DE3149163C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hilfsanordnung zur Bestimmung der Position eines von einem Schiff unter der Wasseroberfläche ge­ schleppten seismischen Streamers nach dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.

Bei marine-seismischen Aufschlußarbeiten schleppt ein Meßschiff einen seismischen Streamer, der eine Mehrzahl von druckempfind­ lichen Detektoren aufweist, die allgemein als Hydrophone be­ zeichnet werden. Eine Quelle seismischer Energie, wie ein Luft­ pulser oder eine Sprengstoffladung, wird benutzt, um Druck­ wellen durch das Wasser hindurch in den Bereich unter dem Meeresboden auszusenden. Ein Teil der Energie wird durch unter dem Meeresboden liegende geologische Diskontinuitäten reflektiert und nachfolgend durch die Hydrophone als Druckschwankungen in dem umgebenden Wasser wahrgenommen. Die mechanische Energie die­ ser Druckschwankungen wird durch die Hydrophone in ein elektri­ sches Signal umgesetzt und durch den Streamer hindurch zur Auf­ zeichnungsapparatur an Bord eines Schiffes übertragen. Die auf­ genommenen Daten können dann durch die Fachleute interpretiert werden, die daraus Informationen über die untermeerischen geo­ logischen Formationen ableiten.

Für eine sinnvolle Interpretation der Signale ist es erforder­ lich, den genauen Ort der einzelnen Hydrophone zu der Zeit zu kennen, in der die Druckwellen aufgenommen worden sind. Da das Schiff sich fortlaufend bewegt und der Streamer sich über mehr als Tausende von Metern hinter dem Schiff erstrecken kann, ist eine genaue Ortsbestimmung der Hydrophone schwierig.

Für die Ortsbestimmung eines Schiffes sind bereits die ver­ schiedensten Systeme entwickelt worden, die dazu genaue In­ formationen liefern. Ein Streamer läuft aber selten in Kiel­ linie des Schiffes. Der Streamer ist zwar an das Heck des Schiffes angeschlossen, die Masse des Streamers liegt jedoch unter der Wasseroberfläche untergetaucht aufgrund der Wirkung von Tiefensteuerungen, die entlang dem Streamer angeordnet sind. Aufgrund dessen kann die Geschwindigkeit einer Querversetzungs­ strömung in der Tiefe des Streamers von der Querversetzung, die das Schiff beeinflußt, abweichen, so daß der Streamer mit einem Winkel zum Kurs des Schiffes läuft. Weitere Faktoren, die hier nicht aufgeführt zu werden brauchen, können ebenfalls eine Abweichung des Streamerweges von dem des Schiffes hervorrufen.

Ein bekanntes Verfahren zur Ortsbestimmung eines Streamers ar­ beitet mit der zusätzlichen Anordnung eines Radarreflektors als Schwanzboje am Ende des Streamers. An Bord befindliche Radarsysteme können dann unter günstigen Seebedingungen das Ende des Streamers finden und den Ort der einzelnen Hydrophone interpolieren. Derartige Systeme sind jedoch im allgemeinen nicht zuverlässig und die erforderlichen Daten können mit Un­ genauigkeiten behaftet sein.

Ein zweites bekanntes Verfahren arbeitet mit einer sehr em­ pfindlichen und teuren Einrichtung zur Messung des Seiten- und Neigungswinkels des am Schiff anschließenden Streamer­ endes. Diese Daten in Verbindung mit Magnetkompaß-Anzeigen, die entlang dem Streamer aufgenommen worden sind, und der be­ kannten Tiefe des Streamers erlauben eine empirische Berechnung der Hydrophonorte.

Im üblichen Betrieb fährt das Schiff mit einer Geschwindigkeit von etwa 3 m/s, wobei etwa alle 10 s eine seismische Erregung erzeugt wird. Die untere Grenze für das Zeitintervall zwischen den seismischen Erregungen wird durch die Zeit bestimmt, die für die Ausbreitung aller reflektierter seismischer Wellen er­ forderlich ist. Insbesondere werden bei Benutzung eines Luft­ pulsers in Intervallen von weniger als 4 s die Schallwellen nicht ausreichend ausgebreitet, so daß die aufgenommenen Daten wegen des reflektierten Störgeräusches nur schwer oder gar nicht ausgewertet werden können. Daher führt die Verwendung eines Luft­ pulsers in Verbindung mit den Hydrophonen zur Entfernungsbestim­ mung zu Schwierigkeiten und gestattet keine genaue Ortung der Hydrophone.

Aus der DE 24 30 863 A1 ist eine Einrichtung zur relativen Ortsbestimmung eines von einem Schiff geschleppten seismischen Streamers bekannt, bei dem Schallsignale zur Entfernungsmessung zwischen einer schiffsfesten Schallquelle und Hydrophonen des Streamers in Verbindung mit Gatter- bzw. Torschaltungen sowie einem Zählwerk verwendet werden. Aufgrund fehlender Redundanz ist die Genauigkeit der Entfernungsbestimmung relativ beschränkt.

Es ist ferner aus "Atomenergie" (12. Jg. 1967, S. 207-213) be­ kannt, Schallgeschwindigkeiten in flüssigen Medien dadurch zu bestimmen, daß der Impulsabstand von Impulsen bestimmt wird, die über eine in Rückkopplungsschaltung betriebene Meßstrecke geführt sind (Sing-Around-Methode).

Dieser Druckschrift ist keine Anregung zu entnehmen, das darge­ stellte Verfahren zur Bestimmung des relativen Ortes einer Viel­ zahl von Hydrophonen entlang eines Streamers und damit dessen Verlaufes zu verwenden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Bestimmung der (relativen) Position eines von einem Schiff ge­ schleppten Streamers zu schaffen, mit der eine sehr genaue und von Störgeräuschen nahezu unbeeinflußte Messung der Entfernung zwischen einer schiffsfesten Quelle und entlang des Streamers angeordneter Hydrophone möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unter­ ansprüchen angegeben.

Nach der Erfindung ist eine Hilfs-Einrichtung vorgesehen, mit der der Ort eines hinter einem Meßschiff geschleppten marinen Streamers genau bestimmt werden kann und zu der eine akustische Quelle gehört, die insbesondere außenbords vom Heck des Schif­ fes unter der Wasseroberfläche angeordnet ist und hochfrequente Schallimpulse kurzer Dauer aufgrund eines äußeren Befehls aussen­ den kann. Eine Mehrzahl von Hydrophonen ist im Streamer unter­ gebracht und kann Pulse von der akustischen Quelle aufnehmen und in Abhängigkeit davon Signale durch gesonderte Kanäle im Streamer übertragen. Um eine redundante Messung zu erreichen, werden durch eine vorgewählte Anzahl von Hydrophonsignalen je­ weils zusätzliche Impulse der akustischen Quelle ausgelöst. Die Messung der Zeit, die von einem ersten, mit äußerer Aus­ lösung erzeugten Puls bis zum Empfang des letzten, durch ein Hydrophon erzeugten, vorbestimmten Signal verstrichen ist, ge­ stattet eine genaue Bestimmung der Entfernung.

Vorzugsweise werden zwei akustische Quellen getrennt und außen­ bords vom Heck des Schiffes angeordnet, so daß sie beide hoch­ frequente Schallimpulse emittieren können. Die zwei Quellen können in verschiedenen Zeitabschnitten zur Erzeugung von auf den Ort der Hydrophone bezogener Daten benutzt werden, oder sie können mit verschieden-frequenten Pulsen arbeiten, die von den Hydrophonen unterschieden werden, so daß aufgrund dessen verschiedene Signale zum Schiff zurückgegeben werden.

Vorzugsweise werden auch die Rücksignale von den Hydrophonen benutzt, um die Amplitude der akustischen Quellenpulse zu steuern, so daß die für die Übertragung benötigte Energie und damit auch der Nachhall auf ein Minimum gebracht werden können.

Die Frequenz der Schallpulse liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 3,5 und 250 kHz, und die Pulse weisen eine Dauer auf, die im Bereich der für eine einzelne bis etwa für 20 Schwingungen benötigten Zeit liegt.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden alle Hydrophon- Kanäle gleichzeitig aufgenommen, und die akustische Quelle wird für die Erzeugung zusätzlicher Pulse jeweils nur dann ausgelöst, nachdem das Signal empfangen worden ist, das nach Anregung durch den vorhergehenden Puls von dem letzten oder weitest abgelegenen Hydrophon des Streamers stammt.

In der nachfolgenden Beschrei­ bung wird die Erfindung beispiels­ weise anhand von Figuren erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen von einem Schiff ge­ schleppten marinen Streamer und

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer für die Erfindung be­ nutzten Einrichtung.

Fig. 1 zeigt schematisch in Draufsicht ein Meßschiff 10, das einen marinen-seismischen Streamer 14 schleppt. Der Kurs des Schiffes ist durch die gestrichelte Linie 12 angegeben und der Streamer 14 läuft im Bogen nach der einen Seite. Mehrere Tiefensteuerungen 16 üblicher Bau­ art halten die Masse des Streamers auf einer Tiefe von angenähert 5 bis 10 m unter der Meeresoberfläche. Eine Schwanzboje 18 ist am nachlaufenden Ende des Streamers 14 befestigt und hält das Ende des Streamers an der Oberfläche. Eine Mehrzahl von Hydrophonen 20 sind über die Länge des Streamers verteilt zwecks Aufnahme von Druckschwankungen und der Übertragung von dem Empfang dieser Schwankungen anzeigenden Signale entlang dem Streamer nach der Aufzeichnungsapparatur an Bord des Schiffes. Zusätzlich enthält der Streamer 24 mehrere Tie­ fensensoren 22 und Magnetkompasse 24, die zur Gewinnung von Information über die Tiefe und Ausrichtung des Strea­ mers an den Orten dieser Instrumente abgefragt werden können.

Ein Luftpulser ist außenbords am Heck des Schiffes 10 angeordnet. Bei einem üblichen Luftpulser wird auf einen Druck im Bereich von 34 bis 550 at komprimierte Luft plötzlich aus einer Tauchkammer in einer Zeitspanne von wenigen Millisekunden freigesetzt, um einen akustischen Impuls zu erzeugen.

Ein Paar hochfrequenter akustischer Quellen 28 und 30 ist außenbords vom Schiffsheck angeordnet. Die Quellen liegen in einer Strecke von etwa 20 bis 40 m auseinander. Die Quellen 28 und 30 erzeugen hochfrequente Pulse kurzer Dauer, die durch die Hydrophone 20 aufgenommen werden. Nach Empfang der Pulse emittieren die Hydrophone ein Signal, das entlang dem Streamer auf das Schiff über­ tragen wird. Die übertragenen Hydrophonsignale werden benutzt, um zusätzliche Pulse der Quellen 28 und 30 in einer gesteuerten Schwingungsschleife auszulösen. Eine Messung der für eine gegebene Zahl von Schwingungen be­ nötigten Zeit ermöglicht redundante, genaue Berechnungen der Strecken bis zu den Hydrophonen, wobei die Geschwin­ digkeit der Pulse in Wasser gegeben ist. Aufgrund der berechneten Entfernungen können die Orte der Hydrophone genau in Verbindung mit den Tiefendaten bestimmt werden, die durch Abfragung der Sensoren 22 erzielt worden sind.

Fig. 2 veranschaulicht in Blockform eine Funktionsschal­ tung, die benutzt werden kann, um den vorstehend erläu­ terten Zweck der Entfernungsfindung zu erfüllen. Gemäß Fig. 2 wird eine akustische Quelle 100 zur Auslösung eines Pulses hoher Frequenz und kurzer Dauer über einen äußeren Starter 110 und einen Trigger 120 getriggert. Der Puls liegt vorzugsweise in einem Bereich von 2 bis 100 kHz; besonders bevorzugt ist der Bereich von 3 bis 10 kHz. Die Pulslänge geht vorzugsweise von einer Einzelschwin­ gung bis 20 Schwingungen. Es können auch längere Pulse benutzt werden, die jedoch keinen zusätzlichen Vorteil bringen. Die akustische Quelle kann piezoelektrischer, ferroelektrischer oder elektromagnetischer Art sein. Vorzugsweise weist die Quelle eine piezoelektrische oder ferroelektrische Einrichtung mit einem akustischen Schmalbündelstrahler auf, der in der allgemeinen Richtung des Streamers ausgerichtet ist. Derartige Einheiten sind im Handel erhältlich und haben eine Frequenz im Bereich von 2 bis 8 kHz und können Einheitsschwingungspulse er­ zeugen.

Wie erwähnt, sind die akustischen Quellen außenbords am Heck des Meßschiffes angeordnet und liegen etwa 20 bis 40 m zum Zweck der Triangulation auseinander.

Der Puls der akustischen Quelle 100 läuft durch das Wasser mit einer Geschwindigkeit von etwa 1500 m/s und trifft auf das Streamer-Hydrophon 130. Die Hydro­ phone, wie das Hydrophon 130, liegen entlang dem Strea­ mer in Abständen von 100 bis 500 m und vorzugsweise in Abständen von 400 m verteilt. Bei Wahrnehmung des Pul­ ses antwortet das Hydrophon und überträgt durch den Streamer ein Signal nach dem Schiff. Diese Signale wer­ den gewöhnlich entlang gesonderter elektrischer Leitern übertragen, die zu jedem Hydrophon hinführen. Die von dem Hydrophon übertragenen Signale gehen durch ein Gatter 140, das alle Signale sperrt, mit Ausnahme derjenigen, die während der vorgewählten Zeitintervalle erwartet werden. Da die angenäherten Entfernungen zwischen den akustischen Qellen und den einzelnen Hydrophonen aus den Abständen der Hydrophone entlang dem Streamer be­ kannt sind, kann auch das angenäherte Zeit-"Fenster" für den Empfang der Signale von den einzelnen Hydrophonen bestimmt werden. Das Gatter 140 dient daher zur Abblockung von Scheinsignalen, die durch Reflexionen an der Wasser­ oberfläche und dem Ozeanboden erzeugt worden sind.

Da eine redundante Bestimmung des Ortes jedes Hydrophons entlang dem Streamer durch ein im Ring umlaufendes Rückkopplungssystem angestrebt ist, muß die akustische Quelle einen Puls nach Empfang eines eintreffenden Hydrophonsignales auslösen. Um die Erzeu­ gung verwechselbarer Hydrophonsignale zu verhindern, werden die Hydrophone in Reihenfolge über Einzelkanäle abgefragt.

Die Signale, die durch das Gatter 140 laufen, werden in der Einheit 150 verstärkt und geformt. Die geformten Signale werden parallel durch ein zeitüberwachtes Zähl­ werk 160 und eine Verstärkungsregelung 170 gegeben. Die Verstärkungsregelungs-Einheit stellt selbsttätig die Über­ tragungsenergie der akustischen Quelle 100 in Abhängig­ keit von der Stärke der Signale vom Verstärker 150 ein, um den Energieverbrauch auf ein Minimum zu bringen. Das zeitüberwachte Zählwerk 160 zählt die Anzahl der Rück­ kopplungssignale, die von dem gewählten Hydrophon aus­ gehen und nimmt die Dauer der Zeitspanne auf, die für eine voreingestellte Anzahl von Wiederholungssignalen benötigt wird.

Da die einzig wichtige Zeitspanne die Zeit ist, die für den Durchgang des akustischen Pulses durch das Wasser erforderlich ist, kann diese Zeit mit Wiederholungen gemessen und der Durchschnittswert bestimmt werden, um die Entfernung genau zu bestimmen.

Für das selbsttätige, erneute Triggern eines akustischen Pulses durch den Trigger 120 aufgrund der durch das Zähl­ werk 160 gehenden Signals ist eine entsprechende Schal­ tung vorgesehen. Nachdem eine vorbestimmte Anzahl von Signalen, vorzugsweise sechs, empfangen worden ist, wird das Zählwerk auf Null zurückgestellt, um den Beginn zu­ sätzlicher Entfernungsbestimmungs-Vorgänge für nachfol­ gende Hydrophone durch die äußere Startvorrichtung 110 abzuwarten.

Obwohl Fig. 2 nur eine einzelne akustische Quelle dar­ stellt, wird vorzugsweise ein Paar Quellen benutzt, so daß unabhängige Entfernungsbestimmungen durch Triangula­ tion errechnet und die Hydrophonorte mit entweder der Kenntnis der Tiefe oder den entsprechenden Kompaß-Rich­ tungen genau bestimmt werden können.

Falls zwei akustische Quellen verwendet werden, sollten sie abwechselnd benutzt werden, um störende Quersignale zu verhindern, oder sie sollten mit verschiedenen Aus­ gangsfrequenzen arbeiten, so daß unterscheidbare Signale von den Hydrophonen erzeugt werden können.

Claims (5)

1. Hilfsanordnung zur Bestimmung der Position eines von einem Schiff unter der Wasseroberfläche geschleppten seismischen Streamers, der entlang seiner Längserstreckung mehrere gleich­ mäßig beabstandete Hydrophone enthält, die auf sie einwirkende Schallimpulse in elektrische Impulse wandeln, wobei für geson­ derte Kanäle der Hydrophone gesonderte Impulse vorliegen, mit wenigstens einer am Schiffsheck unterhalb der Wasserlinie be­ festigten akustischen ersten Quelle, die durch elektrische Steuersignale zur Abgabe von Schallimpulsen in das umgebende Wasser aktivierbar ist, sowie mit einer den Hydrophonen nach­ geordneten Torschaltung und einem dieser nachgeschalteten rücksetzbaren Zählwerk, dessen jeweiliger Zählerstand kanal­ spezifisch die Entfernung des jeweiligen Hydrophons von der ersten Quelle bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Torschaltung (140) abgegebenen Signale außer dem als Zeitzählwerk (160) ausgebildeten Zählwerk auch einen Trigger (120) beaufschlagen, dessen Ausgang innerhalb einer Rückkopp­ lungsschleife die Steuersignale für die erste Quelle (100) liefert, und daß das Zeitzählwerk (160) jeweils die Anzahl der zugehörigen Rückkopplungssignale während eines konstanten Bezugszeitintervalls erfaßt.

2. Hilfsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite akustische Quelle (28) im Abstand von der ersten akustischen Quelle (30) außenbords am Heck des Schiffes (10) unter der Wasseroberfläche angeordnet ist, deren Betriebs­ weise derjenigen der ersten Quelle analog ist.

3. Hilfsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Quelle (30) akustische Signale erzeugt, die von denen der ersten Quelle unterscheidbar sind.

4. Hilfsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ge­ kennzeichnet durch einen Verstärkungsregler (170) zur selbst­ tätigen Begrenzung der Amplitude der von der akustischen Quelle (28 bzw. 30) ausgesandten Impulse mit Bezug auf die Empfangsempfindlichkeit der Hydrophone (20).

5. Hilfsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Frequenz der akustischen Impulse der Quelle (28 bzw. 30) zwischen 3,5 und 10 kHz liegt und ein Impuls aus einer bis zwanzig Schwingungen besteht.