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La présente invention concerne un procédé et un dispositif
de traitement numérique permettant de combiner entre eux des
signaux reçus par plusieurs capteurs.
L'invention a pour objet plus précisément un procédé et un
dispositif pour combiner des signaux convertis en mots
numériques à faible résolution par des moyens de conversion
analogique-numérique du type à sur-échantillonnage, et produire
un signal de combinaison sous une forme numérisée.
La technique de conversion analogique-numérique par
sur-échantillonnage qui est fréquemment utilisée actuellement,
est mise en oeuvre au moyen de modulateurs delta-sigma qui
délivrent des mots numériques de résolution faible, tels que par
exemple des mots de 1 bit en échantillonnant les signaux
analogiques appliqués à une fréquence d'échantillonnage fs très
élevée (fs= 512 * FNyquist par exemple), les mots numériques
produits ayant une amplitude moyenne variant au cours du
temps proportionnellement à l'amplitude du signal analogique
qui lui est appliqué. Un filtre numérique est connecté à la sortie
du modulateur pour filtrer notamment les bruits de
quantification, ce filtre produisant des mots numériques avec une
résolution plus élevée (de 16 à 24 bits par exemple) et une
fréquence beaucoup plus faible, opération connue sous le nom de
décimation. Des convertisseurs de ce type sont décrits par
exemple dans les brevets US No. 4.866.442, 4.943.807, 4.994.804
etc.
Il existe notamment dans le domaine de l'acoustique ou de
la prospection sismique, des applications où l'on doit réaliser des
combinaisons de signaux reçus par plusieurs capteurs. Il peut
s'agir par exemple de faire des sommes de plusieurs signaux
après les avoir éventuellement pondérés et/ou filtrés ou
déphasés les uns par rapport aux autres, ou bien encore de
réaliser des combinaisons plus complexes de ces signaux
multiples. C'est le cas particulièrement dans le domaine de la
prospection sismique où l'on fait intervenir un très grand nombre
de récepteurs répartis sur une zone à explorer pour recevoir des
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ondes simiques renvoyées par les discontinuités du sous-sol en
réponse à des ébranlements provoqués par déclenchement d'une
source d'ondes sismiques. Les récepteurs sont le plus souvent
constitués de plusieurs capteurs élémentaires interconnectés
électriquement et disposés dans la zone explorée de façon à
filtrer des bruits de surface organisés. Chacun de ces récepteurs
fournit une "trace sismique" qui est une moyenne électrique des
signaux produits par les capteurs élémentaires interconnectés.
On sait que la disposition relative des différents capteurs
constituant une même "trace" a une grande incidence pour
obtenir une bonne rejection des bruits de surface. On sait aussi
qu'en modelant l'amplitude et/ou le spectre de fréquence des
signaux produits respectivement par les différents signaux
constituaiit une même trace avant leur combinaison, on peut
obtenir un affaiblissement considérable du niveau des bruits et
donc préserver mieux ainsi toute la dynamique des moyens de
numérisation pour les signaux utiles.
Des dispositifs de pondération de type actif ou passif pour
modifier les amplitudes, spectres de fréquence ou phases de
signaux reçus par des capteurs avant leur combinaison et qui
sont installés à proximité de ces capteurs, sont décrits par
exemple dans les brevets US 2.698.927, 2.747.172, 3.400.783,
3.863.200, 3.863.201.
Le principal inconvénient de tous les appareillages de
2 5 prétraitement analogique tient essentiellement à leur structure
figée. Les paramètres de filtrage doivent être connus à l'avance et
en admettant que le dispositif de réception effectivement mis en
place permette une modification de ces paramètres, il faut encore
procéder aux adaptations nécessaires sur les lieux mêmes
3 0 d'implantation de ces moyens de traitement locaux, ce qui
rallonge les opérations de mise en place. En outre, les corrections
éventuelles apportées avant utilisation ne peuvent être modifiées
facilement pendant les enregistrements des signaux captés.
Une technique couramment utilisée pour combiner des
35 signaux, consiste à convertir en mots numériques de 8, 16 ou 32
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bits par exemple, des signaux analogiques à combiner et à utiliser
un calculateur numérique programmé pour effectuer les
combinaisons recherchées.
Cette solution peut convenir pour un nombre limité de
signaux mais devient rapidement complexe et surtout coûteuse si
leur nombre est relativement important. Dans le cadre de
certaines applications en géophysique notamment où il faut
prendre en compte entre 500 et 4000 voies différentes par
exemple, un laboratoire d'enregistrement capable d'acquérir
toutes ces voies avec une dynamique suffisante (20 à 24 bits par
exemple) serait d'un coût prohibitif.
Le procédé selon l'invention permet d'effectuer, dans des
conditions économiquement intéressantes, des combinaisons très
diverses de signaux analogiques issus d'ensembles de capteurs
relativement importants. Il est caractérisé en ce qu'il comporte :
- la conversion de chacun des signaux analogiques à combiner en signaux
numérisés sur-échantillonnés à basse résolution;
- la combinaison desdits signaux numérisés à basse résolution; et
- la transformation des signaux numérisés résultant de ladite
combinaison en signaux numérisés à résolution plus élevée
Le procédé peut aussi comporter la pondération d'une
partie au moins des signaux numérisés à basse résolution avant
leur combinaison et aussi la transmission des signaux numérisés
sur une ou plusieurs voies de transmission préalablement à ladite
combinaison.
Le dispositif pour la mise en oeuvre le procédé comporte
des moyens de conversion de chacun des signaux analogiques en
signaux numérisés sur-échantillonnés à basse résolution, des
moyens de combinaison des différents signaux numérisés formés
et des moyens de filtrage pour transformer les signaux numérisés
issus des moyens de combinaison en signaux numérisés à plus
haute résolution. Il peut en outre comporter des moyens de
pondération pour modifier une partie au moins des signaux
nuniérisés issus des moyens de conversion avant leur application
aux dits moyens de combinaison ainsi que des moyens de
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transmission interposés (ligne de transmission , canal hertzien,
fibre optique etc), ces moyens étant appropriés pour la
transmission des signaux numérisés à basse résolution par
exemple. Les moyens de conversion en signaux numériques à
basW résolution et débit élevé comportent par exemple des
modulateurs delta-sigma à sur-échantillonnage, produisant des
trains de bits, et des blocs de mémoire adressables pour les trains
de bits correspondant respectivement aux différents signaux, les
moyens de combinaison comportent des moyens de sommation et
un ensemble de commande pour transférer sélectivement dans
les moyens de sommation des signaux numérisés lus à des
adresses sélectionnées dans les différents blocs de mémoire et
des moyens de filtrage pour transformer les signaux numérisés à
basse résolution issus du sommateur en signaux numérisés à
résolution plus élevée.
Les moyens de pondération peuvent comporter des moyens
de multiplication numérique des signaux numérisés issus des
blocs de mémoire, pour modifier à tout instant leur poids
relativement les uns aux autres avant leur application audit
sommateur.
Le procédé et le dispositif selon l'invention permettent avec
des modules locaux relativement simples et peu coùteux,
positionnés au voisinage d'emplacements de réception de signaux,
de transférer individuellement ces signaux à une station
d'acquisition et de les combiner à volonté plus simplement
qu'avec les procédés connus de façon à former des signaux
résultant avec une meilleure rejection du bruit de fond. Le
procédé et le dispositif allient une grande souplesse dans le choix
possible des combinaisons de signaux et un coût, plus réduit,
particulièrement intéressants quand on met en oeuvre un
ensemble important et complexe de capteurs de signaux comme
on le fait dans le domaine de la prospection sismique par
exemple.
D'autres caractéristiques et avantages du dispositif selon
l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description
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ci-après de modes de réalisation décrits à titre d'exemples non
limitatifs, en se référant aux dessins annexés où :
- la Fig.l montre un premier mode de réalisation du dispositif
appliqué à des capteurs tels que des capteurs sismiques; et
5 - la Fig.2 montre une variante du mode de réalisation précédent
incluant des moyens de pondération.
Suivant le mode de réalisation de la Fig.l, le dispositif est
associé à au moins un ensemble de capteurs G1, G2, ..., Gn
délivrant des signaux analogiques que l'on veut combiner d'une
façon particulière, modifiable à volonté et à tout instant. A cet
effet, on associe à chaque ensemble de capteurs, un module local
LMI, ... LMk. Chaque module LM1 à LMk comporte des éléments
DS1, DS2, ... DSn associés respectivement aux différents capteurs
G1 à Gn. Ces éléments convertissent le signal issu du capteur GI à
Gn associé en une suite de signaux numérisés ou mots
numériques à basse résolution, à une fréquence d'échantillonnage
élevée fixée par un élément de synchronisation local H1, H2, ...,
Hn. Les éléments DSI à DSn sont par exemple des modulateurs de
type delta-sigma produisant des mots numériques de 1 bit à une
fréquence égale à 512 * FNyquist. Les différents trains de mots
numériques issus des modulateurs DS1 à DSn de chaque module
local LM1, ... LMk, sont transmis à une station d'acquisition ou de
centralisation AU plus ou moins éloignée. Quand cette station est
éloignée, on utilise des voies de transmission telles que des lignes
ou fibres optiques de transmission Ll, L2, ..., Ln ou
éventuellement des canaux hertziens, comme décrits par exemple
dans la demande de brevet FR 92/10427 déposée par le
demandeur. La transmission des signaux sous la forme de trains
de bits, rend possible l'emploi de moyens de transmission
simplifiés.
A chaque module local LM1, ... LMk est associé dans la
station centrale AU, un ensemble CAMI, ... CAMk. Chacun d'eux
comporte une pluralité de blocs de mémoire adressables Mi, M2,
..., Mn recevant respectivement les trains de mots issus des
différents modulateurs MD1 à MDn. Les sorties des blocs de
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mémoire M1 à Mn sont connectées à n entrées d'un sommateur 1
adapté à sommer entre eux les mots extraits simultanément des
différents blocs de mémoire Ml à Mn. Les n entrées du
sommateur 1 peuvent être contrôlées individuellement de façon
à choisir à tout instant le nombre de mots différents qui y sont
transférés.
Les ordres de lecture des différents blocs de mémoire à des
adresses spécifiées et le transfert des mots lus à ces adresses
dans le sommateur 1, sont engendrés par un ensemble de
synchronisation 2. Le sommateur délivre des mots numériques
représentatifs de chaque somme effectuée et de même résolution
que les différents mots sommés. Si les mots numérisés sont du
type mono-bit, on recueille à la sortie du sommateur 1 le signe de
la somme effectuée.
La sortie du sommateur est connectée à un moyen de
transformation 3 du type filtre numérique décimateur capable de
transformer les mots à basse résolution et fréquence
d'échantillonnage élevée (sur-échantillonnage) issus du
sommateur en mots numériques à résolution élevée (mots de 16
ou 24 bits par exemple) et à les délivrer sur un bus 4 pour leur
transfert dans une unité de mémorisation centrale 5. La station
AU comporte par exemple un processeur programmable 6 du
type DSP pour effectuer différents traitements sur les mots
numériques contenus dans la mémoire centrale 5.
La taille de chaque bloc de mémoire M1 à Mn est choisie
pour pouvoir contenir tous les mots numérisés représentatifs
d'un événement. Il s'agit par exemple du signal analogique capté
par un géophone par exemple pendant une durée d'un cycle
d'émission-réception sismique soit plusieurs secondes. On peut
utiliser par exemple un mode d'écriture-lecture du type
"pipeline", les emplacements libérés à chaque lecture par leur
sommation dans le sommateur 1, servant à la mémorisation de
nouveaux mots numériques.
Par l'intermédiaire du processeur central 6, on peut changer
le mode de lecture des mémoires M1 à Mn de chaque module
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CAMI ... CAMk commandé par les ensembles de synchronisation
2. Par une sélection appropriée des adresses de lecture, on peut
facilement appliquer des déphasages entre les signaux combinés
par chaque sommateur 1. Cette disposition peut être utile pour
combiner électriquement les signaux de plusieurs capteurs
élémentaires disposés par exemple à des emplacements
différents les uns des autres. Par l'introduction de déphasages
convenables entre les mots lus dans les mémoires, on peut par
exemple obtenir un signal combiné semblable à celui que l'on
obtiendrait si tous les capteurs élémentaires étaient en un même
lieu.
Le mode de réalisation de la Fig.2 est analogue à celui de la
Fig.1. Il en diffère en ce que chaque module d'acquisition ou de
centralisation tel que le module CAMi représenté comporte en
outre un ensemble de pondération 7 interposé entre les blocs de
mémoire M1 à Mn et le sommateur 1. Cet ensemble de
pondération est adapté à appliquer à l'amplitude de chaque
signal mémorisé, un gain variable modifiant son poids relatif par
rapport aux autres signaux extraits des blocs de mémoire M1 à
Mn et transférés dans le sommateur 1. L'élaboration des
paramètres de déphasage et/ou de pondération est effectué par
exemple par le processeur 6 (DSP). Les gains à appliquer sur les
différentes entrées de l'ensemble de pondération 7 par
multiplication numérique, sont déterminés par le processeur
central 6 par l'intermédiaire de l'ensemble de synchronisation 2.
Un opérateur peut donc commander au processeur central 6 pour
que l'ensemble de pondération 7 applique -aux différents signaux
à sommer des gains appropriés de façon à améliorer si nécessaire
les signaux résultants.
Les entrées du sommateur 1 étant individuellement
contrôlables, un opérateur peut également commander
l'extraction sélective de mots numériques hors des blocs de
mémoire MI à Mn au travers du sommateur 1 et l'application aux
mots extraits, de traitements divers tels que des corrélations par
exemple, au moyen du processeur 6.
