NO147618B - Apparat for bestemmelse av den relative posisjon av langstrakte elementer som slepes bak et fartoey - Google Patents

Abstract

Apparat for bestemmelse av den relative posisjon av langstrakte elementer som slepes bak et fartøy.

Description

Denne oppfinnelse angår et apparat for bestemmelse av posisjonen

av i det minste et langstrakt element i forhold til et annet langstrakt element, hvilke to elementer er innrettet til å slepes bak et fartøy. Oppfinnelsen er spesielt rettet mot et akustisk telemetri-apparat for å måle den relative avstand mellom de langstrakte elementene.

Apparatet omfatter et flertall sendere for akustiske bølger fordelt langs det annet element, og et flertall mottagere for akustiske bølger fordelt langs det første element, og et akustisk telemetrisystem til å måle den relative avstand ved å bestemme den tid som. det tar for akustiske pulser å forplante seg mellom senderne og mottagerne.

Den kjente teknikk på dette område kan ansees representert ved

de to US-patenter som skal omtales i det følgende:

US-patentene 3.831.136 og 3.840.845 omhandler systemer for ma-

rine seismiske undersøkelser, omfattende en anordning til å bestemme den relative posisjon av to seismiske kabler i forhold til hverandre, med en kilde for akustiske pulser anbragt på slepefartøyet og et flertall transdusere eller mottagere plas-

sert langs de to seismiske kabler. Den akustiske pulskilde er meget nær festepunktet for de to kabler på fartøyet. I betrakt-

ning av den store lengde av slepekablene kan avstanden mellom mottagerne og kilden være meget stor i forhold til avstanden mellom kabelens svinge- eller dreiepunkt og plasseringen av lyd-pulskilden. Den trekant som dannes av hver mottager, dreie-

punktet og sendeposisjonen, er meget langstrakt og avstanden mellom hvert mottagningspunkt og sendepunktet beregnet på grunn-

lag av forplantningstiden for akustiske pulser mellom disse punkter, er praktisk talt identisk med den avstand som på forhånd er kjent, som adskiller vedkommende mottagningsposisjon og dreie-punktet. Nøyaktigheten i målingene kan således ikke være meget god og avtar efterhvert som de parvise sendepunkter og mottag-ningspunkter blir mer og mer fjerntliggende.

Det nye og særegne ved apparatet ifølge oppfinnelsen består i første rekke i at de akustiske sendere er sammenkoblet i parallell ved hjelp av felles ledere og er innrettet til å sende bølger ved respektive frekvenser som er innbyrdes forskjellige, at de nevnte ledere er forbundet med en generator som sekvensmessig frembringer signaler på de respektive sendefrekvenser for senderne, og at de akustiske mottagere er sammenkoblet ved hjelp av felles ledere til telemetri-måleanordninger og er innrettet til hver for seg selektivt å motta akustiske bølger som kommer fra en av de akustiske sendere.

Apparatet ifølge foreliggende oppfinnelse gjør det mulig å opp-nå en nøyaktighet som er meget større enn ifølge kjent teknikk, ved bestemmelsen av den relative posisjon av langstrakte elementer, fordi senderanordningene er plassert langs en av de seismiske detektorkabler og følgelig er i vesentlig grad fjer-net fra disses befestigelsespunkt på fartøyet. Videre vil det spesielle telemetrisystem som er tilforordnet transduserne til-late måling av den innbyrdes avstand mellom kablene i flere særskilte punkter på disse, og i henhold til retninger som står i hovedsaken vinkelrett på lengderetningen av kablene.

Pulssenderne er innrettet til selektiv utsendelse av pulser ved bestemte frekvenser som adskiller seg fra hverandre, og hver mottager er innrettet til selektivt å oppfange akustiske pulser som skriver seg fra én enkelt sender. Dette nye og særegne trekk innebærer at man unngår nødvendigheten av å anvende sendere og mottagere med høy direktivitet og dette gjør videre apparatet ufølsomt overfor forskyvning av de langstrakte elementer i sin lengderetning (relativ bevegelse av elementene i deres felles sleperetning), hvilket i betydelig grad kan for-skyve de respektive samvirkende par av sendere og mottagere i forhold til hverandre.

Hvis alle sender/mottager-par skulle arbeide på én og samme frekvens, ville det være nødvendig å gjøre disse meget sterkt direktive og følgelig ville enhver merkbar forskyvning i lengderetningen virke til å gjøre mottagningen umulig slik at man ville få feil i målingen.

Et annet spesielt trekk ved apparatet ligger i at telemetri-systemet er innrettet til å frembringe en sekvens av forskjellige signalfrekvenser svarende til arbeidsfrekvensene for senderne og mottagerne, hvilket gjør det mulig å sammen-

koble de forskjellige sendere henholdsvis mottagere i parallell. Resultatet er en forenkling av koblingene og større pålitelighet.

Andre særegne trekk og fordeler ved oppfinnelsen vil fremgå av den følgende beskrivelse av en utførelsesform av et apparat som vist på tegningene, hvor: Figur 1 viser et arrangement av tre langstrakte elementer som

slepes bak et fartøy,

figur 2 viser skjematisk en anordning av transdusere koblet i

parallell,

figur 3 viser et perspektivriss av et transduserelement i en

kjede eller rekke av slike,

figur 4 viser skjematisk i snitt efter linjen A-A på figur 3

en transduser anbragt i det indre av et langstrakt element,

figur 5 viser skjematisk en senderanordning,

figur 6 viser et oversiktsskjema for en mottageranordning figur 7 viser skjematisk en ekko-detektor,

figur 8 viser skjematisk et system for fremvisning og behandling av telemetri-data,

figur 9 viser et kronogram for signaler frembragt av en modulator og en synkronisator,

figur 10 er et oversiktsskjerna for modulatoren, og figur 11 viser skjematisk synkronisatoren.

I den på figur 1 viste utførelse består de langstrakte elementer av seismiske sonde-elementer R^, R2 og R^, som har stor lengde og som slepes bak et fartøy med innbyrdes sideveis forskyvning fra hverandre.

Det akustiske telemetrisystem omfatter en anordning av trykktrans-dusere T,, T_, ... Tc tilforordnet hvert seismisk sonde-element.

12 6

Transduserne i hver anordning er plassert med jevne mellomrom i det indre av hver seismisk sonde og er koblet i parallell til et elektronisk system 2 installert på fartøyet (figur 2).

Hver transduser omfatter (figurene 3 og 4) et følsomt element 3 som f.eks. kan ha rørform og som er forsynt med to elektroder 43, 44 i kontakt med henholdsvis den indre og den ytre vegg. Hver av det følsomme elements ender er montert i en ringformet støtte 4 laget av et elastisk materiale som kan festes til den ytre mantel 5 for

den seismiske sonde.

I det indre av hvert følsomt element 3 og i aksielle passasjer gjennom støttene 4 er det ført en elektrisk kabel 6 med ledere som elektrodene 43, 44 i hvert følsomt element er forbundet med ved hjelp av respektive forbindelsesledere 7 og 8, samt slepekabler 9 som de ringformede støtter 4 er festet til.

De i eksemplet viste seks rørformede elementer eller sylindre 3 av keramisk»piezoelektrisk materiale i en transduseranordning svinger eller vibrerer i henhold til en longitudinal svingningsmodus med respektive seks forskjellige frekvenser. Som eksempel kan de seks frekvenser f,, f0 ... f, velges lik henholdsvis 22 kHz, 30 kHz,

J_ Z D

40 kHz, 52,5 kHz, 70 kHz og 93 kHz. Disse frekvenser er valgt blant dem som er angitt i IRIG-standardene (Inter Range Instrumen-tation Group).

Da hovedsvingefrekvensen for hvert følsomt element er omvendt proporsjonal med dettes lengde, er lengdene av de respektive føl-somme elementer eller sylindre 3 bestemt som funksjon av de valgte frekvenser f,, f„ ... f,.

± Z D

Hovedgrunnen til å anvende den longitudinale svingningmodus ligger

i det faktum at strålingsvinkelen for en sylinder som arbeider i henhold til denne modus, er uavhengig av frekvensen.

Den nevnte strålings- eller utsendingsvinkel 2 6 beregnet i grader er i virkeligheten gitt ved følgende relasjon: hvor t er lengden av sylinderen og A er bølgelengden som er knyttet til frekvensen f ved følgende relasjon:

I denne relasjon betegner c forplantningshastigheten og f resonans-frekvensen. Da frekvensen f er omvendt proporsjonal med lengden (fr ^ 2~g; følger det at strålingsvinkelen 2 6 er ± det vesent-lige lik 100°.

Da funksjonen av piezoelektriske,følsomme elementer er reversibel, kan den transduseranordning som er tilforordnet ett sonde-element, anvendes til å utsende akustiske signaler og til å motta slike signaler. Funksjonen av hver anordning bestemmes ved tilkoblingen av denne enten til en senderanordning eller til en mottageranordning.

Den midtre seismiske sonde R, (figur 1) er for eksempel forbundet med en senderanordning og de sonder R2, R3 som befinner seg på sidene, er f.eks. forbundet med mottageranordninger 2 (figur 2).

Som følge av at det anvendes multipleksering for sending og mottagning kan transduserne i hver anordning uansett deres antall, kobles i parallell til bare to ledere.

Senderanordningen (figur 5) omfatter en modulator 11 (M6V) styrt

av en synkronisator 12. Modulatoren omfatter like mange kanaler som sendertransdusere, i det foreliggende tilfelle 6. Under sty-ring av synkronisatoren 12 frembringer modulatoren 11 en puls som har bestemt repetisjonsperiode og som består av en kontinuerlig sekvens av signaler av frekvenser f,, f_ ... fc. De frembragte sig-1 z 0

naler forsterkes i en aperiodisk forsterker 13 (APE) og derefter overføres de til sendertransdusere anbragt i den sentrale seismiske sonde R^ og utsendes i form av en sekvens av akustiske pulser.

De akustiske signaler som suksessivt blir mottatt av transduserne

i hver seismisk sonde R2 og R3, overføres til mottageren 2 (figur 2) som i hver av to mottagerkanaler omfatter en aperiodisk forsterker 14 (figur 6) som har regulerbar forsterkning og hvis utgang er forbundet med inngangene på en demultiplekser 15 med seks kanaler og bestående av båndpassfiltre som fører de forsterkede signaler til respektive seks utgangskanaler svarende til de seks frekvenser

f^, f ... fg og en anordning 16 av seks ekko-detektorer som fra modulatoren 11 mottar de respektive signaler A^, A2 ... Ag.

En måleanordning 17 omfattende tolv numeriske telemeterinnretninger av kjent type mottar de signaler som frembringes av ekko-detektorene i hver av mottagerkanalene og måler forplantningstiden for de signaler med frekvensen f^, f2 ... fg som blir mottatt av transduserne i de to seismiske sonder. De målte verdier for forplantningstider anvendes i en beregnings- og fremvisningsanordning 24 for bestemmelse av avstanden mellom sendertransdusere og mot-tagertransdusere og å angi den relative posisjon av de tre seismiske sonde-elementer i forhold til hverandre.

Som det vil fremgå av det følgende, avgir synkronisatoren 12 signaler som begrenser de tidsintervaller SV^, SV^ ... svi2 (angitt forkortet som SV^^) <h>vorunder telemeterinnretningene har ordre om til anordningen 24 å overføre de forplantningstider som er målt og måletidsintervallene CM,, CM„ ... CM, (forkortet CM, ,) for de 1 £ b 1—b mottatte signaler, og et signal TBEM som bevirker igangsettelse av utsendingen ved hjelp av modulatoren 11. Ved hver endring av sendefrekvensen avgir modulatoren til synkronisatoren suksessive signaler TB^ TB2 ... TBg (forkortet TB^_g).

Hver ekko-detektor i anordningen 16 omfatter (figur 7) en første demodulator 18 som på en første inngang mottar ett av de mottatte signaler hvis frekvensen f^ utvelges av multiplekseren 15 blant frekvensene f^, ••• fg, og et referansesignal A^ = Aq cos 2 jj~ f^t frembragt av modulatoren 11, hvor A^ represen-terer ett av signalene A-^, A o ... Ag, hvor det mottatte signal er av formen E cos (2 77f^t + ip^) og hvor ip^ er den faseforskyv-ning som skyldes forplantningen av akustiske signaler utsendt på frekvensen f^, demodulatoren 18 multipliserer det mottatte signal med referansesignalet, og et lavpassfilter 19 fra det signal som leveres av denne demodulator utskiller et signal med amplitude

EA

—2~ cos ip^. En annen demodulator 21 frembringer likeledes pro-duktet av det mottatte signal faseforskjøvet 90 i en fasefor-skyver 20, med referansesignalet og et annet lavpassfilter 22 ut-velger et signal med amplitude EA o sin tp..

2

De signaler som fremkommer fra de to lavpassfiltre blir addert i en summeringsinnretning 23 som avgir et signal med amplitude <EA>o(sin ip. + cos ipf.) . En ekko-detektor 16 avgir bare signaler på 2 1 1

sin utgang når et ekkosignal er oppfanget av en av mottagerkjedene.

Beregnings- og fremvisningsanordningen 24 (figur 8) omfatter en beregningsinnretning 2 5 og et fremvisningssystem 2 6 omfattende f.

eks. et oscilloskop forbundet med en styreinnretning som har et tastatur 27. Dette omfatter taster S for å utvelge et sender/mottager-transduserpar blant de tolv par transdusere i de to seimiske sonder > R3 0<3 å styre fremvisningen av data levert av dette par,

og en tast OP for å overføre en manuell kommando fra operatøren. Fremvisningssystemet 26 og beregningsinnretningen 25 er forbundet med synkronisatoren 12 gjennom en ELLER-port 29.

En felles- eller busskabel 28 forbinder måle- eller telemeteranordningen med beregningsinnretningen og med fremvisningssystemet 26. På de data som beregnes av telemeteranordningen, kan beregningsinnretningen foreta diverse operasjoner, f.eks. rekursiv filtrering av første orden, i overensstemmelse med operatørens behov.

Et manuelt kommandosignal OP fra operatøren i fremvisningssystemet eller en automatisk puls frembragt av en intern klokke i beregningsinnretningen 25 blir ført til synkronisatoren 12 gjennom denne ELLER-port og utgjør en ordre betegnet TBEX (figur 9). Modulatoren 11 med seks kanaler og synkronisatoren 12 synkroniseres ved hjelp av en ekstern klokke 30 (H) med frekvens f . Ved begynnelsen av hver sendings/mottagnings-syklus overfører synkronisatoren 12

et signal IT til beregningsinnretningen 25 og til fremvisningssystemet eller -anordningen 26.

Modulatoren 11 omfatter (figur 10) en anordning av divisjonskretser eller -tellere 31 som dividerer frekvensen av referansesignalet som frembragt av klokken 30, med forutbestemte tall 2N^, 2N2 ••• 2Ng og frembringer samtidig signalene A,, A~ ... A, med respektive fre-

L Z b

kvenser f^, f2 ••• fg som anvendes i anordningene 16 for ekko-deteksjon (figur 6). Divisjonstellerne er koblet til en numerisk multiplekser 32 (MXN) som på suksessive kommandoer fra en adresse-38

teller(CAD) i sekvens leverer de seks signaler med frekvensen f , f2 ••• fg på de seks forskjellige utgangskanaler. Inkrementering av adressetelleren styres av en komparator 3 6 som på den ene side er forbundet med et internt register i en hukommelse 37. De re-feranseverdier som utleses fra suksessive adresser i hukommelsen, overføres til registeret på kommando av adressetelleren 38. Komparatoren 36 er på den annen side forbundet med utgangen av en teller 35 hvis inngang er forbundet med en utgang på multiplekseren 32 som i sekvens avgir signalene med frekvenser f^, f2 ... fg.

Adressetelleren 38 styrer likeledes en dekoder 3 9 og en analog multiplekser 34 (MXA) som er forbundet med utgangene på den numeriske multiplekser 32 ved hjelp av en filteranordning 33. Disse filtre har til formål å omdanne de suksessive kvadrerte signaler frembragt av den numeriske multiplekser, til sinus-formede signaler.

Funksjonen av modulatoren er som følger:

På kommando av et signal TBEM (figur 9) frembragt av synkronisatoren 12, blir adressetelleren inkrementert og styrer på den ene side overføringen av en første forutbestemt verdi til det register som er tilforordnet hukommelsen 37 og på den annen side omkobling av den numeriske multiplekser 32 og den analoge multiplekser, til signalfrekvensen f^. Resultatet av dette er en overføring av signaler av frekvens f-^ til telleren 35, som blir inkrementert inntil den indikerer en verdi identisk med den som er innført i det register som er tilforordnet hukommelsen 37. Signalet av frekvens f^ blir gjort sinus-formet av et filter i anordningen 33 og overføres til forsterkeren 13 (figur 5) gjennom de to multipleksere 32 og 34. Når komparatoren 36 detekterer likhet mellom telleren 35 og registeret tilforordnet hukommelsen 37, avgir den en puls som inkremen-terer adressetelleren 38 med en enhet og omkobler de to multipleksere 32 og 34 til signalfrekvensen f^- Den foregående syklus gjen-tas inntil avslutningen av den sjette syklus hvorefter funksjonen av modulatoren stanses inntil det ankommer en ny puls TBEM frembragt av synkronisatoren 12. De pulser som avgis fra adressetelleren 38 ved avslutningen av de foregående sykluser, bevirker at dekoderen 39 avgir pulser TB^, TB,, ... TBg (figur 9) som overføres til synkronisatoren 12 og definerer tidspunktene for suksessiv avslutning av sendingen på signalfrekvensene f^, f.^ -•• fg (figur 9).

Synkronisatoren 12 omfatter (figur 11) en divisjonsteller 40 forbundet med klokken 30 og innrettet til å levere pulser hvis frekvens er et submultiplum av klokkefrekvensen. Divisjonstelleren 4 0 mater en dekoder 41 som leverer en sekvens av pulser med en repetisjonsperiode lik intervallet mellom to suksessive sendingstrinn. Referanseutgangen 0 av divisjonstelleren avgir en puls IT som på-virker en første inngang på hver av seks flip-flop-kretser i en anordning 42. Den annen inngang på flip-flop-kretsene påvirkes henholdsvis av signalene TB^, TB2 ... TBg frembragt av dekoderen 39.

Referanseutgangene 1 til 12 frembringer respektive signaler

SV^, SV2 • •• svi2 overfØrt til telemeteranordningen 17. Referanseutgangen 15 frembringer det repeterende signal TBEM som definerer tidspunktet for begynnelsen av hvert sendingstrinn.

Signalene SV^, SV"2 ... SV^2 angir de respektive tidspunkter da telemeterinnretningene 17 får ordre om å overføre de målte forplantningstider til anordningen 24.

Flip-flop-kretsene i anordningen 42 blir på den ene side utløst av de respektive pulser TB^, TB2 ... TB^ og på den annen side av pulsen IT. Signalene CM^, CM2 ... CMg med firkantform og begrenset av utgangene fra flip-flop-kretsene (figur 9) blir overført til telemeteranordningen 17 (figur 6) og avgrenser de tidsintervaller under hvilke disse tillates å foreta målinger på de mottatte signaler .

Claims (9)

1. Akustisk telemetriapparat for å bestemme posisjonen av i det minste et langstrakt første element i forhold til et annet langstrakt element, hvilke to elementer er innrettet til å slepes bak et fartøy, omfattende et flertall sendere for akustiske bøl-ger fordelt langs det annet element, et flertall mottagere for akustiske bølger fordelt langs det første element, og et akustisk telemetrisystem til å måle den relative avstand mellom de langstrakte elementer ved å bestemme den tid som det tar for akustiske pulser å forplante seg mellom senderne og mottagerne, karakterisert ved at de akustiske sendere er sammenkoblet i parallell ved hjelp av felles ledere og er innrettet til å sende bølger ved respektive frekvenser som er innbyrdes forskjellige, at de nevnte ledere er forbundet med en generator som sekvensmessig frembringer signaler på de respektive sendefrekvenser for senderne, og at de akustiske mottagere ér sammenkoblet ved hjelp av felles ledere til telemetri-måleanordninger og er innrettet til hver for seg selektivt å motta akustiske bølger som kommer fra en av de akustiske sendere.

2. Apparat ifølge krav 1, karakterisert ved at senderne og mottagerne for akustiske bølger består av føl-somme elementer innrettet til å sende og motta bølger ved en av sendefrekvensene fra generatoren (10).

3. Apparat ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at generatoren omfatter en modulator styrt av et klokke-element for samtidig å frembringe signaler med forskjellige frekvenser, anordninger styrt av sammenligningselementer for frembringelse av en sekvens av de nevnte signaler med forskjellige frekvenser, og forsterkningsanordninger.

4. Apparat ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at måleanordningene omfatter forsterkningsanordninger for de mottatte signaler, skille-elementer for å dirigere de respektive mottatte signaler til forskjellige utgangskanaler i henhold til deres frekvenser, måleinnretninger for forplantnings-tidsintervallene for de overførte akustiske pulser og anordninger for fremvisning av de beregnede avstander samt synkroniserings-anordninger.

5. Apparat ifølge krav 4, karakterisert v e d at synkroniseringsanordningen omfatter elementer styrt av klokke-elementet for frembringelse av sekvenser av pulser som angir begynnelsestidspunktene for sending såvel som tids-intervallene for mottagning og deteksjon av de mottatte signaler.

6. Apparat ifølge krav 5, karakterisert ved at sammenligningselementene omfatter et telle-element for signaler med forskjellige frekvenser, et hukommelseselement for en samling av verdier og en komparator for å detektere likhet mellom tellingsverdier og hukommelsesverdier.

7. Apparat ifølge krav 4, karakterisert ved at skille-elementene omfatter skillefiltre og detektorer for de mottatte signaler.

8. Apparat ifølge krav 4, karakterisert ved at det omfatter en anordning til å foreta en behandling av de data som fremkommer fra måleanordningen.

9. Apparat ifølge krav 2, karakterisert ved at de følsomme elementer omfatter sylindre laget av et piezoelektrisk materiale innrettet til å svinge i henhold til en longitudinal svingningsmodus.