Brevet FR2509477A1 — publié le 19830114

La présente invention concerne un dispositif de prospection sismique du sous-sol par vibration. D'une manière en soi connue, on émet dans le sol, au moyen d'une source vibratoire, un signal dont le spectre couvre la gamme des signaux normalement transmis par le sous-sol Un tel signal, appelé signal pilote, peut être par exemple une vibration de fréquence variable, généralement linéairement en fonction du temps, entre deux fréquences extrêmes. Des capteurs sismiques, ou géophones, sont disposés en différents points de la surface du sol, et, par rapprochement entre le signal reçu par ces capteurs, appelé signal sismique, et le signal pilote, on obtient la réponse de sol, qui donne d'utiles indications sur la nature de celui-ci. Ce rapprochement s'opère en général par inter- corrélation entre le signal pilote et chacun des signaux sismiques. Ainsi, si l'on appelle P(t) le signal pilote et S(t) le signal sismique reçu, la fonction d'inter- corrélation de ces deux signaux est cc I (t) = f P (x) S (t + x) d x en pratique, on se limite à un signal pilote de duréee p limitée, et on ne considère la fonction de corrélation que sur un intervalle de temps T limité, appelé "profondeur d'investigation" Dans ces conditions, l'expression précé- dente devient: I (t) = f P (x) S (t + x) d x avec t C (o,T) o S'agissant de signaux basse fréquence, la corrélation peut être effectuée de façon numérique Ainsi, le signal pilote est mémorisé en échantillons pilotes Pl successifs, avec i = 1 p, p étant le nombre d'échan- tillons correspondant à la durée totale e du signal pilote, dite encore "longueur de vibration" Par exemple, pour une longueur de vibration de 30 secondes et un pas d'échantillonnage de 2 millisecondes, pe= 15 000 échan- tillons. Pour leur part, chacun des signaux sismiques reçus est numérisé en échantillons successifs Si, avec i = 1 s, et avec S = p + N, N étant le nombre d'échantillons correspondant à la profondeur d'investi- gation T Par exemple, pour T = 5 secondes, N = 2 500 échantillons S est dite "longueur d'acquisition". On a donc S 17 500 échantillons S. pour chaque signal sismique, et à chaque expérience effectuée On peut déjà remarquer que ce nombre est très supérieur à celui N correspondant à la profondeur d'in- vestigation. La fonction d'intercorrélation devient alors p I (t) =P S t 1, avec t = 1 N i= 1 Jusqu'à présent, ces échantillons-des signaux sismiques étaient enregistrés sur bande magnétique, en vue d'un calcul ultérieur par un centre de traitement informatique, disposant de moyens de calcul et de moyens de mémoire suffisamment importants. Dans l'exemple précité, à supposer que l'on travaille avec 96 voies sismiques, on voit qu'il est nécessaire d'enregistrer, pour chaque expérience effec- tuée, outre le signal pilote, 17 500 x 96 = 1 680 000 échantillons de signaux sismiques. En outre, l'énergie émise dans le sol au cours d'une expérience étant faible, on effectue généralement plusieurs expériences répétées, en gardant la source et les capteurs au même emplacement, et avec le même signal pilote; chaque nouvelle valeur mesurée est additionnée à la somme des mesures des précédentes expériences En pratique, étant donné que jusqu'à présent il n'existait pas de moyens de calcul suffisamment puissants pour effectuer les opérations de corrélation sur le terrain, et étant donné qu'il aurait été prohibitif d'enregistrer les signaux obtenus lors de chacune des expériences, on cumulait les signaux obtenus par un même géophone au cours d'une même série d'expériences Les travaux de corrélation étaient alors effectués, en temps différé, une seule fois sur le résultat de l'addition. Cette manière de procéder, o la corrélation est effectuée après sommation, présente tout d'abord l'in- convénient de ne donner un résultat qu'à partir de valeurs globales, sans tenir compte des variations du signal pilote d'une expérience à l'autre Une bonne précision impose un signal pilote parfaitement identique à lui-même tout au long des mesures. Au contraire, une intercorrélation des signaux, à chaque mesure, avant sommation du résultat calculé, éliminerait les écarts constatés d'une expérience à l'autre Elle présentrait surtout l'avantage de fournir, par le calcul en temps réel, un résultat immédiat dont la précision s'affinerait au fur et à mesure des expé- riences. Le principal obstacle qui a jusqu'à présent empêché la mise en oeuvre d'une telle solution, est celui de la taille mémoire nécessaire pour effectuer les calculs comme il s'agit de signaux de longue durée, le nombre d'échantillons à enregistrer tend à augmenter et il devient très difficile de dimensionner la mémoire, de nombreuses versions étant nécessaires en fonction de la longueur du pilote Jusqu'à présent, ces contraintes ne permettaient pas de disposer d'un matériel de prospection sismique qui puisse être aisément déplacé et mis en oeuvre sur le terrain. La présente invention propose un dispositif permettant d'effectuer la corrélation en temps réel, et avant sommation Ce dispositif permet de s'affranchir complètement des variations de durée des signaux, en ni'utilisant que des mémoires de longueur fixe et réduite, correspondant à la profondeur d'investigation désirée. Cette taille des mémoires est par conséquent totalement indépendante de la longueur d'acquisition, c'est-à-dire de la durée du signal pilote, qu'il devient possible de modifier très aisément en fonction des conditions opé- ratoires. A cette fin, et en conservant le symbolisme précédemment défini, le dispositif comporte une mémoire tampon de N échantillonsdu signal pilote, et, pour chaque voie sismique: une mémoire tampon pour un échantillon du signal capté, et une mémoire de résultat destinée à recueillir de manière cumulative le résultat du calcul d'intercorrélation sous forme des N sommes de produits I (t), avec t = 1 N Le dispositif comporte en outre un circuit d'adressage des mémoires pilote et de résultat et au moins un circuit de calcul, dans lequel on effectue les produits entre chacun des échantillons captés et N échantillons consécutifs du signal pilote. Il est nécessaire en effet d'effectuer les calculs suivants: I ( 1) 51 P 1 + 52 *P 2 + 53 P 3 + +S P P P I ( 2) = 52 P 1 + 53 P 2 + 54 P 3 + + P +p+ 1 pp I ( 3) 53 Pl + 54 P 2 + 55 P 3 + + Sp+ 2 P ii P i i I I I I I I I Ii I' I i I I I I (N-1) =S Ni P + SN P 2 + SN+ 13 + + N+p-2 P N-l'1N' 2 N+ 13 S N+ P p I (N) = SN Pl + S PN+ 2+ S PN+ 2 + P N' i N+l V 2 N+ 2 P 3 p On n'oubliera pas que, dans les conditions qui sont celles de la corrélation de signaux sismiques, la valeur de la longueur de vibration S est très supé- rieure à celle de la profondeur d'investigation N. Avantageusement, le circuit d'adressage du dispositif selon l'invention coopère, de la manière qui sera décrite plus bas, avec les circuits de calcul de façon à n'utiliser qu'une mémoire pilote de taille N, permettant une économie importante de taille mémoire qui rend le dispositif suffisamment compact pour être utilisable sur le terrain et en temps réel, à la diffé- rence des dispositifs actuels, o la corrélation ne peut être effectuée qu'en temps différé dans un centre de calcul. Un dispositif réalisé conformément à l'inven- tion, avec les caractéristiques décrites plus haut, des signaux échantillonnés sur 16 bits, et des résultats calculés sur 32 bits, ne nécessite qu'une mémoire de 9,65 Mbits, alors qu'un appareil classique, à précision égale, a besoin de 27 Mbits de mémoire d'acquisition, en plus d'un enregistreur magnétique et d'un traitement en centre de calcul, dont la durée atteint couramment 17 heures pour un traitement des données correspondant à 100 mesures cumulées par jour. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée ci-dessous, faite en référence à la figure unique annexée, représentant un schéma-bloc du dispositif de corrélation selon l'invention. On peut y voir un premier circuit 100, unique, comportant une mémoire MP de N échantillons du signal pilote et un circuit A d'adressage des mémoires du dispositif, et de commande des circuits de calcul Ce circuit 100 reçoit le signal pilote P préalablement échan- tilloné, ainsi qu'un signal SYN permettant la synchroni- sation entre l'acquisition des données et le déclenchement des tirs. Un circuit 200, correspondant à une voie sismique, existe en autant d'exemplaires qu'il existe de géophones. Un seul a été représenté sur la figure, tous les circuits 200 étant identiques Chaque voie comprend un registre sismique tampon RS recevant le signal S capté par le géo- phone, et une mémoire de résultat MR de N échantillons de la fonction de corrélation calculée de la voie corres- pondante La lecture de cette mémoire fournit le signal R de résultat. Enfin, un circuit de calcul 300 comporte un multiplieur MULT et un additionneur ADD Ce circuit existe en au moins un exemplaire et au plus en autant d'exemplaires que de voies sismiques En effet, l'emploi de circuits rapides permet d'avoir un circuit de calcul commun à plusieurs voies sismiques Cette disposition autorise une importante économie de composants. Il a été ainsi possible de réaliser un dis- positif selon l'invention o un circuit de calcul est commun à deux voies sismiques (pour un pas d'échantillon- nage de 2 ms) ou à quatre voies (pour un pas de 4 ms). On économise ainsi la moitié (ou le quart) de ces compo- sants, par rapport à une solution o chaque voie sismique aurait son propre circuit de calcul. De préférence, pour parvenir à une précision accrue, les circuits de calcul opèrent en virgule flottante. De façon connue, le circuit de multiplication flottante MULT comporte ainsi un circuit additionneur pour les exposants et un circuit multiplicateur pour les nantisses, et le circuit d'addition flottante ADD comporte un circuit décaleur et un circuit additionneur. A chaque cycle d'acquisition, outre le signal SYN de synchronisation, le dispositif reçoit un échan- tillon P du signal pilote P et, sur chaque voie, un échantillon Si du signal sismique S. Au premier cycle, le dispositif reçoit les échantillons Pl et Sil range l'échantillon Pl dans la première position de la mémoire pilote, position qu'on notera MP 1, effectue la multiplication S Pl et range le résultat dans la première position de la mémoire résultat, position qu'on notera MR 1. Au second cycle, P 2 est rangé dans MP 2, la multiplication 52 P 2 est effectuée, le résultat est ajouté au contenu de la mémoire MR 1 Par ailleurs, la multiplication 52 Pl est effectuée, et le résultat rangé dans MR 2. On procède ensuite de la même manière au troisième cycle, de manière que MR 1 contienne le résultat (sr 1 + 52 2 + SP 3), MR 2: ( 52 Pl + S? 2) et MR 3: 53 P 1 Pour sa part, l'échantillon P 3 est rangé dans MR 3. Les opérations se poursuivent de la même façon tout le temps de l'acquisition. Après le Ne cycle, la mémoire MP est pleine, et contient les échantillons M 1 MN du signal pilote, et la mémoire MR est entièrement remplie par les échan- tillons: MR 1: 51 P + + SN PN I MRN: SN Pl + + 52 NP N On constate que l'échantillon Pl a été employé dans les N sommes de produits déjà opérées Il est désormais inutile pour achever les cumuls dans les N mémoires de résultat, o n'interviendront par la suite que les échantillons suivants P 2 P 32 C'est pourquoi, et de manière caractéristique de l'invention, au lieu de continuer à ranger les échan- tillons suivants du signal pilote à la suite des précé- dents, le dispositif va substituer, au (N+l)e cycle, dans la mémoire MP 1, l'échantillon P+i à l'échantillon Pl, permettant de cette manière une utilisation optimale de la mémoire: grace à ce dispositif à "mémoire circu- lante", seuls seront conservés les échantillons encore nécessaires, les nouveaux échantillons étant substitués au fur et à mesure de leur acquisition auxpremierséchan- tillons devenus inutiles. Ainsi, au (N 42)e cycle, on aura dans la mémoire MP les échantillons: PN+ 1 ' PN+ 2 ' P 3 ' P 4PN' Le calcul se poursuit ainsi jusqu'au p cycle d'acquisition, o le cumul sera achevé dans les mémoires MR 1 MRN On constate d'une part que deux mémoires MP et MR sont suffisantes pour faire fonctionner le dispositif, et que leur longueur N est fixe et très inférieure à la longueur d'acquisition s D'autre part, par cycle d'acqui- sition, le nombre d'opérations élémentaires, additions et multiplications, est au maximum égal au nombre d'échantillons correspondant à la profondeur d'investi- gation N Il est aisé de prévoir des circuits de calcul permettant d'effectuer ces calculs partiels dans l'inter- valle de temps compris entre deux cycles d'acquisition, de manière à obtenir le résultat final en temps réel, dès l'achèvement du dernier cycle, en s'affranchissant en outre totalement de la durée de l'acquisition. Pour la sommation des résultats de corrélation d'une série d'expériences répétitives fournissant des mesures faibles, il suffit de répéter l'opération pré- cédemment décrite, en conservant dans la mémoire MR les résultats de la précédente expérience Le cumul des résultats corrélés se fait au fur et à mesure des expériences, en éliminant les imprécisions dues aux variations du signal pilote à chaque répétition, car la corrélation est effectuée en temps réel avec la valeur instantanée du signal pilote, à la place d'une valeur moyenne unique. Il est bien évident que la description qui précède n'est donnée qu'à titre d'exemple de réalisation et n'a aucun caractère limitatif, et que de nombreuses variantes de structure ou de réalisation peuvent être envisagées sans pour autant sortir du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1 Dispositif de prospection sismique du sous- sol par vibration, du type comprenant: une source de vibrations contrôlées, au moins un capteur sismique, des moyens pour exciter la source par un signal pilote, des moyens de numérisation du signal pilote en échantillons pilotes successifs, des moyens de numérisation du signal reçu par le capteur en échantillons captés successifs, et des moyens d'enregistrement numérique des signaux relatifs aux échantillons pilotes et captés, caractérisé en ce que, N étant le nombre d'échantillons associé au temps T correspondant à la profondeur d'investigation désirée, le dispositif comporte en outre: une mémoire tampon (MP) de N échantillons du signal pilote (P), au moins une mémoire tampon (RS) pour un échan- tillon du signal capté (S), au moins un circuit de calcul ( 300) dans lequel on effectue des produits entre chaque échantillon capté et N échantillons consécutifs du signal pilote, au moins une mémoire de résultat (MR), dans laquelle on introduit cumulativement les N sommes de produits res- pectivement associées à des corrélations à écart de temps variable entre le signal capté et le signal pilote, un circuit d'adressage (A) des mémoires pilote et de résultat, coopérant avec lesdits circuits de calcul. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque circuit de calcul est susceptible d'opérer en virgule flottante. il 3 Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque circuit de cal- cul ( 300) est commun à deux voies sismiques ( 200). 4 Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que chaque circuit de cal- cul ( 300) est commun à quatre voies sismiques ( 200).