FR2496265A1 - Procede et dispositif de detection d'hydrocarbures dans une etendue d'eau - Google Patents

Abstract

UN PROCEDE DE DETECTION DE LA PRESENCE D'HYDROCARBURES DANS UNE ETENDUE D'EAU FAIT APPEL A LA FLUORESCENCE EXCITEE DANS LES HYDROCARBURES PAR UN FAISCEAU LASER A BALAYAGE QUI EST EMIS PAR UNE STRUCTURE SUBMERSIBLE 14. CETTE STRUCTURE EST REMORQUEE A QUELQUES METRES DU FOND 16 PAR UN NAVIRE 10 VERS LEQUEL L'INFORMATION DE FLUORESCENCE EST TRANSMISE PAR LE CABLE DE REMORQUAGE 24. L'INFORMATION OBTENUE EST ENSUITE TRAITEE PAR UN SYSTEME INFORMATIQUE A BORD DU NAVIRE POUR DETERMINER LA PRESENCE EVENTUELLE D'HYDROCARBURES.

Description

Procédé et dispositif de détection d'hydrocarbures dans une étendue d'eau

L'invention concerne de façon générale un procédé et un dis-

positif permettant d'obtenir des indications de la présence d'hydrocar-

bures sous l'eau, et elle porte plus particulièrement, mais non de façon limitative, sur des procédés de détection perfectionnés destinés à localiser la présence de pétrole et de sources de suintement sur le

fond marin et dans une étendue d'eau.

On trouve dans l'art antérieur de nombreux systèmes qui sont utilisés pour détecter de façon active la présence d'hydrocarbures, comme ceux résultant de déversements de pétrole ou de causes analogues

à la surface de la terre comme de l'eau. Ces systèmes de l'art anté-

rieur utilisent un rayonnement hyperfréquence, un éclairage en lumière

ultraviolette, des faisceaux laser, etc... pour déclencher des répon-

ses clés qui sont ensuite détectées par un balayage à partir de posi-

tions éloignées, comme par exemple une plate-forme aéroportée. Les brevets US 3 899 213, 3 961 187 et 3 736 428 sont quelques-uns des

brevets représentatifs entrant dans cette catégorie. Tous ces systè-

mes actifs de l'art antérieur détectent les caractéristiques de réflexion, de luminescence ou d'émission du pétrole à la surface de l'eau et ces systèmes fonctionnent nécessairement à partir d'une

plate-:Crme éloignée telle qu'un aéronef ou un navire.

On a utilisé jusqu'à présent les techniques de prospec-

tion géochimique pour la détection directe de pétrole ou d'autres hydrocarbures sous la surface de la mer. Une technique consiste à

détecter le suintement d'hydrocarbures par l'analyse des hydrocar-

bures dissous dans l'eau de mer. Une autre technique est basée sur l'analyse d'échantillons de sédiments du fond marin pour déterminer leur teneur en hydrocarbures. Le procédé d'analyse d'échantillons d'eau de mer nécessite des techniques analytiques très sensibles du

fait que les gaz d'hydrocarbures dissous dans l'eau de mer sont rapi-

dement dispersés par les courants marins. L'analyse des sédiments du fond marin applique des principes identiques à ceux qui régissent la prospection des sédiments terrestres à la surface de la terre. On recueille généralement les échantillons à au moins deux ou quatre mètres sous le fond marin afin d'éviter la contamination par des matières organiques présentes sur le fond ou près de celui-ci, et on traite ensuite par des acides les échantillons accumulés, tandis qu'on analyse les gaz d'hydrocarbures libérés par chromatographie en phase

gazeuse ou un procédé analogue. Aucun des procédés antérieurs ne pro-

cure aisément une indication précise de la position de la source de suintement sur le fond marin. En outre, des concentrations de gaz d'hydrocarbures dans l'eau ou les sédiments du fond peuvent provenir de sources autres que des dépôts d'hydrocarbures sous-marins ou des

pipelines, comme par exemple de la décomposition de matières organi-

ques.

L'invention concerne un procédé de détection sous-marine et un dispositif optique actif pour la détection de la présence de pétrole dispersé dans l'eau ainsi qu'à la frontière entre l'eau et les sédiments du fond, par opposition à la détection de nappes de pétrole discrètes s'accumulant à la surface de l'eau. Le dispositif de base comprend une source d'excitation, un équipement de réception

de fluorescence et/ou de rétrodiffusion de lumière laser, une struc-

ture submersible et un équipement de stabilisation, et un équipement électronique de saisie de données. La source d'excitation située

dans une structure submersible consiste en un émetteur laser qui fonc-

tionne sur des longueurs d'onde spécifiées, qui sont optimales en ce qui concerne les caractéristiques de transmission et de diffusion dans un environnement marin, et qui correspondent également aux longueurs d'onde optimales pour l'excitation de la fluorescence. Un dispositif

optique à balayage donne alors au faisceau laser une direction sélec-

tionnée sur le fond marin, et la réflexion de la lumière de fluores-

cence qui est dirigée vers l'équipement de réception, pour la conver-

sion et le traitement des signaux électriques, indique la présence et le degré d'activité de fluorescence et de rétrodiffusion liées aux hydrocarbures. Un équipement supplémentaire situé dans la structure submersible sous-marine comprend des alimentations pour les équipements, des circuits de synchronisation et de mise en ordre des données pour

la transmission de la structure submersible vers l'embarcation princi-

pale, ainsi que du matériel de calcul, d'enregistrement et de con-

trôle.

L'invention a donc pour but d'offrir un procédé et un

dispositif de détection d'hydrocarbures ou d'autres substances fluores-

centes sous l'eau et-sur le fond marin.

L'invention a également pour but d'offrir la possibilité de discriminer de façon précise entre la fluorescence d'une étendue d'eau qui est due aux hydrocarbures et celle qui est produite par

la vie organique et les matières décomposées.

L'invention a encore pourbxt de r6aliserun système laser à

balayage pour la détection du fond marin qui fournisse une indica-

tion tridimensionnelle sélective à proximité du fond marin ou d'un

autre emplacement choisi.

L'invention a enfin pour but de réaliser un dispositif qui génère une indication vraie de la fluorescence due à la présence d'hydrocarbures, à l'exclusion de réponses parasites qui résultent

de la turbidité et d'autres sources d'énergie rétrodiffusée.

Un aspect de l'invention porte sur un procédé de détec-

tion de la présence d'hydrocarbures, dans une étendue d'eau, caracté-

risé en ce qu'on déplace une structure porte-instruments dans l'étendue d'eau, à une distance choisie à l'avance au-dessus du fond de l'eau; on génère de l'énergie lumineuse et on dirige cette énergie lumineuse à partir de lastructure porte-instruments vers une zone

choisie dans l'étendue d'eau; on détecte une excitation de fluores-

cence choisie résultant de l'énergie lumineuse; et on présente des données correspondant à cette excitation de fluorescence, à titre

d'indication de la présence d'hydrocarbures.

Un autre aspect de l'invention porte sur un procédé de détection de'la présence d'hydrocarbures dans une étendue d'eau, caractérisé en ce qu'on déplace une structure porte-instruments dans l'étendue d'eau, à une distance choisie à l'avance au-dessus du fond

de l'eau; on génère de l'énergie lumineuse et on dirige cette éner-

gie lumineuse à partir de la structure porte-instruments vers une zone choisie dans l'étendue d'eau; on détecte l'énergie lumineuse rétrodiffusée dans cette zone choisie à l'intérieur de l'étendue d'eau, pour en déduire l'absorption différentielle àl'intérieur d'une cellule de résolution spatiale; et on présente des données relatives à l'absorption différentielle en tant qu'indication de

la présence d'hydrocarbures.

Un autre aspect de l'invention porte sur un procédé de détection de la présence d'hydrocarbures dans une étendue d'eau en utilisant une structure porte-instruments submersible,caractérisé r en ce que on génère un faisceau d'énergie lumineumde longueur d'onde

choisie, à partir de la structure; on communique au faisceau un mouve-

ment de balayage répétitif selon un chemin transversal sous la struc-

ture; on reçoit au moyen d'un télescope, à l'intérieur de la structure, la lumière de retour qui est produite par le faisceau à balayage, de

façon à produira un faisceau lumineux de sortie; on observe à une pre-

mière profondeur de champ la lumière de retour provenant du faisceau

lumineux de sortie, pour produire une première lumière de sortie foca-

lisée; on observe simultanément à une seconde profondeur de champ la

lumière de retour provenant du faisceau lumineux de sortie, pour pro-

duire une seconde lumière de sortie focalisée; et on produit des signaux électriques de sortie correspondant aux première et seconde lumières de sortie focalisées, à titre d'indication de la présence d'hydrocarbures. Un autre aspect de l'invention porte sur un dispositif de

détection sous-marine d'hydrocarbures, caractérisé en ce qu'il com-

prend: une structure submersible; des moyens qui génèrent un fais-

ceau lumineux à bord de la structure; des moyens qui communiquent un mouvement de balayage au faisceau lumineux et qui reçoivent la

lumière de réflexion de ce faisceau lumineux, sur un secteur trans-

versal sous la structure; un télescope situé à l'intérieur de la structure et recevant la lumière réfléchie du faisceau lumineux pour produire un faisceau lumineux de sortie; un système de lentilles qui reçoit le faisceau lumineux de sortie et qui est focalisé de façon à projeter la lumière provenant de profondeurs d'acceptation choisies; et des moyens photoélectriques qui reçoivent la lumière projetée et

qui génèrent un signal électrique de sortie représentatif de la pré-

sence d'hydrocarbures.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la des-

cription qui va suivre de modes de réalisation donnés à titre non

limitatif. La suite de la description se réfère aux dessins annexés

sur lesquels:

La figure 1 est une représentation schématique d'un sub-

mersible remorqué dans son attitude opérationnelle; la figure 2 est une représentation latérale en élévation d'une autre forme de submersible, d'un type télécommandé;

la figure 3 est une représentation schématique de la cor-

respondance entre le mouvement d'avance du détecteur et le balayage, sur le fond marin; la figure 4 est un schéma synoptique montrant une forme générale d'équipement submersible destiné à réaliser une surveillance sous-marine active pour la détection d'hydrocarbures;

la figure 5 est un schéma synoptique d'un équipement em-

barqué à bord d'un navire et utilisé en association avec l'équipement submersible; la figure 6 est un schéma synoptique détaillé des circuits

et des dispositifs optiques qui sont utilisés dans un dispositif d'ex-

ploration à laser de l'invention;

la figure 7 est un schéma synoptique d'un dispositif d'ex-

ploration destiné à la détection de l'énergie diffusée et absorbée de façon différentielle, ce qui constitue un autre procédé de détection de la présence de pétrole qui est indépendant des effets de turbidité; et la figure 8 est un schéma synoptique d'une autre forme de dispositif d'exploration qui combine la détection de la fluorescence

et la détermination de l'énergie diffusée et absorbée.

On utilise dans l'invention un faisceau laser pour induire une fluorescence du pétrole dans le but de détecter et de mesurer la présence de pétrole et d'hydrocarbures associés à l'intérieur d'une étendue d'eau. Le dispositif n'a pas seulement pour fonction de détecter le pétrole dispersé dans une colonne d'eau; il balaye le fond de l'étendue d'eau et localise la zone réelle de suintement. Cette dernière caractéristique est particulièrement souhaitable du fait que

le pétrole détecté dans une colonne d'eau peut avoir dérivé de plu-

sieurs kilomètres par rapport au point de suintement réel. On peut ainsi utiliser le dispositif de l'invention pour la surveillance de la pollution, aussi bien naturelle qu'autour des installations de forage et de production en mer, et pour détecter les fuites dans les pipelines sousmarins, ainsi que les suintements naturels qui peuvent

être liés à des travaux d'exploration.

La figure 1 montre le mode de fonctionnement général,dans lequel on emploie un navire d'exploration 10 sur une étendue d'eau 12

pour remorquer un détecteur submersible 14 à une profondeur détermi-

née au-dessus du fond de l'eau, 16. La pollution par hydrocarbures est représentée sous la forme d'une fissure ou d'une source 18 donnant lieu à un suintement faisant apparaître une trainée 20 d'hydrocarbures lorsque ceux-ci dérivent avec le courant. Dans le cas de la figure 1, le détecteur submersible 14 est un véhicule remorqué qui est commandé par une plate-4f-me 22, fixant la profondeur, et par un câble de remorquage 24 partant de l'arrière du navire remorqueur 10. Un tel système utilisant le détecteur remorqué peut fonctionner jusqu'à des

profondeurs correspondant à des fonds de 6000 m.

La figure 2 représente une autre forme de submersible 26

qu'on peut utiliser pour porter l'équipement détecteur. De tels sub-

mersibles, avec ou sans équipage, encore appelés véhicules télécom-

mandés, sont commercialisés et comprennent des propulseurs verticaux 28 et un propulseur principal 30 qui sont cowmandés par transmission par un câble ombilical 32 qui s'élève vers le navire principal 10 à

partir de l'enveloppe 34 du détecteur. Le fonctionnement d'un véhi-

cule submersible sans équipage 26 est télécommandé à partir du navire

de surface qui transmet également au submersible l'énergie électri-

que nécessaire pour la propulsion et les opérations de détection à distance. Le câble ombilical 32 achemine les ordres destinés à la

commande du submersible 26 et il retransmet les données vers la sur-

face. Du fait que l'alimentation en énergie s'effectue à partir de la surface, ce véhicule peut demeurer immergé pendant des durées indéfinies et il a la possibilité d'accomplir des activités à de

grandes profondeurs.

Le véhicule détecteur 14 (ou 26) utilise une source d'ex-

citation de fluorescence qui consiste en un émetteur laser fonction-

nant sur une longueur d'onde spécifiée ou sur plusieurs longueurs

d'onde simultanément. La sélection des longueurs d'onde est un fac-

teur particulièrement critique du fait qu'elle influe sur plusieurs autres conditions de fonctionnement. Parmi celles-ci figurent les

propriétés optiques de transmission et de diffusion dans l'environ-

nement marin, l'excitation de la fluorescence, les phénomènes de fluorescence de fond (c'est-à-dire parasites) et les critères de sélection physiques pour les émetteurs laser, comme la puissance, la

taille, la robustesse etc...

Le choix de la source laser est basé essentiellement sur la longueur d'onde de rayonnement, la puissance de sortie et la fiabilité. Un rayonnement incident à une longueur d'onde d'environ

430-460 nm stimule une fluorescence du pétrole qui présente un maxi-

mum dans la gamme de longueur d'onde de 490-510 nm, et une fluores-

cence produite par le phytoplancton marin qui présente un maximum vers 660 nm. On sait en outre que des organismes tels que les euphau-

siacés marins et les dinoflagellés marins produisent une bio-

luminescence induite par effet chimique qui présente un maximum très net à 465 nm. Cette séparation des maximums permet de discriminer entre la fluorescence du pétrole et la fluorescence induite dans certains organismes marins courants. Ainsi, bien que la longueur d'onde la plus prometteuse pour le pétrole se trouve dans le spectre ultraviolet, d'autres longueurs d'onde d'excitation existent dans

la région des longueurs d'onde correspondant au bleu.

La figure 3 montre schématiquement le mode de fonctionne-

ment du véhicule détecteur immergé lorsqu'il est propulsé le long d'une ligne d'exploration 36 qui est-de façon générale paralléle au fond de l'eau 16, à une hauteur déterminéesh au-dessus de ce fond.Le

dispositif de balayage à laser qui se trouve à bord du véhicule dé-

tecteur est alors commandé de façon à effectuer un balayage répéti-

tif transversalement à la trajectoire de progression, sur une excur-

sion angulaire qui est de façon caractéristique de 450 de part et d'autre d'une ligne verticale 38. La vitesse de-balayage peut être réglée par rapport au mouvement du submersible 14 de façon à régler la résolution du balayage le long d'une bande du fond de-l'eau qui est comprise entre les lignes en pointillés 40 et 42. La trajectoire de balayage ou ligne d'exploration 36 peut être réglée conformément

aux exigences d'une opération particulière, du fait que divers fac-

teurs tels que la turbidité, les matières vivantes en décomposition,

etc., affectent les caractéristiques de transmission près du fond 16.

On considère cependant que dans les conditions optimales, le véhi-

cule détecteur 14 peut se déplacer à une distance comprise entre 15

m et 30 m au-dessus du fond de l'eau 16.

La figure 4 représente sous forme synoptique générale une enceinte d'instrumentation submersible 50. L'enceinte 50 fait partie intégrante du véhicule remorqué 14 ou du véhicule submersible sans équipage 16, mais elle est représentée en association avec un câble de remorquage 24. Le câble de remorquage 24 est un câble de type

classique qui comprend le câble résistant aux efforts qui est néces-

saire et les lignes de communication de télémesure destinées à l'inter-

connexion entre le navire de remorquage et le submersible. Le câble de remorquage 24 est fixé à un premier point de remorquage 52, qui est un point de remorquage permettant le détachement, et il s'étend à par- tir de là vers l'arrière jusqu'à un point de remorquage de récupération 54, qui est un point de fixation permanente, tandis que les conducteurs

électriques traversent un connecteur de traversée étanche 56 pour péné-

trer à l'intérieur de l'enceinte 50. Un sac à air de récupération 58 peut être incorporé pour être mis en action soit par télécommande, soit à partir de circuits d'alarme déterminés à l'intérieur de l'enceinte 50. La partie avant de l'enceinte 50 comporte une fenêtre en forme d'arc 60 qui est constituée par une matière appropriée transmettant le rayonnement qui s'étend autour du côté inférieur avant de l'enceinte , sur une distance suffisante pour permettre le balayage transversal nécessaire. Le faisceau lumineux sortant 62 comme les rayons lumineux de la fluorescence de réponse, 64, traversent la fenêtre 60, comme on le décrira ultérieurement. On utilise l'eau externe pour refroidir les composants nécessaires à l'intérieur de l'enceinte 50, du fait qu'une entrée d'eau 66 et une sortie d'eau 68 communiquent par un conduit 70 avec l'équipement de refroidissement intérieur 72. L'équipement de refroidissement 72, d'un type classique, fait alors circuler un fluide de refroidissement vers le laser 76 et l'alimentation à haute tension

78 par un conduit 74.

On peut utiliser de nombreux types de laser 76 pour produire la lumière de balayage de sortie. On utilise à l'heure actuelle des lasers à l'argon comme des lasers hélium-cadmium, et le premier type est préférable du fait de sa puissance de sortie et de sa fiabilité supérieures. De plus, les longueurs d'onde qui sont émises par le

laser à l'argon placent les signaux parasites (effet Raman)â-à l'ex-

térieur de la bande passante qui correspond à la fluorescence du pétrole. Ainsi, le laser 76 peut être un laser à l'argon émettant dans la gamme du bleu, vers 454-514 nm, tel que celui qui est commercialisé par la firme Lexel Corporation, Palo Alto, Californie. Facultativement, le faisceau laser de sortie 80 peut être dilaté par un dispositif optique 82 dans le but d'éclairer instantanément un plus grand volume

d'eau, de façon à pouvoir couvrir plus complètement une zone d'explo-

ration. Le faisceau de sortie 80 est ensuite soumis à une réflexion à

900 sur un séparateur de faisceau à 92 %, portant la référence 84.

Le faisceau de sortie ayant la plus faible intensité est intercepté par un wattmètre 86 qui applique un signal de sortie de commande par la ligne 88 au dispositif de contrôle du système/multiplexeur 90. La partie restante du faisceau de sortie 80 provenant du diviseur de faisceau 84 est à nouveau réfléchie à 90 par un prisme 92 vers un miroir tournant de balayage 94, de forme elliptique ou pyramidale, après quoi le faisceau est dirigé à travers la fenêtre 60 pour donner le faisceau de sortie à balayage 62 qui traverse continuellement le

chemin situé sous l'enceinte 50.

Il convient de noter que le dispositif peut également fonction-

ner en employant une source laser en régime d'impulsions. Selon une autre variante, la source peut être un-laser à colorant, une lampe à

arc ou n'importe quelle source de rayonnement de longueur d'onde spé-

cifiée capable d'émettre un faisceau lumineux collimaté.

Le miroir de balayage 94 est commandé par un moteur et des codeurs de balayage, 96, de type classique, qui sont alimentés par une alimentation 98 et commandés par un dispositif de commande de balayage

100. Les rayons lumineux de balayage rétroréfléchis, 64, sont égale-

ment renvoyés à travers la fenêtre 60 vers le miroir tournant de balayage pour être réfléchis vers un télescope 102, comme on le décrira de façon plus détaillée. La lumière issue du télescope 102

est ensuite focalisée par un dispositif optique 104 vers un photo-

multiplicateur 106. Le photomultiplicateur 106 est alimenté par une

alimentation continue 108 et les signaux de sortie du photomultiplica-

- teur sont appliqués par un conducteur 110 aux circuits de terminaison

de ligne du système, 112.

On notera que le dispositif optique 104 est constitué par plusieurs éléments de séparation de faisceau et de focalisation qui peuvent être placés dans divers réseaux, avec un nombre correspondant de photomultiplicateurs 106, comme on le décrira ultérieurement.Ceci

est nécessité par le fait qu'il est souhaitable d'obtenir simultané-

ment ou séquentiellement plusieurs indications de fluorescence et de diffusion continuelles du pétrole, à partir des rayons de balayage rétrodiffusés 64. Bien que l'élément d'indication fondamental puisse être l'amplitude de la fluorescence au fond de l'eau, 16, ainsi qu'à

une certaine distance spatiale déterainée entre le fond 16 et l'en-

ceinte D-, il peut également être souhaitable de traiter les données

correspondant à la lumière pour déterminer des données de polarisa-

tion différentielle de la lumière et/ou l'énergie diffusée et absor-

bée de façon différentielle. L'utilisation de combinaisons de telles indications, c'est-à-dire la fluorescence, la polarisation et

l'énergie diffusée et absorbée de façon différentielle, donne finale-

ment une indication et une localisation beaucoup plus précises de l'activité de suintement de pétrole, comme on le décrira par la suite

de façon plus détaillée.

Le système contenu à l'intérieur de l'enceinte 50 comporte des circuits de réaction-et de commande classiques, 114, destinés à commander le laser 76 dans le mode de fonctionnement approprié, et

une ligne d'interconnexion 116 achemine les signaux de sortie de com-

mande et de contrôle nécessaires. Le câble de commande 118, provenant du câble de remorquage 24 et du connecteur 56, achemine de l'énergie électrique alternative par le conducteur omnibus 120 vers l'équipement de refroidissement 72 et diverses alimentations, et l'interconnexion 122 assure la communication pour les circuits de terminaison de ligne

112 qui sont attaqués par le dispositif de contrôle du système/multi-

plexeur 90. Les signaux de sortie de photomultiplicateur, sur le

conducteur 110, sont ensuite transmis par les circuits de terminai-

son de ligne 112 et le conducteur 124 au navire remorqueur, et les signaux de sortie des capteurs/générateur de verrouillage 127 sont appliqués par le conducteur 126 aux circuits de terminaison de ligne 126. L'alimentation électrique continue du système est assurée par l'alimentation continue 98 par l'intermédiaire de la ligne omnibus d'alimentation continue 128. On utilise des formes sélectionnées de

capteurs d'attitude de véhicule, 130, de type classique, pour appli-

quer des données de sortie continuelles au dispositif de contrôle du systéme/multiplexeur 90 qui produit à son tour des signaux de sortie qui sont transmis par les circuits de terminaison 112 et le conducteur 122 au navire remorqueur, pour fournir des indications

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à l'opérateur.

La figure 5 représente sous forme synoptique générale l'équi-

pement qui se trouve à bord du navire remorqueur 10. Le câble de remorquage 24 est maintenu enroulé dans des conditions définies sur un tambour de treuil 132, et l'information électrique provenant du conducteur de commande 118 est prélevée par un dispositif à bague 134 et un câble de commande 136 pour assurer l'interconnexion avec l'équipement qui se trouve à bord du navire. L'énergie électrique alternative provenant d'un générateur 138 est appliquée à la ligne 140 ainsi qu'au câble de remorquage 24, par l'intermédiaire d'un relais de commande 142, lorsque l'alimentation est autorisée par un signal de verrouillage provenant des circuits de terminaison de

ligne/démultiplexeur 144.

La synchronisation de base du système est assurée par un géné-

rateur de signaux de référence 146 qui applique des signaux de syn-

chronisation au câble de commande 136 par l'intermédiaire des circuits de terminaison/démultiplexeur 144. Les signaux de référence provenant

du générateur 146 sont également appliqués à un amplificateur ver-

rouillé 148 ainsi qu'à l'équipement de contrôle qui se trouve à bord

du navire. Ainsi, l'échange de données entre l'amplificateur ver-

rouillé 148 et le micro-ordinateur 150 permet le traitement de toutes

les données élaborées, et l'opérateur peut effectuer une surveil-

lance déterminée au moyen d'un oscilloscope 152. Le signal de sortie de l'ordinateur 150 est également appliqué à un récepteur de contrôle à tube cathodique, 154, sous la commande d'un clavier 156, et les

données de sortie de l'ordinateur peuvent tre appliquées à un tra-

ceur de courbes à fibres optiques 158 pour un enregistrement perma-

nent. Il existe également plusieurs dérouleurs de bande magnétique , permettant d'enregistrer des données numériques ou analogiques

sélectionnées, en fonction des exigences opérationnelles.

La figure 6 représente un dispositif d'exploration qu'on peut utiliser dans l'invention pour obtenir à la fois des signaux de sortie de fluorescence et de polarisation à partir de deux foyers

sélectionnés le long du chemin balayé. Ainsi, un système de lentil-

les est focalisé à l'infini pour donner à la fois des données de fluorescence et de polarisation provenant de la totalité de la colonne d'eau s'étendant depuis le submersible jusqu'au fond de la mer; et un autre système de lentilles est focalisé à une profondeur intermédiaire sélectionnée, par exemple à 7,5 m ou 15 m du fond de la mer, pour produire des données de fluorescence et de polarisation. Les données de fluorescence indiquent principalement la présence de pétrole, tandis que les données de polarisation donnent une indication

relative de la turbidité présente dans l'eau au foyer balayé intermé-

diaire ou sur toute la longueur de propagation du faisceau. L'un dessystèmes de lentilles peut également être focalisé au fond pour fournir des données de fluorescence et de polarisation au niveau du fond de la mer. Le laser 76, alimenté par l'alimentation pour laser 78, fournit

un signal de sortie optique par l'intermédiairedfunmodulateur acousto-

optique 170 (Harris Corp., Melbourne, Floride), d'un diviseur de fais-

ceau 84 et d'un expanseur de faisceau 172 (Special Optics, Little Falls, N.J.). Le diviseur de faisceau 84 applique une composante de la lumière de sortie du laser à un wattmètre 86 qui fournit un signal de sortie d'indication de commande par la ligne 174. Ce signal est renvoyé vers le navire et il est appliqué à l'entrée du système à micro-ordinateur 176 du type SBC 86/12, Intel Corporation, Santa Clara,

Californie. Les lignes en pointillés 178 indiquent tous les compo-

sants du système qui se trouvent à bord du navire.

Dans la forme de réalisation préférée, le laser 76 est un laser à l'argon qui émet de la lumière laser dans huit bandes de fréquence différentes qui sont les suivantes:

PUISSANCE DE SORTIE (W)

514,5 nm - 5,2 501,7 nm - 0,7 496,5 nm - 1,8 488,0 nm - 4,5 476,5 nm - 1, 8 472,7 nm - 0,3 465,-8 nm - 0,2 457,9 nm - 0,9 Parmi ces longueurs d'onde d'émission, on utilise celles ayant les puissances de sortie les plus élevées, pour exciter la fluorescence du pétrole afin de-détecter par la suite la fluorescence dans la gamme de 520-560 nm. Ainsi, l'utilisation de la lumière laser à 514,5 nm donne une bonne puissance de sortie, ce qui augmente la portée du système au voisinage du fond de la mer. On peut faire fonctionner le laser 76 en ondes entretenues et on peut découper la lumière laser au moyen du modulateur acousto-optique 170. Cependant, on peut tout aussi

bien utiliser un modulateur électro-optique ou un dispositif de décou-

page optique classique. On notera qu'on peut également faire fonction-

ner le laser à l'argon en utilisant simultanément toutes les longueurs d'onde de sortie, du fait que ceci donne une fluorescence totale du pétrole plus élevée. Bien qu'un tel fonctionnement du laser donne moins de puissance par longueur d'onde composante individuelle, la puissance de sortie totale est supérieure. Ceci, ajouté au fait que le pétrole absorbe mieux les longueurs d'onde plus courtes, peut conduire à une meilleure conversion de la lumière incidente atteignant le pétrole en

fluorescence émise par ce pétrole.

L'expanseur de faisceau 172 permet ensuite de régler à une

valeur correcte la taille du faisceau de balayage, lorsque le fais-

ceau de sortie 180 est réfléchi à 90 par le prisme 92 (Special Optics, Little Falls, N.J.) et par l'élément de balayage 94, pour donner le faisceau lumineux de balayage sortant 62 qui traverse une bande 182 à une distance sélectionnée. L'élément de balayage 94 est commandé

par un système de commande de position/vitesse 184,qui est un sys-

tème de commande du commerce vendu par la firme BEI INC., Little Rock, Arkansas, sous la dénomination ULTRA-LOC. Il s'agit d'un module qui comporte l'ensemble des éléments (moteur de balayage, codeurs et

dispositif de commande de balayage) qui apparaissent sur la figure 4.

Le faisceau lumineux de retour 64 est ensuite réfléchi par l'élément de balayage 94 vers un télescope replié 102 qui est un télescope catadioptrique du type Schmidt/Cassegrain de 20 cm, fabriqué par la

firme Celestron International, Torronce, Californie.

La lumière de sortie 186 provenant du télescope 102 se dirige vers un diviseur de faisceau à 50 %, portant la référence 188 (type

3-2203-2, Pomfret Research Optics, Inc., Stamford,Connecticut), des-

tiné à la séparation, pour donner des composantes de lumière de retour 190 et 192 qui sont dirigées vers des systèmes de lentilles

respectifs 194 et 196. Avant de comnencer les opérations, on foca-

lise les systèmes de lentilles 194 et 196 à l'aide de dispositifs d'observation 198 et 200. Un systèmede lentilles 196 est focalisé à l'infini de façon à donner une valeur de signal moyenne à partir d'une région s'étendant depuis le fond du submersible jusqu'au fond de la mer, tandis que l'autre système de lentilles 194 est focalisé à une dis-

tance intermédiaire choisie entre le submersible et le fond de la mer.

Chaque système de lentilles preut alors fournir une indication portant à la fois sur les effets de fluorescence et les effets de polarisation,

cormre on le décrira ulterieuremerint. Selon une variante, l'-un des sys-

tèmes de lentilles peut. tre focalisé direct-ement sur le fond de la mer. Le système de lentilles 196, par exemple, peut être focalisé

à l'infini de façon à observer l'ensemble de la colonne d'eau que tra-

verse le faisceau lasers et un signal de sortie optique passant par une ouverture ponctuelle 202 et une lentille collimatrice 204 est

transmis vers un autre diviseur de faisceau 206 pour donner deux com-

posantes de lumière de sortie 203 et.210. La composante 208 est sou-

mise à un filtrage luminieux dans un filtre passe-bande 211 qui laisse passer la lumière comprise dans la bande de longueur d'onde de 520-560 nm, c'est-à-dire la zone de fluorescence du pétrole excité par la lumière laser particulière qui est émise, et la lumière de sortie du filtre est appliquée à un photomultiplicateur 212 qui applique un signal de sortie représentatif à l'amplificateur verrouillé 148 par l'intermédiaire d'un conducteur 214. Ainsi, le signal de sortie du photomultiplicateur 212 fournit une indication sous la forme d'une tension analogique variant au cours du temps qui représente la valeur

moyenne de la fluorescence induite dans le pétrole entre le submersi-

ble et le fond de la mer, à l'endroit traversé par le faisceau effec-

tuant un balayage.

L'autre composante de lumière 210, provenant de la lentille collimatrice 204 et du diviseur de faisceau 206, est transmise par encore un autre diviseur de faisceau 216, de façon à passer à travers des filtres de polarisation de la lumière 218 et 220, orientés de

manière opposée, pour donner lieu à une détection dans des photomulti-

plicateurs respectifs 222 et 224. Ainsi, du fait que le faisceau laser

* de sortie présente une seule polarisation, la détection d'une indica-

tion du rapport entre la lumière soumise à un décalage de polarisation et la lumière correspondant à la polarisation de départ donne. une indication de la valeur de la turbidité de l'eau (depuis le fond du

submersible jusqu'au fond de la mer, dans ce cas). En effet, la turbi-

dité ou la matière sous forme de petites particules dans l'eau donne lieu à une rétrodiffusion et une dépolarisation de l'énergie laser.Les signaux de sortie correspondant aux deux polarisations que fournissent les photomultiplicateurs 222 et 224 sont transmis à l'amplificateur verrouillé 148 par des conducteurs respectifs 226 et 228, après quoi

ils sont appliqués au système à micro-ordinateur 176 pour être traités.

Le système à micro-ordinateur 176 produit alors une indication de

sortie analogique ou numérique, en fonction du temps, de la fluores-

cence et du rapport de polarisation du fond de la mer. Cette indica-

tion est appliquée à un enregistreur magnétique 230 ainsi qu'à d'au-

tres équipements situés à bord du navire et destinés à l'opérateur, comme un récepteur de contrôle de télévision 154 et un enregistreur à

fibres optiques 158.

La technique générale de la rétrodiffusion laser à deux pola-

risations pour l'identification et la mesure à distance de la pollu-

tion de l'eau constituent le sujet des documents suivants: Texas A&M University Technical Report N0 RSC-53, 1974, par T.C. Sheives, et Texas A&M University Interim Program Report N03, Coast Guard Contract

N0 RF3233, 1975, par A.J. Blanchard.

Alors que le système de lentilles 196 est utilisé pour loca-

liser des suintements de pétrole sur le fond de la mer, résultant par exemple de ruptures de pipelines, de suintements dus à des failles -25 naturelles, etc., il est souhaitable que le Système de lentilles 194 soit focalisé à une certaine hauteur choisie-au-dessus du fond de la mer pour donner une indication de traînéesde dégagement de pétrole entraînées dansle courant d'eau,de manière à fournir une indication supplémentaire sur la direction et l'importance de la présence de pétrole. Le système de lentilles 194 peut ainsi être focalisé à une distance choisie, par exemple à mi-hauteur entre le submersible et le fond de la mer, de façon à donner un signal de sortie de lumière rétrodiffusée à partir d'une profondeur de champ correspondant à cette

distance. Ce signal de sortie est transmis par une ouverture ponc-

tuelle 232 et une lentillecollimatrice 234 vers un diviseur de fais-

ceau 236 qui fournit une première composante de lumière laser de retour qui est transmise par un filtre de lumière passe-bande 238

(avec une bande passante de 520-560 nm), la lumière de sortie du fil-

tre étant appliquée à un photomultiplicateur 240. Le photomultiplica-

teur 240 produit alors le signal de sortie de fluorescence à distance

intermédiaire, c'est-a-dire une tension analogique variant en fonc-

tion du temps qui eEt présente sur le conducteur 242 pour être appli- quée à l'entrée de l'amplificateur verrouillé 148. La partie restante de la lumière de retour provenant du diviseur de faisceau 236 est alors transmise par un diviseur de faisceau série 243, pour être dirigéevers des photomultiplicateurs 250 et 252 par des filtres de

polarisation respectifs 246 et 248 ayant des orientations opposées.

Des indications des composantes de lumière polarisées de façon oppo-

sée sont alors présentes sur les conducteurs 254 et 256 pour être

appliquées à l'entrée de l'amplificateur verrouillé 148 et du sys-

tème à micro-ordinateur 176, en vue d'un traitement ultérieur et de la détermination du rapport de polarisation ainsi que de la turbidité

de l'eau à la distance intermédiaire.

Les photomultiplicateurs 212, 222, 224 et 240, 250, 252 sont du type OPTIMOD 28-7326 de la firme Ealing Corporation, South Natick, Massachusetts. L'amplificateur verrouillé 148 est du type 124A acheté

à la firme Princeton Applied Research, Princeton, N.J.

La synchronisation du balayage du dispositif de commande de position/vitesse 184 est commandé par le système à micro-ordinateur 176 par l'intermédiaire de conducteurs 258 et 260 qui font partie du système de commande empruntant le câble de remorquage et montent vers le navire et le système à micro-ordinateur 176. En outre, des formes disponibles dans le commerce d'un système de navigation à inertie

262 (Honeywell, MOD GEOSPIN) peuvent être incorporées dans le submer-

sible, avec communication vers le navire et le système à micro-

ordinateur 176. On peut employer de façon similaire une chaîne de capteurs de position de type acoustique 264 (Honeywell) utilisée en association avec un système de localisation par satellite 266 (Type

5010, Stanford Telecom, Inc.).

La figure 7 montre une autre technique de détection de pétrole qui examine l'absorption différentielle de l'énergie diffusée, ce qui constitue le système de détection par énergie diffusée et absorbée de façon différentielle. Ce système détecte essentiellement les effets de la diffusion Mie et Rayleigh du faisceau laser dans l'eau qui est examinée. On élabore une indication de l'intensité de diffusion pour des champs d'observation à une distance r ainsi qu'à une distance r + & r, et on. analyse les valeurs différentielles, en se basant sur sur des coefficients d'absorption connus du pétrole. Le système détermine la concentration d'une substance à un point arbitraire, à une distance r, en mesurant l'absorption par résonance optique qui

est due au pétrole, sur une longueur de chemin incrémentielle à r.

L'absorption sur t r est obtenue à partir de l'atténuation rela-

tive de deux faisceaux laser colinéaires ayant des longueurs d'onde respectives très proches ? et 4 en présence et en l'absence de l'absorption par résonance de la molécule considérée. On détermine

l'atténuation relative à partir de comparaisons au niveau du récep-

teur de la rétrodiffusion élastique de Mie et Rayleigh, à partir des

deux longueurs d'onde laser, lorsque la lumière correspondante tra-

verse le segment A r.

Pour une source laser fonctionnant par impulsions, une résolu-

tion temporelle appropriée au récepteur permet de déterminer la dis-

tance r +.4 r, la résolution spatiale et la distribution de la sub-

stance. Pour un laser fonctionnant en régime permanent, une optique de focalisation utilisant un récepteur-télescope à faible profondeur de champ donne la distance et la résolution spatiale désirée ainsi

que la distribution.

On décrit le système de la figure 7 en considérant le fonc-

tionnement en mode de détection synchrone, c'est-à-dire une forme de

détection en régime permanent qui utilise une source lumineuse modu-

lée à ondes entretenues. La détection synchrone est souhaitable du fait qu'elle augmente le rapport signal/bruit et tend à éliminer la lumière parasite, la lumière solaire, la bioluminescence etc. La

source laser 76 doit produire deux longueurs d'onde, ou plus, simul-

tanément (ou séquentiellement en succession rapide). On peut également réaliser ceci par filtrage sélectif d'une lampe à large bande, en utilisant une optique appropriée interne à la cavité avec un laser à colorant pompé par un laser à l'azote, ou un laser à colorant pompé par une lampe éclair, ou toute autre source émettant simultanément plusieurs longueurs d'onde, telle que le laser à l'argon, comme décrit précédemment. La lumière que produit le laser 76 est modulée par le modulateur acoustooptique 170 sous la commande du circuit d'attaque 171, à la cadence d'impulsions du système qui provient du

générateur d'impulsions 146, Le faisceau lumineux de sortie du modu-

lateur 170 est partiellement dévié vers le wattmètre 86 par le divi-

seur de faisceau 84, et une indication de puissance est transmise par le conducteur 174 au système à micro-ordinateur 176 qui compense les

fluctuations de puissance du laser. La partie principale de la lu-

mière de sortie traverse le diviseur de faisceau 84 et le télescope de dilatation de faisceau 172, pour être dirigée vers le dispositif

de balayage et les zones sous-marines, comme décrit précédemment.

Les indications de iumière retrodiffusee à plusieurs longueurs d'onde provenant de la région examinée sont réfléchies par le miroir tournant 94 vers le télescope replié 102 pour donner le faisceau 186

qui est dirigé vers un diviseur de faisceau a 50 %, 270.

Cinquante pour cent de la lumière de retour provenant du faisceau 186 sont réfléchis vers un système de lentilles 272 qui est focalisé à une distance r, a iaïde du dispositif d'observation 274, de façon à projeter la lumière vzrs un diviseur de faisceau à 50 %,

280, par l'intermédiaire d'une ouverture ponctuelle 276 et d'un col-

limateur 278. L'ouverture ponctuelle 276 a pour fonction de réduire le champ d'observation du récepteur-télescope 102, tout en maximisant les signaux de retour qui son:t rétrodiffusës à partir de la région de source, dans la profondeur d'acceptation correspondant à la distance r, par rapport aux signaux qui sont rétrodiffusés à partir de régions de source environnantes. Le diviseur de faisceau 280 dirige alors une moitié de la lumiêre incidente à travers un filtre passe-bande 282 dont la bande passante correspond 5 l'une des longueurs d'onde

laser 1 ou A 2' et le photomultiplicateur 284 détecte cette éner-

gie laser rétrodiffusée qui provient de la région de source à la

distance r.

On a mentionné ci-dessus la distance d'acceptation, et cette expression désigne une région de l'espace à une distance r à partir de laquelle la lumière est recueillie par un récepteur focalisé à la distance r. La profondeur d'acceptation est définie comme étant la distance de part et d'autre du foyer du récepteur pour laquelle la valeur de l'énergie lumineuse recueillie tombe à 1/e de la valeur de

l'énergie recueillie au foyer.

Le faisceau lumineux à 50 % restant qui émerge du diviseur 280 est transmis par un filtre passe-bande 286 dont la bande passante

coTncide avec la seconde longueur d'onde laser sélectionnée, ou lon-

gueur d'onde restante X 1 ou X et l'énergie de retour est détec-

tée par un photomultiplicateur 288. Les énergies laser rétrodiffu- sées respectives aux longueurs d'onde à 1 et '2 pour la distance r, que détectent les photomultiplicateurs 284 et 288, apparaissent ensuite sur des conducteurs respectifs 290 et 292 pour être appliqués

à l'entrée de l'amplificateur verrouillé 148.

Les 50 % restants du faisceau lumineux qui traversenrledivi-

seur de faisceau 270 sont soumis au même type de traitement optique en étant dirigés à travers le système de lentilles 294 qui comporte un dispositif d'observation 296. Cependant, lorsque le système 294 est réglé de façon à être focalisé à la distance r + à r, la lumière de retour est limitée par la profondeur-d'acceptation du système. Ainsi, la lumière qui sort par l'ouverture ponctuelle 298 et le collimateur 300 traverse le diviseur de faisceau 302 et 50 % du faisceau lumineux sont dirigés à travers un filtre passe-bande 304, réglé par exemple sur A 1' tandis que le photomultiplicateur 306 détecte l'énergie et l'applique sur le conducteur 308. Les 50 % restants de la lumière provenant du diviseur de faisceau 302 sont appliqués à un filtre passe-bande 310, réglé par exemple sur \ 2' en vue de la détection par un photomultiplicateur 312 qui applique un signal de sortie à l'amplificateur verrouillé 148 par les conducteurs 314. Ainsi, les photomultiplicateurs 306 et 312donnent'lespuissances reçues pour les deux longueurs d'onde laser A 1 et A2' à partir de la même région de l'espace, c'est-à-dire la profondeur d'acceptation à la distance r + à r. Les quatre puissances recueillies sous la forme des signaux de sortie des photomultiplicateurs 288, 284, 306 et 312

et appliquées à l'amplificateur verrouillé 148 sont ensuite utili-

séoeavec une résolution spatiale et des sections efficaces d'absor-

ption connues et réglées manuellement, et ceci constitue tout ce qui est nécessaire pour déterminer la concentration moyenne dans la cellule de résolution spatiale à r. Les constantes effectives sont des quantités connues pour une opération de surveillance particulière. Les signaux de sortie des photomultiplicateurs sur les

conducteurs 292, 290, 308 et 314 sont appliqués à l'amplificateur ver-

rouillé 148 qui fait fonction de détecteur synchrone des signaux rétrodiffusés reçus. En pratique, les signaux de rétrodiffusion sont

reçus périodiquement sur les tubes photomultiplicateurs à une fré-

quence identique à celle avec laquelle le modulateur acousto-optique

module les faisceaux laser sortants. Ces signaux reçus à la fré-

quence de découpage du modulateur sont mélangés avec une fréquence de référence égale à la fréquence de découpage et obtenue à partir du générateur d'impulsions 146 qui, simultanément, applique également un signal d'entrée de fréquence choisie au circuit d'attaque 171 du modulateur. Ceci garantit donc que la fréquence de découpage modulée est la même que la fréquence de mélange appliquée à l'amplificateur verrouillé 148, ainsi que la fréquence de répétition du faisceau laser de retour découpé qui est rétrodiffusé à partir de l'eau ou de

la région de source.

La différence de phase entre les signaux laser rétrodiffusés qui sont reçus périodiquement et le signal d'entrée de référence à

la fréquence de découpage qui est appliqué, à l'amplificateur ver-

rouillé 148 est réglée pour avoir un signal maximal en sortie des

étages amplificateurs verrouillés. Les signaux de sortie des ampli-

ficateurs verrouillés 148 sont ensuite appliqués au système à micro-

ordinateur 176 dans lequel les données reçues sont corrélées avec

les signaux de position de décalage provenant du dispositif de com-

mande de vitesse/position (voir la figure 6) et présents sur le con-

ducteur 160. -

En retournant à la figure 6, on note que l'information du système acoustique de détermination de position 264 et du système de localisation par satellite 266 est transférée périodiquement vers l'enregistreur à bande magnétique 230 de l'ordinateur, de façon à connaître l'emplacement de la région balayée, par rapport à des coordonnées globales. On peut utiliser le système de navigation à inertie 262 pour compenser les mouvements de lacet, de tangage et de roulis auxquels le submersible est éventuellement soumis, et la

sortie du système à inertie 262 est également connectée au sys-

tème à micro-ordinateur 176 pour permettre de corréler directement

les mouvements du submersible avec les données de chaque balayage.

On peut également utiliser aisément le système employant

l'énergie diffusée et absorbée de façon différentielle, en combi-

naison avec le système de détection de fluorescence de base, et la

figure 8 montre un système optique qui combine le sondage par fluo-

rescence et par diffusion et absorption différentielle, tout en examinant 3 régions de source différentes entre le submersible et le fond de l'eau. Le système de la figure 8 utiliserait un dispositif de balayage et un dispositif à télescope identiques à ceux envisagés précédemment, du fait que le faisceau d'énergie laser de sortie 180 se réfléchit sur le prisme 92 pour permettre d'effectuer le balayage, et la lumière réfléchie qui est reçue à partir du miroir de balayage 94 (figure 6, faisceau 64) est dirigée à travers le télescope 102

pour définir le faisceau d'énergie de retour 186. Le faisceau d'éner-

gie 186 est dirigé à travers un diviseur de faisceau à 50 % 320, qui divise le faisceau pour diriger un faisceau d'énergie 322 vers le système à diffusion et absorption différentielle 324, tandis que la partie restante du faisceau lumineux 186 se propage vers le système de détermination de données de fluorescence 328 sous la forme du

faisceau 326.

Dans le système de fluorescence 328, le faisceau d'entrée prin-

cipal 326 est réfléchi sur des diviseurs de faisceau successifs 330 et 332 pour donner des composantes de faisceau lumineux qui pénètrent dans les systèmes de lentilles 334, 336 et 338. Chacun des systèmes de lentilles 334, 336 et 338 est focalisé à une distance choisie sous le submersible, par exemple 7,5 m, 15 m, l'infini ou le fond de la mer. Le réglage du foyer à l'infini permet de recueillir des données

de fluorescence à partir de la totalité de la colonne d'eau que par-

court le faisceau laser, c'est-à-dire depuis le fond du submersible

jusqu'au fond de la mer.

Les faisceaux de sortie focalisés qui proviennent des sys-

tèmes de lentilles 334-338 sont ensuite dirigés à travers des ouver-

tures ponctuelles respectives 340, 342 et 344 et des collimateurs

respectifs 346, 348 et 350, de façon à traverser des filtres passe-

bande respectifs 352, 354 et 356, chacun d'eux transmettant la bande

de fluorescence du pétrole dans la gamme de longueurs d'onde de 520-

560nm.Les indications de fluorescence du pétrole sont ensuite détectées par des photomultiplicateurs respectifs, 358, 360 et 362

dont les signaux de sortie sont appliqués à des amplificateurs ver-

rouillés 364. Ainsi, le système de fluorescence 328 de la figure 8 fonctionne de la même manière que les capteurs de fluorescence de la figure 6, à l'exception du fait qu'il fournit des données de sortie

de fluorescence pour trois zones focales distinctes qui sont défi-

nies par les régions de profondeur d'acceptation choisies entre le

submersible et le fond de l'eau.

Le faisceau principal réfléchi restant 322 provenant du divi-

seur de faisceau 320 est appliqué à un diviseur de faisceau polari-

sant 366 pour donner en sortie une composante en polarisation croi-

sée 368 qui est dirigée vers un système de lentilles 370. La compo-

sante restante 372 qui a travers; directement le diviseur de fais-

ceau est ensuite appliquée à un diviseur de faisceau 374 pour être dirigée vers des systèmes de lentilles 376 et 378. Les systèmes de lentilles 376, 378 et 370 sont à nouveau focalisés pour donner des profondeurs d'acceptation différentes, de telle façon que les foyers des systèmes de lentille puissent par exemple être réglés à 7,5 m, 15 m et à l'infini (toute la colonne d'eau). Comme on le décrira, les combinaisons de photomultiplicateurs détectent l.énergie laser rétrodiffusée à une fréquence pratiquement identique à celle des faisceaux laser sortants, et on utilise dans ce cas deux

longueurs d'onde distinctes de faisceau laser, simultanément ou al-

ternativement. Ainsi, la composante lumineuse en polarisation croisée provenant du système de lentilles 370 est dirigée à travers une

ouverture ponctuelle 380, un collimateur 382 et un diviseur de fais-

ceau 384, de façon à traverser des filtres passe-bande 386 et 388 qui

sont respectivement réglés sur t 1 et A2.

La lumière laser de retour rétrodiffusée correspondant aux

deux longueurs d'onde laser est ensuite détectée par les photomulti-

plicateurs respectifs 390 et 392, dont les sorties attaquent les

amplificateurs verrouillés 364. Les signaux de sortie à deux lon-

gueurs d'onde et en polarisation croisée permettent d'appliquer un niveau de dépolarisation de référence au système à micro-ordinateur 176 (voir la figure 7). Dans des eaux claires, exemptes de turbidité, tous les signaux en polarisation croisée qui sont détectés par les

photomultiplicateurs 390 et 392 représentent des signaux laser rétro-

réfléchis à partir du fond de la mer. Le faisceau laser polarisé sor-

tant est dépolarisé lorsqu'il rencontre le fond de la mer. Les photo-

multiplicateurs 390 et 392 détectent le signal dépolarisé (ou en pola-

risation croisée) qui est rétrodiffusé par le fond de la mer. Ensuite, les systèmes de lentilles 376 et 378 sont réglés aux foyers du système de diffusion et d'absorption différentielle du fait qu'ils définissent une région ou une cellule de dimension connue, a r,

pour l'examen des deux longueurs d'onde; 1 et A2' afin de détermi-

ner la présence de pétrole au-dessus du fond de la mer. Le système de

lentilles 376 dirige la lumière laser de retour rétrodiffusée à tra-

vers une ouverture ponctuelle 394 et un collimateur 396, puis un divi-

seur de faisceau 398 qui dirige l'énergie lumineuse à travers des fil-

tres passe-bande 400 et 402 réglés sur Xi et >2. L'énergie lumineuse

aux longueurs d'onde %1 et A 2 est ensuite détectée par les photo-

multiplicateurs 404 et 406, dont les signaux de sortie attaquent les amplificateurs verrouillés 36.4. De manière.similaire, le système de

lentilles 378, fonctionnant avec l'ouverture ponctuelle 408, le colli- mateur 410 et le diviseur de faisceau 412, dirigettlalumière à tra-

vers les filtres passe-bande 414 et 416, réglés sur \ 1 et A 2' pour la détection par les photomultiplicateurs respectifs 418 et 420.Tous les signaux de sortie des photomultiplicateurs sont transmis par une

section d'amplificateur des amplificateurs verrouillés 364 qui don-

nent des signaux de sortie synchrones destinés à être transmis au

système à micro-ordinateur.

On notera qu'il existe encore d'autres techniques de détec-

tion utilisables pour mettre en oeuvre le procédé fondamental de l'invention. On envisage la possibilité d'utiliser des sources laser de puissance plus élevée, fonctionnant en régime d'impulsions ou en régime permanent, pour des recherches dans des eaux peu profondes,en procédant au balayage par un faisceau d'énergie directement à partir du navire de surface ou de tout autre dispositif annexe lui étant accouplé rigidement. Une forme de surveillance permettant de loger la presque totalité de l'équipement électronique à bord du navire d'exploration consisterait à utiliser une transmission de l'énergie de la source vers l'emplacement sous-marin au moyen d'un câble à fibres optiques, la lumière réfléchie ou de fluorescence retournant par le même moyen. Un autre procédé de détection de pétrole sous la surface consiste à rechercher la diffusion de Raman. On peut utiliser

un système similaire au système de diffusion et d'absorption différen-

tielle de la figure 7 pour la détection de la diffusion de Raman en changeant simplement les largeurs de bande des filtres à interférences pour inclure les longueurs d'onde des bandes de Raman induites dans le pétrole ou dans la matière quelconque sur laquelle porte l'exploration

sous-marine. Bien que la description qui précède porte essentiellement

sur l'utilisation d'une source d'énergie fonctionnant en régime perma-

nent, il entre parfaitement dans le cadre de l'invention de mettre en oeuvre la détection de fluorescence ou la technique de diffusion et d'absorption différentielle avec un système lumineux fonctionnant en régime d'impulsions employé avec un dispositif de balayage approprié, un télescope, des fibres optiques, etc.. En outre, la configuration coaxiale laser-miroir représentée ici peut parfaitement être remplacée

par un dispositif source-récepteur à axes décalés, et ce mode de fonc-

tionnement peut contribuer à réduire les niveaux de fond et à obtenir

directement des données de fluorescence à partir du fond de la mer.

On vient de décrire un procédé et un dispositif complet des-

tinés à accomplir la surveillance sous-marine de zones choisies du

fond de l'eau, afin de déterminer la présence d'hydrocarbures. En exa-

minant le fond de l'eau, le procédé tient compte de la présence pos-

sible de vie organique et de turbidité susceptibles de contribuer à

l'indication de la présence d'hydrocarbures. Cependant, les indica-

tions parasites possibles sont discriminées de façon qu'un traitement ultérieur des données permette d'obtenir-une indication vraie de la présence d'hydrocarbures. Le dispositif est conçu de façon à être capable de balayer à la fois le fond de l'eau et une colonne choisie

entre le fond de l'eau et le submersible, ainsi qu'au-dessus du sub-

mersible et sur le côté de ce dernier, ce qui permet de suivre des

courants d'hydrocarbures ainsi que de localiser des points d'épanche-

ment particuliers sur le fond. Ainsi, le procédé et le dispositif de l'invention peuvent être utilisés non seulement pour le contrôle de

la pollution et l'inspection des pipelines, mais également en associa-

tion avec des navires d'exploration sismique travaillant sur les mêmes

parcours d'exploration.

Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif et au procédé décritset représentés, sans

sortir du cadre de l'invention.

Claims (29)

REVENDICATIONS

1. Procédé de détection de la présence d'hydro-

carbures dans une étendue d'eau (12), caractérisé en ce que: on déplace une structure porte-instruments (14, 26) dans l'étendue d'eau à une distance choisie à l'avance au-

dessus du fond de l'eau (16); on génère de l'énergie lumi-

neuse et on dirige cette énergie lumineuse à partir de la structure porteinstruments vers une zone choisie dans

l'étendue d'eau; on détecte une excitation de fluorescen-

ce choisie résultant de -cette énergie lumineuse; et on

présente des données concernant les excitations de fluo-

rescence, en tant qu'indication de la présence d'hydro-

carbures.

2. Procédé selon la revendication 1, caractéri-

sé en ce que l'opération de génération d'énergie lumineu-

se s'effectue en faisant fonctionner un laser (76) ayant

une lumière de sortie de longueur d'onde choisie qui exci-

te la fluorescence d'hydrocarbures en suspension dans l'eau.

3. Procédé selon l'une quelconque des revendi-

cations 1 ou 2, caractérisé en ce que l'opération de dé-

tection s'effectue en détectant l'énergie lumineuse dans

une bande de longueurs d'onde choisie allant approximati-

vement de 520 nm à 560 nm.

4. Procédé selon l'une quelconque des revendi-

cations 1 à 3, caractérisé en ce qu'on dirige- l'énergie

lumineuse sous la forme d'un faisceau effectuant un bala-

yage répété du fond de l'eau, dans une direction trans-

versale par rapport à la ligne de déplacement de la struc-

ture porte-instruments.

5. Procédé selon l'une quelconque des revendica-

tions 1 à 4, caractérisé'en ce qu'on détecte l'excitation

de fluorescence au fond de l'eau; et on détecte l'excita-

tion de fluorescence dans la colonne d'eau qui se trouve

entre le fond de l'eau et la structure porte-instruments.

6. Procédé selon l'une quelconque des revendica-

tions 1 à 5, caractérisé en ce qu'on détecte l'énergie lumi-

neuse rétrodiffusée pour obtenir une indication de la tur-

bidité de l'eau dans la zone d'excitation de la fluores-

cence.

7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'opération de détection de l'énergie lumineuse rétrodiffusée s'effectue en détectant l'énergie lumineuse rétrodiffusée au niveau du fond de l'eau; et en détectant l'énergie lumineuse rétrodiffusée dans la colonne d'eau

qui se trouve entre le fond de l'eau et la structure porte-

instruments.

8. Procédé selon la revendication 7, caractéri-

sé en ce que chaque opération de détection de l'énergie

lumineuse rétrodiffusée s'effectue en détectant des compo-

santes polarisées de façon opposée de l'énergie lumineuse rétrodiffusée, afin d'établir un rapport de polarisation

représentatif du degré-de turbidité de l'eau.

9. Procédé de détection de la présence d'hydro-

carbures dans une étendue d'eau, caractérisé en ce que: on déplace une structure porte-instruments (14, 26) dans l'étendue d'eau (12) à une distance choisie à l'avance au-dessus du fond de l'eau (16); on génère de l'énergie lumineuse et on dirige cette énergie. lumineuse de la structure porte-instruments vers-une zone choisie dans

l'étendue d'eau; on détecte l'énergie lumineuse rétro-

diffusée dans la zone choisie, à l'intérieur de l'éten-

due d'eau, pour déterminer l'absorption différentielle dans une cellule de résolution spatiale; et on présente des données relatives à l'absorption"différentielle en

tant qu'indication de la présence d'hydrocarbures.

10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'opération de détection s'effectue en détectant la lumière rétrodiffusée à la distance r; en détectant la

lumière rétrodiffusée à la distance r + &r; et en déter-

minant l'absorption différentielle de l'énergie diffusée

dans la cellule de résolution A r.

11. Procédé selon l'une quelconque des revendica-

tions 9 ou 10, caractérisé en ce qu'on dirige l'énergie lumineuse sous la forme d'un faisceau effectuant un balayage

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répété du fond de l'eau, dans une direction transversale à

la ligne de déplacement de la structure porte-instruments.

12. Procédé selon l'une quelconque des revendica-

tions 9 à 11, caractérisé en ce que l'opération de généra-

tion d'énergie lumineuse s'effectue en faisant fonction- ner un laser ayant au moins une composante de sortie de longueur d'onde choisie qui excite une rétrodiffusion à

partir d'hydrocarbures, à la longueur d'onde incidente.

13. Procédé selon l'une quelconque des revendi-

cations 9 à 12, caractérisé en ce que l'opération de détec-

tion de l'énergie lumineuse rétrodiffusée s'effectue en détectant l'énergie lumineuse rétrodiffusée au niveau du

fond de l'eau; et en détectant l'énergie lumineuse rétro-

diffusée dans la colonne d'eau qui se trouve entre le

fond de l'eau et la structure porte-instruments.

14. Procédé de détection de la présence d'hydro-

carbures dans une étendue d'eau en utilisant une struc-

ture porte-instruments submersible (14, 26) caractérisé en ce que: on génère un faisceau d'énergie lumineuse (64) de longueur d'onde choisie, à partir de l'intérieur de la structure; on communique- à ce faisceau un mouvement de balayage répété sur une trajectoire transversale sous la structure; on reçoit au moyen d'un télescope (102) situé à l'intérieur de la structure la lumière de retour qui est produite par le faisceau à balayage, de façon à

donner un faisceau lumineux de sortie; on observe la lu-

mière de retour provenant du faisceau lumineux de sortie à une première profondeur de champ, pour donner une première

composante de lumière de sortie focalisée; on observe si-

multanément la lumière de retour provenant du faisceau lu-

mineux de sortie à une seconde profondeur de champ, pour

donner une seconde composante de lumière de sortie focali-

sée; et on produit des signaux électriques de sortie à partir des première et seconde composantes de lumière de sortie focalisées, en tant qu'indication de la présence d'hydrocarbures.

15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que les opérations consistant à observer simultanément

la lumière de retour à deux profondeurs de champ s'effec-

tuent en focalisant le faisceau lumineux de sortie à l'in-

fini pour couvrir par le balayage la totalité de la colonne d'eau jusqu'au fond; et en-focalisant le faisceau lumineux de sortie à au moins un point choisi entre le fond de

l'eau et la structure.

16. Procédé selon l'une quelconque des revendi-

cations 14 ou 15, caractérisé en ce qu'il comprend en

outre les opérations qui consistent à examiner la premiè-

re composante de lumière de sortie focalisée dans une bande de longueurs d'onde choisie, pour fournir en sortie une indication de la fluorescence d'hydrocarbures; et à

examiner la seconde composante de lumière de sortie foca-

lisée dans une seconde bande de longueurs d'onde choisie

pour fournir une indication de la rétrodiffusion du fais-

ceau généré d'énergie lumineuse.

17. Procédé selon la revendication 15, caracté-

risé en ce que l'opération consistant à produire des si-

gnaux électriques de sortie s'effectue en examinant la pre-

mière composante de lumière de sortie focalisée dans une bande de longueurs-d'onde choisie pour produire en sortie

une indication de fluorescence d'hydrocarbures; en exami-

nant la seconde composante de lumière de sortie focalisée

dans ladite bande de longueurs d'onde choisie pour produi-

re en sortie une seconde indication de fluorescence d'hy-

drocarbures; En examinant la première composante de lumière de sortie focalisée dans une seconde bande de longueurs d'onde choisie pour produire en sortie une indication de rétrodiffusion du faisceau généré d'énergie lumineuse; et

Enexaminait la seconde composante de lumière de sortie foca-

lisée dans la seconde bande de longueurs d'onde choisie

pour produire en sortie une seconde indication de rétrodif-

fusion du faisceau généré d'énergie lumineuse.

18. Procédé selon la revendication 17, caracté-

risé en ce que chacune des opérations consistant à examiner les première et seconde composantes de lumière de sortie

focalisées dans la seconde bande de longueurs d'onde choi-

sie pour produire en sortie une indication de rétrodiffusion

du faisceau généré d'énergie lumineuse s'effectue en sépa-

rant les composantes de lumière de sortie focalisées res-

pectives pour donner deux composantes de lumière polarisées

avec des orientations opposées; et en détectant les compo-

santes de lumière polarisées de façon opposée afin de dé- terminer un rapport de sortie d'une composante par rapport à l'autre qui est une indication de la turbidité de l'eau

à la profondeur d'acceptation particulière.

19. Procédé selon la revendication 14, caracté-

risé en ce que l'opération consistant à produire des si-

gnaux électriques de sortie s'effectue en détectant l'éner-

gie lumineuse rétrodiffusée de la première composante de

lumière de sortie focalisée; en détectant l'énergie lumi-

neuse rétrodiffusée de la seconde composante de lumière de sortie rétrodiffusée; et en déterminant l'absorption

différentielle dans la profondeur de champ différentielle.

20. Procédé selon la revendication 19, caracté-

risé en ce qu'on détecte la première composante de lumiè-

re de sortie focalisée à une distance r; on détecte la seconde composante de lumière de sortie focalisée à une

distance r + & r; et on détermine l'absorption différen-

tielle pour la cellule de résolution à r.

21. Dispositif de détection sous-marine d'hydro-

carbures, caractérisé en ce qu'il comprend: une structure

submersible (14, 26); des moyens (76) qui génèrent un fais-

ceau lumineux, à bord de la structure; des moyens (94, 96,

98, 100) qui communiquent au faisceau lumineux un mouve-

ment de balayage et qui reçoivent la lumière réfléchie à partir du faisceau lumineux, sur un secteur transversal s'étendant sous la structure; un dispositif à télescope

(102) contenu dans la structure qui reçoit la lumière réflé-

chie à partir du faisceau lumineux et qui donne un faisceau lumineux de sortie; un dispositif à lentilles (104) qui reçoit le faisceau lumineux de sortie et qui est focalisé de façon à projeter la lumière provenant de profondeurs d'acceptation choisies; et un dispositif photoélectrique (106) qui reçoit la lumière projetée et qui génère un signal électrique de sortie représentatif de la présence

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d'hydrocarbures.

22. Dispositif selon la revendication 21, carac-

térisé en ce que le dispositif à lentilles comprend: une première structure à lentilles qui projette une première composante de lumière de sortie à partir d'une profondeur

d'acceptation choisie; et une seconde structure à lentil-

les qui projette une seconde composante de lumière de sor-

tie à partir d'une profondeur d'acceptation choisie et différente.

23. Dispositif selon la revendication 22, carac-

térisé en ce que le dispositif photoélectrique comprend des moyens qui détectent la fluorescence dans une bande de longueurs d'onde choisie, à partir des première et

seconde composantes de lumière de sortie..

24. Dispositif selon la revendication 22, carac-

térisé en ce que le dispositif photoélectrique comprend

des moyens qui détectent l'énergie rétrodiffusée du fais-

ceau lumineux, de longueur d'onde choisie, à partir des

première et seconde composantes de lumière de sortie.

25. Dispositif selon la revendication' 21, carac-

térisé en ce que le dispositif photoélectrique comprend des moyens qui détectent la fluorescence dans une bande

de longueurs d'onde choisie, à partir de la lumière pro-

jetée.

26. Dispositif selon l'une quelconque des reven-

dications 21 ou 25 caractérisé en ce que le dispositif

photoélectrique comprend des moyens qui détectent des com-

posantes de polarisation orthogonales de l'énergie rétro-

diffusée du faisceau lumineux, à partir de la lumière pro-

jetée.

27. Dispositif selon la revendication 23, carac-

térisé en ce que le dispositif photoélectrique comprend

en outre des moyens qui détectent des composantes de pola-

risation orthogonales d'énergie rétrodiffusée du faisceau lumineux, à partir des première et seconde composantes de

lumière de sortie.

28. Dispositif selon la revendication 21, carac-

térisé en ce que les moyens destinés à générer un faisceau

lumineux comprennent un laser ayant une composante de sor-

tie de longueur d'onde choisie qui excite la fluorescence

d'hydrocarbures en suspension dans l'eau.

29. Dispositif selon la revendication 28, carac-

térisé en ce que le dispositif photoélectrique comprend des moyens qui détectent l'énergie lumineuse dans une bande de longueurs d'onde choisie allant approximativement de

520 nm à 560 nm.