NO156627B - Fremgangsmaate og innretning for bestemmelse av beliggenheten av en nedsenket, marin, seismisk hydrofonkabel. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår marin, seismisk utforskning eller undersøkelse , og særlig en fremgangsmåte og en innretning for nøyaktig bestemmelse av beliggenheten av en slepet, marin, seismisk hydrofonkabel.

Ved marin, seismisk prospektering sleper et under-søkelsesfartøy en seismisk hydrofonkabel (engelsk: streamer) som har et antall trykkfølsomme detektorer, vanligvis betegnet som hydrofoner. En kilde for seismisk energi, såsom en luftkanon eller en sprengladning, benyttes til å utbre trykk-bølger gjennom vannet inn i den underliggende sjøbunn. En del av energien vil bli reflektert av geologiske diskonti-nuiteter under sjøbunnen og vil senere bli detektert av hydrofonene som trykkvariasjoner i det omgivende vann. Den mekaniske energi i disse trykkvariasjoner omformes til et elektrisk signal ved hjelp av hydrofonene og overføres via hydrofonkabelen til registreringsutstyr om bord på fartøyet. De innsamlede data kan deretter tolkes av fagfolk på området for å avsløre informasjon om de undersjøiske, geologiske formasjoner.

For at signalene skal være meningsfulle, er det nødvendig å kjenne plasseringen av de individuelle hydrofoner ved det tidspunkt da trykkbølgene detekteres. Da fartøyet beveger seg kontinuerlig og da hydrofonkabelen kan strekke seg tusenvis av meter bak fartøyet, er nøyaktig lokalisering av kabel-hydrofonene vanskelig.

Eorskjellige systemer er blitt utviklet for å tilveiebringe nøyaktig informasjon angående fartøyets beliggenhet. Ved en vanlig anvendelse genererer et antall undervanns-svarstasjoner spesielle utgangsfrekvenssignaler som reaksjon på et utspørringssignal fra fartøyet eller skipet. Transitt-ener gangtiden for utspørringssignalet og svarstasjonens svarsignal måles, og avstanden fra hver svarstasjon (engelsk: transponder) beregnes. Fartøyets posisjon i forhold til svarstasjonene kan deretter trianguleres dersom beliggenheten av svarstasjonene er kjent.

Det er imidlertid sjelden at hydrofonkabelen slepes direkte langs fartøyets bane. Selv om kabelen er festet til fartøyets akterende, er størsteparten av kabelen nedsenket under vannets overflate på grunn av virkningen av dybde-kontrollere langs hydrofonkabelens lengde. Som et resultat av dette kan strømhastigheten på tvers av banen ved hydrofonkabelens dybde være forskjellig fra den strøm på tvers av banen som påvirker fartøyet, slik at kabelen bringes til å slepes i en vinkel med fartøyets kurs. Andre faktorer, som det ikke er nødvendig å oppregne, kan også frembringe en variasjon i hydrofonkabelens bane sammenliknet med fartøy-ruten.

En metode for beregning av hydrofonkabelens beliggenhet, og som er vist i den kjente teknikk, er basert på tilføyelse av en halebøye-radarreflektor som er beliggende ved enden av kabelen. Radarsystemer om bord på fartøyet kan da benyttes under optimale sjøforhold til å finne enden av kabelen, og beliggenheten av de individuelle hydrofoner kan interpoleres. Sådanne systemer er imidlertid generelt upå-litelige og gjør de nødvendige data mistenkelige.

En annen metode som er angitt i den kjente teknikk, er basert på meget følsom og kostbar utrustning for å måle hydrofonkabelens gire- og stampevinkler nær fartøyet. Disse data, sammenkoplet med magnetiske kompassretninger som er tatt langs hydrofonkabelen, og kabelens kjente dybde, tillater at man empirisk kan beregne hydrofonbeliggenhetene.

Det er et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en fremgangsmåte og en innretning for nøyaktig lokalisering av en nedsenket hydrofonkabel som slepes bak et undersøkel-sesfartøy. Ytterligere formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en sådan fremgangsmåte og en sådan innretning som er økonomisk og som har en rask responstid.

For oppnåelse av ovennevnte formål er det tilveiebrakt en fremgangsmåte for bestemmelse av beliggenheten av en nedsenket, marin, seismisk hydrofonkabel som slepes av et undersøkelsesfartøy, omfattende de trinn

å anbringe minst tre svarstasjoner på kjente, innbyrdes adskilte steder på havbunnen,

å slepe en marin, seismisk hydrofonkabel fra et undersøkelsesfartøy i sjøen i hovedsaken over de nevnte svarstas joner ,

å generere et akustisk kommandosignal fra fartøyet på periodisk basis,

å motta det akustiske kommandosignal ved hjelp av hver av de minst tre svarstasjoner og, som reaksjon på det akustiske kommandosignal, å generere et tydelig forskjellig, akustisk signal fra hver av svarstasjonene,

å detektere hvert av svarstasjonenes akustiske svarsignaler på fartøyets mottaker,

å detektere hvert av svarstasjonenes akustiske svarsignaler på et antall mottakere som er innbyrdes adskilt langs hydrofonkabelen,

å videresende et tydelig signal langs hydrofonkabelen som reaksjon på hvert av de detekterte signaler for registrering av dette på fartøyet, og separat å registrere hvert av svarstasjonenes akustiske.signaler på fartøyet, og

å måle tidsintervallene fra generering av kommandosignalet til mottagning av hvert av svarstasjonenes akustiske svarsignaler ved hjelp av minst én mottaker på fartøyet, hvilken fremgangsmåte ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at avstanden mellom hver av hydrofonkabelmottakerne og hver av de kjente posisjoner av svarstasjonene beregnes ved

å bestemme hastigheten av den nevnte minst ene far-tøymottaker i forhold til hver av svarstasjonene ved å beregne avstands-endringshastigheten fra en akustisk respons fra svarstasjonene, og

å måle tidsintervallene fra generering av svarstasjonenes akustiske svarsignaler til mottagning av hvert av de nevnte svarsignaler som videresendes fra de adskilte, mottakere langs hydrofonkabelen.

Ifølge oppfinnelsen er det videre tilveiebrakt en innretning for benyttelse ved bestemmelse av posisjonen, i forhold til et antall kjente geografiske steder på en havbunn, av en nedsenket, marin hydrofonkabel som slepes gjennom sjøen av et undersøkelsesfartøy, omfattende

en anordning for innledning av et akustisk kommandosignal fra fartøyet mens det beveger seg gjennom sjøen.

minst tre svarstasjoner som er romlig plassert i kjente posisjoner på havbunnen for å tilveiebringe tydelige, akustiske baner til fartøyet og hydrofonkabelen som slepes av fartøyet, idet hver av svarstasjonene er i stand til å reagere på et eneste kommandosignal fra fartøyet ved å utsende akustiske signaler med en tydelig forskjellig frekvens i forhold til hver av de andre svarstasjoner,

et antall innbyrdes adskilte mottakere som bæres av hydrofonkabelen, idet hver er i stand til å motta de forskjellige frekvenser av akustiske signaler som utsendes av hver svarstasjon, og hver individuelt videresender et tydelig signal langs hydrofonkabelen til fartøyet og som representerer hvert av de mottatte signaler,

minst én fartøymottaker som er i stand til å motta og skjelne de tydelig forskjellige frekvenser som utsendes fra svarstasjonene,

en anordning for registrering av tidsintervallet fra innledning av et kommandosignal fra fartøyet til mottagning av hvert signal som videresendes fra de innbyrdes adskilte mottakere langs hydrofonkabelen, og

en anordning for registrering av tidsintervallet fra innledning av kommandosignalet til mottagning av et signal fra hver av svars tas jonene ved hjelp av fartøymottakeren, hvilken innretning er kjennetegnet ved at den omfatter en anordning for bestemmelse av fartøymottakerens hastighet i forhold til hver av svarstas jonene, slik at avstanden mellom hver av hydrofonkabelmottakerne og hver av svarstasjonenes kjente posisjoner kan beregnes.

Den hastighetsbestemmende anordning omfatter fortrinnsvis en anordning for frembringelse av middelverdien av et antall av de registrerte tidsintervaller som detekteres av fartøymottakeren fra hver av svarstasjonene.

Svarstasjonene er fortrinnsvis anordnet i et ikke-kolineært forhold, og hver hydrofonkabelmottaker betjenes av en separat overføringskanal som rommes i hydrofonkabelen, for viderebefordring av omvandlersignaler til fartøyet. Mottakerne kan enten være aktive eller passive, men er fortrinnsvis passive for å minimere vekt og omkostninger.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det føl-gende i forbindelse med et utførelseseksempel under henvis-ning til tegningene, der fig. 1 viser en svarstasjonoppstil-ling vist i forhold til et overflate-undersøkelsesfartøy som sleper en marin hydrofonkabel, og fig. 2 skjematisk illustre-rer virkningen av fartøybevegelse på de akustiske baner mellom fartøy og svarstasjon.

Oppfinnelsen krever plassering av et antall akustiske svarstasjoner på eller nær havbunnen. Svarstasjonene vil fortrinnsvis være anbrakt på havbunnen i ikke-kolineære oppstillinger på minst tre svarstasjoner pr. oppstilling. Hver svarstasjon i en gitt triplett er fortrinnsvis plassert på en tilstrekkelig avstand fra de andre for å gi tilstrekkelig avstand til fartøyet og hydrofonkabel-mottakerne ved en gitt vanndybde. Selv om den foreliggende oppfinnelse beskjef-tiger seg med beliggenheten av fartøyet og hydrofonkabelen i forhold til en gitt oppstilling og ikke i forhold til den aktuel-le, geografiske beliggenhet, kan sistnevnte sammenheng etab-leres ut fra kjennskap til svarstasjonplasseringen. Velkjente metoder er beskrevet i teknikken for bestemmelse av svarsta-sjonplassering og kalibrering og skal derfor ikke beskrives her.

På fig. 1 er vist en eneste oppstilling av tre akustiske svarstasjoner som er betegnet generelt med henvis-ningstallene 10, 12 og 14 og som er plassert på havbunnen 16. På overflaten er vist et undersøkelsesfartøy 18 som sleper

en hydrofonkabel 20.

Svarstasjoner eller transpondere av den nødvendige type er kommersielt tilgjengelige og omfatter normalt en bunnplate 22 som hviler på sjøbunnen, og sn kabel 24 som er festet mellom bunnplaten 22 og svarstasjonlegemet 26. En flottør 28, som er forbundet med svarstasjonlegemet 26 ved hjelp av en kabel 30, holder svarstasjonlegemet 26 i en stil-ling over sjøbunnen som er bestemt av kabelens 25 lengde. Flottøren 28 tilveiebringer også en anordning for opptagning dersom kabelen 30 avkuttes.

Fartøyet 18 er utstyrt med en akustisk sender/mottaker 32 for sending av akustiske kommando- eller utspørrings-signaler gjennom vannet til svarstasjonene, og i sin tur mottagning av svarsignaler fra disse. Fortrinnsvis vil alle svarstasjoner i oppstillingen reagere på et signal med en eneste frekvens som utsendes av fartøyets sender/mottaker, men imidlertid kan kodede signaler genereres for å påvirke individuelle svarstasjoner fra fartøyet, dersom det ønskes.

Den marine hydrofonkabel 20 er nedsenket under vannets overflate ved hjelp av et antall konvensjonelle dybde-kontrollere (ikke vist), og vil normalt romme hydrofoner (ikke vist) og dybdefølere (ikke vist) som kan utspørees :fra fartøyet for informasjon.

Hydrofonkabelen vil dessuten romme et antall akustiske mottakere 34 som er innbyrdes adskilt langs kabelens lengde. Mottakerne 34 er i stand til å detektere de signaler som genereres av svarstasjonene, og å viderebringe identifi-serbare responser eller svarsignaler langs hydrofonkabelen til fartøyet. Normalt vil hydrofonkabelen ha individuelle kanaler som fører fra hver mottaker til fartøyet, for over-føring av informasjonen. Selv om mottakerne kan være aktive eller effektdrevne, foretrekkes det at mottakerne er passive.

For å bestemme beliggenheten av mottakerne 34 og

således hydrofonkabelens posisjon, utløses fartøyets akustiske sender/mottaker 32 for å sende et akustisk kommandosignal. Ved mottagning av signalet, etter forsinkelsen i overførings-tid gjennom vannet, utsender hver svarstasjon en akustisk

puls med en frekvens som kan skjelnes. Disse pulser detekteres av sender/mottakerenheten 32 og av de akustiske mottakere 34 som rommes i hydrofonkabelen. For klarhetens skyld er akustiske gang- eller bevegelsesbaner på fig. 1 bare vist som stiplede linjer for fartøyets sender/mottaker, svarstasjonene og en eneste mottaker i hydrofonkabelen. Det vil imidlertid innses at liknende baner kan inntegnes for hver av mottakerne som rommes i hydrofonkabelen. Piler 1^, 1^ og representerer kommandopulsen som vandrer langs de stiplede linjer fra fartøyet til svarstas jonene, piler R^, R2 og R3 representerer svarpulsene fra svarstas jonene til fartøyet, og piler R'-^ R'2°9 R<l>3 indikerer pulsbevegelseslinjene til mottakeren som rommes i hydrofonkabelen. Da de romlige

posisjoner av svarstasjonene på sjøbunnen og lydhastigheten gjennom vannet er kjent, kan mottakerposisjonen trianguleres ut fra kjennskap til gangtiden for hver puls fra deres respektive svarstasjoner.

En passende anordning om bord på fartøyet er anordnet for å måle tidsintervallet mellom sendingen av kommandosignalet og mottagningen av pulsene fra svarstasjonene og mottakerne .

På fig. 2 er vist et eneste fartøy som beveger seg langs vannets overflate ved et tidspunkt Tq og et senere tidspunkt T^. Som vist på figuren, innleder fartøyets sender/mottaker ved tidspunktet Tq en puls som vandrer i en rett linje langs den viste bane til svarstasjonene. Ved mottagning av signalet ved tidspunktet T^ sender svarstasjonen en puls som detekteres av fartøyets sender/mottaker ved tidspunktet T^ Ut fra figuren kan det utledes at tidspunktet T, er gitt ved formelen:

hvor v er fartøyets hastighet i forhold til svarstasjonen, og c er forplantningshastigheten av de akustiske pulser.

Forholdet v/c kan bestemmes på en rekke måter.

En foretrukket metode er imidlertid basert på måling av Dopplerforskyvningen i den mottatte frekvens fra svarstasjonen. For å bestemme hastigheten på denne måte, må svarstasjonene selvsagt være i stand til å generere pulser med meget stabile frekvenser, og fartøyets mottaker må være i stand til å måle den tilsynelatende endring i frekvensen.

Forholdet kan også beregnes ut fra endringshastigheten av avstanden i retning av svarstasjonene og fartøyet. Denne avstandsendringshastighet kan lettvint bestemmes ut fra kjennskap til fartøyets posisjon og hastighet i forhold til svarstasjonene.

Forholdet v/c for normale skipshastigheter under seismiske operasjoner vil vanligvis være mindre enn 0,002 da v er ca. 3 meter pr. sekund og c er ca. 1500 meter pr. sekund. Dersom leddet v/c sløyfes, fås:

med en feil på mindre enn 0,2 %. En feil av denne størrelse kan være akseptabel for havdybder som påtreffes innen olje-industrien for noen typer av seismiske operasjoner.

Kjennskap til tidspunktet T, for innledningen av pulsene fra svarstasjonene, og det målte tidspunkt for pulsde-teksjon av mottakerne i hydrofonkabelen slik det overføres til fartøyet, tillater beregning av avstanden fra hver svarstasjon til hver mottaker. Disse avstander kan deretter trianguleres for å gi beliggenheten av hver mottaker i en hydrofonkabel i sann tid ved hjelp av en regnemaskin om bord på fartøyet, eller ut fra de registrerte data ved analyse etter utført tokt.

Claims (8)

1. Fremgangsmåte for bestemmelse av beliggenheten av en nedsenket, marin, seismisk hydrofonkabel som slepes av et undersøkelsesfartøy, omfattende de trinn å anbringe minst tre svarstasjoner på kjente, inn-, byrdes adskilte steder på havbunnen, å slepe en marin, seismisk hydrofonkabel fra et undersøkelsesfartøy i sjøen i hovedsaken over de nevnte svarstasjoner, å generere et akustisk kommandosignal fra fartøyet på periodisk basis, å motta det akustiske kommandosignal ved hjelp av hver av de minst tre svarstasjoner og, som reaksjon på det akustiske kommandosignal, å generere et tydelig forskjellig, akustisk signal fra hver av svarstasjonene, å detektere hvert av svarstasjonenes akustiske svarsignaler på fartøyets mottaker, å detektere hvert av svarstasjonenes akustiske svarsignaler på et antall mottakere som er innbyrdes adskilt langs hydrofonkabelen,

å videresende et tydelig signal langs hydrofonkabelen som reaksjon på hvert av de detekterte signaler for registrering av dette på fartøyet, og separat å registrere hvert av svarstas jonenes akustiske signaler på fartøyet, og å måle tidsintervallene fra generering av kommandosignalet til mottagning av hvert av svarstasjonenes akustiske svarsignaler ved hjelp av minst én mottaker på fartøyet, karakterisert ved at avstanden mellom hver av hydrofonkabelmottakerne og hver av de kjente posisjoner av svarstasjonene beregnes ved å bestemme hastigheten av den nevnte minst ene far-tøymottaker i forhold til hver av svarstasjonene ved å beregne avstands-endringshastigheten fra en akustisk respons fra svarstasjonene, og å måle tidsintervallene fra generering av svarstasjonenes akustiske svarsignaler til mottagning av hvert av de nevnte svarsignaler som videresendes fra de adskilte mottakere langs hydrofonkabelen.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den midlere avstandsendringshastighet av den nevnte minst ene fartøymottaker i forhold til hver av svarstasjonene måles suksessivt ut fra endringer i den målte tid for signalvandring fra hver av svarstasjonene til mottakeren som reaksjon på hvert akustisk kommandosignal under et antall suksessive genereringer av de akustiske kommandosignaler, ved å innlemme den siste målte avstandsverdi av et gitt antall og sløyfe den tidligste målte verdi.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at fartøyposisjonen i forhold til hver svarstasjon på bunnen bestemmes ved benyttelse av tidspunktet T, som bestemmes i over-ensstemmelse med formelen idet T, benyttes til å beregne avstanden fra svars.tasjonene til mottakerne, hvilket deretter muliggjør at avstander kan trianguleres for å gi beliggenheten av hver av mottakerne, og hvor T, er tidspunktet for et svarstasjon-svar på en kommandopuls, Tq er tidspunktet for en kommandopulsinnledning, er det tidspunkt da svarstasjonpulsen ble mottatt, v er fartøyets hastighet i forhold til svarstasjonen, og c er de akustiske pulsers forplantningshastighet, og hvor forholdet bestemmes ut fra et antall suksessive fartøyposisjoner.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at begynnelsesverdien av far-tøyéts hastighet v i forhold til svarstasjonen bestemmes.

5. Innretning for benyttelse ved bestemmelse av posisjonen, i forhold til et antall kjente geografiske steder på en havbunn, av en nedsenket, marin hydrofonkabel som slepes gjennom sjøen av et undersøkelsesfartøy, omfattende en anordning for innledning av et akustisk kommandosignal fra fartøyet mens det beveger seg gjennom sjøen, minst tre svarstasjoner som er romlig plassert i kjente posisjoner på havbunnen for å tilveiebringe tydelige, akustiske baner til fartøyet og hydrofonkabelen som slepes av fartøyet, idet hver av svarstasjonene er i stand til å reagere på et eneste kommandosignal fra fartøyet ved å utsende akustiske signaler med en tydelig forskjellig frekvens i forhold til hver av de andre svarstasjoner, et antall innbyrdes adskilte mottakere som bæres av hydrofonkabelen, idet hver er i stand til å motta de forskjellige frekvenser av akustiske signaler som utsendes av hver svarstasjon, og hver individuelt videresender et tydelig signal langs hydrofonkabelen til fartøyet og som representerer hvert av de mottatte signaler, minst én fartøymottaker som er i stand til å motta og skjelne de tydelig forskjellige frekvenser som utsendes fra svarstasjonene, en anordning for registrering av tidsintervallet fra innledning av et kommandosignal fra fartøyet til mottagning av hvert signal som videresendes fra de innbyrdes adskilte mottakere langs hydrofonkabelen, og en anordning for registrering av tidsintervallet fra innledning av kommandosignalet til mottagning av et signal fra hver av svarstasjonene ved hjelp av fartøymottakeren, karakterisert ved at den omfatter en anordning for bestemmelse av fartøymottakerens hastighet i forhold til hver av svarstasjonene, slik at avstanden mellom hver av hydrofonkabelmottakerne og hver av svarstasjonenes. kjente posisjoner kan beregnes.

6. Innretning ifølge krav 5, karakterisert ved at den hastighetsbestemmende anordning omfatter en anordning for frembringelse av middelverdien av et antall av de registrerte tidsintervaller som detekteres av fartøymottakeren fra hver av svarstasjonene.

7. Innretning ifølge krav 5, karakterisert ved at den hastighetsbestemmende anordning omfatter en anordning for frembringelse av middelverdien av et antall registrerte tidsintervaller som detekteres av hver av et antall av de nevnte mottakere fra hver av svarstasjonene.

8. Innretning ifølge krav 5, karakterisert ved at svarstasjonene er anordnet i et ikke-kolineært forhold.