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WO2018138452A1 - Procede, programme d'ordinateur, support d'informations et dispositif pour l'analyse de bruit sismique - Google Patents

Procede, programme d'ordinateur, support d'informations et dispositif pour l'analyse de bruit sismique Download PDF

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Publication number
WO2018138452A1
WO2018138452A1 PCT/FR2018/050194 FR2018050194W WO2018138452A1 WO 2018138452 A1 WO2018138452 A1 WO 2018138452A1 FR 2018050194 W FR2018050194 W FR 2018050194W WO 2018138452 A1 WO2018138452 A1 WO 2018138452A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
signals
reconstructed
signal
seismic
seismic noise
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/FR2018/050194
Other languages
English (en)
Inventor
Mathieu LE FEUVRE
Anaëlle JOUBERT
Philippe Cote
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institut Francais des Sciences et Technologies des Transports de lAmenagement et des Reseaux IFSTTAR
Institut Français
Original Assignee
Institut Francais des Sciences et Technologies des Transports de lAmenagement et des Reseaux IFSTTAR
Institut Français
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institut Francais des Sciences et Technologies des Transports de lAmenagement et des Reseaux IFSTTAR, Institut Français filed Critical Institut Francais des Sciences et Technologies des Transports de lAmenagement et des Reseaux IFSTTAR
Publication of WO2018138452A1 publication Critical patent/WO2018138452A1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V1/00—Seismology; Seismic or acoustic prospecting or detecting
    • G01V1/28—Processing seismic data, e.g. for interpretation or for event detection
    • G01V1/36—Effecting static or dynamic corrections on records, e.g. correcting spread; Correlating seismic signals; Eliminating effects of unwanted energy
    • G01V1/364—Seismic filtering
    • G01V1/366—Seismic filtering by correlation of seismic signals

Definitions

  • the invention relates to the analysis of seismic noise and more specifically to methods and devices for analyzing seismic noise, in particular for detecting defects in the structures.
  • Seismic noise analysis is a method known per se for the monitoring of soils and engineering structures as well as in the field of seismology.
  • Seismic sensors are placed on the ground or the structure to be monitored, and the seismic signals propagated therein are recorded.
  • the analysis of these signals makes it possible in particular to evaluate the speed of propagation of the waves in the ground or the structure of art.
  • the study of this speed of propagation makes it possible to obtain important information as to the soil or the structure of art studied; In particular, it makes it possible to detect changes in compactness, which can in certain cases very usefully reveal changes in the soil or structure studied.
  • a seismic noise analysis method comprising the following steps:
  • a reconstructed signal is calculated by intercorrelation or deconvolution of said signals, respectively for each of said periods;
  • Step A consists in acquiring the seismic noise signals. These signals must have been measured at two distinct points, sufficiently close to each other. the other so that the cumulated energy of the registered seismic noise is sufficient over a given period of time.
  • Step A can be performed in different ways.
  • the acquired signal is a previously recorded signal.
  • step A can be carried out by means of seismic sensors, and comprise two phases: firstly, sensors are placed on the ground or the structure of art studied; in a second step, a recording campaign of the signals collected by these sensors is carried out.
  • step B from the signals acquired in step A), so-called 'reconstructed signals' are calculated.
  • Each 'reconstructed' signal appears to represent a seismic wave propagated between the pair of sensors considered, during the period considered.
  • the reconstructed signals can be obtained by inter-correlation (in the time or frequency domain), or else by deconvoi ution.
  • Step C can be performed in two different ways, performing step C1 and / or step C2, respectively.
  • the amplitudes of the reconstructed signals are calculated between two periods, and these amplitudes are compared. This comparison makes it possible to reveal changes in the transmission of waves through the ground: it thus makes it possible to detect that the soil or the structure studied has changed between the periods considered, which can be very important information.
  • the comparison between the amplitudes of the reconstructed signals designates the comparison between the standards of these signals.
  • any standard substantially reflecting the amplitude of the values taken by the reconstructed signal can be used; the goal is that the chosen standard is as representative as possible of the energy transmitted by the signal considered.
  • Any form of comparison or standard difference measurement can be used to compare the amplitudes of the reconstructed signals.
  • step C1 in order to compare the amplitudes of the reconstructed signals, in step C1 at least one attenuation coefficient representative of a difference between amplitudes of the reconstructed signals is calculated for a pair of periods. considered.
  • this attenuation coefficient or coefficients can be calculated as being the function (s) of a ratio, a difference, or a ratio of the logarithms between the norms of the two reconstructed signals at the two periods considered.
  • the comparison between the standards of the reconstructed signals carried out in step C1 can be made by comparing the "classical" standards, calculated directly from the reconstructed signals themselves (that is to say, as obtained after step B), but not only.
  • the comparison made in step C1 can also be performed by comparing standards calculated from transformed functions of the reconstructed signals.
  • the norm of a transformed function is also a norm of the function considered.
  • a frequency transformation here denotes any transformation that makes it possible to go from the time domain to the frequency domain and to express the function considered (here, the reconstructed signal) as a function of frequency and not of time; Fourier transformation or Laplace transformation are examples of frequency transformations.
  • step C1 to compare the standards of the signals reconstructed in step C1, one can compare the transformed function standards of the reconstructed signals, the transformed functions being obtained by frequency transformation.
  • step Cl In step Cl:
  • a transformed function of the signal is calculated by applying to it a frequency transformation
  • the amplitudes of the reconstructed signals are compared as a function of the transformed functions thus calculated.
  • step Cl In step Cl:
  • a signal function Fj (k , P ( f 1, f 2) transformed from the signal limited to a predetermined frequency range [f 1, f 2] is extracted from the transformed function of the signal, where j and k are the indices two signals that have been exploited by intercorrelation or deconvolution to produce the reconstructed signal, and p is the number indicating the period during which the signals of the sensors j, k have been recorded, and
  • the amplitudes of the reconstructed signals are compared as a function of the transformed functions thus extracted.
  • the attenuation coefficients are calculated as a function of a ratio between the transforms of the signal at the two periods considered, they can therefore be expressed in the following manner as a function of the transformed functions Fj, k ⁇ p , and F j) k , q respectively for the steps P and Q:
  • the attenuation coefficients can be expressed in the following manner as a function of the extracted transformed functions (Fj , k, P ( f 1, f 2 and F 1, k, q , fl , f 2):
  • Kj, k, p, q, fl, f2 I Fj, k, p, fl, f2 I / I Fj, k, q, fl, f2
  • the attenuation coefficient or coefficients obtained by the method according to the invention provide rich and reliable information on the ground or the structure of art studied.
  • the reliability results in particular from the fact that the attenuation coefficient is calculated according to the standard of the reconstructed signals. Its value therefore depends on the values of the signals reconstructed over a whole recording period, which makes it possible to eliminate or at least to weight the possible outliers possibly acquired during step A.
  • step C1 shows a change in amplitude of the signals reconstructed from one period to another, on a given section of the ground or a structure on which the signals seismic noise has been acquired (for example, the seaside dyke cited above), this indicates that the waves are not transmitted in the same way in this section of soil or engineering structure in the second period compared to the first period.
  • the seismic noise analysis method could thus make it possible to obtain information on the dike by comparing signals recorded during a period flood, and signals recorded during a period of low water. More generally, the method can be implemented even in the absence of any particular change in the environment of the structure (for example, a change in the height of water in the body of water), simply to check that the work of art does not change.
  • the seismic noise analysis method may comprise step C2 during which seismic wave velocity variations are determined from the reconstructed signals. acquired at different times.
  • variations i.e. changes, in the propagation velocity of the acquired seismic waves are determined. These velocity variations are calculated naturally by comparing the propagation velocity of the seismic waves during a first signal acquisition period to the propagation velocity of the seismic waves during a second signal acquisition period.
  • the determination of speed variations of the seismic waves can be made, as for step C1, either on the basis of the raw reconstructed signals obtained after step B, or on the basis of a part of the reconstructed signals. , obtained by selecting in these signals only certain frequencies considered as carriers of useful information.
  • the seismic noise analysis method according to the invention can be particularly implemented to obtain information relating to a soil or a structure exposed to a body of water.
  • Step A then includes the installation of sensors on this structure and the acquisition of seismic noise signals generated by the water chop and recorded by the sensors thus placed.
  • the expression "works of art exposed to an expanse of water” here designates a work of art which is at the edge of an expanse of water, and whose wall is in contact with water.
  • the body of water may be the sea or the ocean, or a lake, a river, etc.
  • the seismic noise may especially be a noise generated by the waves, in the case in particular of the sea, an ocean, a lake; it can also be the sound of flowing water, in the case of a river.
  • the seismic noise generated by the chop of water in contact with the work exposed to the body of water is sufficient to emit seismic waves therein, and that the The seismic signals produced by these waves can be used to analyze the state of the soil or the structure in question. For example, it is possible to detect infiltrations of water into the soil or the structure by the analysis method indicated above.
  • the invention aims in particular at a method of evaluating the state of a construction, in particular of a work exposed to a body of water, in which the state of a structure is evaluated by implementing the seismic noise analysis method defined above.
  • the method is applicable to any construction, including a work of art, and more particularly a work exposed to a body of water.
  • the various steps of the seismic noise analysis method according to the invention are determined by instructions of computer programs.
  • the invention also relates to a computer program on an information carrier, this program being capable of being implemented by computer, and comprising program code instructions for executing the steps of the program. one of the methods defined above, when the program is run on a computer.
  • This program can use any programming language, and be in the form of source code, object code, or intermediate code between source code and object code, such as in a partially compiled form, or in any other form desirable shape.
  • the invention also relates to a recording medium readable by a computer on which is recorded a computer program as defined above.
  • the information carrier may be any entity or device capable of storing the program.
  • the medium may include storage means, such as a ROM, for example a CD ROM or a microelectronic circuit ROM, or a magnetic recording means, for example a USB key or a hard disk.
  • the information carrier may be an integrated circuit in which the program is incorporated, the circuit being adapted to execute or to be used in the execution of the seismic noise analysis method.
  • a second objective of the invention is to propose a seismic noise analysis device which makes it possible to obtain information that is richer and / or more reliable than the information produced by the known devices, concerning soils or structures that we study. This objective is achieved thanks to a seismic noise analysis device comprising
  • A) a signal acquisition module configured for acquiring at least two seismic noise signals during each of two different periods;
  • a comparison module comprising at least one of the following units:
  • C2 a speed variation determination unit, configured to determine velocity variations of the seismic waves from said reconstructed signals.
  • the modules of the seismic noise analysis device defined above can be configured, in different embodiments, to allow the implementation of all or part of the improvements of the method according to the invention indicated above.
  • the comparison unit is configured, for each reconstructed signal, to calculate a transformed function of the signal by applying to it a frequency transformation, and to compare the amplitudes of the reconstructed signals as a function of transformed functions thus calculated.
  • the comparison unit is configured, for each reconstructed signal, to extract from the transformed function of the signal a function ⁇ ⁇ , ⁇ , ⁇ converted from the signal limited to a predetermined frequency range. ([f1, f2]), where j and k are the indices of two signals that have been exploited by intercorrelation or deconvolution to produce the reconstructed signal, and p is the number indicating the period during which the signals of the sensors j, k have were recorded, and to compare the amplitudes of the reconstructed signals as a function of the transformed functions thus extracted.
  • the comparison unit is configured to compare the amplitudes of the reconstructed signals to calculate at least one attenuation coefficient representative of a difference between amplitudes of said reconstructed signals for a pair of considered periods. .
  • the comparison unit is configured to calculate the said at least one attenuation coefficient as being a function of a ratio, a difference, or a ratio of logarithms, between the norms of the two reconstructed signals at the two periods considered.
  • FIG. 1 is a schematic view of a seafront dam, equipped with a seismic noise analysis device according to the invention (example with 7 sensors placed in peak);
  • FIG. 2 is a diagram presenting graphically a set of seismic noise signals recorded by a seismic noise analysis device according to the invention
  • FIGS. 3A and 3B are diagrams that each graphically represent a signal recorded at a different sensor, during the same period of time;
  • FIG. 3C is a diagram which represents a reconstructed signal obtained from the signals represented in FIGS. 3A and 3B;
  • FIGS. 4A and 4B are diagrams which represent two reconstructed signals corresponding to two different recording periods, respectively in the time domain and in the frequency domain (after Fourier transform);
  • FIG. 5 is a diagram which comparatively presents two reconstructed signals, respectively for two different recording periods
  • FIG. 6 is a logic diagram showing the steps of a method according to an implementation mode of the invention.
  • FIG. 7 is a functional schematic representation of the seismic noise analysis device of FIG. 1;
  • FIG. 8 is a schematic representation of the hardware architecture of the seismic noise analysis device of FIG.
  • Dyke 10 is an example of a work of art exposed to a body of water.
  • Dyke 10 is exposed to the tide; at low tide it is entirely discovered; at high tide inversely, as seen in Figure 1, a portion of the dam is immersed.
  • a seismic noise analysis device 50 there is disposed on the dike a seismic noise analysis device 50.
  • This seismic noise analysis device 50 comprises a set of seven seismic sensors S1-S7 and a computer 52 constituted by a laptop.
  • the seismic sensors are wirelessly connected to the computing unit 52 so as to transmit the detected seismic signals thereto.
  • the method is implemented by successively performing the following steps (FIG.
  • the seismic sensors S1-S7 are arranged at regular intervals at the top of the dike 10; their spacing is chosen according to the desired measurement resolution.
  • the sensors are placed so as to be able to capture the seismic waves circulating in the dike.
  • the process can for example be first implemented by spacing the sensors a lot, then, in the event that a portion of the dike appears to have infiltrations, by carrying out a new measurement campaign by limiting itself to this portion of the dike: the sensors are then only available on this portion of the dike, bringing the sensors closer together.
  • the signals collected by each of the sensors are recorded for several periods of time during which the dike is exposed to the waves.
  • FIG. 2 represents 24 signals recorded by 24 seismic sensors placed consecutively along a dike (in a configuration therefore other than that of FIG. 1). The time is indicated on the abscissa and, for each of the 24 signals, the displacement of the ground or an equivalent value is indicated on the ordinate.
  • each period is chosen to be sufficient to allow good intercorrelation or deconvolution between the signals recorded by pairs of sensors in step B which will be described below.
  • each recording period can have a duration of 10 minutes.
  • a continuous recording is generally performed for a time long enough to contain several recording periods.
  • a period of ten minutes is sufficient to extract a 'reconstructed wave' for the period considered, as will be explained for steps C and D below.
  • the duration of each recording period is adapted so that each period makes it possible to obtain a representative wave for the period considered.
  • intermediate processing can be carried out to prepare the data for their subsequent exploitation: filtering, aberrant point elimination, standardization of signals, etc.
  • the signals recorded by the different sensors Si are extracted during at least two successive periods of time P and Q. These time periods can be immediately consecutive, or separated by a lapse of time.
  • FIGS. 3A and 3B An example of signals si and s2 recorded for a first sensor S1 and a second sensor S2, extracted over only a first period of time P, and normalized between amplitudes A ranging from -1 to 1, is given by FIGS. 3A and 3B. .
  • the period of time is chosen to occur substantially at a median time between low tide and high tide.
  • Each of the signals of the sensors S1 and S2 is recorded for a period of 600 seconds, ie 10 minutes (the same period simultaneously for the two sensors).
  • the signals of the sensors S1 and S2 are also extracted during a second period Q which occurs substantially at high tide, approximately three hours after the first period P.) Calculation of the reconstructed signals
  • reconstructed signals C j , k are calculated.
  • each reconstructed signal G ] ( k for the first sensor j and the second sensor k is calculated by intercorrelating the signals emitted by the first sensor S j with the signals emitted by the second sensor S k during the period considered, therefore each reconstructed signal Q, k is defined by the following formula and calculated using this: where Sj and Sk are the noise signals recorded by the sensors j and k, * symbolizes the complex conjugate, t represents the time, and ⁇ is a delay applied to the signal Sk, which corresponds to the time for the reconstructed signal.
  • This formula is the formula that defines, in a general way, a function C obtained by intercorrelation (in the case above, intercorrelation in the time domain) from two functions, in this case the functions S j and S k .
  • the reconstructed signal Cj, k can also be obtained by other formulas than that indicated above. For example, it can also be calculated by inter-correlation in the frequency domain or by deconvolution.
  • the reconstructed signal (in the time domain, ie Q, k ( ⁇ )), is then recalculated by inverse Fourier transform.
  • a "symmetric signal” is calculated (preferably) by causal part of the reconstructed signal (positive ⁇ delays) and the anti-causal part of the reconstructed signal (negative ⁇ delays), according to the equation:
  • a signal Fj, k called 'transformed signal' is obtained by applying the Fourier transform to the reconstructed signal C jrk :
  • the attenuation phenomenon is illustrated in Figure 4A.
  • the reconstructed signals Q, k for a given pair of sensors, at two different periods: during the period P which takes place when only the lower part of the dike is immersed, at about halfway up of the tide, and during the Q period at high tide.
  • the two curves are very different. It is deduced that for the pair of sensors considered, the wave transmission properties of the dike 10 vary between the period P and the period Q.
  • Attenuation coefficients K could of course also be made on the basis of reconstructed signals obtained by deconvolution of acquired seismic noise signals.
  • j and k are the indices of the two sensors whose signals have been intercorrelated to produce the reconstructed signal
  • p is the number indicating the period during which the signals of the sensors j, k have been transmitted
  • [f1, f2] is the frequency range at which the signal transform has been limited.
  • each attenuation coefficient Kj ( k, p, Q, f1, f2, for a pair j, k of sensors considered, for a pair of periods P, Q considered, for the frequency range [f1, f2] considered to be equal to the ratio of the norms of the extracted signal transforms ⁇ ⁇ , ⁇ , ⁇ and Fj, k , Q, fi, f2:
  • I I designates a standard
  • the attenuation coefficients can naturally be expressed by other formulas depending on the amplitudes of the reconstructed signals C or their frequency transforms F.
  • the value of the attenuation coefficients can be appreciated in particular from the curves representing the functions F j , k / P of the signal transform (FIG. 4B). These curves represent the corresponding reconstructed signals as a function of frequency, in the frequency domain, whereas the reconstructed signals Q, k represented in FIG. 4A are expressed as a function of time (in the time domain).
  • FIG. 4B represents the functions F 1, k, p and F 1, k, o, respectively for the two periods P and Q; these functions are the functions obtained by Fourier transformation from the reconstructed signals k represented in FIG. 4A. These curves represent the functions F j (k , p and F j , k , Q as a function of the frequency f of the acquired seismic noise signals.
  • the attenuation of the signal which appears in FIG. 4A results in a downward shift of the curves representing the functions F j (k , p of the signal transform in FIG. 4B.
  • This downward shift results in the coefficients of K attenuation calculated are significantly less than 1.
  • the attenuation coefficient is significantly different from 1 (for example, different from more than 10%)
  • the attenuation coefficient is calculated on the basis of the 'signal transform' functions, obtained by applying the Fourier transform to the reconstructed signal.
  • the calculation of the attenuation coefficients can also be done directly from the reconstructed signals in the time domain (without Fourier transform).
  • the calculated ratio is comparable to a ratio of energy transported by the wave considered, the transported energy being itself a function of the frequencies contained in the reconstructed signals.
  • the variation of the attenuation coefficient is then calculated.
  • the invention can thus be implemented by calculating the attenuation coefficients (at step C of the method) as follows:
  • the amplitude of a wave is expressed as a function of the distance r with respect to the source of a seismic noise by:
  • a 0 a constant term and has an attenuation coefficient of the medium, which describes the "absorbency" of the medium and is not expressed as a ratio .
  • This attenuation coefficient a is defined as: a
  • the variation of the attenuation coefficient is then given by: a j, k where a is the attenuation coefficient, F the Fourier transform of the reconstructed signal, In the natural logarithm function, p and q two periods (p being chosen as the reference period), j and k the receivers, and d the distance between the two sensors j and k.
  • the detection of water infiltrations can also be carried out by determining the variations of speed of the seismic waves between the different periods studied.
  • FIG. 5 An example of reconstructed signals Q, k, in the time domain, is given in FIG. 5 (these signals are other signals than those represented in FIG. 4A).
  • FIG. 5 represents a reconstructed signal curve ((k in continuous line obtained for the first period P (at mid-height of the tide), and a reconstructed signal curve Q, k in dashed line obtained for the second period Q ( high tide.) These signals are represented in a normalized form between -1 and 1.
  • a "windowing” is performed, that is to say that the parts of these signals located in a specific time interval [tl, t2] are extracted.
  • This windowing is based on the reconstructed 'reference' signal, that is to say in this case the reconstructed signal for the first period considered (period P).
  • phase shift 5t (or time shift) between the two reconstructed signals Q, k, P and Q, k, P is calculated at the two periods P and Q considered.
  • This phase shift takes the value for which the correlation coefficient CC (5t) below is maximal: where t1 and t2 are the bounds of the chosen time window, C j , k (P and Cj , k, q the reconstructed signals between the sensors j and k, respectively at the two periods P and Q.
  • This formula calculates the phase shift or time offset value that leads to the best superposition of signals between the P and Q periods.
  • This offset 5t is directly related to the relative speed variation on the path separating the two sensors.
  • the time offset 5t as a function of the frequency of the signal, and therefore of the depth.
  • the correlation coefficient CC and then the offset 5t are then calculated as a function of the reconstructed reconstructed signals Fj, k, p , fi, f2, limited to a frequency band ([f1, f2]) rather than as a function of the signals reconstructed in the time domain Cj, k , p and Q, k, Q as previously explained.
  • the relative variation of the 5V / V velocity of the waves between the two periods P and Q considered is then calculated: where t1 and t2 are the terminals of the window used to calculate the correlation coefficient CC.
  • the relative speed variation ⁇ / V is therefore directly related to the time shift (phase shift) observed between the two windowed signals.
  • the computer 52 of the seismic noise analysis device 50 comprises (FIG. 7):
  • a reconstructed signal calculation module 56 configured to calculate reconstructed signals (Q, k ) by intercorrelation or deconvolution of the signals acquired by the acquisition module;
  • the comparison module 58 itself comprises two units:
  • a comparison unit 581 configured to compare amplitudes of said reconstructed signals (Q, k ) calculated respectively for each of said periods, and
  • a speed variation determination unit 582 configured to determine velocity variations of the seismic waves from said reconstructed signals C.
  • the comparison unit 581 is configured to calculate attenuation coefficients K as previously indicated.
  • the comparison unit 581 can naturally be configured to perform any calculation previously envisaged for the comparison unit.
  • the three modules 54, 56 and 58 indicated above are configured to respectively implement steps A), B) and C) of the seismic noise analysis method in the embodiment of the invention presented above. , including in particular all or part (depending on the mode of implementation) of the various operations included in these different steps.
  • the functional modules 54, 56 and 58 described above are functional modules of the computer 52 of the seismic noise analysis device 50.
  • This computer or computer 52 constitutes the heart of the geometric control device 50 shown in FIG.
  • the seismic noise analysis device 50 has the hardware architecture of a computer, as schematically illustrated in FIG. 8. It notably comprises a processor 4, a random access memory 5, a read-only memory 6, a flash memory nonvolatile 7, as well as communication means 8.
  • the communication means 8 comprise an antenna or a cable for receiving the signals produced by the seismic sensors SI to S7.
  • the read-only memory 6 of the geometric control device 50 constitutes a recording medium in accordance with the invention, readable by the processor 4 and on which is recorded a computer program according to the invention, comprising instructions for executing steps of the seismic noise analysis method according to the invention described above.

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Abstract

Procédé d'analyse de bruit sismique comportant les étapes suivantes : A) pendant chaque période parmi au moins deux périodes différentes, on acquiert au moins deux signaux de bruit sismique; B) on calcule un signal reconstruit par intercorrélation ou par déconvolution desdits signaux, respectivement pour chacune desdites périodes; C) on réalise au moins l'une des étapes C1 et C2 suivantes : C1) on compare des amplitudes desdits signaux reconstruits (Cj,k) calculés respectivement pour chacune desdites périodes; C2) on détermine des variations de vitesse des ondes sismiques à partir desdits signaux reconstruits (Cj,k ). Programme d'ordinateur comportant des instructions pour la mise en œuvre du procédé, support d'informations contenant le programme, et dispositif d'analyse de bruit sismique pour la mise en œuvre du procédé.

Description

Procédé, programme d'ordinateur, support d'informations et
dispositif pour l'analyse de bruit sismique
DOMAINE DE L'INVENTION
L'invention concerne l'analyse du bruit sismique et plus précisément, les procédés et dispositifs d'analyse de bruit sismique, notamment pour la détection de défauts dans les ouvrages d'art.
ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION
L'analyse du bruit sismique est un procédé connu en soi pour la surveillance des sols et des ouvrages d'art ainsi que dans le domaine de la sismologie. On place des capteurs sismiques sur le sol ou l'ouvrage d'art à surveiller, et on enregistre les signaux sismiques qui se propagent dans celui-ci. L'analyse de ces signaux permet notamment d'évaluer la vitesse de propagation des ondes dans le sol ou l'ouvrage d'art. L'étude de cette vitesse de propagation permet d'obtenir des informations importantes quant au sol ou à l'ouvrage d'art étudié ; elle permet notamment de détecter des changements de compacité, qui peuvent dans certains cas révéler de manière très utile des changements du sol ou de l'ouvrage d'art étudié.
Cependant, la détermination de la vitesse de déplacement des ondes ne donne qu'une information partielle sur le sol ou l'ouvrage d'art étudié. Il existe donc un besoin pour un procédé d'analyse de bruit sismique, permettant d'obtenir des informations plus riches et/ou plus fiables et/ou plus précises que les informations produites par les procédés connus, sur un sol ou un ouvrage d'art.
OBJET ET RESUME DE L'INVENTION
Pour répondre à ce besoin, suivant l'invention il est proposé un procédé d'analyse de bruit sismique comportant les étapes suivantes :
A) pendant chaque période parmi au moins deux périodes différentes, on acquiert au moins deux signaux de bruit sismique ;
B) on calcule un signal reconstruit par intercorrélation ou par déconvolution desdits signaux, respectivement pour chacune desdites périodes ; et
C) on réalise au moins l'une des étapes Cl et C2 suivantes :
Cl) on compare des amplitudes desdits signaux reconstruits calculés respectivement pour chacune desdites périodes ;
C2) on détermine des variations de vitesse des ondes sismiques à partir desdits signaux reconstruits.
L'étape A consiste à acquérir les signaux de bruit sismique. Ces signaux doivent avoir été mesurés en deux points distincts, suffisamment proches l'un de l'autre pour que l'énergie cumulée du bruit sismique enregistré soit suffisante sur une période de temps donnée.
L'étape A peut être réalisée de différentes manières.
Dans un mode de mise en œuvre, le signal acquis est un signal enregistré préalablement.
De manière alternative, l'étape A peut être réalisée au moyen de capteurs sismiques, et comporter deux phases : dans un premier temps, on met en place des capteurs sur le sol ou l'ouvrage d'art étudié ; dans un second temps, on réalise une campagne d'enregistrements des signaux collectés par ces capteurs.
Lors de l'étape B, à partir des signaux acquis à l'étape A), on calcule des signaux dits 'signaux reconstruits'. Chaque signal 'reconstruit' apparaît comme représentant une onde sismique qui se serait propagée entre la paire de capteurs considérée, pendant la période considérée.
Les signaux reconstruits peuvent être obtenus par inter-corrélation (dans le domaine temporel ou fréquentiel), ou encore par déconvoi ution.
L'étape C peut être réalisée de deux manières différentes, en réalisant respectivement l'étape Cl et/ou l'étape C2.
Lorsque l'étape Cl est réalisée, on calcule les amplitudes des signaux reconstruits entre deux périodes, et on compare ces amplitudes. Cette comparaison permet de faire apparaître des changements dans la transmission des ondes à travers le sol : elle permet donc de détecter que le sol ou l'ouvrage étudié a changé entre les périodes considérées, ce qui peut être une information très importante.
La comparaison entre les amplitudes des signaux reconstruits désigne la comparaison entre les normes de ces signaux. Pour cette comparaison, toute norme traduisant sensiblement l'amplitude des valeurs prises par le signal reconstruit peut être utilisée ; le but est que la norme choisie soit la plus représentative possible de l'énergie transmise par le signal considéré. Toute forme de comparaison ou de mesure de différence de normes peut être utilisée pour comparer les amplitudes des signaux reconstruits.
Par exemple, dans un mode de mise en œuvre, pour comparer les amplitudes des signaux reconstruits, à l'étape Cl on calcule au moins un coefficient d'atténuation représentatif d'une différence entre des amplitudes des signaux reconstruits, pour une paire de périodes considérées.
On peut notamment calculer ce ou ces coefficients d'atténuation comme étant fonction(s) d'un ratio, d'une différence, ou d'un ratio des logarithmes, entre les normes des deux signaux reconstruits aux deux périodes considérées. De manière générale, la comparaison entre les normes des signaux reconstruits réalisée à l'étape Cl peut être faite en comparant les normes « classiques », calculées directement à partir des signaux reconstruits eux-mêmes (c'est-à-dire tels qu'obtenus à l'issue de l'étape B), mais pas uniquement.
Cette comparaison peut en effet être également réalisée en faisant appel à des normes plus complexes.
Par exemple, dans le cas où les conditions de bruit ambiant changent beaucoup entre deux mesures (par exemple s'il y a beaucoup de vent), il peut s'avérer nécessaire, à chaque période de mesure, de normaliser les signaux acquis par les différentes paires de capteurs par rapport aux signaux acquis par une paire de capteur choisie comme référence. Cette normalisation permet de s'affranchir de l'influence de changements externes au milieu étudié. La comparaison est alors faite en comparant les normes de signaux reconstruits calculés sur la base des signaux ainsi normalisés.
La comparaison faite à l'étape Cl peut de plus également être réalisée en comparant des normes calculées à partir de fonctions transformées des signaux reconstruits. En effet, pour certaines transformations de fonctions, comme les transformations fréquentielles, la norme d'une fonction transformée est également une norme de la fonction considérée. Une transformation fréquentielle désigne ici toute transformation permettant de passer du domaine temporel au domaine fréquentiel et d'exprimer la fonction considérée (ici, le signal reconstruit) en fonction de la fréquence et non du temps ; la transformation de Fourier ou la transformation de Laplace sont des exemples de transformations fréquentielles.
Par suite, pour comparer les normes des signaux reconstruits à l'étape Cl, on peut comparer les normes de fonctions transformées des signaux reconstruits, les fonctions transformées étant obtenues par transformation fréquentielle.
Aussi, dans un mode de mise en œuvre, à l'étape Cl :
- pour chaque signal reconstruit on calcule une fonction transformée du signal en appliquant à celui-ci une transformation fréquentielle ;
- on compare les amplitudes des signaux reconstruits en fonction des fonctions transformées ainsi calculées.
Lorsqu'une telle transformation fréquentielle est réalisée, on peut éventuellement réaliser un filtrage fréquentiel avant d'effectuer la comparaison des amplitudes des signaux reconstruits. Ce filtrage fréquentiel est réalisé en sélectionnant seulement certaines plages de fréquence considérées comme utiles dans les fonctions transformées du signal, et inversement en éliminant les plages de fréquences considérées comme ne portant pas d'information pertinente. En effet, on sait que les ondes de surface se propagent à une profondeur qui est fonction de leur fréquence. Après calcul d'un diagramme de dispersion permettant de définir les vitesses en fonction de la fréquence, il est possible de définir la relation entre la fréquence des ondes de surface et la profondeur à laquelle ces ondes se déplacent. Ainsi, les ondes de basse fréquence se propagent non seulement à travers l'ouvrage d'art étudié mais aussi à travers le sol qui est en dessous. Ces ondes ne véhiculent donc pas d'information exploitable sur l'ouvrage d'art lui-même (ou la partie supérieure du sol), et servent plutôt à donner des informations sur le sous-sol situé sous l'ouvrage d'art. Inversement, pour étudier l'ouvrage d'art lui-même (ou une portion du sol) localisée seulement à une profondeur faible (par exemple au maximum cinq à huit mètres à partir de la surface libre du sol ou de l'ouvrage), il convient d'éliminer les composantes de basse fréquence des signaux étudiés.
Aussi, dans un mode de mise en œuvre, à l'étape Cl :
- pour chaque signal reconstruit, on extrait à partir de la fonction transformée du signal une fonction Fj(k,P(fi,f2 transformée du signal limitée à une plage de fréquence prédéterminée [fl,f2], où j et k sont les indices de deux signaux qui ont été exploités par intercorrélation ou déconvolution pour produire le signal reconstruit, et p est le numéro indiquant la période pendant laquelle les signaux des capteurs j,k ont été enregistrés ; et
- on compare les amplitudes des signaux reconstruits en fonction des fonctions transformées ainsi extraites.
Lorsque les coefficients d'atténuation sont calculés comme étant fonction d'un ratio entre les transformées du signal aux deux périodes considérées, ils peuvent donc s'exprimer de la manière suivante en fonction des fonctions transformées Fj,k<p, et Fj)k,q respectivement pour les étapes P et Q :
Kj,k,p,q = f(| Fj,k,p I / I Fj(k(Q I)
où f est une fonction et | | représente une norme.
De plus, dans le cas particulier présenté précédemment où on fait un filtrage fréquentiel en limitant à certaines plages de fréquence les fonctions transformées des signaux reconstruits, les coefficients d'atténuation peuvent s'exprimer de la manière suivante en fonction des fonctions transformées extraites (Fj,k,P(fi,f2 et Fj,k,q,fl,f2) :
Kj,k,p,q,fl,f2 = I Fj,k,p,fl,f2 I / I Fj,k,q,fl,f2 |
où f est une fonction, | | représente une norme et [fl,f2] est la plage de fréquences sélectionnée. La comparaison des amplitudes des signaux reconstruits (ou le calcul des coefficients d'atténuation) peut notamment se faire simplement pour une ou plusieurs fréquence(s) prédéterminée(s).
Avantageusement, le ou les coefficients d'atténuation obtenus grâce au procédé selon l'invention fournissent des informations riches et fiables sur le sol ou l'ouvrage d'art étudié. La fiabilité résulte notamment du fait que le coefficient d'atténuation est calculé en fonction de la norme des signaux reconstruits. Sa valeur dépend donc des valeurs des signaux reconstruits sur toute une période d'enregistrement, ce qui permet d'éliminer ou du moins de pondérer les éventuelles valeurs aberrantes éventuellement acquises lors de l'étape A.
Des exemples d'interprétation des coefficients d'atténuation sont donnés plus loin dans la présentation d'un mode de mise en œuvre de l'invention.
Prenons par exemple le cas de l'étude d'une digue située en bord de mer et exposée aux marées. On suppose que les deux périodes auxquelles le signal acquis à l'étape A a été émis correspondent respectivement à deux hauteurs d'eau différentes, et qu'à ces deux moments la digue était au contact de la mer, de telle sorte que le choc des vagues sur la digue a généré des ondes de surface au sein de celle-ci, qui ont été enregistrées aux deux périodes considérées.
De manière générale, si la comparaison faite à l'étape Cl fait apparaître un changement d'amplitude des signaux reconstruits d'une période à l'autre, sur un tronçon donné du sol ou d'un ouvrage d'art sur lequel les signaux de bruit sismique ont été acquis (par exemple, la digue située en bord de mer citée précédemment), cela indique que les ondes ne se transmettent pas de la même manière dans ce tronçon de sol ou d'ouvrage d'art à la deuxième période par rapport à la première période. Cela signifie donc qu'il s'est produit un changement dans la structure du tronçon de sol ou d'ouvrage d'art considéré. Par exemple, cela signifie que l'eau pénètre dans celui-ci, par des fissures ou autres, ce qui modifie la propagation des ondes à travers celui-ci.
Dans le cas de l'étude d'une digue située en bordure d'un fleuve, le procédé d'analyse de bruit sismique selon l'invention pourrait ainsi permettre d'obtenir des informations sur la digue en comparant des signaux enregistrés pendant une période de crue du fleuve, et des signaux enregistrés pendant une période d'étiage. Plus généralement, le procédé peut être mis en œuvre même en l'absence de changement particulier dans l'environnement de l'ouvrage d'art (par exemple, un changement de hauteur d'eau dans l'étendue d'eau), simplement pour vérifier que l'ouvrage d'art ne change pas. Par ailleurs comme cela a été indiqué précédemment, en remplacement ou en complément de l'étape Cl, le procédé d'analyse de bruit sismique peut comprendre l'étape C2 durant laquelle on détermine des variations de vitesse des ondes sismiques à partir des signaux reconstruits acquis à différentes périodes.
On détermine dans ce cas des variations, c'est-à-dire des changements, de la vitesse de propagation des ondes sismiques acquises. Ces variations de vitesses sont calculées naturellement en comparant la vitesse de propagation des ondes sismiques pendant une première période d'acquisition des signaux à la vitesse de propagation des ondes sismiques pendant une deuxième période d'acquisition des signaux.
Lorsque l'on constate que la vitesse des ondes sismiques varie, c'est-à-dire est différente entre les deux périodes d'acquisition considérées, on peut en conclure (comme lorsque l'étape Cl est réalisée) qu'il y a un changement dans la structure du sol ou de l'ouvrage d'art sur lequel les signaux de bruit sismique ont été acquis, par exemple dû à une infiltration d'eau.
La détermination de variations de vitesse des ondes sismiques peut être faite, comme pour l'étape Cl, soit sur la base des signaux reconstruits bruts obtenus à l'issue de l'étape B, soit sur la base d'une partie des signaux reconstruits, obtenue en sélectionnant dans ces signaux seulement certaines fréquences considérées comme porteuses d'informations utiles.
Le procédé d'analyse de bruit sismique selon l'invention, tel que décrit précédemment, peut tout particulièrement être mis en œuvre pour obtenir des informations relatives à un sol ou à un ouvrage d'art exposé à une étendue d'eau. L'étape A inclut alors la mise en place de capteurs sur cet ouvrage et l'acquisition de signaux de bruit sismique générés par le clapot de l'eau et enregistrés par les capteurs ainsi placés. L'expression « ouvrage d'art exposé à une étendue d'eau » désigne ici un ouvrage d'art qui est en bordure d'une étendue d'eau, et dont la paroi est en contact avec l'eau. L'étendue d'eau peut être la mer ou l'océan, ou encore un lac, un fleuve, etc. Le bruit sismique peut notamment être un bruit généré par les vagues, dans le cas notamment de la mer, d'un océan, d'un lac ; il peut aussi être le bruit de l'eau qui coule, dans le cas d'un fleuve.
Il s'est avéré en effet qu'avantageusement, le bruit sismique généré par le clapot de l'eau au contact de l'ouvrage exposé à l'étendue d'eau suffit pour émettre des ondes sismiques dans celui-ci, et que les signaux sismiques produits par ces ondes peuvent être exploités pour analyser l'état du sol ou de l'ouvrage d'art concerné. On peut par exemple détecter des infiltrations d'eau dans le sol ou l'ouvrage d'art par la méthode d'analyse indiquée précédemment. Ainsi, l'invention vise notamment un procédé d'évaluation de l'état d'une construction, notamment d'un ouvrage exposé à une étendue d'eau, dans lequel on évalue l'état d'un ouvrage en mettant en œuvre le procédé d'analyse de bruit sismique défini précédemment. Le procédé est applicable à toute construction, notamment un ouvrage d'art, et plus particulièrement un ouvrage exposé à une étendue d'eau.
Dans un mode particulier de réalisation, les différentes étapes du procédé d'analyse de bruit sismique selon l'invention sont déterminées par des instructions de programmes d'ordinateurs.
En conséquence, l'invention vise aussi un programme d'ordinateur sur un support d'informations, ce programme étant susceptible d'être mis en uvre par ordinateur, et comportant des instructions de code de programme pour l'exécution des étapes de l'un des procédés définis précédemment, lorsque le programme est exécuté sur un ordinateur. Ce programme peut utiliser n'importe quel langage de programmation, et être sous la forme de code source, code objet, ou de code intermédiaire entre code source et code objet, tel que dans une forme partiellement compilée, ou dans n'importe quelle autre forme souhaitable.
L'invention vise aussi un support d'enregistrement lisible par un ordinateur sur lequel est enregistré un programme d'ordinateur tel que défini précédemment. Le support d'informations peut être n'importe quelle entité ou dispositif capable de stocker le programme. Par exemple, le support peut comporter un moyen de stockage, tel qu'une ROM, par exemple un CD ROM ou une ROM de circuit microélectronique, ou encore un moyen d'enregistrement magnétique, par exemple une clé USB ou un disque dur. Alternativement, le support d'informations peut être un circuit intégré dans lequel le programme est incorporé, le circuit étant adapté pour exécuter ou pour être utilisé dans l'exécution du procédé d'analyse de bruit sismique.
Un deuxième objectif de l'invention est de proposer un dispositif d'analyse de bruit sismique qui permette d'obtenir des informations plus riches et/ou plus fiables que les informations produites par les dispositifs connus, concernant des sols ou ouvrages d'art que l'on étudie. Cet objectif est atteint grâce à un dispositif d'analyse de bruit sismique comportant
A) un module d'acquisition de signaux configuré pour, pendant chaque période parmi deux périodes différentes, acquérir au moins deux signaux de bruit sismique ; B) un module de calcul de signaux reconstruit, configuré pour calculer un signal reconstruit par intercorrélation ou par déconvolution desdits signaux, respectivement pour chacune desdites périodes ; et
C) un module de comparaison, comprenant au moins l'une des unités suivantes :
Cl) une unité de comparaison (581), configurée pour comparer des amplitudes desdits signaux reconstruits calculés respectivement pour chacune desdites périodes ;
C2) une unité de détermination de variations de vitesse, configurée pour déterminer des variations de vitesse des ondes sismiques à partir desdits signaux reconstruits.
Les modules du dispositif d'analyse de bruit sismique définis ci-dessus peuvent être configurés, dans différents modes de réalisation, pour permettre la mise en œuvre de tout ou partie des perfectionnements du procédé selon l'invention indiqués précédemment.
En particulier, dans un mode de réalisation, l'unité de comparaison est configurée, pour chaque signal reconstruit, pour calculer une fonction transformée du signal en appliquant à celui-ci une transformation fréquentielle, et pour comparer les amplitudes des signaux reconstruits en fonction des fonctions transformées ainsi calculées.
Dans une variante du mode de réalisation précédent, l'unité de comparaison est configurée, pour chaque signal reconstruit, pour extraire à partir de la fonction transformée du signal une fonction Ρί ρ,η,η transformée du signal limitée à une plage de fréquence prédéterminée ([fl,f2]), où j et k sont les indices de deux signaux qui ont été exploités par intercorrélation ou déconvolution pour produire le signal reconstruit, et p est le numéro indiquant la période pendant laquelle les signaux des capteurs j,k ont été enregistrés, et pour comparer les amplitudes des signaux reconstruits en fonction des fonctions transformées ainsi extraites.
Dans un mode de réalisation, l'unité de comparaison est configurée, afin de comparer les amplitudes des signaux reconstruits, pour calculer au moins un coefficient d'atténuation représentatif d'une différence entre des amplitudes desdits signaux reconstruits, pour une paire de périodes considérées.
Dans une variante du mode de réalisation précédent, l'unité de comparaison est configurée pour calculer ledit au moins un coefficient d'atténuation comme étant fonction d'un ratio, d'une différence, ou d'un ratio de logarithmes, entre les normes des deux signaux reconstruits aux deux périodes considérées.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui suit, de modes de réalisation représentés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique d'une digue en bord de mer, équipée d'un dispositif d'analyse de bruit sismique selon l'invention (exemple avec 7 capteurs posés en crête) ;
- la figure 2 est un diagramme présentant graphiquement un ensemble de signaux de bruit sismique enregistrés par un dispositif d'analyse de bruit sismique selon l'invention ;
- les figures 3A et 3B sont des diagrammes qui représentent graphiquement chacun un signal enregistré à un capteur différent, pendant la même période de temps ;
- la figure 3C est un diagramme qui représente un signal reconstruit obtenu à partir des signaux représentés sur les figures 3A et 3B ;
- les figures 4A et 4B sont des diagrammes qui représentent deux signaux reconstruits correspondant à deux périodes d'enregistrement différentes, respectivement dans le domaine temporel et dans le domaine fréquentiel (après transformation de Fourier) ;
- la figure 5 est un diagramme qui présente de manière comparative deux signaux reconstruits, respectivement pour deux périodes d'enregistrement différentes ;
- la figure 6 est un logigramme représentant les étapes d'un procédé selon un mode de mise en œuvre de l'invention ;
- la figure 7 est une représentation schématique fonctionnelle du dispositif d'analyse de bruit sismique de la figure 1 ; et
- la figure 8 est une représentation schématique de l'architecture matérielle du dispositif d'analyse de bruit sismique de la figure 1.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
Un exemple de mise en œuvre du procédé et de dispositif selon l'invention va maintenant être décrit. Cet exemple présente un procédé et un dispositif servant à analyser le bruit sismique émis par une digue de bord de mer 10 (Fig.l). La digue 10 constitue un exemple d'ouvrage d'art exposé à une étendue d'eau.
La digue 10 est exposée à la marée ; à marée basse, elle est entièrement découverte ; à marée haute inversement, comme on le voit sur la figure 1, une partie de la digue est immergée.
Pour la mise en œuvre du procédé, on dispose sur la digue un dispositif d'analyse de bruit sismique 50.
Ce dispositif d'analyse de bruit sismique 50 comporte un ensemble de sept capteurs sismiques S1-S7 et un calculateur 52 constituée par un ordinateur portable. Les capteurs sismiques sont connectés par liaison sans fil à l'unité de calcul 52 de manière à lui transmettre les signaux sismiques détectés.
Le procédé est mis en œuvre en réalisant successivement les étapes suivantes (Fig.6) :
A) Acquisition de signaux de bruit sismique
Ali Mise en place des capteurs sismiques
On dispose les capteurs sismiques S1-S7 à intervalles réguliers au sommet de la digue 10 ; leur espacement est choisi en fonction de la résolution de mesure cherchée. Les capteurs sont placés de manière à pouvoir capter les ondes sismiques circulant dans la digue.
Le procédé peut par exemple être d'abord mis en œuvre en espaçant beaucoup les capteurs, puis, au cas où une portion de la digue semble présenter des infiltrations, en effectuant une nouvelle campagne de mesures en se limitant à cette portion de la digue : on dispose alors les capteurs seulement sur cette portion de la digue, en rapprochant davantage les capteurs.
A2) Campagne d'enregistrements
On enregistre les signaux collectés par chacun des capteurs, pendant plusieurs période de temps durant lesquelles ou lesquelles la digue est exposée aux vagues.
La figure 2 à titre d'exemple représente 24 signaux enregistrés par 24 capteurs sismiques placés consécutivement le long d'une digue (dans une configuration par conséquent autre que celle de la figure 1). Le temps est indiqué en abscisse et, pour chacun des 24 signaux, le déplacement du sol ou une valeur équivalente est indiqué(e) en ordonnée.
Au cours de la campagne d'enregistrements on enregistre les signaux produits par les différents capteurs pendant plusieurs périodes. La durée de chaque période est choisie comme étant suffisante pour permettre une bonne intercorrélation ou déconvolution entre les signaux enregistrés par des paires de capteurs à l'étape B qui va être décrite plus bas. Par exemple, chaque période d'enregistrement peut avoir une durée de 10 minutes.
En pratique, plutôt que de faire des enregistrements séparés, période par période, on procède généralement à un enregistrement continu pendant une durée assez grande pour contenir plusieurs périodes d'enregistrement. Dans l'exemple présenté, il s'est avéré qu'une période de dix minutes est suffisante pour permettre d'extraire une 'onde reconstruite' pour la période considérée, comme cela va être expliqué pour les étapes C et D ci-dessous. La durée de chaque période d'enregistrement est adaptée pour que chaque période permette l'obtention d'une onde représentative pour la période considérée.
A3^ Extraction de périodes d'enregistrement
Si nécessaires, des traitements intermédiaires peuvent être réalisés pour préparer les données à leur exploitation ultérieure : filtrage , élimination de points aberrants, normalisation de signaux, etc.
A partir des enregistrements réalisés, on extrait les signaux enregistrés par les différents capteurs Si pendant au moins deux périodes de temps successives P et Q. Ces périodes de temps peuvent être immédiatement consécutives, ou séparées par un laps de temps.
Un exemple de signaux si et s2 enregistrés pour un premier capteur SI et un deuxième capteur S2, extraits sur seulement une première période de temps P, et normalisés entre des amplitudes A allant de -1 à 1, est donnée par les figures 3A et 3B. La période de temps est choisie pour se dérouler sensiblement à un instant médian entre la marée basse et la marée haute. Chacun des signaux des capteurs SI et S2 est enregistré pendant une période de 600 secondes, soit 10 minutes (la même période simultanément pour les deux capteurs).
On extrait également les signaux des capteurs SI et S2 pendant une deuxième période Q ayant lieu sensiblement à marée haute, environ trois heures après la première période P. ) Calcul des signaux reconstruits
Pour chacune des périodes P et Q, à partir des enregistrements des différents capteurs S1-S7, on calcule des signaux reconstruits Cj,k. Un exemple de signal reconstruit Q,k obtenu à partir des signaux représentés sur les figures 3A et 3B est représenté sur la figure 3C. Pour chaque période considérée (dans cet exemple, les périodes P et Q), et pour chaque couple comprenant un premier capteur j et un deuxième capteur k, le signal reconstruit G](k pour le premier capteur j et le deuxième capteur k est calculé par intercorrélation des signaux émis par le premier capteur Sj avec les signaux émis par le deuxième capteur Sk pendant la période considérée. Par conséquent, chaque signal Q,k reconstruit est défini par la formule suivante et calculé en utilisant celle-ci :
Figure imgf000014_0001
où Sj et Sk sont les signaux de bruit enregistrés par les capteurs j et k, * symbolise le conjugué complexe, t représente le temps, et τ est un délai appliqué au signal Sk, qui correspond au temps pour le signal reconstruit.
Cette formule est la formule qui définit, de manière générale, une fonction C obtenue par intercorrélation (dans le cas ci-dessus, intercorrélation dans le domaine temporel) à partir de deux fonctions, en l'occurrence les fonctions Sj et Sk.
En répétant ce calcul pour tout ou partie des paires de capteurs disponibles, on obtient une collection de signaux reconstruits Ç,k.
Le signal reconstruit Cj,k peut également être obtenu par d'autres formules que celle indiquée ci-dessus. Par exemple, il peut aussi être calculé par inter- corrélation dans le domaine fréquentiel, ou encore par déconvolution.
On peut par exemple procéder de la manière suivante :
Dans le premier cas, on calcule dans le domaine fréquentiel la transformée de Fourier (fonction FFT) du signal reconstruit par inter-corrélation
Figure imgf000014_0002
Dans le second cas, on calcule dans le domaine fréquentiel la transformée de Fourier du signal reconstruit par déconvolution:
FFT(qk)=m(sO/FFT(s,)
Dans un cas comme dans l'autre, le signal reconstruit (dans le domaine temporel, c'est-à-dire Q,k (τ)), est ensuite recalculé par transformée de Fourier inverse.
Pour améliorer la qualité du signal reconstruit, pour chaque paire de capteur (j,k) on calcule (de préférence) un « signal symétrisé » en moyennant la partie causale du signal reconstruit (délais τ positifs) et la partie anti-causale du signal reconstruit (délais τ négatifs), selon l'équation :
Figure imgf000015_0001
Nous allons maintenant présenter successivement un exemple de mise en œuvre pour chacune des étapes Cl et C2 du procédé selon l'invention.
Cl) Comparaison des amplitudes des signaux reconstruits
Cl 11 Transformation de Fourier
Dans le mode de mise en œuvre présenté, dans ce but, un signal Fj,k dit 'signal transformé' est obtenu en appliquant la transformation de Fourier au signal reconstruit Cjrk :
Figure imgf000015_0002
où f est la fréquence et W représente l'opérateur de transformation de Fourier.
C12) Calcul des coefficients d'atténuation par ratio de transformées du signal correspondant à des périodes de temps distinctes
Le phénomène d'atténuation est illustré par la figure 4A. Sur ce diagramme sont représentés les signaux reconstruits Q,k, pour une paire de capteurs donnée, à deux périodes différentes : lors de la période P qui a lieu quand seulement la partie basse de la digue est immergée, à peu près à mi-hauteur de la marée, et lors de la période Q à marée haute.
Comme on peut le constater, les deux courbes sont très différentes. On en déduit que, pour la paire de capteurs considérée, les propriétés de transmission d'onde de la digue 10 varient entre la période P et la période Q.
Pour évaluer l'importance de ce changement de comportement, on le quantifie en calculant des coefficients d'atténuation K.
Un tel calcul de coefficients d'atténuation K pourrait naturellement également être réalisé sur la base de signaux reconstruits obtenus par déconvolution de signaux de bruit sismique acquis.
On limite l'étude à la plage de fréquence [fl,f2] qui est celle des ondes susceptibles de se déplacer dans l'ouvrage d'art lui-même et non en profondeur. Dans un premier temps, pour chaque couple de capteurs (j,k) on extrait des fonctions transformée du signal partielles limitées à la plage de fréquences [fl,f2], et cela pour chaque période considérée (repérée par un indice p dans l'exemple ci-dessous). Cette opération d'extraction d'une plage de fréquences est faite à partir de la transformée du signal Fj(k obtenue par la transformation de Fourier à l'étape Cl. La transformée du signal limitée à une plage de fréquence est noté Ρ^ρ, ,η où :
j et k sont les indices des deux capteurs dont les signaux ont été intercorrélés pour produire le signal reconstruit ;
p est le numéro indiquant la période pendant laquelle les signaux des capteurs j,k ont été émis ;
[fl,f2] est la plage de fréquence à laquelle la transformée du signal a été limitée.
On calcule alors chaque coefficient d'atténuation Kj(k,p,Q,fi,f2, pour une paire j,k de capteurs considérée, pour une paire de périodes P,Q considérées, pour la plage de fréquences [fl,f2] considérée, comme étant égal au ratio des normes des transformées du signal extraites Ρι ρ,η,α et Fj,k,Q,fi,f2 :
Kj,k,P,Q,fi,f2 = I Fj,k,P,f1(f2 I / I Fj,k,Q,fl,f2 I
où I I désigne une norme.
Dans d'autres modes de mise en oeuvre, les coefficients d'atténuation peuvent naturellement s'exprimer par d'autres formules en fonction des amplitudes des signaux reconstruits C ou de leurs transformées fréquentielles F.
La valeur des coefficients d'atténuation peut être appréciée notamment à partir des courbes représentant les fonctions Fj,k/P de transformée du signal (Fig.4B). Ces courbes représentent les signaux reconstruits correspondants en fonction de la fréquence, dans le domaine fréquentiel, alors que les signaux reconstruits Q,k représentés sur la figure 4A sont exprimés en fonction du temps (dans le domaine temporel).
La figure 4B représente les fonctions Fj,k,p et Fj,k,o_ respectivement pour les deux périodes P et Q ; ces fonctions sont les fonctions obtenues par transformation de Fourier à partir des signaux reconstruits )k représentés sur la figure 4A. Ces courbes représentent les fonctions Fj(k,p et Fj,k,Q en fonction de la fréquence f des signaux de bruit sismique acquis.
L'atténuation du signal qui apparaît sur la figure 4A se traduit par un décalage vers le bas des courbes représentant les fonctions Fj(k,p de transformée du signal sur la figure 4B. Ce décalage vers le bas entraîne que les coefficients d'atténuation K calculés sont nettement inférieurs à 1. Dans ce cas, c'est-à-dire dès lors que l'on constate (comme dans le cas illustré par les figures 4A et 4B) que le coefficient d'atténuation est nettement différent de 1 (par exemple, différent de plus de 10%), on conclut que les ondes se propagent de manière différente dans la digue entre les capteurs j et k selon la hauteur de marée : on en déduit qu'il y a une infiltration d'eau dans la digue entre les capteurs j et k, entre la période P et la période Q.
Dans ce mode de mise en œuvre, le coefficient d'atténuation est calculé sur la base des fonctions de 'transformée du signal', obtenues en appliquant la transformation de Fourier au signal reconstruit. Cependant, dans d'autres modes de mise en œuvre le calcul des coefficients d'atténuation peut également être fait directement à partir des signaux reconstruits dans le domaine temporel (sans transformation de Fourier).
Dans les deux cas, le ratio calculé est assimilable à un ratio d'énergie transportée par l'onde considérée, l'énergie transportée étant elle-même fonction des fréquences contenues dans les signaux reconstruits.
De préférence, pour faciliter l'interprétation des résultats, on calcule alors la variation du coefficient d'atténuation.
L'invention peut ainsi être mise en œuvre en calculant les coefficients d'atténuation (à l'étape C du procédé) de la manière suivante :
L'amplitude d'une onde est exprimée en fonction de la distance r par rapport à la source d'un bruit sismique par :
Figure imgf000017_0001
où r est la distance entre le capteur et cette source, A l'amplitude, A0 un terme constant et a un coefficient d'atténuation du milieu, qui décrit le "pouvoir absorbant" du milieu et n'est pas exprimé comme un ratio.
Ce coefficient d'atténuation a est défini comme : a
QV(f) où Q est le facteur de qualité et V la vitesse de propagation (qui dépend de la fréquence, puisqu'il s'agit d'ondes de surface).
La variation du coefficient d'atténuation est alors donnée par : aj,k où a est le coefficient d'atténuation, F la transformée de Fourier du signal reconstruit, In la fonction logarithme népérien, p et q deux périodes (p étant choisie comme la période de référence), j et k les récepteurs, et d la distance entre les deux capteurs j et k.
Calcul des variations de vitesse des ondes sismiques
De manière alternative à la méthode Cl, la détection d'infiltrations d'eau peut également être réalisée en déterminant les variations de vitesse des ondes sismiques entre les différentes périodes étudiées.
Pour cela, on utilise les signaux reconstruits Q,k calculés précédemment, de préférence symétrisés.
Cependant, de manière alternative il est également possible de sélectionner seulement les composantes du signal reconstruit symétrisé se trouvant dans une certaine plage de fréquence, notamment en appliquant la transformation de Fourier aux signaux reconstruits : on utilise dans ce cas les signaux reconstruits Fj,k,p,fi,f2, limités à une certaine plage de fréquence ([fl,f2]), exprimés dans le domaine fréquentiel.
Un exemple de signaux reconstruits Q,k, dans le domaine temporel, est donné par la figure 5 (ces signaux sont d'autres signaux que ceux représentés sur la figure 4A).
La figure 5 représente une courbe de signal reconstruit Ç(k en trait continu obtenue pour la première période P (à mi-hauteur de la marée), et une courbe de signal reconstruit Q,k en trait pointillé obtenue pour la deuxième période Q (marée haute). Ces signaux sont représentés sous une forme normalisée entre -1 et 1.
A partir de ces signaux, on calcule les variations relatives de vitesse des ondes sismiques de la manière suivante :
On réalise tout d'abord un 'fenêtrage', c'est-à-dire que l'on extrait les parties de ces signaux situées dans un intervalle de temps [tl,t2] spécifique. Ce fenêtrage est fondé sur le signal reconstruit 'de référence', c'est-à-dire dans le cas présent le signal reconstruit pour la première période considérée (période P).
Le fenêtrage permet de ne conserver que les informations utiles, c'est-à- dire les informations qui concernent les ondes de surface. D'autres critères de fenêtrage sont possibles. Une fois l'opération de fenêtrage réalisée, on calcule le déphasage 5t (ou décalage temporel) entre les deux signaux reconstruits Q,k,P et Q,k,P aux deux périodes P et Q considérées. Ce déphasage prend la valeur ôt pour laquelle le coefficient de corrélation CC(5t) ci-dessous est maximal :
Figure imgf000019_0001
où tl et t2 sont les bornes de la fenêtre de temps choisie, Cj,k(P et Cj,k,q les signaux reconstruits entre les capteurs j et k, respectivement aux deux périodes P et Q.
Cette formule permet de calculer la valeur de déphasage ou de décalage temporel qui conduit à la meilleure superposition des signaux entre les périodes P et Q.
Ce décalage 5t, divisé par la largeur de la fenêtre temporelle, est directement relié à la variation relative de vitesse sur le trajet qui sépare les deux capteurs.
Pour obtenir une information plus fine sur l'état de l'ouvrage d'art étudié, il est possible de déterminer le décalage temporel 5t en fonction de la fréquence du signal, et donc de la profondeur. Dans ce cas, il est nécessaire de filtrer au préalable les signaux reconstruits dans différentes bandes de fréquence ; on calcule alors le coefficient de corrélation CC puis le décalage 5t en fonction des signaux reconstruits transformés Fj,k,p,fi,f2, limités à une bande de fréquence ([fl,f2]) plutôt qu'en fonction des signaux reconstruits dans le domaine temporel Cj,k,p et Q,k,Q comme expliqué précédemment.
Le calcul des variations relatives de vitesse 5V/V (qui va être présenté ci- dessous) pourra alors être réalisé sur différentes bandes de fréquences : l'étude pour les hautes fréquences permettra par exemple de calculer des variations de vitesse superficielles et celle des basses fréquences donnera un résultat englobant également des variations en profondeur.
Sur la base du décalage temporel ôt calculé précédemment, on calcule alors la variation relative de vitesse 5V/V des ondes entre les deux périodes P et Q considérées :
Figure imgf000019_0002
où tl et t2 sont les bornes de la fenêtre utilisée pour le calcul du coefficient de corrélation CC.
La variation relative de vitesse δν/V est donc directement reliée au décalage temporel (déphasage) 5t observé entre les deux signaux fenêtrés.
L'architecture fonctionnelle et matérielle du dispositif d'analyse de bruit sismique 50 va maintenant être décrite en relation avec les figures 7 et 8.
Pour permettre l'analyse de bruit sismique en mettant en oeuvre le procédé décrit ci-dessus, le calculateur 52 du dispositif d'analyse de bruit sismique 50 comporte (Fig.7) :
A) un module d'acquisition de signaux 54, configuré pour acquérir les signaux de bruit sismique (S1,S2) produits par les différents capteurs sismiques S1-S7;
B) un module de calcul de signaux reconstruits 56, configuré pour calculer des signaux reconstruits (Q,k) par intercorrélation ou déconvolution des signaux acquis par le module d'acquisition; et
C) un module de comparaison 58.
Le module de comparaison 58 comporte lui-même deux unités :
une unité de comparaison 581, configuré pour comparer des amplitudes desdits signaux reconstruits (Q,k) calculés respectivement pour chacune desdites périodes, et
une unité de détermination de variations de vitesse 582, configurée pour déterminer des variations de vitesse des ondes sismiques à partir desdits signaux reconstruits C .
Dans ce mode de réalisation, l'unité de comparaison 581est configurée pour calculer des coefficients d'atténuation K comme indiqué précédemment. L'unité de comparaison 581 peut naturellement être configurée pour réaliser tout calcul envisagé précédemment pour l'unité de comparaison.
Les trois modules 54,56 et 58 indiqués ci-dessus sont configurés pour mettre en œuvre respectivement les étapes A), B) et C) du procédé d'analyse de bruit sismique dans le mode de mise en œuvre de l'invention présenté précédemment, dont notamment tout ou partie (selon le mode de mise en œuvre) des différentes opérations comprises par ces différentes étapes.
Les modules fonctionnels 54, 56 et 58 décrits précédemment sont des modules fonctionnels du calculateur 52 du dispositif d'analyse de bruit sismique 50. Ce calculateur ou ordinateur 52 constitue le cœur du dispositif de contrôle géométrique 50 représenté sur la figure 1. Le dispositif d'analyse de bruit sismique 50 dispose de l'architecture matérielle d'un ordinateur, telle qu'illustrée schématiquement à la figure 8. Il comprend notamment un processeur 4, une mémoire vive 5, une mémoire morte 6, une mémoire flash non volatile 7, ainsi que des moyens de communication 8. Les moyens de communication 8 comportent une antenne ou un câble permettant la réception des signaux produits par les capteurs sismiques SI à S7.
La mémoire morte 6 du dispositif de contrôle géométrique 50 constitue un support d'enregistrement conforme à l'invention, lisible par le processeur 4 et sur lequel est enregistré un programme d'ordinateur conforme à l'invention, comportant des instructions pour l'exécution des étapes du procédé d'analyse de bruit sismique conforme à l'invention décrit précédemment.
Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En outre, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation évoqués peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé d'analyse de bruit sismique comportant les étapes suivantes :
A) pendant chaque période parmi au moins deux périodes différentes (P,Q), on acquiert au moins deux signaux de bruit sismique (S1,S2) ;
B) on calcule un signal reconstruit (Q,k) par intercorrélation ou par déconvolution desdits signaux, respectivement pour chacune desdites périodes ;
C) on réalise au moins l'une des étapes Cl et C2 suivantes :
Cl) on compare des amplitudes desdits signaux reconstruits (Ç,k) calculés respectivement pour chacune desdites périodes ;
C2) on détermine des variations de vitesse des ondes sismiques à partir desdits signaux reconstruits (Ç,k).
2. Procédé d'analyse de bruit sismique selon la revendication 1, dans le cas où au moins l'étape Cl est réalisée, dans lequel à l'étape Cl :
- pour chaque signal reconstruit (Ç,k) on calcule une fonction transformée du signal (F) en appliquant à celui-ci une transformation fréquentielle ; et
- on compare les amplitudes desdits signaux reconstruits (Q,k) en fonction des fonctions transformées ainsi calculées.
3. Procédé d'analyse de bruit sismique selon la revendication 2, dans lequel à l'étape Cl :
- pour chaque signal reconstruit, on extrait à partir de la fonction transformée du signal (F) une fonction Fj,k,p,fi,f2 transformée du signal limitée à une plage de fréquence prédéterminée ([fl,f2]), où j et k sont les indices de deux signaux qui ont été exploités par intercorrélation ou déconvolution pour produire le signal reconstruit (Qik), et p est le numéro indiquant la période pendant laquelle les signaux des capteurs j,k ont été enregistrés ; et
- on compare les amplitudes desdits signaux reconstruits (Q,k) en fonction des fonctions transformées ainsi extraites.
4. Procédé d'analyse de bruit sismique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans le cas où au moins l'étape Cl est réalisée, dans lequel à l'étape Cl, pour comparer les amplitudes desdits signaux reconstruits (Q,k), on calcule au moins un coefficient d'atténuation (Kj,k,p,q) représentatif d'une différence entre des amplitudes desdits signaux reconstruits (Cj(k), pour une paire de périodes considérées (P,Q).
5. Procédé d'analyse de bruit sismique selon la revendication 4, dans lequel à l'étape Cl), on calcule ledit au moins un coefficient d'atténuation (K) comme étant fonction d'un ratio, d'une différence, ou d'un ratio de logarithmes, entre des normes des deux signaux reconstruits aux deux périodes considérées (P,Q).
6. Procédé d'analyse de bruit sismique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, mis en œuvre pour obtenir des information relatives à un ouvrage exposé à une étendue d'eau (10), et dans lequel l'étape A inclut la mise en place de capteurs (S1-S7) sur ledit ouvrage et l'acquisition de signaux de bruit sismique générés par le clapot de l'eau et enregistrés par les capteurs (S1-S7).
7. Procédé d'évaluation de l'état d'une construction, notamment d'un ouvrage exposé à une étendue d'eau, dans lequel on évalue l'état dudit ouvrage en mettant en œuvre le procédé d'analyse de bruit sismique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.
8. Programme d'ordinateur sur un support d'informations, ce programme étant susceptible d'être mis en œuvre dans un ordinateur, ce programme comportant des instructions de code de programme pour l'exécution des étapes du procédé d'analyse de bruit sismique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 ou du procédé d'évaluation de l'état d'une construction selon la revendication 7, lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur.
9. Support d'informations lisible par un ordinateur sur lequel est enregistré un programme d'ordinateur selon la revendication 8.
10. Dispositif d'analyse de bruit sismique comportant
A) un module d'acquisition de signaux (54), configuré pour, pendant chaque période parmi deux périodes différentes (P,Q), acquérir au moins deux signaux de bruit sismique (S1,S2) ;
B) un module de calcul de signaux reconstruits (56), configuré pour calculer un signal reconstruit (Q,k) par intercorrélation ou par déconvolution desdits signaux, respectivement pour chacune desdites périodes ; et
C) un module de comparaison (58), comprenant au moins l'une des unités suivantes : Cl) une unité de comparaison (581), configurée pour comparer des amplitudes desdits signaux reconstruits (Q,k) calculés respectivement pour chacune desdites périodes ;
C2) une unité de détermination de variations de vitesse (582), configurée pour déterminer des variations de vitesse des ondes sismiques à partir desdits signaux reconstruits (Ç,k).
11. Dispositif d'analyse de bruit sismique selon la revendication 10, dans le cas où il comprend l'unité de comparaison (581), dont l'unité de comparaison (581) est configurée, pour chaque signal reconstruit (Cj,k), pour calculer une fonction transformée du signal (F) en appliquant à celui-ci une transformation fréquentielle, et pour calculer les amplitudes desdits signaux reconstruits (Q,k) en fonction des fonctions transformées ainsi calculées.
12. Dispositif d'analyse de bruit sismique selon la revendication 11, dont l'unité de comparaison (581) est configurée, pour chaque signal reconstruit, pour extraire à partir de la fonction transformée du signal (F) une fonction Fj,k,p,fi,f2 transformée du signal limitée à une plage de fréquence prédéterminée ([fl,f2]), où j et k sont les indices de deux signaux qui ont été exploités par intercorrélation ou déconvolution pour produire le signal reconstruit (Q,k), et p est le numéro indiquant la période pendant laquelle les signaux des capteurs j,k ont été enregistrés, et pour calculer les amplitudes desdits signaux reconstruits (Q,k) en fonction des fonctions transformées ainsi extraites.
13. Dispositif d'analyse de bruit sismique selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, dont l'unité de comparaison (581) est configurée, afin de calculer les amplitudes desdits signaux reconstruits (Cj,k), pour calculer au moins un coefficient d'atténuation (Kj,k,p,q) représentatif d'une différence entre des amplitudes desdits signaux reconstruits (Q,k), pour une paire de périodes considérées (P,Q).
14. Dispositif d'analyse de bruit sismique selon la revendication 13, dont l'unité de comparaison (581) est configurée pour calculer ledit au moins un coefficient d'atténuation (K) comme étant fonction d'un ratio, d'une différence, ou d'un ratio de logarithmes, entre les normes des deux signaux reconstruits aux deux périodes considérées (P,Q).
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