Brevet FR2545226A1 — publié le 19841102

L'invention concerne un procédé de détermina- tion de la position d'un câble immergé récepteur d'impul- sions sismiques, qui est remorqué par un bâtiment créant ces impulsions. Le procédé consiste à mesurer l'azimuth et la distance, par rapport au bâtiment, de points répartis sur la longueur du câble, et à calculer les coordonnées de ces points à partir des valeurs relevées On peut notam- ment utiliser un système hydroacoustique de mesure à base ultra-courte coopérant avec un gyrocompas pour relever l'azimuth et la distance des divers points en fonction des signaux émis par des émetteurs-récepteurs asservis ou transpondeurs, des balises, des répondeurs, etc montés le long du câble. Le procédé peut notamment s'appliquer à l'étude de l'hydrographie d'une plate-forme continentale. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés, sur lesquels la figurela représente schématiquement, en vue latérale, le principe du relevé classique en deux dimensions; la figure lb est une vue de dessus, selon le plan AA de la figure la, et la figure lc montre une coupe selon BB de la figure lb la figure 2 représenté la détermination de l'azimuth d'une droite de référence qui est en général l'axe du bâtiment; les figures 3 a et 3 b représentent schémati- quement la mise en oeuvre d'un procédé utilisant des compas magnétiques et la figure 3 c définit des angles de mesure correspondants, la figure 4 a représente la détermination de l'azimuth géographique à partir de l'indication donnée par un compas magnétique, ainsi que l'utilisation de coor- données polaires, la figure 4 b représente la mesure de la posi- tion d'un point du câble; la figure 5 représente schématiquement une ins- tallation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'inven- tion; la figure 6 représente la mise en oeuvre de ce procédé; la figure 7 a représente un incident susceptible de survenir au cours de cette mise en oeuvre; la figure 7 b représente un mode d'étalonnage des appareils; et la figure 8 représente l'augmentation de l'im- précision des mesures dans le sens latéral en fonction de la distance. Dans les relevés par voie sismique du fond de la mer (figures la, lb, lc), on envoie dans l'eau des impulsions d'énergie 1 au moyen de fusils à air comprimé ou par d'autres moyens ("décharges") Les signaux sont réfléchis ( 2) par le fond 8 de la mer et par les couches inférieures ou substrat 9, et ils sont détectés par des groupes d'hydrophones 3 du câble récepteur 4 Ce câble a typiquement une longueur de 2 400 3 000 mètres et il est divisé en groupes d'hydrophones longs typiquement de 25 mètres. Dans les relevés par voie sismique classiques (appelés relevés en deux dimensions ou simplement 2-D),on admet que le câble récepteur est rectiligne derrière le bâtiment remorqueur 10 (le bâtiment émetteur) et qu'il suit la même route 5,5 'que ce bâtiment On admet par ailleurs que les signaux réfléchis 2 proviennent de points 6 qui se trouvent dans le plan vertical passant par le câble 4. Ces hypothèses sont incorrectes, pour deux rai- sons En premier lieu, le câble ne forme pas nécessaire- ment une ligne droite derrière le bâtiment, en raison des courants de l'océan ou parce que le bâtiment ne navigue pas en ligne droite (manoeuvre) Deuxièmement, la géologie de la zone étudiée peut faire que les signaux réfléchis proviennent aussi de points 7 qui ne sont pas dans le plan vertical passant par le câble. Pour relever de manière détaillée au moyen d'impulsions sismiques les régions à géologie tourmentée, il faut déterminer les points réels de réflexion des signaux enregistrés On le fait au moyen de la technique extrêmement compliquée appelée hydrographie en trois dimen- sions ( 3-D) Il est possible d'utiliser maintenant cette technique, qui oblige à traiter une quantité considérable d'informations, en s'aidant d'ordinateurs modernes. Dans un relevé en 3-D, les routes sont pointées de manière très serrée, typiquement tous les 50-75 mètres, et l'on tient compte dans les calculs de l'emplacement de chaque groupe d'hydrophones du câble récepteur au moment o les signaux réfléchis sont reçus Cela signifie qu'il faut connaître à chaque décharge la position de chacun de ces groupes. Dans la description ci-dessous des procédés de détermination de la position du câble récepteur, on admet- tra que la position de l'antenne de navigation 13 du bâti- ment est connue (figure 2) et que ce bâtiment est équipé d'un gyrocompas 14, permettant de déterminer la position d'autres points 15 du bâtiment d'après celle de cette antenne 13. On admettra aussi que l'on comprend par"position" les coordonnées d'un point dans un système géographique de coordonnées de longitude et latitude ou de coordonnées orthogonales (x,y) projetées sur une carte Pour les travaux effectués sur la plate-forme continentale norvé- gienne, on utilisera les Informations Européennes 1950 (Norvegian Continental Shelf, European Data 1950) et la projection UTM. Le système qui,actuellement, sort presque exclusivement à déterminer la position de câbles récep- teurs d'impulsions sismiques utilise de petits compas magnétiques de grande précision (voir les figures 3 a, 3 b, 3 c) Plusieurs de ces compas magnétiques il, typiquement six à douze, sont montés dans le câble 4 récepteur de signaux acoustiques Ces compas 11 comportent un dispositif de lecture numérique des angles et ils sont reliés par l'intermédiaire du câble récepteur-à un équipement d'affi- chage à bord du bâtiment. On essaie de faire correspondre approximative- ment la forme du câble et celle d'une courbe mathématique qui comporte un point fixe au point 15 ' de remorquage par le bâtiment, les conditions limites étant que la tangente 21 à la courbe, au point correspondant à l'emplacement de chaque compascoincide avec l'azimuth 12 (l'angle par rapport au nord géographique) pour chacun de ces points 11 Lorsque cette courbe mathématique a été déterminée, on peut calculer la position sur le câble de chaque groupe d'hydrophones 3 On le fait normalement à chaque décharge. Les mesures faites avec les compas magnétiques le sont par rapport au nord magnétique 17 Pour obtenir l'azimuth 12, il faut appliquer à la valeur 16 relevée une correction correspondant à là différence entre le nord magnétique et le nord géographique N c'est-à-dire la déviation 18 Cette déviation est indiquée sur les cartes marines, mais, pour obtenir la précision recherchée, il faut déterminer la valeur de la déviation dans la région étudiée De plus, les compas peuvent présenter des erreurs systématiques-19 qu'il faut également estimer et prendre en compte en calculant l'azimuth La pratique a montré que les corrections qu'il faut faire pour tenir compte de la déviation et des erreurs systématiques varient avec le cap, ce qui oblige à étalonner très soigneusement le sys- tème. Pour étalonner le système, le bâtiment fait route dans des directions différentes et l'on relève les indications des compas On supposera à priori qu'on le fait lorsqu'il n'y a pas de courants appréciables ou lors- que les courants ont la même force, mais sont orientés en sens opposés On peut donc obtenir la correction en analy- sant statistiquement les résultats relevés Etant donné que, lorsque l'étalonnage est effectué, la situation n'est pas tout à fait celle qui a été prise comme hypothèse, en raison par exemple de courants créés par le vent, etc, les corections ntl seront pas parfaitement exactes Cette erreur se reproduira systématiquement lorsque les facteurs de correction seront appliqués aux valeurs relevées La précision sur la valeur de l'azimuth sera de l'ordre de grandeur de + 1 degré. Il faut remarquer, à propos du procédé utili- sant des compas magnétiques, que la position des points du câble n'est pas mesurée directement Ces positions sont estimées indirectement par l'intermédiaire de la courbe mathématique qui est déterminée par les conditions limites de tangence Il est par conséquent difficile de quantifier la précision qu'il est possible d'obtenir avec ce procédé, mais les Sociétés qui l'ont utilisé supposent une précision à 25-50 mètres près pour la partie postérieure du câble. L'utilisation de compas magnétiques pour déter- miner la position du câble récepteur est basée sur l'hypo- thèse que la direction du champ magnétique dans la région étudiée est stable Aux grandes latitudes, par exemple au nord de la Norvège, l'intensité et la direction-du champ magnétique varient sous l'effet des orages magnétiques Les changements de direction peuvent atteindre plusieurs degrés dans un court espace de temps, ce qui fait qu'il ne con- vient pas d'utiliser dans ces régions des compas magnéti- ques pour déterminer la position d'un câble. Un système de mesure par coordonnées polaires selon l'invention signifie que l'on mesure une distance 22 et un angle 23 par rapport à une direction de référence 24 (figure 4 a) L'azimuth 25 de cette direction de référence est connu On peut donc calculer la position d'un nouveau point 26 par rapport à un point connu 27 en décomposant la distance mesurée 22 en ses composantes x et y et en calcu- lant l'azimuth 28 de la droite qui joint ce point connu à ce nouveau point. Pour utiliser le principe de la mesure en coor- données polaires afin de déterminer la position de câbles récepteurs d'impulsions sismiques, on mesure l'azimuth 29 et la distance 30 du bâtiment remorqueur 10 à des points 31 du câble (figure 4 b). Le câble est remorqué à une profondeur qui e:;l typiquement de 5 à 20 mètres et il faut donc faire les mesures dans l'eau On utilise à cet effet un système hydroacoustique à base ultra-courte, c'est-à-dire que l'on mesure les angles par rapport à une base de l'ordre de cm,alors que les distances mesurées peuvent atteindre environ 300 000 cm. Il existe sur le marché des systèmes hydro- acoustiques de mesure à base ultra-courte, par exemple le système Simrad RPR, et ils ne seront donc pas décrits plus en détail Il faut mentionner cependant que les éléments constitutifs principaux du système (figure 5) sont un transducteur 32 ("têtue de mesure"), qui peut être immergé à 3 à 4 mètres au-dessous du fond du bâtiment, divers appa- reils électroniques 33 de commande et un groupe d'affichage 34, qui donne la distance et l'angle Il faut monter la tête de façon qu'il soit possible de mesurer les angles par rapport à l'axe du bâtiment ou à une autre droite de réfé- rence Un système "suspendu au flanc du bâtiment" ne marche pas Il faut par ailleurs que la tête de mesure communique avec un dispositif 35 et en reçoive des signaux Dans le procédé décrit, ce dispositif sera un émetteur-récepteur asservi ou transpondeur, une balise ou un répondeur fixé à l'extérieur du câble récepteur Un émetteur-récepteur répond à un appel de la tête de mesure, une balise émet continuellement des signaux, tandis qu'un répondeur émet des signaux lorsqu'il reçoit par l'intermédiaire du câble l'ordre (impulsions électriques) de le faire. Le système hydroacoustique est connecté au gyrocompas 36 du bâtiment et il doit aussi comporter un appareil 37 donnant la verticale de référence de façon à corriger automatiquement les erreurs de mesure dûes au roulis et au tangage Il est crucial que les angles soient mesurés par rapport au plan horizontal. Lorsque le système destiné à déterminer la position de points 42 le long du câble est en service (figure 6), le système hydroacoustique à base ultra-courte mesure l'angle compris entre une droite ou ligne de réfé- rence 46, qui est normalement l'axe du bâtiment ou une droite qui y est parallèle, et une droite de mesure passant par (ou dirigée vers) l'un de ces points 42 L'azimuth de la droite de référence est connu grâce au gyrocompas et l'azimuth 40 de la droite de mesure peut donc être déter- miné. La distance 43 sur la droite de mesure, entre un transducteur 41 et un point de mesure 42 (émetteur- récepteur, balise ou répondeur) le long (ou à l'intérieur) du câble, peut être calculée d'après le temps qu'il faut au signal pour aller et revenir dans l'eau Mais, quand la distance est assez grande, typiquement 1 000 mètres ou plus, la mesure de cette distance peut être assez imprécise, parce que le faisceau 44 peut ne pas se propager en ligne droite dans le plan vertical, en raison de faibles gradients verticaux de température de l'eau, de vagues de surface,etc. (figure 7 a) L'emplacement des points de mesure 42 le long du câble sera cependant connu et l'on peut utiliser cette distance relevée et l'angle mesuré pour calculer la posi- tion du point Sur un câble incurvé,-cette distance diffère un peu decelle correspondant à une cible rectiligne On peut compenser cette différence après avoir d'abord déter- miné la forme du câble, en utilisant cette forme provisoire pour déterminer la différence entre l'arc et une droite On peut alors calculer la forme réelle du câble. Lorsqu'on détermine la position de câbles récepteurs d'impulsions sismiques, l'écart transversal de ces câbles par rapport à la route prévue est critique Avec la forme légèrement arquée que le câble peut prendre, l'écart entre un arc et une droite n'a pas une importance critique. Le nombre des points de mesure le long du câble doit être adapté à la précision que l'on exige pour déter- miner finalement la position de ce câble Ce nombre doit aussi être adapté à la lumière de l'expérience pratique que l'on a du procédé On peut cependant admettre que le nombre typique de points de mesure 42 répartis sur la lon- gueur du câble sera compris entre quatre et huit. Une fois que la position des points de mesure 42 a été déterminée, on peut représenter la forme approxi- mative du câble par une courbe mathématique Les conditions limites de détermination de cette courbe sont que son ori- gine coïncide avec le point 45 du bâtiment assurant le remorquage (point de remorquage) et qu'elle passe par les points de mesure 42 déterminés par le procédé hydroacousti- que de mesure en coordonnées polaires Dans sa forme la plus simple, cette courbe peut consister en une suite de tronçons rectilignes d'un point 42 au suivant Le premier tronçon ira du point 45 de remorquage du câble (figure 6) au premier point de mesure 42. Normalement, l'utilisateur choisira la courbe mathématique passant par les points 42 qui correspondra à l'idée qu'il se fait de la forme du câble Le procédé selon l'invention ne tient pas compte de la courbe mathématique particulière utilisée, mais seulement de la manière dont est déterminée la position des points de mesure 42 qui sont utilisés pour calculer cette courbe. Il est critique d'étalonner le système de façon à obtenir l'azimuth correct Les dispositifs utilisés pour déterminer cet azimuth sont le gyrocompas 14 et le système hydroacoustique à base ultra-courte. Le gyrocompas 14 doit indiquer les valeurs cor- rectes pour deux raisons: afin, premièrement, de permettre de déterminer la position, par rapport à l'antenne de navi- gation 13, de points du bâtiment (voir figure 2) et afin, deuxièmement, de déterminer l'azimuth 39 de la droite de référence 46 (voir figure 6). Il faut étalonner le système hydroacoustique de mesure de façon qu'il indique un angle de zéro degré le long de la droite de référence 46. Un procédé d'étalonnage simple, précis et effi- cace consiste à amener le bâtiment le long d'un quai 47 en eaux tranquilles (figure 7 b) Ce bâtiment doit être l çté de façon à ne pas donner de la bande Son axe doit être déterminé et repéré à l'aide de points 48 marqués sur le pont ou la coque à l'avant et à l'arrière En se reportant à des repères géodésiques fixes 49 sur terre et en utili- sant des techniques topographiques, on peut déterminer les coordonnées géographiques des points 48 et l'azimuth 50 de l'axe du bâtiment On peut alors calculer l'écart entre l'azimuth déterminé et l'indication du gyrocompas et corri- ger ce dernier, en incluant éventuellement dans la correc- tion la suite des calculs relatifs au procédé hydroacous- tique de mesure en coordonnées polaires. Il est possible d'étalonner les mesures angu- laires réalisées à l'aide du système hydroacoustique à base ultra-courte en accrochant un émetteur-récepteur asservi 51 sous un autre bâtiment situé à au moins 800 mètres (minimum) du bâtiment créateur d'impulsions On détermine la position de cet émetteur-récepteur 51 en utilisant des techniques topographiques, et on peut déterminer l'azimuth 52 de la droite qui joint le bâtiment émetteur audit émetteur-récepteur 51 La différence entre cet azimuth 52 et celui, 50, du bâtiment doit alors être égale à l'angle 53 relevé au moyen du système hydro-acoustique En variante, il est possible de déterminer directement cet angle 53 en le mesurant au théodolite depuis le bâtiment Quel que soit le procédé utilisé, il faut faire plusieurs mesures en plaçant l'émetteur-récepteur 51 dans un grand nombre de directions en arrière du bâtiment. Il a été indiqué plus haut que le point de mesure 42 situé sur ou dans le câble peut consister en un émetteur-récepteur asservi (transpondeur), une balise ou un répondeur Idéalement, ce point 42 devrait être repré- senté par un répondeur commandé par le système hydroacous- tique de mesure au moyen de câbles électriques passant dans le câble récepteur et reliés par voie électromagnétique à ce répondeur Ce procédé dépend seulement de la qualité de la transmission dans l'eau d'un signal à sens unique, ce qui diminue le risque que des bruits de fond puissent influer sur la précision des mesures Par ailleurs, un répondeur permet de mesurer les distances. Le procédé utilisant un répondeur oblige à disposer des connecteurs spéciaux sur le câble récepteur et il peut donc n'être pas toujours possible de l'utiliser, pour des raisons pratiques On peut alors utiliser un émetteur-récepteur asservi ou une balise Les émetteurs- récepteurs asservis doivent recevoir un signal transmis dans l'eau par les transducteurs du bâtiment Comme ce signal doit parvenir à l'émetteurrécepteur et en revenir, le risque que des bruits d'e fond influent sur la précision des mesures augmente avec la distance, par exemple à proximité de l'extrémité du câble Ainsi qu'on l'a mentionné plus haut, les émetteurs-récepteurs asservis offrent la possibi- lité de déterminer les distances. Les balises présentent le même avantage de transmission à sens unique que les répondeurs Mais il n'est pas possible d'agir sur la transmission des signaux, de sorte que, dans des conditions défavorables, on peut ne pas pouvoir effectuer une mesure parce que des signaux provenant de diverses balises parviennent simultanément au transducteur Les balises ne permettent pas de déterminer les distances, et il faut donc utiliser les valeurs de distance déterminées par l'emplacement de ces balises le long du câble. Le meilleur système hydroacoustique à base ultra-courte actuel mesure un angle avec une précision de + 0,5 degré Si l'on suppose que la précision du gyrocompas 14 est aussi de + 0,5 degré, que la précision de l'étalon- nage est de + 0,2 degré et que les erreurs sont aléatoires, la précision angulaire du système sera VO,52 + 0,52 + 0,22 = + 0,7 degré La figure 8 montre que les erreurs 54 dans le sens transversal sur la position de points du câble récep- teur sont proportionnelles à la distance de ces points par 45226 rapport au bâtiment Le tableau ci-dessous montre l'effet d'une erreur de + 0,7 degré à diverses distances. Distance Erreur transversale 500 mètres 6 mètres 1 000 mètres 12 mètres 1 500 mètres 18 mètres 2 000 mètres 24 mètres 2 500 mètres 30 mètres Si l'on suppose que la forme du câble récepteur ne varie pas beaucoup d'une décharge à la suivante, surve- nant 10 secondes plus tard, il peut être possible d'amélio- rer ces valeurs en filtrant et analysant statistiquement les résultats des mesures. Avec le procédé de mesure hydroacoustique en coordonnées polaires, les positions de points distincts du câble récepteur sont mesurées directement Pour déterminer la position de chaque groupe d'hydrophones de ce câble, il faut représenter la forme approximative de ce dernier par une courbe mathématique, mais les limites imposées à cette courbe sont l'obligation de passer par des positions connues et données Cela permet de déterminer plus sûrement la position et d'estimer la précision de manière beaucoup plus fiable Dans toutes ces déterminations de position, on travaille entre certaines tolérances et, pour permettre d'évaluer de manière fiable la précision finale de tout un systèir", il est très important d'être à même d'estimer de manière sûre la marge d'erreur de chaque instrument ou appareil. Le procédé de mesure hydroacoustique en coor- données polaires ne dépend pas du champ magnétique ni d'autres influences extérieures Le système peut être étalonné pendant que le bâtiment se trouve dans des eaux protégées, de sorte que les incertitudes d'étalonnage sont minimales. Ce procédé n'exige que l'utilisation d'appa- reils montés sur le bâtiment et sur le câble Il est aussi possible d'utilser éventuellement d'autres procédés acous- tiques de mesure, par exemple un procédé à base large, mais ils obligent à disposer Sur le fonid de 1 i er tni jeu d', -t Lciir- récepteurs asservis (transpondeurs) qui communiquent avec des appareils montés sur le câble récepteur et sur le bâti- ment Un système de ce genre est plus malcommode à faire fonctionneret il existe un certain risque que les émet- teurs-récepteurs soient déplacés, en raison par exemple de l'action de pêcheurs dans la région étudiée. Le procédé hydroacoustique de mesure en coor- données polaires a une limitation * dans des conditions particulières de température de l'eau, il peut se former des couches à températures différentes qui sont suscepti- bles de faire fléchir le faisceau acoustique au point de couper la communication hydroacoustique entre le bâtiment et les appareils montés sur le câble Il faut donc relever la ou les températures dans la zone étudiée avant de com- mencer les mesures, afin de déterminer s'il existe de telles couches à différences défavorables de température. Il va de soi qu'il est possible, sans s'écarter du domaine de l'invention, d'apporter diverses modifica- tions au procédé de détermination de la position d'un câble récepteur immergé, décrit et représenté. REVENDICATIONS 1 Procédé de détermination de ld position d'un câble immergé récepteur d'impulsions sismiques, qui est remorqué par un bâtiment créant ces impulsions, proc-édé caractérisé en ce que l'on mesure l'azimuth ( 40) et la dis- tance ( 43) au bâtiment ( 10) de points ( 42) répartis sur la longueur du câble ( 4) et l'on calcule les coordonnées de ces points à partir des valeurs relevées. 2 Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que l'on utilise un procédé hydroacoustique de mesure basé sur un système à base ultra-courte coopérant avec un gyrocompas ( 14) pour mesurer l'azimuth et la dis- tance en fonction des signaux émis par des appareils ( 35) tels que des émetteurs-récepteurs, des balises, des répon- deurs, etc qui sont disposés soit sur, soit dans le câble ( 4).