Brevet FR2979021A1 — publié le 20130215

minéra (-us utile pour tes de valeur tell que mturel. Un outil bien connu d--cherche sis acoustl sont tres( 1 es d(( sic ' acoustique. quand le signal acoustique rencon-e une 10 interface entre deux strates sous la surface - de des i.r .-(r(ces acoustiques différentes, une partie signal aco ique est renvoyée par réflexion vers la surface terrestre. Des capteurs détectent ces parties réfléchies du signal acoustique, et des sorties des capteurs sont 15 enregistrées sous la forme de données. Des techniques de traitement de données sismiques sont alors appliquées sur les données recueillies afin d'estimer la structure sous la surface. Ces recherches peuvent être réalisées sur la terre ou dans l'eau. 20 Dans une recherche sismique marine typique, de multiples câbles de flute marine sont remorqués derrière un navire. Une flute marine typique comprend de multiples capteurs sismiques positionnés à des intervalles espacés sur sa longueur. Plusieurs flutes marines mit souvent 25 positionnées en parallèle au-lessw d' recherche. Une ou plusieurs so_ des canons pneumatiques ou -ment normal zone (telles de que 30 1.0 20 méta Puisque les s que contient -dupe peut s'étendre individuels dans faible:_znt espacés, on su 10 groupe sont relati-.- tous les capteurs dans un groupe donné redivent sensiblement le même signal sismique. Le signal sismique est par conséquent renforcé par l'addition des signaux de 15 sortie analogiques des hydrophones du groupe et des capteurs de mouvement de particule de leur groupe correspondant. D'autre part, du bruit aléatoire et non corrélé affectant chaque capteur tend à être annulé par le processus d'addition. Le gain de huit à seize par rapport à 20 la sortie d'un capteur individuel procure une assez bonne réjection de bruit aléatoire. L'invention concerne un système de recherche géophysique comportant: au moins unE 25 d'unités c capteur capteur riant au (lute marine ayant une pluralité au moins une des unités de un capteur numérique utilisant iée pour produire un 30 a, tns un capteur _que comporte un cor..+ configura pour convertir le signal. 10 quantifié en signal 3c sortie numérique. Avantageu le capteur num(ique comporte un intégrateur relié l'élément de on et un quantificateur multi-bit configuré pour produire un signal quantifié en réponse à une sortie de l'intégrateur. 15 Avantageusement, l'au moins un capteur numérique comporte un filtre de décimation qui convertit le signal quantifié en signal de sortie numérique. Avantageusement, au moins une partie des unités de capteur est configurée pour produire un signal de sortie 20 dépendant d'un signal d'entrée sismique. Avantageusement, au moins une partie des unités de capteur assure une détection d'accélération sur trois axes numérique et une détection de pression numérique. Avantageusement, au moins une partie des unités ?5 de capteur est ep acée d'une distance de moins de 150 nètres (59 es unes des autr Avantage:. au moins des unités est moins de 35 10 capteur; et production numérique transforme stimulation d' 15 ou déformation d'un l_m r de détection. Avantageusement, le capteur numérique intègre un signal d'élément de détection et réalise une quantification sur un bit pour produire un signal quantifié. Avantageusement, le capteur numérique exerce une 20 force quantifiée sur l'élément de détection en réponse au signal quantifié. rvantageusement, le caret=ur numérique des valeurs as le sigr. 1 quantif pour convertir Lé sig-- 1 artie n- r1 igue, nées. en tant de sortie de capteur n mouvement 30 st une -ê en plan de us du isiqu , ine de la La figure 3 st une représentation >,' eetique 15 d'une section de (lute marine d'illustration ; La figure 4 est un diagramme d'une première unité de capteur d'illustration ayant un unique capteur numérique ; La figure 5 est un diagramme d'une deuxième unité 20 de capteur d'illustration ayant de multiples capteurs 10 sism marines ; e ieant ssc.he me Id de multiples flutes T me de recher, *ie numériques ; La figurediagramme d'ulê première forme isation de capte... 'illus-ration La figure 7 d' une se de en de capt, lue. on ; et êgure 8 ou:. 30 moins Le du bru' 1 s fl ;te ines t non- . Pa_ crée par le « ment corrél' ente le tours. Z' tel être au moins _n pis trai: 10 données de capteur individuel capteur sans encourir exigences puissance. Par conséquent, on décrit ici un syeL d'acquisition de données avec une ou plusieurs flutes 15 marines ayant de multiples unités de capteur espacées. Au moins une unité de capteur comprend au moins un capteur numérique utilisant une boucle de rétroaction quantifiée pour produire un signal de sortie numérique. Un système d'enregistrement de données recueille et stocke des données 20 à partir des unités de capteur. Le ou les capteurs numériques peuvent comprendre un élément de détection prévu pour se déplacer ou se déformer en réponse â une stimulation d'entrée. La boucle de rétroaction quantifiée peut être prévue pour exercer une force qu itifiée sur 25 l'élément de dét Lion. Un procédé pour l'acquisitioi c _nd le fait de -er au mue' e une flut, marir ayant mult es uni eur Le uti fectant n'est le bruit es marir ..calte multip: nt par l'acq.'ttion de partir de unités de :; de données 16 1O comprenu al ~t une source sismique 20 et une rangée de c.::t=-urs 22 remorquée dans l'eau 14 par le bateau 12. Comme cela est décrit plus en détail ci-dessous, la rangée de capteurs 22 comprend de multiples unités de capteur espacées. Chaque unité de capteur comprend un ou 15 plusieurs capteurs qui détectent des signaux sismiques et produisent des signaux de sortie indicatifs des signaux sismiques. Les unités de capteur de la rangée de capteurs 22 s'étendent sur une zone bidimensionnelle. Le système d'enregistrement de données 18 commande la collecte et le 20 stockage des données de mesure à partir des unités de capteur et, dans la plupart des cas, commande également le déclenchement de la source 20. La figure 2 est une vue en plan de dessus du système de recherche sismique marine 10 de la figure 1. Si 25 l'on se réfère ,ux figu~-v 1 et 2, les multiples unités capteur espa fie la de capteurs 22 sont dans re câ' 1 de cal ou flutes ' 4A à 24 u. ss fl 30 1 n ion: l de ient Des lectii et/ou ses câbles à ib e optique 1 relient nités de capteur dans les sections de (lute ine 2 des (lutes marines 24A à ],D au système d'enregistrement de données 18 à bord du 1 12. Si l'on revient à la figure 1, la e)urce sismique 20 produit des onde: acoustiques 32 sous la commande du 15 système d'enregistrea, nt de données 18, par exemple à des instants sélectionnés. La source sismique 20 peut être ou comprendre, par exemple, un canon pneumatique, un vibrateur, ou un autre dispositif. Les ondes acoustiques 32 se déplacent dans l'eau 14 et en dessous de la surface 36 20 au-dessous d'un fond 34. Quand les ondes acoustiques 32 rencontrent des changements d'impédance acoustique (par exemple au niveau de limites ou de couches entre les strates), des parties des ondes caustiques 32 sont réfléchies. Les partie:- des ondes acon_.:- igues 32 réfléchi 3 25 par des couches en -,us de la w _-face sont appf « réflexions sism .csl.zes Dans la figure ], une telle on est Pr d'une 30 tra e la et ;ci est en c ` il y a un problù a cc une des sections aïe f lut{ - ose 26, la section problématique de flute marine 2v peut être section de flute remplacée par n'importe quelle autre marine 26 de rechange. La figure 3 montre une forme de réalisation d'illustration d'une des sections de flute marine 26 des (lutes marines 24A à 24D des figures 1 et 2. Dans la forme de réalisation de la figure 3, la section de flute marine 26 comprend de multiples unités de capteur 50 espacées, où chacune des unités de capteur 50 comprend au moins un 20 capteur sismique comme cela est décrit plus en détail ci-dessous. La section de flute marine 26 peut être sensiblement cylindrique, et a deux extrémités opposées 52A et 52B. La ion dur. flute marine 26 100 .._êtres (328 pi d ), avec des cr.p r de Si par rapport aux e et de S2 entre longueur L, où (164 pieds} d'unit ble 52A, 52_, et Sn nt de on__ um ÿaes des u n i m do uspc t nroduir unique 10 flue de sortie qui tr te les données pr _upe. Le flux de _î i.a sorpeut être prod_.:it. en utilisa par des t : iques de compression de don_:_ 30 10 3, du ur_ ute marine 26 de flete marine .ecte a d'un condu électriques et/ou fibr endent un ou plusieurs connecteur. à l'extrémité 52B et plusieurs connecteurs à 1'E imité 52A afin de t les flux de données de sortie produits par d'au de capteur dans d'autres sections de flute marine l'extrémité 52B. La section de flute marine 26 de la supple-ntaires du bus de donnéee en-ie les les un ou .sporter nités 1. liées à figure 3 comprend une gaine recouvrant un extérieur des sections de flute marine 26, et un ou plusieurs éléments de renfort s'étendant sur la longueur des sections de flute marine 26 à l'intérieur de la gaine. Des techniques de construction 20 de section de flute marine appropriées sont décrites dans le brevet U.S. N° 7 298 672 délivré au nom de Tenghamn et autres. D'autres techniques de conception et de construction de flute marine sont également connues et peuvent être utilisées. 25 Les exigences de puissance électriques et les poids de la flute marine limitent souvent un nombre de 30 du fait que le doit de telle d'un lit 1- ?me ee d' e e 26 de igure , ou plut __ries qui procurent une paitie pu la totalité ue- besoins en puissance des unités de capteur 50. La flute marine 26 peut t variante, ou eh plus, comprendre un dispositif de colle d'énergie qi convertit le mouvement vibratoire de la flute marin 26 en énergie électrique. Lorsque la flute marine 26 est remorquée dans l'étendue d'eau 14 (voir les figures 1 et 2), la flute marine 26 subit un mouvement vibratoire provenant d'un certain nombre de sources comprenant le décollement de tourbillon, la fluctuation de traînée, les ondes de respiration, et différentes sources de bruit d'écoulement comprenant des couches limites turbulentes. L'énergie électrique produite par le système de collecte d'énergie peut procurer une partie ou la totalité des besoins en puissance des unités de capteur 50. L'utilisation du système d'alihentati-D: par battrie et/ou d'un système de collecte ' fe le nombre et/ou les Dus de _urs du bu_ de distribution d'énergie 5i.30 1.0 manu cou-, : s . Les ..._~ tec? es c des capt ss phy 1plu petits qui de manie s typique moins et dissipent moins d'énergie électrique. Comme cela est davantage expliqué ci-dessous, le circuit intégré de numérisation réduit en outre la consommation d'énergie comparé à un capteur analogique suivi d'un convertisseur analogique-numérique 20 rétroaction quantifiée limite le mouvement du co détection, et ce faisant, elle limite les 30 13 tn re 4 mont :nite de la re 4, de té L de cue 72. Co_cela v décrit ci- Dessous 10 référant à la figure 6, le capteur numérique 72 comprend une boucle de rétroaction quantifiée et utilise la boucle de rétroaction quantifiée pour produire un signal de sortie numérique indicatif de l'énergie d'onde sismique. Un élément de détection du capteur numérique essaye de se 15 déplacer ou de se déformer en réponse à une stimulation d'entrée (par exemple, pression, accélération, ou une autre forme de signal d'énergie géophysique). Quand l'élément de détection ne reçoit aucune stimulation d'entrée, la boucle de rétroaction quantifiée amène l'élément de détection à 20 osciller de manière symétriquement autour d'une position ou d'un état de déformation d'entrée zéro ou « nulle ». Le signal quantifié résultant (qui est un signal mode:l` en densité d'impulsion) et une série d'impulsions esra de manière éq àe. La >> _Iole de rétroactio: quai: 25 convertce si en une fc.r. le quant qui de dé ec t à osc a' ~,, la ion En pt latin] 14 30 enregis- ement de don. 1O les figures 1 et 2) l'intermédiaire du 60, et délivre 72. L'unité de t"lémesurt commande au rapt Lpteur 70 reçoit égal nt le signal de sortie numérique .oduit par le capteur nur..1rique 72, et délivre un flux de données de sortie qui comprend 15 une représentation du signal de sortie de capteur numérique au système d'enregistrement de données 18 par l'intermédiaire du bus de données 60. La figure 5 montre une unité de capteur d'illustration 50 ayant de multiples capteurs numériques. 20 Dans la forme de réalisation de la figure 5, l'unité de capteur 50 comprend l'unité de télémesure de capteur 70 reliée â un accélér,:,2tre à 3 axes numérique 72A et à un hydrophone numérique 72B. L'accéléromètre à 3 axes numérique 72A fournit A _es de l'accéléra dans 25 trois d :: i _: or ? 1 et l' hydrophone 1--i que 72B fourni,. me de pression dans un fluide 30 1O La fig de réalisation de onctionnel d'une un s nume a 1 72 -:prié pour utilisation dans unités de c >teur de:, figures 4 et 5. Dans la forme de réalisation de la figure 6, le capteur numérique 72 comprend un élément de détection 74, une unité 15 de conditionnement de signal 76, une unité d'intégrateur 78, une unité de quantificateur 80, un passage de rétroaction quantifiée 82 avec une unité de commande 84, et une unité de sortie 86. L'élément de détection 74 est prévu pour se déplacer ou se déformer en réponse à une 20 stimulation d'entrée (par exemple pression ou accélération). L'élément de détection 74 produit un signal de sortie électrique (par exemple une tension ou un courant) en réponse à la stimulation d'entrée. L'élément de détection peut être ou comprendre un transducteur qui 25 convertit l' éner de la stimulation entrée es. raie de détection u:Id en e un ri et~~ de .7 _élues déf que l'autre. 10 L'unité de conditionnements de signal 76 reçoit le signal de sortie produit par l'Ede détection 74 en tant que signal d'entrée, et aïe ou change le signal d'entrée afin de produire un de sortie qui facilite l'intégration consécutive du signal de sortie par l'unité 15 d'intégrateur 78. L'unité de conditionnement de signal 76 peut, par exemple, convertir un signal de tension en signal de courant, convertir un signal de courant en signal de tension, amplifier le signal d'entrée, atténuer le signal d'entrée, filtrer le signal d'entrée, et/ou décaler un 20 niveau de courant continu (DC) du signal d'entrée. L'unité d'intégrateur 78 reçoit le signal produit par l'unité de conditionnement de signal 76 et l'intègre avec le temps. L'unité d'intégrate78 peut, par exemple, ser une r-~_tion de filtre sur signal d' il 1 c.eur 78 courais . de déforma de sortie -bas du pr+ Le signal d'entrée ndicatif d'une position o i de l' é par l' iumu l er ordre l'unité d'un état n 74. Le 78 e. de mul: d'hor 80 prod 'que à l'état s' unité f .cateur c n °...nue à produire le même signal de sortie numérique quand le signal de comm_ ide n'est ._.~ actif (c'est-à-dire invalidé). Le signal ie igue est ainsi mis à jour à chaque cycle du signal d'horloge. Dans au moins certaines formes de réalisation, l'unité de quantificateur 80 est un comparateur de tension suivi d'un verrou, en formant ce qui désigné généralement sous le nom d'un convertisseur analogique-numérique à 1 bit (CAN). Le comparateur de tension reçoit le signal de sortie produit par l'unité d'intégrateur 78 à une entrée positive (+), et une tension de référence fixe à une entrée négative (-). Le comparateur de tension compare continuellement le signal de sortie produit par l'unité d'intégrateur 78 à la tension de référence, en produisant une tension de sortie plus élevée (par 1 correspondant à un niveau logique '1') quand de soproduit par l'_:nitê d'intégrateur 78 tension de -once, et 'inc tension (par i._ à ,.- le s est plu_ les de ie, la teni logi ue lue '1', ou la u 1O niveau logique numérique '0', sui la borne u u ie à La sorti de l'unité de un l rodulé par relaei égal d'impulsions « positives » ou de tension plus -__levée et 15 d'impulsions « négatives » ou de tension plus faible par unité de temps quand la position ou l'état de déformation de l'élément de détection 74 est près de la position nulle, un nombre relativement plus élevé d'impulsions positives que de négatives par unité de temps quand la position ou l'état de déformation de l'élément de détection 74 est en-dessous de la position nulle, et un nombre relativement plus faible d'impulsions positives que de négatives par unité de temps qui-ed la position ou l'état de déformation chaque cycle du signal d'hoir quantificateur 80 peut être vuf densité d'impulsion ayant un de l'élément de nulle. on est au de la position 30 cela est indique dans la figure 6 et dessus, ri agns la 1 ^3 cle 20 de le git rétro ion une force » n 74 provoquée Grâce au signal de sortie le quantificateur 80, la boucle de 82 exerce une force quantifiée sur 74. Il est à noter que, du fait que rétroaction est quantifié, il est presque élevé ou trop faible pour contrer avec ulation externe, ce qui amène l'élément de 20 détection 74 à osciller. La discordance entre le signal de rétroaction quantifiée et la stimulation externe commande l'amplitude du signal délivré à l'intégrateur 78, qui commar à son tour le temps r- suis pour que la sortie de l'i] g~ateur croise le seuil et amène une impulsion 25 positi_=rger c- le ux de ze quantiiée. De cette 78 à li ces disr° - ± , ? ? mc esuie, la po i t i m de s sur 10 dans boucle de de afin de contrer le mouvem par la stimulation externe. quantifié produit par rétroaction quantifiée l'élément de détection le signal de toujours trop précision la s par l'unité de quantificateur 80 sur une entrée d'activation. Quand la sortie de l'unité de quantificateur 15 80 est la tension correspondant au niveau logique numérique `1', le compteur est activé et incrémente quand le signal d'horloge est actif (ou validé). Quand la sortie de l'unité de quantificateur 80 est la tension correspondant au niveau logique numérique '0', le compteur est désactivé et 20 n'incrémente pas quand le signal d'horloge est actif (ou validé). Le signal de sortie numérique du capteur numérique 72 peut être le mot de n-bit produit par le compteur. Des validations de signal de réinitialisation périodique a la valeur de comptage à être verrouillée et le 25 cc Leur être effacé pour commencer le comptage pour _valle suivant. L'unité amortie 86 peut fil'_: de u d: bin interval" signal d'h, capteur 70 d' horlc Mlle c est au boîtier de._ iné zver les brcex c'E S, IO l taille du dispositif intégré pat être prévue pour être plus petite que l'assemblage de plaquette traditionnel. Une telle technologie peut en outre être util pour augmenter le nombre de capteurs dans une flute marine si leurs besoins en puissance sont maintenus bas. Comme 15 cela a été expliqué ci-dessus, le fait de prévoir un dispositif intégré de capteur peut être prévu pour réduire les besoins en puissance. De plus, la puissance consommée par le dispositif intégré est le produit de la tension d'alimentation et du courant consommés par le dispositif 20 lors du fonctionnement. Des économies de courant significatives peuvent être obtenues à l'aide de la technologie CMOS (semi-conducteur à oxyde métallique complémentaire) pour construire le dispositif, mais même dans ce cas, il faut veiller à limiter les trois types de 27 consommation de cour a._!_ se produisent dans les dispositifs CMOS cc ,~ fion croisée (égal_ at -fie .~i cornu sou: nom de couza co' rt-circu. zZt p~ } cc et cour que. Inc on d'a en .,.le u~ ~aaant t ior qu tensions on o L oura Des bien rapts rédui puisque, grâce au des en terme chut ets, d'autre si, au :.ns cert de de dispositif utiliLises circuits 10 n .. igaes conçus pour réduire les exigences de puissance des dispositifs de capteur. L..s capteurs plus sophistiqi sont capables de numéris des signaux avec convertisseurs numériques faible puissance mais de résolution élevée. Les signaux de capteur numérisés 15 fournissent les avantages potentiellement souhaitables d'être plus immunisés contre le bruit et d'être facilement transmis par fil ou sans fil en utilisant des protocoles de correction d'erreur. En outre, des signaux numérisés peuvent être filtrés et égalisés pour éliminer des 20 imperfections dans le signal d'origine. Il est à noter en outre que des capteurs de mouvement micro-usinés à haute performance tels que les dispositifs MEMS décrits ici utilisent une commande de rétroaction pour augmenter leur plage dynamique tout en 25 maintenant la lin--arité : la largeur de bande. Ces dispositifs avec syt. t de commande de rétroaction pureme't =" l^ iq . rencc cent de manière des prof être 30 d un ion, fac re e capte] iés on dl la lux cap` ~. ique .bateau Je des b pa_ prc_hibitives, les capteurs Fumé r iqü 1O peu-,ent être divisés en groupe Les sorties de tous les capteurs numériques dans 1 group peuvent faire l'objet d'une moyenne ou être comk d'une tre manière, et le flux combiné transmis pour rzduire le total de flux de mesure transmis au bateau.