DE3411938A1 - Modularer seismischer kabelabschnitt, insbesondere seekabelabschnitt - Google Patents

Description

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Beschreibung :

Die Erfindung bezieht sich auf seismische Kabel für den Einsatz bei der Gewinnung von Untergrund-Mineralien, speziell bezieht sich die Erfindung auf seismische Seekabel, die mehrere Hydrophone aufweisen und auf offener See zum Einsatz gelangen.

Hochauflösende seismische Uberwachungssysteme für den Einsatz auf See besitzen Felder mit einer großen Anzahl von Hydrophongruppen pro Kabel. Eine praktische Grenze hinsichtlich der Anzahl von Hydrophongruppen pro Kabel wurde durch die Schwierigkeit erreicht, die volle Funktionsfähigkeit sämtlicher Verbindungen zwischen den Kabelabschnitten zu gewährleisten. Es müssen sämtliche Verbindungen gut funktionieren, aber wenn zuviele Verbindungen vorhanden sind, so steigt die Wahrscheinlichkeit, daß eine Verbindung schlecht ist, praktisch bis zur Gewißheit an. Hierzu sollen folgende Beispiele betrachtet werden:

15 Meter 1 Hydrophongruppe = 20 Hydrophone parallel

= 1 Verbinderpaar

105 Meter 7 Hydrophongruppen/Kabelabsehnitt = 7 örtliche Verbinderpaare/Abschnitt 3255 Meter 31 Kabelabsehnitte/Kabel = 30x7=210 Durch-

gangsverbinderpaare/Kabel.

Hinzu kommen 30 Paare vonHilfswandlern, wie zum Beispiel Tiefensensoren, Wasserbremsen, Kabeltiefen-Steuervorrichtungen, digitale Kompanten, so daß sich insgesamt 240 Leiterpaare pro Kabel ergeben.Hierzu sind 480 Verbinderstifte und 480 Verbinderbuchsen an den jeweiligen Enden jedes Kabelabschnitts notwendig.

Soll zur Erhöhung der Auflösung die Anzahl von Hydrophongruppen verdoppelt werden, so wären annähernd 1000 Stifte und Buchsen pro Kabelabschnitt erforderlich.

I I

Eine solche Anzahl ist jedoch im Hinblick auf die Zuverlässigkeit zu hoch. Betrachtet man die Tatsache, daß" sich die Betriebskosten eines seismischen Seeexplorationssystems in der Größenordnung von 100 000 Dollar pro Tag bewegen, so wird deutlich, daß ein einen Tag dauernder Ausfall auf Grund fehlerhafter Verbindungen äußerst unwirtschaftlich ist.

Ein weiteres Problem, daß sich bei dem Versuch stellt, die Anzahl von Drähten pro Kabel zu erhöhen, ist das Kabelgewicht. Wenn die Anzahl von Leiterpaaren ansteigt, so steigt das Gewicht auf Grund des Gewichts der Kupferdrähte an, wenn man nicht die Kabelgröße unter Inkaufnahme einer entsprechenden Widerstandszunahme verringert.

Außerdem besitzen seismische Seekabelabschnitte einen positiven (nahezu neutralen) Auftrieb. Mit der Erhöhung der Anzahl von Kupferleitungen müssen das Volumen und das Gewicht des Schwimmöls erhöht werden, um den gewünschten Auftrieb zu erhalten ( verwendet man als Schwimmkörper Schaumstoff-Abstandselemente, so ist das hinzukommende Gewicht gering, jedoch haben die Schaumstoff elemente die Neigung, auf den Kabelspulen zu brechen). Um eine Volumeneinheit dichten Materials (Dichte 3,1), wie es zum Beispiel für Verbinderpaare in Frage kommt, schwimmfähig zu machen, sind 7 Volumeneinheiten leichten Öls (Dichte 0,7) erforderlich. Da das Gewicht der Verbinderpaare und des sie schwimmfähig machenden Öls unter Umständen 80% des Gesamtgewichts und Gesamtvolumens eines Kabels ausmachen, hat eine Erhöhung der Anzahl von Verbinderpaaren eine beträchtliche Gewichts- und Volumenerhöhung eines Kabels zur Folge.

Ein weiteres Problem, welches sich bei dem Versuch der Erhöhung der Anzahl von Drähten in einem Kabelabschnitt stellt, ergibt sich durch die Schwierigkeit, ein einen großen Durchmesser aufweisendes Kabel auf einer Spule

aufzuwickeln. Wenn die Anzahl von Drähten und die Menge von Schwimmöl zunehmen, steigt der Kabeldurchmesser an. Wird das Kabel auf eine Spule aufgewickelt, wenn es aus dem Wasser gezogen wird, so wird die Zugspannung von

δ dem am weitesten außen liegenden Zugdraht (oder den Zugdrähten) aufgenommen, während die am weitesten innen befindlichen Drähte zusammengedrückt werden und knicken können, was für den Kabelaufbau insgesamt sehr nachteilig ist. Erhöht sich der Durchmesser des Kabels, so werden diese Probleme noch verstärkt.

Erfindungsgemäß wird die bisher für Multiplex-Telefonschaltungen bekannte Phantompaarmethode dazu verwendet, die Leitungspaare, welche die Hydrophone mit dem nahen Ende des Kabels verbinden, zu multiplexen. Hydrophone, d.h. Unterwassermikrophone, sind Geräte hoher Impedanz, welche den Einsatz eines Anpassungstransformators für jedes Leitungspaar erforderlich machen, und erfindungsgemäß werden die Anpassungstransformatoren zusätzlich verwendet als Leitungsnachbildungen für die Phantompaare. Durch Einsatz der Phantompaarmethode läßt sich die Anzahl benötigter realer Paare um nahezu 50% verringern. Die Anzahl von Verbindungen an den Enden jedes modularen Kabelabschnitts reduziert sich hierdurch, und es besteht die Möglichkeit, ein in der Praxis einsetzbares Kabel mit einer im Vergleich zu derzeit einsetzbaren Anordnungen verdoppelter Anzahl von Hydrophonfeldern zu schaffen. Außerdem werden das Gewicht, das Volumen und der Durchmesser des Kabels reduziert, so daß das Kabel einfacher zu handhaben ist, insbesondere beim Auf- und Abspulen und bei der Lagerung. Sämtliche dieser genannten Vorteile tragen dazu bei, die Herstellungskosten des Kabels und die laufenden Kosten bei seinem Einsatz zu verringern.

Ein seismisches Phantomkabelpaar wird dadurch erhalten, daß man die Sekundärseite eines Anpassungstransformators

an die Mittelanzapfpunkte der Sekundärseiten zweier anderer Anpassungstransformatoren anschließt, und nicht an ein weiteres Paar von Leitungen, die zu dem nahen Ende des Kabelabschnitts führen. In dem an Bord eines Schiffes befindlichen Empfänger sind zwei, z.B. Einszu-eins-, Kopplungstransformatoren vorgesehen, die an die zwei realen Leitungspaare angeschlossen sind, und Mittelanzapfpunkte der Primärwicklungen der zwei Transformatoren sind an die Primärwicklung eines dritten, z.B. Eins-zu-eins-Kopplungstransformators angeschlossen, dessen Sekundärwicklung das Ausgangssignals des Phantompaares liefert. Somit hat man aus zwei realen Leitungspaaren drei Ausgänge gewonnen.

Wenn vier reale Leitungspaare vorhanden sind, kann man zwei Phantompaare erhalten, indem deren Anpassungstransformatoren am Mittelanzapfpunkt abgegriffen werden, und man erhält ein drittes Phantompaar, indem man die Sekundärwicklungen der Transformatoren der ersten zwei Phantompaare am Mittelanzapfpunkt abgreift. Indem man also die Transformatoren kaskadiert, erhält man zusätzliche Phantomstufen, und die Gesamtzahl von Paaren nähert sich etwa der doppelten Anzahl realer Leitungspaare an. Man kann sagen, daß abhängig von der Anzahl von Kaskadenstufen die Anzahl von Phantompaaren zwischen einem Drittel (eine Stufe) und annähernd der Hälfte (viele Stufen) der insgesamt vorgesehenen Anzahl von Paaren liegt.

Wenn, wie Figur 9 zeigt, drei reale Leitungspaare vorhanden sind, kann man ein Phantompaar dadurch erhalten, daß man die Sekundärwicklungen der Anpassungstransformatoren zweier der realen Paare mittelabzapft, und ein zweites Phantompaar kann man dadurch erhalten, daß man die Sekundärwicklung des Anpassungstransformators des dritten realen Paares mittelabzapft und die Sekundärwicklung des Transformators des ersten Phantom-

paares mittelabzapft. Man kann zum Zwecke der Definition sagen, daß dieses Beispiel bezüglich der Bildung eines Phantompaares aus dem Transformator eines realen Paares und dem eines Phantompaares eine eineinhalbstufige

B Phantomisierung darstellt.

Ungeachtet jeder Definition erhält man jedesmal dann ein zusätzliches Phantompaar, wenn ein reales Paar hinzugefügt wird. Die Gesamtzahl von Leitungspaaren kann bis zu 2(n)-1 betragen, wobei η die Anzahl von realen Paaren ist.

örtliche Leitungspaare, d.h. Leitungspaare, die an die Hydrophongruppen innerhalb des jeweiligen Kabelab-Schnitts angeschlossen sind, vergrößern nicht die Gesamtlänge eines solchen Abschnitts, sie gehen lediglich von den Hydrophonen zu dem nahen». Ende des Abschnitts. Allerdings enthält jeder Kabelabschnitt außerdem viel mehr durchgehende Paare zum übertragen von Signalen von den Hydrophongruppen zu Abschnitten, die näher an dem fernen Ende des Kabels liegen. Sind die Kabelabschnitte modular aufgebaut, d.h., sind die Kabelabschnitte austauschbar, so muß jeder Abschnitt diejenige Anzahl von durchgehenden Leitungspaaren aufweisen, die für den am nahen Ende des Kabels befindlichen Kabelabschnitt erforderlich sind. Durch Anwendung der Phantompaarmethode reduziert sich die Anzahl von durchgehenden Leitungspaaren in gleichem Maße wie die Anzahl der örtlichen Leitungspaare.

Die Leitungspaare (Kupferpaare) besitzen eine Dichte von etwa 3,1. Man benötigt sieben Volumeneinheiten von leichtem öl (Dichte 3,1), um eine Volumeneinheit Leitungspaare schwimmfähig zu machen. Eine Reduzierung der Anzahl von Leiterpaaren reduziert mithin das Kabelgewicht und -volumen sowohl durch Verringerung des Gewichts und des Volumens der Leitungspaare wie auch

durch Verringerung des Gewichts und Volumens des Schwimmöls. Wenn das Gewicht der Leitungspaare und des Schwimmöls etwa zwei Drittel des Gesamtgewichts und -volumens eines Kabelabschnitts ausmacht, bewirkt die Reduzierung der Anzahl von Leitungspaaren um 50%, wie sie durch die Erfindung möglich ist, eine Gewichts- und Volumenverringerung von etwa einem Drittel. Damit geht eine..-entsprechende Verringerung der Herstellungs- und Betriebskosten des Kabels einher.

Erfindungsgemäß werden die bei der Erhöhung der Anzahl von Hydrophongruppen auftretenden Probleme dadurch gelöst, daß ein modular aufgebautes seismisches Seekabel einen flexiblen Mantel enthält, der an jedem Ende durch eine Scheidewand verschlossen ist, wobei an jedem Ende elektrische Mehrfachverbinder vorgesehen sind. Innerhalb des Mantels erstrecken sich von der Scheidewand an dem einen Ende zu der Scheidewand an dem anderen Ende Abspanndrähte. Innerhalb des Mantels in bestimmten Längenabschnitten vorgesehene Abstandshalter halten den Mantel in seiner runden Form. Durchgehende Paare von elektrischen Leitern verlaufen innerhalb des Mantels von einigen der Verbinder an dem einen Ende des Mantels zu einigen der Verbinder am anderen Mantelende, örtliche Paare von elektrischen Leitern verlaufen von anderen der Verbinder an dem einen Ende des Mantels zu Anpassungstransformatoren. Jedes örtliche Paar ist an die Sekundärseite eines Anpassungstransformators angeschlossen , dessen Primärseite an eine Gruppe von beispielsweise zwanzig Hydrophonen parallel angeschlossen ist. Darüberhinaus kann jeder einer Anzahl von besonderen Anpassungstransformatoren mit seiner Primärseite an eine weitere Gruppe von Hydrophonen angeschlossen sein, während die jeweilige Sekundärseite an die Mittelanzapfpunkte eines Paares weiterer Transformatoren angeschlossen ist, oder - in Kaskade - an die Mittelanzapfpunkte eines Paares von besonderen Trans-

formatoren angeschlossen ist. Außerdem kann die Sekundär-

an
seite in Halbkaskadeschaltung/einen der weiteren Tranformatoren und an einen der besonderen Transformatoren angeschlossen sein, wie in Fig. 9 gezeigt ist. Diese Verschaltung entspricht der Phantompaarmethode. In ähnlicher Weise verschaltete Transformatoren, z.B. Eins-zu-eins-Transformatoren, auf dem seismischen Explorationsschiff befinden sich zwischen dem Ende des Kabels und dem seismischen Aufzeichnungsgerät. Im Endergebnis erzielt man eine Erhöhung der Anzahl von Hydrophongruppen zwischen 50 und nahezu 100%, ohne daß eine Gewichts- und Volumenzunähme durch die Erhöhung der Anzahl von Leitungspaaren und zugehöriger Verbinderstifte und eine Zunahme des Kabelgewichts und des ölgewichts notwendig wäre. Außerdem erfolgt keine Erhöhrung des Außendurchmessers des Kabels.

Die Erfindung ist außerdem anwendbar auf transformatorlose seismische Kabelabschnitte, indem man Kondensatorbrücken in den Kabelabschnitten und in dem Empfänger einsetzt, um Phantompaare für die Übertragung von Signalen von weiteren Hydrophongruppen in jedem Abschnitt zu schaffen. Zwischen die Empfängerenden sämtlicher Paare, also realer Paare und Phantompaare, und der Empfangsvorrichtung sind Ladeverstärker eingefügt.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen seismischen See-Explorationssystems,

Fig. 2 ein Blockdiagramm der elektroakustischen Bauteile des in Fig. 1 dargestellten Systems,

11 y 3 b

Fig. 3 eine schematische Ansicht eines Seekabelabschnitts, das in der Anordnung nach Fig. 1 und 2 eingesetzt wird,

Fig. 4 eine Schaltungsskizze eines Abschnitts des seismischen Seekabelabschnitts nach Fig. 3,

Fig. 5 eine Schaltungsskizze eines Abschnitts des an Bord eines Schiffes befindlichen seismischen Signalempfängers gemäß Fig. 1und 2.,

Fig. 6 eine Schaltungsskizze, die die Phantomisierung mit Hilfe von Transformatoren veranschaulicht,

Fig. 7 eine Schaltungsskizze, die die Phantomisierung

mit Hilfe von Kondensatorbrücken veranschaulicht, wie sie für ein an Ladungsverstärker gekoppeltes, transformatorloses Kabel geeignet ist,

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Seismischen

Kabeis, das sich für den Einsatz auf Land eignet,

Fig. 9 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 6, die ein Verfahren zum Phantomisieren mittels Halbstufen veranschaulicht.

Fig. 1 zeigt ein seismisches See-Explorationssystem mit einem Schiff 11, das eine in Form einer Luftkanone ausgebildete seischmische Generatorvorrichtung 13 schleppt. Die Luftkanone ist über eine Luft/Elektroleitung 15 mit einer Drucklufthülle 17 und einer elektrischen Steuer- und Empfangseinrichtung 19 verbunden. Es könnte aucheine andere Vorrichtung zum Erzeugen von seismischen Impulsen vorgesehen sein, derartige Vorrichtungen sind z.B. Funkenstrecken, Wasserkanonen, Gasexplosionsvorrichtungen oder das nun verbotene Dynamit (vgl.US-PS 4 040 000). Als seismische Generatorvorrichtung 13 kann

eine Mehrzahl von Kanonen vorgesehen sein. Die seismische Anordnung 13, 15,17 entspricht dem Stand der Technik und soll deshalb hier nicht näher beschrieben werden.

Außerdem wird von dem Schiff eine Kanonen-Hydrophoneinrichtung 21 gezogen, die pro Kanone ein Hydrophon umfaßt und an die Steuer- und Empfangseinrichtung 19 an Bord des Schiffs 11 mit Hilfe eines elektrischen Kabels oder Leiters 23 angeschlossen ist. Bei dem Leiter 23 kann es sich um ein bewehrtes Kabel handeln. Die Hydrophoneinrichtung 21 und der Leiter 23 sind in herkömmlicher Weise ausgebildet und brauchen nicht näher erläutert zu werden.

Außerdem wird von dem Schiff 11 ein seismisches Seekabel 27 gezogen, das hier auch als Hydrophon-Schleppkabel bezeichnet werden soll. Das Kabel 27 besteht aus mehreren modularen Abschnitten 28, die elektrisch und mechanisch miteinander verbunden sind. Das Kabel 27 ist mit Hilfe eines elektirsehen Kabels oder Leiters 29 an die auf dem Schiff 11 befindliche Steuer- und Empfangseinrichtung 17 angeschlossen. Das Leiterkabel 29 ist typischerweise ein bewehrtes Kabel, welches z.B. zweihundertvierzig elektrische Leiterpaare enthält.

DasSchleppkabel 27 hat einen geringen positiven Auftrieb, z.B. zehn oder fünfzehn Englische Pfund pro hundert Meter (ca. 44,5 bzw. 66,75 N/100m), verglichen mit einem Gewicht in Luft von siebenhundertfünfzig bis eintausend Englische Pfund (3,336 kN bis 4,448kN). Entlang des Kabels sind in bestimmten Abständen Flügel oder Flossen 31 angebracht, die das Kabel untergetaucht halten, wenn das Schiff das Kabel durch das Wasser zieht. In der Zeichnung ist nur eine solche FlosaB 31 dargestellt. Wenn das Schiff anhält, taucht das Kabel auf und gelangt an die Oberfläche. Die Flossenanordnung 31 ist in herkömmlicher Weise ausge-

15
bildet und braucht hiernicht näher beschrieben zu werden.

An Hand von Fig. 2 soll nun die Steuer- und Empfangseinrichtung 19 näher erläutert werden. Die hauptsächlich mechanischen Merkmale des Schleppkabels 27 werden an Hand von Fig. 3 näher erläutert.

Die vergrößerten Zeichnungsausschnitte A und B stellen den Einsatz der Phantompaar-Methode bei dem Schleppkabel und der Steuer- und Empfangseinrichtung dar, wie an Hand der Figuren 4 und 5 näher beschrieben wird.

Gemäß Fig. 2 umfaßt die Druckluftquelle 17 an Bord des Schiffes 11 einen Dieselmotor 33, der einen Luftkompressor 35 antreibt. Die Leitung 15 zwischen dem Luftkompressor 35 und der Luftkanone 13 ist als Luftschlauch 36 mit einer elektrischen Leitung 37 ausgebildet.

Die an Bord des Schiffes 11 befindliche Steuer- und Empfangseinrichtung 19 enthält eine Schallquellen-Aus-/ lesesteuerung 39, an die die elektrische Leitung 37 ·.' angeschlossen ist. Die Auslösesteuerung 39 steuert die Abgabe von Druckwellen durch die Kanone 13. Die Druckwellenenergie wird von dem Kanonen-Hydrophon 21 aufgenommen und über die Leitung 23 an die Steuerung 39 übertragen, um die Steuerung nach jeder Druckwelle zurückzustellen.

Die Steuer- und Empfangseinrichtung 19 enthält außerdem eine Empfangseinrichtung 41, die einen Analog-Digital-Umsetzer 43, eine Galvanometerkamera 45 und einen Bandrekorder 47 aufweist. Von der Leitung 23 kommende Druckwellen-Signale werden von der Steuereinrichtung 39 weiter zu dem ADU (Analog-Digital-Umsetzer) 43 über die elektrische Verbindungsleitung 49 übertragen, wodurch die Druckwellen-Signale von dem Bandrekorder 47 und der Galvanometerkamera 45 aufgezeichnet werden.

Der Umsetzer 43 empfängt in erster Linie Signale von dem Schleppkabel 27 über die Schleppleitung 29 und eine Bordleitung 51. Die Vergrößerungen A und B verdeutlichen die Anwendung der Phantompaar-Methode für das Kabel 27 und für den Umsetzer 43, wo dieser an die Leitung 51 angeschlossen ist. Mit Ausnahme der Phantompaar-Verbindung B zwischen der Bordleitung 51 und dem Umsetzer 4 3 ist die Apparatur an Bord des Schiffes 11 in üblicher Weise ausgebildet. Weitere Einzelheiten bezüglich dieser Anordnung finden sich in "Operations Manual System 29300, 120 Trace Hydrostreamer System for Teledyne Exploration and m/v China Seal Dec-System", veröffentlicht von der Teledyne Exploration Company. Die Empfangseinrichtung 41 zeichnet seismische Ereignisse auf, die von den Hydrophonen in dem Kabel 27 erfaßt werden.

Fig.3 zeigt eine Seitenansicht eines der modularen Abschnitte 28 des Hydrophon-Schleppkabels 27. Der Kabelabschnitt hat einen ähnlichen Aufbau, wie er in der US-PS 3 885 286 beschrieben ist.

Der Kabelabschnitt enthält einen rohrförmigen äußeren Mantel 61 aus Polyurethan oder einem anderen festen, flexiblen und vorzugsweise durchsichtigen, sowie wasser- und ölfesten Material. Der Mantel 61 ist an seinen Enden mit Hilfe zylindrischer Scheidewände 63 aus Metall wasser- und luftdicht abgeschlossen. Die Scheidewände 63 sind in den Mantel eingefügt und werden von Metallschellen 56 fixiert. Der Mantel ist mit leichtem öl 67 gefüllt, dessen Dichte gering genug ist, um dem Kabelabschnitt einen annähernd neutralen (geringfügig positiven) Auftrieb zu verleihen, über den Querschnitt des Kabelabschnitts verteilt sind drei Zugseile 71 in einem Winkelabstand von jeweils 120° angeordnet und mit ihren Enden mit Hilfe von ösenbolzen 73 und 75 in die Scheidewände eingeschraubt. An den Enden des Kabelabschnitts

befinden sich Mehrfach-Steckverbindervorrichtungen 77 und 79, die jeweils mit Stiften und Buchsen ausgestattet sind, um eine mechanische Verbindung mit anderen Kabelabschnitten zu ermöglichen und elektrische Signale von einem Kabelabschnitt zu einem anderen Kabelabschnitt zu übertragen.

örtliche elektrische Leiterpaare 81 verbinden an Hydrophongruppen und Hilf s-, Sensor- und Steuereinrichtungen 85 angeschlossene Anpassungstransformatoren 83 mit Verbindereinrichtungen 77 am nahen Ende des Kabelabschnitts. Von dervelektrischen Verb Inder einrichtungen 77 am nahen Ende des Kabelabschnitts verlaufen durchgehende elektrische Leitungspaare 87 zu Verbindervorrichtungen 79 am fernen Ende des Abschnitts.

über die Länge des Kabelabschnitts sind in geeigneten Intervallen Abstandhalter 109 verteilt, die den Mantel in seiner runden Form halten und die !Zugseile sowie die elektrischen Leitungspaare voneinander trennen und fixieren.

Fig. 4 zeigt die elektrische Schaltung eines der,modularen Kabelabschnitte 28. Eine Anzahl von Durchführungsleiterpaaren 87 erstreckt sich von den Verbindervorrichtungen 77 an nahen Ende des Abschnitts zu den Verbindervorrichtungen 79 am fernen Ende des Abschnitts. Die Anzahl X der Durchführungsleiterpaare kann z.B. (N-1) (h+s) betragen, wobei N die Anzahl von Kabelabschnitten in den Schleppkabeln und (h+s) die Anzahl von lokalen Leiterpaaren pro Abschnitt ist, welcher h örtliche Paare für seismische Signale von Hydrophonen und s örtliche Paare für Hilfs-Sensoren oder -Steuerungen aufweist.

Setzt man sechzig KabelabschnittB, ein örtliches Leiterpaar pro Abschnitt für Hilfs-Sensoren und

I I V w *"*

-Steuereinrichtungen und vier reale örtliche Leiterpaare pro Abschnitt für von Hydrophonen kommende seismische Signale voraus, so gibt es (60-1) (4+1) = 295 Durchführungsleiterpaare , die in der Durchführungsleiterpaarleitung 87 enthalten sind. Dies macht es erforderlich, daß die Verbindervorrichtungen 77 und (295+5) = 300 Durchführungs- und örtliche Leiterpaare versorgen und jeweils sechshundert Stifte und Buchsen enthalten. Dies ist etwa das Maximum. Wie im Folgenden erläutert werden wird, erhält man durch zwei in Kaskade angeordnete Phantomisierungsstufen drei Phantompaare pro Kabelabschnitt für zeismische Hydrophonsignale. Man erhält demzufolge (4+3+1) (60) = 480 Ausgänge für die an Bord des Schiffes vorgesehene Empfangseinrichtung 41, was etwa dem öoppelten der derzeit verfügbaren Anzahl entspricht.

Nach Fig. 4 enthält der Kabelabschnitt 28 ein oder mehrere Hilfs-Sensoren und -Steuereinrichtungen 85, von denen einer (oder mehr) über ein örtliches Leiterpaar 111 an die am nahen Ende des Kabelabschnitts vorgesehenen Verbindervorrichtungen 77 angeschlossen ist. Das Leiterpaar 111 bildet einen Teil der Örtlichen Leiterpaarleitung 81 gemäß Fig. 1 . Durch eine (nicht gezeigte) geeignete Schaltvorrichtung wird ein gewünschter Teil der Sensoren und Steuereinrichtungen 85 an das Paar 111 angeschaltet.

Nach Fig. 4 gibt es sieben Hydrophongruppen 84. Jede Gruppe enthält in Parallelschaltung mehrere Hydrophone 113, z.B. zwanzig Hydrophone pro Gruppe. Jede Gruppe ist an die Primärwicklung eines von sieben Eisenkern-Tonfrequenz-Anpassungstransformatoren 43 mit Spannungs-Abwartstransformierung angeschlossen. Die Transformatoren 83 können z.B. ein üntersetzungsverhältnis von zehn zu eins besitzen.

I I

Die Sekundärwicklungen von vier der Transformatoren 8 sind an vier örtliche Leiterpaare 115, 117, 119 und angeschlossen, die Teil der örtlichen Leiterpaarleitung 81 (Fig.3) sind. Die Sekundärwicklungen der beiden anderen Transformatoren 83 sind über elektrische Leitungen 123, 125, 127 und 129 an die Mittelanzapfpunkte der zuerst erwähnten vier Transformatoren angeschlossen. Dies ist eine Phantomisierungsstufe, durch die zwei Phantompaare gebildet werden. Die Sekundärwicklung des siebten Transformators 83 ist über elektrische Leitungen 131 und 133 an die Mittelanzapfpunkte der zwei zuletzt erwähnten Transformatoren 83 angeschlossen. Dies ist eine zweite Phantomisxerungsstufe, durch die ein weiteres Phantompaar gebildet wird. Auf diese Weise wird durch Kaskadierung zweier Phantomisierungsstufen insgesamt eine Anzahl von drei Phantompaaren aus vier realen Paaren erhalten. Es könnten weitere Phantomisierungsstufen verwendet werden. Allgemein beträgt die mögliche Anzahl von Phantompaaren eins weniger als die Anzahl von realen Paaren. In anderen Worten: die Gesamtzahl von Paaren T entspricht R, der Anzahl der realen Paare, plus R - 1, der Anzahl von Phantompaaren. Für die vollständige Phantomisierung ohne die Verwendung von Halb- oder Zwischenstufenphantomisierung gemäß

Fig. 9 muß die Anzahl von realen Paaren R = (2) j wobei C die Anzahl von Kaskadierungsstufen ist.

um die von den realen Leiterpaaren des Schleppkabels kommenden Signale, die gemäß Fig. 4 phantomisiert wurden, zu entschlüsseln oder zu dekodieren, wird an Bord des Schiffes die in Fig. 5 gezeigte Schaltung verwendet. Die Schaltung enthält sieben Eins-zu-eins-Eisenkern-Ton-* frequenz-Transformatoren 151 pro Kabelabschnitt, z.B. (70x60) =420 Transformatoren für die dargestellten sechzig Abschnitte des Schleppkabels. Fig. 5 zeigt eine Gruppe von sieben bordseitigen Transformatoren zum entschlüsseln der vom Kabelabschnitt kommenden Signale.

I I ν/ vy

Vier der Transformatoren 151 sind mit ihren Primärwicklungen an Leiterpaare 153,155,157 und 159 angeschlossen, die an die von den Kabelabschnitten kommenden Paare 115,117,119 bzw. 121 angeschlossen sind. Zwei & weitere Transformatoren 151 sind mit ihren Primärwicklungen an die Mittelanzapfpunkte der Primärwicklungen der zuerst erwähnten vier Transformatoren 151 über elektrische Leitungen 157,159,161 und 163 angeschlossen. Der siebte der Transformatoren 151 ist mit seiner Primärwicklung über elektrische Leiter 165 und 167 an die Mittelanzapfpunkte der zuletzt erwähnten zwei Transformatoren 151 angeschlossen. Die Sekundärseiten der sieben Transformatoren 151 sind über sieben Leiterpaare 171,173,175,177,179,181 und 183 an die Empfangseinrichtung 41 an Bord des Schiffes angeschlossen. Auf diese Weise werden aus den sieben Gruppen von zeismischen Hydrophonen des Kabelabschnitts sieben reale Leiterpaare abgeleitet, obschon in dem Kabelabschnitt selbst lediglich vier reale Leiterpaare verwendet werden.

Die der Phantompaar-Methode zu Grunde liegende Theorie läßt sich unter Bezugnahme auf Fig. 6 folgendermaßen beschreiben:

Das übliche Verfahren zum Obertragen von mehreren Signalen über ein Kabel macht für jeden Signalkanal ein Paar von Drähten erforderlich, wobei ein Draht den Strom in Vorwärtsrxchtung und der andere Draht den zurückfließenden Strom leitet. Wenn jeder dieser Drähte Strom in die selbe Richtung führt, so entsteht zwischen den Drähten des Paares keine Spannung. Dementsprechend X'äßt sich das Paar von Drähten so verwenden, als existierte nur ein einziger Draht, und zwei Paare von Drähten können so verwendet werden, als existierte ein drittes Paar. Ein Verfahren zur praktischen Ausnutzung dieser Zusammenhänge ist in Fig. 6 dargestellt. Die in Fig. 6 gezeigte Schaltung besteht aus zwei

--3-4

Wheatstonebrücken (#1 und # 2), die durch ein Signal

# 3 gespeist werden. Solange die Brücken abgeglichen sind, kann sich an den Kreisen # 1 oder # 2 kein Signal entwickeln. In ähnlicher Weise können sich keine Signale #1 oder I 2 an dem Kreis # 3 entwickeln.

In Abwandlung der oben beschriebenen Ausführungsform läßt sich einer der Transformatoren oder lassen sich mehrere Transformatoren durch Widerstandspaare gleichen Widerstandswerts ersetzen, um dadurch den Brückenabgleich aufrechtzuerhalten.

In einem Mehrfachpaar-Kabel läßt sich die obige Schaltung nachbilden, was zu einer Zunahme von Kanälen um das 1,5-fache der Anzahl von Paaren führt, vorausgesetzt, die Anzahl der Paare ist gerade. In Erweiterung dieses Verfahrens kann man den Kanal # 3 als einen Draht eines weiteren Paares verwenden, und wenn vier tatsächliche Drahtpaare in der oben geschilderten Weise verschaltet sind, werden Kanäle # 4,

# 5 und # 6 hinzugefügt, und der Kanal # 6 kann als Rücklaufdraht verwendet werden, was einen zusätzlichen Kanal # 7 ergibt. Dieses Verfahren kann man ausdehnen unter Zugrundelegung von Gruppen aus acht Paaren als weiteres Signalpaar. Auf diese Weise lassen sich durch zwei tatsächliche Paare drei Kanäle schaffen, durch vier tatsächliche Paare sieben Kanäle, durch acht tatsächliche Paare fünfzehn Kanäle usw. (d.h.allgemein, doppelte Anzahl von tatsächlichen Paaren, minus 1).

Bezüglich einer weiteren Diskussion des Phantompaar-Verfahrens sei verwiesen auf:

The New Encyclopaedia Britannica Volume 18,Seite 86,

Stichwort Telephone and Telecommunication Systems Multiplexing, veröffentlicht von Helen Hemingway Benton.

Die Phantompaar-Methode läßt sich anwenden auf transformatorlose Kabel, die Ladungsverstärker speisen, indem man Kondensatorbrücken verwendet. Wie in Fig. 7 gezeigt ist, sind drei Hydrophone 201,203 und 205 über zwei Leiterpaare 207 und 209 an drei reale Ausgänge 211,213 und 215 angeschlossen, wobei Gebrauch gemacht wird von zwei Kondensatorbrücken 217,219,221,223,225, 227,229 und 231, die zwischen den Hydrophonen 201 und 205 liegen/ Zwei Ladungsverstärker 233 und 235 sind an die Leitungspaare 207 bzw. 209 angeschlossen. Das Hydrophon 203 liegt zwischen der Verbindung der Konden-^ satoren 218 und 219 sowie zwischen den Kondensatoren 225 und 227. In ähnlicher Weise liegt ein dritter Ladungsverstärker 237 an den Verbindungspunkten zwischen den Kondensatoren 221 und 223 bzw. 229 und 231. Jeder der Ladungsverstärker 233,235 und 237 ist mit einer vorzugsweise variablen kapazitiven Rückkopplung 239, 241 bzw. 243 ausgestattet, mit deren Hilfe die Ausgangssignale eingestellt werden können, um die Signale nach Wunsch anzuheben oder abzuschwächen.

Fig. 8 zeigt einen Abschnitt eines Geophonkabels zur Verwendung bei der seismischen Exploration auf Land, wobei von der vorliegenden Erfindung Gebrauch gemacht wird. Das Kabel umfaßt mehrere Geophone 301,303,304, 305 und 306. Diese können mit Hilfe von realen Leiterpaaren an reale Ausgänge angeschlossen sein, wobei Gebrauch gemacht wird von der Phantompaar-Methode mit Zwischenstufen-Phantomisierung, wie es z.B. in Fig. 9 dargestellt ist. Der Abschnitt 310 umfaßt örtliche Leiterpaare 311,313,315, die Über (nicht gezeigte) Durchführungsleiterpaare an Verbindervorrichtungen 314 am nahen Ende des Leitungsabschnitts und an Verbindervorrichtungen 318 am fernen Ende des Abschnitts angeschlossen sind. Bei den Geophonen 301, 303,305,306 und 304 handelt es sich in der Praxis um Gruppen von paralellgeschalteten Geophonen . Da die Geophonkabel

341 Ίαd

häufig in unwegsamem und bergigem Gelände mit Vegetation verlegt werden müssen, hat die durch die Erfindung erzielte Verringerung des Gewichts durch Herabsetzung der Anzahl von örtlichen und Durchführungsleiterpaaren beträchtliche Vorteile. Die Transformatoren 331, 3 35 sind mit einer Empfangseinrichtung in einem Aufzeichnungs-LkW od.dgl. untergebracht und ihre Anzahl entspricht der Anzahl von Geophongruppen. Sie können entsprechend so. vielen Stufen phantomisiert sein, wie Geophone vorgesehen sind, ähnlich wie bei den an Bord des Schiffes vorgesehenen Transformatoren 151, die in Fig. 5 dargestellt sind.

Claims (1)

1. JCADOR · KLUNKER · SCHMITT-NIIa)N · HlRSCl 1 ΙΧΓΕΝΤΑΝ VlXUE

   EIlR(H¹EAN HOTATATTORMOS

   30. März 1984 K 21O54S6/Djä

   Teledyne Exploration Company Houston, Texas/USA

   Modularer seismischer Kabelabschnitt, insbesondere Seekabel ab s chnitt

   Patentansprüche:

   ( 1)^Abschnitt eines N Abschnitte aufweisenden, seismischen Kabels zum übertragen seismischer Signale von seischmischen Wandlern zu einer Empfangseinrichtung für seismische Signale, mit einem nahen Abschnittsende und einem fernen Abschnittsende, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

   - an jedem Abschnittsende ist eine Mehrfach-Verbinde&nordnu (77,79) vorgesehen für die Verbindung mit zugehörigen

   VerbindeTanordnungen, die zum Beispiel an den Enden ähnlic Abschnitte vorgesehen sind,

   - von dem nahen Abschnittsende laufen mehrere (h) örtliche reale Leiterpaare (81) in verschiedenen Abständen in Richtung auf das andere Abschnittsende,

   - mehrere (p) Gruppen von seismischen Detektoren (84) werden verwendet, wobei

   (b-1) ρ = (2h - 1) - 2

   Hr I I \J

   c die maximal mögliche Anzahl von Phantomisierungsstufen bei h realen Leiterpaaren und (c-b) die tatsächliche Anzahl von Stufen ist,

   - mehrere in Phantom-Kaskade geschaltete Spannungsteiler

   (83) verbinden die Gruppen von seismischen Detektoren

   (84) mit den örtlichen Leiterpaaren und

   - mehrere (x) Durchführungsleiterpaare (111,87) sind jeweils mit einem Ende an die Verbindeanordnung (77) am nahen Abschnittsende und mit dem anderen Ende an die VerbindÄnordnung (79) am fernen Ab schnitt sende angeschlossen, wobei

   χ = (N + 1) (h + s) und s die Anzahl von besonderen Durchführungsleiterpaaren (111) für Hilfseinrichtungen (85) ist.

   2) Abschnitt nach Anspruch 1, dadurch gekennzei chn e t, daß die Detektoren Hydrophone (84) sind, und daß die Spannungsteiler Anpassungstransformatoren (83) sind.

   3) Abschnitt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsteiler in Serie geschaltete Kondensatoren (117, 119,121,... 131) sind.

   4) Kabel mit Abschnitten nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennze ichnet, daß eine Dekodiereinrichtung an das nahe Ende des mehrere Spannungsteiler aufweisenden Kabels angeschlossen ist.

   5) Kabel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsteiler in Form von Eins-zu-eins-Transformatoren ausgebildet sind.

   7.

   6) Kabel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsteiler in Form von in Serie geschalteten Kondensatoren ausgebildet sind.

   7) Anordnung nach Anspruch 6, dadurch g e k e η η -

   zeich net, daß die Dekodiereinrichtung mehrere Ladungsverstärker (233, 237,235) aufweist, die in Kaskade an die Mittelanzapfpunkte der Spannungsteiler angeschlossen sind.
   10

   8) Modularer seismischer Kabelabschnitt, insbesondere Seekabelabschnitt, gekennze ichnet durch folgende Merkmale:

   - einen rohr- oder schlauchförmigen Mantel (61),

   - eine Verschlußanordnung (63) für jedes Ende des Mantels (61),

   - eine innerhalb des Mantels befindliche Signaleinrichtung (81,83,84,85,111),

   - eine an jedem Ende des Mantels (61) vorgesehene elektrische Mehrfach-Verbinde^nordnung (77,79),

   - eine innerhalb des Mantels in der Nachbarschaft der . Signaleinrichtung vorgesehene Flüssigkeit (67), deren Dichte geringer ist als die Gesamtdichte innerhalb des Man-tels, und die dem Kabelabschnitt einen etwa neutralen Auftrieb verleiht,

   - die Signaleinrichtung umfaßt:

   - mehrere elektrische Durchführungsleiterpaare (67), die sich innerhalb des Mantels (61) erstrecken und einen Abschnitt der an einem Ende des Mantels

   vorgesehenen elektrischen Verbinde^nordnung (77) mit einem Abschnitt der an dem anderen Ende des Mantels vorgesehenen elektrischen VerbindÄnordnung (79) ver-.bindet,

   mindestens drei Hydrophoneinrichtungen (83,84) innerhalb des Mantels (61), wobei jede Hydrophoneinrichtung ein Hydrophon (84) und einen Anpassungstransformator

   (83) mit einer Primär- und einer Sekundärwicklung aufweist, von denen die Primärwicklung an das Hydrophon

   (84) angeschlossen ist,

   mindestens zwei örtliche elektrische Leiterpaare, die jeweils mit einem Ende an eine der Transformator-Sekundärwicklungen und dem anderen Ende an den anderen Abschnitt der elektrischen VerbindÄnordnung (79) an dem einen Ende des Mantels angeschlossen sind, wobei die elektrischen Durchführungsleiterpaare entsprechend einer Anzahl von m = (n-1)x mit η als Anzahl von modularen Abschnitten, die in Serie geschaltet werden können, und χ als die Anzahl von örtlichen Leiterpaaren pro Kabelabschnitt vorgesehen sind, Mittelanzapfpunkte der Sekundärwicklungen der Transformatoren (83), die an die zwei örtlichen elektrischen Leiterpaare angeschlossen sind, mit der Sekundärwicklung eines anderen Transformators der Hydrophoneinrichtungen verbunden sind, so daß das Gewicht und das Volumen des Kabelabschnitts reduziert wird um das Gewicht und das Volumen mindestens eines örtlichen Leiterpaares und der einen positiven Auftrieb aufweisenden Flüssigkeit zum Neutralisieren des negativen Auftriebs des örtlichen Leiterpaares, sowie um das Gewicht und das Volumen eines Durchführungsleiterpaares und. der einen positiven Auftrieb aufweisenden Flüssigkeit zum Neutralisieren des negativen Auftriebs des Durchführungsleiterpaares, jeweils multipliziert mit m/3.

   9) Abschnitt eines seismischen Kabels, insbesondere See kabels, in welchem eine Anzahl von e realen· Leitungs paaren zur Signalübertragung vorgesehen ist, gekennzeichnet durch eine vorbestimmte Anzahl von Phantompaaren, mit deren Hilfe insgesamt f> e Signalkanäle gebildet werden.