DE3149162C2 - - Google Patents
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Description
Anordnung zur Ortsbestimmung eines von einem Schiff unter der
Wasseroberfläche geschleppten seismischen Streamers.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Ortsbestimmung
eines von einem Schiff unter der Wasseroberfläche geschleppten
seismischen Streamers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei marinen-seismischen Aufschlußarbeiten wird häufig von einem
Schiff ein seismischer Streamer geschleppt, der eine Mehrzahl von
druckempfindlichen Detektoren enthält, die allgemein als Hydrophone
bezeichnet werden. Eine Quelle seismischer Energie, z. B.
ein Luftpulser oder eine Sprengstoffladung, wird benutzt, um
durch das Wasser hindurch 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 Druckschwankungen
in dem umgebenden Wasser wahrgenommen. Die mechanische
Energie dieser Druckschwankungen wird durch die Hydrophone in ein
elektrisches Signal umgewandelt und durch den Streamer zu einer
Aufzeichnungseinrichtung an Bord des Schiffes übertragen. Die gesammelten
Daten können dann durch Fachleute interpretiert werden,
die daraus Informationen über die geologischen Formationen unter
dem Meer ableiten können.
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 mehrere tausend
Meter hinter dem Schiff erstrecken kann, ist eine genaue Ortsangabe
für die Streamer-Hydrophone schwierig.
Es sind verschiedene Systeme entwickelt worden, um genaue Informationen
über den jeweiligen Ort des Schiffes zu liefern. In
einer üblichen Anwendung erzeugen mehrere Unterwasser-Transponder
bestimmte Ausgangsfrequenz-Signale in Beantwortung eines Abfragesignals
vom Schiff. Die Übermittlungszeit für das Abfragesignal
und das Antwortsignal des Transponders wird 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 Schleppen eines Streamers unmittelbar in Kiellinie des
Schiffes ist jedoch selten. Der Streamer ist zwar an das Heck
des Schiffes angeschlossen, die Masse des Streamers ist aber im
Wasser eingetaucht unter der Oberfläche aufgrund der Wirkung von
Tiefensteuerungen, die entlang des Streamers angeordnet sind.
Aufgrund dessen kann die Geschwindigkeit einer Querversetzungs-
Strömung in der Tiefe des Streamers sich von der auf das Schiff
wirkenden Querversetzung unterscheiden, so daß der Streamer im
Winkel zum Kurs des Schiffes geschleppt wird. Auch noch weitere,
hier nicht aufzuführenden Faktoren können dazu beitragen, daß
der Weg des Streamers eine Abweichung gegenüber dem des Schiffes
zeigt.
Ein bekanntes Verfahren zur Bestimmung des Streamerortes beruht
darauf, daß am Ende des Streamers als Schwanzboje ein Radarreflektor
angeordnet wird. 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 Streamerendes. Diese Daten
werden mit entlang dem Streamer aufgenommenen Magnetkompaß-
Ablesungen und der bekannten Tiefe des Streamers kombiniert und
gestatten dadurch, die Hydrophonorte empirisch zu berechnen.
Aus der US 41 87 492 ist eine Anordnung zur Ortsbestimmung einer
von einem Schiff unter der Wasseroberfläche geschleppten seismischen
Streamers bekannt, der mehrere in unterschiedlichen Längslagen
angeordnete seismische Empfänger enthält, die Drucksignale
in elektrische Ausgangssignale wandeln. Auch die Sender,
die mehrere akustische Signale unterschiedlicher Frequenz in das
Wasser abgehen können, sind hierbei in dem Streamer angeordnet.
Mit dieser Anordnung kann zwar die relative Position der einzelnen
Streamerstränge untereinander erfaßt werden, es fehlt
jedoch ein Bezug zum Untergrund.
Aus der US 42 29 809 ist schließlich eine Anordnung zur Feststellung
des Orts eines unter Wasser geschleppten Objektes bekannt,
bei der Transponder auf dem Meeresboden zum Empfang und
zur Aussendung von Telemetriesignalen verwendet sind, die sowohl
von einem Empfänger in dem Objekt, das ebenfalls einen
Transponder aufweist, als auch von einem Empfänger auf dem
Schiff detektierbar sind.
Die gleichzeitige Erfassung des Ortes einer Vielzahl von Empfängern
auf einem Streamer ist nicht vorgesehen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ausgehend von
der US 41 87 492, eine Anordnung zur Ortsbestimmung eines von
einem Schiff geschleppten Streamers anzugeben, die die Nachteile
bekannter Anordnungen vermeidet und
eine genaue Lokalisation des Verlaufs des Streamers bezüglich
des Untergrundes gestattet.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung
gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich
aus den Unteransprüchen. In der nachfolgenden Beschreibung wird
die Erfindung beispielsweise anhand von Figuren erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 eine Transponder-Anordnung in Beziehung zu einem
an der Oberfläche fahrenden Meßschiff, das einen
marinen Streamer schleppt und
Fig. 2 schematisch die Wirkung der Schiffsbewegung auf
die akustischen Wege zwischen dem Schiff und
einem Transponder.
Die Transponder werden auf den Meeresboden in
einer nichtlinaren Anordnung gesetzt, die wenigstens
drei Transponder je Anordnung umfaßt. Die Transponder
einer gegebenen Dreiergruppe sind mit genügendem
Abstand voneinander angeordnet, damit in einer
gegebenen Wassertiefe ausreichende Abstände gegenüber dem
Schiff und dem Streamer-Empfänger bestehen. Da die Erfindung
mit der Ortung von Schiff und Streamer gegenüber
einer gegebenen Aufstellung 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
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 der 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 Frequenzsignal.
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
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 dem 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 untergebracht
sind. Der Übersichtlichkeit halber sind in
Fig. 1 in punktierten Linien nur die akustischen Laufwege
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 zeichnen. Die Pfeile
I₁, I₂ und I₃ stellen den Befehlspuls dar, der entlang
der punktierten Linien vom Schiff nach den Transpondern
läuft, die Pfeile R₁, R₂ und R₃ stellen die entsprechenden
Pulse von den Transpondern nach dem Schiff dar und
die Pfeile R′₁, R′₂ und R′₃ die Pulslaufwege nach den
im Streamer untergebrachten Empfängern. Da die räumliche
Anordnung der Transponder auf dem Meeresboden und
die Schallgeschwindigkeit im Wasser bekannt sind,
kann die Lage der Empfänger aus der Kenntnis der Laufzeit,
die jeder Puls von dem entsprechenden Transponder
braucht, berechnet werden.
An Bord des Schiffes sind entsprechende Mittel vorgesehen,
um die Zeitspanne zwischen der Aussendung des Befehlssignals
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 T₀ und einer nachfolgenden Zeit
T₁ dargestellt. Die Sende- und Empfangseinrichtung 32
des Schiffes verursacht zur Zeit T₀ einen Puls, der in
einer geraden Linie entlang dem eingezeichneten Weg nach
dem Transponder läuft. Nach Empfang des Signals zur Zeit
T d überträgt der Transponder einen Puls, der durch die
Einrichtung im Schiff zur Zeit T₁ aufgenommen wird.
Aus der Fig. 1 ist abzuleiten, daß die Zeit T d gegeben
ist durch die Formel:
Hierin sind die Geschwindigkeit des Schiffes mit Bezug
auf den Transponder und c die Schallgeschwindigkeit
im Wasser.
Das Verhältnis kann auf verschiedene Weise bestimmt
werden. Ein 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 Schiffsempfänger
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 etwa 3 m/s und c etwa 1500 m/s beträgt. Falls
dann der vernachlässigt wird, ergibt sich
Der Fehler hier weniger als 0,2%. Ein Fehler dieser
Größe ist annehmbar bei Meerestiefen, die bei gewissen
seismischen Arbeiten für Erdöl-Aufschlußarbeiten vorhanden
sind.
Die Kenntnis der Zeit T d für die Auslösung der Pulse von
den Transpondern und die gemessene Zeit der Pulswahrnehmung
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.
Claims (6)
1. Anordnung zur Ortsbestimmung eines von einem Schiff unter
der Wasseroberfläche geschleppten seismischen Streamers (20),
der mehrere in unterschiedlichen Längslagen angeordnete seismische
Empfänger (34), die Drucksignale in elektrische Ausgangssignale
wandeln, enthält, mit mehreren akustische Signale
unterschiedlicher Frequenz in das Wasser abgeben könnenden
Schallsendern (10, 12, 14), die mittels Befehlssignalen
von Bord des Schiffes aus auslösbar sind,
mit einer Einrichtung an Bord des Schiffes, der die elektrischen Ausgangssignale der Empfänger (34) zugeführt sind, sowie mit einer Auswerteeinheit zur Bestimmung der Position des Streamers in Verbindung mit einer selektiven Ermittlung der Schallaufzeiten zwischen den Schallsendern und den Empfängern, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schallsender durch mindestens drei an unterschiedlichen bekannten Orten des Gewässergrundes plazierte Transponder (10, 12, 14) verkörpert sind,
daß die die Transponder (10, 12, 14) zur Abgabe der akustischen Signale unterschiedlicher Frequenz veranlassenden Befehlssignale akustischer Befehlssignale sind,
daß zusätzlich zu den Empfängern (34) des Streamers (20) ein schiffsfester weiterer Empfänger (32) vorgesehen ist, der die von den Transpondern (10, 12, 14) ausgesandten akustischen Signale erfaßt und in elektrischen Ausgangssignale wandelt,
und daß die Auswerteeinheit auch zur Verarbeitung der Schallaufzeiten zwischen den Transpondern (10, 12, 14) und dem weiteren Empfänger (32) ausgelegt ist.
mit einer Einrichtung an Bord des Schiffes, der die elektrischen Ausgangssignale der Empfänger (34) zugeführt sind, sowie mit einer Auswerteeinheit zur Bestimmung der Position des Streamers in Verbindung mit einer selektiven Ermittlung der Schallaufzeiten zwischen den Schallsendern und den Empfängern, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schallsender durch mindestens drei an unterschiedlichen bekannten Orten des Gewässergrundes plazierte Transponder (10, 12, 14) verkörpert sind,
daß die die Transponder (10, 12, 14) zur Abgabe der akustischen Signale unterschiedlicher Frequenz veranlassenden Befehlssignale akustischer Befehlssignale sind,
daß zusätzlich zu den Empfängern (34) des Streamers (20) ein schiffsfester weiterer Empfänger (32) vorgesehen ist, der die von den Transpondern (10, 12, 14) ausgesandten akustischen Signale erfaßt und in elektrischen Ausgangssignale wandelt,
und daß die Auswerteeinheit auch zur Verarbeitung der Schallaufzeiten zwischen den Transpondern (10, 12, 14) und dem weiteren Empfänger (32) ausgelegt ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Transponder (10, 12, 14) eine von einer geraden Linie abweichende
Lage zueinander aufweisen.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Empfänger (34) passiv sind.
4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß jeder Empfänger (34) des
Streamers (20) an einen gesonderten Kanal im Streamer angeschlossen
ist.
5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet
durch eine Einrichtung zur Messung der Schiffsgeschwindigkeit
gegenüber den Transpondern (10, 12, 14).
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Einrichtung zur Messung der Schiffsgeschwindigkeit Mittel
enthält, mit denen die Doppler-Verschiebung in der Frequenz
der von den Transpondern erzeugten Pulse meßbar ist.
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