NO155362B - Fremgangsmaate og innretning for bestemmelse av posisjonen av en marin "streamer". - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte for redundant bestemmelse av posisjonen av en marin "streamer" (hydrofonkabel) som slepes bak akterenden av et fartøy, ved hvilken det genereres første akustiske pulser med høy frekvens og kort varighet med minst to akustiske kilder som er innbyrdes adskilt under vannets overflate og utenbords fra fartøyets akterende, og at hver av de akustiske pulser skjelnes fra hverandre ved hjelp av minst én hydrofon som rommes i streameren.

Videre angår oppfinnelsen en innretning for bruk ved redundant bestemmelse av posisjonen av en seismisk, marin "streamer" (hydrofonkabel) som slepes direkte bak akterenden av et fartøy, hvilken innretning omfatter minst to akustiske kilder som er montert utenbords fra fartøyets akterende under vannets overflate, idet de akustiske kilder er sideveis adskilt fra hverandre og hver er i stand til a generere en akustisk puls med høy frekvens og kort varighet, en anordning som kan drives på fartøyet for å bringe hver av kildene til å generere en første puls, og minst én hydrofon som rommes i streameren og er i stand til å motta hver av de akustiske pulser fra hver av de nevnte kilder.

Ved marin, seismisk prospektering sleper et under-Søkelsesfartøy en seismisk streamer som har et antall trykk-følsomme detektorer, vanligvis betegnet som hydrofoner.

En kilde for seismisk energi, såsom en luftkanon eller en sprengladning, benyttes til å utbre trykkbølger gjennom vannet til den underliggende sjøbunn. En del av energien vil bli reflektert av geologiske diskontinuiteter under sjøbunnen, og vil senere bli detektert av hydrofonene som trykkvariasjoner i det omgivende vann. Den mekaniske energi i disse trykkvariasjoner omformes til et elektrisk signal av hydrofonene og overføres via streameren til registreringsutstyr om bord på fartøyet. De innsamlede data kan deretter tolkes av fagfolk på området for å avsløre informasjon om undersjøiske, geologiske formasjoner.

For at signalene skal være meningsfulle, er det nødvendig å kjenne den nøyaktige beliggenhet av de individuelle hydrofoner ved det tidspunkt da trykkbølgene detekteres. Da fartøyet beveger seg kontinuerlig, og da streameren kan strekke seg tusenvis av meter bak fartøyet, er nøyaktig lokalisering av hydrofonene vanskelig.

Forskjellige systemer er blitt utviklet for å tilveiebringe nøyaktig informasjon med hensyn til fartøyets beliggenhet. Det er imidlertid sjelden at streameren slepes direkte langs fartøyets bane. Selv om streameren er festet til fartøyets akterende, er størstedelen av streameren nedsenket under vannets overflate på grunn av virkningen av dybdekontrollere langs streamerens lengde. Som et resultat av dette kan strømhastighet på tvers av banen ved streamerens dybde være forskjellig fra tverrbanestrøm som påvirker fartøyet, slik at streameren bringes til å slepes i en vinkel med fartøyets kurs. Andre faktorer, som det ikke er nødvendig å oppregne, kan også frembringe en variasjon i streamerens bane sammenliknet med fartøyets kurs.

Én metode for bestemmelse av streamerens beliggenhet og som er vist i den kjente teknikk, er basert på til-føyelse av en halebøye-radarreflektor som er beliggende ved streamerens ende. Radarsystemer om bord på fartøyet kan deretter benyttes under optimale sjøforhold til å finne streamerens ende, og beliggenheten av de individuelle hydrofoner kan interpoleres. Sådanne systemer er imidlertid generelt upålitelige og gjør de nøvendige data mistenkelige.

En annen metode som er kjent i teknikken, er basert på meget følsom og kostbar utrustning for å måle streamerendens gire- og stampevinkler nær fartøyet. Disse data, sammenkoplet med magnetiske kompasskurser som tas langs streameren, og streamerens kjente dybde, tillater at man empirisk kan beregne hydrofonbeliggenhetene.

Ved normale operasjoner beveger fartøyet seg med en hastighet på ca. 3 meter pr. sekund og starter originale, seismiske utbredelser tilnærmet hvert tiende sekund. Benyt-telsen av seismiske utbredelser med et kortere intervall er begrenset av den tid som er nødvendig for bortledning eller forsvinning av alle reflekterte, seismiske bølger. Spesielt vil benyttelse av en luftkanon med intervaller på mindre enn 4 sekunder ikke tillate tilstrekkelig forsvinning av lydbølgene, og vil resultere i data som er vanskelige eller umulige å vurdere på grunn av den reflekterte støy. Bruken av en luftkanon, i kombinasjon med hydrofonene for avstandsberegning, byr således på problemer og tillater ikke en mangel på redundans ved nøyaktig lokalisering av hydrofonene.

Formålet med oppfinnelsen er å tilveiebringe en fremgangsmåte og en innretning som muliggjør en redundant bestemmelse av den nøyaktige beliggenhet av en nedsenket, marin streamer som slepes bak et seismisk fartøy.

Ovennevnte formål oppnås med en fremgangsmåte og en innretning som ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved de i patentkravene angitte, karakteriserende trekk.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende i forbindelse med et utførelseseksempel under henvisning til tegningene, der fig. 1 viser et grunnriss av en marin streamer som slepes av et fartøy, og fig. 2 viser et blokkdia-gram av en innretning som er egnet for benyttelse i forbindelse med oppfinnelsen.

Fig. 1 viser et skjematisk grunnriss av et under-søkelsesfartøy 10 som sleper en marin, seismisk streamer 14. Fartøyets kurs er angit med en stiplet linje 12, og streameren 14 slepes i en bue til den ene side. Et antall dybdekontrollere 16 av konvensjonell konstruksjon holder største-delen av streameren på en dybde under overflaten på fra ca. 5 til 10 meter. En halebøye 18 er festet til streamerens

14 bakre ende og holder streamerens ende på overflaten.

Et antall hydrofoner 20 er innbyrdes adskilt langs streamerens lengde for å detektere trykkvariasjoner og utsende signaler som meddeler mottagning av trykkvariasjonene, langs streameren til registreringsutstyr ombord på fartøyet. Streameren 14 vil dessuten også romme et antall dybdefølere 22 og magnetiske kompass 24 som kan utspørres for informasjon med hensyn til streamerens dybde og orientering ved beliggenhetene for disse instrumenter.

En luftkanon 26 er montert utenbords fra fartøyets 10 akterende. I en konvensjonell kanon blir luft som er komprimert til et trykk i området 34 - 550 atmosfærer, plutselig frigjort fra et nedsenket kammer over en periode på noen millisekunder for å generere en akustisk puls.

To akustiske kilder 28 og 30 for høy frekvens er montert utenbords fra fartøyets akterende og er.typisk innbyrdes adskilt med en avstand på 20 - 40 meter. De akustiske kilder 28 og 30 genererer høyfrekvenspulser med kort varighet som mottas av hydrofonene 20. Ved mottagning av pulsene utsender hydrofonene et signal som overføres til fartøyet langs streameren. De overførte hydrofonsignaler benyttes til å utløse ytterligere pulser fra kildene 28 og 30 i en styrt oscillasjons- eller svingningssløyfe. Måling av den tid som medgår for et gitt antall svingninger, tillater redundante, nøyaktige beregninger av avstanden til hydrofonene, idet pulsenes hastighet i vann er gitt. Med den beregnede avstand kan beliggenheten av hydrofonene beregnes nøyaktig i forbindelse med de data som oppnås ved utspørring av følerne 22.

Fig. 2 viser i blokkform funksjonelle kretser som kan benyttes for å oppnå de foran angitte avstandsmålings-formål. I overensstemmelse med fig. 2 blir en akustisk kilde 100, via en ekstern eller utvendig start 110 og en utløser 120, utløst til å innlede en puls med høy frekvens og kort varighet. Pulsen vil fortrinnsvis ligge i området 2 - 100 kHz og enda mer å foretrekke i området 3-10 kHz. Pulsens lengde er fortrinnsvis fra én periode til 20 perioder. Lengre pulser kan benyttes, men tjener ikke noe nyttig formål. Den akustiske kilde kan være av piezoelektrisk, ferroelektrisk eller elektromagnetisk natur. Kilden vil fortrinnsvis omfatte en piezoelektrisk eller ferroelektrisk anordning med en blyantformet, akustisk stråle som er orien-tert i streamerens generelle retning. Sådanne enheter med en frekvens i området 2-8 kHz og som er i stand til å generere énperiode-pulser, er kommersielt tilgjengelige.

Slik som foran nevnt, er de akustiske kilder fortrinnsvis montert .utenbords fra undersøkelsesfartøyets akterende og er for trianguleringsformål adskilt fra hverandre med en innbyrdes avstand på fra 20 til 40 meter.

Pulsen fra den akustiske kilde 100 vandrer gjennom vannet med en hastighet på ca. 1500 meter pr. sekund og kontakter streamer-hydrofonen 130. Hydrofoner, såsom hydrofonen 130, er innbyrdes adskilt langs streamerens lengde med mellomrom fra 100 til 500 meter, og fortrinnsvis mellomrom på 400 meter. Når pulsen detekteres, reagerer eller svarer hydrofonen og utsender et signal gjennom streameren til fartøyet. Sådanne signaler vil normalt bli overført langs en separat, elektrisk leder som strekker seg til hver hydrofon. Overførte signaler fra hydrofonen passerer gjennom en port 140 som blokkerer alle signaler bortsett fra de som forventes under på forhånd valgte tids-intervaller. Da de tilnærmede avstander fra de akustiske kilder til de individuelle hydrofoner er kjente ut fra hydrofonenes innbyrdes avstand langs streameren, kan det tilnærmede "tidsvindu" for mottagning av signalene fra de individuelle hydrofoner beregnes. Porten 140 tjener således til å blokkere falske signaler som genereres ved refleksjo-ner fra vannoverflaten og havbunnen.

Da formålet med den foreliggende oppfinnelse er

å bestemme på redundant eller rikelig måte beliggenheten av hver hydrofon langs streameren ved hjelp av et ring-tilbakekoplingssystem (engelsk: ring-around feedback system), må den akustiske kilde innlede en puls ved mottagning av et innkommende hydrofonsignal. For å hindre generering av forvirrende hydrofonsignaler, blir hver hydrofon fortrinnsvis overvåket sekvensielt eller i rekkefølge via individuelle kanaler.

De signaler som passerer gjennom porten 140, for-sterkes og formes i en enhet 150. De formede signaler over-føres i parallell gjennom en klokkestyrt teller 160 og en forsterkningsstyreenhet 170. Forsterkningsstyreenheten inn-stiller automatisk den akustiske kildes 100 sendeeffekt som reaksjon på styrken av signalene fra forsterkeren 150, for å gjøre effektforbruket minst mulig. Den klokkestyrte teller 160 teller antall tilbakekoplingssignaler som kommer fra den utvalgte hydrofon, og tidsinnstiller det intervall som er nødvendig for et forinnstilt antall gjentatte signaler .

Da det eneste tidsforløp av betydning er den tid som er nødvendig for passering av den akustiske puls gjennom vannet, kan denne tid måles gjentatte ganger og den midlere verdi bestemmes for nøyaktig å fastslå avstanden.

Det er også tilveiebrakt en kretsanordning for automatisk, gjentatt utløsning av en akustisk puls via ut-løseren 120 som reaksjon på de signaler som passerer gjennom telleren 160. Etter at et forutbestemt antall signaler, fortrinnsvis seks, er blitt mottatt, tilbakestilles telleren til null for å avvente begynnelsen av ytterligere, av-standsbestemmende operasjoner for suksessive hydrofoner via den utvendige start 110.

Selv om fig. 2 viser bare en eneste akustisk kilde, foretrekkes det å benytte to kilder slik at uavhen-gige avstandsbestemmelser kan trianguleres for nøyaktig bestemmelse av hydrofonposisjonen enten med kjennskapet til dybden eller til de behørige kompasskurser.

Dersom to akustiske kilder benyttes, bør de benyttes vekselvis for å hindre forvirrende kryss-signaler, eller de bør benytte utgangssignaler med forskjellig frekvens slik at skjelnbare signaler kan genereres av hydrofonene .

I en annen foretrukket utførelse blir alle kanaler fra hydrofonene overvåket samtidig, og mottagningen av hydrofonsignalene tidsinnstilles individuelt. Imidlertid utløses den akustiske kilde for å generere en etterfølgende puls bare etter mottagning av det innkommende hydrofonsignal som kommer fra den siste eller fjerneste hydrofon i streameren .

Claims (6)

1. Fremgangraåte for redundant bestemmelse av posisjonen av en marin "streamer" (hydrofonkabel)(14) som slepes bak akterenden av et fartøy (10), ved hvilken det genereres første akustiske pulser med høy -frekvens og kort varighet med minst to akustiske kilder (100) som er innbyrdes adskilt under vannets overflate og utenbords fra fartøyets akterende, og at hver av de akustiske pulser skjelnes fra hverandre ved hjelp av minst én hydrofon (130) som rommes i streameren, karakterisert ved de trinn at hver hydrofon separat kan detektere de nevnte akustiske pulser og som reaksjon på disse sender et signal til fartøyet langs en separat kanal som bæres av streameren, at sending av signaler langs den nevnte kanal blokkeres under tidsperioder i hvilke ingen akustiske pulser forventes, at den ene av de akustiske kilder utløses for å generere en annen akustisk puls ved mottagning av et ublokkert signal svarende til at en puls fra den nevnte ene kilde mottas av hydrofonen, at den andre av de akustiske kilder utløses for å generere en annen akustisk puls ved mottagning av et ublokkert signal svarende til at en puls fra den andre kilde mottas av hydrofonen, at antallet av signaler som utsendes av hydrofonen som reaksjon på hver av de nevnte akustiske pulser, telles separat, og genereringen av andre pulser ved hjelp av hver av de nevnte kilder stoppes etter at et forutbestemt antall av signaler er blitt talt fra hver av kildene, og at den medgåtte tid fra tidspunktet for innled-ning av den første puls til tidspunktet for mottagning av det siste av det forutbestemte antall av hydrofonsignaler måles separat for hver av de to akustiske kilder.

2. Innretning for bruk ved redundant bestemmelse av posisjonen av en seismisk, marin "streamer" (hydrofonkabel) (14) som slepes direkte bak akterenden av et fartøy (10), hvilken innretning omfatter minst to akustiske kilder (100) som er montert utenbords fra fartøyets (10) akterende under vannets overflate, idet de akustiske kilder er sideveis adskilt fra hverandre og hver er i stand til å generere en akustisk puls med høy frekvens og kort varighet, en anordning (110) som kan drives på fartøyet (10) for å bringe hver av kildene til å generere en første puls, og minst én hydrofon (130) som rommes i streameren (14) og er i stand til å motta hver av de akustiske pulser fra hver av de nevnte kilder, karakterisert ved at den omfatter en anordning for sending av et signal til fartøyet (10) via en separat kanal i streameren som reaksjon på at hver av de første pulser mottas av hydrofonen (130), en anordning for overvåking av den separate kanal fra hydrofonen (130) under gitte tidsperioder, og for blokkering av signaler (140) som sendes via den nevnte kanal under de tidsperioder i hvilke det ikke forventes noe signal fra noen av kildene, en utløsningsanordning (120) som reagerer på et overført hydrofonsignal som passerer gjennom den nevnte kanal under den ene av de gitte tidsperioder,for å bringe den ene eller den andre av det nevnte par av akustiske kilder til å generere en suksessiv puls som reaksjon på et signal fra den nevnte hydrofon (20) som representerer mottagning av en akustisk puls fra den samme akustiske kilde, og en anordning (160) for separat telling av det antall ganger signaler utsendes av den utvalgte hydrofon (20) for å generere de nevnte suksessive pulser fra hver av paret av akustiske kilder, og for separat måling av de medgåtte tidsperioder fra den første innledede puls til mottagning av det siste, utvalgte antall av hydrofonsignaler som detekteres fra hver av paret av akustiske kilder.

3. Innretning ifølge krav 2, karakterisert ved at det er anordnet en første og en andre akustisk kilde.

4. Innretning ifølge krav 2 eller 3, karakterisert ved at utløsningsanordningen (120) omfatter en første utløsningsanordning for å bringe den første akustiske kilde (28) til å generere en annen puls som reaksjon på mottagning av et ublokkert, overført hydrofonsignal under en første gitt tidsperiode, idet det nevnte signal utsendes som resultat av en puls som mottas fra den første akustiske kilde (28), og en andre utløsningsanordning for å bringe den andre akustiske kilde (30) til å generere en annen puls som reaksjon på et annet overført hydrofonsignal under den andre gitte tidsperiode og som utsendes som et resultat av en puls som mottas fra den andre akustiske kilde (30).

5. Innretning ifølge krav 2, 3 eller 4, karakterisert ved at den omfatter en anordning (170) for automatisk å begrense amplituden av de akustiske kilde-pulser med hensyn til hydrofonens mottagningsfølsomhet for å redusere refleksjon fra luft-sjø-grenseflaten og havbunnen og for å minimere effektforbruk av de akustiske kilder.

6. Innretning ifølge krav 2, 3 eller 4, karakterisert ved at de akustiske kilder er innrettet til å utsende akustiske pulser med en frekvens mellom 3,5 og 10 kHz og med en varighet i området fra én periode til 20 perioder.