NO161090B - Fremgangsm te til posisjonsbestemmelse av marin seiottagerkabel. - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte til posisjonsbestemmelse av marin seismisk mottagerkabel av den art som av et seismisk fartøy slepes gjennom sjøen, idet fremgangsmåten er kjennetegnet ved de trekk som fremgår av kravene.

1. Bakgrunn

Ved seismisk undersøkelser til havs, figur 1, blir energi 1 utløst i vannet vha. luftkanoner eller andre metoder ("skudd"). Refleksjoner 2 fra havbunnen 8 og lag i under-grunnen 9 blir fanget opp av grupper av hydrofoner 3 i mottagerkabelen. Mottagerkabelens lengde er typisk 2400-3000 meter lang og er delt opp i grupper på typisk 25 meters lengde.

Ved konvensjonelle seismiske undersøkelser (kalt 2-dimen-sjonale eller bare 2D) antar man at den seismiske mottagerkabel er rettlinjet bak slepefartøyet 10 (det seismiske far-tøyet) , og at den følger det profil 5 fartøyet skal seile langs. Man antar videre at de reflekterte signaler 2 kommer fra punkter 6 som ligger i vertikalplanet gjennom kabelen 4.

Denne antagelsen er ikke riktig av to grunner. For det første er kabelen ikke nødvendigvis rettlinjet bak fartøyet; dette kan skyldes havstrømmer og at fartøyet ikke beveger seg rettlinjet (styreeffekter). For det andre kan geologien gjøre at refleksjonene også kommer fra punkter 7 utenfor vertikalplanet gjennom kabelen.

Ved detaljerte seismiske undersøkelser over områder med kom-plisert geologi må man ta hensyn til de registrerte datas virkelige refleksjonspunkt. Dette gjøres ved den meget kompli-serte undersøkelsesteknikken som kalles 3-dimensjonal (3D). Denne teknikken som krever behandling av svære datamengder, er idag mulig vha. moderne datamaskiner.

I

Ved en 3D undersøkelse legges profilene meget tett, typisk 5 0-75 meter, og man tar med i bleregningen hvor hver enkelt gruppe i mottagerkabelen befinrter seg ved mottaging av refleksjonene. Dette medfører altså at man må kjenne posisjonen til hver enkelt mottagergruppe for hvert skudd.

I de videre beskrivelsene av mejtoder for bestemmelse av mottagerkabelens posisjon forutsettes det at posisjon for det seismiske fartøyets navigasjonsjantenne 13 er bestemt, figur 2, og at fartøyet er utstyrt med gyrokompass 14 slik at posisjon for andre punkter 15 på fartøyet kan beregnes ut fra naviga-sjonsantennens 13 posisjon.

i

Det forutsettes videre at man med posisjon mener et punkts koordinater referert til et geografisk koordinatsystem i form av lengde og bredde, eller som rettvinklede koordinater (x,y) i en kartprojeksjon. For operasjoner på norsk sokkel vil Europeisk Datum 1950 og UTM-prolj eks j onen brukes.

2. Systemet som er brukt hittil

i

Det systemet som idag er nærmest enerådende for posisjonsbestemmelse av seismisk mottagerkabel, er bruk av små magnetkompass med høy nøyaktighet, fi|gur 3. Et antall slike magnetkompass 11, typisk seks til tolv, monteres i mottagerkabelen 4. Disse kompassene 11 har innebygget digital vinkelavlesning og er forbundet gjennom mottagerkabelen med utlesningsutstyr ombord i fartøyet.

Kabelens form tilnærmes ved en matematisk kurve som har sitt faste punkt i slepepunktet 22 på fartøyet og som grense-betingelser har at kurvens tangéntretning 21 i de punkter som tilsvarer kompassplasseringene, skal være lik asimut 12 (vinkel i forhold til geografisk nord) i disse punktene. Etter at den matematiske kurven er fastlagt, kan man beregne posisjon for hver enkelt gruppe hydrofoner 3 i mottagerkabelen. Det gjøres normalt for hvert skudd.

nord, den såkalte misvisning eller deviasjon 18. Deviasjonen er oppgitt i sjøkartene, men for å oppnå den ønskede nøyaktig-het må man foreta en bestemmelse av deviasjonen i det aktuelle undersøkelsesområdet. Videre kan kompassene være beheftet med systematiske feil 19 som også må bestemmes og tas hensyn til ved beregning av asimut. Det har i praksis vist seg at de korreksjoner som må gjøres for deviasjon og systematiske feil, vil variere med profilretningen, slik at kalibrering av systemet må gjøres meget omhyggelig.

Ved kalibrering seiler man i forskjellige retninger og gjør kompassavlesninger. I utgangspunktet antar man at dette gjøres når det ikke er havstrømmer, når strømmen er like sterk, men motsatt rettet o.l. Ved statistisk analyse av dataene kommer man så frem til korreksjonene. Da forholdene under kalibreringen ikke vil være helt som antatt, f.eks. på grunn av vind-induserte strømmer osv. vil korreksjonene være beheftet med feil. Denne feilen vil virke systematisk når avlesningene påføres sine korreksjoner. Nøyaktigheten på asimut vil være i størrelsesorden +/- 1 grad.

Ved magnetkompassmetoden er det verdt å merke seg at posisjonen for punkter på kabelen ikke måles direkte. Posisjons-bestemmelsen foregår indirekte via den matematiske kurven som fastlegges ved tangentgrensebetingelsene. Det er derfor vanskelig å kvantifisere hvilken nøyaktighet som kan oppnås ved metoden, men en størrelsesorden på 25-50 metoder for de bakre deler av kabelen har vært antydet av selskaper som bruker metoden.

Bruk av magnetkompass for bestemmelse av posisjon for mottagerkablen forutsetter at magnetfeltet i operasjones-området er retningsstabilt. Ved høye breddegrader, som f.eks. Nord-Norge, vil magnetfeltet variere både i styrke og retning pga. de såkalte magnetiske stormer. Retningsendringene kan være flere grader over kort tid, noe som vil gjøre bruk av magnetkompass for bestemmelse av kabelposisjon lite egnet i slike områder.

flere grader over kort tid, noe som vil gjøre bruk av magnetkompass for bestemmelse av kabelposisjon lite egnet i slike områder.

3. Beskrivelse av metoden ifølge oppfinnelsen

Polar måling betyr måling av avstand 22 og vinkel 23 i forhold til en referanseretning 24, figur 4a. Referanseretningens asimut 25 forutsettes kjent. Det nye punktets 26 posisjon kan nå beregnes i forhold til det kjente punktet 27 ved en dekom-ponering av den måte avstand 22 i X- og Y-retning ved at asimut 28 for linjen fra kjent til nytt punkt er beregnet.

Ved anvendelse av det polare måleprinsipp ved posisjonsbestemmelse av seismisk mottagerkabel måles asimut 29 og avstand 30 fra slepefartøyet til punkter 31 på kabelen, figur 4b.

Den seismiske kabelen slepes på et dyp av typisk 5-20 meter, og det er derfor nødvendig å gjøre de nevnte målinger gjennom vannet. For dette brukes et superkortbaselinje hydroakustisk målesystem, det vil si at vinkler måles i forhold til en basislinje som er i størrelsesorden 10 cm. mens de målte avstander kan være opp til ca. 300000 cm.

Superkortbaselinje hydroakustiske målesystemer er kommersielt tilgjengelige, f.eks. Simrad HPR system, og vil ikke bli be-skrevet her. Det må imidlertid nevnes at hovedkomponentene i systemet, figur 5, er en transducer 32 ("målehode") som kan senkes 3-4 meter under fartøyets bunn, diverse styreelektro-nikk 33 samt utlesningsenhet 34 som gir avstand og vinkel. Målehodet må være montert slik at vinkler i forhold til far-tøyets senterlinje eller annen referanselinje kan måles. Bruk av systemet ved å "henge det over skutesida" vil ikke fungere. Videre må det finnes en innretning 35 som målehode kommunisere med/mottar signaler fra. Ved denne metoden som beskrives her, vil denne innretning være en transponder, et beacon eller en responder som er festet utenpå mottagerkabelen. Virkemåten for disse er at en transponder svarer på anrop fra målehodet, et beacon sender kontinuerlig ut signaler mens en responder sender ut signaler når det får beskjed om dette via kable (elektriske impulser).

Det hydraoakustiske systemet vil være tilknyttet fartøyets gyrokompass 36, og systemet må også være utstyrt med en verti-kal referanseenhet 37 slik at de målinger som gjøres, auto-matisk blir korrigert for rulling og stamp. Det er av av-gjørende betydning at målte vinkler er referert til horison-talplanet .

Ved bruk av systemet for bestemmelse av posisjon for punkter 42 langs kablen, figur 6, måler det hydroakustiske superkort-baselin jesystemet vinkelen mellom en referanselinje 46, normalt fartøyets senterlinje eller en parallell til denne, og målelinjen til punktet 42 på mottagerkabelen. Referanselinjens asimut er kjent fra gyrokompasset, og asimut 40 for målelinjen er dermed gitt.

Avstanden 43 fra transducer 41 til målepunktene 42 langs kabelen (transponder, beacon eller responder) kan beregnes ut fra toveis gangtid for signalet gjennom vannet. For lengre avstander, typisk 1000 meter og mer, kan imidlertid avstands-målingene bli noe unøyaktige pga. at strålegangen 44 ikke er rettlinjet i vertikalplanet pga. små vertikale temperatur-gradienter i vannet, overflatebølger o.l., fig. 7a. Måle-punktenes 42 plassering langs kabelen vil imidlertid være kjent, og man kan derfor benytte denne avstanden og den målte vinkel i beregningen av punktets posisjon. Denne avstanden vil ved en kurvet kabel avvike noe fra rettlinjen. Dette kan kom-penseres etter at kabelens form er beregnet foreløpig, ved at den foreløpige form brukes for å beregne forskjell mellom bue og rettlinjen. Kabelens endelige form kan deretter beregnes.

Ved posisjonsbestemmelse av seismisk mottagerkabel vil det være kabelens tverravvik fra det planlagte profil som vil være kritisk. Ved de moderate bueformer kabelen kan få, vil avvik mellom bue og rettlinje ikke være av kritisk betydning. Antall målepunkter 42 langs kabelen må tilpasses den nøyaktig-het man trenger for den endelige posisjonsbestemmelse av mottagerkabelen. Antallet må også tilpasses etter at man har vunnet praktisk erfaring med metoden. Det må imidlertid antas at fire til åtte målepunkter 42 fordelt langs mottagerkabelen vil være et typisk antall.

Etter at posisjon for målepunktene 42 er bestemt, kan kabelens form bli tilnærmet ved en matematisk kurve. Grensebetingelsene for den matematiske kurven vil være at den skal ha sitt utgangspunkt i slepepunktet 45 på fartøyet, og at den skal gå gjennom de målepunkter 4 2 som er bestemt ved den polare hydroakustiske målemetoden. Kurven kan i sin enkleste form bestå av rette linjestykker mellom målepunktene 42. Første linjestykke vil være fra kabelens slepepunkt 45, figur 6, til første måle-punkt 42.

Normalt vil den enkelte bruker velge en matematisk kurve gjennom de posisjonsbestemte målepunktene 42 som samsvarer med brukerens filosofi om hvordan kabelens form er. Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen tar ikke hensyn til hvilken matematisk kurve som skal benyttes, bare til hvordan posisjon for målepunkter 42 langs kabelen, som skal brukes i beregning av den matematiske kurven bestemmes.

Kalibrering av systemet for å gi riktig asimut er kritisk. De komponentene som inngår i bestemmelsen av asimut, er gyrokompasset 14 og det hydroakustiske superkortbaselinjesystemet.

Gyrokompasset 14 må vise riktig verdi av to grunner, for det første for å kunne bestemme posisjon for punkter på båten relativt til navigasjonsantennen 13, ref. figur 2, for det andre for å bestemme referanselinjens 46 asimut, ref. figur 6.

Det hydroakustiske målesystemet må kalibreres slik at det måler en vinkel på 0 grader langs referanselinjen 46.

En enkel, nøyaktig og effektiv metode for kalibrering vil være å legge fartøyet ved kai 47 i et rolig farvann, figur 7b. Fartøyet må ballastes slik at det ikke har slagside. Fartøyets senterlinje må bestemmes og merkes 48 på dekk/skrog forut og akter. Fra geodetiske fastmerker 49 på land kan man nå ad landmålingstekniske metoder bestemme geografiske koordinater for punktene 48, og senterlinjens asimut 50 kan beregnes. Avvik mellom bestemt asimut og gyro kan nå bestemmes, og gyro kan korrigeres, eventuelt kan korreksjonen tas med i bereg-ningsalgoritmene for den hyroakustiske polare målemetoden.

Det hydroakustiske superkortbaselinjesystemets vinkelmåling kan kalibreres ved at en transponder 51 henges ut fra en båt i avstand på minimum 800 meter fra det seismiske fartøyet. Ad landmålingstekniske metoder bestemmes transponderens 51 posisjon, og asimut 52 for målelinjen fra seismiske fartøy til transponder 51 kan bestemmes. Differanse mellom denne asimut 52 og fartøyets asimut 50 skal nå være lik vinkel 53 målt med det hydroakustiske systemet. Alternativt kan denne vinkel 53 bestemmes direkte ved teodolittmåling fra fartøyet. Det må uansett metode foretas flere målinger med transponder 51 i mange retninger bak det seismiske fartøyet.

Det ble ovenfor nevnt at målepunktet 4 2 på kabelen kan være transponder, beacon eller responder. Ideelt sett bør målepunktet 4 2 være en responder som kontrolleres av det hydroakustiske målesystemet via elektriske ledninger gjennom mottagerkabelen og en elektromagnetisk kopling til responderen. Ved denne metoden er man bare avhengig av enveis signalgang gjennom vannet, noe som reduserer mulighetene for at støy skal ødelegge målingene. Videre gir respondermetoden mulighet for måling av avstand.

Respondermetoden krever installasjon av spesiell kobling via den seismiske mottagerkabelen, og av praktiske årsaker vil kanskje ikke responderbruk være aktuelt. Det står da tilbake å bruke transponder eller beacon. Transpondere krever mottaking av signal gjennom vannet fra transducer på fartøyet. Pga. at signalet må gå både til og fra transponderen økes risikoen for at støy kan ødelegge målingene over lengre avstander, som mot enden av den seismiske mottagerkabelen. Transpondere gir som nevnt mulighet for avstandsbestemmelse.

Beacon-metoden gir den samme fordel med enveis sending av signalene som respondere. Imidlertid kan ikke signalutsend-elsen kontrolleres, slik at man ved uheldige forhold kan miste målinger fordi signal fra flere beacons ankommer transducer samtidig. Beaconmetoden gir ikke mulighet for avstandsmåling, og avstander bestemt ved installasjon av beacons langs kabelen må brukes.

4. Nøyaktighet

Det beste hydroakustiske superkortbaselinjesystemet som idag er på markedet, har en målenøyaktighet på vinkel +/- 0.5 grader. Antar man at gyrokompassets 14 nøyaktighet er +/- 0.5 grader, og at kalibreringen har en nøyaktighet på +/- 0.2 grader, og at disse feilene er:av tilfeldig karakter, vil systemets vinkelnøyaktighet være:

Figur 8 viser at feilen tvers 54 på mottagerkabelen vil være proposjonal med avstand til det seismiske fartøy. Tabellen nedenfor viser effekten av +/- 0.7 grader feil på ulike avstander :

500 meter: tverrfeil 6 meter

1000 meter: tverrfeil 12 meter

1500 meter: tverrfeil 18 meter

2000 meter: tverrfeil 24 meter

2500 meter: tverrfeil 30 meter

Ved å forutsette at mottagerkabelens form ikke varierer dras-tisk fra et seismisk skudd til det neste ca. 10 sekunder senere, vil man ved å gjøre en filtrering og statistisk analyse av måleresultatene muligens kunne forbedre disse verdiene.

5. Fordeler ved hydroakustisk polar målemetode

Ved den hydroakustiske polare målemetoden gjøres en direkte måling av posisjonen for enkeltpunkter på mottagerkabelen. For å bestemme posisjon for hver gruppe av hydrofoner i mottagerkablen må man tilnærme kabelens form med en matematisk kurve, men grensebetingelsene for denne kurven vil være at den skal gå gjennom gitte posisjoner. Dette vil medføre sikrere posisjonsbestemmelse og ikke minst et sikrere estimat av nøyaktig-heten. I all posisjonsbestemmelse opererer man med visse tole-ranser, og det er av stor betydning for å vurdere den endelige nøyaktigheten av et totalsystem at det kan bestemmes et

sikkert estimat for feilmarginen for hver enkelt komponent.

Ved den hydroakustiske polare målemetoden vil man være uav-hengig av magnetfelt og andre ytre påvirkninger. Systemet vil kunne kalibreres ved kai i lukket farvann slik at kalibre-ringsusikkerhet kan holdes på et minimum.

Ved bruk av metoden nyttes bare utstyr som er montert på far-tøy og på mottagerkabelen. Andre akustiske målemetoder kan tenkes brukt, f.eks. langbasemetoder, med disse vil fordre installasjon på bunnen av et nett av transpondere (sendere/- mottagere) som kommuniserer med installasjoner på mottagerkabelen og på fartøyet. Et slikt system vil være mer tungvint operativt sett, og det vil være en viss risiko for at transpondere kan bli flyttet ved f.eks. trålfiske i området.

Den hydroakustiske polare målemetoden har en begrensing; ved speislle temperaturforhold i vannet kan det oppstå temperatur-sjikt som gjør at lydstrålen blir avbøyd på en måte som gjør at man ikke får hydroakustisk kommunikasjon mellom fartøy og installasjonene langs kabelen. Man bør derfor foreta tempera-turmålinger i operasjonsområdet før et oppdrag starter for å påvise slik uheldig temperatursjikting.

i

Claims (6)

1. Fremgangsmåte til posisjonsbestemmelse av marin seismisk mottagerkabel (4) av den art som av et seismisk fartøy (10) slepes gjennom sjøen, karakterisert ved at asimut (40) og eventuelt avstand (43) til punkter (42) på mottagerkabel (4), i forhold til et refe-ransepunkt (41) og en referanseretning (46) på fartøyet (10) måles ved hjelp av et superkortbaselinje hydroakustisk målesystem.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det anvendes et hydroakustisk målesystem som omfatter en transducer (32,41) montert på fartøyet (10) og innretninger (35) , som transduceren kan kommunisere med eller motta signaler fra, plassert ved punktene (42) langs mottagerkabelen (4).

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at det anvendes et hydroakustisk målesystem hvor innretningene (35) , som transduceren kan kommunisere med eller motta signaler fra, utgjøres av respondere eller transpondere.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at det anvendes et hydroakustisk målesystem hvor innretningene (35) , som transduceren kan kommunisere med eller motta signaler fra, utgjøres av beacons og at avstanden (43) til punktene (42) på mottagerkablene (4) beregnes på grunnlag av opplysninger om plasseringen av beacons langs mottagerkabelen (4), målinger av asimut (40) og eventuelt antagelser om mottagerkabelens geometri i sjøen.

5. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-4, karakterisert ved at posisjonen for vilkårlige punkter langs kabelen (4) bestemmes ved interpolasjon mellom målte verdier på grunnlag av opplysninger om plasseringen av punktene (42) langs mottagerkabelen (4) og eventuelt antagelser om mottagerkabelens geometri i sjøen.

6. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at det anvendes et målesystem som er integrert med et gyrokompass (36) installert på far-tøyet (10) .