abwechselnd benutzt werden, um störende Quersignale
zu verhindern, oder sie sollten mit verschiedenen Aus
gangsfrequenzen arbeiten, so daß unterscheidbare Signale
von den Hydrophonen erzeugt werden können.
Claims (5)
1. Hilfsanordnung zur Bestimmung der Position eines von einem
Schiff unter der Wasseroberfläche geschleppten seismischen
Streamers, der entlang seiner Längserstreckung mehrere gleich
mäßig beabstandete Hydrophone enthält, die auf sie einwirkende
Schallimpulse in elektrische Impulse wandeln, wobei für geson
derte Kanäle der Hydrophone gesonderte Impulse vorliegen, mit
wenigstens einer am Schiffsheck unterhalb der Wasserlinie be
festigten akustischen ersten Quelle, die durch elektrische
Steuersignale zur Abgabe von Schallimpulsen in das umgebende
Wasser aktivierbar ist, sowie mit einer den Hydrophonen nach
geordneten Torschaltung und einem dieser nachgeschalteten
rücksetzbaren Zählwerk, dessen jeweiliger Zählerstand kanal
spezifisch die Entfernung des jeweiligen Hydrophons von der
ersten Quelle bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die von
der Torschaltung (140) abgegebenen Signale außer dem als
Zeitzählwerk (160) ausgebildeten Zählwerk auch einen Trigger
(120) beaufschlagen, dessen Ausgang innerhalb einer Rückkopp
lungsschleife die Steuersignale für die erste Quelle (100)
liefert, und daß das Zeitzählwerk (160) jeweils die Anzahl
der zugehörigen Rückkopplungssignale während eines konstanten
Bezugszeitintervalls erfaßt.
2. Hilfsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
eine zweite akustische Quelle (28) im Abstand von der ersten
akustischen Quelle (30) außenbords am Heck des Schiffes (10)
unter der Wasseroberfläche angeordnet ist, deren Betriebs
weise derjenigen der ersten Quelle analog ist.
3. Hilfsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die zweite Quelle (30) akustische Signale erzeugt, die von
denen der ersten Quelle unterscheidbar sind.
4. Hilfsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ge
kennzeichnet durch einen Verstärkungsregler (170) zur selbst
tätigen Begrenzung der Amplitude der von der akustischen
Quelle (28 bzw. 30) ausgesandten Impulse mit Bezug auf die
Empfangsempfindlichkeit der Hydrophone (20).
5. Hilfsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß die Frequenz der akustischen Impulse
der Quelle (28 bzw. 30) zwischen 3,5 und 10 kHz liegt und ein
Impuls aus einer bis zwanzig Schwingungen besteht.
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