Brevet FR2494454A1 — publié le 19820521

L'invention concerne généralement les systèmes d'explora- tion sismique et plus particulièrement les systèmes d'exploration sismique à fibre optique. Dans les systèmes d'exploration sismique conventionnels, plusieurs centaines ou plusieurs milliers de groupes de capteurs sismiques composés chacun d'un ou plusieurs capteurs individuels ou géophones sont utilisés pour obtenir les données sismiques. Géné- ralement un groupe de capteurs contient un à trente géophones élec- triquement interconnectés pour former un seul canal de données. Les 1o systèmes conventionnels utilisent un câble sismique multiconducteur contenant de nombreuses paires de conducteurs, une paire pour chaqu groupe de capteurs, pour transmettre les données sismiques depuis 1 groupe de capteurs vers une unité multicanal de traitement de don- nées et d'enregistrement. Comme ces câbles conventionnels sont extrêmement lourds et volumineux, la manutention de tels câbles est longue et par conséquent très onéreuse. Récemment> l'utilisation des fibres optiques comme liaisc télémétriques pour des systèmes sismiques distribués à distance a été suggérée par exemple dans le brevet U.S. 4.117.448 (Siems). Siems décrit un câble à fibre optique possédant un ensemble de fibres optiques trois fois redondant. Les fibres sont terminées à chacune de leurs extrémités par un connecteur de câble logeant une diode émettrice de lumière (LED) et un photodétecteur. Siems suggèr la transmission de données numériques sur les fibres optiques. Cependant comme le circuit de commande de la LED et le circuit d'amplification du photodétecteur sont logés dans l'unité éloignée de rassemblement de données sismiques à laquelle le connecteur est électriquement relié, les données numériques ne sont pas logiquemen compatibles. En d'autres termes, l'amplitude du signal de données numériques est beaucoup trop faible pour s'adapter directement aux familles logiques standards telle que la logique transistor-transis (TTL), la logique à semi-conducteur métal-oxyde complémentaire (CMOS) et la logique à émetteur couplé (ECL). L'utilisation de l'agencement décrit dans Siems ne peut apparemment pas être mise en oeuvre du fait que les données numériques peuvent devenir atténuées ou distordues du fait de la capacité de lignes, de la charge du circuit, et de la charge RFI/EMI. Il résulte de cet effet un rassem blement de données devenant imprécis et inutilisable. Il serait avantageux de fournir un connecteur/transducteu standardisé au câble sismique susceptible d'applications pratiques -2- sur le terrain. Il serait également avantageux de fournir un connec- teur/transducteur qui utilise la transmission de signal numérique pour éviter une atténuation et une distorsion irréparables des signaux de commande et de données. Ces résultats utiles sont obtenus dans la présente invention. La présente invention fournit un connecteur de câble sis- mique qui comporte un transducteur optique compatible numérique pour être utilisé avec un câble optique à double fil. Le transducteur nu- mérique est logé dans un boîtier étanche à l'environnement qui pro- lo tège le transducteur et les extrémités des fibres optiques. Dans un mode de réalisation préféré, le transducteur numé- rique possède un détecteur optique connecté à l'une des fibres optiques et un transmetteur à fibre optique connecté à l'autre fibre optique. Le détecteur optique comprend une photodiode et un circuit intégré récepteur à fibre optique. Le transmetteur à fibre optique comprend une diode émettrice de lumière et un circuit de commande numérique. Le circuit intégré récepteur comprend un circuit de commande de gain automatique, et un circuit de restauration de symétrie est prévu pour corriger la durée des impulsions numériques du circuit intégré récepteur. Dans un mode de réalisation préféré, le connecteur de câble possède une fiche électrique à soixante et une broches et un dispositif autobloquant pour connecter et déconnecter aisément le câble optique à fibre à une unité éloignée de rassemblement de données sismiques. On décrira maintenant à titre d'exemple non limitatif un mode de réalisation particulier de l'invention en référence aux dessins schématiques annexés dans lesquels: La figure l est une vue isométrique d'un connecteur/trans- ducteur à câble sismique selon la présente invention avec son capot retiré, La figure 2A est une vue éclatée du connecteur/transducteur de la figure 1, La figure 2B est une vue en coupe agrandie du câble à fibre optique qui est utilisé avec le connecteur/transducteur de la figure 1, La figure 3 est un schéma électrique du circuit transmetteur à fibre optique qui est utilisé avec le connecteur/transducteur de la figure 1, La figure 4 est un schéma électrique du circuit détecteur -3- optique qui est utilisé avec le connecteur/transducteur de la figure 1, Les figures 5A, 5B et 5C représentent les signaux transmis par le connecteur/transducteur de la figure 1, La figure 6 est un schéma mécanique d'un connecteur qui est utilisé avec le connecteur/transducteur de la figure 1, et, La figure 7 est un schéma-bloc d'un système d'exploration sismique qui utilise le connecteur/transducteur de la figure 1. Dans toute la description qui suit, les chiffres de référer identiques se réfèrent aux mêmes éléments sur toutes les figures du dessin. Les figures 1 et 2 représentent un connecteur/transducteur selon la présente invention pour câble sismique. Le connecteur 10 possède une coquille ou capot 12 fixé à un organe de montage 14. Un joint en caoutchouc 16 est prévu pour former un joint étanche à l'environnement entre l'organe 14 et le capot 12. Un organe rectangulaire creux 18 est fixé sur l'organe de montage 14 pour recevoir une extrémité d'un câble à fibre optique 20. Les organes 14 et 18 peuvent être réalisés d'une seule pièce. Le câble 20 traverse un manchon 22 qui est relié à une extrémité de l'organe rectangulaire 18 par un écrou 24. Le câble à fibre optique 20 possède une gaine 26 de préférence en polyuréthane qui entoure deux fibres optiques 28. Un tube intermédiaire 30 entoure chaque fibre optique 28 pour éviter aux fibres optiques d'être endommagées lorsqu'elles sont enroulées ou courbées à l'intérieur du câble 20 ou du connecteur 10. Un organe résistant 32 s'étend le long de l'axe du câble 20 et est enroulé autour d'un prolongement 34 fixé à l'organe de montage 14. L'organe résistant 32 est fixé rigidement à l'organe 14 par une vis 36. L'organe résistant peut être une fibre en Kevlar, une fibre en Aramid, une fibre plastique à haute résistance en traction ou équi- valent et est prévu pour éviter l'effet de "piston" inhérent aux câbles à fibre optique. Chaque extrémité du câble 20 comporte également quatre fils doubles torsadés 38 pour transporter les signaux de sortie analogique de quatre groupes de capteurs à géophone, comme cela est décrit plus en détail en référence à la figure 7. Les quatre fils doubles torsadés 38 sont soudés ou reliés de toute autre manière à huit connections d'une fiche 40 ou connecteur électrique à soixante et une broches qui est reliée à l'organe de montage 14 à l'extrémité opposée à l'organe rectangulaire 18. Le connecteur électrique 40 -4- peut être de tout type conventionnel tel que celui qui est fabriqué par Bendix. Un matériau de remplissage 42, tel qu'un remplissage en Kevlar est prévu dans le câble à fibre optique 20. Dans le mode de réalisation préféré, les paires torsadées 38 et les tubes intermé- diaires 30 (contenant les fibres optiques 28) sont enroulés en hélice autour de l'élément résistant 32 pour donner plus de rigidité au câble et pour aider à soulager les forces de tension et de com- pression dans les fibres. Comme cela est représenté, une des fibres optiques 28 se termine dans un module transmetteur à fibre optique 44 par l'inter- médiaire d'un connecteur à fibre optique 46. Le connecteur à fibre optique peut être de tout type conventionnel tel qu'un Radiall modèle no F706.015.000, tandis que le module transmetteur optique 44 peut être de tout type conventionnel tel qu'un modèle n0 SPX 4140 fabriqué par Spectronics. La seconde des fibres optiques 28 se termine par l'inter- médiaire d'un connecteur optique 46 dans un détecteur optique 48. A la fois le photodétecteur 48 et le transmetteur optique 44 sont montés sur un circuit imprimé (PCB) 50, qui est fixé sur l'organe de montage 14. Le PCB 50 contient des circuits logiques transistor- transistor (TTL) qui activent le transducteur comme cela est décrit plus en détail ci-dessous en référence aux figures 3 et 4. Le PCB 50 est connecté à la fiche 40 par une pluralité de conducteurs (non représentés), comme décrit ci-dessous. Lorsqu'il est assemblé, le connecteur/transducteur 10 fournit un connecteur à câble optique étanche vis-à-vis de l'envirôn- nement qui protège le transducteur et les extrémités des fibres optiques et les empêche d'être affectés ou endommagés lors de leur usage sur le terrain. Le connecteur peut être immédiatement raccordé à une unité ou boîte (figure 7) de rassemblement de données sismi- ques éloignées par l'intermédiaire de la fiche 40. Un levier ou dispositif de blocage 52-permet au connecteur 10 d'être bloqué en place lorsqu'il est enfiché dans la boite. La figure 3 représente un schéma électrique du module transmetteur optique. Ce transmetteur optique 44 contient une porte ET 62 fonctionnant comme une mémoire reliée à la base d'un transduc- teur N-P-N 64 par un conducteur 66. L'émetteur du transistor 64 est mis à la masse par l'intermédiaire d'une résistance 68. Le connec- teur du transistor 64 est relié par un conducteur 70 à une diode émettrice de lumière (LED) 72. Une résistance d'arrêt 78 est prévue -5- pour éliminer la capacité parasite créée par la connection élec- trique et l'unité éloignée (figure 7). En fonctionnement, la sortie de la mémoire 62 monte, c'est-à-dire prend la valeur logique 1, lorsqu'un signal numérique paraît sur la ligne 82, ce qui débloque le transistor 64. La LED 72 est excitée et transmet une énergie lumineuse sur l'une des fibres optiques. La figure 4 représente un schéma électrique du circuit amplificateur du photodétecteur. Une photodiode 88 est connectée à un circuit intégré (IC) récepteur à fibre optique ou préamplifica- teur 90. Le préamplificateur 90 peut être un Spectronics modèle n0 SPX 3620 ou équivalent. Lorsque l'énergie lumineuse frappe la photc diode 88 un courant de polarisation pénétrant dans la broche 1 du préamplificateur 90 est modulé. Le courant de polarisation est converti en un signal de tension dans le préamplificateur 90 et le signal de tension est comparé à un niveau de tension de seuil. Lorsque la tension de seuil est dépassée, une valeur logique 1 apparait à la borne 12 du préamplificateur. Le préamplificateur IC contient un circuit de commande de gain automatique (AGC) dont le gain répartit le signal de tension représentatif de l'énergie lumineuse frappant la photodiode 88. Un condensateur de maintien de tension 96 est prévu pour diminuer ou augmenter la tension d'AGC comme cela est nécessaire. U circuit de dépassement d'AGC 98 est prévu pour limiter le gain AGC des niveaux ne provoquant pas une amplification de bruit suffisam- ment élevée pour produire de faux signaux de sortie d'AGC. Un trans tor 104 est déclenché par un signal de niveau bas commande AGC à sa base. Ceci permet au dépassement AGC 98 d'affecter le gain 90 du récepteur. Le dépassement n'est admis qu'à des moments o aucune donnée sous forme de lumière n'est présente à la photodiode 88. Immédiatement lors de la réception d'une donnée valable, le tran- sistor 104 est connecté pour permettre au récepteur 90 d'avoir son gain qui atteint le niveau optimum pour une réception de données convenable. La sortie du récepteur à fibre optique IC 90 (borne 12) est reliée à l'entrée non inversée d'un comparateur de tension 120 par l'intermédiaire d'une résistance de filtrage haute fréquence 122. Un circuit de restauration de symétrie 124 est connecté à l'entrée inversée du comparateur 120. Le circuit de restauration de symétrie est prévu pour restaurer la symétrie numérique de lIC 90 qui peut être distordue par la capacité des lignes. -6 - La figure 5A est un exemple de signal numérique tel qu'il apparaît lorsqu'il est transmis depuis le connecteur/trans- ducteur 10 vers une unité éloignée (figure 7). Du fait des capacités de lignes, des retards de propagation numérique et de l'allongement des impulsions de fibre optique, le signal numérique peut être distordu. La figure 5B représente le signal numérique tel qu'il apparaît s'il est affecté par une capacité. Le circuit de restaura- tion de symétrie 124 restaure le signal numérique distordu dans sa condition originale comme représenté à la figure 5C. Ceci est accom- pli par une boucle de réaction qui détecte les données non symétri- ques dans l'unité éloignée et engendre une tension de correction susceptible d'être appliquée à TT6 (figure 4). La figure 6 représente un schéma mécanique de la *fiche 40. Les lignes 126 indiquent les connections pour les paires de fils torsadés 38 (figure 2). Les lignes 128 correspondent aux connec- tions électriques entre la fiche 40 et les différents points dans le circuit des figures 3 et 4 comme indiqué par les références alpha- numériques. La figure 7 est un schéma bloc d'un système d'exploration sismique 130 utilisant le connecteur/transducteur 10 de câble à fibre optique selon la présente invention. Comme cela est repré- senté, des unités éloignées 132 et une unité d'enregistrement 134 sont interconnectées par l'intermédiaire de câbles optiques à fibre double 20 par les connecteurs 10. Les câbles peuvent posséder huit branchements 136 pour connecter des groupes de géophones 138. L'uti- lisation des branchements dans les câbles 20 est possible étant donné que des chevauchements de signaux ne sont pas un problème avec les câbles à fibres. optiques. L'unité d'enregistrement 134 peut être placée n'importe o dans l'ensemble d'unités éloignées interconnec- tées. Une unité de commande centrale 140 est reliée à l'unité d'en- registrement 134. En fonctionnement, un signal de commande numérique peut être transmis depuis une unité de commande centrale 140 à l'unité d'enregistrement 134. L'unité d'enregistrement transmet ensuite le signal numérique à toutes les unités éloignées en utilisant le connecteur/transducteur numérique 10 selon l'invention. Le signal numérique est transmis électriquement au transducteur dans les connecteurs lOd et 10e. Le signal numérique est converti en énergie lumineuse par le transmetteur à fibre optique 44 dans chaque connec- teur. L'énergie lumineuse représentant le signal de commande numé- -7- rique est ensuite transmis aux transducteurs adjacents 10e et 10f respectivement sur l'une des fibres optiques 28 dans les câbles 20. L'énergie lumineuse est détectée par les photodiodes 88 dans les connecteurs 10c et 10f. Le signal lumineux est transformé à nouveau en signal numérique qui est transmis électriquement aux unités éloignées 132b et 132c. Les unités éloignées détectent ensuite le signal de commande numérique pour voir s'il s'applique à elles et transmet électriquement les signaux numériques aux connecteurs/trans ducteurs 10b et 109. Les transmetteurs à fibres optiques 44 dans les connecteurs 10b et 10g convertissent le signal de commande numérique en énergie lumineuse qui est transmise vers les connecteurs/trans- ducteurs 10a et 10h adjacents suivant respectivement par l'inter- médiaire des câbles 20. Le processus est ensuite répété. En ce qui concerne la transmission des données, les si- gnaux de sortie analogique des groupes de géophones 138 sont transmi aux unités éloignées 132 sur une paire de fils torsadés 38 qui sont connectés aux sorties 136. En fonctionnement les données analogiques sont reçues par une unité éloignée 132 par exemple. L'unité éloignée 132 transforme la donnée analogique en donnée numérique qui est ensuite transmise électriquement au connecteur/transducteur 10c. La donnée numérique est transformée en énergie lumineuse par le trans- metteur optique 44 dans le connecteur 10c. La donnée est transmise optiquement sur le câble 20b vers le connecteur/transducteur 10d o elle est reçue par le photodétecteur 46. Le photodétecteur trans- forme la donnée optique de nouveau dans son état électrique numé- rique et transmet la donnée numérique à l'unité d'enregistrement 134. Etant donné que le système de donnée sismique éloignée n'est pas polarisé il est indifférent qu'une extrémité ou une autre du câble 20 ne soit connectée à l'unité éloignée. Une fois que le câble est interconnecté entre deux unités éloignées une des fibres optiques porte uniquement les signaux de commande tandis que l'autre fibre optique porte uniquement les signaux de données sismiques. Le câble 20 peut porter les données de commande et les données sismi- ques (en direction opposée) simultanément, fonctionnant ainsi comme un système numérique duplex. On comprendra que l'invention comporte d'autres modes de réalisation par exemple un système comportant une liaison bi-direc- tionnelle à fibre unique. La description du présent mode de réali- sation préféré n'est donnée qu'à titre d'exemple non limitatif. -8 - REVENDICATIONS 1. Connecteur de câble à fibre optique susceptible d'être utilisé avec un câble à double fibre dans un système d'exploration sismique, caractérisé par le fait que le connecteur de câble com- prend un transducteur optique compatible numérique logique compre- nant un détecteur optique (48) connecté à une fibre du câble (20) et un transmetteur à fibre optique (44) connecté à l'autre fibre, un boîtier (12) étanche à l'environnement pour loger le transducteur numérique, le boîtier possédant des moyens pour recevoir une extré- mité munie d'un câble à fibre optique, des moyens pour connecter les fibres optiques au transducteur numérique et des moyens (40) pour connecter électriquement le transducteur dans le système d'explo- ration sismique. 2. Connecteur de câble selon la revendication 1, carac- térisé par le fait que le détecteur optique comprend une photodiode et un circuit intégré récepteur à fibre optique associé avec la photodiode et possédant une sortie numérique. 3. Connecteur de câble selon l'une quelconque des revendi- cations 1 et 2, caractérisé par le fait que le détecteur optique comprend un circuit de commande automatique de gain. 4. Connecteur de câble selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 3, caractérisé par le fait que le détecteur optique comprend un circuit de restauration de symétrie associé à la sortie numérique du circuit récepteur. 5. Connecteur de câble selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le circuit de commande automatique de gain est associé à un condensateur de maintien de tension et à un circuit de déplacement de commande automatique de gain pour éliminer les effets du bruit. 6. Connecteur de câble selon la revendication 4, carac- térisé par le fait que le circuit de restauration de symétrie comprend un comparateur de tension pour corriger la durée des signaux de sortie numériques du circuit intégré récepteur. 7. Connecteur de câble selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 6, caractérisé par le fait que le transmetteur à fibre optique comprend une diode émettrice de lumière et un circuit pour exciter la diode émettrice de lumière. 8. Connecteur de câble selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 7, caractérisé par le fait que les moyens de connec- tion électrique comprennent un connecteur électrique à broches -9multiples connecté au transducteur numérique et un dispositif autobloquant pour fixer le connecteur électrique.