Brevet FR2895801A1 — publié le 20070706

Domaine de l'invention L'invention concerne un système d'acquisition de données sismiques apte à effectuer des mesures de mouvements de translation 5 et de rotation. L'invention concerne plus précisément un système d'acquisition de données sismiques apte à effectuer des mesures de mouvements de translation selon trois composantes indépendantes de l'espace, et de rotation autour de ces trois composantes. 10 L'invention concerne donc plus précisément un système d'acquisition de données sismiques capable d'effectuer des mesures selon six composantes de l'espace, à savoir trois de translation et trois de rotation. Un tel système est donc appelé système à six composantes ou 15 encore système onde complète. Art antérieur Les systèmes d'acquisition de données sismiques actuels utilisent 20 des capteurs sismiques, plantés dans le sol, comme un géophone ou encore comme un accéléromètre qui sont des capteurs inertiels de type masse-ressort. Ces systèmes permettent de mesurer la composante verticale d'une onde réfléchie par les différentes couches du sous-sol consécutivement à un ébranlement du terrain provoqué en surface par 25 un moyen adapté. Les systèmes utilisés classiquement dans l'industrie sismique permettent donc de mesurer le plus souvent un mouvement selon une unique composante, verticale. De plus, les systèmes actuels mesurent les effets d'un mouvement qui peut être lié à un mouvement de 30 translation, à un mouvement de rotation ou encore à un mouvement associant les deux, sans pouvoir faire de distinction. Afin d'améliorer les dispositifs existants, l'homme de l'art a proposé de mettre en oeuvre dans ces systèmes d'acquisition de 1 données un capteur de mouvements à trois composantes orthogonales et permettant de mesurer un mouvement du milieu qu'on cherche à mieux connaître selon ces trois composantes ; c'est-à- dire selon une composante verticale et deux composantes horizontales orthogonales entre elles. Ces dispositifs sont avantageux, dans la mesure où ils permettent, par un traitement numérique adapté, d'éliminer les ondes de surface captées par lesdits systèmes, ne prenant ainsi en compte que les ondes effectivement émises par un ébranlement du sol et réfléchies par les couches du sous-sol. Cependant, ces systèmes restent incomplets, clans la mesure où ils ne permettent en aucun cas de distinguer des mouvements du milieu liés à une rotation ou à une translation. Afin d'améliorer l'élimination des ondes indésirables, il est 15 nécessaire d'avoir une connaissance complète du mouvement du milieu auquel le module capteur est fixé. Pour connaître les mouvements de rotation, l'homme de l'art connaît par ailleurs différents systèmes de mesure, comme à titre d'exemple, les gyroscopes. Ces gyroscopes sont soit inertiels, utilisant 20 une roue tournant à haute vitesse, soit optiques, comme dans le cas d'un interféromètre de Sagnac. Ces composants sont cependant relativement chers et/ou encombrants. Les solutions actuelles doivent donc être améliorées. En particulier, les systèmes d'acquisition de données sismiques actuels 25 doivent être améliorés pour fournir à la fois des mesures de mouvements de translation selon trois composantes de l'espace, de préférence orthogonales, et de rotation autour de ces trois mêmes composantes de l'espace 30 Résumé de l'invention Cet objectif est atteint dans le cadre de la présente invention grâce à un système d'acquisition de données sismiques, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens agencés de sorte qu'ils permettent de mesurer des mouvements de translation d'un milieu selon trois composantes indépendantes de l'espace et des mouvements de rotation autour de chacune de ces trois composantes indépendantes, formant ainsi un système à six composantes. Le système d'acquisition de données sismiques selon l'invention pourra en outre présenter au moins l'une des caractéristiques suivantes : - les moyens formant un système à six composantes comprennent au moins six capteurs de mouvements ; - les capteurs de mouvements sont des capteurs de mouvements de translation ; - le système comprend un module logeant les capteurs de mouvements, lesquels sont agencés, de manière quasi-15 quelconque en position et en direction, de sorte qu'une matrice A, reliant un vecteur m représertant les mouvements mesurés par les capteurs et un vecteur v représentant les mouvements réels du milieu, est inversible ; 20 - les capteurs de mouvements sont agencés par paires de sorte que les capteurs de mouvements d'une paire de capteurs sont disposés l'un par rapport à l'autre de façon symétrique par rapport au centre géométrique du module ; - les capteurs de mouvements sont agencés de sorte que l'axe 25 géométrique passant par les capteurs de mouvements d'une paire de capteurs est orthogonal à 'axe géométrique passant par les capteurs de mouvements d'une autre paire de capteurs ; - chaque capteur de mouvements comprend un axe sensible, 30 les capteurs de mouvements d'une paire de capteurs étant agencés de sorte que leurs axes sensibles sont parallèles ; - les capteurs de mouvements sont agencés de sorte que les axes sensibles parallèles d'une paire de capteurs sont orthogonaux avec les axes sensibles parallèles d'une autre paire de capteurs ; - le module est de forme cubique ; les moyens formant un système à six composantes comprennent au moins trois capteurs de translation et au moins trois capteurs de rotation. Brève description des dessins D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels : La figure 1 présente schématiquement, en vue de coupe, un système d'acquisition de données selon l'art antérieur ; • La figure 2a présente schématiquement et en vue de coupe, un mode de réalisation préférentiel, donné à titre d'exemple non 20 limitatif, d'un système d'acquisition de données selon l'invention, ledit système étant soumis à un mouvement de translation ; • La figure 2b présente le système d'acquisition de données de la Fig. 2a, selon la même vue de coupe, soumis à un mouvement de rotation autour d'un axe orthogonal à la direction du mouvement 25 de translation de la Fig. 2a; • La figure 3 présente schématiquement et en vue de perspective, un mode de réalisation préférentiel, donné à titre d'exemple non limitatif, d'un système d'acquisition de données conforme à la présente invention. 30 • La figure 4 présente schématiquement et en vue de perspective un système d'acquisition de données selon un mode de réalisation alternatif et généralisé, de l'invention. Description détaillée de l'invention La figure 1 présente une vue de coupe d'un système d'acquisition de données selon l'art antérieur et formé d'un module 1 comprenant en son centre un capteur de mouvements 2 d'axe sensible 3 et permettant de réaliser des mesures de mouvements selon une unique composante de l'espace. Plus précisément, ce capteur de mouvements 2 est apte à mesurer un mouvement selon la composante verticale (axe z) de l'onde réfléchie dans les différentes sous-couches suite à un ébranlement du terrain provoqué en surface. Ce capteur de mouvements 2 est typiquement un géophone mesurant la vitesse ou un accéléromètre. Un tel système d'acquisition de données sismiques comprenant un dispositif de type masse ressort sensible à une accélération linéaire (translation ou mouvement assimilable localement à une translation), n'est nullement en mesure d'identifier des accélérations provenant d'un mouvement de rotation et donc de distinguer des accélératiors liées à un mouvement de rotation des accélérations liées à un mouvement de translation. Les figures 2a et 2b présentent en vue de coupe une paire de capteurs de mouvements d'un système d'acquisition de données sismiques à six composantes selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention. La description faite à l'appui de ces figures ne permet de se représenter qu'une partie du système à six composantes selon l'invention, le système n'étant représenté que partiellement par la vue en coupe. Cette paire de capteurs de mouvements permet en effet de mesurer des mouvements de translation selon une 3remière composante de l'espace et des mouvements de rotation autour d'une autre composante de l'espace, orthogonale à la première composante. Le système complet sera quant à lui décrit ultérieurernent, à l'appui de la figure 3. Sur ces figures 2a et 2b, le système d'acquisition de données sismiques représente un module 10 et deux capteurs de mouvements 5 20 et 30, qui sont des capteurs de mouvements de translation. Les capteurs de mouvements 20, 30 sont conformes à un capteur de mouvements utilisé selon l'état de l'art et comprennent chacun au moins un axe sensible, préférentiellement un seul, référencé respectivement 41 et 42. Les capteurs de mouvements 20, 30 sont disposés l'un par rapport à l'autre de façon symétrique par rapport au centre géométrique O du module 10. Les capteurs 20, 30 sont fixés sur le module 10 du système d'acquisition de données de sorte que leurs axes sensibles respectifs 41, 42 soient parallèles et préférentiellement avec une direction et un sens communs. Le module est de forme parallélépipédique et préférentiellement de forme cubique. Plus précisément, les capteurs 20, 30 sont fixés respectivement sur deux faces 11, 12 parallèles et opposées du module 10 du système d'acquisition de données, les axes sensibles 41 et 42 appartenant respectivement aux plans définis par ces faces 11 et 12. Plus précisément encore, les capteurs 20, 30 sont fixés au centre 20 des faces 11, 12 du module 10. Les capteurs de mouvements 20, 30, peuvent être des capteurs de vitesse ou d'accélération. Toutefois, dans la suite de la description, et par souci de simplification, seul le cas où les capteurs de mouvements 20, 30 sont des capteurs de vitesse est décrit. 25 Sur la figure 2a, le système conforme à la présente invention, représenté partiellement avec une paire de capteurs de mouvements 20, 30 est soumis à un mouvement de translation dans le plan XZ d'un milieu 50. Dans le cas d'un mouvement de translation, représenté par la 30 flèche 51 de la figure 2a, les deux capteurs 20 et 30 permettent d'obtenir chacun une mesure de la vitesse liée à un mouvement de translation, c'est-à-dire de la vitesse de déplacement du milieu dans lequel se situent les capteurs, et plus généralement le module 10 d'acquisition de données. Le premier capteur 20 permet d'obtenir une vitesse V1 et le second capteur 30 permet quant à lui d'obtenir une vitesse V2. La vitesse de translation Vt du milieu 50 est alors estimée par la demi-somme des valeurs obtenues par chacun des capteurs 20 et 30, à savoir ure vitesse Vt = (V1+V2)/2. Incidemment, dans de telles conditions, l'utilisation de deux capteurs au lieu d'un unique capteur permet de gagner 3dB sur le rapport signal à bruit instrumental. Sur la figure 2b, ce même système, également représenté partiellement avec la paire de capteurs de mouvements 20, 30 est soumis à un mouvement de rotation du même milieu 50 autour de la composante Y orthogonale au plan XZ et passant par le centre O du module 10 Dans le cas d'un mouvement de rotation, représenté par les flèches 52, 53, 54 et 55, les deux capteurs 20 et 30 permettent d'obtenir chacun une mesure de la vitesse de rotation liée au mouvement de rotation du milieu 50. En effet, Les capteurs 20 et 30 subissent, sous l'effet d'un mouvement de rotation, un déplacement en sens opposé. Ainsi, pour une vitesse de rotation w du milieu 50, les capteurs 20 et 30 permettent d'obtenir une vitesse V1 et V2 respectivement, où V1 = Rw et V; = - Rw, R étant le rayon du cercle de centre O et passant par les centres C1 et C2 respectifs des capteurs de mouvements 20 et 30, le centre O du cercle coïncidant avec le centre du module 10 et les centres C1 et C2 coïncidant avec les centres des faces 11 et 12 du module 10 respectivement. La distance séparant les centres C1 et C2 des capteurs de mouverients 20 et 30 vaut donc 2R. Par soustraction des valeurs V1 et V2 acquises par les capteurs 20 et 30, on est donc en mesure de connaître la valeur de la vitesse de rotation w du milieu 50, alors déterminée par la relation w = (V1-V2)/2R. Le mouvement de rotation qui est acquis par les capteurs de mouvements 20, 30 du système d'acquisition de données peuvent l'être avec une précision choisie. En effet, plus la distance séparant les centres C1 et C2 des capteurs de mouvements 20 et 30 est importante, plus la sensibilité à un mouvement de rotation du milieu 50 est grande. Il est donc tout à fait envisageable d'adapter la dimension du système d'acquisition de données en fonction de la précision souhaitée sur la connaissance de la vitesse de rotation du milieu. Afin d'obtenir des mesures de mouvements de translation selon trois premières composantes indépendantes de l'espace et de mouvements de rotation autour de ces trois composantes indépendantes, c'est-à-dire pour former un système d'acquisition de données à six composantes selon l'invention, il s'avère nécessaire d'employer au moins six capteurs de mouvements de translation agencés par paires, comme décrit ci-dessus. La figure 3 présente un tel système de façon schématique et en vue de perspective, selon un mode de réalisation préférentiel. Le système d'acquisition de données à six composantes comprend des moyens constitués par trois paires de capteurs de mouvements référencés 20, 30, et 21, 31 et 22, 32 compris dans un module 10. Ces capteurs de mouvements sont des capteurs de mouvements de translation. Les capteurs de mouvements d'une paire de capteurs sont disposés l'un par rapport à l'autre de façon symétrique par rapport au centre géométrique O du module 10. Le module 10 employé est de forme parallélépipédique, et 25 préférentiellement de forme cubique. Compte tenu de la forme du module 10, chacun des capteurs de mouvements 20, 30, 21, 31, 22, 32 est plus préférentiellement: disposé au centre de la face 11, 12, 13, 14, 15, 16 respectivement. L'axe géométrique Y1 passant par les capteurs de mouvements 30 d'une paire de capteurs 20, 30 est orthogonal à l'axe géométrique X1 ou Z1 passant par les capteurs de mouvements d'une autre paire de capteurs 21, 31 ou 22, 32. Pour chaque paire de capteurs de mouvements, les axes sensibles respectifs des capteurs de mouvements formant la paire considérée sont parallèles et préférentiellement orientés selon une même direct:ion et un même sens. Les axes sensibles parallèles 41, 42 d'une paire de capteurs 20, 30 sont orthogonaux avec les axes sensibles parallèles 43, 44 d'une part et 45, 46 d'autre part d'une autre paire de capteurs. Plus précisément, dans ce mode de réalisation préférentiel, les capteurs de mouvements 20 et 30 sont respectivement fixés sur deux faces 11 et 12 parallèles et opposées du module 10 et appartenant au plan XZ, les capteurs de mouvements 21 et 31 sont respectivement fixés sur deux faces 13 et 14 parallèles et opposées du module 10 et appartenant au plan YZ et les capteurs de mouvements 22 e: 32 sont respectivement fixés sur deux faces 15 et 16 parallèles et opposées du module 10 et appartenant au plan XY, et ce conformément pour chacun de ces paires de capteurs de mouvements à la description faite à l'appui des figures 2a et 2b. Chaque capteur de mouvements 20, 30, 21, 31, 22, 32 est préférentiellement un capteur de mouvements à un seul axe sensible 20 référencé respectivement 41, 42, 43, 44, 45, 46. Avec une telle disposition, il est possible de connaître à la fois les vitesses de translation et de rotation du milieu dont on cherche à obtenir le comportement dynamique selon les différentes composantes de l'espace en effectuant, pour chaque paire de capteurs de mouvements, 25 le calcul des demi-sommes et demi-différences des vitesses mesurées pour chacune de ces composantes de l'espace, calcul décrit cidessus à l'appui des figures 2a et 2b. Cependant, afin d'obtenir une mesure exacte des vitesses de translation et de rotation du milieu, il est nécessaire d'effectuer un 30 étalonnage sans lequel la valeur directement mesurée serait imprécise. En effet, il peut exister des défauts de fabrication sur le module (orthogonalité des parois par exemple), des imprécisions de positionnement des capteurs, ou des imprécisions liées à la sensibilité des capteurs. Les mouvements mesurés par les capteurs et les mouvements réels du milieu dans lequel se situe le module avec ses capteurs peuvent chacun être représentés par une matrice colonne à six lignes, à savoir respectivement les matrices m et v. Ces deux matrices colonnes sont reliées par une matrice A carrée et inversible selon la relation v = A-' m (E1), les coefficients de cette matrice A dépendant principalement de la sensibilité des capteurs de mouvements et de leur implantatioi au sein du module, c'est-à-dire de la distance du centre des capteurs par rapport au centre du module et de l'angle de leur axe sensible par rapport aux axes du module. Par conséquent, cet étalonnage s'effectue le plus souvent après l'étape de fabrication du module 10 comprenant ses capteurs de 15 mouvements. L'étalonnage consiste à obtenir les coefficients de la matrice A. Pour obtenir ces coefficients, il peut par exemple être envisagé d'appliquer au module obtenu après fabrication une translation exclusive selon un axe X et d'acquérir les données mesurées, de répéter les 20 mêmes opérations de manière exclusive selon un axe Y et un axe Z, et de continuer avec des rotations exclusives autour de ces trois axes X, Y et Z ; les axes X, Y, Z étant orthogonaux entre eux deux à deux. Une fois les coefficients obtenus, c'est-à-dire une fois la matrice A connue par résolution de l'équation (El), il suffit d'inverser la matrice A 25 et de mémoriser les coefficients de cette matrice KI, de préférence dans le module. Avec cet étalonnage, les capteurs de mouvements n'ont pais besoin d'avoir une sensibilité très précise, puisque ces erreurs de sensibilité peuvent être corrigées. Grâce à cet étalonnage, la qualité géométrique 30 du support ainsi que le positionnement des capteurs sur ce support ne nécessitent pas une rigueur extrême puisque les défauts sont compensés par la méthode. Le surcoût lié à l'étape d'étalornage est nettement compensé par des contraintes de fabrication moindres. La description faite à l'appui des figures 2a, 2b et 3 porte sur un mode de réalisation préférentiel de l'invention. De nombreuses variantes 5 peuvent toutefois être envisagées. Par exemple un mode de réalisation alternatif, comme illustré sur la figure 4, peut prévoir un module et des capteurs de mouvements agencés de sorte que les capteurs sont disposés de façcn quasi-quelconques dans le volume du module 10, c'est à dire à des distances 10 par rapport au centre O du module 10 et avec une orientation et un sens quelconques. Dans la mesure où ce module est calibré selon la méthode d'étalonnage décrite ci-dessus, il est possible de retrouver les six composantes de mouvement du milieu auquel le module est sDumis de 15 manière aussi précise qu'avec un module parallélépipédique tel que décrit précédemment si l'on applique la relation (El). Pour cela, il suffit que la matrice A d'étalonnage soit inversible, ce qui exclut un petit nombre de positions singulières des capteurs de mouvements, comme par exemple deux capteurs confondus ou encore 20 tous les capteurs dans un ou deux plans. Cela permet notamment d'envisager des modules de forme non parallélépipédiques, et ne présentant pas de manière générale de parois orthogonales ou encore de ne pas disposer les capteurs de mouvements d'une même paire au centre des faces d'un module de forme 25 parallélépipédique. Cette généralisation relâche donc les contraintes au niveau du facteur de forme du module. La description faite à l'appui de l'ensemble des figures 2a, 2b, 3 et 4 concerne des moyens 20, 30, 21, 31, 22, 32 qui sont des capteurs de mouvements de translation, mais il peut être envisagé d'employer en 30 tant que capteurs de mouvements, au moins trois capteurs de mouvements de translation et au moins trois capteurs de mouvements de rotation. Enfin, le système selon l'invention peut prévoir en cutre des moyens permettant de former un système à six composantes, d'autres moyens comme par exemple un ou plusieurs capteurs choisis parmi, à titre d'exemple non limitatif, un capteur de pression et/ou un capteur de température. La présente invention portant sur le système d'acquisition de données sismiques à six composantes n'est pas limitée aux rnodes de réalisation décrits ci-dessus mais s'étend à tout mode de réalisation conforme à son esprit. Par tout mode de réalisation conforme à son esprit, on entend tout mode de réalisation d'un système d'acquisition de données sismiques permettant d'obtenir six mesures indépendantes correspondant aux trois composantes de translation selon les trois directions de l'espace et aux trois mouvements de rotation autour de trois autres composantes de l'espace, i.e. autour des trois directions de l'espace. REVENDICATIONS 1. Système d'acquisition de données sismiques, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (20, 30, 21, 31, 22, 32) agencés de sorte qu'ils permettent de mesurer des mouvements de translation d'un milieu selon trois composantes indépendantes de l'espace et des mouvements de rotation autour de chacune de ces trois composantes indépendantes, formant ainsi un système à six composantes. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (20, 30, 21, 31, 22, 32) formant un système à six composantes comprennent au moins six capteurs de mouvements. 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que les 15 capteurs de mouvements sont des capteurs de mouvements de translation. 4. Système selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comprend un module (10) logeant les capteurs de mouvements (20, 30, 21, 31, 22, 32), lesquels sont agencés, de 20 manière quasi- quelconque en position et en direction, de sorte qu'une matrice A, reliant un vecteur m représentant les mouvements mesurés par les capteurs et un vecteur v représentant les mouvements réels du milieu, est inversible. 5. Système selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé 25 en ce que les capteurs de mouvements (20, 30, 21, 31, 22, 32) sont agencés par paires de sorte que les capteurs de mouvements d'une paire de capteurs (20, 30) sont disposés l'un par rapport à l'autre de façon symétrique par rapport au centre géométrique du module (10). 6. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que les 30 capteurs de mouvements (20, 30, 21, 31, 22, 32) sont agencée de sorte que l'axe géométrique passant par les capteurs de mouvements d'une paire de capteurs (20, 30) est orthogonal à l'axe géométrique passant par les capteurs de mouvements d'une autre paire de capteurs ((21, 31), (22, 32)). 7. Système selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que chaque capteur de mouvements comprend un axe sensible (41, 42, 43, 44, 45, 46), les capteurs de mouvements d'une paire de capteurs (20, 30) étant agencés de sorte que leurs axes sensibles (41, 42) sont parallèles. 8. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que les capteurs de mouvements sont agencés de sorte que les axes sensibles parallèles (41, 42) d'une paire de capteurs (20, 30) sont orthogonaux avec les axes sensibles parallèles ((43, 44), (45, 46)) d'une autre paire de capteurs ((21, 31), (22, 32)). 9. Système d'acquisition de données sismiques selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que le module (10) est de forme 15 cubique. 10. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens (20, 30, 21, 31, 22, 32) formant un système à six composantes comprennent au moins trois capteurs de translation et au moins trois capteurs de rotation. 20 11. Utilisation d'un système d'acquisition de données sismiques conforme à l'une des revendications précédentes pour déterminer des mouvements de translation d'un milieu selon trois composantes indépendantes de l'espace et des mouvements de rotation autour de chacune de ces trois composantes indépendantes.