WO2005101058A1 - Method for geothechnically characterising an underwater floor by means of a broad-band and multiple flatness acoustic wave - Google Patents

Method for geothechnically characterising an underwater floor by means of a broad-band and multiple flatness acoustic wave Download PDF

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WO2005101058A1
WO2005101058A1 PCT/FR2005/000587 FR2005000587W WO2005101058A1 WO 2005101058 A1 WO2005101058 A1 WO 2005101058A1 FR 2005000587 W FR2005000587 W FR 2005000587W WO 2005101058 A1 WO2005101058 A1 WO 2005101058A1
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reflection
equal
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signals
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PCT/FR2005/000587
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Inventor
Xavier Demoulin
Olivier Sarzeaud
Original Assignee
Xavier Demoulin
Olivier Sarzeaud
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01VGEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V1/00Seismology; Seismic or acoustic prospecting or detecting
    • G01V1/38Seismology; Seismic or acoustic prospecting or detecting specially adapted for water-covered areas
    • G01V1/3808Seismic data acquisition, e.g. survey design

Definitions

  • the invention generally relates to sonic excitation prospecting techniques.
  • the invention relates to a method for geotechnical characterization of an underwater bottom, such as an underwater bottom, covered with a sheet of water of determined total height, and comprising a plurality of strata forming between them separation interfaces, each presenting its own physical parameters and extending to various depths below a first layer which forms a separation interface with the water, this process comprising at least one investigation phase, one pre-treatment phase and an analysis phase, the investigation phase itself including an acoustic excitation operation, implemented by emitting at least towards the bottom, from an immersed acoustic source, an incident acoustic wave of known frequency signature, an acquisition operation implemented by producing, by means of a flute of at least four submerged receivers, respective measurement signals resulting from detection of respective acoustic waves reflected by the background, and an operation of reading geometric data, the flute being at least approximately aligned with the source and distant from the background, the receivers being spaced from each other, and the incident wave being emitted in each window of a succession of disjoin
  • the known acoustic systems for the investigation of the funds are either imaging systems or seismic systems.
  • Conventional imaging systems use acoustic waves of high frequencies, typically greater than 30 kHz, emitted towards the bottom and making it possible to establish an image of the bottom surface independently of the subsoil present, based on the retro mechanism. -diffusion.
  • the usual seismic systems of the previously defined type use, as a transmitter, a boomer producing an acoustic signal at very low frequency - and therefore having the advantage of penetrating deep into the basement.
  • the signal from multiple reflections and collected on a flute of hydrophones and / or geophones towed by a ship in synchronism with the boomer is thus representative of the deep layers of the subsoil.
  • the frequency characteristics of the signal transmitted at very low frequency are poorly controlled, so that these systems only provide qualitative indications of the deep strata of the subsoil, at depths typically greater than 10 meters, and with vertical resolutions typically greater than 1 meter.
  • Recent sediment sounders have the advantage of using controlled signals ("chirp” or parametric sources) which insonate the bottom vertically at high power.
  • signal reception provided by the same transducer, significantly limits performance for instrumental (electronic saturation) and physical reasons (mixture of backscattering and specular reflection phenomena, thickness / speed ambiguity in the layers).
  • the present invention aims to propose a process which meets the need, which is today not satisfied, - to allow the quantified determination of the geotechnical properties of the subsoil of an underwater bottom over the first meters, typically over the first five meters at least, and with a resolution at most equal to fifty centimeters.
  • the method of the invention is essentially characterized in that the investigation phase includes a displacement operation, concomitant with the operations of excitement and acquisition, and implementation in simultaneously moving the acoustic source and the flute in the water table, in that the pre-treatment phase is implemented by deducing, from the measurement signals, the signature of the incident acoustic wave, and geometrical data, reflection signals having reached different receivers following the same emission of incident wave, and by grouping, in the form of series of reset reflection signals, reflection signals having reached, at angles of different shades, different receivers coming from the same bottom area following different transmissions of the incident wave, and in that the analysis phase is implemented by deducing the physical parameters of each bottom layer , from the series of recalibrated reflection signals, by exploiting the angular and frequency dependence of the reflection coefficient of the incident wave on each interface, each reflective signal exion re-aligned being interpreted as a sum of delayed and attenuated arrivals of clean
  • each reflected wave reaching the center of the flute in a time window reception is advantageously derived from the reflection of an incident wave having reached the bottom under a raking angle at most equal to 70 degrees and at least equal to 10 degrees, and preferably between 25 and 65 degrees.
  • Each receiver is for example separated from. the acoustic source by a distance between approximately 1 time and about 4 times the average height of water under the instruments, each receiver can also be spaced from a neighboring receiver by a distance of between about 0.375 times and about 1 times the average height depending on the number of these receivers.
  • each receiver is typically separated from a neighboring receiver by a distance corresponding to a difference in angle of shaving at least equal to 2 degrees, and preferably at least equal to 5 degrees, of the reflection signals respectively received by this receiver and by the neighboring receiver.
  • the incident wave has, in each emission window, at least one relatively low frequency component, the frequency of which is at least equal to 100 Hz, this incident wave usefully also having, in each emission window, at least one relatively high frequency component, the frequency of which is at most equal to 8 kHz.
  • the incident wave can thus have, • in each transmission window, a continuously variable frequency between a relatively low frequency component and a relatively high frequency component.
  • the transmission time windows each have, for example, a duration at least equal to 0.1 seconds, and preferably at least equal to 0.5 seconds, and are repeated periodically with a period for example at least equal to 0.5 seconds and preferably at least equal to 1 second.
  • the method of the invention comprises, upstream of the analysis phase, an operation for determining the immersion depth of the acoustic source and / or the immersion depth of a point on the flute and / or water level.
  • the analysis phase is for example implemented by iteratively traversing a loop including a modeling operation during which are calculated, from fictitious physical parameters virtually attributed to the first stratum at least of the 'plurality of strata, and for the various receivers, respective fictitious reflexed reflection signals derived from measurement signals virtually produced by these receivers in the presence of these .
  • fictitious parameters a subtraction operation during which the observed differences are formed between the respective reset reflection signals derived from the measurement signals actually produced by these receivers and the corresponding fictitious reset reflection signals, and an optimization and feedback at the end of which the fictitious physical parameters are ' revised according to the deviations noted.
  • the method of the invention thus allows a geotechnical characterization of each stratum from a plurality of strata of an underwater bottom by means of physical parameters chosen from the set of parameters which includes the thickness of this stratum, the density of this stratum, the speed of sound in this stratum, the attenuation of sound in this stratum, the roughness of this stratum, and a gradient speed of sound inside this layer.
  • the method of the invention makes it possible to identify the different strata of the sub-aquatic subsoil with vertical resolutions of the order of ten centimeters.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of equipment implementing the method of one invention
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing in approximately chronological order the main phases and operations of the method of the invention.
  • FIG. 3 made up of 'diagrams 3A to 3C, intuitively and partially illustrates the RECAL step of resetting and grouping of reflection signals implemented during the course of the process of the invention, this step leading in particular to group reflection signals from the same bottom area;
  • - Figure 4 composed of diagrams 4A and 4B, completes the illustration of the RECAL step
  • - Figure 5 composed of diagrams 5A and 5B, partially illustrates the multiple acoustic propagation mechanisms in water, and their use in the invention
  • FIGS. 7A to 7J are diagrams representing, as a function of time t expressed in number of samples, the relative amplitude A of measurement signals respectively produced by 10 successive receivers increasingly distant from the acoustic source and separated from each other by a large distance, and highlighting the influence of the angles with which the waves are reflected at the bottom;
  • FIGS. 8A to 8J are diagrams representing, as a function of time t expressed in number of samples, the relative amplitude A- of measurement signals respectively produced by 5 successive receivers increasingly distant from the acoustic source and for a modulation of low frequencies on the left and for a modulation of high frequencies on the right, highlighting the influence of the frequencies used.
  • RATINGS
  • j is a counter index used to number each stratum of the underwater bottom, thus distinguishing it from the other strata of the bottom;
  • J is an integer denoting the total number of observable strata
  • k is a counter index used to number each eigen ray of an acoustic wave by distinguishing it from the other eigen rays;
  • “1” is a counter index used to number each emission of an incident acoustic wave (also called “firing") thus distinguishing it from other emissions of an acoustic wave;
  • n is a counter index used to number each iteration loop of the analysis phase, thus distinguishing it from the other iteration loops;
  • e is an index assigned to an exact final value of a parameter
  • s (t) denotes the incident acoustic wave
  • s ⁇ (t, l) designates the measurement signal received on the i th hydrophone following the i th firing;
  • e ⁇ (t, l) designates the envelope of the intercorrelation between the incident acoustic wave s (t) and the measurement signal
  • rfi (t, l) designates the reflection signal associated with the measurement signal Si (t, l) by application to the envelope e ⁇ (t, l) of a reception window;
  • Rfi (t, B) designates a readjusted reflection signal, originating from the reflection signal rfj_ (t, l) by a registration step RECAL and associated with the background B;
  • Rfs ⁇ (t, B) designates a fictitious readjusted reflection signal obtained by simulation
  • Rfsi (t, B) denotes the k lth eigen ray of the readjusted reflection signal Rfi (t, B);
  • ⁇ i (j) denotes the rasance angle on the j -th Strata k e own radius of the reflection signal received at the ith hydrophone.
  • the invention relates (FIG. 1) to a method of geotechnical characterization of a sub-aquatic bottom B, such as an underwater bottom, covered with a sheet of water of total height H determined.
  • This background B comprises a plurality of strata such as Fl, F2, etc. ( Figure 6), generically noted Fj and each presenting its own physical parameters.
  • the first stratum FI forms an interface with water, the other strata extending below this first stratum at various depths.
  • the method of the invention aims, for each of the strata Fj of a set of strata typically comprising, but not limited to, between two and five strata, to determine several distinctive parameters of this stratum, such as the thickness hj of this stratum , its density p j , the speed of sound Cj in this stratum, and more precisely the speed C p j for compression waves and the speed C s j for shear waves, the attenuation of sound o ( j in this stratum, and more precisely the attenuation P j for compression waves and the attenuation S j for shear waves, as well as possibly the roughness in this stratum, or a sound speed gradient.
  • the process of the invention essentially comprises an INVESTIG investigation phase, a PRE__TRAIT pretreatment phase and an ANA analysis phase.
  • the INVESTIG investigation phase itself includes a DEPL displacement operation, an EXCIT acoustic excitation operation, an ACQUI acquisition operation, and a RELEV operation for reading non-acoustic data, these operations being implemented so globally simultaneous.
  • the DEPL displacement operation consists in moving in the water table, by means of a vessel N and at ideally constant reduced speed, an acoustic source 1 and a flute 2 above the bottom B, the flute 2 comprising for example three, four, or five acoustic receivers 21 to 24, also called hydrophones.
  • the RELEV operation for reading non-acoustic data itself includes a CAPT operation for capturing environmental data and a REPER tracking operation.
  • the CAPT operation for capturing environmental data consists in recording at any time t the depths of the acoustic source 1 and of a point on the flute 2, as well as the water height H.
  • the REPER locating operation consists in recording, at each instant t, the X and Y coordinates of the point of the ship N.
  • the EXCIT acoustic excitation operation is implemented by emitting as isotropically as possible, in particular towards the bottom B and from the immersed acoustic source 1, the incident acoustic wave s (t), of known frequency signature.
  • the acquisition operation ACQUI is, in turn, implemented by producing, by means of the submerged receivers 21 to 24, respective measurement signals sl (t, l), s2 (t, l), s3 ( t, l) and s4 (t, l) (generically noted s ⁇ (t)) in response to detection of respective acoustic waves propagated in water, and by recording these signals as a function of time t.
  • the source 1 and the flute 2 stay away from the bottom B and are respectively immersed at depths Zs and Zr, possibly equal, the flute 2 being at least approximately aligned with the source 1 and at least approximately parallel to the bottom B.
  • the immersion depths of the source 1 and of the receivers 21 to 24 are for example recorded by pressure sensors, the water depth H being for example recorded using a bathymetry sounder.
  • the total height of the water table above the bottom B being noted H, the source 1 and the flute 2 are thus overall, relative to the bottom B, at an average height Hm typically between 10 meters and 20 meters .
  • the receivers 21 to 24 are spaced apart from each other, each receiver 'being separated from a neighboring receiver by a distance d which can be constant or evolving along the flute 2.
  • the flute 2 is considered to be delimited between the two extreme receivers 21 and 24, which are therefore equidistant from the center 20 of this flute.
  • Di. the horizontal distance separating the transmitter from the i th hydrophone and Zri the depth of the i th hydrophone.
  • the ANA analysis phase which is intended to allow the identification of physical parameters such as h j , pj, Cj, cj of each stratum Fj of background B, exploits for this purpose the frequency signature of the incident acoustic wave s (t), and the measurement signals Si (t, l) of the various receivers 21 to 24.
  • the method of the invention first concentrates its analysis on the signals - s ⁇ (t) propagated between the source 1 and the receivers 21 to 24.
  • the incident wave s (t), as isotropic as possible, is emitted by the source 1, of known directivity, in disjoint successive emission time windows, and the measurement signal Sj . (t, l) of each receiver is itself analyzed in separate disjoint reception time windows, during which the propagated signals are detected.
  • each signal received Si (t) consists of attenuated and delayed replicas of the signal transmitted s (t) for the shot noted Tl, the structure of the received signal Si (t) being thus a function of the geometry of the multiple path as the acoustic wave travels through the water ( Figure 5).
  • This multipath mainly comprises a direct path of the acoustic wave from the source 1 to each of the receivers 21 to 24, a path called "background reflected" wave acoustics from the source 1 to each of the receivers 21 to 24 via reflection on the background, the acoustic wave having traversed this path giving rise to the reflection signal rfi (t, l), and a path called "reflected surface" of the acoustic wave from source 1 to each receptors 21 to 24 after reflection from the surface of the water.
  • the measurement of the respective arrival times of these multiple paths in the water makes it possible on the one hand to determine with precision the geometry of the device at the time of the measurement and on the other hand to establish reception windows at the inside which the analysis of reflected reflections will be concentrated.
  • the method of the invention concentrates its analysis on the measurement signals originating from waves reflected only once by the same background B.
  • a sequencing of several consecutive shots then makes it possible to collect the signals denoted Rf ⁇ (t, B) originating from the reflection of the incident acoustic wave on the same background area B and under as many different shaving angles as there are receivers such as 21 to 24.
  • the different reflection signals rfj. (T, l) collected, during a shot 1, on each of the receivers 21 to 24 in an observation window corresponding to the reception of a single echo on the bottom must therefore be respectively associated with different reflection signals rfi (t, l '), rfi (t, l''), rfi (t, l'') etc., collected, during other shots l ', l'',l' '1 , etc. on each of the receivers 21 to 24 to form the so-called "background reflected" signals or reflection reset Rfi (t, B), this operation being carried out in a RECAL registration step which will be detailed later.
  • each background reflected signal Rfj_ (t, B) is itself composite in the sense that it is formed (FIG. 6) by the propagation, along a multiple path, of the acoustic wave incident in the background B , giving rise to reflections of this incident wave on the different strata Fj of the sub-aquatic subsoil.
  • each signal of - reflected background Rfi (t, B) can be described in the form of a set of natural radii denoted Rfs ⁇ (t, B), the index k referring to the kth natural radius associated with the incident wave Rf ⁇ (t, B).
  • the amplitude ratio between the incident and reflected time signal at the interface Fj is directly proportional to the ' Fourier transform of the reflection coefficient R j (f, ⁇ i (j)), the index k here referring to l 'angle ⁇ t (j) with which the k lth eigen ray is reflected on the interface Fj.
  • the signals thus produced and used bear the signature of the environment encountered by the detected waves, and therefore contain sufficiently rich and relevant information of the background B to allow to unambiguously extract from it the geotechnical parameters of the different strata Fj of the subsoil.
  • the echo of an incident wave arriving at the bottom B under an incidence perpendicular to the bottom B is practically sensitive only to changes in acoustic impedance and presents in particular the defect of not being able to allow unambiguously the determination of the thickness-torque speed of each of the strata.
  • each reflected wave reaching one of the receivers 21 to 24 in a reception time window is the result of the reflection of an incident wave having reached the bottom B at a shaving angle ⁇ k at most equal to 70 degrees and at least equal to 10 degrees.
  • Figures 5 and 6 are both completely schematic and incomplete given their simplified and purely spatial presentation, they intuitively illustrate what the multiple paths of the incident wave are, respectively in the water and in the bottom.
  • FIGS. 8A to 8J represent, for 5 shaving angles ⁇ i different from the incident wave between 25 and 70 degrees , the response Rfi (t, B) of the time signal reflected at the bottom, for a transmission signal comprised between 400 and 3200 Hz (FIGS. 8A to 8E) and comprised between 5400 and 8200 Hz (FIG. 8F to 8J).
  • the high frequency signals are appreciably impoverished by the attenuation of the waves in the various strata.
  • the physical parameters hj, pj, Cj, cj of each stratum Fj can be deduced from the incident wave s ( t) and measurement signals s ⁇ (t, l) via a physical model involving the acoustic reflection coefficients R j ( ⁇ (j)) of the strata Fj of the background B seen by the natural rays Rfs ⁇ k (t, B), their attenuation ⁇ j, as well as their frequency dependence.
  • the physical model used makes it possible to take advantage of the angular dependencies of the reflection coefficient and the frequency dependence of the attenuation in the strata.
  • each reflected wave reaching the center 20 of the flute 2 in a reception time window is the result of the reflection of an incident wave having reached the bottom under a raking angle ⁇ i at most equal to 70 degrees and at least equal to 10 degrees, the raking angle ⁇ i even being able to more often be ideally chosen in an angular range between 25 and 65 degrees.
  • each receiver such as 21 to 23 is spaced from a neighboring receiver, such as 22 to 24, by a distance d allowing the grading angle to be as regular as possible.
  • the transmission time windows each have a duration at least equal to 0.1 seconds, and preferably rather at least equal to 0.5 seconds.
  • the duration chosen is a compromise between a short signal minimizing the effects of the movement of the ship and a longer signal increasing the signal to noise ratio.
  • transmission windows are repeated periodically with a period depending on their individual duration, at least equal to 0.5 seconds, and preferably rather at least equal to 1 second.
  • duration of silence between two shots is a compromise between a long duration allowing satisfactory separation of signals received and a short duration allowing greater resolution on the ground.
  • the measurement signals are analyzed in increments of 2 seconds and processed by shot, a shot corresponding to a set of signals formed by a transmitted signal and corresponding measurement signals received by the respective receivers 21 to 24.
  • the method of the invention comprises a pre-treatment phase noted PRE_TRAIT.
  • This PRE_TRAIT preprocessing phase includes a FIL_COR filtering operation, an INVER_GEOM geometric calculation operation, and a RECAL registration step.
  • FIL_COR operation each measurement signal Si (t) is filtered to normalize this signal., Taking into account the frequency signature of the incident acoustic wave s (t).
  • the 'geometry of the instrument during firing is recalculated and the temporal reception windows are identified in order to extract the reflection signals rfi (t, l).
  • each sample measurement signal is associated with a geographic position of the base referenced by its coordinates X and Y, and readjusted to '' to reflect the ship's movement between each shot and shot next, the RECAL step thus producing a set of reflexed reflection signals Rfi (t, B) having seen the same background area B during different shots and under different shaving angles.
  • the filtering carried out during the FIL_COR operation is obtained by estimating the envelope of the intercorrelation between the transmitted signal represented by the incident acoustic wave s (t), and each measurement signal Si ( t, 1).
  • the calculation of the exact instrumental geometry carried out during the operation INVER_GEO is based on the identification of the reflected waves arriving successively on the various receivers 21 to 24.
  • This identification is obtained for example from a maximum detection inside time windows which are defined from the a priori geometry of the instrumentation.
  • the measured times ( ⁇ e k ) m corresponding to this detection are compared to the times ( ⁇ ei) s from a model of clean rays in a stratified medium providing the expression of the theoretical impulse response:
  • C m cy is the average speed of sound in the column of water crossed by the wave having followed this path and in the particular case of the deep sea where surface reflections are not exploited.
  • a search for the exact geometry can be carried out for example by a simulated annealing algorithm with 2.N variables (Di and Zr ⁇ ) by minimizing a cost function expressed from the differences between the theoretical instants associated with the clean rays and the instants of detection of the waves collected on the N different receivers 21 to 24.
  • ⁇ ei 3 represents the delay associated with the reflected . background
  • ⁇ ei 4 represents the delay associated with the first reflected surface-background
  • is a parameter depending on the nature of the signal transmitted
  • t e is the sampling period of each receiver
  • the RECAL registration operation consists in using the position data (X, Y) with the positions of the instruments associated with the corresponding shot so as to calculate the positions Bi 1 (X, Y) of the bottom seen by the hydrophone i during the shot 1.
  • the RECAL registration operation consists in using the position data (X, Y) with the positions of the instruments associated with the corresponding shot so as to calculate the positions Bi 1 (X, Y) of the bottom seen by the hydrophone i during the shot 1.
  • the ANA analysis phase is implemented to allow to deduce from this wave the geotechnical parameters of the bottom by means of '' a model based on the expression of the Rayleigh reflection coefficient.
  • the modeling of the interactions of acoustic waves with the background and its different strata is based on the representation of each stratum on the basis of several parameters including the thickness h of this stratum, the density p (for example in g / cm 3 ), the .
  • the index s specifying that it is the reflected simulated background.
  • the Rayleigh reflection coefficient associated with a fluid-fluid interface is defined by:
  • the ANA analysis phase can use it to extract the geotechnical parameters of the different strata of the sub-aquatic subsoil from the reflexed and corrected reflection signals Rf (t, B ) obtained at the end of the PRE_TRAIT phase.
  • the ANA analysis phase uses for example a shape matching technique known to those skilled in the art, in which case it consists of traversing, in an iterative manner, a loop including a MODEL modeling operation, an operation SOUST subtraction, and an OPTI RETR optimization and feedback operation.
  • a shape matching technique known to those skilled in the art, in which case it consists of traversing, in an iterative manner, a loop including a MODEL modeling operation, an operation SOUST subtraction, and an OPTI RETR optimization and feedback operation.
  • the index "n" will be used below to designate generically the current number of times that the iteration loop has been traversed since the start of the ANA phase, and to identify any magnitude obtained at the nth step of the iterative path of this loop.
  • MODEL modeling consists in calculating, at each step n, the respective fictitious reflexed reflection signals Rfi n (t, B n ) that the receivers 21 to 24 would produce if the background B were constituted by a background noted B n formed of strata Fj defined by fictitious physical parameters h n j, p nj C n j, o. n j virtually attributed to these strata.
  • the initial fictitious physical parameters h Q j, p 0 j, C 0 j, 0j are for example chosen on the basis of general geological indications on the site to be explored, or failing this at random in ranges of plausible or simply possible values , the values taken by the parameters h nj , p nj , C nj , c. nj for s values . non-zero of n being defined step by step by the repeated path of the iteration loop.
  • the number J n defined as the total number of strata assumed, during the execution of the nth step of the iteration loop, to have been detected, this number evolving until obtaining, at the end of the iteration, of the exact total number J e of strata actually detected.
  • the ANA analysis phase firstly includes a SOUST subtraction operation during which the deviations ⁇ ni that present, compared to the fictitious re-aligned reflection signals RfSi n (t, B n ) previously calculated, the re-aligned filtered filter signals and corrected Rfi (t, B e ).
  • the ANA analysis phase includes an optimization and feedback operation 0PTI_RETR at the end of which the fictitious physical parameters are revised according to the deviations observed.
  • the method of the invention calculates, at each iteration step n, a cost function given for example by:
  • This cost function is for example minimized according to a simulated annealing algorithm to produce a refined impulse response Rfsi n + 1 (t, B n + ⁇ ) defining a new background B n + ⁇ used in a new iteration step of the phase ANA , the process converging towards the production of exact parameters h e j, C e j, ⁇ e j of the different strata j.
  • the ANA analysis phase could just as easily use the search for a maximum of correlation between the signals RfSi n (t, B n ) and Rfi (t, B e ).

Abstract

The invention relates to a method for geothechnically characterising an underwater floor (B) involving at least one phase, wherein an acoustic wave is emitted by a source (1) and detected by a receiver streamer (2) and an analysis phase, wherein signals produced by receivers (21-24) are used for determining the physical parameters of a strata forming the floor (B). The inventive method uses the angle and frequency-dependence of the acoustic wave reflection coefficient on the interface formed by each stratum.

Description

PROCEDE DE CARACTERISATION GEOTECHNIQUE D'UN FOND SUBAQUATIQUE, UTILISANT UNE ONDE ACOUSTIQUE A LARGE BANDE ET A RASANCE MULTIPLE. METHOD FOR THE GEOTECHNICAL CHARACTERIZATION OF A UNDERWATER BACKGROUND USING A MULTI-RASANCE BROADBAND ACOUSTIC WAVE.
L'invention concerne, de façon générale, les techniques de prospection par excitation sonique.The invention generally relates to sonic excitation prospecting techniques.
Plus précisément, l'invention concerne un procédé de caractérisation géotechnique d'un fond sub-aquatique, tel qu'un fond sous-marin, recouvert d'une nappe d'eau de hauteur totale déterminée, et comprenant une pluralité de strates formant entre elles des interfaces de séparation, présentant chacune des paramètres physiques propres et s ' étendant à des profondeurs diverses en dessous d'une première strate qui forme une interface de séparation avec l'eâu, ce procédé comprenant au moins une phase d'investigation, une phase de pré-traitement et une phase d'analyse, la phase d'investigation incluant elle-même une opération d'excitation acoustique, mise en œuvre en émettant au moins vers le fond, depuis une source acoustique immergée, une onde acoustique incidente de signature fréquentielle connue, une opération d'acquisition mise en œuvre en produisant, au moyen d'une flûte d'au moins quatre récepteurs immergés, des signaux de mesure respectifs résultant- d'une détection d'ondes acoustiques respectives réfléchies par le fond, et une opération de relevé de données géométriques, la flûte étant au moins approximativement alignée sur la source et distante du fond, les récepteurs étant espacés les uns des autres, et l'onde incidente étant émise dans chaque fenêtre d'une succession de fenêtres temporelles d'émission disjointes, et présentant une variation temporelle de fréquence à l'intérieur de chaque fenêtre d' émission.More specifically, the invention relates to a method for geotechnical characterization of an underwater bottom, such as an underwater bottom, covered with a sheet of water of determined total height, and comprising a plurality of strata forming between them separation interfaces, each presenting its own physical parameters and extending to various depths below a first layer which forms a separation interface with the water, this process comprising at least one investigation phase, one pre-treatment phase and an analysis phase, the investigation phase itself including an acoustic excitation operation, implemented by emitting at least towards the bottom, from an immersed acoustic source, an incident acoustic wave of known frequency signature, an acquisition operation implemented by producing, by means of a flute of at least four submerged receivers, respective measurement signals resulting from detection of respective acoustic waves reflected by the background, and an operation of reading geometric data, the flute being at least approximately aligned with the source and distant from the background, the receivers being spaced from each other, and the incident wave being emitted in each window of a succession of disjoint transmission time windows, and having a variation time frequency within each transmission window.
Un procédé de ce type est par exemple décrit dans le brevet US 6 151 556.A process of this type is for example described in US Pat. No. 6,151,556.
D'autres procédés sont également connus de l'homme du métier, et notamment ceux que décrivent les documents de brevets EP - 0 215 703 et EP - 0 553 053.Other methods are also known to those skilled in the art, and in particular those described in patent documents EP - 0 215 703 and EP - 0 553 053.
De façon plus générale, les systèmes acoustiques connus pour l'investigation des fonds sont soit des systèmes d'imagerie, soit des systèmes sismiques.More generally, the known acoustic systems for the investigation of the funds are either imaging systems or seismic systems.
Les systèmes d'imagerie classiques utilisent des ondes acoustiques de fréquences élevées, typiquement supérieures à 30kHz, émises vers le fond et permettant d'établir une image de la surface du fond indépendamment du sous-sol en présence en se basant sur le mécanisme de rétro-diffusion.Conventional imaging systems use acoustic waves of high frequencies, typically greater than 30 kHz, emitted towards the bottom and making it possible to establish an image of the bottom surface independently of the subsoil present, based on the retro mechanism. -diffusion.
Les systèmes sismiques usuels du type précédemment défini utilisent, en tant qu'émetteur, un boomer produisant un signal acoustique à très basse fréquence -et présentant donc l'avantage de pénétrer profondément dans le sous- sol .The usual seismic systems of the previously defined type use, as a transmitter, a boomer producing an acoustic signal at very low frequency - and therefore having the advantage of penetrating deep into the basement.
Le signal issu des multiples réflexions et recueilli sur une flûte d' hydrophones et/ou de géophones tractée par un navire en synchronisme avec le boomer est ainsi représentatif des couches profondes du sous-sol. En revanche, les caractéristiques fréquentielles du signal émis à très basse fréquence sont mal contrôlées, de sorte que ces systèmes ne fournissent que des indications qualitatives des strates profondes du sous- sol, à des profondeurs typiquement supérieures à 10 mètres, et avec des résolutions verticales typiquement supérieures à 1 mètre.The signal from multiple reflections and collected on a flute of hydrophones and / or geophones towed by a ship in synchronism with the boomer is thus representative of the deep layers of the subsoil. On the other hand, the frequency characteristics of the signal transmitted at very low frequency are poorly controlled, so that these systems only provide qualitative indications of the deep strata of the subsoil, at depths typically greater than 10 meters, and with vertical resolutions typically greater than 1 meter.
Les sondeurs de sédiment récents présentent l'avantage d'utiliser des signaux contrôlés ("chirp" ou sources paramétriques) qui insonifient le fond verticalement à forte puissance. Toutefois, la réception des signaux, assurée par le même transducteur, limite significativement les performances pour des raisons instrumentales (saturation électronique) et physiques (mélange de phénomènes de rétro-diffusion et de réflexion spéculaire, ambiguïté épaisseur/vitesse dans les couches) .Recent sediment sounders have the advantage of using controlled signals ("chirp" or parametric sources) which insonate the bottom vertically at high power. However, signal reception, provided by the same transducer, significantly limits performance for instrumental (electronic saturation) and physical reasons (mixture of backscattering and specular reflection phenomena, thickness / speed ambiguity in the layers).
Dans ce contexte, la présente invention vise à proposer un procédé répondant au besoin, aujourd'hui non satisfait,- de permettre la détermination quantifiée des propriétés géotechniques du sous-sol d'un fond subaquatique sur les premiers mètres, typiquement sur les cinq premiers mètres au moins, et avec une résolution au plus égale à cinquante centimètres.In this context, the present invention aims to propose a process which meets the need, which is today not satisfied, - to allow the quantified determination of the geotechnical properties of the subsoil of an underwater bottom over the first meters, typically over the first five meters at least, and with a resolution at most equal to fifty centimeters.
A cette fin, le procédé de l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que la phase d'investigation inclut une opération de déplacement, concomitante avec les opérations d'excitation et d'acquisition, et mise en œuvre en déplaçant simultanément la source acoustique et la flûte dans la nappe d'eau, en ce que la phase de pré-traitement est mise en œuvre en déduisant, à partir des signaux de mesure, de la signature de l'onde acoustique incidente, et des données géométriques, des signaux de réflexion ayant atteint des récepteurs différents à la suite d'une même émission d'onde incidente, et en regroupant, sous forme de séries de signaux de réflexion recalés, des signaux de réflexion ayant atteint, sous des angles de rasance différents, des récepteurs différents en provenance d'une même zone du fond à la suite de différentes émissions de l'onde incidente, et en ce que la phase d'analyse est mise en œuvre en déduisant les paramètres physiques de chaque strate du fond, à partir des séries de signaux de réflexion recalés, par exploitation de la dépendance angulaire et fréquentielle du coefficient de réflexion de l'onde incidente sur chaque interface, chaque signal de réflexion recalé étant interprété comme une somme d'arrivées retardées et atténuées de rayons propres correspondant à la réflexion de l'onde incidente par les différentes strates de la zone du fond à laquelle correspond ce signal de réflexion recalé.To this end, the method of the invention, moreover in accordance with the generic definition given by the preamble above, is essentially characterized in that the investigation phase includes a displacement operation, concomitant with the operations of excitement and acquisition, and implementation in simultaneously moving the acoustic source and the flute in the water table, in that the pre-treatment phase is implemented by deducing, from the measurement signals, the signature of the incident acoustic wave, and geometrical data, reflection signals having reached different receivers following the same emission of incident wave, and by grouping, in the form of series of reset reflection signals, reflection signals having reached, at angles of different shades, different receivers coming from the same bottom area following different transmissions of the incident wave, and in that the analysis phase is implemented by deducing the physical parameters of each bottom layer , from the series of recalibrated reflection signals, by exploiting the angular and frequency dependence of the reflection coefficient of the incident wave on each interface, each reflective signal exion re-aligned being interpreted as a sum of delayed and attenuated arrivals of clean radii corresponding to the reflection of the incident wave by the different strata of the bottom area to which this re-aligned reflection signal corresponds.
En pratique, chaque onde réfléchie atteignant le centre de la flûte dans une fenêtre temporelle, de réception est avantageusement issue de la réflexion d'une onde incidente ayant atteint le fond sous un angle de rasance au plus égal à 70 degrés et au moins égal à 10 degrés, et de préférence compris entre 25 et 65 degrés.In practice, each reflected wave reaching the center of the flute in a time window, reception is advantageously derived from the reflection of an incident wave having reached the bottom under a raking angle at most equal to 70 degrees and at least equal to 10 degrees, and preferably between 25 and 65 degrees.
Chaque récepteur est par exemple séparé de . la source acoustique par une distance comprise entre environ 1 fois et environ 4 fois la hauteur d'eau moyenne sous les instruments, chaque récepteur pouvant par ailleurs être espacé d'un récepteur voisin par une distance comprise entre environ 0.375 fois et environ 1 fois la hauteur moyenne suivant le nombre de ces récepteurs.Each receiver is for example separated from. the acoustic source by a distance between approximately 1 time and about 4 times the average height of water under the instruments, each receiver can also be spaced from a neighboring receiver by a distance of between about 0.375 times and about 1 times the average height depending on the number of these receivers.
Selon un autre mode d'évaluation des distances, chaque récepteur est typiquement séparé d'un récepteur voisin par une distance correspondant à une différence d'angle de rasance au moins égale à 2 degrés, et de préférence au moins égale à 5 degrés, des signaux de réflexion respectivement reçus par ce récepteur et par le récepteur .voisin. De préférence, l'onde incidente présente, dans chaque fenêtre d'émission, au moins une composante de fréquence relativement basse, dont la fréquence est au moins égale à 100 Hz, cette onde incidente présentant utilement aussi, dans chaque fenêtre d'émission, au moins une composante de fréquence relativement haute, dont la fréquence est au plus égale à 8 kHz.According to another mode of evaluation of the distances, each receiver is typically separated from a neighboring receiver by a distance corresponding to a difference in angle of shaving at least equal to 2 degrees, and preferably at least equal to 5 degrees, of the reflection signals respectively received by this receiver and by the neighboring receiver. Preferably, the incident wave has, in each emission window, at least one relatively low frequency component, the frequency of which is at least equal to 100 Hz, this incident wave usefully also having, in each emission window, at least one relatively high frequency component, the frequency of which is at most equal to 8 kHz.
. Dans un mode de réalisation possible de l'invention, l'onde incidente peut ainsi présenter, • dans chaque fenêtre d'émission, une fréquence continûment variable entre une composante de fréquence relativement basse et une composante de fréquence relativement haute.. In a possible embodiment of the invention, the incident wave can thus have, • in each transmission window, a continuously variable frequency between a relatively low frequency component and a relatively high frequency component.
' Pour obtenir à la fois une information suffisamment riche et une séparation satisfaisante des ondes réfléchies, les fenêtres temporelles d'émission ont chacune par -'exemple une durée au moins égale à 0.1 seconde, et de préférence au moins égale à 0.5 seconde, et sont répétées périodiquement avec une période par exemple au moins égale à 0.5 seconde et de préférence au moins égale à 1 seconde.'To obtain both sufficiently rich information and satisfactory separation of the reflected waves, the transmission time windows each have, for example, a duration at least equal to 0.1 seconds, and preferably at least equal to 0.5 seconds, and are repeated periodically with a period for example at least equal to 0.5 seconds and preferably at least equal to 1 second.
Dans • son mode de réalisation préféré, le procédé de l'invention comprend, en amont de la phase d'analyse, une opération de détermination de la profondeur d'immersion de la source acoustique et/ou de la profondeur d'immersion d'un point de la flûte et/ou de la hauteur d'eau.In • its preferred embodiment, the method of the invention comprises, upstream of the analysis phase, an operation for determining the immersion depth of the acoustic source and / or the immersion depth of a point on the flute and / or water level.
La phase d'analyse est par exemple mise en œuvre en parcourant, de façon itérative, une boucle incluant une opération de modélisation au cours de laquelle sont calculés, à partir de paramètres physiques fictifs virtuellement attribués à la première strate au moins de la ' pluralité de strates, et pour les différents récepteurs, des signaux de réflexion recalés fictifs respectifs issus de signaux de mesure virtuellement produits par ces récepteurs en présence de ces. paramètres fictifs, une opération de soustraction au cours de laquelle sont formés des écarts constatés entre les signaux de réflexion recalés respectifs issus des signaux de mesure réellement produits par ces récepteurs et les signaux de réflexion recalés fictifs correspondants, et une opération d'optimisation et de rétroaction à l'issue de laquelle les paramètres physiques fictifs sont' révisés en fonction des écarts constatés.The analysis phase is for example implemented by iteratively traversing a loop including a modeling operation during which are calculated, from fictitious physical parameters virtually attributed to the first stratum at least of the 'plurality of strata, and for the various receivers, respective fictitious reflexed reflection signals derived from measurement signals virtually produced by these receivers in the presence of these . fictitious parameters, a subtraction operation during which the observed differences are formed between the respective reset reflection signals derived from the measurement signals actually produced by these receivers and the corresponding fictitious reset reflection signals, and an optimization and feedback at the end of which the fictitious physical parameters are ' revised according to the deviations noted.
Le procédé de l'invention permet ainsi une caractérisation géotechnique de chaque strate d'une pluralité de strates d'un fond sub-aquatique au moyen de paramètres physiques choisis dans l'ensemble de paramètres qui comprend l'épaisseur de cette strate, la densité de cette strate, la vitesse du son dans cette strate, l'atténuation du son dans cette strate, la rugosité de cette strate, et un gradient de célérité du son à l'intérieur de cette strate.The method of the invention thus allows a geotechnical characterization of each stratum from a plurality of strata of an underwater bottom by means of physical parameters chosen from the set of parameters which includes the thickness of this stratum, the density of this stratum, the speed of sound in this stratum, the attenuation of sound in this stratum, the roughness of this stratum, and a gradient speed of sound inside this layer.
Dans son mode de réalisation préféré, le procédé de l'invention permet d'identifier les différentes strates du sous-sol sub-aquatique avec des résolutions verticales de l'ordre de dix centimètres.In its preferred embodiment, the method of the invention makes it possible to identify the different strata of the sub-aquatic subsoil with vertical resolutions of the order of ten centimeters.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement, de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :Other characteristics and advantages of the invention will emerge clearly from the description given below, for information and in no way limitative, with reference to the appended drawings, in which:
- la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un équipement mettant en œuvre le procédé de 1 ' invention ;- Figure 1 is a schematic perspective view of equipment implementing the method of one invention;
- la figure 2 est un diagramme schématique présentant de façon approximativement chronologique les principales phases et opérations du procédé de l'invention ;- Figure 2 is a schematic diagram showing in approximately chronological order the main phases and operations of the method of the invention;
- la figure 3, composée des' schémas 3A à 3C, illustre de manière intuitive et partielle l'étape RECAL de recalage et de regroupement de signaux de réflexion mise en oeuvre pendant le déroulement du procédé de l'invention, cette étape conduisant notamment à regrouper des signaux de réflexion provenant d'une même zone du fond;FIG. 3, made up of 'diagrams 3A to 3C, intuitively and partially illustrates the RECAL step of resetting and grouping of reflection signals implemented during the course of the process of the invention, this step leading in particular to group reflection signals from the same bottom area;
- la figure 4, composée des schémas 4A et 4B, complète l'illustration de l'étape RECAL; - la figure 5, composée des schémas 5A et 5B, illustre partiellement les mécanismes de propagation acoustique multiple dans l'eau, et leur exploitation dans l'invention;- Figure 4, composed of diagrams 4A and 4B, completes the illustration of the RECAL step; - Figure 5, composed of diagrams 5A and 5B, partially illustrates the multiple acoustic propagation mechanisms in water, and their use in the invention;
- la figure 6 illustre partiellement les mécanismes de propagation acoustique multiple dans le fond subaquatique;- Figure 6 partially illustrates the multiple acoustic propagation mechanisms in the underwater bottom;
- les figures 7A à 7J sont des diagrammes représentant, en fonction du temps t exprimé en nombre d'échantillons, l'amplitude relative A de signaux de mesure respectivement produits par 10 récepteurs successifs de plus en plus éloignés de la source acoustique et séparés les uns des autres par une - distance importante, et mettant en évidence l'influence des angles avec lesquels les ondes se réfléchissent au fond ; etFIGS. 7A to 7J are diagrams representing, as a function of time t expressed in number of samples, the relative amplitude A of measurement signals respectively produced by 10 successive receivers increasingly distant from the acoustic source and separated from each other by a large distance, and highlighting the influence of the angles with which the waves are reflected at the bottom; and
- les figures 8A à 8J sont des diagrammes représentant, en fonction du temps t exprimé en nombre d'échantillons, l'amplitude relative A- de signaux de mesure respectivement produits par 5 récepteurs successifs de plus en plus éloignés de la source acoustique et pour une modulation de basses fréquences à gauche et pour une modulation de fréquences hautes à droite, mettant en évidence l'influence des fréquences utilisées. NOTATIONSFIGS. 8A to 8J are diagrams representing, as a function of time t expressed in number of samples, the relative amplitude A- of measurement signals respectively produced by 5 successive receivers increasingly distant from the acoustic source and for a modulation of low frequencies on the left and for a modulation of high frequencies on the right, highlighting the influence of the frequencies used. RATINGS
Le lecteur trouvera ci-après quelques-uns des symboles utilisés pour identifier les différentes ''entités impliquées dans la mise en œuvre de l'invention : "i" est un indice compteur utilisé pour numéroter chaque hydrophone en le distinguant ainsi des autres hydrophones;The reader will find below some of the symbols used to identify the different '' entities involved in the implementation of the invention: "i" is a counter index used to number each hydrophone, thus distinguishing it from other hydrophones;
"j" est un indice compteur utilisé pour numéroter chaque strate du fond sub-aquatique en la distinguant ainsi des autres strates du fond;"j" is a counter index used to number each stratum of the underwater bottom, thus distinguishing it from the other strata of the bottom;
"J" est un nombre entier désignant le nombre total de strates observables;"J" is an integer denoting the total number of observable strata;
"k" est un indice compteur utilisé pour numéroter chaque rayon propre d'une onde acoustique en le distinguant des autres rayons propres;"k" is a counter index used to number each eigen ray of an acoustic wave by distinguishing it from the other eigen rays;
"1" est un indice compteur utilisé pour numéroter chaque émission d'une onde acoustique incidente (encore appelée "tir") en la distinguant ainsi des autres émissions d'une onde acoustique;"1" is a counter index used to number each emission of an incident acoustic wave (also called "firing") thus distinguishing it from other emissions of an acoustic wave;
"n" est un indice compteur utilisé pour numéroter chaque boucle d'itération de la phase d'analyse en la distinguant ainsi des autres boucles d'itération;"n" is a counter index used to number each iteration loop of the analysis phase, thus distinguishing it from the other iteration loops;
"e" est un indice attribué à une valeur finale exacte d'un paramètre; s (t) désigne l'onde acoustique incidente;"e" is an index assigned to an exact final value of a parameter; s (t) denotes the incident acoustic wave;
sι(t,l) désigne le signal de mesure reçu sur le ieme hydrophone à la suite du ilème tir; eι(t,l) désigne l'enveloppe de 1 ' intercorrélation entre l'onde acoustique incidente s(t) et le signal de mesuresι (t, l) designates the measurement signal received on the i th hydrophone following the i th firing; eι (t, l) designates the envelope of the intercorrelation between the incident acoustic wave s (t) and the measurement signal
rfi(t,l) désigne le signal de réflexion associé au signal de mesure Si(t,l) par application à l'enveloppe eι(t,l) d'une fenêtre de réception;rfi (t, l) designates the reflection signal associated with the measurement signal Si (t, l) by application to the envelope eι (t, l) of a reception window;
Rfi(t,B) désigne un signal de réflexion recalé, issu du signal de réflexion rfj_(t,l) par une étape de recalage RECAL et associé au fond B;Rfi (t, B) designates a readjusted reflection signal, originating from the reflection signal rfj_ (t, l) by a registration step RECAL and associated with the background B;
Rfsι(t, B) désigne un signal de réflexion recalé fictif, obtenu par simulation;Rfsι (t, B) designates a fictitious readjusted reflection signal obtained by simulation;
Rfsi (t, B) désigne le klème rayon propre du signal de réflexion recalé Rfi(t,B); etRfsi (t, B) denotes the k lth eigen ray of the readjusted reflection signal Rfi (t, B); and
θi (j) désigne l'angle de rasance sur la jlème strate du klè e rayon propre du signal de réflexion recueilli sur le ième hydrophone.θi (j) denotes the rasance angle on the j -th Strata k e own radius of the reflection signal received at the ith hydrophone.
Comme indiqué précédemment, l'invention concerne (figure 1) un procédé de caractérisation géotechnique d'un fond sub-aquatique B, tel qu'un fond sous-marin, recouvert d'une nappe d'eau de hauteur totale H déterminée.As indicated above, the invention relates (FIG. 1) to a method of geotechnical characterization of a sub-aquatic bottom B, such as an underwater bottom, covered with a sheet of water of total height H determined.
Ce fond B comprend une pluralité de strates telles que Fl, F2, etc. (figure 6), génériquement notées Fj et présentant chacune des paramètres physiques propres. La première strate FI forme une interface avec l'eau, les autres strates s ' étendant en dessous de cette première strate à des profondeurs diverses.This background B comprises a plurality of strata such as Fl, F2, etc. (Figure 6), generically noted Fj and each presenting its own physical parameters. The first stratum FI forms an interface with water, the other strata extending below this first stratum at various depths.
Le procédé de l'invention vise, pour chacune des strates Fj d'un ensemble de strates comprenant typiquement, mais non limitativement, entre deux et cinq strates, à déterminer plusieurs paramètres distinctifs de cette strate, tels que l'épaisseur hj de cette strate, sa densité pj, la vitesse du son Cj dans cette strate, et plus précisément la vitesse Cpj pour des ondes de compression et la vitesse Csj pour des ondes de cisaillement, l'atténuation du son o(j dans cette strate, et plus précisément l'atténuation Pj pour des ondes de compression et l'atténuation Sj pour des ondes de cisaillement, ainsi, éventuellement, que la rugosité dans cette strate, ou un gradient de célérité du son.The method of the invention aims, for each of the strata Fj of a set of strata typically comprising, but not limited to, between two and five strata, to determine several distinctive parameters of this stratum, such as the thickness hj of this stratum , its density p j , the speed of sound Cj in this stratum, and more precisely the speed C p j for compression waves and the speed C s j for shear waves, the attenuation of sound o ( j in this stratum, and more precisely the attenuation P j for compression waves and the attenuation S j for shear waves, as well as possibly the roughness in this stratum, or a sound speed gradient.
Le procédé de l'invention comprend essentiellement une phase d'investigation INVESTIG, une phase de prétraitements PRE__TRAIT et une phase d'analyse ANA.The process of the invention essentially comprises an INVESTIG investigation phase, a PRE__TRAIT pretreatment phase and an ANA analysis phase.
La phase d'investigation INVESTIG inclut elle-même une opération de déplacement DEPL, une opération d'excitation acoustique EXCIT, une opération d'acquisition ACQUI, et une opération RELEV de relevé de données non acoustiques, ces opérations étant mises en œuvre de façon globalement simultanée. L'opération de déplacement DEPL consiste à déplacer dans la nappe d'eau, au moyen d'un navire N et à vitesse réduite idéalement constante, une source acoustique 1 et une flûte 2 au-dessus du fond B, la flûte 2 comprenant par exemple trois, quatre, ou cinq récepteurs acoustiques 21 à 24, encore appelés hydrophones.The INVESTIG investigation phase itself includes a DEPL displacement operation, an EXCIT acoustic excitation operation, an ACQUI acquisition operation, and a RELEV operation for reading non-acoustic data, these operations being implemented so globally simultaneous. The DEPL displacement operation consists in moving in the water table, by means of a vessel N and at ideally constant reduced speed, an acoustic source 1 and a flute 2 above the bottom B, the flute 2 comprising for example three, four, or five acoustic receivers 21 to 24, also called hydrophones.
L'opération RELEV de relevé de données non acoustiques comprend elle-même une opération CAPT de capture de données environnementales et une opération de repérage REPER.The RELEV operation for reading non-acoustic data itself includes a CAPT operation for capturing environmental data and a REPER tracking operation.
L'opération CAPT de capture de données environnementales consiste à enregistrer à chaque instant t les profondeurs de la source acoustique 1 et d'un point de la flûte 2, ainsi que la hauteur d'eau H.The CAPT operation for capturing environmental data consists in recording at any time t the depths of the acoustic source 1 and of a point on the flute 2, as well as the water height H.
L'opération de repérage REPER consiste à enregistrer, à chaque instant t, les coordonnées X et Y du point du navire N.The REPER locating operation consists in recording, at each instant t, the X and Y coordinates of the point of the ship N.
L'opération EXCIT d'excitation acoustique est mise en œuvre en émettant de façon aussi isotrope que possible, notamment vers le fond B et depuis la source acoustique immergée 1, l'onde acoustique incidente s(t), de signature fréquentielle connue.The EXCIT acoustic excitation operation is implemented by emitting as isotropically as possible, in particular towards the bottom B and from the immersed acoustic source 1, the incident acoustic wave s (t), of known frequency signature.
L'opération d'acquisition ACQUI est, quant- à elle, mise en œuvre en produisant, au moyen des récepteurs immergés 21 à 24, des signaux de mesure respectifs sl(t,l), s2(t,l), s3(t,l) et s4(t,l) (génériquement notés sι(t)) en réponse à une détection d'ondes acoustiques respectives propagée dans l'eau, et en enregistrant ces signaux en fonction du temps t.The acquisition operation ACQUI is, in turn, implemented by producing, by means of the submerged receivers 21 to 24, respective measurement signals sl (t, l), s2 (t, l), s3 ( t, l) and s4 (t, l) (generically noted sι (t)) in response to detection of respective acoustic waves propagated in water, and by recording these signals as a function of time t.
Comme le montre la figure 1, la source 1 et la flûte 2 restent à distance du fond B et se trouvent respectivement immergées à des profondeurs Zs et Zr, éventuellement égales, la flûte 2 étant au moins approximativement alignée sur la source 1 et au moins approximativement parallèle au fond B.As shown in Figure 1, the source 1 and the flute 2 stay away from the bottom B and are respectively immersed at depths Zs and Zr, possibly equal, the flute 2 being at least approximately aligned with the source 1 and at least approximately parallel to the bottom B.
Les profondeurs d'immersion de la source 1 et des récepteurs 21 à 24 sont par exemple enregistrées par des capteurs de pression, la profondeur d'eau H étant par exemple enregistrée à l'aide d'un sondeur de bathymétrie.The immersion depths of the source 1 and of the receivers 21 to 24 are for example recorded by pressure sensors, the water depth H being for example recorded using a bathymetry sounder.
La hauteur totale de la nappe d'eau au-dessus du fond B étant notée H, la source 1 et la flûte 2 se trouvent ainsi globalement, par rapport au fond B, à une hauteur moyenne Hm typiquement comprise entre 10 mètres et 20 mètres.The total height of the water table above the bottom B being noted H, the source 1 and the flute 2 are thus overall, relative to the bottom B, at an average height Hm typically between 10 meters and 20 meters .
Les récepteurs 21 à 24 sont espacés les uns -des autres, chaque récepteur ' étant séparé d'un récepteur voisin par une distance d qui peut être constante ou évolutive le long de la flûte 2.The receivers 21 to 24 are spaced apart from each other, each receiver 'being separated from a neighboring receiver by a distance d which can be constant or evolving along the flute 2.
La flûte 2 est considérée comme délimitée entre les deux récepteurs extrêmes 21 et 24, qui sont donc équidistants du centre 20 de cette flûte. On note 'Di., la distance horizontale séparant l'émetteur du ième hydrophone et Zri la profondeur du ième hydrophone .The flute 2 is considered to be delimited between the two extreme receivers 21 and 24, which are therefore equidistant from the center 20 of this flute. We note ' Di., the horizontal distance separating the transmitter from the i th hydrophone and Zri the depth of the i th hydrophone.
La phase d'analyse ANA, qui est destinée à permettre l'identification des paramètres physiques tels que hj, pj, Cj, c.j de chaque strate Fj du fond B, exploite à cette fin la signature fréquentielle de l'onde acoustique incidente s(t), et les signaux de mesure Si(t,l) des différents récepteurs 21 à 24. Le procédé de l'invention concentre d'abord son analyse sur les signaux- sι(t) propagés entre la source 1 et les récepteurs 21 à 24.The ANA analysis phase, which is intended to allow the identification of physical parameters such as h j , pj, Cj, cj of each stratum Fj of background B, exploits for this purpose the frequency signature of the incident acoustic wave s (t), and the measurement signals Si (t, l) of the various receivers 21 to 24. The method of the invention first concentrates its analysis on the signals - sι (t) propagated between the source 1 and the receivers 21 to 24.
Pour ce faire, l'onde incidente s(t), aussi isotrope que possible, est émise par la source 1, de directivité connue, dans des fenêtres temporelles d'émission successives disjointes, et le signal de mesure Sj.(t,l) de chaque récepteur est lui-même analysé dans des fenêtres temporelles de réception successives disjointes, au cours desquelles sont détectés les signaux propagés.To do this, the incident wave s (t), as isotropic as possible, is emitted by the source 1, of known directivity, in disjoint successive emission time windows, and the measurement signal Sj . (t, l) of each receiver is itself analyzed in separate disjoint reception time windows, during which the propagated signals are detected.
Dans ces conditions, chaque signal reçu Si(t) est constitué de répliques atténuées et retardées du signal émis s(t) pour le tir noté Tl, la structure du signal reçu Si(t) étant ainsi fonction de la géométrie du trajet multiple que l'onde acoustique parcourt dans l'eau (figure 5) .Under these conditions, each signal received Si (t) consists of attenuated and delayed replicas of the signal transmitted s (t) for the shot noted Tl, the structure of the received signal Si (t) being thus a function of the geometry of the multiple path as the acoustic wave travels through the water (Figure 5).
Ce trajet multiple comprend principalement un trajet direct de l'onde acoustique depuis la source 1 jusqu'à chacun des récepteurs 21 à 24, un trajet dit "réfléchi fond" de l'onde' acoustique depuis la source 1 jusqu'à chacun des récepteurs 21 à 24 via réflexion sur le fond, l'onde acoustique ayant parcouru ce trajet donnant naissance au signal de réflexion rfi(t,l), et un trajet dit "réfléchi surface" de l'onde acoustique depuis lasource 1 jusqu'à chacun des récepteurs 21 à 24 après réflexion à la surface de l'eau.This multipath mainly comprises a direct path of the acoustic wave from the source 1 to each of the receivers 21 to 24, a path called "background reflected" wave acoustics from the source 1 to each of the receivers 21 to 24 via reflection on the background, the acoustic wave having traversed this path giving rise to the reflection signal rfi (t, l), and a path called "reflected surface" of the acoustic wave from source 1 to each receptors 21 to 24 after reflection from the surface of the water.
Dans le cas particulier des fonds à faible hauteur d'eau H ou "petits fonds", on utilisera avantageusement le trajet de réfléchi surface, voire le trajet dit de "réfléchi fond-surface" impliquant une réflexion de l'onde acoustique à la fois sur le fond et sur la surface entre son émission par la source 1 et sa détection par l'un des récepteurs 21 à 24.In the particular case of bottoms with a low water level H or "shallow bottoms", the path of reflected surface, or even the path called "reflected bottom-surface" involving a reflection of the acoustic wave both on the background and on the surface between its emission by the source 1 and its detection by one of the receivers 21 to 24.
La mesure des temps d'arrivée respectifs de ces trajets multiples dans l'eau permet d'une part de déterminer avec précision la géométrie du dispositif à l'instant de la mesure et d'autre part d'établir des fenêtres de réception à l'intérieur desquelles se concentrera l'analyse des réfléchis fond.The measurement of the respective arrival times of these multiple paths in the water makes it possible on the one hand to determine with precision the geometry of the device at the time of the measurement and on the other hand to establish reception windows at the inside which the analysis of reflected reflections will be concentrated.
Plus précisément, le procédé de l'invention concentre son analyse sur les signaux de mesure issus d'ondes réfléchies une seule fois par le même fond B. Comme indiqué sur la figure 3, dont les différents schémas 3A à 3C correspondent à des tirs différents, un ordonnancement de plusieurs tirs consécutifs permet alors de recueillir les signaux notés Rfι(t,B) issus de la réflexion de l'onde acoustique incidente sur une même zone de fond B et sous autant d'angles de rasance différents qu'il existe de récepteurs tels que 21 à 24.More precisely, the method of the invention concentrates its analysis on the measurement signals originating from waves reflected only once by the same background B. As indicated in FIG. 3, whose different diagrams 3A to 3C correspond to different shots , a sequencing of several consecutive shots then makes it possible to collect the signals denoted Rfι (t, B) originating from the reflection of the incident acoustic wave on the same background area B and under as many different shaving angles as there are receivers such as 21 to 24.
Comme le montre la figure 4, les différents signaux de réflexion rfj.(t,l) recueillis, lors d'un tir 1, sur chacun des récepteurs 21 à 24 dans une fenêtre d'observation correspondant à la réception d'un écho unique sur le fond doivent donc être respectivement associés à différents signaux de réflexion rfi(t,l'), rfi(t,l''), rfi(t,l''') etc., recueillis, lors d'autres tirs l', l'', l''1, etc. sur chacun des récepteurs 21 à 24 pour former les signaux dits de "réfléchi fond" ou de réflexion recalés Rfi(t,B), cette opération étant effectuée à une étape de recalage RECAL qui sera détaillée ultérieurement.As shown in FIG. 4, the different reflection signals rfj. (T, l) collected, during a shot 1, on each of the receivers 21 to 24 in an observation window corresponding to the reception of a single echo on the bottom must therefore be respectively associated with different reflection signals rfi (t, l '), rfi (t, l''), rfi (t, l''') etc., collected, during other shots l ', l'',l''1 , etc. on each of the receivers 21 to 24 to form the so-called "background reflected" signals or reflection reset Rfi (t, B), this operation being carried out in a RECAL registration step which will be detailed later.
En réalité, chaque signal de réfléchi fond Rfj_(t,B) est lui-même composite en ce sens qu'il est formé (figure 6) par la propagation, suivant un trajet multiple, de l'onde acoustique incidente dans le fond B, donnant lieu à des réflexions de cette onde incidente sur les différentes strates Fj du sous-sol sub-aquatique.In reality, each background reflected signal Rfj_ (t, B) is itself composite in the sense that it is formed (FIG. 6) by the propagation, along a multiple path, of the acoustic wave incident in the background B , giving rise to reflections of this incident wave on the different strata Fj of the sub-aquatic subsoil.
Dans ces conditions, chaque signal de - réfléchi fond Rfi(t,B) peut être décrit sous la forme d'un ensemble de rayons propres notés Rfsι (t,B), l'indice k se rapportant au klème rayon propre associé à l'onde incidente Rfι(t,B). Le rapport d'amplitude entre le signal temporel incident et réfléchi à l'interface Fj est directement proportionnel à la transformée de ' Fourier du coefficient de réflexion Rj (f,θi (j ) ) , l'indice k se rapportant ici à l'angle θt (j) avec lequel le klème rayon propre vient se réfléchir sur l'interface Fj .Under these conditions, each signal of - reflected background Rfi (t, B) can be described in the form of a set of natural radii denoted Rfsι (t, B), the index k referring to the kth natural radius associated with the incident wave Rfι (t, B). The amplitude ratio between the incident and reflected time signal at the interface Fj is directly proportional to the ' Fourier transform of the reflection coefficient R j (f, θi (j)), the index k here referring to l 'angle θ t (j) with which the k lth eigen ray is reflected on the interface Fj.
Or, ce coefficient de réflexion Rj (f -, θ± k (j ) ) , dans le cadre d'une modélisation de Rayleigh, est relié aux paramètres géotechniques des différentes strates Fj-1 Fj du sous-sol.However, this reflection coefficient Rj (f -, θ ± k (j)), within the framework of a Rayleigh modeling, is linked to the geotechnical parameters of the different strata Fj-1 Fj of the subsoil.
Les signaux ainsi produits et exploités portent la signature de l'environnement rencontré par les ondes détectées, et contiennent donc une information suffisamment riche et pertinente du fond B pour permettre d'en extraire sans ambiguïté les paramètres géotechniques des différentes strates Fj du sous-sol.The signals thus produced and used bear the signature of the environment encountered by the detected waves, and therefore contain sufficiently rich and relevant information of the background B to allow to unambiguously extract from it the geotechnical parameters of the different strata Fj of the subsoil.
L'écho d'une onde incidente parvenant au fond B sous un angle de rasance θ très rasant n'est pratiquement sensible qu'à l'atténuation acoustique de la strate FI.The echo of an incident wave arriving at the bottom B under a very grazing ance raking angle is practically sensitive only to the acoustic attenuation of the stratum FI.
L'écho d'une onde incidente parvenant au fond B sous une incidence perpendiculaire au fond B n'est pratiquement sensible qu'aux changements d'impédance acoustique et présente notamment le défaut de ne pas pouvoir permettre sans ambiguïté la détermination du couple épaisseur- vitesse de chacune des strates.The echo of an incident wave arriving at the bottom B under an incidence perpendicular to the bottom B is practically sensitive only to changes in acoustic impedance and presents in particular the defect of not being able to allow unambiguously the determination of the thickness-torque speed of each of the strata.
De façon générale, il est donc préférable de récupérer des signaux ayant subi une réflexion à des angles de rasance assez faibles sur chacune des strates Fj composant le fond.In general, it is therefore preferable to recover signals having undergone reflection at fairly low shaving angles on each of the strata Fj making up the background.
Ainsi, des angles de rasance modérés sont ^nécessaires pour décrire la première strate FI et des angles de rasance plus importants sont nécessaires pour décrire les couches plus profondes, F2, etc. Il est donc apparu très opportun de faire en sorte, pour l'invention, que chaque onde réfléchie atteignant l'un des récepteurs 21 à 24 dans une fenêtre temporelle de réception soit issue de la réflexion d'une onde incidente ayant atteint le fond B sous un angle de rasance θk au plus égal à 70 degrés et au moins égal à 10 degrés.Thus, moderate rasance ^ angles are needed to describe the first stratum FI and larger rasance angles are needed to describe the deeper layers, F2, etc. It therefore appeared very expedient to ensure, for the invention, that each reflected wave reaching one of the receivers 21 to 24 in a reception time window is the result of the reflection of an incident wave having reached the bottom B at a shaving angle θ k at most equal to 70 degrees and at least equal to 10 degrees.
Bien que les figures 5 et 6 soient à la fois totalement schématiques et incomplètes compte tenu de leur mode de présentation simplifié et purement spatial, elles illustrent, de façon intuitive, ce que sont les trajets multiples de l'onde incidente, respectivement dans l'eau et dans le fond.Although Figures 5 and 6 are both completely schematic and incomplete given their simplified and purely spatial presentation, they intuitively illustrate what the multiple paths of the incident wave are, respectively in the water and in the bottom.
L'importance ci-dessus discutée des angles d'émission vis à vis du réfléchi fond peut être observée sur les courbes des figures 7A à 7J, correspondant respectivement aux ondes recueillies sur des récepteurs disposés à des distances correspondant à des angles de rasance au fon'd décroissant de 72 à 25 degrés.The importance discussed above of the angles of emission with respect to the reflected background can be observed on the curves of FIGS. 7A to 7J, corresponding respectively to the waves collected on receivers arranged at distances corresponding to angles of razor to the fundus. 'd decreasing from 72 to 25 degrees.
Ainsi, il apparaît que la courbe 7B, qui correspond à des angles de rasance forts, apporte peu d'information relativement à la courbe 7A puisque pour ces angles, le coefficient de réflexion de chaque strate est pratiquement indépendant de l'angle de rasance. De même, il apparaît que les courbes 71 - et 7J qui correspondent à des angles de rasance faibles n' apportent plus d' information puisque les ondes ne pénètrent pas dans le fond. Inversement, les- figures 7B à 71 qui correspondent à un balayage angulaire pertinent, présentent une forte variabilité permettant de retrouver sans ambiguïté les caractéristiques du fond.Thus, it appears that the curve 7B, which corresponds to strong shaving angles, provides little information relative to the curve 7A since for these angles, the reflection coefficient of each stratum is practically independent of the shaving angle. Similarly, it appears that the curves 71 - and 7J which correspond to small shaving angles no longer provide any information since the waves do not penetrate the background. Conversely, FIGS. 7B to 71, which correspond to a relevant angular scan, exhibit a high variability making it possible to find the characteristics of the background without ambiguity.
De même, alors que la signature d'une onde incidente très basse fréquence est difficile à maîtriser, et qu'une onde à haute fréquence présente une capacité de pénétration nulle dans les strates profondes, il est apparu très opportun, pour l'invention, d'utiliser une onde incidente présentant une composante de fréquence relativement basse au moins égale à 100 Hz, et une composante de fréquence relativement haute au plus égale à 8 kHz, cette onde incidente présentant par exemple, dans chaque fenêtre d'émission, une fréquence continûment variable entre 100 Hz et 8 kHz.Likewise, while the signature of a very low frequency incident wave is difficult to control, and a high frequency wave has a zero penetration capacity in the deep strata, it appeared very expedient, for the invention, using an incident wave having a relatively low frequency component at least equal to 100 Hz, and a relatively high frequency component at most equal to 8 kHz, this incident wave having for example, in each window emission frequency continuously variable between 100 Hz and 8 kHz.
La relation liant la profondeur de pénétration d'une onde acoustique incidente à la fréquence de cette onde est clairement illustrée par les figures 8A à 8J, qui représentent, pour 5 angles de rasance θi différents de l'onde incidente compris entre 25 et 70 degrés, la réponse Rfi(t,B) du signal temporel réfléchi au fond, pour un signal d'émission compris entre 400 et 3200 Hz (figures 8A à 8E) et compris entre 5400 et 8200 Hz (figure 8F à 8J) . Bien que présentant la même résolution temporelle que les signaux basse fréquence, les signaux haute fréquence sont sensiblement appauvris par l'atténuation des ondes dans les diverses strates.The relation linking the penetration depth of an incident acoustic wave to the frequency of this wave is clearly illustrated by FIGS. 8A to 8J, which represent, for 5 shaving angles θi different from the incident wave between 25 and 70 degrees , the response Rfi (t, B) of the time signal reflected at the bottom, for a transmission signal comprised between 400 and 3200 Hz (FIGS. 8A to 8E) and comprised between 5400 and 8200 Hz (FIG. 8F to 8J). Although having the same temporal resolution as the low frequency signals, the high frequency signals are appreciably impoverished by the attenuation of the waves in the various strata.
Ainsi, grâce à un choix approprié de l'angle de rasance et grâce à une variation de la fréquence acoustique d'excitation, les paramètres physiques hj, pj, Cj, c.j de chaque strate Fj peuvent être déduits de l'onde incidente s (t) et des signaux de mesure sι(t,l) par l'intermédiaire d'un modèle physique faisant intervenir les coefficients de réflexion acoustique Rj(θι (j)) des strates Fj du fond B vu par les rayons propres Rfsιk(t,B), leur atténuation αj, ainsi que leur dépendance fréquentielle.Thus, thanks to an appropriate choice of the razor angle and thanks to a variation of the acoustic excitation frequency, the physical parameters hj, pj, Cj, cj of each stratum Fj can be deduced from the incident wave s ( t) and measurement signals sι (t, l) via a physical model involving the acoustic reflection coefficients R j (θι (j)) of the strata Fj of the background B seen by the natural rays Rfsι k (t, B), their attenuation αj, as well as their frequency dependence.
Autrement dit, le modèle physique employé permet de tirer parti des dépendances angulaires du coefficient de réflexion et de la dépendance fréquentielle de l'atténuation dans les strates.In other words, the physical model used makes it possible to take advantage of the angular dependencies of the reflection coefficient and the frequency dependence of the attenuation in the strata.
En pratique, il est souvent utile de faire en sorte que chaque onde réfléchie atteignant le centre 20 de la flûte 2 dans une fenêtre temporelle de réception soit issue de la réflexion d'une onde incidente ayant atteint le fond sous un angle de rasance θi au plus égal à 70 degrés et au moins égal à 10 degrés, l'angle de rasance θi pouvant même le plus souvent être idéalement choisi dans une plage angulaire comprise entre 25 et 65 degrés.In practice, it is often useful to ensure that each reflected wave reaching the center 20 of the flute 2 in a reception time window is the result of the reflection of an incident wave having reached the bottom under a raking angle θi at most equal to 70 degrees and at least equal to 10 degrees, the raking angle θi even being able to more often be ideally chosen in an angular range between 25 and 65 degrees.
Chaque récepteur 21 à 24 est alors séparé de la source acoustique 1 par une distance D comprise entre environ 1 fois et environ 4 fois la hauteur moyenne Hm, la valeur D = Hm concernant essentiellement le récepteur 21 le plus proche de la source 1, et la valeur D = 4. Hm concernant plutôt le récepteur 24 le plus éloigné de la source 1.Each receiver 21 to 24 is then separated from the acoustic source 1 by a distance D of between approximately 1 and approximately 4 times the average height Hm, the value D = Hm essentially relating to the receiver 21 closest to the source 1, and the value D = 4. Hm rather relates to the receiver 24 furthest from the source 1.
Dans ces conditions, chaque récepteur, tel que 21 à 23, est espacé d'un récepteur voisin, tel que 22 à 24, par une distance d permettant une discrétisation la plus régulière possible de l'angle de rasance.Under these conditions, each receiver, such as 21 to 23, is spaced from a neighboring receiver, such as 22 to 24, by a distance d allowing the grading angle to be as regular as possible.
En pratique, les fenêtres temporelles d'émission ont chacune une durée au moins égale à 0.1 seconde, et de préférence plutôt au moins égale à 0.5 secondes. De façon générale, la durée choisie est un compromis entre un signal court minimisant les effets du mouvement du navire et un signal plus long augmentant le rapport signal à bruit.In practice, the transmission time windows each have a duration at least equal to 0.1 seconds, and preferably rather at least equal to 0.5 seconds. In general, the duration chosen is a compromise between a short signal minimizing the effects of the movement of the ship and a longer signal increasing the signal to noise ratio.
Ces fenêtres d'émission sont répétées périodiquement avec une période dépendant de leur durée individuelle, au moins égale à 0.5 secondes, et de préférence plutôt au moins égale à 1 seconde. De façon générale, la durée du silence entre deux tirs est un compromis entre une durée élevée permettant une séparation satisfaisante des signaux reçus et une durée faible permettant une plus grande résolution au sol.These transmission windows are repeated periodically with a period depending on their individual duration, at least equal to 0.5 seconds, and preferably rather at least equal to 1 second. In general, the duration of silence between two shots is a compromise between a long duration allowing satisfactory separation of signals received and a short duration allowing greater resolution on the ground.
Dans le cas préféré, les signaux de mesure sont analysés par tranche de 2 secondes et traités par tir, un tir correspondant à un jeu de signaux formé d'un signal émis et des signaux de mesure correspondants reçus par les récepteurs respectifs 21 à 24.In the preferred case, the measurement signals are analyzed in increments of 2 seconds and processed by shot, a shot corresponding to a set of signals formed by a transmitted signal and corresponding measurement signals received by the respective receivers 21 to 24.
Entre la phase d'investigation INVESTIG telle que précédemment décrite, et la phase d'analyse ANA qui sera davantage détaillée ultérieurement, le procédé de l'invention comprend une phase de pré-traitement notée PRE_TRAIT.Between the INVESTIG investigation phase as previously described, and the ANA analysis phase which will be described in more detail later, the method of the invention comprises a pre-treatment phase noted PRE_TRAIT.
Cette phase de pré-traitement PRE_TRAIT comprend une opération de filtrage FIL_COR, une opération de calcul géométrique INVER_GEOM, et une étape de recalage RECAL. Au cours de l'opération FIL_COR, chaque signal de mesure Si(t) est filtré pour normaliser ce signal., en tenant compte de la signature fréquentielle de l'onde acoustique incidente s (t) .This PRE_TRAIT preprocessing phase includes a FIL_COR filtering operation, an INVER_GEOM geometric calculation operation, and a RECAL registration step. During the FIL_COR operation, each measurement signal Si (t) is filtered to normalize this signal., Taking into account the frequency signature of the incident acoustic wave s (t).
Au cours de l'opération INVER_GEOM, la' géométrie de l'instrumentation lors du tir est recalculée et les fenêtres temporelles de réception sont identifiées pour pouvoir extraire les signaux de réflexion rfi(t,l).During the INVER_GEOM operation, the 'geometry of the instrument during firing is recalculated and the temporal reception windows are identified in order to extract the reflection signals rfi (t, l).
Enfin, au cours de l'étape RECAL, chaque signal de mesure extrait est associé à une position géographique du fond repérée par ses coordonnées X et Y, et recalé de ''façon à tenir compte du déplacement du navire entre chaque tir et le tir suivant, l'étape RECAL produisant ainsi un jeu de signaux de réflexion recalés Rfi(t,B) ayant vu une même zone de fond B lors de tirs différents et sous des angles de rasance différents.Finally, during the RECAL step, each sample measurement signal is associated with a geographic position of the base referenced by its coordinates X and Y, and readjusted to '' to reflect the ship's movement between each shot and shot next, the RECAL step thus producing a set of reflexed reflection signals Rfi (t, B) having seen the same background area B during different shots and under different shaving angles.
Le filtrage effectué lors de l'opération FIL_COR, dit "adapté", est obtenu par estimation de l'enveloppe de l' intercorrélation entre le signal émis représenté par l'onde acoustique incidente s (t) , et chaque signal de mesure Si (t, 1) . L'opération de filtrage consiste d'abord à effectuer la corrélation : ct(t,l) = js(τ).si(t-τ,l)dτ ,The filtering carried out during the FIL_COR operation, called "adapted", is obtained by estimating the envelope of the intercorrelation between the transmitted signal represented by the incident acoustic wave s (t), and each measurement signal Si ( t, 1). The filtering operation first consists in performing the correlation: c t (t, l) = js (τ) .s i (t-τ, l) dτ,
puis à effectuer une extraction d'enveloppe du signal Ci(t,l) qui se réalise par exemple à l'aide d'une phase de démodulation selon ci(t,V).e~Λπfct , où fc est la fréquence centrale du signal émis et suivie d'un filtrage passe-bas à la fréquence de coupure FCOuP > (Fmax-Fmin) /2 pour obtenir le signal eι(t,l).then carry out an envelope extraction of the signal Ci (t, l) which is carried out for example using a demodulation phase according to c i (t, V) .e ~ Λπfct , where f c is the frequency central of the signal transmitted and followed by low-pass filtering at the cut-off frequency F CO u P > (Fmax-Fmin) / 2 to obtain the signal eι (t, l).
Le calcul de la géométrie instrumentale exacte effectué lors de l'opération INVER_GEO est basé sur l'identification des ondes réfléchies arrivant successivement sur les différents récepteurs 21 à 24.The calculation of the exact instrumental geometry carried out during the operation INVER_GEO is based on the identification of the reflected waves arriving successively on the various receivers 21 to 24.
Cette identification est obtenue par exemple à partir d'une détection de maximum à l'intérieur de fenêtres temporelles qui sont définies à partir de la géométrie a priori de l'instrumentation. On compare les temps mesurés (τek)m correspondant à cette détection aux temps (τei ) s issus d'un modèle de rayons propres en milieu stratifié fournissant l'expression de la réponse impulsionnelle théorique :This identification is obtained for example from a maximum detection inside time windows which are defined from the a priori geometry of the instrumentation. The measured times (τe k ) m corresponding to this detection are compared to the times (τei) s from a model of clean rays in a stratified medium providing the expression of the theoretical impulse response:
Rieχt) = ∑Ai k.δ(t- τef) Equation 1 fc=ι où N représente le nombre de trajets acoustiques pouvant relier un récepteur à l'émetteur, où t représente la variable temps, où τeι représente le retard que présente, par rapport à l'émission de l'onde incidente, la réception d'une onde ayant suivi le klème trajet, où δ représente la fonction de Dirac, et où ik représente l'amplitude relative, rapportée à celle de l'onde incidente émise, de l'onde ayant suivi le klème trajet et parvenant au récepteur avec un retard τeι , la notation τe rappelant qu'il s'agit des retards associés au trajet multiple de l'onde acoustique dans l'eau.Rieχt) = ∑A i k .δ (t- τef) Equation 1 fc = ι where N represents the number of acoustic paths that can connect a receiver to the transmitter, where t represents the time variable, where τeι represents the delay that presents , with respect to the emission of the incident wave, the reception of a wave having followed the k th path, where δ represents the Dirac function, and where i k represents the relative amplitude, compared to that of the incident wave emitted, of the wave having followed the k th path and reaching the receiver with a delay τeι, the notation τe recalling that these are delays associated with the multiple path of the acoustic wave in water.
Les retards associés au trajet direct et au réfléchi fond sont successivement donnés par : i ^(Zs - Zr +D2 2 J(2.H-Zs-Zrl)2 +Dl 2 τe. =- — et τe, = - — 1 C moy C moyThe delays associated with the direct path and the reflected background are successively given by: i ^ (Zs - Zr + D 2 2 J (2.H-Zs-Zr l ) 2 + D l 2 τe. = - - and τe, = - - 1 C av C av
où Cmc.y est la vitesse moyenne du son dans la colonne d'eau traversée par l'onde ayant suivi ce trajet et dans le cas particulier des grands fonds où les réflexions en surface ne sont pas exploitées.where C m cy is the average speed of sound in the column of water crossed by the wave having followed this path and in the particular case of the deep sea where surface reflections are not exploited.
Les instants théoriques prévus pour les différents rayons propres calculés sont comparés aux instants d'arrivées des ondes réellement détectées par les différents récepteurs 21 à 24.The theoretical instants predicted for the different eigen radii calculated are compared to the instants of arrival waves actually detected by the different receivers 21 to 24.
En cas de différence non négligeable, une recherche de la géométrie exacte peut être effectuée par exemple par un algorithme de recuit simulé à 2.N variables (Di et Zr±) en minimisant une fonction de coût exprimée à partir des différences entre les instants théoriques associés aux rayons propres et les instants de détection des ondes recueillies sur les N différents récepteurs 21 à 24.In the event of a non-negligible difference, a search for the exact geometry can be carried out for example by a simulated annealing algorithm with 2.N variables (Di and Zr ± ) by minimizing a cost function expressed from the differences between the theoretical instants associated with the clean rays and the instants of detection of the waves collected on the N different receivers 21 to 24.
Dans le cas particulier des petits fonds, d'autres arrivées telles que le réfléchi-surface et même les réfléchis surface-fond ou fond-surface sont détectés et permettent de s'affranchir des mesures préalables de H et Zs, grandeurs qui seront directement recherchées par l'algorithme d'inversion géométrique décrit ci-dessus.In the particular case of shallow water, other arrivals such as reflected-surface and even reflected-surface-bottom or background-surface are detected and make it possible to dispense with the preliminary measurements of H and Zs, quantities which will be directly sought by the geometric inversion algorithm described above.
A partir de l'information alors disponible, qui est constituée, pour chaque tir et chaque récepteur "i", par le signal Si(t) issu de ce récepteur et par la géométrie du système, il convient de sélectionner la plage temporelle correspondant à la fenêtre de réception dans laquelle le signal reçu sera analysé, c'est-à-dire la plage temporelle de réception de la seule contribution du signal de réflexion rfi(t,l).From the information then available, which is constituted, for each shot and each receiver "i", by the signal Si (t) coming from this receiver and by the geometry of the system, the time range corresponding to the reception window in which the received signal will be analyzed, that is to say the time range of reception of the only contribution of the reflection signal rfi (t, l).
Cette sélection est par exemple effectuée, dans le cas particulier des petits fonds, par un programme qui, pour chaque enveloppe du signal eι(t,l) issu du ième récepteur sélectionne la fenêtre temporelle définie par : r (t, = e ( e,3 -Nte : re; 4 -Ntg,/)This selection is for example carried out, in the particular case of shallow water, by a program which, for each envelope of the signal e1 (t, l) coming from the i th receiver selects the time window defined by: r (t, = e (e, 3 -Nt e : re ; 4 -Nt g , /)
où ":" est un séparateur symbolique placé entre la borne temporelle inférieure et la borne temporelle supérieure de la fenêtre de réception sélectionnée, où τei3 représente le retard associé au réfléchi . fond, où τei4 représente le retard associé au premier réfléchi surface- fond, où Ν est un paramètre dépendant de la nature du signal émis, et où te est la période d'échantillonnage de chaque récepteur, les indices 3 et 4 étant liés à un cas particulier des petits fonds dans lequel l'ordre d'arrivée des rayons propres serait successivement le trajet , direct, le réfléchi-surface, le réfléchi-fond et le réfléchi surface-fond.where ":" is a symbolic separator placed between the lower time bound and the upper time bound of the selected reception window, where τei 3 represents the delay associated with the reflected . background, where τei 4 represents the delay associated with the first reflected surface-background, where Ν is a parameter depending on the nature of the signal transmitted, and where t e is the sampling period of each receiver, the indices 3 and 4 being linked to a particular case of shallow water in which the order of arrival of the own rays would be successively the direct path, the reflected-surface, the reflected-background and the reflected-surface-background.
L'opération de recalage RECAL consiste à utiliser les données de position (X,Y) avec les positions des instruments associé au tir correspondant de façon à calculer les positions Bi1(X,Y) du fond vu par l' hydrophone i lors du tir 1. En répétant l'opération pour plusieurs tirs consécutifs, il devient possible de reconstituer le jeu de données Rfi(t,B) constitué des i réfléchis fonds ayant vu le fond B(X,Y) sous les différents angles de rasance θi.The RECAL registration operation consists in using the position data (X, Y) with the positions of the instruments associated with the corresponding shot so as to calculate the positions Bi 1 (X, Y) of the bottom seen by the hydrophone i during the shot 1. By repeating the operation for several consecutive shots, it becomes possible to reconstitute the data set Rfi (t, B) made up of the reflected reflections having seen the background B (X, Y) under the different shaving angles θi .
A titre d'exemple, pour une configuration définie par une distance de 10m entre la source 1 et le premier hydrophone 21 de la flûte, pour une flûte à 4 hydrophones séparés les uns des autres de 10m, horizontale et située à 10m au dessus du fond, pour un navire se déplaçant à la vitesse régulière de 5m/s et avec une durée de '2 secondes entre tirs successifs, on appliquera successivement un décalage de 1 tir pour le 2lème hydrophone 22, de 2 tirs pour le 3 ième hydrophone 23 , et de 3 tirs pour le 4 ième hydrophone 24 comme rappelé dans le Tableau 1 suivant.For example, for a configuration defined by a distance of 10m between the source 1 and the first hydrophone 21 of the flute, for a flute with 4 hydrophones separated from each other by 10m, horizontal and located 10m above the bottom, for a ship moving at a regular speed of 5m / s and with a duration of ' 2 seconds between successive shots, we will successively apply a shift one shot for 2 -th hydrophone 22 of two shots to the 3rd hydrophone 23, and three shots for the 4 th hydrophone 24 as mentioned in Table 1 below.
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Tableau 1: Principe de l'opération de recalage des tirsTable 1: Principle of the retiming operation
Une fois identifiée et extraite, pour chaque récepteur, 1 ' onde détectée ayant subi une réflexion unique et par le fond B, la phase d'analyse ANA est mise en œuvre pour permettre de déduire de cette onde les paramètres géotechniques du fond au moyen d'un modèle fondé sur l'expression du coefficient de réflexion de Rayleigh. Comme évoqué précédemment, la .modélisation des interactions des ondes acoustiques avec le fond et ses différentes strates est basée sur la représentation de chaque strate sur une base de plusieurs paramètres incluant l'épaisseur h de cette strate, la densité p (par exemple en g/cm3) , la. vitesse du son Cp/S (par exemple en m/s) et l'atténuation du son αp/s (par exemple en dB/λ) ; les indices p et s se rapportant respectivement aux ondes de compression et aux ondes de cisaillement. Dans les couches sédimentaires, la rugosité ou encore un gradient de célérité peuvent dans certains cas être ajoutés à ces principaux paramètres physiques. Partant du fait que le réfléchi fond se décompose lui- même comme une somme de rayons propres réfléchis par les différentes strates du fond, on peut également en écrire sa réponse impulsionnelle selon :Once identified and extracted, for each receiver, the detected wave having undergone a single reflection and through the bottom B, the ANA analysis phase is implemented to allow to deduce from this wave the geotechnical parameters of the bottom by means of '' a model based on the expression of the Rayleigh reflection coefficient. As mentioned above, the modeling of the interactions of acoustic waves with the background and its different strata is based on the representation of each stratum on the basis of several parameters including the thickness h of this stratum, the density p (for example in g / cm 3 ), the . speed of sound C p / S (for example in m / s) and attenuation of sound α p / s (for example in dB / λ); the indices p and s relating respectively to the compression waves and to the shear waves. In the sedimentary layers, roughness or even a speed gradient can in some cases be added to these main physical parameters. Starting from the fact that the reflected background decomposes itself as a sum of eigen rays reflected by the different strata of the background, we can also write its impulse response according to:
RIbχt) = ∑4.δ(t-τbf) 4=1RIbχt) = ∑4.δ (t-τbf) 4 = 1
τbik se rapportant au fait qu'il s'agit du trajet multiple de l'onde acoustique dans le fond.τbi k referring to the fact that it is the multiple path of the acoustic wave in the background.
Considérant maintenant E(t), l'autocorrélation de l'enveloppe du signal émis, on obtient Rfι(t) par :Considering now E (t), the autocorrelation of the envelope of the transmitted signal, we obtain Rfι (t) by:
Rfs t(t,B) = E(t) ®
Figure imgf000029_0001
Rfs t (t, B) = E (t) ®
Figure imgf000029_0001
l'indice s précisant qu'il s'agit du réfléchi fond simulé.the index s specifying that it is the reflected simulated background.
Concernant la détermination de ces rayons propres, il s'agit en particulier de calculer les k angles de tirs (angle de rasance au niveau de la source' 1) des k rayons propres recherchés.Concerning the determination of these eigen radii, it is in particular a question of calculating the k firing angles (raking angle at the level of the source '1) of the k eigen radii sought.
On part de l'angle θi° défini par :We start from the angle θi ° defined by:
Figure imgf000029_0002
Figure imgf000029_0002
On effectue alors une recherche dichotomique de -'l'angle de tir θi (0) entre θi° et θi°+θmax en utilisant les relations : cos# 1 (j) _ cosfl 1 (7 + 1) entre les strates Fπ et Fη+1, enWe then perform a dichotomous search for -'firing angle θi (0) between θi ° and θi ° + θ max using the relations: cos # 1 (j) _ cosfl 1 (7 + 1) between strata Fπ and Fη + 1, in
notant θik(j) l'angle dans la couche Fj du rayon partant avec un angle de tir θik(0), etnoting θi k (j) the angle in the layer Fj of the departing ray with a firing angle θi k (0), and
D _ (2.H-Zr-Zs) | 2.N(j,k).h(j) | „ tant? (0) i tanθfϋ) D _ (2.H-Zr-Zs) | 2.N (j, k) .h (j) | „ So much? (0) i tanθfϋ)
en considérant ici le klème rayon propre du réfléchi fond associé à la géométrie du capteur i comme le rayon propre se réfléchissant au plus profond sur la jlème strate, et en notant N(j,k) le nombre de réflexions du rayon k dans la couche Fj .by considering here the k lth eigen ray of the reflected background associated with the geometry of the sensor i as the eigen ray reflecting in the deepest on the j th stratum, and by noting N (j, k) the number of reflections of the radius k in the layer Fj.
Un test doit préalablement être effectué pour s'assurer de l'existence de ce rayon N(l,k).A test must be carried out beforehand to ensure the existence of this radius N (l, k).
Dans le cas où Ai est une fonction de la fréquence, on a :In the case where Ai is a function of the frequency, we have:
RfSi(t,B) = ∑4(t).E(t-τhï) S
Figure imgf000030_0001
Rf If (t, B) = ∑4 (t) .E (t-τhï) S
Figure imgf000030_0001
Dans le cas particulier d' interfaces planes et sans réflexion multiple dans aucune couche,In the particular case of flat interfaces and without multiple reflection in any layer,
Figure imgf000030_0002
où dj est la distance parcourue dans la strate Fj , tj=dj/cj le temps correspondant, αj l'atténuation du son dans la couche exprimée en Neper/m, et Rj(f,θx k(j)) le coefficient de réflexion à la jιeme interface.
Figure imgf000030_0002
where dj is the distance traveled in the stratum Fj, tj = d j / cj the corresponding time, α j the sound attenuation in the layer expressed in Neper / m, and R j (f, θ x k (j)) the reflection coefficient at the j th interface.
Le coefficient de réflexion de Rayleigh associé à une interface fluide-fluide est défini par :The Rayleigh reflection coefficient associated with a fluid-fluid interface is defined by:
Figure imgf000031_0001
où l'on utilise les célérités complexes
Figure imgf000031_0001
where we use complex celerities
C, i.a 1 +- 2.^.8,686C, i.a 1 + - 2. ^. 8,686
Ce modèle étant posé- en amont de toute investigation, la phase d'analyse ANA peut l'utiliser pour extraire les paramètres géotechniques des différentes strates du sous- sol sub-aquatique à partir des signaux de réflexion recalés et corrigés Rf (t,B) obtenus à la fin de la phase PRE_TRAIT.This model being posed upstream of any investigation, the ANA analysis phase can use it to extract the geotechnical parameters of the different strata of the sub-aquatic subsoil from the reflexed and corrected reflection signals Rf (t, B ) obtained at the end of the PRE_TRAIT phase.
Pour ce faire, la phase d'analyse ANA utilise par exemple une technique d' appariement de formes connue de l'homme de métier, auquel cas elle consiste à parcourir, de façon itérative, une boucle incluant une opération de modélisation MODEL, une opération de soustraction SOUST, et une opération d'optimisation et de rétroaction OPTI RETR. On rappelle que, par convention, l'indice "n" sera utilisé ci-après pour désigner de façon générique le nombre courant de fois que la boucle d'itération a été parcourue depuis le début de la phase ANA, et pour repérer toute grandeur obtenue au nlème pas du parcours itératif de cette boucle.To do this, the ANA analysis phase uses for example a shape matching technique known to those skilled in the art, in which case it consists of traversing, in an iterative manner, a loop including a MODEL modeling operation, an operation SOUST subtraction, and an OPTI RETR optimization and feedback operation. It will be recalled that, by convention, the index "n" will be used below to designate generically the current number of times that the iteration loop has been traversed since the start of the ANA phase, and to identify any magnitude obtained at the nth step of the iterative path of this loop.
La modélisation MODEL consiste à calculer, à chaque pas n, les signaux de réflexion recalés fictifs respectifs Rfin(t, Bn) que produiraient les récepteurs 21 à 24 si le fond B était constitué par un fond noté Bn formé de strates Fj définies par des paramètres physiques fictifs hnj, pnj Cnj, o.nj virtuellement attribués à ces strates.MODEL modeling consists in calculating, at each step n, the respective fictitious reflexed reflection signals Rfi n (t, B n ) that the receivers 21 to 24 would produce if the background B were constituted by a background noted B n formed of strata Fj defined by fictitious physical parameters h n j, p nj C n j, o. n j virtually attributed to these strata.
Les paramètres physiques fictifs initiaux hQj, p0j, C0j, 0j sont par exemple choisis sur la base d'indications géologiques générales sur le site à explorer, ou à défaut au hasard dans des fourchettes de valeurs plausibles ou simplement possibles, les valeurs prises par les paramètres hnj, pnj, Cnj, c.nj pour les valeurs s.non nulles de n étant définies de proche en proche par le parcours répété de la boucle d'itération.The initial fictitious physical parameters h Q j, p 0 j, C 0 j, 0j are for example chosen on the basis of general geological indications on the site to be explored, or failing this at random in ranges of plausible or simply possible values , the values taken by the parameters h nj , p nj , C nj , c. nj for s values . non-zero of n being defined step by step by the repeated path of the iteration loop.
A ces paramètres peut être ajouté le nombre Jn défini comme le nombre total de strates supposées, lors de l'exécution du nlème pas de la boucle d'itération, avoir été détectées, ce nombre évoluant jusqu'à l'obtention, à l'issue de l'itération, du nombre total exact Je de strates réellement détectées.To these parameters can be added the number J n defined as the total number of strata assumed, during the execution of the nth step of the iteration loop, to have been detected, this number evolving until obtaining, at the end of the iteration, of the exact total number J e of strata actually detected.
Pour l'obtention des paramètres exacts, la' phase d'analyse ANA comprend tout d'abord une opération de soustraction SOUST au cours de laquelle sont calculés les écarts Δni que présentent, par rapport aux signaux de réflexion recalés fictifs RfSin(t, Bn) préalablement calculés, les signaux de réflexion recalés filtrés et corrigés Rfi(t,Be).To obtain the exact parameters, the ANA analysis phase firstly includes a SOUST subtraction operation during which the deviations Δ ni that present, compared to the fictitious re-aligned reflection signals RfSi n (t, B n ) previously calculated, the re-aligned filtered filter signals and corrected Rfi (t, B e ).
Puis, la phase d'analyse ANA comprend une opération d'optimisation et de rétroaction 0PTI_RETR à l'issue de laquelle les paramètres physiques fictifs sont révisés en fonction des écarts constatés.Then, the ANA analysis phase includes an optimization and feedback operation 0PTI_RETR at the end of which the fictitious physical parameters are revised according to the deviations observed.
Pour ce faire, le procédé de l'invention calcule, à chaque pas d'itération n, une fonction de coût donnée par exemple par:To do this, the method of the invention calculates, at each iteration step n, a cost function given for example by:
K(n) = ∑(AniΫ (=1K (n) = ∑ (A ni Ϋ (= 1
avec Δni = RfSin(t, Bn) - Rfi(t,Be).with Δ ni = RfSi n (t, B n ) - Rfi (t, B e ).
Cette fonction de coût est par exemple minimisée selon un algorithme de recuit simulé pour produire une réponse impulsionnelle affinée Rfsin+1(t, Bn+ι) définissant un nouveau fond Bn+ι utilisé dans un nouveau pas d'itération de la phase ANA, le processus convergeant vers la production de paramètres exacts hej,
Figure imgf000033_0001
Cej, αej des différentes strates j .
This cost function is for example minimized according to a simulated annealing algorithm to produce a refined impulse response Rfsi n + 1 (t, B n + ι) defining a new background B n + ι used in a new iteration step of the phase ANA , the process converging towards the production of exact parameters h e j,
Figure imgf000033_0001
C e j, α e j of the different strata j.
Le tableau ci-dessous donne un exemple de cas concret traité . Géométrie : H=25m, Zs=7m, Zri=8m, Dι=12m, di=5m, Je = 5 Fond : Cple=1750m/s; ρle=1.8; αle=.0.5; hle=0.75m; Cp2e=1970m/s; p2e=1.93; 2e=0.4; h2e=1.75m; Cp3e=1793m/s; p3e=1.85; 3e=0.5; h3e=0.45m; Cp4e=2050m/s; p4e=2.; α4e=0.38; h4e=2.25m; Cp5e=3000m/s; ρ5e=2.3; α5e=0.2; Cs5e=1300m/s; 5se=0.3The table below gives an example of a concrete case treated. Geometry: H = 25m, Zs = 7m, Zri = 8m, Dι = 12m, di = 5m, J e = 5 Background: Cpl e = 1750m / s; ρl e = 1.8; αl e = .0.5; hl e = 0.75m; Cp2 e = 1970m / s; p2 e = 1.93; 2 e = 0.4; h2 e = 1.75m; Cp3 e = 1793m / s; p3 e = 1.85; 3 e = 0.5; h3 e = 0.45m; Cp4 e = 2050m / s; p4 e = 2 .; α4 e = 0.38; h4 e = 2.25m; Cp5 e = 3000m / s; ρ5 e = 2.3; α5 e = 0.2; Cs5 e = 1300m / s; 5s e = 0.3
Comme le comprendra l'homme du métier, au lieu d'utiliser une fonction de coût telle que K(n) calculée au moyen une distance euclidienne, la phase d'analyse ANA pourrait tout aussi bien utiliser la recherche d'un maximum de corrélation entre les signaux RfSin(t, Bn) et Rfi(t,Be).As will be understood by a person skilled in the art, instead of using a cost function such as K (n) calculated by means of a Euclidean distance, the ANA analysis phase could just as easily use the search for a maximum of correlation between the signals RfSi n (t, B n ) and Rfi (t, B e ).
Comme néanmoins il s'agit, dans l'un et l'autre de ces deux cas, de révéler des écarts entre ces signaux et de faire évoluer le signal RfSin(t, Bn) dans un sens propre à réduire ces écarts, les opérations précédemment évoquées de soustraction SOUST et de formation de tels écarts doivent être ici comprises dans un sens fonctionnel large incluant notamment une telle recherche de maximum de corrélation. However, in both of these cases, it is a question of revealing differences between these signals and of making the signal RfSi n (t, B n ) evolve in a direction suitable for reducing these differences, the operations previously mentioned of SOUST subtraction and of the formation of such deviations must be understood here in a broad functional sense including in particular such a search for maximum correlation.

Claims

REVENDICATIONS. CLAIMS.
1. Procédé de caractérisation géotechnique d'un fond sub-aquatique (B) , tel qu'un fond sous-marin, recouvert d'une nappe d'eau de hauteur totale (H) déterminée, et comprenant une pluralité de strates (FI, F2) formant entre elles des interfaces de séparation, présentant chacune des paramètres physiques propres (hj, pj, Cj, c.j) et s ' étendant à des profondeurs diverses en dessous d'une première strate (FI) qui forme une interface de séparation avec l'eau, ce procédé comprenant au moins une phase d'investigation (INVESTIG), une phase de prétraitement (PRE TRAIT) et une phase d'analyse (ANA), la phase d'investigation (INVESTIG) incluant elle-même une opération (EXCIT) d'excitation acoustique, mise en œuvre en émettant au moins vers le fond (B) ,- depuis une source acoustique (1) immergée, une onde acoustique incidente (s (t) ) de signature fréquentielle connue, une opération d'acquisition (ACQUI) mise en œuvre en produisant, au moyen d'une flûte (2) d'au moins quatre récepteurs -(21 à 24) immergés, des signaux de mesure respectifs (Si(t,l)) résultant d'une détection d'ondes acoustiques respectives réfléchies par le fond (B) , et une opération de relevé (RELEV) de données géométriques (Zs (t) , Zr(t), H(t), X(t), Y(t)), la flûte (2) étant au moins approximativement alignée sur la source (1) et distante du fond (B) , les récepteurs (21 à 24) étant espacés les uns des autres, et l'onde incidente (s(t)) étant émise dans chaque fenêtre d'une succession de fenêtres temporelles d'émission disjointes, et présentant une variation temporelle de fréquence à l'intérieur de chaque fenêtre d'émission, caractérisé en ce que la phase d'investigation (INVESTIG) inclut une opération de déplacement (DEPL) , concomitante avec les opérations d'excitation (EXCIT) et d'acquisition (ACQUI), et mise en œuvre en déplaçant simultanément la source acoustique (1) et la flûte (2) dans la nappe d'eau, en ce que la phase de pré-traitement (PRE_TRAIT) est mise en œuvre en déduisant, à partir des signaux de mesure Si(t,l), de la signature de l'onde acoustique incidente (s(t)), et des données géométriques (Zs (t) , Zr(t), H(t), X(t), Y(t)), des signaux de réflexion rf±(t,l) ayant atteint des récepteurs différents (21 à 24) à la suite d'une même émission d'onde incidente, et en regroupant, sous forme de séries de signaux de réflexion recalés (Rfi(t,B)), des signaux de réflexion rfi(t,l) ayant atteint, sous des angles de rasance (θi) différents, des récepteurs différents (21 à 24) en provenance d'une même zone du fond à la suite de différentes émissions de l'onde incidente, et en ce que la phase d'analyse (ANA) est mise en œuvre en déduisant les paramètres physiques (hj, pj, Cj, j) de chaque strate (Fl à F4) du fond, à,, partir des séries de signaux de réflexion recalés (Rfi(t,B)), par exploitation de la dépendance angulaire et fréquentielle du coefficient de réflexion de l'onde incidente sur chaque interface, chaque signal de réflexion recalé (Rfi(t,B)) étant interprété comme une somme d'arrivées retardées et atténuées de rayons propres correspondant à la réflexion de l'onde incidente par les différentes strates de la zone du fond à laquelle correspond ce signal de réflexion recalé (Rfi(t,B)).1. A method of geotechnical characterization of a sub-aquatic bottom (B), such as an underwater bottom, covered with a water table of total height (H) determined, and comprising a plurality of strata (FI , F2) forming between them separation interfaces, each presenting its own physical parameters (hj, p j , C j , c. J ) and extending to various depths below a first layer (FI) which forms a separation interface with water, this process comprising at least one investigation phase (INVESTIG), a pretreatment phase (PRE TRAIT) and an analysis phase (ANA), the investigation phase (INVESTIG) including itself an acoustic excitation operation (EXCIT), implemented by emitting at least towards the bottom (B), - from an immersed acoustic source (1), an incident acoustic wave (s (t)) of frequency signature known, an acquisition operation (ACQUI) implemented by producing, by means of a flute (2) at least at least four receivers - (21 to 24) immersed, respective measurement signals (Si (t, l)) resulting from a detection of respective acoustic waves reflected by the bottom (B), and a reading operation (RELEV) geometric data (Zs (t), Zr (t), H (t), X (t), Y (t)), the flute (2) being at least approximately aligned with the source (1) and distant from the bottom (B), the receivers (21 to 24) being spaced from each other, and the incident wave (s (t)) being transmitted in each window of a succession of disjoint transmission time windows, and having a variation time frequency within each transmission window, characterized in that the phase investigation (INVESTIG) includes a displacement operation (DEPL), concomitant with the excitation (EXCIT) and acquisition (ACQUI) operations, and implemented by simultaneously moving the acoustic source (1) and the flute ( 2) in the water table, in that the pre-treatment phase (PRE_TRAIT) is implemented by deducing, from the measurement signals Si (t, l), from the signature of the incident acoustic wave (s (t)), and geometric data (Zs (t), Zr (t), H (t), X (t), Y (t)), reflection signals rf ± (t, l) having reaches different receivers (21 to 24) following the same incident wave emission, and by grouping, in the form of series of reset reflection signals (Rfi (t, B)), reflection signals rfi ( t, l) having reached, under different shaving angles (θi), different receivers (21 to 24) coming from the same bottom area following different transmissions of the incident wave, and in that the phase of analysis (ANA) is implemented by deducing the physical parameters (h j , p j , Cj, j ) of each stratum (Fl to F4) of the background, from the series of readjusted reflection signals (Rfi (t , B)), by exploiting the angular and frequency dependence of the reflection coefficient of the incident wave on each interface, each reflexed reflection signal (Rfi (t, B)) being interpreted as a sum of delayed and attenuated arrivals of clean radii corresponding to the reflection of the incident wave by the different strata of the bottom zone to which this readjusted reflection signal (Rfi (t, B)) corresponds.
2. Procédé de caractérisation géotechnique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que chaque onde réfléchie atteignant un récepteur est issue de la réflexion d'une onde incidente ayant atteint le fond sous un angle de rasance (θi) au plus égal à 70 degrés et de préférence au plus égal à 65 degrés.2. A geotechnical characterization method according to claim 1, characterized in that each reflected wave reaching a receiver comes from the reflection of an incident wave having reached the bottom under a raking angle (θi) at most equal to 70 degrees and preferably at most equal to 65 degrees.
3. Procédé de caractérisation géotechnique suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque onde réfléchie atteignant un récepteur est issue de la réflexion d'une onde incidente ayant atteint le fond sous un angle de rasance (θi) au moins égal à 10 degrés et de préférence au moins égal à 25 degrés.3. A geotechnical characterization method according to any one of the preceding claims, characterized in that each reflected wave reaching a receiver is the result of the reflection of an incident wave having reached the bottom under a raking angle (θi) at least equal at 10 degrees and preferably at least 25 degrees.
4. Procédé de caractérisation géotechnique suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque récepteur (21 à 24) est séparé d'un récepteur voisin (22 à 24) par une distance (d) correspondant à une différence d'angle de rasance au moins égale à 2 degrés, et de préférence au moins égale à4. A geotechnical characterization method according to any one of the preceding claims, characterized in that each receiver (21 to 24) is separated from a neighboring receiver (22 to 24) by a distance (d) corresponding to a difference of raking angle at least equal to 2 degrees, and preferably at least equal to
5 degrés, des signaux de réflexion respectivement reçus par ce récepteur et par le récepteur voisin.5 degrees, reflection signals respectively received by this receiver and by the neighboring receiver.
5. Procédé de caractérisation géotechnique suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'onde incidente présente, dans chaque fenêtre d'émission, au moins une composante de fréquence relativement basse, dont la fréquence est au moins égale à 100 Hz.5. A geotechnical characterization method according to any one of the preceding claims, characterized in that the incident wave has, in each emission window, at least one relatively low frequency component, the frequency of which is at least equal to 100 Hz.
6. Procédé de caractérisation géotechnique suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'onde incidente présente, dans chaque fenêtre d'émission, au moins une composante de fréquence relativement haute, dont la fréquence est au plus égale à 8 kHz.6. A geotechnical characterization method according to any one of the preceding claims, characterized in that the incident wave has, in each emission window, at least one component of relatively high frequency, the frequency of which is at most equal to 8 kHz.
7. Procédé de caractérisation géotechnique suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'onde incidente présente, dans chaque fenêtre d'émission, une fréquence continûment variable entre une composante de fréquence relativement basse et une composante de fréquence relativement haute.7. A geotechnical characterization method according to any one of the preceding claims, characterized in that the incident wave has, in each emission window, a continuously variable frequency between a relatively low frequency component and a relatively high frequency component .
8. Procédé de caractérisation géotechnique suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les fenêtres temporelles d'émission ont chacune une durée au moins égale à 0.1 seconde et de préférence au moins égale à 0.5 seconde.8. A geotechnical characterization method according to any one of the preceding claims, characterized in that the transmission time windows each have a duration at least equal to 0.1 seconds and preferably at least equal to 0.5 seconds.
9. Procédé de caractérisation géoteçhnique suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les fenêtres temporelles d'émission sont répétées périodiquement avec une période au moins égale à 0.5 seconde et de préférence au moins égale à 1 seconde.9. A geoteçhnic characterization method according to any one of the preceding claims, characterized in that the transmission time windows are repeated periodically with a period at least equal to 0.5 seconds and preferably at least equal to 1 second.
10. Procédé de caractérisation géotechnique suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les paramètres physiques sont au moins en partie choisis dans l'ensemble de paramètres comprenant l'épaisseur (h), la densité (p) , la vitesse du son (Cp, Cs) , l'atténuation du son (αp, αs) , la rugosité, et un gradient de célérité du son.10. A geotechnical characterization method according to any one of the preceding claims, characterized in that the physical parameters are at least partly chosen from the set of parameters comprising the thickness (h), the density (p), the speed sound (C p , C s ), sound attenuation (α p , α s ), roughness, and a sound speed gradient.
11. Procédé de caractérisation géotechnique suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend, en amont de la phase d'analyse (ANA), une opération (CAPT) de détermination de la profondeur d'immersion (Zs) de la source acoustique et/ou de la profondeur d'immersion (Zr) d'un point de la flûte et/ou de la hauteur d'eau H.11. A geotechnical characterization method according to any one of the preceding claims, characterized in that it includes, upstream of the analysis phase (ANA), an operation (CAPT) for determining the immersion depth (Zs) of the acoustic source and / or the immersion depth ( Zr) from a point on the flute and / or water level H.
12. Procédé de caractérisation géotechnique suivant la revendication 10, caractérisé en ce que la phase d'analyse (ANA) est mise en œuvre en parcourant, de façon itérative, une boucle incluant une opération de modélisation (MODEL_FOND) au cours de laquelle sont calculés, à partir de paramètres physiques fictifs (hnj,12. A geotechnical characterization method according to claim 10, characterized in that the analysis phase (ANA) is implemented by iteratively traversing a loop including a modeling operation (MODEL_FOND) during which are calculated , from fictitious physical parameters (h n j,
PnjΛ Cnj, c.nj) virtuellement attribués à la première strate (Fl) au moins de la pluralité de strates, et pour les différents récepteurs (21 à 24), des signaux de réflexion recalés fictifs respectifs (Rfsin(t, Bn) ) issus de signaux de mesure virtuellement produits par ces récepteurs (21 à 24) en présence de ces paramètres fictifs (hnj, pnj, Cnj, αnj), une opération de soustraction (SOUST) au cours de laquelle sont formés des' écarts (Δni) constatées entre les signaux de réflexion recalés respectifs (Rfi(t,B)) issus des signaux de mesure (Si(t, 1)) réellement produits par ces récepteurs (21 à 24) et les signaux de réflexion recalés fictifs correspondants (RfSin(t, 'Bn)), et une opération d'optimisation et de rétroaction (OPTI_RETR) à l'issue de laquelle les paramètres physiques fictifs sont révisés en fonction des écarts constatés. P n j Λ C nj , c. n j) virtually allocated to the first stratum (Fl) at least from the plurality of strata, and for the various receivers (21 to 24), respective fictitious reflexed reflection signals (Rfsi n (t, B n )) originating from measurement signals virtually produced by these receivers (21 to 24) in the presence of these fictitious parameters (h n j, p n j, C n j, α nj ), a subtraction operation (SOUST) during which are formed '' deviations (Δ n i) observed between the respective reset reflection signals (Rfi (t, B)) coming from the measurement signals (Si (t, 1)) actually produced by these receivers (21 to 24) and the signals from reflection matched fictitious corresponding (RfSi n (t, 'B n )), and an operation of optimization and feedback (OPTI_RETR) at the end of which the fictitious physical parameters are revised according to the deviations observed.
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