FR2495783A1 - APPARATUS AND METHOD FOR DETERMINING THE POSITION OF A IMMERED MARINE FLUTE AND TRAILERED BY AN EXPLORATION VESSEL - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE UN PROCEDE ET UN APPAREIL POUR DETERMINER LA POSITION D'UNE FLUTE MARINE IMMERGEE, REMORQUEE PAR UN NAVIRE D'EXPLORATION. UN RESEAU D'AU MOINS TROIS TRANSPONDEURS 10, 12, 14, FIXES AU FOND 16 DE LA MER, RECOIT UN SIGNAL ACOUSTIQUE DE COMMANDE D'UN NAVIRE 18 QUI REMORQUE UNE FLUTE 20 PORTANT DES RECEPTEURS 34. A LA RECEPTION DE CE SIGNAL, LES TRANSPONDEURS 10, 12, 14 RENVOIENT DES IMPULSIONS ACOUSTIQUES AYANT DES FREQUENCES NETTEMENT DIFFERENTES LES UNES DES AUTRES, SELON LES TRANSPONDEURS, A LA FOIS VERS LES RECEPTEURS 34 ET VERS LE NAVIRE 18. IL EST AINSI POSSIBLE DE DETERMINER PAR TRIANGULATION LA DISTANCE COMPRISE ENTRE CHAQUE HYDROPHONE 34 ET LE NAVIRE 18. DOMAINE D'APPLICATION: EXPLORATION SISMIQUE MARINE.THE INVENTION CONCERNS A METHOD AND AN APPARATUS FOR DETERMINING THE POSITION OF A SUBMERSIBLE WATER FLUTE, TOWED BY AN EXPLORATION VESSEL. A NETWORK OF AT LEAST THREE TRANSPONDERS 10, 12, 14, FIXED TO THE SEA BOTTOM 16, RECEIVES AN ACOUSTIC CONTROL SIGNAL FROM A VESSEL 18 WHICH TOWS A FLUTE 20 CARRYING RECEIVERS 34. ON RECEPTION OF THIS SIGNAL, THE TRANSPONDERS 10, 12, 14 RETURN ACOUSTIC PULSES HAVING CLEARLY DIFFERENT FREQUENCIES FROM ONE ANOTHER, DEPENDING ON THE TRANSPONDERS, BOTH TO THE RECEIVERS 34 AND TO THE VESSEL 18. IT IS THUS POSSIBLE TO DETERMINE THE DISTANCE BY TRIANGULATION BETWEEN THE COMTANCE EACH HYDROPHONE 34 AND THE VESSEL 18. FIELD OF APPLICATION: MARINE SEISMIC EXPLORATION.
Description
L'invention concerne principalement le domaine de l'exploration sismiqueThe invention relates primarily to the field of seismic exploration
marine. L'invention concerne plus particulièrement un moyen pour déterminer avec précision la Marine. The invention more particularly relates to a means for accurately determining the
position d'une flûte sismique marine remorquée. position of a towed marine seismic flute.
Dans la prospection sismique marine, un navire In marine seismic prospecting, a ship
d'exploration remorque une flûte sismique comportant plu- explores a seismic flute with several
sieurs détecteurs sensibles à la pression communément appe- pressure-sensitive detectors commonly referred to as
lés hydrophonè . Une source d'énergie sismique, par exemple un canon à air ou une charge explosive, est utilisée pour propager des ondes de pression à travers l'eau, dans le the hydrophone. A source of seismic energy, for example an air gun or an explosive charge, is used to propagate pressure waves through the water, in the
fond marin sous-jacent. Une partie de l'énergie est réflé- underlying seabed. Part of the energy is reflected
chie par des discontinuités géologiques souterraines et est ensuite détectée par les hydrophones sous forme de variations de pression, dans l'eau environnante. L'énergie mécanique de ces variations de pression est transformée en un signal électrique par les hydrophones et ce signal est transmis, par l'intermédiaire de la flûte, à un appareil dug by subterranean geological discontinuities and is then detected by hydrophones as pressure variations in the surrounding water. The mechanical energy of these pressure variations is transformed into an electrical signal by the hydrophones and this signal is transmitted, via the flute, to a device
d'enregistrement placé à bord du navire. Les données re- registration on board the vessel. The data
cueillies peuvent ensuite être interprétées par l'homme de picked can then be interpreted by the man of
l'art afin de fournir des informations concernant les for- art to provide information about the
mations géologiques sous-marines.underwater geological formations.
Pour que les signaux aient un sens, il est né- For the signals to have a meaning, it is ne-
cessaire de connaître l'emplacement des hydrophones indi- to know the location of the hydrophones indicated
viduels au moment o les ondes de pression sont détectées. viduals at the moment when the pressure waves are detected.
Etant donné que le navire se déplace de façon continue et Since the ship is moving continuously and
que la flûte peut s'étendre sur plusieurs milliers de mè- that the flute can extend over several thousand
tres en arrière du navire, il est difficile de localiser very behind the ship, it is difficult to locate
avec précision les hydrophones de la flûte. accurately the hydrophones of the flute.
Divers dispositifs ont été développés pour pro- Various devices have been developed to
duire une information précise quant à la position du navire. to obtain precise information as to the position of the ship.
Dans une application courante, plusieurs transpondeurs sous- In a common application, several sub-transponders
marins génèrent des signaux de sortie ayant une fréquence unique en réponse à un signal d'interrogation provenant du navire. Le temps de parcours du signal d'interrogation et mariners generate output signals having a single frequency in response to an interrogation signal from the ship. The travel time of the interrogation signal and
du signal de réponse du transpondeur est mesuré et la dis- the transponder response signal is measured and the
tance ou l'éloignement de chaque transpondeur est calculé. distance or distance from each transponder is calculated.
La position du navire par rapport aux transpondeurs peut ensuite The position of the ship with respect to the transponders can then
être déterminée par triangulation si les positions des trans- triangulation if the positions of the trans-
pondeurs sont connues.weights are known.
Cependant, il est rare que la flûte soit traînée en suivant directement la direction de la route du navire. Bien que la flûte soit reliée à l'arrière du navire, sa masse est immergée au-dessous de la surface de l'eau sous However, it is rare for the flute to be dragged directly following the direction of the ship's course. Although the flute is connected to the rear of the ship, its mass is submerged below the surface of the water under
l'action de dispositifs de commande de profondeur s'éten- the action of depth control devices extends
dant le long de la flûte. Par conséquent, la vitesse du courant transversal à la profondeur de la flûte peut être along the flute. Therefore, the velocity of the transverse current at the depth of the flute can be
différente de celle du courant transversal affectant le na- different from that of the transverse current affecting the
vire, de sorte que la flûte suit le navire en formant un turns, so that the flute follows the ship forming a
certain angle avec la route de ce dernier. D'autres fac- certain angle with the road of the latter. Other facets
teurs, qu'il est inutile d'énumérer, peuvent également faire varier le trajet suivi par la flûte par rapport à la that it is useless to enumerate, may also vary the path followed by the flute with respect to the
route du navire.ship route.
Un procédé d'estimation de la position de la flû- A method for estimating the position of
te, décrit dans l'art antérieur, repose sur l'addition d'un réflecteur radar sur bouée de queue placé à l'extrémité de la flûte. Un équipement radar de bord peut ensuite être utilisé, lorsque la mer est dans des conditions optimales, pour localiser l'extrémité de la flûte et la position des hydrophones individuels intercalés. De tels dispositifs sont cependant, en général, peu fiables et laissent un doute te, described in the prior art, is based on the addition of a radar reflector on a tail buoy placed at the end of the flute. Onboard radar equipment can then be used, when the sea is in optimal conditions, to locate the end of the flute and the position of the individual hydrophones interspersed. Such devices are, however, generally unreliable and leave a doubt
quant aux données demandées.as to the data requested.
Un second procédé décrit dans l'art antérieur utilise un appareil très sensible et coûteux pour mesurer les angles d'embardée et de tangage de l'extrémité de la A second method described in the prior art uses a very sensitive and expensive apparatus for measuring the yaw and pitch angles of the end of the
flûte adjacente au navire. Ces données, associées à des va- flute adjacent to the ship. These data, associated with
leurs de cap prises au compas magnétique le long de la flûte, their cap taken by magnetic compass along the flute,
et à la profondeur connue de la flûte, permettent de cal- and at the known depth of the flute, allow
culer empiriquement les positions des hydrophones. empirically determine the positions of the hydrophones.
L'invention a pour objet un autre moyen précis pour localiser la flûte marine immergée, ce moyen étant The subject of the invention is another precise means for locating the submerged marine flute, this means being
conçu pour éliminer les inconvénients de l'art antérieur. designed to eliminate the disadvantages of the prior art.
L'invention concerne un appareil destiné à déter- The invention relates to an apparatus for deter-
miner la position d'une flûte marine immeryée, remorquée derrière un navire d'exploration. Cet appareil comporte des moyens destinés à déclencher un signal acoustique de undermine the position of an immersed marine flute towed behind an exploration vessel. This apparatus comprises means for triggering an acoustic signal of
commande à partir du navire; au moins trois transpon- order from the ship; at least three transpon-
deurs disposés spatialement dans des positions connues, sur le fond de la mer, afin d'établir des trajets acous- tiques distincts vers le navire et la flûte, chacun de ces spacecraft arranged spatially in known positions on the sea floor, in order to establish distinct acoustic paths to the ship and the flute, each of these
transpondeurs pouvant répondre au signal de commande pro- transponders that can respond to the pro-
venant du navire en émettant des impulsions acoustiques de fréquences nettement différentes; plusieurs receveurs espacés, portés par la flûte et capables de recevoir les coming from the ship by emitting acoustic pulses of clearly different frequencies; several receivers spaced, carried by the flute and able to receive the
impulsions acoustiques différentes émises par les trans- different acoustic impulses emitted by trans-
pondeurs et de relayer individuellement des signaux dis- and relay individual signals
tincts le long de la flûte vers le navire, sous la commande desdites impulsions acoustiques; un récepteur de navire tincts along the flute towards the ship under the control of said acoustic pulses; a ship receiver
capable de recevoir et de distinguer les impulsions acous- able to receive and distinguish acoustic impulses
tiques différentes émises par les transpondeurs; et des moyens destinés à mesurer l'intervalle de temps entre le different ticks emitted by transponders; and means for measuring the time interval between the
déclenchement du signal de commande et la réception des si- triggering of the control signal and the reception of
gnaux relayés par les récepteurs espacés, renfermés dans la the signals relayed by the spaced receivers, enclosed in the
flûte et l'intervalle de temps entre le déclenchement du si- flute and the time interval between the triggering of the
gnal de commande et la réception des impulsions des trans- control and reception of impulses from trans-
pondeurs par le récepteur du navire. spawners by the ship's receiver.
Les transpondeurs sont de préférence placés sui- Transponders are preferably placed next
vant une relation non colinéaire et chaque récepteur de la flQte est desservi par un canal indépendant, logé dans la flûte, afin de relayer des signaux vers le navire. Les récepteurs peuvent être actifs ou passifs, mais ils sont de préférence passifs afin d'en minimiser le poids et le A non-collinear relationship exists and each receiver of the stream is serviced by an independent channel, housed in the flute, for relaying signals to the ship. Receptors can be active or passive, but they are preferably passive in order to minimize their weight and
coût. L'appareil peut comporter également des moyens des- cost. The apparatus may also include means
tinés à mesurer la vitesse du navire par rapport au réseau de transpondeurs placés sur le fond de la mer. Ces moyens de mesure de la vitesse du navire peuvent comprendre un dispositif destiné à mesurer les variations de fréquence, able to measure the speed of the ship relative to the transponder network placed on the sea bed. These means for measuring the speed of the ship may comprise a device for measuring frequency variations,
par effet Doppler, des impulsions générées par les trans- Doppler effect, impulses generated by trans-
pondeurs.spawners.
L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel: la figure 1 est une vue schématique montrant un réseau de transpondeurs par rapport à un navire d'exploration de surface remorquant une flûte marine; et la figure 2 est une vue schématique montrant l'effet du déplacement du navire sur les trajets acous- The invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings by way of non-limiting example and in which: FIG. 1 is a schematic view showing a network of transponders with respect to a surface exploration vessel towing a marine flute ; and FIG. 2 is a schematic view showing the effect of vessel displacement on the acoustic paths.
tiques entre le navire et un transpondeur. ticks between the ship and a transponder.
Selon l'invention, il faut mettre en place plu- According to the invention, it is necessary to set up several
sieurs transpondeurs acoustiques sur le fond de la mer acoustic transponders on the bottom of the sea
ou à proximité du fond Les transpondeurs sont de préfé- or close to the bottom The transponders are preferably
rence placés sur le fond de la mer, en réseaux non co- on the seabed, in non-cooperative networks
linéaires constitués chacun d'au moins trois transpondeurs. linear each consisting of at least three transponders.
Chaque transpondeur d'un triplet donné est de préférence placé à une distance suffisante des autres transpondeurs pour établir une portée convenant aux récepteurs du navire et de la flûte dans une profondeur d'eau donnée. Bien que la présente invention concerne la localisation du navire et Each transponder of a given triplet is preferably placed at a sufficient distance from the other transponders to establish a range suitable for the receivers of the ship and the flute in a given water depth. Although the present invention relates to the location of the ship and
de la flûte par rapport à un réseau donné et non par rap- of the flute in relation to a given network and not by
port à la localisation géographique réelle, cette dernière port to the actual geographical location, the latter
relation peut être établie une fois que l'on connait l'em- relationship can be established once one knows the
placement des transpondeurs. Des procédés bien connus sont décrits dans l'art antérieur pour déterminer l'emplacement des transpondeurs et leur étalonnage et il est donc inutile placement of transponders. Well-known methods are described in the prior art for determining the location of transponders and their calibration and is therefore unnecessary.
d'y revenir.to come back to it.
La figure 1 représente un seul réseau de trois transpondeurs acoustiques, indiqués d'une manière générale FIG. 1 represents a single network of three acoustic transponders, indicated generally
par les références numériques 10, 12 et 14, ces transpon- 10, 12 and 14, these transpon-
deurs étant placés sur le fond 16 de la mer. Un navire 18 d'exploration est représenté à la surface, remorquant une being placed on the sea floor. An exploratory ship 18 is shown on the surface, towing a
flûte marine 20.marine flute 20.
Des transpondeurs du type demandé sont disponi- Transponders of the requested type are available.
bles dans le commerce et comprennent normalement une pla- in commerce and normally include
que de base 22 reposant sur le fond de la mer, et un câ- than base 22 resting on the seabed, and a cable
ble 24 fixé entre la plaque de base 22 et le corps 26 du 24 fixed between the base plate 22 and the body 26 of the
transpondeur. Un flotteur 28,relié au corps 26 du trans- transponder. A float 28, connected to the body 26 of the trans-
pondeur au moyen d'un câble 30, maintient ce corps 26 à une certaine hauteur au-dessus du fond de la mer, cette hauteur étant déterminée par la longueur du câble 24. Le flotteur 28 constitue également un moyen de récupération by means of a cable 30, maintains this body 26 at a certain height above the seabed, this height being determined by the length of the cable 24. The float 28 also constitutes a means of recovery
en cas de rupture du cable 24.in case of breakage of the cable 24.
Le navire 18 est équipé d'un émetteur acoustique The ship 18 is equipped with an acoustic transmitter
32 qui émet des signaux acoustiques de commande ou d'interro- 32 which emits acoustic signals of control or interrogation
gation, à travers l'eau, vers les transpondeurs et qui, en retour, reçoit des signaux de réponse. Tous les transpondeurs du réseau répondent de préférence à un signal d'une seule fréquence émis par l'émetteurrécepteur du navire. Cependant, des signaux codés peuvent être produits pour commander les transpondeurs individuels à partir du navire, si cela est transmission, through water, to the transponders and which, in turn, receives response signals. All transponders in the network preferably respond to a signal of a single frequency transmitted by the transceiver of the ship. However, coded signals can be generated to control individual transponders from the ship, if this is
souhaité.wish.
La flûte marine 20 est immergée au-dessous de la The marine flute 20 is immersed below the
surface de l'eau au moyen de plusieurs dispositifs classi- water surface by means of several conventional devices
ques de commande de profondeur (non représentés) et elle renferme normalement des hydrophones (non représentés) et des capteurs de profondeur (non représentés) qui peuvent depth control units (not shown) and normally encloses hydrophones (not shown) and depth sensors (not shown) which can
être interrogés à partir du navire pour l'obtention d'in- be interrogated from the ship for the purpose of obtaining information
formations. De plus, la flûte renferme également plusieurs training. In addition, the flute also contains several
récepteurs acoustiques 34 espacés sur sa longueur. Ces ré- acoustic receivers 34 spaced along its length. These re-
cepteurs 34 sont capables de détecter les signaux produits receivers 34 are able to detect the signals produced
par les transpondeurs et de relayer des réponses identi- transponders and to relay identical answers.
fiables le long de la flûte vers le navire. Normalement, reliable along the flute towards the ship. Normally,
la flûte possède des canaux individuels s'étendant de cha- the flute has individual channels extending from each
que récepteur jusqu'au navire afin de transmettre l'infor- receiver to the ship to transmit the information
mation. Bien que les récepteurs puissent être actifs ou ali- mation. Although the receivers may be active or
mentés, il est préférable qu'ils soient passifs. it is preferable that they be passive.
Pour déterminer la position des récepteurs 34 et, par conséquent, de la flûte, l'émetteur-récepteur acoustique To determine the position of the receivers 34 and, therefore, the flute, the acoustic transceiver
32 du navire est déclenché afin d'émettre un signal acous- 32 of the vessel is triggered in order to emit an acoustic signal
tique de commande. A la réception du signal, après le dé- control. On receipt of the signal, after
lai de transmission dans l'eau, chaque transpondeur émet une impulsion acoustique d'une fréquence distincte. Ces impulsions sont détectées par l'émetteur-récepteur 32 et par les récepteurs acoustiques 34 logés dans la flate. Pour plus de clarté, seule la figure 1 représente les trajets transmission lai in water, each transponder emits an acoustic pulse of a distinct frequency. These pulses are detected by the transceiver 32 and by the acoustic receivers 34 housed in the fl ate. For clarity, only Figure 1 represents the paths
des signaux acoustiques, en traits pointillés, pour l'émet- acoustic signals, in dotted lines, for the transmission
teur-récepteur du navire, les transpondeurs et un seul récepteur de la flûte. Il est cependant évident que des ship-receiver, transponders and a single receiver of the flute. It is clear, however, that
trajets analogues peuvent être tracés pour chacun des ré- analogous routes can be traced for each of the
cepteurs logés dans la flûte. Les flèches I, 12 et 13 représentent l'impulsion de commande qui se déplace, selon les lignes pointillées, du navire jusqu'aux transpondeurs receivers housed in the flute. Arrows I, 12 and 13 represent the control pulse which moves along the dotted lines from the ship to the transponders
les flèches R1, R2 et R représentent les impulsions de ré- the arrows R1, R2 and R represent the repetition pulses
ponse des transpondeurs vers le navire; et les flèches response transponders to the ship; and the arrows
R'1, R'2 et R'3 indiquent les trajets parcourus par les im- R'1, R'2 and R'3 indicate the routes traveled by
pulsions vers le récepteur logé dans la flûte. Etant donné que les positions spatiales des transpondeurs sur le fond de la mer et la vitesse du son dans l'eau sont connues, la pulses to the receiver housed in the flute. Since the spatial positions of transponders on the sea bed and the speed of sound in water are known, the
position du récepteur peut être déterminée par triangula- receiver position can be determined by triangulation
tion, sachant le temps de parcours de chaque impulsion à tion, knowing the travel time of each pulse to
partir de son transpondeur.from his transponder.
Des moyens appropriés sont prévus à bord du na- Appropriate means shall be provided on board the vessel
vire pour mesurer l'intervalle de temps entre l'émission du signal de commande et la réception des impulsions provenant to measure the time interval between the transmission of the control signal and the reception of pulses from
des transpondeurs et des récepteurs. transponders and receivers.
La figure 2 représente un navire unique se dé- Figure 2 represents a single ship
plaçant sur la surface de l'eau, à un instant T0 puis à un instant Tl. Comme montré, l'émetteur-récepteur du navire émet à l'instant T une impulsion qui se déplace en ligne placing on the surface of the water, at a time T0 and then at a time T1. As shown, the transceiver of the ship emits at time T a pulse that moves in line
droite, suivant le trajet indiqué, vers le transpondeur. right, following the indicated path, to the transponder.
A la réception du signal, à l'instant Td, le transpondeur émet une impulsion qui est détectée par l'émetteur-récepteur du navire au temps T1. On peut déterminer, à partir de cette figure, que l'instant Td est donné par la formule At the reception of the signal, at time Td, the transponder emits a pulse which is detected by the transceiver of the ship at time T1. It can be determined from this figure that the instant Td is given by the formula
(T - T) -(T - T) -
T-= T + O (1+T- = T + O (1+
d O -C o v est la vitesse du navire par rapport au transpondeur et d O -C o v is the speed of the ship relative to the transponder and
c est la vitesse de propagation des impulsions acoustiques. this is the speed of propagation of the acoustic pulses.
Le rapport v peut être déterminé d'un certain nombre de manières. c Cependant, un procédé préféré repose sur la mesure de la variation, par effet Doppler, de la fréquence reçue du transpondeur. Il est évident que pour déterminer ainsi la vitesse, les transpondeurs doivent The ratio v can be determined in a number of ways. However, a preferred method relies on the measurement of the Doppler variation of the frequency received from the transponder. It is obvious that to determine the speed, the transponders must
pouvoir produire des impulsions à des fréquences très sta- able to produce pulses at very low frequencies
bles et le récepteur du navire doit pouvoir mesurer la the ship's receiver must be able to measure the
variation apparente de fréquence.Apparent variation of frequency.
Le rapport peut également être calculé à partir du rythme de variation de la distance dans la direction des transpondeurs et du navire. Ce rythme de variation de la distance peut être déterminé aisément sachant la posi- The ratio can also be calculated from the rate of change of the distance in the direction of the transponders and the ship. This rate of variation of the distance can be determined easily knowing the posi-
tion et la vitesse du navire par rapport aux transpon- the speed and speed of the ship in relation to transpon-
deurs.makers.
Le rapport v/c pour des vitesses normales du na- The ratio v / c for normal speeds of
vire, au cours d'opérations sismiques, est habituellement inférieur à 0, 002, carv est d'environ 3 mètres par seconde in seismic operations is usually less than 0.002, carv is about 3 meters per second
et c est d'environ 1 500 mètres par seconde. Si l'on né- and it is about 1500 meters per second. If one
glige le terme v/c, on a: (Ti - T0glide the term v / c, we have: (Ti - T0
T =T + 2T = T + 2
d 0 2d 0 2
avec une erreur inférieures 0,2 %. Une erreur de cette am- with an error less than 0.2%. An error of this
plitude peut être acceptable aux profondeurs de la mer auxquelles on travaille dans l'industrie pétrolière, pour may be acceptable in the depths of the sea in which the oil industry
certains types d'opérations sismiques. certain types of seismic operations.
Connaissant l'instant Td d'émission des impul- Knowing the instant Td of issuing
sions par les transpondeurs et le temps mesuré de détec- transponders and the measured time of detection.
tion des impulsions par les récepteurs de la flate, tels que transmis au navire on peut calculer la distance de tion of the pulses by the receivers of the flate, as transmitted to the ship, the distance of
chaque transpondeur à chaque récepteur. Ces distances peu- each transponder to each receiver. These distances can
vent ensuite être traitées par triangulation pour donner la position de chaque récepteur dans une flGte, en temps réel, à l'aide d'un calculateur embarqué ou à partir des données enregistrées, au cours d'une analyse effectuée au then be triangulated to give the position of each receiver in a fl ight, in real time, using an on-board computer or from the recorded data, during an analysis performed
retour de la mission.return from the mission.
Il va de soi que de nombreuses modifications It goes without saying that many modifications
peuvent être apportées à l'appareil et au procédé dé- can be made to the apparatus and the process de-
crits et représentés sans sortir du cadre de l'invention. written and represented without departing from the scope of the invention.
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