Brevet FR2696856A1 — publié le 19940415

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de traitement numérique permettant de combiner entre eux des signaux reçus par plusieurs capteurs. L'invention a pour objet plus précisément un procédé et un dispositif pour combiner des signaux convertis en mots numériques à faible résolution par des moyens de conversion analogique-numérique du type à sur-échantillonnage, et produire un signal de combinaison sous une forme numérisée. La technique de conversion analogique-numérique par sur- échantillonnage qui est fréquemment utilisée actuellement, est mise en oeuvre au moyen de modulateurs delta-sigma qui délivrent des mots numériques de résolution faible, tels que par exemple des mots de 1 bit en échantillonnant les signaux analogiques appliqués à une fréquence d'échantillonnage fs très élevée (fs= 512 * F Nyquist par exemple), les mots numériques produits ayant une amplitude moyenne variant au cours du temps proportionnellement à l'amplitude du signal analogique qui lui est appliqué Un filtre numérique est connecté à la sortie du modulateur pour filtrer notamment les bruits de quantification, ce filtre produisant des mots numériques avec une résolution plus élevée (de 16 à 24 bits par exemple) et une fréquence beaucoup plus faible, opération connue sous le nom de décimation Des convertisseurs de ce type sont décrits par exemple dans les brevets US No 4 866 442, 4 943 807, 4 994 804 etc. Il existe notamment dans le domaine de l'acoustique ou de la prospection sismique, des applications o l'on doit réaliser des combinaisons de signaux reçus par plusieurs capteurs Il peut s'agir par exemple de faire des sommes de plusieurs signaux après les avoir éventuellement pondérés et/ou filtrés ou déphasés les uns par rapport aux autres, ou bien encore de réaliser des combinaisons plus complexes de ces signaux multiples C'est le cas particulièrement dans le domaine de la prospection sismique o l'on fait intervenir un très grand nombre de récepteurs répartis sur une zone à explorer pour recevoir des ondes simiques renvoyées par les discontinuités du sous-sol en réponse à des ébranlements provoqués par déclenchement d'une source d'ondes sismiques Les récepteurs sont le plus souvent constitués de plusieurs capteurs élémentaires interconnectés électriquement et disposés dans la zone explorée de façon à filtrer des bruits de surface organisés Chacun de ces récepteurs fournit une "trace sismique" qui est une moyenne électrique des signaux produits par les capteurs élémentaires interconnectés. 1 0 On sait que la disposition relative des différents capteurs constituant une même "trace" a une grande incidence pour obtenir une bonne rejection des bruits de surface On sait aussi qu'en modelant l'amplitude et/ou le spectre de fréquence des signaux produits respectivement par les différents signaux 1 5 constituant une même trace avant leur combinaison, on peut obtenir un affaiblissement considérable du niveau des bruits et donc préserver mieux ainsi toute la dynamique des moyens de numérisation pour les signaux utiles. Des dispositifs de pondération de type actif ou passif pour modifier les amplitudes, spectres de fréquence ou phases de signaux reçus par des capteurs avant leur combinaison et qui sont installés à proximité de ces capteurs, sont décrits par exemple dans les brevets US 2 698 927, 2 747 172, 3 400 783, 3.863 200, 3 863 201. Le principal inconvénient de tous les appareillages de prétraitement analogique tient essentiellement à leur structure figée Les paramètres de filtrage doivent être connus à l'avance et en admettant que le dispositif de réception effectivement mis en place permette une modification de ces paramètres, il faut encore 3 O procéder aux adaptations nécessaires sur les lieux mêmes d'implantation de ces moyens de traitement locaux, ce qui rallonge les opérations de mise en place En outre, les corrections éventuelles apportées avant utilisation ne peuvent être modifiées facilement pendant les enregistrements des signaux captés. Une technique couramment utilisée pour combiner des signaux, consiste à convertir en mots numériques de 8, 16 ou 32 bits par exemple, des signaux analogiques à combiner et à utiliser un calculateur numérique programmé pour effectuer les combinaisons recherchées. Cette solution peut convenir pour un nombre limité de signaux mais devient rapidement complexe et surtout coûteuse si leur nombre est relativement important Dans le cadre de certaines applications en géophysique notamment o il faut prendre en compte entre 500 et 4000 voies différentes par exemple, un laboratoire d'enregistrement capable d'acquérir toutes ces voies avec une dynamique suffisante ( 20 à 24 bits par exemple) serait d'un coût prohibitif. Le procédé selon l'invention permet d'effectuer, dans des conditions économiquement intéressantes, des combinaisons très diverses de signaux analogiques issus d'ensembles de capteurs relativement importants Il est caractérisé en ce qu'il comporte: la conversion de chacun des signaux analogiques à combiner en signaux numérisés à basse résolution; la combinaison desdits signaux numérisés à basse résolution; et la transformation des signaux numérisés résultant de ladite combinaison en signaux numérisés à résolution plus élevée Le procédé peut aussi comporter la pondération d'une partie au moins des signaux numérisés à basse résolution avant leur combinaison et aussi la transmission des signaux numérisés sur une ou plusieurs voies de transmission préalablement à ladite combinaison. Le dispositif pour la mise en oeuvre le procédé comporte des moyens de conversion de chacun des signaux analogiques en signaux numérisés sur-échantillonnés à basse résolution, des moyens de combinaison des différents signaux numérisés formés et des moyens de filtrage pour transformer les signaux numérisés issus des moyens de combinaison en signaux numérisés à plus haute résolution Il peut en outre comporter des moyens de pondération pour modifier une partie au moins des signaux numérisés issus des moyens de conversion avant leur application aux dits moyens de combinaison ainsi que des moyens de transmission interposés (ligne de transmission, canal hertzien, fibre optique etc), ces moyens étant appropriés pour la transmission des signaux numérisés à basse résolution par exemple Les moyens de conversion en signaux numériques à basse résolution et débit élevé comportent par exemple des modulateurs delta-sigma à sur-échantillonnage, produisant des trains de bits, et des blocs de mémoire adressables pour les trains de bits correspondant respectivement aux différents signaux, les moyens de combinaison comportent des moyens de sommation et un ensemble de commande pour transférer sélectivement dans les moyens de sommation des signaux numérisés lus à des adresses sélectionnées dans les différents blocs de mémoire et des moyens de filtrage pour transformer les signaux numérisés à basse résolution issus du sommateur en signaux numérisés à résolution plus élevée. Les moyens de pondération peuvent comporter des moyens de multiplication numérique des signaux numérisés issus des blocs de mémoire, pour modifier à tout instant leur poids relativement les uns aux autres avant leur application audit sommateur. Le procédé et le dispositif selon l'invention permettent avec des modules locaux relativement simples et peu coûteux, positionnés au voisinage d'emplacements de réception de signaux, de transférer individuellement ces signaux à une station d'acquisition et de les combiner à volonté plus simplement qu'avec les procédés connus de façon à former des signaux résultant avec une meilleure rejection du bruit de fond Le procédé et le dispositif allient une grande souplesse dans le choix possible des combinaisons de signaux et un coût plus réduit, particulièrement intéressants quand on met en oeuvre un ensemble important et complexe de capteurs de signaux comme on le fait dans le domaine de la prospection sismique par exemple. D'autres caractéristiques et avantages du dispositif selon l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description ci-après de modes de réalisation décrits à titre d'exemples non limitatifs, en se référant aux dessins annexés o: la Fig 1 montre un premier mode de réalisation du dispositif appliqué à des capteurs tels que des capteurs sismiques; et la Fig 2 montre une variante du mode de réalisation précédent incluant des moyens de pondération. Suivant le mode de réalisation de la Fig 1, le dispositif est associé à au moins un ensemble de capteurs GI, G 2,, Gn délivrant des signaux analogiques que l'on veut combiner d'une façon particulière, modifiable à volonté et à tout instant A cet effet, on associe à chaque ensemble de capteurs, un module local LM 1, L Mk Chaque module LM 1 à L Mk comporte des éléments DS 1, D 52, D Sn associés respectivement aux différents capteurs Gi à Gn Ces éléments convertissent le signal issu du capteur Gi à Gn associé en une suite de signaux numérisés ou mots numériques à basse résolution, à une fréquence d'échantillonnage élevée fixée par un élément de synchronisation local Hi, H 2, Hn Les éléments D 51 à D Sn sont par exemple des modulateurs de type delta-sigma produisant des mots numériques de 1 bit à une fréquence égale à 512 * F Nyquist Les différents trains de mots numériques issus des modulateurs DS 1 à D Sn de chaque module local LMI, L Mk, sont transmis à une station d'acquisition ou de centralisation AU plus ou moins éloignée Quand cette station est éloignée, on utilise des voies de transmission telles que des lignes ou fibres optiques de transmission L 1, L 2,, Ln ou éventuellement des canaux hertziens, comme décrits par exemple dans la demande de brevet FR 92/10427 déposée par le demandeur La transmission des signaux sous la forme de trains de bits, rend possible l'emploi de moyens de transmission simplifiés. A chaque module local LMI, L Mk est associé dans la station centrale AU, un ensemble CAMI, CA Mk Chacun d'eux comporte une pluralité de blocs de mémoire adressables Ml, M 2, Mn recevant respectivement les trains de mots issus des différents modulateurs MD 1 à M Dn Les sorties des blocs de mémoire Ml à Mn sont connectées à N entrées d'un sommateur 1 adapté à sommer entre eux les mots extraits simultanément des différents blocs de mémoire Ml à Mn Les N entrées du sommateur 1 peuvent être contrôlées individuellement de façon à choisir à tout instant le nombre de mots différents qui y sont transférés. Les ordres de lecture des différents blocs de mémoire à des adresses spécifiées et le transfert des mots lus à ces adresses dans le sommateur 1, sont engendrés par un ensemble de synchronisation 2 Le sommateur délivre des mots numériques représentatifs de chaque somme effectuée et de même résolution que les différents mots sommés Si les mots numérisés sont du type mono-bit, on recueille à la sortie du sommateur 1 le signe de la somme effectuée. La sortie du sommateur est connectée à un moyen de transformation 3 du type filtre numérique décimateur capable de transformer les mots à basse résolution et fréquence d'échantillonnage élevée (sur- échantillonnage) issus du sommateur en mots numériques à résolution élevée (mots de 16 ou 24 bits par exemple) et à les délivrer sur un bus 4 pour leur transfert dans une unité de mémorisation centrale 5 La station AU comporte par exemple un processeur programmable 6 du type DSP pour effectuer différents traitements sur les mots numériques contenus dans la mémoire centrale 5. La taille de chaque bloc de mémoire Ml à Mn est choisie pour pouvoir contenir tous les mots numérisés représentatifs d'un événement Il s'agit par exemple du signal analogique capté par un géophone par exemple pendant une durée d'un cycle d'émission-réception sismique soit plusieurs secondes On peut utiliser par exemple un mode d'écriture- lecture du type "pipeline", les emplacements libérés à chaque lecture par leur sommation dans le sommateur 1, servant à la mémorisation de nouveaux mots numériques. Par l'intermédiaire du processeur central 6, on peut changer le mode de lecture des mémoires Ml à Mn de chaque module CAM 1 CA Mk commandé par les ensembles de synchronisation 2 Par une sélection appropriée des adresses de lecture, on peut facilement appliquer des déphasages entre les signaux combinés par chaque sommateur 1 Cette disposition peut être utile pour combiner électriquement les signaux de plusieurs capteurs élémentaires disposés par exemple à des emplacements différents les uns des autres Par l'introduction de déphasages convenables entre les mots lus dans les mémoires, on peut par exemple obtenir un signal combiné semblable à celui que l'on obtiendrait si tous les capteurs élémentaires étaient en un même lieu. Le mode de réalisation de la Fig 2 est analogue à celui de la Fig 1 Il en diffère en ce que chaque module d'acquisition ou de centralisation tel que le module CA Mi représenté comporte en outre un ensemble de pondération 7 interposé entre les blocs de mémoire Ml à Mn et le sommateur 1 Cet ensemble de pondération est adapté à appliquer à l'amplitude de chaque signal mémorisé, un gain variable modifiant son poids relatif par rapport aux autres signaux extraits des blocs de mémoire Ml à Mn et transférés dans le sommateur 1 L'élaboration des paramètres de déphasage et/ou de pondération est effectué par exemple par le processeur 6 (DSP) Les gains à appliquer sur les différentes entrées de l'ensemble de pondération 7 par multiplication numérique, sont déterminés par le processeur central 6 par l'intermédiaire de l'ensemble de synchronisation 2. Un opérateur peut donc commander au processeur central 6 pour que l'ensemble de pondération 7 applique aux différents signaux 8 2696856 à sommer des gains appropriés de façon à améliorer si nécessaire les signaux résultants. Les entrées du sommateur 6 étant individuellement contrôlables, un opérateur peut également commander l'extraction sélective de mots numériques hors des blocs de mémoire Ml à Mn au travers du sommateur 1 et l'application aux mots extraits, de traitements divers tels que des corrélations par exemple, au moyen du processeur 6. REVENDICATIONS 1) Procédé pour combiner entre eux des signaux analogiques, caractérisé en ce qu'il comporte: la conversion de chacun des signaux analogiques à combiner en signaux numérisés à basse résolution; la combinaison desdits signaux numérisés à basse résolution; et la transformation des signaux numérisés résultant de ladite combinaison en signaux numérisés à résolution plus élevée. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte la pondération d'une partie au moins des signaux numérisés à basse résolution avant leur combinaison. 3) Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre la transmission des signaux numérisés sur une ou plusieurs voies de transmission préalablement à ladite combinaison. 4) Dispositif de combinaison de signaux analogiques, mettant en oeuvre le procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (LM 1 - L M k) de conversion de chacun des signaux analogiques en signaux numérisés sur-échantillonnés à basse résolution, des moyens de combinaison des différents signaux numérisés formés et des moyens de filtrage ( 3) pour transformer les signaux numérisés issus des moyens de combinaison en signaux numérisés à plus haute résolution. ) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de pondération ( 7) pour modifier une partie au moins des signaux numérisés issus des moyens de conversion avant leur application auxdits moyens de combinaison. 6) Dispositif selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de transmission (LI Ln) interposés. 7) Dispositif selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de transmission des signaux numérisés à basse résolution. 8) Dispositif selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que les moyens (LM 1 L Mk) de conversion en signaux numérisés à basse résolution comportent des modulateurs delta-sigma à suréchantillonnage, produisant des trains de bits et des blocs de mémoire adressables (Ml Mn) pour les trains de bits correspondant respectivement aux différents signaux, les 1 i O moyens de combinaison comportent des moyens de sommation ( 1) et un ensemble de commande ( 6, 2) pour transférer sélectivement dans les moyens de sommation ( 1) des signaux numérisés lus à des adresses sélectionnées dans les différents blocs de mémoire, et les moyens de filtrage ( 3) comportent des filtres numériques ( 3) pour transformer les' signaux numérisés à basse résolution issus du sommateur en signaux numérisés à résolution plus élevée. 9) Dispositif selon les revendications 5 et 7, caractérisé en ce que les moyens de pondération comportent des moyens de multiplications numériques, des signaux numérisés issus des blocs de mémoire (MI Mn), pour modifier à tout instant leur poids relatif les uns aux autres avant leur application aux dits moyens de sommation ( 1). ) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des voies de transmission et des moyens de transmission de trains de bits non formatés, interposés entre les moyens de conversion (LMI L Mk) en lesdits moyens de combinaison.