DK161266B - Fremgangsmaade og apparat til positionsbestemmelse af et marint hydrofonkabel - Google Patents

Description

DK 161266 B

Opfindelsen angår i hovedsagen marine seismiske undersøgelser, og nærmere betegnet en fremgangsmåde til bestemmelse af positionen af et neddykket marint hydro-fonkabel, der slæbes af et undersøgelsesfartøj, ved 5 hvilken der anbringes mindst tre transpondere på kendte, indbyrdes adskilte steder på havbunden, hvor et marint seismisk hydrofonkabel slæbes af et undersøgelsesfartøj i søen hovedsageligt over de nævnte transpondere, hvor der frembringes et akustisk kommandosignal fra 10 fartøjet på periodisk basis, hvor det akustiske kommandosignal modtages af hver af de mindst tre transpondere, og hvor der som reaktion på det akustiske kommandosignal frembringes et tydeligt skelneligt akustisk signal fra hver af transponderne, hvor hvert af transpon-15 dernes akustiske svarsignaler detekteres i fartøjets modtager, hvor hvert af transpondernes akustiske svarsignaler detekteres i et antal modtagere, som er anbragt indbyrdes adskilt langs hydrofonkablet, hvor der videresendes et tydeligt signal langs hydrofonkab-,20 let som reaktion på hvert af de detekterede signaler til registrering af dette på fartøjet, og hvor der foretages en separat registrering af hvert af transpondernes akustiske signaler på fartøjet, og hvor der foretages en måling af tidsintervallerne fra frembringel-25 se af kommandosignalet til modtagelse af hvert af transpondernes akustiske signaler i mindst én modtager på fartøjet.

Ved marin seismisk prospektering slæber et undersøgelsesfartøj et seismisk hydrofonkabel med et an-30 tal trykfølsomme detektorer, der i almindelighed benævnes hydrofoner. En seismisk energikilde, såsom en luftkanon eller en sprængladning anvendes til at frembringe trykbølger gennem vandet og ned i den underliggende havbund. En del af energien vil blive reflekteret af 35 geologiske diskontinuiteter under bunden og detekteres derefter af hydrofonerne som trykvariationer i det om-

2 DK 161266 B

givende vand. Disse trykvariationers mekaniske energi omdannes til et elektrisk signal af hydrofonerne og transmitteres gennem hydrofonkablet til et registreringsapparat om bord på fartøjet. De opsamlede data kan 5 derefter fortolkes af fagfolk til at give oplysninger om geologiske formationer under vandet.

For at signalerne skal have mening, er det nødvendigt at kende placeringen af de individuelle hydro-foner på det tidspunkt, hvor trykbølgerne detekteres.

10 Eftersom fartøjet bevæger sig kontinuerligt, og eftersom hydrofonkablet kan strække sig tusinder af fod efter fartøjet, er nøjagtig positionsbestemmelse af hydrof onerne vanskelig.

Der er blevet udviklet forskellige systemer til 15 at give nøjagtige informationer om fartøjets position.

Ved et almindeligt anvendt system frembringer et antal undervandstranspondere signaler med en særlig udgangsfrekvens som svar på et spørgesignal fra skibet. Transporttiden for spørgesignalet og transponderens svarsi'g-20 nal måles, og afstanden eller området fra hver transponder beregnes. Fartøjets position i forhold til transponderne kan derefter trianguleres, såfremt transpondernes position er kendt.

Det er imidlertid sjældent, at hydrofonkablet 25 føres direkte langs med fartøjets vej. Selvom hydrofonkablet er fastgjort til fartøjets agterstavn, er det meste af hydrofonkablet nedsænket under vandoverfladen under påvirkning fra dybderegulatorer langs med hydro-fonkablets længde. Som et resultat heraf kan tvær-30 strømshastigheden ved hydrofonkabeldybden adskille sig fra den tværstrøm, der påvirker fartøjet, og derved få hydrofonkablet til at strække sig ud i en vinkel fra fartøjets kurs. Andre faktorer, som det ikke skulle være nødvendigt at opremse, kan også skabe en variation i 35 hydrofonkablets vej i forhold til fartøjets kurs.

En kendt fremgangsmåde til at skønne positionen af hydrofonkablet beror på udsætning af en halebøje- 3 radar-reflektor, der er anbragt ved hydrofonkablets ende. Radarsystemer om bord kan derefter under optimale søbetingelser anvendes til at finde hydrofonkablets ende, og positionen af de enkelte hydrofoner interpolere-5 res. Sådanne systemer er imidlertid i almindelighed upålidelige og gør de fornødne data tvivlsomme.

En anden kendt metode anvender et meget følsomt og kostbart apparatur til at måle girings- og duvnings-vinklerne for den ende af hydrofonkablet, der er op til 10 fartøjet. Disse data gør det sammen med magnetkompasaflæsninger taget langs med hydrofonkablet og hydrofonkablets kendte dybde muligt at beregne hydrofonpositio-nerne empirisk.

Fra amerikansk patentskrift nr. 4 229 809 kendes 15 et apparat til bestemmelse af positionen af en neddykket enhed, der er tøjret til et overfladefartøj, i forhold til dette. Dette sker ved, at en kalde-modtagerenhed på overfladefartøjet udsender en akustisk impuls, der fremkalder svarimpuler med skelnelige bære-•20 bølger fra to bundplacerede respondere og fra en transponder-modtager på den tøjrede enhed. Svarimpulser modtages dels fra alle transponderne af fartøjets akustiske modtager og dels fra bundtransponderne af den tøjrede enheds modtager. Derpå beregnes den neddykkede 25 enheds position udfra en række målinger på grundlag af tidsforskellen mellem impulserne fra: (1) fartøjet til bundtransponderne, (2) fartøjet til den neddykkede enhed, (3) bundtransponderne til den neddykkede enhed og (4) alle disse signalers tilbagekomst.

30 Den foreliggende opfindelse har til formål at tilvejebringe en fremgangsmåde og et apparat til nøjagtig lokalisering af et neddykket hydrofonkabel, som trækkes af et undersøgelsesfartøj, på enkel og økonomisk måde og med en hurtig reaktionstid.

35 Dette opnås med en fremgangsmåde af den indled ningsvis omhandlede art, som ifølge opfindelsen er

4 DK 161266 B

ejendommelig ved, at afstanden mellem hver af hydrofon-kabelmodtagerne og hver af de kendte positioner af transponderne beregnes ved, at hastigheden af den nævnte mindst ene fartøjsmodtager i forhold til hver af 5 transponderne bestemmes ved beregning af afstands-ændringshastigheden fra en akustisk respons fra transponderne, og at tidsintervallerne fra frembringelsen af transpondernes akustiske svarsignaler til modtagelse af hvert af de nævnte svarsignaler, som videresendes fra 10 de adskilte modtagere langs hydrofonkablet, måles.

Ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen opnås en enkel og præcis positionsbestemmelse ved fra en akustisk kilde at kalde et sæt på mindst tre fast placerede transpondere. Disse svarer hver især med et signal 15 med sin egen frekvens, som opfanges af en modtager på hydrofonkablet. Der sendes kun én impuls til og modtages kun én impuls fra hver af bundtransponderne i modsætning til ved systemet ifølge US patentskrift nr.

4 229 809, der anvender en kompleks række signaludsen-20 delser.

Endvidere beregnes ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen hastigheden og positionsændringen mellem den akustiske kilde og transponderne på havbunden. I systemet ifølge opfindelsen kan der benyttes et seismisk un-25 dersøgelsesfartøj', som sejler med en hastighed på 4-5 knob til at trække hydrofonkablet. Ved denne hastighed er kablets positionsforskel mere udpræget, og det skal tages i betragtning til tilvejebringelse af meget nøjagtige målinger. Ved den kendte teknik beregnes ha-30 stigheden eller positionsændringen af hydrofonkablet af forskellige praktiske grunde ikke. F.eks. bevæger træk-fartøjet sig med lavere hastigheder, hvilket indebærer, at korrektionsfaktoren er mindre betydende, og målenøj-agtigheden er ikke så nødvendig ved den type arbejde, 35 dvs. rekognosceringsinspektioner, ikke lokalisering af potentielle olieboresteder eller detaljerede struktur- 5

DK 161266 B

kortlægninger med høj opløsning. Endvidere udsættes trækfartøjet for en mere tilfældig og mindre retlinjet manøvrering, således at en beregning af hastighed og positionsændring ikke ville være gennemførlig.

5 Derudover indebærer det kendte system en mere komplex målemetode, men ikke en beregning af et hydro-fonkabels hastighed og positionsændringer, hvilket er væsentligt for den foreliggende opfindelse.

Denne angår også et apparat til brug ved bestem-10 melse af positionen af et nedsænket marint hydrofonka-bel, som slæbes gennem søen af et undersøgelsesfartøj, i forhold til et antal kendte geografiske steder på havbunden, omfattende midler til initiering af et akustisk kommandosignal fra fartøjet, mens det bevæger sig 15 gennem søen, mindst tre transpondere, som er rumligt placeret på kendte positioner på havbunden til tilvejebringelse af tydelige akustiske baner til fartøjet og hydrofonkablet, som slæbes af fartøjet, idet hver af transponderne er i stand til at reagere på et eneste 20 kommandosignal fra fartøjet ved udsendelse af akustiske signaler med en frekvens, der er tydeligt forskellig i forhold til hver af de andre transpondere, et antal indbyrdes adskilte modtagere, som bæres af hydrofonkablet, og som hver især er i stand til at modtage de 25 forskellige frekvenser for akustiske signaler, som udsendes af hver transponder, og som hver især individuelt videresender et tydeligt signal langs hydrofonkablet til fartøjet, som er repræsentativt for hvert af de modtagne signaler, mindst én fartøjsmodtager, som er i 30 stand til at modtage og skelne mellem de forskellige frekvenser, som udsendes fra transponderne, midler til registrering af tidsintervallet mellem initieringen af kommandosignalet til modtagelse af et signal fra hver af transponderne i fartøjsmodtageren, hvilket apparat 35 til muliggørelse af de forannævnte tekniske fordele på en enkel måde er ejendommeligt ved, at der findes et 6

DK 161266 B

organ til bestemmelse af fartøjsmodtagerens hastighed i forhold til hver af transponderne, således at afstanden mellem hver af hydrofonkabelmodtagerne og hver af transpondernes kendte positioner kan beregnes.

5 Opfindelsen beskrives nærmere under henvisning til de medfølgende tegninger, hvori fig. 1 viser en transponderrække sammen med et undersøgelsesfartøj, der slæber en marin slæbewire, og fig. 2 virkningen af fartøjsbevægelser på de 10 akustiske veje mellem fartøj og transponder.

Den omhandlede opfindelse kræver anbringelse af et antal akustiske transpondere på eller tæt ved havbunden. Transponderne vil fortrinsvis være anbragt på havbunden i ikke-lineære mønstre med mindst tre tran-15 spondere pr. mønster. Hver transponder i en given triplet er fortrinsvis anbragt i en tilstrækkelig afstand fra de cindre til opnåelse af en passende afstand til skibet og slæbewiremodtagerne i en given vanddybde. Den omhandlede opfindelse angår positionsbestemmelse af far-20 tøjet og slæbewiren i forhold til et givet mønster og ikke i forhold til den faktiske geografiske position, idet denne sidste kan etableres ud fra kendskab til transponderpositionen. Velkendte fremgangsmåder er beskrevet i litteraturen til bestemmelse af transponder-25 positionen og kalibreringen og omtales derfor ikke her.

X fig. 1 i tegningerne vises et enkelt mønster af tre akustiske transpondere, der er betegnet 10, 12 og 14, og som er anbragt på havbunden 16. Et undersøgelsesskib 18 er vist på overfladen slæbende en slæ-30 bewire 20.

Transpondere af den type, der kræves, er kommercielt tilgængelige og omfatter normalten bundplade 22, der hviler på havbunden, og et kabel 24, der er fæstnet mellem bundpladen 22 og et transponderhus 26.

35 En flyder 28 er forbundet til transponderhuset 26 ved hjælp af et kabel 30 og holder transponderhuset i en højde over havbunden, der bestemmes af længden af kablet 24. Flyderen 28 giver også mulighed for bjergning, såfremt kablet 24 brydes.

7

DK 161266 B

Fartøjet 18 er udstyret med en akustisk transceiver 32 til afsendelse af akustiske kalde- eller spørgesignaler gennem vandet til transponderne og modtagelse af svarsignaler derfra. Transponderne i mønstret 5 vil fortrinsvis reagere på et enkelt frekvenssignal, der afsendes af fartøjets transceiver. Imidlertid kan der om ønsket frembringes kodede signaler fra fartøjet til at aktivere de enkelte transpondere.

Den marine slæbewire 20 er nedsænket under hav-10 overfladen af et antal konventionelle dybderegulatorer (ikke vist) og vil normalt indeholde hydrofoner (ikke vist) og dybdemålere (ikke vist), der kan opkaldes fra fartøjet til opnåelse af oplysninger.

Derudover vil slæbewiren også indeholde et antal 15 akustiske modtagere 34, der er anbragt i afstand langs med slæbewirens længde. Modtagerne 34 er i stand til at detektere de signaler, der frembringes af transponderne, og transmittere identificerbare svar langs med slæbeviren til fartøjet. Normalt vil slæbeviren have sær-,20 lige kanaler, der fører fra hver modtager til fartøjet, til at transmittere informationen. Skønt modtagerne kan være aktive eller strømfødede, foretrækkes det dog, at modtagerne er passive.

Til bestemmelse af positionen af modtagerne 34 25 og således slæbewirepositionen bringes fartøjets akustiske transceiver 32 til at sende et akustisk kaldesig-nal. Ved modtagelse af signalet efter forsinkelsen i transmissionstid gennem vandet transmitterer hver transponder en akustisk puls med en skelnelig frekvens. Disse 30 pulser detekteres af transceiveren 32 og af de akustiske modtagere 34 i slæbewiren. Af hensyn til overskueligheden er de akustiske gennemløbsveje i fig. 1 vist som punkterede linier for fartøj stransceiveren, transponderne og en enkelt modtager i slæbewiren. Det er klart, 35 at tilsvarende veje kunne tegnes for hver af modtagerne i slæbewiren. Pilene 1^, I2 og I3 angiver kaldepulsen, der bevæger sig langs med de punkterede linier fra ski- 8

DK 161266 B

bet til transponderne. Pilene R^, R2 og viser svar-pulserne fra transponderne til fartøjet, og pilene R* R'2 og R'2 viser pulsernes gennemløbsveje til modtageren i slæbewiren. Eftersom de rumlige positioner af trans-5 ponderne på havbunden og lydens hastighed gennem vandet er kendt, kan modtagerpositionen trianguleres ud fra kendskab til gennemløbstiden for hver puls fra deres respektive transpondere.

Om bord på fartøjet findes passende organer til 10 at måle tidsintervallet mellem afsendelsen af kaldesig-nalet og modtagelsen af pulserne fra transponderne og modtagerne.

I fig. 2 vises et enkelt fartøj, der bevæger sig på vandoverfladen til et tidspunkt Tg og et efterfølgen-15 de tidspunkt T^. Som vist afsender fartøjets transceiver en puls til tidspunktet Tg, hvilken puls bevæger sig i en ret linie langs den angivne vej til trandponderen.

Ved modtagelse af signalet på tidspunktet transmitterer transponderen en pulse, der detekteres af fartøjs-20 transceiveren til tidspunktet . Af figuren kan det udledes, at tidspunktet T^ er givet ved formlen:

Td = Tg + - Tg) (1 - v) -2- c hvori Ir er fartøjets fart i forhold til transponderen, 25 og c er udbredelseshastighéden af de akustiske pulser.

Forholdet ^ kan bestemmes på et antal måder. En foretrukken metode beror imidlertid på måling af Dopp-lerskiftet i den modtagne frekvens fra transponderen. Naturligvis skal trandponderne,for at det er muligt at 30 bestemme farten på denne måde, være i stand til at frembringe pulser med meget stabile frekvenser, og fartøjsmodtageren skal være i stand til at måle det apparente frekvensskift.

Forholdet kan også beregnes ud fra den hastighed, 35 hvormed afstanden ændrer sig i retning mellem transponderne og fartøjet. Denne afstandshastighed kan bestemmes let ud fra kendskab til fartøjets position og fart i forhold til transponderne.

Claims (8)

9 DK 161266 B Forholdet ^ vil for normale skibshastigheder under seismiske operationer i almindelighed være mindre end 0/002, eftersom $ er ca. 3 m pr. sekund,og c er ca. 1.500 m pr. sekund. Såfremt ^ udelades, opnås

1. Fremgangsmåde til bestemmelse af beliggenhe-25 den af et nedsænket marint seismisk hydrofonkabel, som slæbes af et undersøgelsesfartøj, ved hvilken der anbringes mindst tre transpondere på kendte, indbyrdes adskilte steder på havbunden, hvor et marint seismisk hydrofonkabel slæbes af et undersøgelsesfartøj i søen 30 hovedsageligt over de nævnte transpondere, hvor der frembringes et akustisk kommandosignal fra fartøjet på periodisk basis, hvor det akustiske kommandosignal modtages af hver af de mindst tre transpondere, og hvor der som reaktion på det akustiske kommandosignal frem-35 bringes et tydeligt skelneligt akustisk signal fra hver af transponderne, hvor hvert af transpondernes akustiske svarsignaler detekteres i fartøjets modtager. 10 DK 161266 B hvor hvert af transpondernes akustiske svarsignaler de-tekteres i et antal modtagere, som er anbragt indbyrdes adskilt langs hydrofonkablet, hvor der videresendes et tydeligt signal langs hydrofonkablet som reaktion på 5 hvert af de detekterede signaler til registrering af dette på fartøjet, og hvor der foretages en separat registrering af hvert af transpondernes akustiske signaler på fartøjet, og hvor der foretages en måling af tidsintervallerne fra frembringelse af kommandosignalet 10 til modtagelse af hvert af transpondernes akustiske signaler i mindst én modtager på fartøjet, kendetegnet ved, at afstanden mellem hver af hydrofon-kabelmodtagerne og hver af de kendte positioner af transponderne beregnes ved, at hastigheden af den nævn-15 te mindst ene fartøjsmodtager i forhold til hver af transponderne bestemmes ved beregning af afstands-ændringshastigheden fra en akustisk respons fra transponderne, og at tidsintervallerne fra frembringelsen af transpondernes akustiske svarsignaler til modtagelse af 20 hvert af de nævnte svarsignaler, som videresendes fra de adskilte modtagere langs hydrofonkablet, måles.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at middelafstandsændringshastigheden af den nævnte mindst ene fartøjsmodtager i forhold til 25 hver af transponderne måles successivt ud fra ændringer i den målte tid for signalvandringen fra hver af transponderne til modtageren som reaktion på hvert akustisk kommandosignal under et antal successive frembringelser af de akustiske kommandosignaler ved indlemning af den 30 sidste målte afstandsværdi af et givet antal og sløjfning af den tidligste målte værdi.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at fartøjspositionen i forhold til hver transponder på bunden bestemmes ved udnyttelse af 35 tidspunktet T^, som bestemmes i overensstemmelse med formlen DK 161266 B 11 T1 " Tn T = T + 1 u / 1 V , x0 - (1 c } idet Tjj benyttes til at beregne afstanden fra transponderne til modtagerne, hvilket derefter gør det mu-5 ligt, at afstande kan trianguleres med henblik på at give beliggenheden af hver af modtagerne, og hvor er tidspunktet for et svar fra en transponder på en kommandoimpuls, hvor Tg er tidspunktet for en kommandoimpuls indledning, hvor Tj er det tidspunkt, hvor trans-10 ponderimpulsen modtages, v er fartøjets hastighed i forhold til transponderen, og hvor c er de akustiske impulsers forplantningshastighed, og hvor forholdet v c 15 bestemmes ud fra et antal successive fartøjspositioner.

4. Fremgangsmåde ifølge krav 3, kendetegnet ved, at begyndelsesværdien af fartøjets hastighed v i forhold til transponderen bestemmes.

5. Apparat til brug ved bestemmelse af positio-20 nen af et nedsænket marint hydrofonkabel, som slæbes gennem søen af et undersøgelsesfartøj, i forhold til et antal kendte geografiske steder på havbunden, omfattende midler til initiering af et akustisk kommandosignal fra fartøjet, mens det bevæger sig gennem søen, mindst 25 tre transpondere, som er rumligt placeret på kendte positioner på havbunden til tilvejebringelse af tydelige akustiske baner til fartøjet og hydrofonkablet, som slæbes af fartøjet, idet hver af transponderne er i stand til at reagere på et eneste kommandosignal fra 30 fartøjet ved udsendelse af akustiske signaler imed en frekvens, der er tydeligt forskellig i forhold til hver af de andre transpondere, et antal indbyrdes adskilte modtagere, som bæres af hydrofonkablet, og som hver især er i stand til at modtage de forskellige 35 frekvenser for akustiske signaler, som udsendes af hver transponder, og som hver især individuelt videresender / DK 161266 B 12 et tydeligt signal langs hydrofonkablet til fartøjet, som er repræsentativt for hvert af de modtagne signaler, mindst én fartøjsmodtager, som er i stand til at modtage og skelne mellem de forskellige frekvenser, som 5 udsendes fra transponderne, midler til registrering af tidsintervallet mellem initieringen af kommandosignalet til modtagelse af et signal fra hver af transponderne i fartøjsmodtageren, kendetegnet ved, at der findes et organ til bestemmelse af fartøjsmodtagerens 10 hastighed i forhold til hver af transponderne, således at afstanden mellem hver af hydrofonkabelmodtagerne og hver af transpondernes kendte positioner kan beregnes.

5 C Td = t0 + (Τχ - V 2 med en fejl på mindre end 0,2%. En fejl i denne størrelsesorden kan være acceptabel for de havdybder, der 10 mødes inden for olieindustrien ved nogle typer seismiske operationer. Kendskab til tidspunktet Td for afsendelse af pul-serne fra transponderne og det målte tidspunkt for puls-detektion af modtagerne i slæbeviren som videresendt til 15 fartøjet muliggør beregning af afstanden fra hver transponder til hver modtager. Disse afstande kan derefter trianguleres til opnåelse af den tidstro position af hver modtager i en slæbewire ved hjælp af en computer ombord på skibet eller ud fra de registrerede data ved analy-20 se i land.

6. Apparat ifølge krav 5, kendetegnet ved, at det hastighedsbestemmende organ omfatter midler 15 til dannelse af middelværdien af et antal af de registrerede tidsintervaller, som detekteres i fartøjsmodtageren fra hver af transponderne.

7. Apparat ifølge krav 5, kendetegnet ved, at det hastighedsbestemmende organ omfatter midler 20 til dannelse af middelværdien af et antal registrerede tidsintervaller, som detekteres af hver af et antal af de nævnte modtagere fra hver af transponderne.

8. Indretning ifølge krav 5, kendetegnet ved, at transponderne er placeret i et ikke- 25 kolineært forhold.