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21~01'~2
1
L'invention a pour objet un système d'acquisition et de collecte
de signaux sismiques avec une décentralisation des fonctions,
adapté à la réalisation de campagnes d'exploration sismique à
grande échelle. Le système selon l'invention comporte une station
centrale 1 (laboratoire sismique) de coordination et de contrôle et
plusieurs ensembles autonomes d'acquisition et de collecte de
signaux sismiques adaptés chacun à gérer une partie d'un
ensemble complexe d'exploration sismique.
Dans le cadre d'opérations d'exploration sismique, il est
nécessaire de transférer vers une station centrale telle qu'un
camion-laboratoire, une masse souvent considérable de signaux.
Ces signaux sont captés par un ensemble souvent considérable de
récepteurs tels que des géophones disposés au contact du sol
au-dessus d'une formation géologique à étudier, en réponse à des
ébranlements émis par une source sismique et renvoyés par les
discontinuités du sous-sol.
La tendance actuelle, dans le cas des méthodes
d'exploration sismique dites 3D, à répartir sur une zone à
explorer, à terre, en mer, ou dans des zones côtières, souvent sur
2 0 plusieurs kilomètres, des récepteurs sismiques par centaines,
voire par milliers.
Les méthodes actuelles de prospection sismique comportent
l'utilisation d'unités locales d'acquisition répartis parfois sur une
distance de plusieurs kilomètres et destinés chacun à collecter les
signaux reçus par un ou plusieurs récepteurs, à les numériser et
les stocker dans une mémoire locale avant leur transmission en
temps réel ou différé à une station centrale par une voie de
transmission telles qu'un câble, une fibre optique, un canal
hertzien etc.
3 0 Différents systèmes de transmission de données sismiques
sont utilisés pour relier des unités locales d'acquisition à une
station centrale. Les liaisons peuvent être assurées au moyen de
câbles, de canaux hertziens, via un ou plusieurs relais éventuels,
ou encore combiner les liaisons par câbles et par voie hertzienne
,.
f'
' 2
comme indiqué par exemple dans les brevets FR 2.599.533,
r
2.538.561, 2.511.772 ou 2.627.652.
Dans le brevet FR 2 511 772 est décrit un système de
transmission où une station centrale communique directement
avec un premier ensemble d'unités locales d'acquisition au
moyen d'un premier canal hertzien et, indirectement avec un
deuxième ensemble d'unités locales d'acquisition par
l'intermédiaire d'un radio-relais, cet agencement mixte
permettant de s'adapter facilement à des modifications de la
topographie ou aux difficultés de liaison par radio dans les zones
où des campagnes d'exploration sismique sont menées.
Dans le brevet FR 2 608 780, est décrit un système
d'acquisition et de transmission de données simiques comportant
une pluralité d'unités locales d'acquisition de données sismiques
pourvus chacun d'une mémoire étendue suffisante pour
mémoriser les données d'une session complète d'enregistrement.
Ces données sont collectées ensuite en déplaçant sur le terrain
jusqu'au voisinage de chacun des unités locales, une mémoire de
masse telle qu'un disque optique numérique. Durant chaque
2 0 séance d'enregistrement, on utilise les moyens de transmission
entre les unités locales et le station centrale 1 pour transmettre
des données de test ou des portions réduites d'enregistrement, de
façon qu'un opérateur puisse surveiller le bon déroulement des
"tirs" sismiques successifs.
Dans le brevet FR 2.627 652, est décrit un système de
transmission semi-séquentiel permettant à des groupes d'unités
locales d'acquisition sismique, de communiquer simultanément
avec une station centrale, au moyen de plusieurs voies de
transmission hertzienne de fréquences différentes. Dans chaque
3 0 groupe, les unités locales reçoivent respectivement des numéros
d'ordre différents en fonction de leur place sur le terrain. Chacun
d'eux détermine l'écart entre son propre numéro d'ordre et un
numéro d'ordre reçu par radio et qui est celui affecté au premier
appareil de son groupe et quand son tour est venu, il s'attribue la
fréquence affectée au groupe auquel il appartient et il transmet
21~01'~2
t-.
3
les données qu'il a enregistrées. De cette façon, avec un ordre
unique, on peut commander le rapatriement semi-séquentiel
vers la station centrale de données émanant de groupes
déterminés d'unités locales d'acquisition.
Par le brevet FR 2 696 839, on tonnait un système de
transmission sismique pour un ensemble d'unités locales
d'acquisition de données sismiques réparties sur une zone
d'exploration. Les unités locales d'acquisition sont divisées en n
groupes et, à l'intérieur, en sous-groupes disposant chacune d'une
fréquence particulière de communication avec une unité de
concentration laquelle est reliée à une station centrale par voie
hertzienne ou par câble ou fibre optique. Des unités locales
d'acquisition dans les différents sous-groupes communiquent
simultanément avec l'unité de concentration correspondante
durant des fenêtres d'émission bien déterminées. Celle-ci
assemble les signaux reçus des unités locales d'acquisition pour
les transmettre en série à la station centrale. Les unités locales
d'acquisition sont adaptés à retarder leur propre fenêtre
d'émission selon le rang qui leur est préalablement assigné à
2 0 l'intérieur de leurs sous-groupes respectifs.
Par le brevet FR 2 692 384 du demandeur, on tonnait un
système d'acquisition de données comportant une pluralité
d'unités locales d'acquisition adaptées chacun à collecter des
données reçues par des récepteurs et de transfert des données
vers une station centrale de commande, d'enregistrement et de
traitement. Pour décharger la station centrale d'une partie de ses
tâches dans le cas où le volume de données à centraliser et à
traiter est considérable, on utilise des unités locales d'acquisition
pourvus, outre leurs processeurs de gestion comportent des
3 0 processeurs complémentaires de calcul programmés pour
effectuer des traitements sur les données avant leur
transmission: combinaisons diverses de signaux sismiques,
compression de données, contrôles de qualité effectués en temps
réel durant la phase de déploiement de l'équipement sismique
(récepteurs sismiques et électronique des moyens d'acquisition
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dans les unités locales Ai sur le terrain) etc, accessibles
immédiatement aux opérateurs sur le terrain.
Le système décentralisé selon l'invention permet le pilotage
d'opérations à grande échelle d'acquisition, de transmission et de
contrôle par un équipement sismique installé dans une zone
d'exploration, comportant au moins un ensemble de récepteurs
sismiques répartis sur la zone en n groupes (n>_ 1 ) pour recevoir
des signaux sismiques en réponse à des ébranlements transmis
dans le sous-sol par une source sismique, des unités locales
d'acquisition, de contrôle et de transmission de données
sismiques correspondant à des signaux reçus par les récepteurs
de chaque groupe de récepteurs, chacune de ces unités locales
comportant des moyens de calcul programmés pour l'exécution
de programmes d'acquisition des signaux sismiques, de
surveillance de l'équipement sismique local, et de traitement des
données sismiques reçues
Le système selon l'invention est caractérisé en ce qu'il
comporte n stations centrales locales de contrôle et de
concentration comportant chacune une unité de commande
comprenant des moyens de calculs programmés pour réaliser un
ensemble de fonctions réparties en tâches, permettant le contrôle
de l'exécution des programmes assignés à chaque unité locale et
une unité de concentration, sous le contrôle de l'unité de
commande, qui comporte des moyens pour communiquer avec
plusieurs unités locales par des voies de transmission bi-
directionnelles telles que des canaux hertziens, et des moyens
pour gérer les transmissions avec lesdites unités locales.
Pour les campagnes de prospection sismique impliquant un
équipement sismique particulièrement important, avec plusieurs
groupes d'unités locales chacune sous le contrôle d'une station
locale, on utilise de préférence une station centrale pour
synchroniser et commander les différentes stations locales.
De préférence, les liaisons entre les unités locales et les stations
locales sont effectuées par voie hertzienne ou par câble. Celles reliant les
stations locales à la station centrale sont de préférence des voies
hertziennes.
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De préférence, suivant un mode de réalisation, chaque station
locale comporte un micro-ordinateur pourvu de programmes de gestion de
tâches relatives à l'acquisition de données sismiques, aux échanges, à la
configuration, au contrôle, à la synchronisation et au test de l'équipement
sismique, impliquant une délégation sélective d'exécution aux unités locales
associées, ainsi qu'à une unité de concentration pour gérer les communications
avec les unités locales.
Chaque unité de concentration comporte par exemple un
processeur central associé à des modules de mémorisation et des
circuits d'adaptation avec des voies de communication avec les
unités locales.
De préférence, suivant un mode réalisation, la station centrale
comporte un micro-ordinateur pourvu de modules de mémorisation à grande
capacité, des moyens de contrôle et d'intervention par un opérateur comprenant
un terminal avec un écran haute résolution et une imprimante haute résolution,
une unité de concentration pour communiquer par voie hertzienne avec les
stations locales, le micro-ordinateur étant pourvu de programmes pour la
distribution aux stations locales de tâches touchant à la synchronisation, à
ia
réalisation d'opérations sismiques et de surveillance de l'équipement
sismique,
au rapatriement sélectif des données délivrées par les unités locales et des
programmes de traitement des données rapatriées. II peut comporter aussi des
moyens de mémorisation pour une base de données relatives aux conditions
opératoires et à la planification des opérations sismiques.
L'invention porte aussi sur une méthode pour piloter des
opérations à grande échelle au moyen de l'équipement sismique
précédent, qui comporte en combinaison:
- l'utilisation d'unités locales pourvues chacune d'un équipement
pour l'acquisition des signaux sismiques reçus par les
récepteurs (R) de chaque groupe de récepteurs, de moyens de
21~01'~2
d,
6
transmission et d'un micro-ordinateur auquel on associe des
f
programmes pour l'exécution d'opérations d'acquisition des
signaux sismiques reçus par les groupes de récepteurs associés,
de surveillance de l'équipement sismique local, de traitement
de ces mêmes signaux et de transmission sélective,
- le contrôle de l'exécution desdits programmes par les unités
locales de chaque groupe, en les reliant sélectivement par des
premières voies de communication à portée relativement faible,
à une station locale comportant un micro-ordinateur
programmé pour synchroniser le groupe d'unités locales associé
et piloter la réalisation d'un certain nombre de tâches
impliquant l'exécution desdits programmes par lesdites unités
locales, et, si le nombre n de groupes est supérieur à 1;
- l'utilisation d'une station centrale reliée par des deuxièmes
voies de communication sélectives distinctes des premières
voies, avec les stations locales pour la synchronisation et la
commande des stations locales, cette station centrale
comportant un micro-ordinateur pourvu de programmes pour
la réalisation d'opérations d'initialisation, de synchronisation
2 0 générale, de configuration et de surveillance du système et de
pilotage d'opérations sismiques, impliquant une délégation
sélective aux différentes stations locales pour l'exécution de
tâches définies
La structure du système selon l'invention permet à un
opérateur, tout en laissant une large autonomie à chaque
ensemble pour réaliser la collecte de l'ensemble de traces qui lui
est dévolu, de commander le rapatriement a la station centrale
de compte-rendus d'acquisition, dans le but de surveiller le bon
déroulement des opérations de collecte en cours, corriger des
3 0 défaillances éventuelles et aussi apporter des modifications aux
paramètres d'acquisition choisis pour ces ensembles.
Le système selon l'invention convient pour coordonner par
exemple l'activité d'ensembles d'acquisition avec des modes de
transmission pouvant être différents d'un ensemble à l'autre:
liaison par câbles de transmission, liaison par radio,
,. i _ ò
éventuellement système autonome de prospection sismique
t
marine participant à la couverture d'une zone à explorer.
D'autres caractéristiques et avantages du système selon
l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après de
modes de réalisation décrits à titre d'exemples non limitatifs, en
se référant aux dessins annexés où
- la Fig.l montre schématiquement le système selon l'invention
positionné sur le terrain avec différentes possibilités de voies
de transmission entre les éléments;
1 0 - la Fig.2 montre schématiquement une unité locale d'acquisition
R1U;
- la Fig.3 montre schématiquement une station locale LS de
concentration;
- la Fig.4 montre schématiquement un module de concentration
DCU à l'intérieur d'une station locale;
- la Fig.S montre un exemple de réalisation de moyens de
transmission radio dans le module de concentration DCU;
- la Fig.6 montre un organigramme des tâches accomplies par les
stations locales LS;
2 0 - la Fig.7 montre schématiquement la station centrale générale
SCC; et
- la Fig.8 montre un organigramme des tâches accomplies par
cette station générale SCC.
Le dispositif sismique schématisé à la Fig.l comporte un
ensemble souvent considérable (de plusieurs centaines à
plusieurs milliers) de récepteurs simiques R répartis à intervalles
les uns des autres sur une zone à explorer pour capter les ondes
sismiques renvoyées par des discontinuités souterraines, en
réponse à la transmission dans le sol d'ondes sismiques produites
3 0 par une source S, et une station centrale de commande et
d'enregistrement 1 où tous les signaux sismiques collectés sont
finalement centralisé par le moyen du système de transmission
qui va être décrit.
~1~01'~2
i_
s
Chacun de ces récepteurs R est constitué le plus souvent
r
d'une bretelle de capteurs élémentaires alignés g qui produisent
chacun une "trace sismique".
L'ensemble des récepteurs R sur le terrain est subdivisé en
n groupes GR1, GR2, ..., GRn comportant chacun un certain
nombre q de récepteurs R. Des unités locales d'acquisition et de
transmission RTU référencées BAll, ... BApI, ... BApk, ... BApn
sont placées sur le terrain, chacune pour numériser et
mémoriser temporairement les données sismiques recueillies par
un ou plusieurs récepteurs R de chaque groupe. Un groupe
quelconque GRk d'ordre k par exemple, comporte un certain
nombre q de récepteurs connectés respectivement à p unités
d'acquisition locales RTU référencées BAlk, BApk par exemple.
Les nombres p et q peuvent être différents si une partie au
moins des unités locales RTU (BAp2 par exemple sur la Fig.l ) est
chargée de collecter les données sismiques issues de plus d'un
récepteur sismique R. Un dispositif sismique peut ainsi comporter
par exemple plusieurs centaines d'unités locales RTU.
L'ensemble des unités RTU de chaque groupe est sous le
2 0 contrôle d'une station centrale locale LS de contrôle et de
concentration référencée LS1, LS2 ... LSi, LSj ... LSn.
Chaque station locale LS est adaptée à fonctionner de façon
autonome lorsque les opérations sismiques envisagées ne
concerne qu'un certain groupe local de récepteurs R associés à
leurs unités d'acquisition RTU.
Lorsque les opérations sismiques à réaliser impliquent
l'utilisation de plusieurs groupes locaux GR, on installe dans la
zone d'exploration une station centrale SCC de contrôle et de
synchorisation, qui est adaptée à communiquer par une voie de
3 0 transmission (un canal hertzien HC ou éventuellement un câble
L), avec les stations centrales locales LS.
Une source sismique S est mise en place sur le terrain et
mise sous le contrôle selon les cas, d'une station locale LS
lorsqu'elle fonctionne de façon autonome, soit de la station
centrale 1 dans un cadre d'opération plus vaste.
~~1~0~.72
.,
9
I) UNITÉS LOCALES D'ACQUISITION ET DE TRANSMISSION
t
(RTU)
Chaque unité locale RTU (BA1 à BApn) comporte un module
d'acquisition A adapté à collecter les signaux reçus par m (un ou
plusieurs) récepteurs sismiques différents R.
Chaque module A comporte par exemple (Fig.2) m chaînes
d'acquisition CA1 à CAm (m >_ 1) auxquelles sont appliqués
respectivement les signaux reçus par m récepteurs R du groupe.
Chaque chaîne comporte un filtre passe-bas F1 1, F12. ... Fm de
type V.H.F, un pré-amplificateur PA1, PA2,... PAm, un filtre
passe-haut F2 1 , F2 2 , ... F2m et un convertisseur
analogique-numérique (C.A.N) AD 1, AD2, ..., ADm pour convertir
les signaux analogiques amplifiés et filtrés en mots numériques.
Toutes les chaînes sont connectées à un microprocesseur de
gestion 2 traitant les mots numériques de 16 à 32 bits par
exemple, programmé pour gérer l'acquisition et les échanges avec
la station centrale SCC. Au microprocesseur 2 sont associés des
moyens de mémorisation de deux blocs de mémoire M1 et M2 et
une mémoire Mp pour les programmes.
2 0 Le processeur 2 est connecté à une unité SRTU d'émission-
réception E-R par radio ou par ligne, adaptée à la voie employée
pour la communication avec la station centrale 1.
Chaque unité émission-réception SRTU comporte un
oscillateur 4 du type VCO dont la fréquence d'oscillation est
déterminée par application d'une tension de commande issue
d'un filtre passe-bas 5. L'entrée du filtre 5 est connectée à la
sortie d'un circuit synthétiseur de fréquence 6 d'un type connu
comportant des boucles d'asservissement de phase (PLL) et un
pré-diviseur permettant d'appliquer à la fréquence de référence
3 0 définié par un quartz 7, un facteur de réduction programmable.
La sélection de ce facteur de réduction est opérée en
commandant sélectivement des commutateurs d'un ensemble de
commutateurs 8. Le signal appliqué à l'entrée du circuit
synthétiseur 6 est le signal de l'oscillateur VCO 4.
~~~Q1'~2
Les commutations permettant d'assigner une fréquence
particulière parmi un nombre déterminé (4 par exemple) de
fréquences disponibles pour chaque groupe GR, pouvent être
effectuées par un opérateur au moment de l'installation des
unités locales d'acquisition BA sur le terrain ou bien encore
transmise depuis la station centrale 1 par l'intermédiaire des
stations locales LS.
Les signaux à transmettre, délivrés par le processeur 2 sont
appliqués à un élément de codage COD du type NRZ par exemple,
10 puis amplifiés dans un étage d'amplification 9. Ils sont alors
appliqués sur une ligne de transmission L ou bien à l'entrée
"modulation" de l'oscillateur 4. La porteuse modulée disponible à
la sortie de l'oscillateur 4, est appliquée à une chaîne
d'amplification comportant un pré-amplificateur 10, un
amplificateur de puissance 11 et un filtre passe-bas 12, le signal
amplifié étant appliqué à une antenne d'émission-réception A par
l'intermédiaire d'un duplexeur d'antenne 13 d'un type connu.
Au duplexeur d'antenne 13 est également connecté un
récepteur de radio 14 adapté à recevoir les signaux de commande
2 0 codés issus de la station centrale 1, via l'unité locale LS, portés
par un signal à une fréquence bien déterminée commune à toutes
les unités locales d'acquisition RTU du groupe local GRk. La
démodulation des signaux reçus est effectuée en utilisant un
signal produit par le circuit synthétiseur de fréquence 6. Les
signaux démodulés issus du récepteur 14, sont décodés par un
décodeur approprié 15 puis transférés au processeur 2.
On utilise par exemple des unités locales RTU pourvues de
moyens de commutation automatique tels que ceux décrits dans
le brevet FR 2 511 772 précité, adaptées à communiquer avec la
3 0 station centrale indifféremment par voie hertzienne ou par lignes
de transmission. Avec ces moyens de commutation, la connexion
d'un câble de transmission L a pour effet de désactiver
automatiquement les moyens radios d'émission et de réception
inclus dans l'unité RTU et la station centrale SCC (I) est agencée
pour se commuter automatiquement sur la voie de
~1â01'~2
11
communication adéquate pour communiquer avec tout unité
r
d'acquisition RTU quel que soit son mode de connexion.
Le processeur 2 comporte un port d'entrée 16 pour la
connexion d'un élément d'interface 17 approprié au type de
liaison. ~n peut utiliser par exemple un récepteur optique à
infra-rouge tel que celui décrit dans le brevet FR 2 602 875 et
qui permet à un opérateur de communiquer des instructions à
l'appareil d'acquisition sans avoir à établir avec lui de liaison
matérielle.
Une connexion 18 est établie entre le processeur 2 et
l'ensemble de commutateurs 8, de manière que le facteur de
réduction appliqué par celui-ci et donc la fréquence d'émission
puissent être modifiée à volonté.
Les unités locales d'acquisition et de transmission RTU (BA1
à Bpn) sont placées par exemple dans des boitiers ou bouées
étanches permettant leur emploi dans des zones humides (lacs,
marécages, forêts etc).
Chaque module d'acquisition Ai comporte de préférence un
processeur 19 spécialisé dans certains calculs. I1 peut s'agir par
2 0 exemple d'un processeur à 32 bits à virgule flottante du type DSP
96002 fabriqué notamment par Motorola, qui est associé à un
dispositif du type DMA pour accélérer les transferts par blocs de
données entre les deux processeurs 2 et 19. A ce dernier, est
adjoint une mémoire de travail M3. Chaque appareil d'acquisition
comporte aussi une alimentation électrique autonome 20.
Le processeur 2 agit en maître. II a pour fonction de réaliser
le décodage des ordres transmis par la station locale LS associée,
et de gérer:
- l'acquisition des signaux des récepteurs R1 à Rm par les
3 0 différentes chaînes d'acquisition,
- les transmissions en relation avec l'unité d'émission-réception
SRTU;
- les mémoires M1 et M2 pour le stockage temporaire des
données;
- les entrées-sorties;
~~0~~~
12
- les interruptions entre programmes;
' - les échanges avec le processeur de calcul DSP 19 etc.
I1 est aussi programmé, lorsque le nombre de fréquences de
transmission radio affecté à chaque groupe est inférieur au
nombre total d'unités locales RTU, pour faire les calculs
nécessaires au positionnement de chaque fenêtre d'émission en
fonction du numéro d'ordre et de la fréquence assignés ainsi que
du rang fixé à l'appareil dans son sous-groupe, comme on l'a vu
précédemment. Les données nécessaires pour ces calculs de
positionnement peuvent être introduites dans chaque appareil au
moment de son implantation sur le terrain par exemple, au
moyen du boitier 17 (Fig.2) ou bien encore être transmises
depuis la station locale LS associée, avant le début d'opération
prévues d'enregistrement sismique.
Cette transmission des données de calcul peut dans ce cas
être faite par transmission via les stations locales LS 1 à LSn
(Fig. l ). La programmation concerne notamment toutes les
opérations nécessaires à l'affectation d'une fréquence de
transmission et au positionnement relatif des fenêtres d'émission
2 0 à partir du seul numéro d'ordre de l'appareil d'acquisition BA sur
le terrain, introduit au moment de sa mise en place.
Un processeur de calcul de type DSP présente l'avantage
d'avoir deux états différents, un état d'activité et un état de veille
caractérisé par une consommation électrique extrêmement faible,
quasiment nulle. Quand il a fini d'exécuter les traitements
commandés par le processeur 2 et que celui-ci le remet dans
l'état de veille, le processeur 19 est adapté à sauvegarder
automatiquement le contexte de calcul, ce qui évite à chaque
réactivation toute réinitialisation et donc toute perte de temps.
3 0 De par sa structure propre, le processeur DSP 19 est
pàrticulièrement adapté à effectuer à grande vitesse des
opérations telles que des conversions de format, des
multiplications de nombres complexes, des transformations de
Fourier du type FFT, des corrélations entre les signaux reçus et
les signaux émis, des filtrages numériques, des sommations de
2~~0~~~
13
t tirs successifs avec élimination des bruits perturbateurs de
nature non sismique, des combinaisons entre eux des signaux
délivrés par des récepteurs sismiques mufti-axes tels que des
géophones tri-axiaux par exemple, etc. Le processeur 19 peut
aussi mettre en oeuvre des algorithmes de compression de
données de façon à réduire le volume de données à transmettre
et donc réduire soit le temps de transmission soit la largeur de
bande hertzienne nécessaire etc.
Les pré-traitements accomplis localement avant
transmission, contribuent à réduire sensiblement le nombre de
tâches dévolues à la station locale associée LS et donc la
puissance de calcul qu'il faudrait autrement y installer quand le
nombre de traces sismiques à acquérir en temps réel est de
plusieurs centaines.
Cet arrangement à deux processeurs 2 et 19 offre, sans
affecter le déroulement normal des opérations de gestion par le
processeur de gestion 2, la possibilité de procéder en temps réel à
de nombreuses opérations préalablement à la transmission des
données à la station centrale 1. L'utilisation alternée des deux
blocs de mémoire M1 , M2 rend possible par exemple la
transmission de données collectées durant un cycle
d'émission-réception et pré-traitées durant la collecte des
signaux sismiques du cycle suivant par exemple. .
Les processeurs de calcul du type DSP étant très rapides,
leur durée d'activité à chaque cycle d'acquisition est relativement
réduite. Leur consommation électrique reste en moyenne très
faible par conséquent, ce qui les rend compatibles avec un emploi
dans des boîtiers d'acquisition pourvus d'une alimentation
autonome.
3 0 On peut utiliser avantageusement une mémoire Mp du type
mémoire permanente "flash" réinscriptible, de façon à
télécommander éventuellement depuis l'unité locale de contrôle
LS ou le boîtier de commande 17, le changement de certains jeux
d'instructions, ce qui permet de changer certaines fonctionnalités
22~01'~2
14
des unités locales d'acquisition et notamment de commander la
réalisation de pré-traitements par le processeur de calcul 7.
Le chargement à distance de programmes spécifiques, peut
notamment permettre l'exécution par chaque appareil
d'acquisition, de tests préalables des récepteurs R et des chaînes
électroniques d'acquisition.
Les opérations de tests ou qualifications de l'équipement de
terrain (récepteurs et/ou unités locales d'acquisition) sont
conduites par exemple comme décrit dans le brevet FR 2. 692
384 précité.
II) STATIONS LOCALES DE CONTROLE ET DE
CONCENTRATION LS:
II-A- DESCRIPTION:
Les stations locales de contrôle et de concentration LCS
référencées LS1,... LSk, ... LSn (Fig.l), sont adaptées à contrôler et
synchroniser respectivement les acquisitions de signaux
sismiques par les unités RTU de leurs groupes respectifs GR1, ...
GRk, ... GRn, et aussi à concentrer localement tous les signaux
2 0 collectés. Elles communiquent avec la station centrale 1 par voie
hertzienne de préférence, ou éventuellement par un câble de
transmission.
Chaque station locale LS comporte (Fig.3) réunis en un
même lieu, une unité de commande LCU et une unité de
concentration DCU affectée à gérer les communications de chaque
station locale LS avec les unités locales RTU d'acquisition soit par
voie hertzienne HCk, soit éventuellement par ligne Li (paire
torsadée).
Une voie de transmission série à grand débit HFL (entre 40
3 0 et 125 MBauds) de type coaxial ou à fibre optique, relie le
module d'interface AI avec l'unité de concentration DCU.
Chaque unité ce commande LCU comporte un module de
commande CU, communiquant par un bus IB avec des modules de
mémorisation MM (mémoires vives avec DMA et mémoires de
21501'2
ls
masse telle qu'un disque) et des modules d'interface SCI/CI, AI et
SI.
Le module d'interface SCI/CI permet la connexion
éventuelle sur le bus IB d'un module de commande d'une source
sismique, quand les opérations sismiques à effectuer ne
concernent qu'un groupe local déterminé GRi et la station locale
LSi associée. Par ce module d'interface SCI/CI, on peut également
connecter une imprimante sur support papier des traces
sismiques collectées.
Le module d'interface AI est interposé entre le bus IB et la
voie rapide HFL de liaison avec l'unité de concentration associée
DCU.II sert de mémoire-tampon pour les données arrivant par la
voie HFL, avant leur transfert dans les modules de mémorisation
MM.
Le module de commande CU est un micro-ordinateur avec
une carte-mère équipée d'un processeur de type 486 par
exemple, pourvu d'une mémoire vive de capacité suffisante (16
Moctets, beaucoup plus si néccessaire) et d'une mémoire de
masse pouvant atteindre plusieurs Goctets. Un terminal
2 0 utilisateur UI comportant un écran EC, un clavier KB et une souris
MO, permettent un dialogue avec un opérateur. Chaque station
locale LS comporte également une imprimante PR pour
l'impression des rapports d'opérations et aussi pour obtenir des
copies d'écran.
Pour les cas où une station centrale SCC est installée pour
synchroniser plusieurs stations locales LS, chacune de celles-ci
comporte un module de communication SRTU par voie hertzienne
(ou éventuellement par câble de transmission) pour
communiquer avec elle. Le module SRTU est par exemple
3 0 identique à celui utilisé dans les unités locales d'acquisition RTU.
Par cette voie de communication, comme on le verra par la suite,
chaque station locale reçoit de la station centrale SCC des ordres
et des paramètres de travail, et lui transmet à la demande des
données de contrôle provenant du groupe local GR associé. Le
~~~os72
V 16
module de communication SRTU est relié au bus IB par
' l'intermédiaire du circuit d'interface SI
Le module de concentration DCU (Fig.4) est chargé de
relayer la transmission des commandes du module de commande
CU vers les stations locales LS et en sens inverse, la transmission
des données sismiques. Le module de concentration DCU
comporte quatre cartes électroniques. Une première carte porte
un processeur central CPU, une deuxième, un circuit de détection
synchrone de ligne LSD qui communique par des ports
d'entrée/sortie P. On peut connecter un câble de transmission L à
ces ports P, lorsque le module de concentration DCU doit être
connecté par ce moyen aux unités locales RTU associées. Une
troisième carte porte des modules de mémoires FM pourvues
d'un DMA, accessibles par l'intermédiaire d'un bus d'échange
DMAB. La quatrième carte FOI porte un circuit d'interface
permettant des échanges entre un bus d'échange DMAB et la
carte d'interface AI (Fig.3). Les trois premières cartes CPU, LSD,
FM sont en outre reliées par un bus interne p.PB.
Chaque unité de concentration DCU comporte une unité
2 0 d'émission-réception radio CRTU, adaptée, quand ce mode de
liaison est possible, à établir des communications par voie
hertzienne avec les unités locales RTU. Cette unité CRTU comporte
(Fig.4):
- un circuit d'interface RI connecté au bus d'échange DMAB, au
bus interne p.PB et à un transmetteur radio Tx émettant suivant
le mode TFM (Tamed Frequency Modulation) bien connu des
spécialistes; et
- un circuit de détection synchrone de modulations hertziennes
RSD, connecté à un récepteur de radio Rx.
3 0 On affecte à chaque groupe GRk (Fig. l ) un certain nombre q
de fréquences de transmission fkl, fk2 ..., fkq. De préférence, ces
fréquences sont particulières à chaque groupe. Cependant, quand
le nombre de fréquences disponibles dans chaque groupe GR est
inférieur au nombre p d'unités locales RTU de ces groupes, on
répartit les unités locales de chaque groupe Gk en q sous-groupes
..
17
et on fixe des règles d'utilisation de ces fréquences en affectant à
chaque appareil d'acquisition une fenêtre d'émission en fonction
d'un numéro d'ordre et d'une fréquence d'émission, de la
manière décrite par exemple dans le brevet FR 2 692 384. Dans
ce cas, on programme aussi les processeurs 2 et 19 pour qu'ils
fassent les calculs nécessaires au positionnement précis de
chaque fenêtre d'émission dans chaque séquence de transmission.
On dispose les stations centrales locales de contrôle et de
concentration LS à des distances modérées des unités locales RTU
de façon à limiter à quelques 100 mW par exemple ou même
moins, la puissance d'émission radio nécessaire pour assurer les
communications. Les réglementations en matière de
télécommunications n'étant pas contraignantes pour ces faibles
puissances, on peut disposer sans difficulté d'un nombre
important de canaux de communication parallèles entre les
différentes unités locales RTU et la station locale associée. On peut
de ce fait restreindre beaucoup le nombre de canaux hertziens à
puissance plus élevée qui doivent faire l'objet d'une autorisation,
et les réserver pour les communications entre les stations locales
2 0 LS et la station centrale SCC.
Les communications entre les unités locales RTU sur le
terrain et les stations centrales locales LS, et entre celles-ci et le
station centrale 1, peuvent être accélérées si l'on transmet les
données sans messages d'acquittement interposés. Dans ce cas, on
choisit de préférence une méthode connue de transmïssion avec
entrelacement et détection d'erreurs pour minimiser l'influence
des perturbations éventuelles, telle que celle décrite dans la
demande de brevet FR 91/02243.
L'ensemble d'émission-réception Tx, Rx de chaque unité de
3 0 concentration DCU comporte par exemple (Fig.S) des moyens de
réception hertzienne comprenant q modules de réception HR 1,
HR2, ... HRq connectés en parallèle sur une antenne 21 accordés
sur les q fréquences fkl à fkq attribuées aux groupe GRi associé,
pour séparer des signaux reçus simultanément de q unités locales
RTU parmi les unités de ce groupe. Les signaux reçus, après leur
~15~~.'~~
18
séparation, sont placés dans des blocs de mémoire 221, 222, ...,
22q du type FIFO par exemple. Ces blocs sont commandés par un
module de synchronisation 23 adapté à gérer l'inscription
simultanée des signaux reçus en mémoire et leur relecture
séquentielle. Le mode de lecture adopté permet de transformer
un ensemble de q signaux différents reçus simultanément de q
unités locales d'acquisition du groupe GRk et stockés en mémoire
en un train de q signaux successifs qui peuvent être retransmis
sur une autre voie de transmission telle qu'un canal hertzien.
II-B FONCTIONNEMENT
Chaque station centrale locale LS commande les
déclenchements successifs de la source S, la transmission de
l'instant de "tir" TB aux unités locales RTU via les unités locales
de concentration DCU, l'acquisition par les différents unités
d'acquisition locales RTU, des signaux renvoyés par les
discontinuités du sous-sol et reçus par les récepteurs R1 à Rn et
ensuite, commande la centralisation des données mémorisées. Sur
commande de l'unité de commande LCU dans la station centrale
2 0 locale LS,, chaque unité locale d'acquisition RTU lui transfère les
données qu'elle a mémorisées via l'unité de concentration DCU.
Programmation des activités par tâches
Les différentes activités permettant le bon déroulement des
processus, sont fractionnées en tâches répertoriées, dédiées
chacune à un processus spécifique, qui se présentent chacune
sous la forme de programmes intégrés aux ordinateurs dans la
station centrale 1, dans les stations locales DCU et les unités
locales RTU.
Les tâches peuvent être réalisés en séquence ou bien
3 0 mises en concurrence par des commutations. Un programme de
répartition en temps réel gère le lancement ou l'interruption des
tâches en tenant compte de leurs degrés de priorité respectifs ou
leur reprise quand elles ont été interrrompues a) faute de
disposer à un instant de leur exécution de toutes les données
210172
19
néccessaires, ou b) à la réception d'un message d'interruption issu
' d'une autre tâche ou bien c) consécutif à un événement extérieur.
Pour définir une tâche, on tient compte de sa fonction, de
toutes les données nécessaires à son exécution, des programmes
_ de pilotage (drivers) requis, de toutes les interruptions que la
tâche impose et de son degré de priorité préétabli.
Les tâches peuvent accéder à une base de données
constituée de paramètres introduites par l'opérateur, des données
sismiques acquises et des paramètres de contrôle du système
sismique.
Les relations d'interdépendance des différentes tâches
réalisées par le système sismique sont représentées sur le
diagramme de la Fig. 6
Les principales tâches exécutées sont les suivantes:
1) Tâche de séc~uençement:
Cette tâche agit en machine dite à états (state machine)
pour distribuer entre les différentes tâches, les opérations à
réaliser soit à l'initiative de l'opérateur soit automatiquement dès
l'instant où le système est activé (alimenté électriquement). A cet
2 0 instant, les paramètres de la base de données peuvent être mises
à jour avec un jeu de paramètres préchargés dans les mémoires
de masse de la station centrale locale (paramètres par défaut), à
la fin d'une session précédente.
2) Tâche de dialogue
Cette tâche est impliquée dans plusieurs fonctions:
l'affichage de menus de dialogue entre l'opérateur et le système,
conserver, à sa demande, les paramètres choisis par l'opérateur,
mettre à jour les paramètres propres aux unités locales RTU,
sauver sur les mémoires de masse les paramètres du système,
3 0 ainsi que les paramètres imposés par l'opérateur, et restaurer le
contexte du processeur CU i.e son état, avant de quitter une
application en cours.
3) Tâche d'activation de l'équipement de terrain.
A cette tâche est dévolue:
.
a) l'initialisation de l'unité locale de concentration DCU avec
les paramètres de travail qui lui sont fixées,
b) l'initialisation des unités locales RTU transmettant par
voie hertzienne,
c) la vérification des câbles de transmission suivant une
procédure définie,
d) l'initialisation des unités locales RTU connectées par un
des câbles,
e) l'initialisation des unités locales d'acquisition RTU que
10 l'on configure pour l'acquisition de données auxiliaires (signature
de la source sismique par exemple, et
g) la vérification globale de l'équipement de terrain et
l'affichage de son état courant.
4) Tâche d'acquisition:
Cette tâche a pour objet de gérer les opérations de conduite
des cycles d'émission-réception sismique. Les fonctions réalisées
dépendent de la source sismique utilisée et du mode
d'acquisition.
- Si la source sismique est un vibrateur, il faut transmettre aux
2 0 unités locales les paramètres du balayage en fréquence que l'on
va imposer à la source et le mode de corrélation.
- Si l'opérateur veut que chaque station locale fasse des
combinaisons de traces (trace stacking) au moyen des
processeurs 2, 7 (Fig.2), il faut définir les normes de bruit,
définir le mode de combinaison et gérer sa réalisation ;
- initialiser les unités locales RTU avec les paramètres imposés
pour l'acquisition des signaux;
- gérer le contrôleur de source sismique i.e lui transmettre
l'ordre de déclenchement, recevoir et retransmettre aux unités
3 0 locales RTU le signal de commande du déclenchement (Time
Break) ainsi que les signaux confirmant le déclenchement
effectif;
- cadencer globalement le déroulement de chaque cycle
d'émission-réception; et
. ~ 21501'2
..
21
- redéclencher les cycles suivants à intervalles définis dans le cas
où l'on a choisi le mode automatique. de déclenchement
5) Tâche de transfert des données sismiques collectées
On assigne à cette tâche le soin d'envoyer à chaque unité
locale RTU par l'intermédiaire de l'unité de concentration DCU,
l'ordre nécessaire pour qu'elle transmette chaque trace sismique
mémorisée durant le cycle, suivant un protocole de transmission
défini.
Les traces sismiques sont reçues des unités d'acquisition
RTU sous forme de blocs comportant de 1 à 4 traces. La tâche de
transfert doit
- initialiser les circuits de DMA (Fig. 4) de l'unité de concentration
DCU pour chaque bloc,
- diriger chaque bloc reçu vers la base de données dans l'espace
mémoire du processeur central CU (Fig.3) dans la station locale
LS durant une "fenêtre" de temps très précise, et
- transférer le bloc précédent reçu par la liaison rapide HFL via le
module d'interface AI, dans les modules de mémorisation MM.
A chaque transfert, la tâche vérifie au minimum que la
2 0 trace transférée a été bien reçue.
6) Tâche de contrôle de qualité en temps réel
Cette tâche est responsable du contrôle de la validité des
données collectées au cours du cycle. La vérification prend en
compte deux paramètres principaux: le niveau de bruit et les
erreurs de transmission sur chaque trace. Les paramètres sont
présentés sur l'écran de l'opérateur sous une forme graphique
rendant immédiatement perceptible les traces défectueuses.
Chaque trace est précédée d'une en-tête (trace header)
définissant les paramètres opératoires suivis par chaque unité
3 0 locale RTU pour l'acquisition des signaux, ainsi que des données
annexes telles que la tension de la batterie d'alimentation
électrique, la température, les résultats des tests de l'électronique
de l'unité locale RTU etc. Les données de l'en-tête sont fournies à
l'opérateur sur sa demande.
. ~ ~1~0172
. . ..
22
Les différents programmes associés à chaque station centrale
t
locale LS, permettent de réaliser automatiquement par découpage
en tâches, de nombreuses fonctions complexes.
1) Etablir le dialogue par l'intermédiaire du terminal UI (Fig.3)
entre l'opérateur et lesunités d'acquisition RTU via l'unité locale
de concentration DCU, de façon qu'il puisse
a) fixer les valeurs à donner à tous les paramètres pour les
opérations d'acquisition, pour tester les équipements de terrain,
et
b) contrôler globalement le bon déroulement des opérations
sismiques.
2) Contrôler l'équipement sismique de terrain, i.e:
a) vérifier par des séquences de test préétablies, que les
voies de transmission canaux hertziens ou lignes) entre les unités
locales RTU et les stations locales LS, d'une part et celles entre les
stations locales LS et la station centrale 1, fonctionnent
correctement; et
b) initialiser chaque unité locale RTU en fonction des
paramètres fixés et vérifier que leurs fonctionnement est correct.
2 0 3) Acquérir les données de tir et les relire en vue de transferts:
Par cette fonction, on commande toute la séquence
d'opérations permettant de réaliser un cycle sismique et l'on
synchronise dans chaque station. locale, les échanges entre le
module de commande CU et le module de concentration DCU, via
le module d'interface AI, et organiser le chargement dans la
mémoire du module de commande CU des données sismiques de
chaque "tir" de façon à les relire correctement.
4) Contrôler la qualité des données simiques:
Cette opération menée dans chaque station locale LS sur les
3 0 données reçues des unités locales RTU, porte sur le niveau de
bruit des traces (mesuré de façon connue à la fin de chaque
période d'acquisition de signaux) qui permet de vérifier la
validité des données simiques. Elle consiste aussi à détecter les
erreurs de transmission éventuelles. Le résultat de ces contrôles
est représenté graphiquement sur l'écran de contrôle du terminal
21~01'~2
'~ 23
UI, de façon que l'opérateur puisse facilement identifier les traces
défectueuses ou constater des difficultés de liaison éventuelles
avec les unités locales RTU.
5) Enregistrer les données sismiques:
Par cette fonction, l'opérateur peut choisir le format
approprié: S.E.G-2, S.E.G-D pour l'enregistrement sur le support
disponible: disque, enregistreur D.A.T, enregistreur à bande etc.
6) Tester les équipements de terrain: bretelles de géophones,
appareillage électronique dans les unités RTU.
Cette fonction de test est réalisée en mesurant le bruit
sismique, le bruit électronique, la réponse des circuits de filtrage,
la distorsion, la diaphonie entre les chaînes d'acquisition CAl à
CAp (cf. Fig.2), la qualité du couplage des bretelles avec le sol etc.
III) Station centrale de commande SCC
La station centrale de commande SCC comporte sensiblement la
même structure et les mêmes blocs fonctionnels que ceux décrits
en relation avec les unités centrales locales LS avec cependant les
variantes suivantes:
2 0 - le terminal local de dialogue UI comporte un écran haute
résolution GD;
- l'unité centrale CU est équipée d'un processeur puissant de type
Pentium par exemple dans un environnement informatique
compatible PC;
- l'imprimante PR utilisée est d'un type permettant de tracer
avec une haute définition des coupes sismiques, des
cartographies, etc;
- la liaison de préférence hertzienne est utilisée a) pour le
téléchargement dans les stations locales LS, des paramètres
3 0 physiques et de la configuration du système de terrain pour les
opérations sismiques prévues; et b) pour la réception des
données de contrôle de l'acquisition sismique contenues dans
l'en-tête de chaque trace sismique, renvoyées à chaque "tir" par
les stations locales LS. L'unité de concentration DCU de la station
centrale SCC et le module de communication SRTU (Fig.3) de
~1~fl1~2
. i
24
chaque station locale possèdent chacun un certain nombre q de
voies de transmission (4 par exemple). De ce fait, q stations
locales LS communiquent simultanément avec la station
centrale SCC. A titre d'exemple, il faut 1 seconde pour
transmettre 1000 en-têtes de traces depuis chaque station
locale LS.
- Le bloc de mémorisation MM est de type amovible. I1 s'agit d'un
disque dur à très grande capacité ou d'un support magnétique
pour l'enregistrement de traces sismiques reçues des stations
locales LS en direct durant le cours d'opérations sismiques ou
bien en différé à partir d'un support magnétique (un disque ou
une bande enregostré localement par une station locale LS.
La station centrale SCC comporte en outre
a) une mémoire de masse de grande capacité DB pour mémoriser
une base de données constituée avec des données sismiques,
géographiques etc. Certaines données de la base peuvent être
aussi transférées sur le bloc de mémorisation MM; et
b) un scanner d'images ISC connecté au bus IB par l'intermédiaire
de l'élément d'interface SI. Ce scanner ISC est utilisé pour entrer
2 0 dans la base de données éventuellement une carte de géographie
de la zone où l'on effectue les opérations sismiques. Une telle
image de la zone d'opérations peut être utilisée pour faire
correspondre les points d'implantation des capteurs de terrain
avec des coordonnées géographiques précises. Dans ce cas, on
utilise la méthode de positionnement par satellite GPS décrite
dans le brevet FR 2 671 197 du demandeur.
Le nombre de voies de communication nécessaires pour les
échanges entre les stations locales LS et la station centrale SCC
étant réduit, on peut utiliser des canaux hertziens avec des
3 0 puissances d'émission plus élevée que celles des canaux hertziens
utilisés localement entre les unités locales BA et leurs stations
locales respectives LS.
Station centrale SCC: fonctionnement
La station centrale gère un certain nombre d'opérations de
commande et de synchronisation:
~1~0~.'~2
,_
1 ) Elle acquiert et communique aux stations locales des
paramètres physiques et opérationnels imposés par l'opérateur
lorsqu'il commande le système sismique depuis la station
centrale.
2) Pilotée par un logiciel de planification spécialisé d'un type
connu, la station centrale détermine aussi des ensembles de
paramètres correspondant chacun à une étape précise des
opérations sismiques, qui sont ensuite stockés dans la base de
données DB. Les ensembles de paramètres, dans une phase
10 préparatoire, sont transmis sélectivement à chaque station locale
LS et de là, distribué aux unités locales d'acquisition RTU . Les
paramètres rentrant dans la base de données DB sont par
exemple: le nombres de traces actives du dispositif d'exploration
sismique mis en place ainsi que leurs numéros, la position de la
source sismique, la définition des coordonnées successives des
différents emplacements de tir et des points de réception des
ondes sismiques, la période d'échantillonnage des signaux
sismiques captés, la durée d'enregistrement à chaque cycle
d'émission-réception, etc.
2 0 3) La station centrale SCC contrôle l'équipement sismique en
interrogeant chacune des stations locales LS à la suite des tests
qu'elles sont chargées d'effectuer.
4) Elle pilote l'acquisition des données simiques en lançant des
signaux de synchronisation à destination de toutes les stations
locales LS à chaque "tir" sismique.
5) Elle contrôle aussi la qualité des données sismiques acquises
ainsi que le bon fonctionnement des stations locales LS
connectées. Le contrôle de qualité est effectué à partir des en-
têtes de traces reçues de chaque station locale LS après chaque
3 0 cycle d'émission-réception sismique. Une partie des données
rapatriées concernant par exemple les coordonnées
géographiques des emplacements de réception sismique, acquises
par référence au satellite (système GPS), sert à la mise à jour de
la base de données DB. Si l'analyse des données trahit un
dysfonctionnement d'un élément de l'équipement sismique, la
~1~~1'~2
r ~' 2 6
station centrale SCC peut opérer un réajustement éventuel des
paramètres sismiques ou opérationnels définis précédemment.
6) La station centrale est adaptée également à effectuer des
traitements sismiques conventionnels à l'aide d'un logiciel
spécialisé interfacé directement avec les logiciels pilotant
l'acquisition des données sismiques. Les traitements sont
appliqués soit sur des traces sismiques directement rapatriées
des stations locales au fur et à mesure des acquisitions, soit en
différé sur des traces sismiques enregistrées sur une bande
magnétique ou autre support dans les stations locales LS.
On a décrit un mode de réalisation où la station centrale SCC
est placée à distance des stations locales. On ne sortirait pas du
cadre de l'invention toutefois, en plaçant la station centrale en un
même lieu que l'une des stations locales LS où en installant en un
même lieu une station locale pourvue des fonctionnalités
permettant de fonctionner aussi en station centrale.
