DE3149162A1 - Einrichtung und verfahren zum orten eines unter der wasseroberflaeche geschleppten streamers - Google Patents
Einrichtung und verfahren zum orten eines unter der wasseroberflaeche geschleppten streamersInfo
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Description
^Hamburg, 1. Dezember 1981 250581
Priorität; 10. Dezember 1980 U*S*A*
Pat.Anm.Nr. 215
Anmelder:
Chev/ron Research Company
525 Market Street
San Francisco, CaI.94105
U.S.A.
Einrichtung und Verfahren zum Orten eines unter
der Wasseroberfläche geschleppten Streamers
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der
marinen-seismischen Aufschlußarbeiten. Insbesondere betrifft
die Erfindung Mittel zur genauen Bestimmung der
Lage eines geschleppten seismischen Streamers.
Bei marinen-seismischen -Aufschluß arbeit θ η uiird von einem
Schiff ein seismischer^Streamer geschleppt, der eine
Mehrzahl von druckempfindlichen Detektoren enthält, die
allgemein als Hydrophone bezeichnet uerden. Eine Quelle
seismischer Energie, z. B. ein Luftpulser oder eine Sprengstoffladung, wird benutzt, um durch das Uasser hin-
« Ά
»041
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durch und in den darunter befindlichen Meeresboden Druckwellen
auszusenden. Ein Teil der Energie wird durch die unter dem Meeresboden befindlichen geologischen Diskontinuitäten
reflektiert und nachfolgend durch die Hydrophone als Druckschuankungen in dem umgebenden Wasser wahrgenommen.
Die mechanische Energie dieser Druckschuankungen wird in ein elektrisches Signal durch die Hydrophone übersetzt
und durch den Streamer in eine Aufzeichnungseinrichtung an Bord des Schiffes übertragene Oie gesammelten
Daten können dann durch Fachleute interpretiert werden,
die daraus Informationen über die geologischen Formationen unter dem Meer ableiten.
Für die Zuordnung und Auswertung der Signale ist es erforderlich,
den Ort der einzelnen Hydrophone zu der Zeit, zu der die Druckwellen wahrgenommen worden sind, zu
kennen. Da das Schiff sich fortlaufend bewegt und der Streamer sich über tausende von Fuß (1 Fuß = 0,3 m) hinter
dem Schiff erstreckt, ist eine genaue Ortsangabe für die Streamer-Hydrophone schwierig.
Die verschiedensten Systems sind entwickelt worden, um
genaue Information über den jeueiligen Ort des Schiffes zu liefern. In einer üblichen Anwendung erzeugen mehrere
Unterwasser-Transponder besondere, bestimmte Ausgangsfrequenz-Signale
in Beantwortung eines Abfragesignales vom Schiff. Die Übermittlungszeit für das Abfragesignal
und das Antwortsignal des Transponders uiard gemessen und
die Strecke oder der Entfernungsbereich für jeden Transponder berechnet. Die Position des Schiffes mit Bezug
auf die Transponder kann dann durch Triangulation bestimmt werden, falls die Orte der Transponder bekannt
sind.
Das Schlappen eines Streamers unmittelbar in Kiellinie
des Schiffes ist jedoch selten. Der Streamer ist zwar an
das Heck des Schiffes angeschlossen, die Nasse des Streamers
ist aber im Uasser eingetaucht unter der Oberfläche aufgrund der Uirkung won Tiefensteuerungen, die entlang
des Streamers angeordnet sind. Aufgrund dessen kann die Geschuindigkeit einer Queruersetzungs-Strömung in der
Tiefe des Streamers sich uon der auf das Schiff wirkenden
Queruersetzung unterscheiden, so daß der Streamer im Üinkel
zum Kurs des Schiffes geschleppt wird. Auch noch ueitere, hier nicht aufzuführende Faktoren können dazu
beitragen, daß der Ueg des Streamers eine Abweichung
gegenüber dem des Schiffes zeigt.
Ein bekanntes Verfahren zur Bestimmung des Streamerortes
beruht darauf, daß am Ende des Streamers als Schuanzboje
ein Radarreflektor angeordnet uird. Ein an Bord befindliches Radarsystem kann dann unter günstigen Meeresbedingungen
benutzt werden", das Ende des Streamers aufzusuchen und den Ort der einzelnen Hydrophone zu interpolieren. Derartige Einrichtungen sind allgemein jedoch
unzuverlässig und liefern keine einwandfreien Daten.
Ein zweites bekanntes Verfahren arbeitet mit einer sehr
empfindlichen und teuren Einrichtung zur Messung des Seiten- und des Anstellwinkels des am Schiff liegenden
Stream8rendes. Diese Daten werden mit entlang dem Streamer aufgenommenen Magnetkompaß-Ablesungen und der bekannten Tiefe des Streamers kombiniert und gestatten
dadurch, die Hydröphonorte empirisch zu berechnen.
Die Erfindung bezweckt daher die Schaffung einer Einrichtung und eines Verfahrens, mit denen die Lage eines
unter Uasser befindlichen Streamers ermittelt werden kann und die die Nachteile der bekannten Verfahren und
Einrichtungen v/ermeiden. Zur Lösung dieser Aufgabe wird
• · * ΐ
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eine Einrichtung gamäß Anspruch 1 geschaffen; ein Verfahren
zur Ortung ist in Anspruch 7 bestimmt.
Im einzelnen betrifft die Erfindung eine Einrichtung, die
zur Ortung eines unter der Wasseroberfläche befindlichen,
hinter einem Fleßschiff geschleppten Streamers benutzt
werden kann. Diese Einrichtung umfaßt: Mittel zur Auslösung eines akustischen Befehlsignals vom Schiff, uenigstens
drei räumlich verteilt an bekannten Orten auf dem Meeresboden angeordnete Transponder, mit verechiedanen,
akustischen Uegen zum Schiff und zum Streamer, wobei jeder
der Transponder auf das Befehlsignal vom Schiff durch Abgabe akustischer Pulse antuorten kann, die unterscheidbar
verschiedene Frequenzen haben, eine vom Streamer getragene Mehrzahl von mit Abstand zueinander liegende
Empfänger, die die verschiedenen, von den Transpondern emittierten, akustischen Pulse empfangen und
einzeln die verschiedenen Signale entlang dem Streamer nach dem Schiff aufgrund der akustischen Pulse übertragen
können, einen Schiffsempfänger, der die verschiedenen
akustischen, von den Transpondern abgegebenen Pulse empfangen und unterscheiden kann, und Mittel zum
Messen des Zeitintervalls von der Auslösung des Befehlssignals bis zum Empfang der von den auseinanderliegenden,
im Streamer angeordneten Empfänger übertragenen Signale und des Zeitintervalls von der Auslösung des
Befehlssignals bie zum Empfang der Pulse von den Transpondern durch den Schiffsempfänger.
Vorzugsweise uerden die Transponder in einer von einer Aufreihung abweichenden Beziehung aufgestellt, und jedem
Streamerempfänger ist ein gesonderter, im Streamer untergebrachter Kanal zur Übertragung der Signale nach
dem Schiff zugeordnet. Die Empfänger können entweder
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aktiv oder passiv sain, sind aber vorzugsweise passiv,
um Gewicht und Kosten auf ein Minimum zu bringen. Die
Einrichtung kann weiter Mittel zur Messung der Schiffsgeschwindigkeit
mit Bezug auf dia Transponder-Anordnung aufweisen, die auf dam Meeresboden angeordnet ist. Diese
Mittal zur Messung der Schiffsgeschwindigkeit können eine
Einrichtung zur Messung der Doppler-Uerschiebung in der
Frequenz der Pulse aufweisen, die durch die Transponder
erzeugt werden.
Die Vorzüge und Merkmale der Erfindung argeben sich auch
aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung,
in denen die Erfindung beispielsweise erläutert und dargestellt ist. Es zeigen:
Fig. 1 eine Transponder-Anordnung in Beziehung,zu einem
an dar Oberfläche fahrenden Meßschiff, das einen marinen Streamer schleppt und ;.- .
Fig. 2 schematisch die Uirkung der Schiffsbewegüng auf
die akustischen biege zwischen dem Schiff .und einem Transponder. . V .
Die Erfindung erfordert die Anordnung mehrerer akustischer
Transponder auf oder in der Nähe das Meeresbodens. Vorzugsweise werden die Transponder auf den Meeresboden in
einer nicht linearen Anordnung gesetzt, dia wenigstens drei Transponder ja Anordnung umfaßt. Dia Transponder
einar gegebenen Dreiergruppe sind vorzugsweise mit. ge- -..,"-nügandem
Abstand voneinander angeordnet, damit in einer
gegebenen Uassertiefe ausreichende Abstände gegenüber dem
Schiff und dem Streamar-E mpfanger bestehen· Da die Erfindung mit der Ortung von Schiff und Streamer gegenüber
einer gegebenen Aufstallung und nicht mit der Festlegung der tatsächlichen geographischen Lage befaßt ist, kann
die letztere Beziehung aus der Kenntnis der Lage der
Transponder abgeleitet werden· Hierfür sind verschiedene
• * Φ Λ
J-
- te -
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Verfahren bekannt, mit denen die Lage der Transponder
bestimmt und abgestimmt werden kann, so daß eine nähere Erläuterung sich hier erübrigt.
In Fig. 1 ist eine Einzelaufstellung von drei akustischen
Transpondern 10, 12 und 14 dargestellt, die auf dem Meeresboden 16 angeordnet sind. Ein Meßschiff 18 an
der Meeresoberfläche schleppt einen Streamer 20.
Transponder dar hier benötigten Art sind im Handel erhältlich
und weisen gewöhnlich eine Bodenplatte 22 auf, die auf dem Meeresboden ruht, sowie ein Kabel 24, das
an der Bodenplatte 22 und am Körper 26 des Transponders befestigt ist. Ein Schwimmer 28 ist mit dem Körper
26 des Transponders mittels eines Kabels 30 befestigt und hält den Transponderkörper 26 in einer durch die
Länge des Kabels 24 bestimmten Höhe über dem Meeresboden. Der Schwimmer 28 bildet auch ein Mittel zum Wiederfinden,
falls das Kabel 24 durchtrennt ist.
Das Schiff 18 ist mit einer akustischen Sende- und Empfangseinrichtung
32 ausgerüstet, die durch das Wasser nach den Transpondern akustische Befehls- oder Abfragesignale
aussendet und umgekehrt von den Transpondern Antwortsignale empfängt. Vorzugsweise antworten alle
Transponder in der Anordnung auf ein einzelnes, von der Schiffseinrichtung 32 ausgesandtes Frequenzssignal.
Es können auch codierte Signale erzeugt werden, um die Transponder, falls erwünscht, vom Schiff aus einzeln
zu betätigen.
Der marine Streamer 20 wird unter der Wasserfläche mittels mehrerer, üblicher und hier nicht gezeigter Tiefen-Steuerungen
gehalten und enthält gewöhnlich nicht gezeigte Hydrophone und nicht gezeigte Tiefensensoren, die vom
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Schiff entsprechend abgefragt werden können.
Zusätzlich enthält der Streamer auch mehrere akustische
Empfänger 34, die über seine Längserstreckung verteilt liegen. Die Empfänger 34 können die von den Transpondern
erzeugten Signale wahrnehmen und identifizierbare Antwortsignale entlang dam Streamer nach dem Schiff übertragen.
Gewöhnlich hat der Streamer Einzelkanäle, die von jedem Empfänger nach dem Schiff zur Übertragung der
Information führen. Obwohl die Empfänger aktiv oder an eine Energiequelle angeschlossen sein können, werden
vorzugsweise passive Empfänger verwendet.
Zur Bestimmung der Orte der Empfänger 34 und damit der
Streamerlage wird die akustische Sende- und Empfangseinrichtung 32 des Schiffes ausgelöst, um ein akustisches Befehlssignal auszusenden. Aufgrund des Empfangs
des Signals und nach der Verzögerung in der Übertragung
durch das Wasser überträgt jeder Transponder einen akustischen Puls in einer unterscheidbaren Frequenz* Diese
Pulse werden von der Einrichtung 32 und durch die akustischen
Empfänger 34 aufgenommen, die im Streamer unter-!·
gebracht sind. Der Übersichtlichkeit halber sind in, Fig. 1 in punktierten Linien nur die akustischen Laufuege
von der Einrichtung 32 nach den Transpondern und
zurück und einem einzelnen Empfänger im Streamer dargestellt. Entsprechende Wege sind jedoch für jeden der
im Streamer vorhandenen Empfänger zu zeichhen. Die Pfeile
I1, I2 und I3 stellen den Befehlspuls dar, der entläng
der punktierten Linien vom Schiff nach den Transpondern
läuft, die Pfeile R1, Ro und R3 stellen die entsprechenden
Pulse von den Transpondern nach dem Schiff dar und
die Pfeile R^, R'2 und R'3 die Pulslaufwege nach den
im Streamer untergebrachten Empfängern. Da die räumliche Anordnung der Transponder auf dem Meeresboden und
die Schallgaschuindigkait durch das Wasser bekannt sind,
kann die Lage der Empfänger aus der Kenntnis der Laufzeit,
die jeder Puls von dem entsprechenden Transponder braucht, berechnet uerden.
An Bord des Schiffes sind entsprechende Mittel vorgesehen,
um die Zeitspanne zwischen der Aussendung des Befehls-. signals und dem Empfang der Pulse von den Transpondern
und den Empfängern zu messen.
In Fig. 2 ist ein einzelnes, entlang der Oberfläche fahrendes
Schiff zur Zeit TQ und einer nachfolgenden Zeit T- dargestellt. Die Sende- und Empfangseinrichtung 32
des Schiffes verursacht zur Zeit TQ einen Puls, der in
einer geraden Linie entlang dem eingezeichneten Weg nach dem Transponder läuft. Nach Empfang des Signals zur Zeit
T . überträgt der Transponder einen Puls, der durch die Einrichtung im Schiff zur Zeit T1 aufgenommen u/ird.
Aus der Fig. 1 ist abzuleiten, daß die Zeit T . gegeben ist durch die Formel:
Hierin ist ν die Geschwindigkeit des Schiffes mit Bezug auf den Transponder und c die Laufgeschwindigkeit der
akustischen Pulse.
Das Verhältnis ^r kann auf verschiedene Weise bestimmt
uerden. Ein bevorzugtes Verfahren beruht auf der Messung der Doppler-Verschiebung in der vom Transponder empfangenen
Frequenz, Natürlich müssen* um die Geschwindigkeit in dieser Weise zu bestimmen, die Transponder Pulse in
sehr stabilen Frequenzen erzeugen und der Schiffs-
empfänger muß die scheinbare Änderung in der Frequenz
messen können.
Das Verhältnis kann auch aus dem Ausmaß der Entfernungsänderung
in der Richtung der Transponder und dem Schiff
gemessen werden. Diese Entfernungsänderung kann aus der Kenntnis des Schiffsorts und der Geschwindigkeit mit Bezug auf die Transponder bestimmt werden.
Das Verhältnis ^ ist bei üblichen Schiffsgeschwindigkeiten
während seismischer Arbeiten gewöhnlich geringer als
0,002, da^v etwa 3 m/s unc c etwa 1500 m/s beträgt. Falls
dann der — -Ausdruck vernachlässigt wird, ergibt sich
"d = V+
Der Fehler ist hier weniger als 0,2 %, Ein Fehler dieser
Größe ist annehmbar bei Fleerestiefen, die bei gewissen
seismischen Arbeiten für Erdöl-Aufschlußarbeiten vorhanden sind.
Die Kenntnis der Zeit T. für die Auslösung der Pulse von den Transpondern und die gemessene Zeit der Pülsuahrneh*-
mung durch die Empfänger im Streamer, wie sie auf das
Schiff übertragen werden, ermöglicht die Berechnung der
Entfernung von jedem Transponder nach jedem Empfänger.
Diese Entfernungen können dann für eine Triangulation
benutzt werden, die für jeden Empfänger in einem Streamer
den Ort zur Meßzeit angibt, wobei entweder ein Bordcomputer benutzt oder die Rechnung später in einem
Rechenzentrum aufgrund der Aufzeichnungen ausgeführt werden kann. ■ - .
A η s ρ r ü c h e
L e e r s θ i t θ
Claims (1)
- An s ρ r ü ch a( 1.!Einrichtung zur Ortsbestimmung sines von einem Meß- ^^ schiff unter der Wasseroberfläche geschleppten marinen Streamers, gekennzeichnet durchMittel (32) zur Auslösung eines akustischen Befehlssignals vom Schiff (18),wenigstens drei Transponder (10, 12, 14), die im räumlichen Abstand an bekannten Orten auf dem Meeresboden (16) angeordnet sind und unterscheidbare akustische Uege zum Schiff und Streamer (20) liefern, wobei jeder Transponder auf das Befehlssignal vom Schiff durch Abgabe akustischer Pulse unterscheidbar verschiedener Frequenzen antuorten kann,eine Mehrzahl vom Streamer (20) mit Abstand zueinander gehaltener Empfänger (34), die die von den Transpondern ausgesandten verschiedenen Signale empfangen und einzeln jeweils ein unterscheidbares Signal entlang dem Streamer nach dem Schiff aufgrund der Pulse übertragen können,ein Schiffsempfänger (32), der die verschiedenen Schallschwingungspulse, die von den Transpondern abgegeben werden, empfangen und unterscheiden kann, undMittel zum Messen des Zeitintervalls von der Auslösung des Befehlssignals bis zum Empfang der Signale, die von den entlang dem Streamer verteilten Empfängern übertragen worden sind, und des Zeitintervalls von der Auslösung des Befehlssignals bis zum Empfang der Pulse durch den Empfänger am Schiff.2„ Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transponder^10, 12, 14) eine von einer geraden Aufreihung abweichende Lagebeziehung zueinander haben.3. Einrichtung nach-Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfänger (34) passiv sind.4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Streamerempfänger (34) an einen gesonderten Kanal im Streamer für die Übertragung der Signale nach dem Schiff angeschlossen sind.5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Rittal zur Messung der Schiffsgeschwindigkeit gegenüber den Transpondern (10, 12, 14).6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Messung der Schiffsgeschwindigkeit Mittel enthalten, mit denen die Doppler-Verschiebung in der Frequenz der von den Transpondern erzeugten Pulse gemessen wird.7. Verfahren zur Bestimmung des Ortes eines von einem Meßschiff geschleppten, unter Uasser befindlichen marinen Streamers, gekennzeichnet durchErzeugung eines akustischen Befehlssignals am Schiff,Aufnahme des akustischen Befehlssignals durch mindestens drei mit Abstand zueinander an bekannten Orten des Meeresbodens aufgestellten Transpondern, die auf das akustische Befehlssignal durch Abgabe akustischer Pulse von unterscheidbar verschiedenen Frequenzen antuorten,Aufnahme der akustischen Antuortpulse der Transponder mit einer Mehrzahl von mit Abstand zueinander vom Streamer "gehaltener Empfänger, die unterscheidbare Signale entlang dem Streamer nach dem Schiff aufgrund der Pulse übertragen,* ft Λ ψ4· O 0Aufnahme und Identifizierung der akustischen Transponder-Pulse auf dem Schiff undMessung des Zeitintervalls von der Erzeugung des akustischen Befehlssignals bis zum Empfang der von den Empfängern entlang dem Streamer übertragenen Signale und des ZeitintBrvalls von der Erzeugung des Befehlssignals bis zum Empfang der Pulse am Schiff.8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Messung der Doppler-Uerschiebung in der Frequenz der von den Transpondern ausgesandten Pulse.
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