Sondeur électromagnétique innovant pour l’imagerie du sous-sol et la détection en milieu marin

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"Trois programmes sur trois plates-formes, mais toujours le point commun de LabVIEW qui a largement accéléré la mise au point."

- Jean-Francois D’Eu, Laboratoire Domaines Océaniques - IUEM

The Challenge:
Développer un instrument basé sur l’imagerie électromagnétique pour pallier les limites des techniques classiques de prospection géophysique.

The Solution:
S’appuyer sur un système NI CompactRIO et NI LabVIEW pour faire l’acquisition rapide et simultanée de toutes les mesures, enregistrer et visualiser les données en temps réel à bord du navire.

Author(s):
Jean-Francois D’Eu - Laboratoire Domaines Océaniques - IUEM

Les techniques classiques de prospection géophysique en mer utilisent les ondes sismiques ou acoustiques pour restituer une image du sous-sol. Malheureusement, dans certains cas, les ondes sont absorbées par le milieu, ou réfléchies, selon les matériaux ou s’il y a du gaz dans le sous-sol (souvent d’origine biogénique). L’instrument reste alors aveugle aux structures plus profondes.

Démasquer le sous-sol marin

Cela peut être très problématique, par exemple pour l’implantation d’infrastructures comme les éoliennes marines. D’où le besoin de disposer d’un instrument capable d’imager correctement ces zones masquées. D’autant plus qu’il est souvent nécessaire de pouvoir étudier une zone avec différentes techniques de mesures afin de lever les incertitudes d’interprétation.

Le Laboratoire Domaines Océaniques de l’Université de Brest développe depuis plus de dix ans de l’instrumentation embarquée, souvent autonome, pour la géophysique, en utilisant l’électromagnétisme comme méthode d’imagerie. Cette méthode puissante est encore peu utilisée de par la difficulté historique de mise en œuvre des capteurs électromagnétiques et le savoir-faire nécessaire pour mener à bien les mesures, et surtout le traitement de la donnée.

Utiliser une image de la résistivité électrique

Les techniques d’imagerie électromagnétiques permettent de restituer une image de la résistivité électrique. Par exemple, les roches électriquement résistantes apparaissent différemment des sédiments gorgés d’eau de mer, très conducteurs. Cette propriété des matériaux, qui mesure la propension à limiter ou non la circulation du courant électrique, est insensible aux masques couramment rencontrés. Pratiquement, on injecte un signal électromagnétique dans l’eau, sous la forme d’un courant fort, et des capteurs électriques mesurent les potentiels (faibles) induits.

Pour ce projet, le contexte était différent de nos projets instrumentaux précédents. Il s’agissait de concevoir un outil opérationnel, pour répondre à un besoin précis d’imagerie, qui permette de mener à bien des campagnes de mesure sur des navires côtiers, avec la contrainte supplémentaire de pouvoir visualiser les données acquises sur le navire en temps réel.

Des contraintes de temps et de souplesse

La solution du développement complet du système d’acquisition a vite été abandonnée car les contraintes temporelles étaient trop grandes. La solution du CompactRIO s’est imposée d’elle-même pour le cerveau du système : un système souple pouvant supporter les modifications lourdes, et permettant un développement rapide des applications. Nous pouvions alors nous concentrer sur le développement du système de mesure lui-même : un poisson tracté, capable de supporter la pression, le choix et l’intégration des capteurs, des câbles, mais aussi toute la partie logicielle, du contrôle de l’acquisition et du prétraitement des données, leur enregistrement, et l’IHM qui sera affichée en passerelle pour le contrôle de la navigation du système et la visualisation des données, programmée en LabVIEW.

Un instrument de 100 m de long

Le nouvel instrument ainsi développé, nommé MAPPEM (pour Mapping with penetrating Electromagnetics), se présente sous la forme d’un poisson, tracté par un navire. Il contient les moyens de communication, les alimentations électriques, le système d’acquisition et les préamplificateurs. Il héberge aussi les capteurs de navigation, un compas doublé d’inclinomètres à l’intérieur, et à l’extérieur de l’enceinte étanche, un capteur de pression pour connaître la profondeur de l’instrument, et un altimètre pour connaître sa distance par rapport au fond, qui communiquent en RS232. Ces capteurs sont indispensables pour la sécurité du système, mais aussi pour le traitement des données.

Sur le poisson est aussi placée une électrode qui va servir à l’injection de courant pour « éclairer » le milieu et permettre l’imagerie. Suivent ensuite des câbles qui portent les capteurs électriques, 19 en tout, qui sont des électrodes de potentiel. Enfin, une traîne comporte une deuxième électrode d’injection. Le tout fait typiquement 100 m de long et sera tracté typiquement à 2-3 m du fond.

Un câble relie le système au bateau. Ce câble apporte l’énergie et permet la communication entre le navire et le poisson.

Un CompactRIO pour rythmer l’acquisition

Le CompactRIO, chargé de faire l’acquisition rapide et simultanée des 20 voies de mesure, a été l’élément central du développement. Une fois le matériel reçu et assemblé, le développement des applications a débuté, en s’appuyant sur les exemples fournis par National Instruments. Les applications se sont vite complexifiées. Un programme LabVIEW FPGA pour gérer l’acquisition des données, un programme LabVIEW Real-Time pour le prétraitement et le conditionnement des données, et un programme LabVIEW classique sur le PC embarqué à bord du navire pour l’enregistrement des données, le contrôle à distance du système et la visualisation. Trois programmes sur trois plates-formes, mais toujours le point commun de LabVIEW qui a largement accéléré la mise au point.

Des résultats prometteurs

Le système est en constance évolution, mais les résultats de mesures sont probants et l’instrument efficace. De nombreux kilomètres de profils ont été acquis sur différents objectifs et les résultats sont très intéressants. Après l’acquisition, les données sont traitées et inversées au laboratoire pour obtenir les modèles de la distribution de résistivité électrique dans le sous-sol jusque des profondeurs de plusieurs dizaines de mètres. Les modèles obtenus sont très encourageants. Par exemple, des mesures effectuées près de l’embouchure du Rhône ou du côté de Nice ont pu montrer la présence de gaz et les structures sous-jacentes. Nous avons également montré la possibilité de détecter et de localiser des objets enfouis comme les pipelines.

Vers un brevet et un outil industriel

Nous sommes maintenant en train de qualifier précisément les données, d’évaluer les limites de l’instrument et les pistes d’amélioration. Le MAPPEM est maintenant bien plus qu’un prototype, c’est un instrument opérationnel capable d’acquérir des données en continu. Un brevet a été déposé. L’étape suivante est le transfert de cette technologie vers l’industrie, afin de proposer ce service d’imagerie aux entreprises et collectivités qui pourraient en avoir besoin dans l’aménagement et l’exploration du sous-sol des zones côtières. Une entreprise pourrait voir le jour prochainement.

Novembre 2012

Author Information:
Jean-Francois D’Eu
Laboratoire Domaines Océaniques - IUEM
Technopole Brest-Iroise
29280 Plouzané
France
deu@univ-brest.fr

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