Brevet FR2692384A1 — publié le 19931217

L'invention concerne un système d'acquisition de données doté de moyens de pré-traitement. Plus particulièrement l'invention concerne un système d'acquisition de données comportant une ou plusieurs unités d'acquisition effectuant un pré-traitement de données acquises localement avant leur transmission à une station centrale de commande et d'enregistrement. Un tel système peut servir par exemple dans le domaine de la prospection sismique où l'on est amené à déployer sur une zone à explorer un très grand nombre de récepteurs sismiques (constitué chacun d'un ou plusieurs capteurs élémentaires combinés délivrant un signal que l'on désigne par "trace"), ces récepteurs étant placés au contact d'une formation souterraine, et à réaliser des cycles d'émission-réception avec transmission dans le sol d'ébranlements sismiques par déclenchement commandé d'une source sismique, réception des signaux renvoyés par les discontinuités du sous-sol et acquisition des signaux reçus. Une telle acquisition est effectuée par exemple au moyen d'une pluralité de boîtiers d'acquisition répartis sur le terrain, adaptés chacun à numériser et mémoriser les signaux reçus par un ou plusieurs capteurs, et, sur ordre d'une station centrale, à les transmettre séquentiellement à celle-ci par câble ou par radio. Différents systèmes d'acquisition sont décrits par exemple dans les brevets FR 2.511.772, 2.538.561, 2.599.533, 2.627.652 ou la demande de brevet EN. 90/16443 déposés par le demandeur. La tendance actuelle est à l'utilisation de systèmes d'acquisition toujours plus complexes avec un grand nombre de récepteurs répartis parfois sur de grandes distances et aussi de boîtiers d'acquisition. Le volume de données acquises est souvent considérable. Le nombre de traces sismiques à centraliser peut dépasser 1000 dans nombre de cas. Leur transfert à la station centrale de préférence à la fin de chaque période de réception des signaux sismiques, représente une tâche complexe. La station centrale doit être pourvue d'une puissance suffisante pour gérer en temps réel leur centralisation d'une part et aussi pour effectuer en temps réel un certain nombre de pré-traitements: corrélation de traces, combinaisons de traces émanant de capteurs multiples tels que des géophones tri-axiaux etc. La transmission d'une masse de données importante constitue une autre source de difficultés. Si l'on utilise pour cette centralisation des liaisons radio, comme c'est souvent le cas dans la pratique, il faut tenir compte des restrictions souvent imposées par les réglementations locales pour ce qui concerne l'usage et la disponibilité des fréquences de transmission. L'alternative consistant à transmettre les données à centraliser au moyen de lignes de transmission présente aussi des inconvénients car les câbles capables de transmettre des débits élevés sont complexes et coûteux à réaliser. Aussi bien pour faciliter leur transmission que leur exploitation après transmission, il importe donc de réduire autant qu'il est possible le volume de données à transmettre. Le système selon l'invention permet de résoudre nombre de difficultés posées par le rapatriement dans une station centrale de données provenant d'une pluralité d'appareils d'acquisition de données comportant chacun des moyens d'acquisition des signaux provenant d'un ou plusieurs récepteurs et des moyens de liaison pour le transfert des données collectées à une station centrale de commande et d'enregistrement de ces données. I1 est caractérisé en ce que chaque appareil d'acquisition comporte des moyens de gestion pour contrôler l'acquisition des données par chaque appareil d'acquisition et des moyens de traitement commandés par les moyens de gestion, pour effectuer un pré-traitement des données collectées avant leur transfert à la station centrale. Le système selon l'invention convient notamment pour l'acquisition de données sismiques provenant d'un ou plusieurs récepteurs sismiques couplés avec une zone à explorer et dans ce cas, chaque appareil d'acquisition comporte au moins une chaîne d'acquisition pour numériser les signaux reçus par les géophones ou hydrophones associés, des moyens de mémorisation des signaux numérisés, des moyens de gestion pour contrôler l'acquisition et la mémorisation des signaux par chaque appareil d'acquisition et des moyens de traitement pilotés par lesdits moyens de gestion, pour effectuer un pré-traitement des signaux mémorisés avant leur transfert à la station centrale de commande et d'enregistrement. Les moyens de traitement comportent par exemple des moyens de calcul programmés pour effectuer des combinaisons de signaux, des traitements de type sismique sur les signaux collectés, pour comprimer également les signaux numérisés à transmettre ou encore par exemple pour effectuer des tests de fonctionnement sur les moyens d'acquisition et les récepteurs etc. Chaque appareil d'acquisition comporte de préférence des moyens autonomes d'alimentation électrique et les moyens de traitement comportent un processeur adapté, sur commande des moyens de gestion, à fonctionner suivant deux modes de fonctionnement différents, l'un étant un mode actif pour effectuer les pré-traitements des données et l'autre un mode de veille correspondant à une consommation électrique très réduite. Chaque appareil d'acquisition comporte par exemple deux blocs de mémorisation pour le stockage en alternance de données reçus durant des cycles d'émission-réception successifs, et des moyens de transmission pour transmettre au moins une partie des données contenues dans un premier bloc de mémorisation pendant l'acquisition et le stockage de données dans le deuxième bloc de mémorisation. Le système selon l'invention peut encore comporter des appareils d'acquisition avec une mémoire permanente réinscriptible pour des instructions reçus de la station centrale via lesdits moyens de liaison. Avec la structure ainsi définie, le système selon l'invention permet de réduire de façon considérable le volume des échanges avec la station centrale, une partie du traitement réalisé jusque là après centralisation, étant en partie réalisé dans chaque appareil d'acquisition. Le débit de données à transmettre devient sensiblement plus faible et les liaisons entre le poste central et les appareils d'acquisition sur le terrain (canaux hertziens ou lignes de transmission) sont plus facilement disponibles et/ou moins onéreuses. La décentralisation de certaines opérations dans les appareils d'acquisition possédant une alimentation électrique autonome, est en plus facilitée si l'on choisit un processeur adapté à fonctionner seulement par intermittence sans perte du contexte de calcul. D'autres caractéristiques et avantages du dispositif selon l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description ci-après d'un mode de réalisation décrit à titre d'exemple non limitatif, en se référant aux dessins annexés où: - la Fig. l montre schématiquement un dispositif d'acquisition sismique sur une zone d'exploration; - la fig.2 montre un schéma synoptique d'un appareil d'acquisition; et - les Fig.3 à 5 montrent sous forme de chronogrammes, la répartition dans le temps des différentes fonctions réalisées par les appareils d'acquisition. Un dispositif d'exploration sismique comporte généralement une source d'ondes sismiques S et un système de réception et d'acquisition comprenant souvent un grand nombre de récepteurs R1, R2, ... Rn qui sont répartis le long d'un profil sismique à explorer, des appareils d'acquisition qui sont installés dans des boîtiers B1, B2, ..., Bn répartis sur le terrain et un poste central de commande et d'enregistrement 1 installé sur un véhicule, pour commander la centralisation à la station 1 des signaux reçus par les récepteurs R1 à Rn. Chaque récepteur R comporte généralement plusieurs capteurs élémentaires C1, C2, Cp interconnectés électriquement qui produisent chacun une "trace sismique". On utilise par exemple des boitiers d'acquisition B tels que ceux décrits dans le brevet 2 511 772 précité, adaptés indifféremment à communiquer avec la station centrale indifféremment par voie hertzienne ou par lignes de transmission. Avec ce type de boitier, la connexion d'un câble à un boitier a pour effet de désactiver automatiquement les moyens radios d'émission et de réception inclus dans ce boitier et la station centrale est agencée pour se commuter automatiquement sur la voie de communication adéquate pour communiquer avec tout boitier quel que soit son mode de connexion. On dispose par exemple sur le terrain, un premier groupe G1 de boitiers B1 à Bj communiquant par voie hertzienne avec la station centrale 1 et un deuxième groupe G2 de boitiers B1 à Bn qui, du fait de liaisons radio difficiles dans la zone de travail, doivent être reliés à la station centrale pour un câble de transmission commun TC. L'appareil d'acquisition dans chaque boîtier d'acquisition B1 à Bn est adapté à collecter les signaux reçus par un récepteur unique R (cas représenté) ou plus généralement de k récepteurs différents comme le montre la Fig. 2. Chaque appareil d'acquisition Ai a pour fonction de numériser les signaux des récepteurs associés et de les mémoriser. Le poste central comporte un ensemble de commande CPU, un ensemble de communication mixte RT tel que celui décrit dans le brevet FR 2511 772 précité permettant à l'ensemble de commande de communiquer avec les différents boitiers B1 à Bn suivant le cas par radio ou câble de transmission TC. Le poste central commande les déclenchements successifs de la source S, l'acquisition par les différents appareils, des signaux renvoyés par les discontinuités du sous-sol et reçus par les récepteurs R1 à Rn et ensuite, commande la centralisation des données mémorisées. Sur commande du poste central 1, chaque appareil d'acquisition dans les boitiers B1 à Bn lui transfère les données qu'il a mémorisées par la voie de communication adaptée. A cet égard, on peut utiliser avantageusement le système d'acquisition décrit dans les brevets précités avec les modifications propres à l'invention qui vont être décrites ci-après. Chaque appareil d'acquisition Ai (Fig.2) est adapté à collecter par exemple k signaux captés par un certain nombre k de récepteurs sismiques R1, R2, Rk. A cet effet, il comporte par exemple k chaînes d'acquisition CA1 à CAk recevant respectivement les k signaux et comportant chacune un filtre passe-bas Full, F12,... Fk du type V.H.F, un pré-amplificateur PA1, PA2,... PAk, un filtre passe-haut F21, F22, ... F2k et un convertisseur analogique-numérique (C.A.N) C1, C2, ..., Ck pour convertir les signaux analogiques amplifiés et filtrés en mots numériques. Toutes les chaînes sont connectées à un microprocesseur de gestion 2 traitant les mots numériques de 16 à 32 bits par exemple, programmé pour gérer l'acquisition et les échanges avec la station centrale 1. Au microprocesseur 2 sont associés deux blocs de mémoire M1 et M2 et une mémoire Mp pour les programmes. Le processeur 2 est connecté à une unité 3 d'émission-réception par radio ou par ligne, adaptée à la voie employée pour la communication avec la station centrale 1. S'il s'agit d'une voie hertzienne, l'unité 3 comporte un radio-émetteur RE et un radio-récepteur RR qui communique avec une antenne 4. Une unité d'interface 5 décrite dans le brevet FR 2.608.780 précité, permet en outre une communication par rayons infra-rouges avec un boîtier d'initialisation 6 à l'aide duquel un opérateur peut éventuellement communiquer au processeur de gestion 2, des instructions d'adressage et de sélection des paramètres de fonctionnement des chaînes d'acquisition. Le système selon l'invention comporte dans chaque appareil d'acquisition Ai, de préférence un processeur 7 spécialisé dans certains calculs. Il peut s'agir par exemple d'un processeur à 32 bits à virgule flottante du type DSP 96002 fabriqué notamment par Motorola qui est associé à un dispositif du type DMA pour accélérer les transferts par blocs de données entre les deux processeurs 2 et 7. A ce dernier, est adjoint une mémoire de travail M3. Chaque appareil d'acquisition comporte aussi une alimentation électrique autonome 8. Le processeur 2 agit en maître. I1 a pour fonctions de réaliser le décodage des ordres transmis par la station centrale 1, et de gérer - l'acquisition des signaux des récepteurs R1 à Rk par les différentes chaînes d'acquisition, - les transmissions en relation avec l'unité 3; - les mémoires M1 et M2 pour le stockage temporaire des données; - les entrées-sorties; - les interruptions entre programmes; - les échanges avec le processeur de calcul DSP 7 etc. Un processeur de calcul de ce type présente l'avantage d'avoir deux états différents, un état d'activité et un état de veille caractérisé par une consommation électrique extrêmement faible, quasiment nulle. Quand il a fini d'exécuter les traitements commandés par le processeur 2 et que celui-ci le remet dans l'état de veille, le processeur 7 est adapté à sauvegarder automatiquement le contexte de calcul, ce qui évite à chaque réactivation toute réinitialisation et donc toute perte de temps. De par sa structure propre, le processeur DSP 7 est particulièrement adapté à effectuer à grande vitesse des opérations telles que des conversions de format, des multiplications de nombres complexes, des transformations de Fourier du type FFT, des corrélations entre les signaux reçus et les signaux émis, des filtrages numériques, des sommations de tirs successifs avec élimination des bruits perturbateurs de nature non sismique, des combinaisons entre eux des signaux délivrés par des récepteurs sismiques multi-axes tels que des géophones tri-axiaux par exemple, etc. Le processeur 7 peut aussi mettre en oeuvre des algorithmes de compression de données de façon à réduire le volume de données à transmettre et donc réduire soit le temps de transmission soit la largeur de bande hertzienne nécessaire etc. Les pré-traitements accomplis localement avant transmission contribuent à réduire sensiblement le nombre de tâches dévolues à la station centrale 1 et donc la puissance de calcul installée qui devient considérable quand le nombre de traces sismiques à acquérir en temps réel est de plusieurs centaines voire même dépasse mille. Cet arrangement à deux processeurs 2 et 7 offre, sans affecter le déroulement normal des opérations de gestion par le processeur de gestion 2, la possibilité de procéder en temps réel à de nombreuses opérations préalablement à la transmission des données à la station centrale 1. L'utilisation alternée des deux blocs de mémoire M1, M2 rend possible par exemple la transmission de données collectées durant un cycle d'émission-réception et pré-traitées durant la collecte des signaux sismiques du cycle suivant par exemple les chronogrammes de la Fig.3. ACQ1, ACQ2 ... ACQ4 représentent quatre périodes de réception et d'acquisition de données simiques successives réparties sur les deux blocs de mémoire M1 et M2, PR1, PR2 ..., des intervalles de temps de pré-traitement des données suivant immédiatement chacun des intervalles d'acquisition et TR1, TR2, ..., les créneaux de transmission des données acquises respectivement au cours des périodes ACQI, A C Q 2 etc, et pré-traitées par le processeur DSP 7 durant les périodes de calcul PR1, PR2 etc. Les processeurs de calcul du type DSP étant très rapides, leur durée d'activité à chaque cycle d'acquisition est relativement réduite. Leur consommation électrique reste en moyenne très faible par conséquent, ce qui les rend compatibles avec un emploi dans des boîtiers d'acquisition pourvus d'une alimentation autonome. On peut utiliser avantageusement une mémoire Mp du type mémoire permanente "flash" réinscriptible, de façon à télécommander éventuellement depuis la station centrale, le changement de certains jeux d'instructions, ce qui permet de changer certaines fonctionnalités des appareils d'acquiition et notamment de commander la réalisation de pré-traitements par le processeur de calcul 7. Le chargement à distance de programmes spécifiques, peut notamment permettre l'exécution par chaque appareil d'acquisition de tests préalables des capteurs et des chaînes électroniques d'acquisition, tests connus en soi et décrits par exemple dans le brevet FR 2.613.496 déposé par le demandeur. On ne sortirait pas du cadre de l'invention en utilisant par exemple un processeur unique capable de remplir à lui tout seul toutes les fonctionnalités des deux processeurs 2 et 7. REVENDICATIONS 1) Système d'acquisition de données comportant un ou plusieurs appareils d'acquisition (Ai) comprenant chacun des moyens d'acquisition (CAl-CAk) des signaux provenant d'un ou plusieurs récepteurs (R1, R2...Rk) et des moyens de liaison pour le transfert des données collectées à une station centrale de commande et d'enregistrement (1) de ces données, caractérisé en ce que chaque appareil d'acquisition comporte des moyens de gestion (2, M) pour contrôler l'acquisition des données par chaque appareil d'acquisition et des moyens de traitement (7) commandés par les moyens de gestion (2), pour effectuer un prétraitement des données collectées avant leur transfert à la station centrale (1). 2) Système d'acquisition de données sismiques comportant un ou plusieurs appareils d'acquisition comprenant chacun des moyens d'acquisition (CAl -CA n) de signaux provenant d'un ou plusieurs géophones disposés au contact d'une ione à explorer, et pourvus de moyens de liaison pour le transfert des données sismiques collectées à une station centrale (1) de commande et d'enregistrement de ces données sismiques, caractérisé en ce que chaque appareil d'acquisition comporte au moins une chaîne d'acquisition (cAl-cAn) pour numériser les signaux reçus par les géophones associés, des moyens de mémorisation (M1, M2) des signaux numérisés, des moyens de gestion (2, Mp) pour contrôler l'acquisition et la mémorisation des signaux par chaque appareil d'acquisition et des moyens de traitement (7) pilotés par lesdits moyens de gestion (2), pour effectuer un pré-traitement des signaux mémorisés avant leur transfert à la station centrale de commande et d'enregistrement. 3) Système d'acquisition selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de traitement (7) de chaque appareil d'acquisition comportent des moyens de calcul programmés pour effectuer des combinaisons de signaux collectés. 4) Système d'acquisition selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de traitement (7) de chaque appareil d'acquisition comportent des moyens de calcul programmés pour effectuer des traitements sismiques sur les signaux collectés par les géophones. 5) Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de traitement (7) comportent des moyens de calcul programmés pour comprimer les signaux numérisés à transmettre. 6) Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de traitement (7) comportent des moyens de calcul programmés pour réaliser des tests de fonctionnement sur les moyens d'acquisition de signaux associés. 7) Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque appareil d'acquisition comporte des moyens autonomes d'alimentation électrique (8) et les moyens de traitement (7) comportent un processeur adapté, sur commande des moyens de gestion, à fonctionner suivant deux modes de fonctionnement différents, l'un étant un mode actif pour effectuer ledit traitement des données et l'autre un mode de veille correspondant à une consommation électrique très réduite. 8) Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque appareil d'acquisition comporte deux blocs de mémorisation (M1, M2) pour le stockage en alternance de données reçus durant des cycles d'émission-réception successifs, et des moyens de transmission (3, 4, TC) pour transmettre au moins une partie des données contenues dans un premier (M1) des deux blocs de mémorisation pendant l'acquisition et le stockage de données dans le deuxième bloc de mémorisation (M2). 9) Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque appareil d'acquisition comporte une mémoire permanente (Mp) réinscriptible pour des instructions reçus de la station centrale (1) via lesdits moyens de liaison (3, 4, TC).