Brevet FR2372435A1 — publié le 19780623

L'invention concerne un procédé de localisation de plongeurs ou engins sous-marins dans un volume géométrique encombré d'obstacles et plus particulièrement près ou dans une structure sous-marine comportant des colonnes. Le vieillissement des structures pétrolières installées en mer nécessite une surveillance d'autant plus sevère que l'implantation est plus ancienne et conduit à des contrôles de plus en plus fréquents, afin de détecter toute oxydation, crique, ou autre anomalie. Ces contrôles posent des problèmes sérieux lorsqu'ils doivent être faits à grande profondeur (100 m et plus) et par visibilité très faible. Le ou les plongeurs ont de grandes difficultés à localiser les points contrôlés et il est à peu près certain que des zones échappent à ces contrôles.Du fait de ltencombrement du volume exploré, les méthodes de repérage classiques par mesures acoustiques ne sont pas applicables et le plongeur n'a d'autres moyens de repérage que la boussole et l'indicateur de profondeur.Le plongeur, étant relié à la surface par câble,ne transmettra donc des informations quant à sa position qu'en fonction du sens du déplacement qu'il effectuera, ce qui ne permettra pas de determiner sa position d'une manière absolue, sa vitesse pouvant être difficilement évaluée. L'invention vise à l'obtention d'un procédé de localisation dans lequel la position du plongeur sera connue à tout moment et cela quels que soient les obstacles au milieu desquels il sera appelé à travailler. La position du plongeur sera enregistrée en permanence et, du fait de sa liaison par câble avec la surface de la plateforme,zil sera toujours possible de le guider vers, par exemple, des zones présentant un intérêt particulier, ou nécessitant un contrôle supplé- mentaire. Le procédé de localisation tridimensionnelle selon l'invention est remarquable en ce que l'on dispose au moins trois transducteurs dans un plan de référence horizontal et au moins un quatrième transducteur à I'extérieur dudit plan définissant avec deux des transducteurs dudit plan horizontal un deuxième plan de référence Les quatre transducteurs déterminent une base de triangulation tridimensionnelle à partir de laquelle on dé -finit la position des plongeurs ou engins sous-marins, équipés d'un projecteur ou répondeur, par la mesure du temps mis par les signaux provenant du projecteur ou répondeur pour atteindre les transducteurs les mesures sont faites simultanément sur les transducteurs disposés dans les deux plans de référence les temps sont traités par un appareil mathématique qui permet, en fonction de la vitesse du son dans le milieu considéré et de la distance séparant les transductours, de déduire les coordonnées du ou des plongeurs et/ou engins sous-marins en déterminant la valeur des éléments de la projection, sur les plans de référence, des triangles formés par les quatre transducteurs et le projecteur ou répondeur, un groupe de deux triangles adjacents définis par trois transducteurs et ledit projecteur ou répondeur définissant un élément de coordonnée. Selon des variantes du procédé, le deuxième plan de référence est perpendiculaire au premier, l'intersection des deux plans étant confondue avec la droite joignant deux transducteurs disposés dans le plan de référence horizontal. Les transducteurs situés dans les différents plans de référence verticaux sont interrogés afin de déterminer ceux permettant la définition des éléments de coordonnées. Lorsque les transducteurs d'un plan de référence choisi ne reçoivent plus de signaux, les transducteurs d'autres plans de référence sont interrogés jusqu'à l'obtention d'un nouveau plan permettant la définition des éléments de coordonnées. Les~différents plans de référence sont interrogés cycliquement et les mesures sont correlées afin de déterminer les éléments de coordonnées. Les plongeurs ou engins sous-marins sont équipes d'un transducteur projecteur, les transducteurs des plans de référence étant des hydrophones, le premier hydrophone atteint par le signal du projecteur déclenche une horloge qui mesure le temps mis par le même signal pour atteindre chacun des autres hydrophones, ces temps sont ensuite traités pour définir les éléments de coordonnées. Les plongeurs ou engins sous-marins sont équipés d'un transducteur répondeur, ledit répondeur reçoit un si gnal. d'un transducteur projecteur disposé près d'un hydrophone des plans de référence et renvoie un signal ; la transmission du signal par le projecteur déclenche une horloge qui enregistre le temps nécessaire au signal du répondeur pour parvenir aux hydrophones, les temps sont traités pour définir les éléments de coordonnées. La réponse du répondeur est retardée par rapport à la réception du signal émis par le projecteur d'un temps déterminé. Le répondeur est passif et joue le rôle de réflecteur qui renvoie le signal émis par le projecteur sans modification. Les explications et figures données ci-après à titre d'exemples permettront de bien comprendre comment l'invent ion peut être réalisée. La figure 1 représente un schéma minimum de triangulation tridimensionnelle selon le procédé la figure 2 est un schéma présentant des transducteurs disposés selon une figure géométrique simple la figure 3 est un diagramme de fonction d'un dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé la figure 4 est un schéma d'une structure équipée d'un dispositif selon le procédé. La figure 1 représente une disposition schématique d'un nombre minimum d'appareils nécessaire à l'application du procédé de triangulation tridimentionnelle selon l'invention. Des moyens émetteurs et/ou récepteurs, 0, A, B, qui seront dénommés dans la suite de la description transducteurs et dont le rôle émetteur ou récepteur sera précisé lorsqu'il sera nécessaire, sont disposés selon un plan H sensiblement parallèle à la surface de l'eau, un transducteur C est placé à une profondeur suffisante pour que la structure à contrôler -soit contenue dans le trièdre défini par les quatre transducteurs.Pour simplifier l'exposé et la figure, le transducteur C a été placé dans un plan V perpendiculaire au plan H et passant par les points 0 et B. -Le plongeur mobile P est considéré, dans cet exemple, muni d'un appareil émetteur ou "projecteur" susceptible de transformer de l'énergie nlectri- que en énergie acoustique par l'intermédiaire d'un transduc teur. Le projecteur doit être non directif afin que les ondes émises se propagent selon une surface sphérique la moins déformée possible. Ces surfaces d'ondes atteignent les transducteurs OABC dans des intervalles de temps différents selon la distance du plongeur P, aux différents récepteurs OABC. Ces récepteurs, susceptibles de transformer une énergie acoustique en énergie électrique par l'intermédiaire d'un transducteur, seront désignés par "hydrophone".Le premier des hydrophones 0, A, B ou C qui recevra le signal du plongeur P déclenchera une horloge qui enregistrera les temps mis par le signal pour atteindre les autres hydrophones. Connaissant la vitesse du son dans l'eau et les distances séparant les hydrophones, il est alors possible d'en déduire la position du plongeur P. Cette position est rapportée à des axes de coordonnées x, y, z, respectivement représentés sur la figure par les vecteurs OA, OB, BC ='OC', L'abscisse x est donnée par la distance séparant le pied de la hauteur du triangle OP'A, projection du triangle OPA sur le plan H de l'hydrophone 0; l'ordonnée y, par la distance séparant le pied de la hauteur du triangle OP'B projection du triangle OPB sur le plan H, de 0, et la profondeur z par la distance séparant le pied de2auteur du triangle CP"B projection du triangle CPB sur le plan V de C ; l'ordonnée y est vérifiée par la distance séparant le pied de la hauteur du triangle BP"O, projection du triangle BPO sur le plan V de O. Les distances séparant les hydrophones étant connùes avec toute la précision désirée, la résolution mathématique des triangles donne les coordonnées du point P. Pour ce faire les signaux reçus par les transducteurs sont envoyés à un ensemble comprenant un interface d'entrée et un calculateur. Les positions du plongeur P sortent sous forme numérique sur une imprimante et/ou sous forme analogique sur une table traçante. L'utilisation d'un calculateur permet de résoudre rapidement un groupe d'équations relativement complexes. En effet, pour obtenir une précision suffisante, il est nécessaire de tenir compte des variations de la vitesse de transmission du son dans l'eau. La vitesse du son, qui est de 1505 m/s à la surface de la mer à 21 C et pour un degré de salinité normal de 34 /0O (en masse), varie avec la température, le degré de salinité et la pression. La pression provoque une augmentation de la vitesse de l'ordre de0,55 m/s pour 30 m de profondeur, il est donc aisément compréhensible que ce facteur doit être pris en considération lorsque l'exploration des structures sous-marines doit être poussée jusqu'à des profondeurs de 120 à 150 m. On s'affranchit des variations de salinité et de température par des mesures rréquentes de la vitesse du son à l'aide de célérimètres constitués par les transducteurs définissant les bases du réseau de triangulation. Ceux-ci sont alors utilisés comme émetteurs et récepteurs. Le temps mis par le son pour parcourir la distance parfaitement définie comprise entre deux transducteurs permet d'introduire, aussi souvent que nécessaire dans les calculs, les nouvelles valeurs de la vitesse du son et de maintenir ainsi une pré cisionconstante durant tout le temps de l'exploration. Le procédé de triangulation précédemment décrit appliqué à un cas simplifié n'est que rarement utilisable avec ce nombre minimum de transducteurs. En effet, le plongeur devant travailler à l'intérieur de la structure se trouvera fréquemment caché par un obstacle et dans ce cas le système d'équation donnant sa position ne pourra etre résolu. Pratiquement on adoptera au moins une répartition de transducteurs selon les sommets d'un volume géométrique droit et par exemple comme le représente la figure 2 selon un parallélépipède rectangle entourant la structure sous surveillance. En reprenant le cas d'un plongeur P équipé d'un émetteur, il sera possible de repérer le plongeur à partir des hydrophones placés dans deux plans perpendiculaires, quatre au moins de ces hydrophones recevant le signal du plongeur. Afin d'obtenir ces quatre données, on interroge cycliquement tous les plans possibles. Les signaux détectés alimentent un calculateur qui traitera les données selon un programme permettant d'obtenir les coordonnées du plongeur par inscription des résultats sur, par exemple, une table traçante. Selon un second procédé, le plongeur est muni d'un répondeur. Selon diverses variantes, le répondeur peut être passif et simplement jouer le rôle d'un réflecteur se contentant se réfléchir un signal reçu sans modification, ou actif et introduire un retard dans la réémission du signal, ou réémettre un signal de fréquence déterminée différente de la fréquence du signal reçu. Dans ce cas, les hydrophones disposés au sommet du volume de triangulation sont doublés d'un projecteur. Tous les hydrophones peuvent être doublés ou seulement certains d'entre eux Du fait de la réversibilité des transducteurs actuellement utilisés, on peut prévoir qu'un même transducteur soit utilisé à la fois comme hydrophone et comme projecteur. Cette séquence peut être obtenue à partir d'une programmation du calculateur.La figure 2 montre l'utilisation combinée de projecteurs et d'hydrophones lorsque le plongeur P est équipé d'un répondeur. Dans l'exemple représenté deux sommets seulement du volume géométrique de triangulation sont équipés d'un hydrophone 1 et d'un projecteur 2, les autres sommets portent seulement des hydrophones 1. La figure 3 donne le diagramme de fonctionnement du dispositif Un calculateur 1 commande par l'intermédiaire de l'interface 2 un générateur de signaux 3 qui alimente le projecteur 4, et simultanément déclenche l'horloge 5. Le répondeur 6 porté par le plongeur reconnaît le signal du projecteur et transmet à son tour un signal de même caractéristique ou de caractéristique différente mais déterminée. Ces signaux sont reçus par les hydrophones 7 après un certain temps correspondant à la distance séparant le plongeur desdits hydrophones. Ces signaux, par l'intermédiaire d'un interface 8, sont acheminés à l'ordinateur 1 qui enregistre simultanément le temps écoulé depuis l'émission donné par l'horloge. Après traitement mathématique des diverses données, les coordonnées du plongeur sont enregistrées sur imprimante et sur table traçante 9. L'utilisation d'un répondeur actif donne de plus grandes possibilités au dispositif de repérage. En effet, un répondeur peut être conçu pour ne se déclencher que lorsqu'il est interrogé par un signal déterminé et peut à son tour émettre un signal personnalisé. Ceci permet, dans un volume donné, de suivre les évolutions de plusieurs plongeurs qui peuvent ainsi travailler en différents points de la structure Le programme du calculateur peut être conçu de manière à interroger cycliquement sur leur fréquence propre les divers répondeurs qui délivreront un signal personnalisé facilement reconnaissable. La figure 4 représente une structure sous-marine constituée de tubes métalliques entretoisés. Selon une forme de réalisation les transducteurs 10 sont disposés sur les colonnes 11, vers l'extérieur de la structure, à l'extrémité de potences, suffisamment longues pour éviter que lesdits transducteurs ne soient les uns par rapport autres dans des zones t'd'ombre". Les transducteurs constituant le plan horizontal de référence le plus proche de la surface de l'eau sont disposés à environ 1 m, 1,50 m au-dessous du niveau de l'eau. Afin d'éviter qu'ils ne soient endommagés par les vagues lors des gros temps, ils sont relevés en dehors des périodes de contrôle. Leur mise en place et leur relevage s'effectuent. par une équipe de plongeurs. Les transducteurs situés près du fond de la mer et donc au bas de la structure sont fixés à demeure.Les transducteurs sont reliés par câble à la salle de mesure généralement placée sur le pont. Une opération de contrôle de la structure et plus particulièrement des co-lonnes se déroule ainsi : le ou les plongeurs ou l'engin sous-marin, munis d'un projecteur ou d'un répondeur, selon le procédé choisi et d'un appareil de contrôle tel que caméra de télévision, détecteur de défaux etc... sont descendus le long d'une colonne. Ils sont reliés par câble à la salle de mesure, ce câble servant entre autres à l'intercommunication et à l'alimentation du projecteur ou du répondeur et des appareils de contrôle. La descente du plongeur peut être suivie dès le début par le dispositif de localisation. Le calculateur opère alors une exploration cyclique des différents plans possibles définis par les transducteurs de manière à trouver le groupe de planShorizontal et vertical dans lesquels les signaux reçus permettent le calcul de position. Ce choix de planspeut être conservé aussi longtemps que les signaux reçus par les transducteurs sont exploitables. Si au bout d'un temps déterminé, il n'est plus possible d'avoir des données exploitables, le calculateur, en fonction du programme qui lui a été fourni, recherche de nouveaux plans permettant de localiser le ou les plongeurs. Afin d'augmenter la précision des mesures et d'éviter les zones d'ombre, le calculateur peut interroger itérativement tous les plans possibles et corréler les mesures réalisées sur tous les plans. Du fait de la communication permanente entre le plongeur et la salle de mesure, il est possible de donner des ordres précis, pour l'exploration ou le contrôle d'une partie déterminée de la structure ou la répétition d'un contrôle dont on veut s'assurer l'exactitude. Les images ou les données fournies par les appareils assurant le contrôle sont transmises à la salle de mesure qui peut suivant le genre de travail effectué soit les repérer dans le temps et permettre par la suite de les replacer par rapport aux coordonnées, soit les introduire directement dans le calculateur afin de faire enregistrer simultanément la position et le résultat des mesures de- contrôle. L'exemple donné ci-dessus correspond à une structure comportant quatre--colonnes, il est compréhensible que si des difficultés se présentaient dans la transmission des ondes, difficultés dues à l'entretoisage des colonnes, un meilleur choix dans le nombre et la position des transducteurs pourrait être fait en plaçant p-ar exemple des transducteurs supplémentaires entre ceux existant, ou en déplaçant ceux-ci pour les mettre aux sommets d'un polygone qui seraient plus éloignés des colonnes. Lorsque le nombre des colonnes disposées à la périphérie de la structure est supérieur à celui de l'exemple, une répartition des transducteurs selon un polygone circonscrit aux colonnes périphériques permet en augmentant le nombre possible des plans de référence de mener à bien les mesures permettant la localisation du plongeur. R E V E N D I C A T I O N S 1. Procédé de localisation tridimensionnelle de plongeurs ou engins sous-marins par ondes acoustiques dans un volume géométrique encombré d'obstacles et plus particulièrement près ou dans une structure sous-marine comportant des colonnes, caractérisé en ce que l'on dispose au moins trois transducteurs dans un plan de référence horizontal et au moins un quatrième transducteur à l'extérieur dudit plan définissant avec deux des transducteurs dudit plan horizontal un deuxième plan de référence s lesdits quatre transducteurs déterminant une base de triangulation tridimensionnelle à partir de laquelle on définit la position des plongeurs ou engins sous-marins, équipés d'un projecteur ou répons deur, par la mesure du temps mis par les signaux provenant du projecteur ou répondeur pour atteindre les transducteurs les mesures étant faites simultanément sur les transducteurs disposés dans lesdits deux plans de référence ; les temps sont traités par un appareil mathématique qui permet, en fonction de la vitesse du son dans le milieu considéré et de la distance séparant les transducteurs, de déduire les coordonnées du ou des plongeurs et/ou engins sous-marins en déterminant la valeur des éléments de la projection, sur les plans de référence, des triangles formés par les quatre transducteurs et le projecteur ou répondeur, un groupe de deux triangles adjacents définis par trois transducteurs et ledit projecteur ou répondeur définissant un élément de coordonnée. 2. Procédé de localisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le deuxième plan de référence est perpendiculaire au premier, l'intersection des deux plans étant confondue avec la droite joignant deux transducteurs disposés dans le plan de référence horizontal. 3. Procédé de localisation selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les transducteurs situés dans les différents plans de référence verticaux sont interrogés afin de déterminer ceux permettant la définition des éléments de -coordonnées. 4 Procédé de localisation selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lorsque les transducteurs d'un plan de référence choisi ne reçoivent plus de signaux, les transducteurs d'autres plans de référence sont interrogés jusqu'à l'obtention d'un nouveau plan permettant la définition des éléments de doordonnées. 5. Procédé de localisation selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les différents plans de référence sont interrogés cycliquement et les mesures sont corrélées afin de déterminer les élémentsde coordonnées. 6. Procédé de localisation selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les plongeurs ou engins sous-marins sont équipés d'un transducteur projecteur, les transducteurs des plans de référence étant des hydrophones, le premier hydrophone atteint par le signal du projecteur déclenche une horloge qui mesure le temps mis par le même signal pour atteindre chacun des autres hydrophones, ces temps sont ensuite traités pour définir les éléments de coordonnées. 7. Procédé de localisation selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que les plongeurs ou engins sous-marins sont équipés d'un transducteur répondeur, ledit répondeur reçoit un signal d'un transducteur projecteur disposé près d'un hydrophone des plans de référence, et renvoie un signal ; la transmission du signal par le projecteur déclenche une horloge, qui enregistre le temps nécessaire au signal du répondeur pour parvenir aux hydrophones, les temps sont traités pour définir les éléments de coordonnées. 8. Procédé de localisation selon la revendication 7, caractérisé en ce que 1e reponse du répondeur cst retardée par rapport à la réception du signal émis par le projecteur d'un temps déterminé. 9. Procédée localisation selon la revendication 7 caractérisé en ce que le transducteur répondeur est un. répondeur passif ou réflecteur qui renvoie le signal émis par le projecteur sans modification. 10. Procédé de localisation selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les transducteurs des plans de référence sont disposés sensiblement au sommet d'un volume géométrique droit-entourant ladite structure. île Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte au moins quatre transducteurs de localisation, un interface, un calculateur, une horloge, des moyens d'enregistrement des coordonnées, au moins un projec- teur ou répondeur porté par les plongeurs ou engins sousmarins. 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'interface est relié au(x) générateur(s) alimentant le ou les projecteurs disposés dans les plans de référence. 13. Dispositif selon la revendication li ou 12, caractérisé en ce qu'au moins les transducteurs disposés dans le plan de référence horizontal supérieur sont portés par des bras amovibles disposés radialement sur des colonnes de la structure. 14. Dispositif selon l'une des revendications il à 13, caractérisé en ce que les transducteurs sont du type réversible. 15. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que chaque projecteur porté par les plongeurs ou engins sous-marins a une fréquence propre.