DE1931281A1

DE1931281A1 - Seismisches Forschungsverfahren

Info

Publication number: DE1931281A1
Application number: DE19691931281
Authority: DE
Inventors: Maurice Barbier
Original assignee: Societe Nationale des Petroles dAquitaine SA
Current assignee: Societe Nationale des Petroles dAquitaine SA
Priority date: 1968-06-21
Filing date: 1969-06-20
Publication date: 1970-01-02
Also published as: ES368624A1; JPS5116361B1; US3622970A; DE1931281B2; DE1931281C3; OA03324A; NL168623B; FR1583239A; GB1278628A; NL6909455A; NL168623C

Description

„Seismisches Forschungsverfahren"

Französische Priorität vom 21· Juni 1968 aus der französischen Patentanmeldung Nr. 155.964 (Seine)

Die Erfindung betrifft die Erforschung eines Mediums durch Energieübertragung in dieses Medium, d.h. insbesondere die geophysikalische Erforschung mit Hilfe von seismischen Wellen.

Dieses bereits für die Erforschung von Erdschichten oft verwendete Verfahren ist ebenfalls für die Unterwassererforschung von großem Interesse.

Sendet man von einem Punkt der Erdoberfläche bzw. von einem dieser Fläche naheliegenden Punkt, d.h. von einem sogenannten Sendepunkt aus, einen Energieimpuls, so folgen die im Boden entstehenden mechanischen Wellen verschiedenen Bahnen und werden insbesondere an Grenzflächen zwischen den geologischen Schichten unterschiedlicher Beschaffenheit reflektiert, wobei diese Grenzflächen als„Reflektoren" bezeichnet werden. Bei Verwendung geeigneter Meßfühler bzw. Me&werterfassungsgeräte wie z.B. Seismikrophonen ist es möglich, diese reflektierten Wellen an einem oder an mehreren Empfangspunkten zu empfangen. Man erhält hierdurch ein Signal, dessen verschiedene Komponenten, die einmal den Ankunftsseitpunkten der von den einzelnen Reflektoren suitfickgeworfenen Wellen entsprechen, auswertbar sind. Die Möglichkeit, die Zeit zu messen, die zwischen Sendeaeitpunkt und Erscheinen dieser

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Komponenten verstreicht, ermöglicht Rückschlüsse auf die jeweiligen Tiefen dieser Reflektoren, unter der Voraussetzung, daß man die Ausbreitungsgeschwindigkeit der mechanischen Wellen im Boden kennt. Die übrigen Komponenten des am Empfangspunkt aufgenommenen Signals bilden den sogenannten _nRausch"-Anteil. Dieser Rauschanteil setzt sich aus Wellen zusammen, die am Sendepunkt ausgesendet wurden, wobei diese jedoch Bahnen durchlaufen haben, die für die Berechnung der jeweiligen Tiefe der geologischen Schichten ohne Bedeutung sind.Hierbei handelt es sich ebenfalls um Wellenanteile, die auf eine große Anzahl von Faktoren zurückzuführen sind, die in keinem Verhältnis zur Signalquelle im Sendepunkt stehen.

Vorausgesetzt, daß es sich im Sendepurikt um eine ausreicher

starke Signalquelle handelt, so werden die auswertfähigen und für die Berechnung entscheidenden Anteile des Signals direkt empfangen bzw. ermittelt, wobei ihre Amplitude über der des Rauschens liegt und demnach unverwechselbar ist. Das gleiche Prinzip gilt für die bisher verwendeten herkömmlichen Verfahren der Erforschung bei Einsatz von großen Explosivladungen. Die Anwendung derartiger Verfahren ist jedoch recht schwierig und darüberhinaus entsteht bei der Explosion unter Wasser eine Gasblase, die wiederum störende Nebenerscheinungen ins Feld führt.

Handelt es sich demgegenüber bei den ausgesendeten Wellen um solche geringer Amplitude, so können die Teile des aufgenommenen Signals, die den von den verschiedenen Reflektoren zurückgeworfenen Wellen entsprechen, nur sehr schwach oder überhaupt nicht vom Rauschanteil unterschieden werden.

Man unterscheidet demnach bei der Verwendung solcher Wellen für die seismische Erforschung zwei Arten von Verfahren, d.h. einmal die sogenannten Impulsverfahren und zum anderen die mit langen Signalen arbeitenden Verfahren.

Die Impulsverfahren beruhen auf folgendem Prinzip: Ausgehend von einem relativ starken Energieimpuls wird mit Hilfe einer Gaskanone oder beispielsweise einem Funkengenerator eine mechanische Welle in den Boden übertragen. Im Beispiel der letzt-

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genanntn Funkengeneratoren läßt der erzeugte Funke eine Energie freiwerden, die im allgemeinen über 5.000 Joule liegt und 100.000 Joule erreichen oder sogar übersteigen kann. Der Aussendung dieses Impulses folgt eine sogenannte „Horchperiode¹¹, der am Empfangs· punkt eine Aufnahmezeit entspricht, die zumindest gleich dem Zeitintervall ist, das dem Hin- und Rückweg der Welle gegenüber dem tiefstliegehden Reflektor entspricht, den man erreichen will. Am Ende dieser Horchperiode sendet man einen zweiten Impuls gleicher Abhörzeit aus, usw., d.h. man überlagert somit die nacheinander aufgenommenen Signale und addiert in einem sogenannten „Stacking¹¹-Verfahren die jeweiligen Amplituden dieser Signale» Während dieses Verfahrens nehmen die Rauschkomponenten ihrem Relativwert nach ab, während die den reflektierten Impulsen entsprechenden Signalkomponenten sich addieren und somit Spitzen bilden, die leicht erfaßbar sind, wobei deren Abszissen den gesuchten Laufzeiten entsprechen.

Es ist hiermit leicht einzusehen, daß mit steigender Zahl der ausgesendeten Impulse sich die Darstellung der auswertbaren Spitzen verbessert, wobei sich jedoch ebenfalls die Gesamtauswertzeit für jeden Reflektor erhöht. Dies bringt Nachteile mit sich in Fällen, in denen sich die seismische Erfassung auf den Meeresboden bezieht und insbesondere dann, wenn sich die Impulsquelle sowie ck¹ oder die Empfänger lagemäßig ständig verändern, wie dies im Fall£ eines Expeditions- bzw. Forschungsschiffs der Fall ist. Das heißt somit, daß sich der Spiegelpunkt eines gegebenen Reflektors stäslig fortbewegt. Unter diesen Voraussetzungen kann lediglich eine geringe Anzahl von Impulsen eine ausreichend schmale Zone des Reflektors erreichen, die als charakteristisches Merkmal eines Punktes dieses Reflektors angesehen werden kann. Diese Impulszahl ist umso begrenzter, umso größer bei gegebener Geschwindigkeit des Schiffes der Gradwinkel· des Reflektors ist. Die durch Addition dieser begrenzten Anzahl von nacheinander empfangenen Signalen erreichte Aufnahmequalität, leidet unter diesem Umstand.

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Dieser Nachteil könnte dadurch aufgehoben werden, daß man die Energie der ausgesendeten Impulse erhöht, was wiederum wesentlich kompliziertere und teurere Geräte erfordern würde, deren akustischer Wirkungsgrad im allgemeinen mit steigender Sendeenergie sinkt.

Im Gegensatz zu den Impulsverfahren entstehen bei den mit langen Signalen arbeitenden Verfahren mechanische Wellen, die aus einem Steuersignal entstehen, dessen Dauer im allgemeinen übe der Laufzeit dieser Wellen zwischen Sender und Empfänger und nach Reflexion am tiefstliegenden und zu ermittelnden Reflektor liegt. Die Amplitude der ausgesendeten Wellen ist demnach wesentlich geringer als dies innerhalb der Impulsverfahren der Fall ist. Es können somit sinusförmige mechanische Wellen unterschiedlicher Frequenz ausgesendet werden und zwar mit Hilfe von Vibratoren bzw sehr schnell aufeinanderfolgende Impulsfolgen, deren Hüllkurve eine veränderliche Frequenz aufweist und dies mit Hilfe von leich ten Funkengeneratoren, die mit sehr schneller Arbeitsfolge arbeiten können. Um Methoden dieser Art handelt es sich beispielsweise in den französischen Patentschriften Nr. 1 112 455 (Continental Oil) und Nr. 1 299 570 (Jersey Production Research).

Die mit langen Signalen arbeitenden Verfahren haben den Vorteil, daß sie mit Sendern relativ niedriger Leistung auskommen. Bewegen sich wie im vorgenannten Fall der Anwendung _: innerhalb der Unterwasser-Seismik Sender und Empfänger ständig mit der Geschwindigkeit des Schiffes weiter fort, so wird jedes Signal, d.h. jedes lange Signal nicht nur auf einem einzigen Spiegelpunkt reflektiert, sondern auf einem Ausschnitt des durch den Spiegelpunkt abgetasteten Reflektors,woflurch die Wirkung, von Störungen des Reflexionskoeffizienten beseitigt wird, d.h. von Störungen, die entlang eines Reflektors entstehen könnten. Es ergibt sich hierdurch eine Art räumlicher Integration der vom Reflektor ausgehenden Signale.

Die Ermittlung der einzelnen Laufzeiten der durch ein langes Signal erzeugten Wellen folgt einem bestimmten Änderungsgesetz und wird durch ein Korrelationsverfahren erwirkt,

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d.h. einer Korrelation zwischen empfangenen und ausgesendeten Signal, wobei es sich um ein von Spezialisten bekanntes Verfahren handelt, dessen Prinzip nachstehend kurz erläutert werden soll.

Im Falle einer seismischen Erforschung sei beispielsweise eine mechanische Energiequelle in einem Sendepunkt angenommen, von der aus in den Boden, mit Hilfe eines geeigneten Steuersignals,eine Reihe von mechanischen Wellen übertragen wird, deren Amplitude von der Zeit f (t) abhängt und deren Dauer T beträgt, wobei g Ct) das Änderungsgesetz des empfangenen Signals ausdrückt, das in Abhängigkeit von der Zeit t aufgezeichnet wird.

Die Funktion g (t) entsteht aus der Oberlagerung des

Rauschens einer oder mehrerer Analog-Funktionen zu f (t), die zeitlich gesehen um die Reflexionszeit der ausgesendeten Wellen versetzt sind, wobei es sich bei den Funktionen f (t) und g (t) um bekannte Werte handelt.

Das mathematische Prinzip der Korrelationsmethode dieser beiden Funktionen besteht darin, zu jedem Zeitpunkt den Amplitudenwert der einen mit dein der anderen zu multiplizieren und das Ergebnis dieser Multiplikationen für jeden Zeitpunkt mit der Dauer T des ausgesendeten Signals zu integrieren. Das Ergebnis dieses Vorgangs ist eine Zahl. Um die Interkorrelationsfunktion dieser beiden Funktionen zu erhalten, führt man die genannte Manipulation durchund führt dabei eine Zeitverschiebung f^ein, bzw. eine Phasenverschiebung zwischen den beiden Signalen wobei ihre darstellenden Funktionen f (t) und g (t) sind. Dieser Vorgang wird wiederholt, indem nacheinander die Werte für ^verändert werden.

Als Interkorrelationsfunktion von f (t) und g (t) in einer Zeit T nennt man:

k(T, *V) ^sJq fCt) g(t

Für einen gegebenen Wert T bietet die Funktion k(T,*^) ein oder mehrere Maxima für die Werte ^₁, *£₂, -^₃ ... entsprechend den

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Zeiten, die die aisgesendeten Wellen benötigten» um nach Reflexion an den Reflektoren R₁, R„ und R₃ ..'. wieder zu einem Empfangspunkt zu gelangen.

Das Interesse dieses Verfahrens liegt darin, daß alle zufällig oder nicht mit den ausgesendeten Wellen im Zusammenhang stehenden Komponenten ihrem Relativwert nach während der Multiplikationen sowie der Integration der Korrelation verkleinert werden, während die direkt den ausgesendeten Wellen entsprechenden Komponenten für gewisse Werte verstärkt und addiert werden, wobei diese Verschiebungswerte *V den Laufzeiten der an den einzelnen Reflektoren reflektierten Wellen entsprechen.

Diese Methode ermöglicht die Energieaufteilung für eine bestimmte Messung und ermöglicht gleichzeitig eine sehr wirksame Ortsbestimmung der jeweils angetroffenen Reflektoren.

Das beim Einsatz des Verfahrens größte Problem liegt darin, die bestmöglidie Definition der Maxima der Interkorrelation funktion zu erhalten. Um die Wirkung des Rauschanteils gegenüber der Amplitude dieser Maxima weitgehendst zu verringern» muß eine ausreichend lange Integrationszeit T gewählt werden. Darüberhinau geht es darum, eine Gesetzmäßigkeit für die Aussendung der Wellen f (t) zu finden, die sich mit dem Erhalt der genannten Maxima ver einbart. Das nachfolgende Beispiel dient zur Erläuterung dieses Sachverhalts:

Beschränkt sich die Funktion f(t) auf einen einzigen Impuls, so wird die Funktion g(t) einen entsprechenden Impuls und darüberhinaus einen gewissen Rauschanteil umfassen. Die obengenannte Interkorrelationsfunktion k(T, T) würde eine einzige, der Zeit "f entsprechende Spitze aufweisen, d.h. der Laufzeit für den vom Reflektor Rj reflektierten Impuls.

Ist die Funktion f(t) aus zwei Impulsen praktisch glei· eher Amplitude gebildet, so umfaßt das empfangene Signal g(t) zwei entsprechende Impulse, die um das gleiche Zeitintervall O voneinander getrennt sind. Die Interkorrelationsinktion weist demnach ein Amplitudenmaximum für die Zeit X. und zwei entsprechen·

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de Stellen geringerer Amplitude für die Zeiten "^₁ + S ^und ^auf ·

Hieraus geht hervor, daß bei der Bestimmung der Interkorrelationsfunktion eines ausgesendeten und eines empfangenen Signals an den Seiten eines Maximum dieser Funktion und bei einer zeitlichen Verschiebung X₁ infolge eines Reflektors R₁ Spitzen oder Sekundärkeulen zu beobachten sind, die auch als Korrelationsreste bezeichnet werden und weniger ausgeprägt sind als das zwischen ihnen liegende Maximum, die jedoch nicht mit den gewöhnlichen Rauschanteilen des Bodens zu verwechseln sind. Die Anwesenheit dieser Sekundärkeulen ist jedoch abträglich, da sie dazu führen könnten, mit anderen Maxima der Interkorrelationsfunktion verwechselt zu werden, die aus Reflexionen von Wellen entstanden sein könnten, die tiefer liegende Reflektoren wie R₁ erreicht haben, wie z.B. R₂ und R₃ und deren Amplitude demzufolge gedämpft

Darüberhinaus hängt die Größe der Sekundärkeulen von

der Form der Beziehung f(t) ab und es ist demzufolge erforderlich, die Funktion f(t) entsprechend auszuwählen und diese während .einei Zeit wirken zu lassen (Zeit T), innerhalb der diese Sekundärkeulen der Interkorrelationsfunktion k (T,^) mit g(t) sich nicht aus dem Rauschanteil des empfangenen Signals herausheben, so daß diese in der Praxis eine Amplitude aufweisen würden, die beispiels weise weniger als ein Zehntel der Maximalamplitude betragen würde Die Auswahl der Funktion f(t) sowie der Zeit T führt hinsichtlich der Einhaltung dieser genannten Bedingungen zu der nachfolgend bezeichneten Form der Autokorrelationsfunktion h(T,

MT

Ά ^{= T} -v . 1 f(t) f(t +Ύ ) dt ;

, T) = J t = ο

Diese Funktion bietet ein Maximum für T= o, wobei ihre Form einen Amplitudenvergleich zwischen den Punkten der Sekundärkeulen und dem des Maximums ermöglicht. - "

Hinsichtlich der Verarbeitung der erhaltenen Informationen sei gesagt, daß Verfahren mit langen, sinusförmigen Signa-

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"len bzw· kurz aufeinanderfolgenden Impulsfolgen, deren Frequenz sich darüberhinaus noch ändern kann, mitunter Schwierigkeiten verursachen können und demzufolge schwer erstellbare Generatoren zur Erzeugung mechanischer Wellen erfordern, die kostspielig und mitunter störanfällig sind.

inerhalb der US-Patentschrift Nr. 3 326 320 (Forester) wurde ebenfalls ein mit langen Signalen arbeitendes Verfahren vorgeschlagen, bei dem die Kennimpulse veränderlicher und im allgemeinen abfallender Amplitude in den Boden übertragen werden· Eine erste Impulsfolge wird ausgesendet und ein erstes, hiex&is resultierendes Signal aufgenommen, anschließend wird eine zweite Im-" pulsfolge ausgesendet und ein zweites resultierendes Signal aufgenommen, wobei das Vorzeichen dieses letzteren umgekehrt ist· Das zwite, somit umgekehrte Signal wird dem ersten resultierenden Signal hinzugefügt und die Summe der beiden Signale mit dem ausgesendeten Signal interkorreliert.

Ein Verfahren dieser Art bringt gewisse Vorteile der mit den herkömmlichen langen Signalen arbeitenden Methoden und ermöglicht eine anscheinend leichtere Anwendung· Die Aussendung mechanischer Impulse unterschiedlicher Amplitude bringt jedoch hinsichtlich einer guten Reproduktionsfähigkeit einige Schwierigkeiten mit sich, wobei gerade dieses letztgenannte Erfordernis zum Erhalt einer günstigen Interkorrelationsfunktion unbedingt erfüllt werden muß.

Andererseits erfordert dieses Verfahren zwei Abhörintervalle innerhalb eines Sendezyklus. Schließlich birgt die Verarbeitung der Signale innerhalb dieses Verfahrens einige Schwierigkeiten mit sich, da zu der für sich allein schon schwierigen Interkorrelation noch eine Umkehrung, eine Phasenregelung und eine Addition der Signale hinzukommt.

In der Zielsetzung der Erfindung liegt die Schaffung eines seismischen ForschungsVerfahrens mit Hilfe einer Energieübertragung zwischen zumindest zwei Punkten dieses Mediums, das sich insbesondere für die seismische Erforschung des Meeresbodens eignet und darüberhinaus die angeführten Nachteile umgeht und

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sich durch eine einfache Anwendung sowie hinsichtlich der Aussendung der Energiewellen als auch Auswertung der empfangenen Signale auszeichnet.

Innerhalb des erfindungsgemäßen Verfahrens zur seismischen Erfassung wird in den Boden ein langes Signal übertragen, das sich in Wellenform ausbreitet, wobei diese Wellen nach Reflexion durch zumindest einen Reflektor in Form von Signalen aufgenommen werden, um hernach mit einer Funktion des ausgesendeten Signals interkorreliert zu werden, um wiederum die Laufzeiten der reflektierten Wellen ermitteln zu können, wobei dieses Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß es sich bei dem ausgesendeten langen Signal um eine Folge von bestimmten, elementaren Energieimpulsen gleicher Polarität und praktisch konstanter Amplitude handelt, wobei die Anzahl der Impulse sowie die sie trennenden Zeitintervalle in der Form bemessen sind, daß die Autokorrelations funktion des ausgesendeten Signals Korrelationsreste aufweist, deren Amplitude unter einem gegebenen Bruchteil der Maximalamplitude dieser Funktion liegt.

Bei diesem Verfahren empfiehlt es sich, die Interkorrelation der empfangenen Signale nicht mit dem ausgesendeten Signal durchzuführen, sondern mit einem Signal, das man dadurch erhält, daß man die Einheitsimpulse mit den Sendezeitpunkten der Energieimpulse zusammenfallen läßt. Dieses Verfahren kann dadurch verwirklicht werden, daß man eine Folge von Impulsen praktisch konstanter Amplitude erzeugt, die einem Gesetz zufällig auftretender Impulse folgen. Innerhalb einer empfehlenswerten Anwendung des Verfahrens werden die Energieimpulse durch Funken erzeugt, die im Wasser zwischen kmczzeitig an hoher Spannung liegenden Elektroden entstehen, die von einem Auslöser gesteuert werden, der seinerseits seine Steuerbefehle aufgrund des Ablaufens eines aufgenommenen Symbols erhält.

Theoretisch existieren eine große Anzahl von verwendbaren langen Signalen, um sowohl Korrelationsmethoden als auch zahlreiche Faktoren für Korrelationsfunktionen zu ermitteln bzw. anzuwenden. Die Verfahren zur Erforschung eines Mediums unter Verwendung der Signalkorrelation werden außerhalb der geophysikaliatei __^__ in „

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Erforschung noch in zahlreichen anderen Bereichen angewandt.

Gegenstand der Erfindung ist insbesondere die Wahl des besonderen Typs eines langen, vorher näher definierten Signals in der Anwendung auf die seismische Erforschung. Wie auch später noch erklärt wird, gründet diese Wahl auf theoretischen Betrachtungen bezüglich der Anwendung langer Signale, darüberhinaus jedoch insbesondere aufgrund praktischer Erwägungen hinsichtlich der Energie bzw. dem Spektrum der für die Wellenübertragung in den Boden notwendigen Frequenzen und der damit zusammenhängenden Technologie der Sender.

Die bezüglich des Verfahrens folgenden Erklärungen stehen im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen, wobei

- Fig. 1 eine schematische Darstellung des seismischen

Forschungsprinzips auf die Anwendung unter Wassei

Fig. 2, 3, 4, 5, 5a, 5b, 5c, 5d und 6 dem Verfahren entsprechende Diagramme der Signale sowie der Phasei ihrer Verarbeitung

zum Gegenstand haben.¹

Fig. 1 zeigt eine an sich bekannte Anordnung zur seis mischen Erforschung unter Wasser, innerhalb der sich ein Sender E auf einem Forschungsschiff P, zusammen mit einer gewissen Anzahl von Empfängern mechanischer Wellen bzw. Geophonen befindet, wovon letztere die empfangenen Signale aufzeichnen können.

Vom Sender E werden mechanische Wellen ausgesendet, die sich im Boden ausbreiten und von ebnen gewisse Komponenten an den Spiegelpunkten M₁, M₂, M₃ bzw. an den Reflektoren R₁, R₂* R₃ reflektiert werden, um vom Empfänger R¹ aufgenommen zu werden, der sich in einer feststehenden und bekannten Entfernung vom Sender befindet. ·

Sendet der Sender E ein Signal der bestimmten Dauer T aus, so beginnt für die Empfänger R¹, R", R"' ein Horchintervall dessen Dauer einmal die T des ausgesendeten Signals, zuzüglich ei ner Zeitspanne β beträgt, die gleich der Laufzeit der reflektierten Wellen ist (reflektiert durch tiefstliegenden Reflektor R₃).

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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Aussendung von Impulsfolgen handelt es sich bei dem in den Untergrund ausgesendeten Signal um ein langes Signal, d.h. insbesondere, daß das Signal mehrere Impulse innerhalb der Dauer eines gegebenen Abhörintervalls umfaßt. Im allgemeinen wird die Aussendung dieses Signals vom Ablaufen eines Magnetbandes mit einer Aufzeichnung gesteuert. Diese Aufzeichnung liefert ein elektrisches Signal, das einen Impulsgenerator, d.h. den eigentlichen Sender,steuert. Das elektrische Steuersignal besitzt eine Dauer T und unterliegt einer Zeitfunktion f(t), die zu gewissen Zeitpunkten den Wert 1 besitzt und für die übrige Zeit den Wert 0 beibehält. Die vorgenannten Einsätze sind durch Zeitintervalle voneinander getrennt, die mit großer Genauigkeit festgelegt wurden.

Bei dem Impulsgenerator handelt es sich beispielsweise um eine Gaskanone bekannten Aufbaus oder um einen im Wasser und mit hoher Leistung arbeitenden Funkengenerator, der oft als schnell wirkender „Sparker¹¹ bezeichnet wird und mit demjenigen vergleichbar ist, der z.B. in der französischen Patentschrift Nr. 1 560 237 vom 28.Dezember 1966 behandelt wurde. Jeder in· das Wasser übertragene Impuls erzeugt eine Erschütterungswelle, die sich im Untergrund ausbreitet, wobei sich diese Erschütterungswelle aus mechanischen Wellen zusammensetzt, die ein bestimm tes Frequenzspektrum ausfüllen.

Diese Impulse werden durch Spitzen gleicher Amplitude des Steuersignals gesteuert C Werte 1 der Funktion f(t) J. Die Amplitude der ausgesendeten Impulse bzw. der Funken im Falle . eines Sparkers verläuft im allgemeinen nicht genau konstant und kann infolge der nur mittelmäßigen Reproduktionsfähigkeit der bei der Erzeugung eines relativ hohen Energieimpulses, erzeugt durch die bisher bekannten Funkengeneratoren, auftretenden Erscheinungen um einen Mittelwert schwanken. Demgegenüber ermöglichen Generatoren für mechanische Wellen die Aussendung von Impulsen zu mit großer Genauigkeit überwachten Zeitpunkten, womit' es möglich wird, eine Folge von bestimmten Impulsen zu erzeugen, die durch Zeitintervalle voneinander getrennt sind, deren Auf-

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teinanderfolge sehr genau der Beziehung f(t) entspricht, die das Steuersignal bestimmt.

Was die Energie der ausgesendeten Impulse betrifft, so geht allein schon daraus hervor, daß es sich hier um die Aussendung von bestimmten Impulsen, im Gegensatz zur Aussendung von sehr schnell aufeinanderfolgenden Impulsen, von denen die Hüllkurve der veränderlichen Frequenz ausgewertet wird, handelt und daß dementsprechend die verwendete Energie zur Erzeugung jedes Impulses ihrer Höhe nach zwischen der der Verfahren mit langen Signalen einerseits und der der Verfahren mit Impulsen andererseits liegen muß.

Um einen sich in einer gegebenen Tiefe befindenden Reflektor zu erreichen und um mit Hilfe von reflektierten Signalen auswertfähige Informationen zu erhalten, muß eine bestimmte Gesamtenergie W aufgebracht werden. Diese Gesamtenergie W kann einmal sofort in ihrer Gesamtheit mit Hilfe der starken Impulsverfahren unter Verwendung von Sprengstoff aufgebracht werden oder aber durch mehrmalige Einsätze von aufeinanderfolgenden Impulsen. Innerhalb der mit langen Signalen arbeitenden Verfahren steht die Anzahl der ausgesendeten Impulse innerhalb eines gegebenen Abhörintervalls im umgekehrten Verhältnis zur Energie jedes einzelnen Impulses, d.h. umso höher die Anzahl der ausgesendeten Impulse, desto geringer kann die Energie für den einzelnen Impuls sein. Die zur Erzeugung der bestimmten Impulse verwendetet Energie liegt etwa zehnmal höher als die für Impulsfolgen veränderlicher Frequenz bei den bekannten Verfahren aufgebrachte. Handelt es sich bei diesen bestimmten Impulsen um elektrische Funken, so liegt die hiafeei verwendete elektrische Energie zwischen 100 und 100.000 Joule und vorzugsweise zwischen 500 und 10.000 Joule.

Bei Verwendung eines Senders für lange Signale vom soeben definierten Typ, der innerhalb einer in Zeichnung 1 schematisierten Anlage verwendet werden soll, um die Anwesenheit von drei in jeweils wachsender Tiefe befindlifeen Reflektoren R>, R₂ und R₃ zu ermitteln, soll nunmehr das Verarbeitungsverfahren erläutert werden, aufgrund dessen ein Empfänger R* die empfangenen I

Signale auswertet. .

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Zeichnung 2 zeigt die Veränderungen eines von der Funktion f(t) abhängenden und aus einer Folge von bestimmten Spitzen (Dauer T) gleicher Amplitude al, a2, a3_t a4, a5 usw. gebildeten Steuersignals. Nunmehr soll davon ausgegangen werden, daß die Autokorrelationsfunktion von f(t) Korrelationsreste liefert, deren Amplitude gegenüber der der mittleren Spitze vernachlässigbar ist. Das Steuersignal bewirkt die Aussendung einer Folge bestimmter Impulse bl, b2, b3, bU, b5 usw., die in Zeichnung 3 mit praktisch gleichen Amplituden dargestellt sind.

Zeichnung 4 zeigt in.Abhängigkeit von der Zeit und unter Vernachlässigung des Rauschanteils in schematischer Form das von einem Empfänger wie z.B. Empfänger R* erhaltene Signal, wenn der Sender E einen Einheitsimpuls b in der Form der in Zeichnung 3 dargestellten ausgesendet hat. Dieses Signal beinhaltet drei aufeinanderfolgende Refleeionen £, d, e_, deren Amplituden von Fall zu Fall schwächer werden und den sogenannten Antwortsignalen der drei Reflektoren R₁, R» und R₃ entsprechen.

Zeichnung 5 zeigt den Beginn dieses Signals der Dauer T + Θ, das vom Empfänger R¹ empfangen und aufgezeichnet wurde und zwar nach Aussendung der bestimmten Impulse bl, b2, b3, bH, b5 usw. (Zeichnung 3), wobei jeder dieser Impulse beim Empfang das Auftreten von drei jeweils zu c, d, e (Zeichnung U) analogen Spitzen bewirkt. Somit haben die Reflexionen am Reflektor R₁ der von den in Zeichnung 3 dargestellten Impulsen erzeugten Wellen die Spitzen C₁, C₂» C₃, C₁^, C₅ usw. entstehen lassen. Das gleiche gilt für die Spitzen ^₁,-d₂» ^d3» \* ^d5 ^usw· ^sowi© ^ej» &2* ^e3* ^eU* e₅, wobei das empfangene Signal der Oberlagerung der zeitlichen Staffelungen dieser drei Kategorien von Spitzen entspricht. In der Praxis gehören zu diesem Signal noch die zufällig auftretenden Amplituden-Rauschanteile, die teilweise oder mitunter vollkommen die in Zeichnung 5 gezeigten Spitzen untergehen lassen.

Das Interkorrelationsverfahren des in Zeichnung 2 gezeigten Steuersignals /Funktion f(t) J sowie des in Zeichnung dargestellten empfangenen Signals kann sich schematisch gesehen darauf beschränken, von links nach rechts das in Zeichnung 2 dar-

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gestellte Symbol des Ursprungs A vor dem in Zeichnung 5 gezeigten Symbol, vom Usprung 0 des Abhörintervalls an, vorbeizuführen. In jeder relativen Stellung dieser beiden Symbole multipliziert man die entsprechenden Ordinaten dieser beiden Symbole und bildet die Summe der innerhalb einer Zeit T erhaltenen Produkte. Somit ad- . diert man die in Zeichnung 5 dargestellten Amplituden der Spitzen, die sich auf der gleichen Abszisse wie eine Spitze des Symbols (Fig. 2) befinden.Das Ergebnis dieser Addition wird als Ordinate auf die in Zeichnung 6 dargestellte Übersicht aufgetragen, auf der als Abszisse der Verschiebungswert "Jf zwischen den Ursrprünga 0 und A der beiden Symbole für jede ihrer relativen Positionen abzulesen ist.

Die Darstellungen 5a, 5b, 5c und Sd zeigen vier Positionen des in Zeichnung 2 dargestellten Symbols gegenüber dem in Zeichnung 5 gezeigten Symbol, wobei als Verschiebungswerte OA jeweils Qiitj»*^ ^und fs ^zu betrachten sind. In der Position der Zeichnung 5a wurde davon ausgegangen, daß sich gegenüber einer Spitze des in Zeichnung 5 gezeigten Symbols keinerlei Spitze a.,,. a~, a₃ usw. befindet. Das Ergebnis dieser vorgenannten Addition ist demnach gleich Mull und entspricht dem Punkt B der Zeichnung Die Lage des Zeitursprungspunkts B wird durch die Maximumlage der Autokorrelationsfunktion des Steuersignals (Zeichnung 2) bestimmt.

In der Position der Darstellung 5b befinden sich alle Spitzen a^,- a₂, a_g usw. gegenüber einer Spitze der Zeichnung 5, deren Amplitude zumindest gleich der der Spitzen C₁, c₂» C₃, C₁^, ■ Cg usw. ist und zwar deshalb, weil diese Position durch eine der Laufzeit der von den Impulsen b^, b₂* bj usw. (Fig. 3) erzeugten Wellen entsprechenden Zeit verschiebung OA - *"K definiert ist und zwar im Zusammenhang mit dem Erreichen des Empfängers R* nach Reflexion am Reflektor R₁. Die Summe der Amplituden aller dieser Spitzen (Summe C), deren Wert zumindest gleich der Summe der Amplituden de» Spitzen C₁, e« usw. ist (als Ordinate in Zeichnung 6) entspricht einem Maximum der Interkorrelationsfunktion, deren Änderung in dieser Zeichnung 6 dargestellt ist, wobei keine der vorherigen Positionen des in Zeichnung 2 dargestellten Symbols eine solche Koinzidenz von Spitzen zweier Symbole liefern kann. Aus - ■■■ -" ; : · ^: - 15 -

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deir Messung der Abszisse L geht die Tiefe des Spiegelpunktes M^ des Reflektors R₁ (Zeichnung 1) hervor. Die Interkorrelationsfunktion der Zeichnung 6 zeigt noch zwei Amplitudenmaxima D und E, aus dessen Abszissen T₂ und Ύ₃ die Tiefen der Spiegelpunkte M₂ und M₃ der Reflektoren R₂ und R₃ ermittelt werden können und die den in den Darstellungen 5£ und 5d des Syinbols (Zeichnung 2) dargestellten Positionen entsprechen, wobei dieses Symbol (Zeichn. 2) bei der Berechnung der Interkorrelationsfunktion vor dem Symbol der Zeichnung 5 vorbeiwandert.

Man stellt nunmehr fest, daß innerhalb des soeben erläuterten Verfahrens die Berechnung der Interkorrelationsfunktion offensichtlich vereinfacht wird und praktisch einer Phasenneuordnung gewisser Komponenten des empfangenen gegenüber dem ausgesendeten Signal entspricht, d.h. man könnte von einer „vereinfachten Korrelation" sprechen.

Im bisherigen Verlauf der Beschreibung wurde noch nicht auf das Problem der Verringerung der Korrelationsreste eingegangen, deren Bedeutung von der Anzahl der Impulse des während der Zeit T ausgesendeten Signals sowie der Gesetzmäßigkeit der Aufeinanderfolge dieser Impulse abhängt. Die relative Amplitude der Korrelationsreste kann mit Hilfe der Autokorrelationsfunktion der Funktion f(t) berechnet werden.

Wenn jeder Impuls des Steuersignals von der Funktion f(t) und damit vereinbarungsgemäß von einer Amplitude des Wertes 1 abhängt, so ist das Maximum der Autokorrelationsfunktion von f(t) gleich der Anzahl der Impulse. Verschiebt man nun die Funktion in sich um einen Faktor Ύ, so wäre die Anzahl der in Koinzidenz liegenden Impulse gleich der Anzahl der innerhalb der Ursprungsfunktion f(t) um diesen Wert^voneinander entfernt liegenden Impulse. Wählt man nun eine Impulsbedingung in der Form, daß niemals mehr, . als zwei um ein gegebenes Intervall Ύ entfernte Impulse auftreten können, so wäre.der Maximalwert, den die Funktion außerhalb des Koinzidenzwertes, d.h.t*= 0, nehmen könnte gleich 1. Von nun an ermöglicht eine ausreichende Zahl von Impulsen eine Verringerung des relativen Wertes der Korrelationsreste.

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» Man hat herausgefunden, daß mit Hilfe einer Gesetzmäßigkeit des zufälligen Auftretens von Impulsen sich der vorher genannten Bedingung in ausreichendem Maße genähert werden kann, .um eine günstige Autokorrelationsfunktion zu finden. In der Praxis kann man beispielsweise Impulsfolgen erhalten, die dieser Gesetzmäßigkeit unterliegen, indem man diese Impulse in ungleichen Zeitintervallen aufeinanderfolgen läßt, die ein Vielfaches der gleichen Grundzeit betragen (bis auf eine Festzeit genau), wobei die Multiplikatoren in willkürlicher Folge gewählt werden. Durch entsprechende Auswahl der folgenden Impulse erhält man ein Verhältnis zwischen Amplitude des Maximums der Autokorrelationsfunktion und des Korrelationsrestes, das je nach Bedarf zwischen 10 und 50 liegt.

Das folgende Beispiel dient zur näheren Erläuterung der mit Funkengeneratoren arbeitenden Methode in ihrer Anwendung auf die Unterwasserforschung.

Verwendet wird ein Funkengenerator (sparker) mit einer Sendeleistung von 10 kW unter 20 kV, der Entladungen von etwa 1.000 Joule ermöglicht. Das Steuerprogramm dieses Funkengenerators wird dabei wiefolgt erstellt:

Die zwischen zwei Funken liegende Zeitspanne wird definiert als gleich (20 + 2x) Millisekunden, wobei χ zwischen 1 und 100 liegt.

Die willkürliche Verteilung der Ziffern zwischen 1 und 100 ergibt eine unendliche Folge van Stellen. Verwendet werden die ersten 400 Ziffern. Nunmehr regelt man die Zeitfolge entsprechend diesen 400 Ziffern und erhält damit Ruhezeiten zwischen 20 und 220 Millisekunden, wobei die Dauer der Impulsfolge etwa 48 Sekunden beträgt. Diese Zeit ist als lang anzusehen gegenüber der längsten Laufzeit der mechanischen Wellen im Untergrund ( 4s ^Z#B·'· Nunmehr führt man die Autokorrelation der Funktion f(t) durch, indem man am Ende jedes Zeitintervalls zwischen 20 und 220 Millisekunden einen Elementarimpuls setzt.

Die Autokorrelationfunktion besitzt eine zentrale Spitze, deren Amplitude Io mal über der Amplitude des Korrela-

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tionsrestes liegt. Man stellt nnnmehr ein Magnetband her, das am Ende jedes Elementarintervalles ein Symbol trägt.

Mit Hilfe dieses Magnetbandes steuert man jetzt die Funkengenerator (sparker), der bei mittlerer Arbeitsgeschwindigkeit 400 Impulse in 48 Sekunden aussendet und nimmt gleichzeitig auf einem 25-spurigen Tonband die von den 24 Empfängern oder Geophonen abgegebenen elektrischen Signale auf. Somit werden die von den Geophonen empfangenen Signale jeweils auf eine Spur des Tonbandes übertragen, wobei die verbleibende Spur Nr. 25 die zum Funkengenerator übertragenen Steuerimpulse, d.h. das lange Steuersignal selbst aufnimmt.

Hinsichtlich der Auswertung der empfangenen Signale bestimmt aan zuerst die Atokorrelationsfunktion des Steuersignals und korreliert mit ihm die Aufzeichnung der Spur Mr. 25. Das Maximum dieser Funktion hat als Abszisse den Ursprung der Abhörzeit (Punkt B in Zeichnung 6). Anschließend bestimmt man die 24 Interkorrelationsfunktionen des ausgesendeten Signals mit den 24 aufgenommenen Signalen und wiederholt den Vorgang der Multiplikation der augenblicklichen und Integrationsamplituden für die aufeinanderfolgenden Verschiebungen von etwa IC- 2 Millisekunden z.B. der Aufzeichnung Nr. 25 und zwar von der letzten Position her, die das Maximum der Autokorrelationsfunktion geliefert hat (t= 0).

Man erhält somit pro Geophon ein einziges Maximum, vorausgesetzt, daß es sich um einen einzigen Reflektor handelt, wobei alle Störsignale, die von einem Autokorrelationsrest herrühren, gegenüber diesem Signal einen Wert von weniger als einem Zehntel besitzen·

Handelt es sich um mehrere Reflektoren, so ergibt sich pro Geophon die gleiche Anzahl von Maxima wie Reflektoren angetroffen werden und man beobachtet diese Maxima solange ihre Amplitude zumindest gleich einem Zehntel der Amplitude des stärkstens Maximums oder der maximalen Rauschamplitude innerhalb der •Interkorrelationsfunktion bleibt.

Die Messung der Zeitintervalle, die das oder die ' tfaxima jeder Interkorrelationsfunktion und das Maximum der Auto-

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!correlation voneinander trennen, ergibt für jedes Geophon die Laufzeit der Wellen, die den oder die Reflektoren erreichen.

Es wurde ersichtlich, daß ein wie soeben betrachtetes ausgesendetes Signal mit einer Sendedauer von 48 Sekunden ein Verhältnis von etwa 10 entstehen läßt und zwar zwischen den Amplituden der Maximum-Spitze und den Korrelationsresten der Äutokorrelationsfunktion des Signals. ·

Dieses Verhältnis kann einmal mit zunehmender Signaldauer erhöht werden. Außerdem ist es möglich, bei gegebenem Verhältnis die Sendedauer dieses Signals zu verringern, um dabei die Anzahl der einxLnen möglichen Abstände zwischen diesen Impulsen zu erhöhen, d.h. daß man ebenfalls zwischen den Intervallen zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen der Dauer von weniger als 20 Millisekunden und mehr als 220 Millisekunden variieren kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet die Vorteile der mit langen Signalen arbeitenden Methoden, insbesondere was die Möglichkeit anlangt, eine gute Definition der Reflektoren zu erhalten, wenn sich die Sendequelle weiter fortbewegt, wie dies bei einer Unterwassererforschung der Fall ist. Das erfindungsgemäße Verfahren verbindet diese Vorteile weiterhin mit denen der herkömmlichen Impulsverfahren, deren Anwendung leichter zu verwirklichen ist. Im Verhältnis zu diesen letztgenannten Verfahren wirkt sich die starke Aufteilung der Gesamtsendeenergie infolge der großen Anzahl der Impulse günstig hinsichtlich der Leistungsausbeute an mechanischer Energieder verwendeten Generatoren aus·

Grundsätzlich besteht der Hauptvorteil dieses Verfahrens gegenüber den bekannten Verfahren in der Verwendung von Impulsen, deren Amplitude praktisch konstant bleibt. Man kann zwar theoretisch mit Signalen veränderlicher Amplitude recht zufriedenstellende Autokorrelationsfunktionen erhalten, was die relative Amplitude der Korrelationsreste gegenüber den Spitzen der Maximalamplitude angeht« Um jedoch in der Praxis diese Eigen-? schaft bestmöglich auszunutzen, wenn man die Interkorrelatiön des ausgesendeten Signals und der empfangenen Signale durchführt, muß

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die Amplitude der tatsächlich in den Untergrund ausgesendeten und zu den Empfängern übertragenen Impulse genau mit der Amplitude der Impulse des Steuersignals, im allgemeinen elektrischen Steuersignals, übereinstimmen. Auf der Grundlage der bekannten Impulsgeneratoren ist jedoch in der Praxis diese genaue Übereinstimmung sehr schwer zu erzielen, unabhängig davon, ob es sich . hierbei um €askanonen, Funkengeneratoren oder Implosionseinrichtungen handelt, da nämlich zwei akustische Impulse, von zwei Signalen gleicher Amplitude gesiaiert, voneinander abweichende Amplituden aufweisen können. Die Ergebnisse, die bei Durchführung der Interkorrelation erzielt wurden, leiden beträchtlich unter dieser Tatsache, wobei dieser Wachteil umso gravierender ausfällt, je geringer die Zahl der ausgesendeten Impulse ist.

Andererseits erfordert die Bestimmung der Interkorrelationsfunktion mit Signalen unterschiedlicher Amplitude eine Multiplikation der Augenblicksamplituden der ausgesendeten und empfangenen Signale vor ihrer Integration und für jeden Verschiebungswert T und erfordert somit einen Aufwand an komplizierten* Geräten.

Innerhalb des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dies

nicht der Fall, da es sich hier bei den Impulsen des Steuersignals um gleiche Amplituden handelt und da diese Impulse in hoher Zahl ausgesendet werden. Die Amplitudenabweichungen der übertragenen akustischen Impulse verlieren ihre "Auswirkungen zum Zeitpunkt der Korrelation. Bei dieser handelt es sich praktisch nicht mehr um einen echten Interkorrelationsvorgang mit Multiplikation der Amplituden, sondern lediglich um eine Neueinphasung unter .Hinzufügung des reflektierten Signals, das gegenüber den ausgesendeten Signalen einem gegebenen Reflektor entspricht. Es handelt sich insofern eher um eine „vereinfachte Korrelation", innerhalb <3ie zufällig auftretenden Amplitudenunterschiede der tatsächlich ausgesendeten akustischen Impulse die Neigung aufweisen, sich während der Addition selbst aufzuheben. Andererseits kann dieses Verfahren gegenüber den gewöhnlich verwendeten Korrelatoreji mit wesentlich einfacherem Gerät durchgeführt werden. Aufgrund einer willkürlichen Verteilung der Intervalle zwischen den Impulsen ergeben sich die Vorteile einer günstigen Autokorrelations-

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Claims

Dlpl.-lng. Dip!. oec jwSL

DIETRICH f EWINSKY Vft ²& Jun/1969

PATENTANWALT *

8 Münci-en J! - CoHhardshi 81.

Telefon 5617 62 5653 - V

Socie*te* Nationale des Pe*troles d'Aquitaine, Tour Aquitaine,

Corbevoie (Frankreich)

Patentansprüche i

Seismisches Forschungsverfahren, darin bestehend, daß ein langes Signal in den Untergrund übertragen wird, das sich in Form von Wellen fortpflanzt, die nach Reflexion an zumindest einem Reflektor in Form von Signalen aufgenommen und registriert werden, um hernach mit einer Funktion des ausgesendeten Signals interkorreliert zu werden, mit dem Zweck, die Laufzeiten der reflektierten Wellen zu ermitteln, wobei dieses Verfahren dadurch !gekennzeichnet ist, daß das ausgesendete, lange Signal aus einer Folge von bestimmten Elementarenergieimpulsen gleicher Polarität und praktisch; konstanter» Amplitude besteht und dabei Anzahl der folgenden Impulse.sowie Trennintervalle so bemessen sind, daß die Autokorrelationsfunktion des ausgesendeten Signals Korrelationsreste aufweist, deren Amplitude unter einem gegebenen Bruchteil der Maximalamplitude dieser Funktion liegt.

Seismisches Forschungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgenommenen Signale mit einer Zeitfunktion interkorreliert werden, die den Wert 1 zu jedem Zeitpunkt annimmt, wo ein Energieimpuls ausgesendet wird und für die restliche Zeit Null bleibt.

Seismisches Forsehungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Folge der Impulse praktisch konstanter Amplitude von einer Bedingung des zufälligen Auftretens dieser Impulse bestimmt wird.

H 7920 /Gas 91/JYM/CP - 2 -

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Seismisches Forschungsverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitintervalle, die das Auftreten zweier aufeinanderfolgender Impulse einer Folge vielfache einer gleichen Grundzeit (bis auf eine Festzeit genau) sind, wobei die Folge der Multiplikatoren eine Folge von zufällig auftretenden Einheiten ist.

Seismisches Foschungsverfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieimpulse von Funken erzeugt werden, die im Wasser zwischen kurzzeitig über einen Auslöser an hoher Spannung liegenden Elektroden entstehen, wobei die für jeden Funken aufgewendete elektrische Energie zwischen 100 und 100.000 Joule und vorzugsweise zwischen 500 und 10.000 Joule liegt.

Seismisches Forschungsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslöser Über das Ablaufen eines auf Hagnetband aufgezeichneten Symbols gesteuert wird.

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