Brevet FR2533706A1 — publié le 19840330

La présente invention concerne un ensemble et un procédé de détermination de l'emplacement d'un objet marin remorqué par rapport au navire remorqueur Plus précisément, elle concerne un ensemble et un procédé de détermination du profil horizontal d'un câble sismique marin remorqué. La recherche d'hydrocarbures est entreprise très largement, y compris dans les régions recouvertes d'eau mais ayant un potentiel élevé La plus grande par- tie des régions couvertes par de l'eau n'est pas explo- rée et on sait peu de choses sur la configuration de la structure des formations recouvertes. Au cours des explorations sismiques marines, un long câble sismique (appelé "flûlte") est habituellement remorqué derrière un navire Ces câbles portent en général un appareil détecteur, tel que des hydrophones ou transduc- teurs sismiques, qui détecte l'énergie des ondes réflé- chies et transmet des signaux qui en sont représentatifs, ces signaux provenant d'une source acoustique, par exemple de la dynamite, qui introduit un front d'onde acoustique dans la formation terrestre placée sous la masse d'eau en cours d'exploration Les hydrophones prélèvent les ondes sismiques réfléchies par les structures géologiques de la formation souterraine. Les câbles ont par exemple plusieurs dizaineset et centaines-de mètres de longueur et peuvent atteindre plu- sieurs kilomètres, et ils comportent des tronçons de câble couplés bout à bout les uns aux autres Habituellement, chaque tronçon porte un ou plusieurs dispositifs à hydro- phone ou transducteur sismique Les câbles sont habituel- lement formés de manière que leur flottabilité soit neutre, et on a mis au point divers svstèmes destinés 1 déterminer le profil vertical du câble, comme décrit par exemple dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 3 439 319. Un problème qui n'a pas été résolu, bien que dif- férentes tentatives de résolution aient été faites, est la détermination de la configuration de la fl te dans l'eau lorsqu'elle est remorquée, c'est-à-dire celle du profil horizontal du cable Les courants, le sillage et analo- gues provoquent un déplacement du câble suivant un tra- jet imprévisible au-dessus de la formation géologique explorée Ainsi, l'emplacement d'un dispositif sismique déterminé quelconque au moment o il reçoit une onde réfléchie n'est pas connu avec précision. En général, on suppose en pratique que le câble est en ligne droite derrière le navire remorqueur Ceci est sans doute rarement le cas On utilise parfois des relevés tridimensionnels afin de compenser cette impréci- sion Un tel système est représenté dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n' 3 906 352. Une première tentative de détermination de la position angulaire horizontale d'un câble sismique remor- qué est décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n O 3 953 827 qui décrit la mesure de l'angle formé par la tangente au câble et à un dispositif de mesure, et une direction fixe et connue, à l'aide d'une courbe optimi- sée du cable et de l'espacement des dispositifs de me- sure, ce système donnant la position dans l'espace des dispositifs de mesure et, par interpolation, l'emplacement du dispositif sismique le long de la courbe Ce système manque de précision car il repose sur des hypothèses rela- tives au profil horizontal du câble. Selon un avantage de la présente invention, l'emplacement d'un objet marin remorqué par rapport au navire remorqueur peut être déterminé avec précision Il est particulièrement avantageux qu'un profil précis de la configuration horizontale d'un câble sismique remorqué puisse être déterminée Il est en outre avantageux selon l'invention qu'un procédé de détermination continue du profil du câble sismique soit disponible. L'ensemble selon l'invention, destiné à la lo- calisation d'un objet marin remorqué par un rapport à un navire remorqueur (position horizontale), comprend un na- vire remorqueur (navire principal) ayant un émetteur acous- tique destiné à émettre un premier signal acoustique, un récepteur acoustique destiné à recevoir un second signal acoustique, un dispositif radioélectrique des- tiné à recevoir une information d'un navire auxiliaire, un objet remorqué raccordé au navire remorqueur et-ayant au moins un émetteur-récepteur acoustique asservi ou transpondeur qui lui est associé afin qu'il soit inter- rogé par le premier signal acoustique et émette un se- cond signal acoustique (réponse), un navire auxiliaire placé à une distance connue et dans une position connue sur le travers du navire remorqueur, ayant un récepteur acoustique destiné à recevoir le premier signal acous- tique et le second signal acoustique et comportant un dispositif de télémétrie radioélectrique destiné à trans- mettre l'information du signal-acoustique vers le navire remorqueur, et un dispositif de synchronisation des ré- cepteurs acoustiques sur le navire auxiliaire et le na- vire principal Les signaux acoustiques sont émis dans la masse d'eau. Dans son application la plus générale, l'in- vention peut être mise en oeuvre pour la localisation de tout objet remorqué, tel qu'un sonar à balayage la- téral, une bouée ou analogue, par rapport au navire re- morqueur, un seul transpondeur pouvant être utilisé. Dans un mode de réalisation particulier, concernant un câble sismique, plusieurs transpondeurs sont placés le long du câble remorqué et sont interrogés successivement le long du câble à partir du navire temorqueur. De préférence, lorsque plusieurs transpondeurs sont associés à l'objet remorqué, chacun des transpon- deurs émet une impulsion ou un signal à une fréquence- différente (de celle des autres signaux et du signal interrogateur aussi) si bien que le transpondeur est identifié non seulement par la séquence des impulsions mais aussi par la fréquence. La position de chaque transpondeur remorqué est déterminée par trilatération des distances acous- tiques Le navire auxiliaire est placé par le travers et de préférence vers l'arrière du navire remorqueur. L'emplacement exact (position horizontale) du navire auxiliaire par rapport au navire remorqueur (aussi appelé navire principal) est déterminé à l'aide d'un même dispositif de localisation radioélectrique, tel que Argo, Syledis et analogue, pour les deux navires. Il s'agit d'une procédure de radionavigation totalement classique Touteserreurssystématiquesexistant entre les navires principal et auxiliaire sont supprimées par un système distance-distance de haute précision, par exemple le système "Autotape" (Cubic Western Company) qui est un système de détermination de position par pro- pagation de microondesdu type distance-distance, ayant une précision de + 10 cm environ Cette distance entre les navires principal et auxiliaire forme l'axe de base pour la trilatération et donne aussi la distance utili- sée pour l'étalonnage de la vitesse du son dans l'eau afin que toutes les variations de la vitesse acoustique puissent être corrigées constamment. Le navire principal émet un signal acoustique (impulsion)' qui excite (interroge) chaque transpondeur acoustique placé le long du câble, et chaque transpon- deur émet alors un signal (impulsion) que prélèvent à la fois les récepteurs acoustiques principal et auxiliaire. A l'aide de l'intervalle de temps obtenu avec le pre- mier signal émis par le navire principal et la vitesse du son dans l'eau (étalonnée pour l'eau particulière), la distance, c'est-à-dire la distance séparant les na- vires principal et auxiliaire de chaque transpondeur, peut être calculée avec une grande&précision. La chaîne de synchronisation du navire auxi- liaire est synchronisée -sur celle du navire principal, c'est-à-dire que le navire principal commande son pro- pre récepteur acoustique et celui du navire auxiliaire afin que les deux récepteurs aient un même temps, corres- pondant au moment o le premier signal acoustique est émis Pour l'interrogation du ou des transpondeurs L'opé- ration est réalisée avantageusement par radiotélémétrie, de la même manière que l'information concernant les si- gnaux acoustiques esttransmise du navire auxiliaire au navire principal. Le navire auxiliaire transmet son information (moment de la réception du signal acoustique et informa- tion sur la navigation) au navire principal lorsque le calcul d'étalonnage et des distances est avantageusement réalisé par ordinateur Une présentation visuelle continue et/ou un enregistrement du profil horizontal du câble peuvent être présentés afin qu'ils soient corrélés à l'in- formation sismique reçue par les dispositifs sismiques. En conséquence, un enregistrement sismique extrêmement précis des structures sous-marines est réalisé L'ensem- ble selon l'invention peut être utilisé avec un seul objet remorqué (câble sismique) ou avec plusieurs objets remor- qués tels que des câbles parallèles utilisés pour la déter- mation de profils sismiques tridimensionnels Cependant, dans de nombreux cas, l'excellente précision donnée par l'ensemble selon l'invention peut éliminer la nécessité des explorations tridimensionnelles plus coûteuses. Bien qu'on décrive l'invention avec utilisa- tion du navire remorqueur comme navire principal, l'un ou l'autre des navires peut être le navire principal et l'autre le navire auxiliaire. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront mieux de la description qui va sui- vre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une élévation représentant - schématiquement les éléments marins d'un ensemble selon l'invention; la figure 2 est une vue en plan schématique des différents éléments marins de l'ensemble selon l'in- vention; et la figure 3 est une représentation propor- tionnelle des temps correspondant aux divers signaux des transpondeurs, parvenant au navire auxiliaire ou principal. La figure 1 représente un câble sismique 12 placé dans l'eau 14 derrière un navire remorqueur 16 et ayant sur sa longueur des transpondeurs 18 Un émetteur- récepteur acoustique 20 tel que du type ART-285 de Datasonics, Inc, Cataumet, Mass est monté sur le navire remorqueur, un navire auxiliaire 22 est placé par le travers et vers l'arrière du navire remorqueur, à 1,5 à 3 km du câble 14 et à peu près vers le milieu de ce câble Le navire auxi- hlaire 22 est représenté sous forme d'un bateau à voiles car de tels navires ont une excellente stabilité, bien que l'utilisation de moteurspuisse être envisagée pour le maintien du navire auxiliaire dans sa position Bien qu'il soit préférable que le navire auxiliaire soit ali- menté indépendamment, il peut aussi être commandé à dis- tance à partir du navire remorqueur ou il peut même être remorqué. La figure 2 représente le navire remorqueur 16, le navire auxiliaire 22 et un câble allongé 12 ayant onze transpondeurs acoustiques 18 repérés successivement par les références O à 10, par exemple du type ANT-388, destinés à de telles flûtes (Datasonic, Inc), espacés sur sa longueur Une bouée 24 de queue est représentée et elle est utile pour l'indication à d'autres navires ou pour la ré- cupération du câble, au cas o il se séparerait du navire remorqueur La position du navire auxiliaire 22 par rap- port au navire remorqueur a été déterminée à l'aide du système de radionavigation déjà utilisé pour la détermina- tion de leurspositiors Bien que ces systèmes soient très précis dans l'optique d'une navigation, une exactitude de l'ordre de quelques mètres est plus que suffisante dans l'application prévue En conséquence, il est souhaitable de vérifier ou étalonner le système de navigation pour l'application particulière à l'invention L'opération est facilement réalisée par mise en oeuvre de l'une quelcon- que de plusieurs méthodes disponibles du type distance- distance utilisées pour les déterminations exactes des 7 2533706 distances La détermination précise de la distance séparant le navire auxiliaire du navire principal ne fait pas partie de l'invention et peut être obtenue par des systèmes connus. Le système particulier qui donne une précision meilleure que + 10 cm est un système de propagation de microondesdisponible auprès de Cubic Western Company sous le nom "Autotape" En résumé, ce système met en oeuvre deux transpondeurs montés sur le navire principal et un seul transpondeur principal monté sur le navire auxiliaire. La distance séparant les deux transpondeurs placés sur le navire remorqueur (Dist 12) est connue La distance com- prise entre chacun de ces transpondeurs et le transpondeur principal (Dist et Dist 2 respectivement) est déterminée. Comme ces distances sont maintenant connues, l'angle (for- mé entre l'axe de base passant par les transpondeurs du navire principal et Dist 1) peut être déterminé avec l'équa- tion: Dist 22 + Dist 12 Dist 2 =arccos 12 1 2 f= arccos 2 Dist 1 Dist 12 Une fois connu l'angle, la distance déterminée à l'aide du système de radionavigation peut être comparée à celle de la détermination distancedistance, et la navigation peut être étalonnée le cas échéant à partir du système dis- tance-distance qui est plus précis Tout système qui a une précision supérieure à celle d'un système de radionavi- gation peut être utilisé, plus la précision étant grande et plus l'avantage étant important Actuellement, un appa- reillage laser disponible donnant la plus grande précision n'est pas au point pour l'utilisation sur une plate-forme instable et mobile formée par un navire en mer (le faisceau est trop étroit et difficile à repérer avec précision) Ce- pendant, on considère qu'un tel système, lorsque ce pro- blème sera résolu, sera excellent pour l'étalonnage. Lorsque la distance T 1 entre le navire prin- cipal 16 et le navire asservi 22 a été déterminée, la droite correspondante joue le rôle de l'axe de référence et constitue un côté du triangle utilisé pour la trilaté- ration. Il existe divers procédés de détermination de la vitesse du son dans l'eau de mer mais, étant donné la distance T 1 mesurée avec précision, cette vitesse peut être déterminée avec précision et de façon continue à l'aide de l'appareil marin dans lequel l'ensemble selon l'invention estutilisé. L'ensemble selon l'invention est mis en oeuvre avec un signal ou une impulsion acoustique provenant d'un dispositif tel qu'un transducteur interrogateur AT-490 (Datasonics, Inc), le signal provenant du navire remor- queur 16 (principal) interrogeant chaque transducteur acous- tique 18 ( 0-10) successivement ( 0-10) étant donné la dis- position successive des transpondeurs le long du câble. Chaque transpondeur émet alors un signal acoustique ou une impulsion qui est de préférence à une fréquence dési- gnée différente de celle des autres transpondeurs. Le navire principal 16 et le navire auxiliaire sont tous deux équipés de récepteurs acoustiques (tels que du type ART-285, le navire auxiliaire ne nécessitant qu'une possibilité de réception) afin que les signaux acoustiques provenant des transpondeurs 18 soient reçus Le navire auxiliaire reçoit aussi le signal du navire principal. L'information acoustique reçue par le navire auxiliaire est transmise à une fréquence radioélectrique au navire principal L'information collectée des signaux acoustiques permet facilement le calcul précis des distances R 2 et R pour chaque transpondeur 18, à l'aide des équations V Rl T 2 R 2 = 2 x Vs R 3 = T 3 x Vs dans lesquelles Tl est le temps nécessaire à un aller simple du navire principal au navire auxiliaire T 2 est le temps nécessaire à la propagation du navire principal vers chacun des transpondeurs désignés 2.533706 T 3 est le temps nécessaire à un aller simple du transpondeur correspondant au navire auxiliaire (dé- terminé par soustraction de T 2/2 du temps écoulé à par- tir de l'émission du signal principal jusqu'à la réception du signal de réponse du transpondeur désigné par le na- vire auxiliaire) Rl est la distance entre le navire principal et le navire auxiliaire (déterminée par un système distance-distance) R 2 est la distance entre le navire principal et chacun des transpondeurs choisis R 3 est la distance entre le navire auxiliaire et le transpondeur correspondant, et Vs est la vitesse du son dans l'eau de mer. Le S calculs sont avantageusement effectués par ordinateur et affichés graphiquement de manière continue ou enregistrés afin qu'ils puissent être évalués avec l'enregistrement sismique. Il faut noter que le paramètre Rl est le même que la distance suivant l'axe de référence déterminée comme décrit précédemment, et la vitesse du son dans l'eau est déterminé par utilisation des valeurs connues de Rl et du temps écoulé entre l'émission du signal principal et sa réception par le navire auxiliaire. La figure 2 représente la relation observée dans le cas d'un transpondeur 18 ( 3) Le temps T 2 est ap- pelé T 23 et la distance R 23 correspondant au temps et à la distance du transpondeur 18 ( 3) par rapport au navire principal 16 Le temps T 3 est représenté sous la forme T 33 et la distance R 3 sous la forme R 33, et ils correspondent à la durée et à la distance du transpondeur 18 ( 3) par rapport au navire auxiliaire 22 Le temps Tl et la dis- tance Rl sont utilisés comme constante pour une série par- ticulière de localisation de câble Ceci est possible car toute la procédure, lorsque le navire principal a émis le signal d'interrogation, prend seulement 4 à 6 s, si bien que la position relative des deux navires n'a pas eu le temps de changer de manière appréciable. Lorsque chaque transpondeur 18 et l'émetteur du navire principal émettent à des fréquences désignées différentes, lesrécepteursdes navires principal et auxi- liaire sont adaptés à distinguer entre les fréquences et à corréler les temps T 1, T 2 et T 3 au transpondeur désigné. Si des signaux différents et distincts ne sont pas utilisés pour chacun des signaux, le récepteur du navire auxiliaire est destiné à reconnaître le premier signal comme ayant été émis par le navire principal, le second signal comme provenant du transpondeur 18 ( 0), le troisième du transpondeur 18 ( 1) et ainsi de suite; le récepteur du navire principal reconnaît le premier signal comme ayant été émis par le transpondeur 18 ( 0), le second par le transpondeur 18 ( 1), le troisième par le transpondeur 18 ( 2) et ainsi de suite L'appareil émetteur-récepteur ainsi que le transpondeur acoustique sont tous de type classique et, mis à part leur combinai- son selon l'invention, ils ne font pas partie de celle-ci. De même, l'appareillage comprenant l'ordinateur est clas- sique et le programme éventuellement utilisé pour la résolution de l'équation et la présentation graphique/ le cas échéant, de la configuiration du câble peut être facilement réalisé par l'homme du métier. La figure 3 représente la séquence dans le temps d'une séquence d'opération du mode de réalisation de la figure 2, sous forme graphique La figure 3 repré- sente en représentation graphique et proportionnelle la séquence de réception de signaux acoustiques provenant des transpondeurs 18- lO-10) par le récepteur du navire principal et par le récepteur du navire auxiliaire, dans le cas d'un câble ayant une longueur d'environ 3,6 km, les transpondeurs 18 étant à peu près équidistants L'en- semble de la séquence, depuis l'émission du signal d'in- terrogation du navire principal, dure moins de 5 S (dans l'hypothèse d'une vitesse du son dans l'eau d'environ 1476 m/s) La référence TO (T zéro) correspond au déclen- chement de la séquence et à l'émission du signal d'inter- rogation par le navire principal Les récepteurs acous- tiques des navires principal et auxiliaire sont synchro- nisés par télémétrie radioélectrique afin qu'ils soient synchronisés pour un même point initial TO dans la sé- quencë Sur la figure 3, la durée des signaux acoustiques est représentée pour chacun des transpondeurs (les indices désignant les transpondeurs O à 10 de la figure 2) T 2, le temps écoulé depuis TO jusqu'à la réception par le navire principal du signal du transpondeur, est en réalité le temps nécessaire au signal d'interrogation pour attein- dre le transpondeur et au signal de réponse du transpon- deur pour revenir au navire principal, c'est-à-dire que la durée d'un aller est égale à T 2/2. Le procédé de localisation d'un objet remorqué tel qu'un câble sismique peut être répété dès que la séquence précédente s'est terminée, c'est-àdire par exemple toutes les 6 secondes environ le cas échéant. De même, le procédé péut être réglé à tout intervalle voulu afin qu'il donne l'information voulue de position- nement ou que les batteries d'accumulateurs des trans- pondeurs soient épargnées, ou pour d'autres raisons. -12 REVENDICATIONS 1 Enseimble de localisation d'un objet marin remorqué par rapport à un navire remorqueur, caractérisé en ce qu'il comprend: (a) un navire remorqueur ( 16), (b) un second navire ( 22) séparé du navire remorqueur par une distance connue et placé par le travers du navire remorqueur, (c) un objet remorqué ( 12) relié au navire remorqueur et ayant au moins un transpondeur acoustique ( 18) associé, destiné à être interrogé par un premier - signal acoustique afin que le transpondeur émette un signal acoustique en réponse, (d) un émetteur-récepteur acoustique placé sur un premier navire ( 16) et destiné à émettre le premier signal acoustique et à recevoir le signal de réponse, (e) un récepteur acoustique placé sur un second navire ( 22) et destiné à recevoir le premier si- gnal acoustique et le signal acoustique de réponse, (f) un dispositif de synchronisation des récepteurs acoustiques, et (-g) un dispositif destiné à transmettre l'in- formation des signaux acoustiques du-second navire ( 22) au -premier ( 16) 2 Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier navire ( 16) est lé navire remorqueur et le second( 22) est un navire auxiliaire. 3 Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que le transpondeur acoustique ( 18) émet le signal de réponse à une fréquence différente de celle du premier signal. 4 _ Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs transpondeurs acoustiques ( 18) associés à l'objet remorqué ( 12) 5 Ensemble selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque transpondeur acoustique ( 18) émet le signal de réponse à une fréquence différente de celle des autres transpondeurs acoustiques et du premier signal - 6 Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que le navire auxiliaire ( 22) est placé vers l'ar- rière du navire remorqueur ( 16) - 7 Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de synchronisation des récepteurs acoustiques assure une télémétrie radioélectrique. 8. Ensemble selon-la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif destiné à transmettre l'information des signaux acoustiques du second navire ( 22) au premier ( 16) fonctionne par télémétrie radioélectrique. 9 Ensemble selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'objet remorqué est un câble sismique ( 12). 10 Ensemble selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'objet remorqué est un câble sismique ( 12). 11 Ensemble selon la revendication 10, caractérisé en ce que les transpondeurs acoustiques sont à peu près équidistants le long du câble sismique. 12 Procédé de localisation d'un objet marin remorqué par rapport à un navire remorqueur, caractérisé en ce qu'il comprend: (a) la détermination de la position de naviga- tion du navire remorqueur ( 16) et d'un navire auxiliaire ( 22) placé par le travers et à distance du navire remor- queur, (b) la détermination de la distance comprise entre le navire remorqueur ( 16) et le navire auxiliaire ( 22), (c) l'émission d'un premier signal acoustique par un premier navire ( 16), (d) la réception du premier signal par le second navire ( 22), (e) l'enregistrement du temps écoulé depuis l'émission du premier signal acoustique jusqu'à ia récep- tion par le second navire ( 22), (f) la réception du premier signal par au moins un transpondeur acoustique ( 18) associé à un objet remorqué par le navire remorqueur, le transpondeur étant interrogé par le premier signal afin qu'il émette un signal de réponse, (g) la réception du signal de réponse par le premier navire ( 16), (h) l'enregistrement du temps écoulé de l'émis- sion du premier signal à la réception du signal de réponse par le premier navire ( 16), (i) la réception du signal de réponse par le second navire ( 22), (j) l'enregistrement du temps écoulé de l'émis- sion du premier signal à la réception du signal de réponse par le second navire ( 22), (k) la détermination de la vitesse du son dans l'eau, ( 1) le calcul des distances entre les deux navires et le transpondeur acoustique, par les-équations suivantes Vs RT 1 R 2 = 2 x Vs R 3 = T 3 x Vs dans lesquelles: R 1 est la distance comprise entre les navires, R 2 est la distance comprise entre le premier navire et le transpondeur, R 3 est la distance comprise entre le second navire et le transpondeur, T 1 est le temps d'aller du premier signal acoustique du premier navire au second navire, T 2 est le temps de parcours du premier signal acoustique jusqu'au transpondeur, augmenté du temps de parcours du signal de réponse jusqu'au premier navire, T 3 est le temps de parcours du premier signal acoustique jusqu'au transpondeur, augmenté du temps de parcours du signal de réponse jusqu'au second navire, diminué fr T 2/2, et Vs est la vitesse du bon dans l'eau, et (m) la trilatération de R 1, R 2 et R 3 afin que la position du transpondeur par rapport au navire remorqueur soit localisée. 13 Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'une série de transpondeurs acoustiques ( 18) est placée le long d'un câble remorqué par le navire remorqueur ( 16), et chacune des étapes (f) à (m) est répétée successivement pour chacun des transpondeurs acoustiques. 14 Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que la séquence de transpondeur acoustique ( 18) s'écarte du navire remorqueur ( 16).