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1. WO2020002798 - PROCEDE ET SYSTEME D'ESTIMATION DE LA DERIVE D'UNE HORLOGE DE DATATION D'ECHANTILLONS DE DONNEES SISMIQUES

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PROCEDE ET SYSTEME D'ESTIMATION DE LA DERIVE D'UNE HORLOGE

DE DATATION D'ECHANTILLONS DE DONNEES SISMIQUES

La présente invention se rapporte à un procédé et un système d'estimation de la dérive dans le temps d'un paramètre physique de fonctionnement d'une horloge de datation d'échantillons de données sismiques.

L'invention appartient au domaine de la prospection sismique, qu'elle soit marine ou terrestre, et s'applique notamment à la minimisation des erreurs de datation des échantillons de données sismiques recueillis.

Toute horloge présente au fil du temps un certain décalage dans le temps, qui s'exprime par exemple par une erreur de phase accumulée, communément appelée « dérive ». Cette dérive est due à divers facteurs, dont le vieillissement de l'horloge ou encore la température de l'environnement dans lequel elle se trouve.

Cette dérive affecte aussi bien les horloges du type comportant un oscillateur à quartz (oscillateurs compensés en température TCXO, en anglais « Température Controlled Crystal Oscillators », ou oscillateurs compensés à microcontrôleur MCXO, en anglais « Microcontroller Compensated Crystal Oscillators, ou encore oscillateurs à quartz thermostatés OCXO, en anglais « Oven Controlled Crystal Oscillators ») que les horloges du type atomique (au rubidium ou au césium).

Lorsque l'horloge est utilisée pour dater des événements tels que des réceptions d'échantillons de données sismiques, la dérive de l'horloge induit des erreurs dans la datation de ces échantillons.

Les méthodes actuelles de correction de la dérive de l'horloge se fondent généralement sur l'hypothèse que cette dérive est linéaire et appliquent donc des corrections elles aussi linéaires. C'est le cas par exemple dans le document de brevet US-A-9 417 359. Cela signifie que, si par exemple une erreur accumulée de phase de l'horloge de 30 ms a été mesurée au bout de 30 jours de fonctionnement, on considère que la dérive est de 1 ms par jour et on rectifie d'autant.

Néanmoins, cette façon de procéder n'est pas satisfaisante car on

constate en pratique que la dérive de l'horloge n'est pas linéaire.

L'invention a pour but de remédier à au moins un des inconvénients précités de l'art antérieur.

Dans ce but, la présente invention propose un procédé d'estimation de la dérive dans le temps d'un paramètre physique de fonctionnement d'une horloge de datation d'échantillons de données sismiques associée à un nœud de collecte de données sismiques, notamment en mer avec un nœud adapté pour rester sur un fond marin, conforme à la revendication 1.

Il en résulte une erreur résiduelle de datation par l'horloge inférieure à l'erreur résiduelle obtenue lorsqu'on applique une correction linéaire à la dérive de l'horloge.

En outre, ce procédé peut être mis en œuvre, soit au sein même de l'équipement de collecte de données sismiques, soit dans un ordinateur séparé.

Par ailleurs, on peut estimer la dérive de l'horloge à tout moment à l'issue d'une campagne de collecte de données sismiques, voire même au cours de la campagne lorsque celle-ci a une durée particulièrement longue.

De plus, au cas où l'horloge est du type OCXO, ce procédé est robuste vis-à-vis du temps de chauffe du four de l'horloge.

Au surplus, ce procédé peut être appliqué indifféremment à tout type d'horloge, dont les horloges du type à quartz (dont TCXO, MCXO et OCXO) et les horloges du type atomique (dont celles au rubidium et celles au césium).

L'invention permet d'obtenir une estimation de bonne qualité de la dérive de l'horloge, ce qui permet d'appliquer une correction pertinente aux échantillons de données sismiques recueillis.

Des modes particuliers de réalisation sont énoncés dans les revendications dépendantes.

Dans le même but que celui indiqué plus haut, la présente invention propose en outre des procédés d'estimation de la dérive dans le temps d'un paramètre physique de fonctionnement d'une horloge de datation d'échantillons de données sismiques associée à un nœud de collecte de données sismiques, notamment en mer avec un nœud adapté pour rester sur un fond marin, conforme aux revendications 9, 10 et 12.

Toujours dans le même but que celui indiqué plus haut, la présente invention propose également un système d'estimation de la dérive dans le temps d'un paramètre physique de fonctionnement d'une horloge de datation d'échantillons de données sismiques associée à un nœud de collecte de données sismiques, conforme à la revendication 13.

Les avantages et caractéristiques particulières du système étant similaires à ceux des procédés, ils ne sont pas rappelés ici.

D'autres aspects et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples nullement limitatifs, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :

- la figure 1 est un organigramme illustrant de façon générale des étapes d'un procédé d'estimation de la dérive dans le temps d'un paramètre physique de fonctionnement d'une horloge de datation d'échantillons de données sismiques ;

- la figure 2 est un organigramme illustrant des étapes du procédé de la figure 1 dans un premier mode particulier de réalisation où le paramètre physique de fonctionnement est la fréquence instantanée de l'horloge ;

- la figure 3 est un organigramme illustrant des étapes du procédé de la figure 1 dans un second mode particulier de réalisation où le paramètre physique de fonctionnement est la phase de l'horloge ;

- la figure 4 est un organigramme illustrant des étapes du procédé de la figure 1 dans un troisième mode particulier de réalisation incluant une mission simulée ; et

- la figure 5 est un graphique représentant l'erreur accumulée de phase en fonction du temps, dans le cas d'une correction d'ordre 2 et dans le cas d'une correction d'ordre 3.

Dans toute la suite, on considère un nœud de collecte de données sismiques. Ces données sont collectées au moyen de divers capteurs sismiques, dont des capteurs de vélocité, des accéléromètres ou encore des hydrophones et/ou des géophones. A un nœud donné peuvent par exemple être associés trois géophones, ou un hydrophone et trois géophones, ou un hydrophone et trois accéléromètres, toute autre combinaison de capteurs étant envisageable. En particulier, bien que la collecte des données puisse être réalisée à terre ou dans un puits, dans un mode particulier de réalisation, on s'intéressera à une collecte de données sismiques en mer, par un nœud qui est notamment apte à être posé au fond de l'eau pour une campagne sismique avant récupération.

Une horloge est associée à ce nœud afin de dater les échantillons de données sismiques reçus par le nœud.

Sachant que, par exemple lors d'une campagne de collecte de données sismiques en mer, le nœud peut rester au fond de la mer pendant plusieurs mois, l'horodatage des échantillons de données sismiques est assuré par une horloge haut de gamme, présentant une stabilité élevée.

Cette horloge peut être du type à oscillateur à quartz (par exemple TCXO, MCXO ou OCXO) ou du type atomique (par exemple au rubidium ou au césium). Elle est définie par un paramètre physique de fonctionnement, qui peut être par exemple sa phase par rapport à une horloge de référence, ou encore sa fréquence instantanée.

Comme expliqué en introduction, au fil du temps et après une synchronisation initiale, l'horloge subit une dérive qui se traduit au bout d'une durée prédéterminée par une erreur accumulée de phase ou une erreur accumulée de fréquence instantanée.

La figure 1 illustre le procédé d'estimation de cette dérive conforme à l'invention dans sa généralité.

Il comporte une étape 10 de mesure d'une grandeur physique associée à l'horloge. On mesure cette grandeur physique, soit à des instants prédéterminés, soit pendant des périodes de temps prédéterminées.

Cette étape 10 de mesure est suivie d'une étape 12 au cours de laquelle on applique à cette grandeur physique une loi prédéterminée non linéaire de variation et notamment une loi polynomiale d'ordre supérieur ou égal à 2. On obtient alors une estimation de l'erreur accumulée de phase de l'horloge, cette erreur étant représentative de la dérive de l'horloge.

On détaille ci-après deux modes particuliers de réalisation de ce procédé d'estimation, selon que la grandeur physique choisie est la fréquence instantanée et/ou la phase de l'horloge.

Dans un premier mode de réalisation où on utilise comme grandeurs physiques à mesurer la fréquence instantanée et la phase de l'horloge, le détail de l'étape de mesure 10 est illustré par la figure 2.

Cette étape de mesure est réalisée en deux phases : lors d'une première phase, qui se déroule avant déploiement du nœud pour une mission de collecte de données sismiques, on mesure lors d'une étape 100 la fréquence instantanée initiale fi de l'horloge et on synchronise, lors d'une étape 102, un signal interne d'information temporelle du nœud par rapport à un signal d'information temporelle de référence.

Le signal interne d'information temporelle du nœud est produit par l'horloge. Elle fonctionne généralement à une fréquence de plusieurs MHz, par exemple 10 MHz et, par l'intermédiaire d'un diviseur de fréquence d'horloge, l'horloge fournit également un signal à une autre fréquence, de 1 Hz par exemple, qui est utilisé comme signal interne d'information temporelle ou PPS (impulsion par seconde, en anglais « Puise Per Second ») interne.

Ce PPS interne permet à un microcontrôleur d'horodater les échantillons de données sismiques reçus par les capteurs sismiques et avec l'aide d'un convertisseur analogique-numérique. Les données sismiques reçues sont mémorisées dans une mémoire, qui peut par exemple être du type « flash ».

Lors de l'étape 102, on cale ce PPS interne sur un signal de référence ou PPS externe, qui peut par exemple être fourni par un système global de positionnement ou GPS (en anglais « Global Positioning System »), sachant que lorsque le nœud est sur un navire de prospection sismique, il est généralement connecté à un récepteur GPS.

Cette opération de synchronisation ou calage peut être réalisée via l'envoi d'un signal de réinitialisation par le microcontrôleur à l'horloge.

Après synchronisation, il n'y a plus de différence de phase entre les PPS interne et externe.

A l'issue de cette première phase, le nœud est déployé et la mission de collecte de données sismiques se déroule pendant un certain nombre de jours, de semaines, voire de mois, l'horloge fonctionnant en permanence pendant la mission.

Dans l'exemple d'une collecte de données sismiques en mer, comme le signal GPS est électromagnétique, il ne traverse pas la colonne d'eau. Il reste donc inaccessible pour l'horloge. Le signal GPS peut également être inaccessible lors d'une collecte de données sismiques à terre.

Au fil du temps, l'erreur de fréquence instantanée de l'horloge induit une erreur accumulée de phase entre le PPS interne et le PPS externe. En effet, l'électronique horodate les données sismiques au moyen d'un signal censé avoir une fréquence constante de 1 Hz dans l'exemple décrit ici, mais en pratique, ce n'est pas le cas, car l'instabilité en température et le vieillissement des oscillateurs à quartz (TCXO, MCXO ou OCXO) ainsi que des oscillateurs atomiques (rubidium ou césium) ne sont pas négligeables.

L'erreur de phase accumulée peut être mesurée lorsque le PPS externe est disponible, c'est-à-dire, dans l'exemple d'une mission en mer, lorsque le nœud est rapatrié à bord du navire de prospection sismique et reconnecté au récepteur GPS.

Ainsi, lors d'une seconde phase, qui se déroule à la fin de la mission de collecte de données sismiques, lors d'une étape 104, on mesure la fréquence instantanée finale ff de l'horloge, ainsi que le déphasage final entre le PPS interne et le PPS externe.

En variante, cette seconde phase peut se dérouler à un instant prédéterminé au cours de la mission, auquel cas on mesure la fréquence instantanée de l'horloge à cet instant ainsi que le déphasage à cet instant entre le PPS interne et le PPS externe.

Lors de l'étape 12 d'application de la loi prédéterminée non linéaire de variation de la fréquence instantanée de l'horloge, on estime l'erreur finale de fréquence instantanée de l'horloge à partir des fréquences instantanées initiale fi et finale ff et du déphasage final.

Pour ce faire, conformément à l'invention, on formule l'hypothèse que la fréquence instantanée de l'horloge varie suivant une équation polynomiale d'ordre 2, d'où il s'ensuit que la phase de l'horloge varie suivant une équation polynomiale d'ordre 3 ; on pourrait prendre un ordre supérieur du polynôme.

Soit s(t) l'erreur de fréquence instantanée de l'horloge en fonction du temps t. L'équation polynomiale d'ordre 2 s'écrit :

e(ί) = 8i + a. t + b. ί2

où = e(0) désigne l'erreur de fréquence initiale et a et b désignent des coefficients prédéterminés.

L'erreur de phase accumulée est donnée par :

(p(t) = S s(t)dt

L'erreur de phase accumulée est donc donnée par l'équation polynomiale d'ordre 3 suivante :


Soit T l'instant de fin de la mission. L'erreur finale de fréquence instantanée et l'erreur finale de phase mesurées à l'instant T sont notées :

e(T) = Ef

f(T) = cpf

On peut alors calculer les coefficients a et b, étant donné qu'on dispose de deux équations à deux inconnues :


Ces coefficients peuvent être calculés soit dans le nœud, soit en post-traitement, dans un calculateur séparé.

Ce mode de réalisation, pour lequel la dérive temporelle de l'horloge est décrite suivant une équation d'ordre 3, n'est possible que si le nœud dispose d'un moyen pour mesurer précisément la fréquence instantanée de son horloge.

Estimer la dérive temporelle de l'horloge suivant une équation cubique permet de réduire l'erreur maximum de datation des échantillons sismiques par rapport à une équation d'ordre 2 ou parabolique.

En effet, utiliser une équation d'ordre 2 s'appuie sur l'hypothèse que la fréquence évolue dans le temps de manière linéaire. Or le phénomène de vieillissement des horloges fait varier la fréquence selon une loi non linéaire.

Ainsi, comme le montre la figure 5, qui représente l'erreur accumulée de phase (en secondes) en fonction du temps (en jours), l'erreur résiduelle de datation des échantillons sismiques a une forme de cloche lorsque la correction appliquée est d'ordre 2, avec le maximum d'erreur au milieu de la mission (courbe du haut sur la figure 5).

Ce phénomène est supprimé lorsqu'on utilise une équation cubique (courbe du bas sur la figure 5), ce qui minimise l'erreur maximum de datation.

En variante, au lieu d'une loi de variation de la fréquence fondée sur une équation polynomiale, on pourrait utiliser d'autres formes d'évolution, telles qu'une évolution logarithmique par exemple.

Avant déploiement du nœud, on peut réduire l'erreur de fréquence instantanée de l'horloge en effectuant une étape préliminaire de réglage de la fréquence de sortie de l'horloge de façon à réduire l'erreur de fréquence instantanée de l'horloge.

Cette étape peut être réalisée soit au moment de la fabrication de l'horloge, soit lors d'une maintenance de l'horloge. Les horloges du commerce disposent en effet d'une entrée permettant ce réglage. Cela permet de minimiser encore davantage l'erreur résiduelle de datation par l'horloge.

Pour prendre en compte les changements de température qui peuvent se produire notamment au début ou à la fin de la mission, en raison du déploiement ou du rapatriement du nœud et de l'électronique associée dans une eau froide par exemple dans le cas d'une mission en mer, on peut améliorer l'estimation de la dérive de l'horloge en introduisant un paramètre de température. En effet, la prise en compte de la température dans l'estimation de la dérive de l'horloge permet d'améliorer la précision de cette estimation.

A cet effet, avant déploiement du nœud pour une mission de collecte de données sismiques, on mesure l'évolution de la fréquence instantanée de l'horloge en fonction de la température de l'horloge. Puis pendant la mission, on mesure la température de l'horloge.

On introduit alors dans la loi de variation non linéaire de la fréquence instantanée de l'horloge un paramètre £Temv représentatif de l'erreur de fréquence instantanée d'horloge due au changement de température.

L'équation polynomiale d'ordre 3 donnant l'erreur de phase accumulée de l'horloge devient alors :


avec


La figure 3 illustre le déroulement du procédé conforme à l'invention dans un second mode de réalisation, où le paramètre physique de fonctionnement de l'horloge utilisé n'est pas la fréquence instantanée, mais la phase de l'horloge.

Dans ce mode de réalisation, l'étape 10 de mesure se déroule en deux temps.

Tout d'abord, avant déploiement du nœud pour une mission de collecte de données sismiques, on mesure lors d'une étape 200 la phase de l'horloge de façon continue pendant une période de temps prédéterminée DT1 de façon à connaître l'évolution de l'erreur accumulée de phase pendant cette période DT1.

Puis à la fin de la mission, on mesure à nouveau, lors d'une étape 202, la phase de l'horloge, de façon continue pendant une période de temps prédéterminée DT2, de façon à connaître l'évolution de l'erreur accumulée de phase pendant cette période DT2.

Ensuite, lors d'une étape 204, on estime l'erreur accumulée de phase pendant la mission, c'est-à-dire entre les deux périodes DT1 et DT2, en utilisant une méthode d'interpolation telle que par exemple la méthode des splines, une spline étant une fonction définie par morceaux par des polynômes. Cette méthode d'interpolation est connue en soi. Cet exemple n'est pas limitatif : on pourrait utiliser une autre méthode d'interpolation.

Ce mode de réalisation est avantageux en ce qu'il ne requiert pas de mesurer la fréquence instantanée de l'horloge. Il peut donc être mis en œuvre par une électronique encore plus simple que dans le premier mode de réalisation.

Dans un troisième mode de réalisation, illustré par la figure 4, en amont de la mission, on mesure lors d'une étape 300 l'erreur accumulée de phase au cours d'une mission simulée de collecte de données sismiques, en production ou en maintenance, à différentes températures. Cela constitue une forme de calibration. La loi décrite plus haut est ensuite appliquée pour estimer l'erreur accumulée de phase pendant une mission réelle, lors d'une étape 302.

Le système d'estimation de la dérive dans le temps de l'horloge conforme à l'invention peut comporter un module électronique ou informatique, soit embarqué dans le nœud, soit déporté dans un calculateur ou ordinateur ou circuit électronique séparé, capable de mesurer l'erreur de fréquence et/ou de phase de l'horloge au début et à la fin de la mission, ce qui permet d'estimer l'erreur de phase accumulée suivant un polynôme d'ordre 3, tandis que les équipements classiques sont seulement capables de mesurer la dérive de phase et donc d'estimer l'erreur de phase accumulée suivant un polynôme d'ordre 1.

Plus particulièrement, le module précité est configuré pour réaliser les étapes décrites plus haut en lien avec les figures 1 à 4. Lorsque le module est embarqué dans le nœud, il peut consister en une unité distincte des unités fonctionnelles déjà présentes dans le nœud, telles que le microcontrôleur du nœud, ou bien il peut être intégré fonctionnellement à de telles unités. A titre d'exemple, le microcontrôleur du nœud est configuré pour réaliser en outre au moins certaines des étapes décrites plus haut en lien avec les figures 1 à 4.