CN107037433B - 一种用于沉管安装的声呐偏差测控***及偏差测控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海底隧道工程，特别是一种用于沉管安装的声呐偏差测控***及偏差测控方法。本发明提供的用于沉管安装的声呐偏差测控***及用于沉管安装的声呐偏差测控方法，在安装船上设置声呐送受波器，同时在已安装管节及待安装管节的上表面特征点位置设置声波应答器，在管节对接安装过程中，通过不断检测待安装管节上应答器与已安装管节上应答器的距离，得出待安装管节与已安装管节的相对位置信息，通过该相对位置信息调整控制管节的安装过程，保证管节对接安装精度，解决了传统的GPS定位方法无法在水下使用的难题。

Description

一种用于沉管安装的声呐偏差测控***及偏差测控方法

技术领域

本发明涉及海底隧道工程，特别是一种用于沉管安装的声呐偏差测控***及偏差测控方法。

背景技术

海底道作为重要的水域跨域交通基础设施形式，因其对航运的影响小，被普遍认为是跨越航运繁忙水域的第一选择，而在海底道建造领域中以沉管隧道最为常见，沉管隧道是以先在岸边深坞分段预制沉管管节，再由拖轮将分段预制的管节浮运至目标安装位置后顺序沉水安装的方式建成。沉管隧道这种将分段管节顺序安装的建造方式，对相邻管节之间的轴线精度要求非常高，针对管节的线形控制难度很大；而传统的GPS定位方式需要在高出水面一定高度的情况下才能使用，其显然不适合深水区域的定位控制。

发明内容

本发明的发明目的在于提供一种可以应用于水下沉管管节轴线及里程控制的声呐测量***。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于沉管的声呐偏差测控***，包括，

送受波器，设置在安装船上，用于发送、接收声呐信号；

应答器，至少包括设置在待安装管节上表面上的第一应答器、第二应答器；设置在已安装管节上表面上的第四应答器、第五应答器；所述应答器与所述送受波器通过声呐信号连接；

处理器，与所述送受波器连接，用于根据送受波器接收到的声呐信号计算待安装管节与已安装管节的相对位置。

具体的，在使用过程中，处理器控制送受波器按照指定的频率发送声呐信号，声呐信号中包含指定信息，该指定信息包含但不限于，如标识信息（用于分辨该声呐信号为该送受波器发送，而非其他信号源产生）；送受波器接收到各应答器返回的信号后，将返回的信号结果发送至处理器，处理器通过送受波器发送的信号结果计算得出当前各应答器的距离；由于各个应答器分别固定设置在待安装管节及已安装管节的不同位置，因此可以通过各应答器之间的距离得出待安装管节和已安装管节的相对位置关系，从而进一步的，通过该相对位置关系控制待安装管节的移动。

进一步的，第一应答器、第二应答器、第四应答器、第五应答器四个应答器的安装位置满足以下条件：待安装管节和已安装管节对接完成后，四个应答器分别位于一矩形或正方形的四个顶点位置。当各个应答器满足上述条件时，其测量精度可得到明显提升。

进一步的，所述第一应答器与第二应答器的连线与管节待对接端面平行，且，第一应答器到第二应答器的距离为待安装管节待对接端面宽度的二分之一以上。理论上，第一应答器和第二应答器也可以不以管节上表面中轴为对称轴对称设置，其同样可以达到测量目的，但优选的，当第一应答器与第二应答器应以管节上表面中轴为对称轴对称设置时，由于其分别具中轴距离相等，且各自距管节的边缘距离也相等，可以更好的表征管节的形态信息，从而在给控制人员提供管节的整***置信息的同时，可更加方便的为控制人员提供管节的边缘位置信息。

进一步的，所述待安装管节上表面上还设置有第三应答器，所述第三应答器和第一应答器及第二应答器不共线。优选的，所述第三应答器和第一应答器的连线与第一应答器和第二应答器的连线垂直。

进一步的，所述第一应答器、第二应答器及第三应答器处还设置有高度测量装置。该高度测量装置可以是测量水深深度的深度计，由于第三应答器和第一应答器、第二应答器不共线，甚至垂直，所以可以通过分别测量三个应答器处的水深得出待安装管节是否水平，根据三个应答器深度计算管节姿态，若计算到管节顶面高度一致，说明管节姿态良好，若计算到管节顶面高度不一致，说明管节有倾斜，需要调整。

进一步的，还包括设置在已安装管节顶面中轴线上的第六应答器，所述第六应答器设置在已安装管节顶面中轴线上距离已安装管节待对接端面0.5m至12米处。由于需要在尽量少用应答器的同时，利用应答器同时表征管节的位置和形态，因此，第一应答器、第二应答器、第四应答器、第五应答器分别沿所设置管节上表面的中轴线对称设置，且距离远大于管节宽度的二分之一，即，各个应答器相对靠近管节的边缘位置，以使其能够更好的表征管节边缘位置，但这样做的同时，导致***在测量水平方向（指与管节中轴线垂直的水平方向）的偏差增大，因此，我们在已安装管节的上表面中轴线处设置第六应答器，该应答器相对于同样案子在已安装管节上的第四应答器、第五应答器更靠近已安装管节的待对接端面，通过分别测量第一应答器和第二应答器到第六应答器的距离，来修正待安装管节的水平方向偏差，大幅度提高了安装精度。

本发明同时提供一种用于沉管的声呐偏差测控方法，

包含检测待安装管节上各应答器之间的距离的步骤；

包含检测待安装管节上应答器与已安装管节上应答器的距离的步骤；

上述两个步骤交叉进行。

进一步的，同时发送两组声呐信号检测待安装管节上各应答器之间的距离以及待安装管节上应答器与已安装管节上应答器的距离。

进一步的，待安装管节上设置的应答器为第一应答器、第二应答器；已安装管节上设置的应答器为第四应答器、第五应答器；

待安装管节与已安装管节的距离到达指定距离前，

检测待安装管节上各应答器之间的距离的步骤为：检测第一应答器到第二应答器的距离；

检测待安装管节上应答器与已安装管节上应答器的距离的步骤为：检测第一应答器到第四应答器、第一应答器到第五应答器、第二应答器到第四应答器、第二应答器到第五应答的距离。

进一步的，待安装管节上还设置有第三应答器，第三应答器和第一应答器的连线与第一应答器和第二应答器的连线垂直；

检测待安装管节上各应答器之间的距离的步骤中，还包括检测第一应答器到第三应答器的距离。

进一步的，已安装管节顶面中轴线上还设置有第六应答器；

待安装管节与已安装管节的距离到达指定距离后，检测待安装管节上应答器与已安装管节上应答器的距离的步骤中，还包括检测第一应答器到第六应答器的距离，以及第二应答器到第六应答器距离的步骤。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明提供的用于沉管的声呐偏差测控***及用于沉管的声呐偏差测控方法，在安装船上设置声呐送受波器，同时在已安装管节及待安装管节的上表面特征点位置设置声波应答器，在管节对接安装过程中，通过不断检测待安装管节上应答器与已安装管节上应答器的距离，得出待安装管节与已安装管节的相对位置信息，通过该相对位置信息调整控制管节的安装过程，保证管节对接安装精度，解决了传统的GPS定位方法无法在深水区使用的难题。

附图说明

图1是本发明提供的用于沉管的声呐偏差测控***的原理框图。

图2是本发明实施例中送受波器及应答器安装位置示意图。

图3是本发明实施例中应答器在管节上安装位置俯视示意图。

图4是本发明中利用应答器测距原理示例图。

图中标记：1-待安装管节，11-高度测量装置，2-已安装管节，3-安装船，31-送受波器，41-第一应答器，42-第二应答器，43-第三应答器，44-第四应答器，45-第五应答器，46-第六应答器。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：如图1图2所示，本实施例提供一种用于沉管的声呐偏差测控***，包括，

送受波器31，设置在安装船3上，用于发送、接收声呐信号；

应答器，本实施例中，共有设置在待安装管节1上表面上的第一应答器41、第二应答器42；设置在已安装管节2上表面上的第四应答器44、第五应答器45；所述应答器与所述送受波器31通过声呐信号连接；

处理器，与所述送受波器31连接，用于根据送受波器31接收到的声呐信号计算待安装管节1与已安装管节2的相对位置。

具体的，在使用过程中，处理器控制送受波器31按照指定的频率发送声呐信号，声呐信号中包含指定信息，该指定信息包含但不限于，如标识信息（用于判断该声呐信号是否为发送给自己，而非其他应答器或送受波器）、测量指令等；应答器接收到该声呐信号后会返回响应声呐信号，应答器的响应声呐信号同样包括标识信息、测量指令以及响应测量指令的距离信息等信息中的一种或多种；各个应答器接收到送受波器发送的声呐信号后，根据声呐信号中包含的指令信息返回响应信号，如该指令信息是获取当前应答器的距离，则应答器直接返回一声呐信号，送受波器31根据该响应信号计算指定应答器的实际位置；如送受波器发送的指令信息是获取该应答器与另外一个应答器的距离，则接收到指令的应答器向另外一个应答器发送声呐信号并等待响应信号；应答器根据响应信号计算得出自身与另一个应答器的距离，并将该距离值反馈回送受波器31。送受波器31接收到各应答器返回的信号后，将返回的信号结果发送至处理器。

如图2、图3所示，本实施例中，第一应答器41、第二应答器42、第四应答器44、第五应答器45四个应答器的安装位置满足以下条件：待安装管节1和已安装管节2对接完成后，四个应答器分别位于一正方形的四个顶点位置，另外一些具体实施方式中，也可使得位于待安装管节及已安装管节上的四个应答器分别位于一矩形的四个顶点处；当各个应答器满足上述条件时，其测量精度可得到明显提升。

本实施例中，所述第一应答器41与第二应答器42的连线与管节待对接端面平行，且，第一应答器41到第二应答器42的距离为待安装管节1待对接端面宽度的二分之一以上。理论上，第一应答器41和第二应答器42也可以不以管节上表面中轴为对称轴对称设置，其同样可以达到测量目的，但优选的，当第一应答器41与第二应答器42应以管节上表面中轴为对称轴对称设置时，由于其分别具中轴距离相等，且各自距管节的边缘距离也相等，可以更好的表征管节的形态信息，从而在给控制人员提供管节的整***置信息的同时，可更加方便的为控制人员提供管节的边缘位置信息；在任何实施例中，应答器应在符合上述条件的前提下设置在管节的任何特征点处，本申请中的特征点是指能够从整体上反映管节的空间形态的坐标采集位置，特征点一般可以是：如，管节的任意顶点，管节任意面的中轴线的端点及中点，管节中心点，或者与上述点的相对位置明确的可以反映管节的空间形态的点。

为了能够更好的检测待安装管节的整体姿态，所述待安装管节1上表面上还设置有第三应答器43，所述第三应答器43和第一应答器41及第二应答器42不共线。优选的，所述第三应答器43和第一应答器41的连线与第一应答器41和第二应答器42的连线垂直，此时，只要能够获得三个不共线的第一应答器41、第二应答器42、第三应答器43的位置信息，就可以结合三个应答器在管节坐标中的相对位置确定整个管节各部位的实际位置。

所述第一应答器41、第二应答器42及第三应答器43处还设置有高度测量装置11，如，该高度测量装置11可以是测量水深深度的深度计，由于第三应答器43和第一应答器41、第二应答器42不共线（实际上本实施例中他们互相垂直设置），所以可以通过分别测量三个应答器处的水深得出待安装管节1是否水平，根据三个应答器深度计算管节姿态，若计算到管节顶面高度一致，说明管节姿态良好，若计算到管节顶面高度不一致，说明管节有倾斜，需要调整，调整后使得管节整体保持平衡。

实施例2：与实施例1不同点在于，本实施例提供一种用于沉管的声呐偏差测控***，还包括设置在已安装管节2顶面中轴线上的第六应答器46，所述第六应答器46设置在已安装管节2顶面中轴线上距离已安装管节2待对接端面0.5m至12米处。由于需要在尽量少用应答器的同时，利用应答器同时表征管节的位置和形态，因此，第一管节、第二管节、第四管节、第五管节分别沿所设置管节上表面的中轴线对称设置，且距离远大于管节宽度的二分之一，即，各个应答器相对靠近管节的边缘位置，以使其能够更好的表征管节边缘位置，但这样做的同时，导致***在测量水平方向（指与管节中轴线垂直的水平方向）的偏差增大，因此，我们在已安装管节2的上表面中轴线处设置第六应答器46，该应答器相对于同样案子在已安装管节2上的第四应答器44、第五应答器45更靠近已安装管节2的待对接端面，通过分别测量第一应答器41和第二应答器42到第六应答器46的距离，来修正待安装管节1的水平方向偏差，大幅度提高了安装精度。

图4是通过第一应答器41、第二应答器42及第六应答器46对管节轴线偏差测量的原理示意，其中，B表示待安装管节1与已安装管节2的中轴线的水平偏差，E表示第一应答器41到第六应答器46的距离，F表示第二应答器到第六应答器46的距离，C、D分别是第一应答器41、第二应答器42到已安装管节2中轴线的距离，A是第六应答器46到第一应答器41与第二应答器42连线的距离；由于第一应答器41与第二应答器42的连线与待对接端面平行，且第六应答器46设置在已安装管节2中轴线上，因此，我们可以很容易的得出，当，B=|C-D|=0或者|E-F|=0时，待安装管节1的中轴线与已安装管节2的中轴线是完全重合的。实际应用中，当A的值在一定范围内时，我们认为B=|C-D|≈|E-F|<指定阈值时，我们认为待安装管节1的中轴线和已安装管节2的中轴线已经对齐，优选的，我们认为A小于或等于12m时，采用本实施例进行测量的效果最佳，实际应用当中，第一应答器41及第二应答器42通常设置在待安装管节1上表面尽量靠近带对接端面处，因此我们可以认为A的取值，主要取决于第六应答器46距离已安装管节2待对接端面的距离。优选的，当第六应答器46距离已安装管节2对接端面的距离小于7.5m时，B的计算误差可控制在1cm以内；而当第六应答器46距离已安装管节2对接端面的距离小于1.5m时，B的计算误差在4mm以内。

实施例3：本发明同时提供一种用于沉管的声呐偏差测控方法，

S100：检测待安装管节1上各应答器之间的距离；

S200：检测待安装管节1上应答器与已安装管节2上应答器的距离；

S100与S200交叉进行。

优选的，可以同时发送两组声呐信号分别单独检测待安装管节1上各应答器之间的距离以及自身与待安装管节1上应答器与已安装管节2上应答器的距离。此时，相对于只发送一组声呐信号执行S100、S200的交叉测量，同时发送两组声呐信号可使得测量的效率提高一倍；但是，进一步提高发射的声呐信号组数并不会进一步的提高测量效率，当同时发送的声呐信号高于两组时，各组信号间会不可避免的发生干扰，反而造成检测效率的下降。另外，虽然可以如图2所示的同时设置两个送受波器31，但是，负责发射测量声呐信号的送受波器31仅采用一个，多设置的送受波器31是用于接收应答器的反馈信号，而非发送信号。

进一步的，待安装管节1上设置的应答器为第一应答器41、第二应答器42；已安装管节2上设置的应答器为第四应答器44、第五应答器45；

此时，检测待安装管节1上各应答器之间的距离的步骤为：S101：检测第一应答器41到第二应答器42的距离；

检测待安装管节1上应答器与已安装管节2上应答器的距离的步骤为：S201：检测第一应答器41到第四应答器44、第五应答器45的距离，以及，第二应答器42到第四应答器44、第五应答的距离。

进一步的，本实施例中，待安装管节1上还设置有第三应答器43，第三应答器43和第一应答器41的连线与第一应答器41和第二应答器42的连线垂直；

检测待安装管节1上各应答器之间的距离的步骤中，还包括检测第一应答器41到第三应答器43的距离的步骤S102。

通常，优选情况下，可选择执行一次S100，执行一次S200，也可选择，执行两次S200，执行一次S100，当然，N=执行S200的次数/执行S100的次数也可以大于2。

即，实际应用中，可能按照如下步骤进行检测：S100、S200、S200、S100、S200、S200、S100……，或者S100、S200、S200、S200、S100、S200、S200、S200、S100……。

实施例4：与实施例3不同点在于，本实施例中，已安装管节2顶面中轴线上还设置有第六应答器46；

此时，待安装管节1与已安装管节2的距离到达指定距离后（在本实施中，该距离主要指水平距离，即待安装管节1与已安装管节2的待对接端面之间的水平距离，该距离可以是3m-20m之间的任意数值，如5m），

检测待安装管节1上应答器与已安装管节2上应答器的距离的步骤中，还包括检测第一应答器41到第六应答器46的距离，以及第二应答器42到第六应答器46距离的步骤S202。

具体的，此时，步骤S200中，检测第一应答器41分别到第四应答器44、第五应答器45距离，以及检测第二应答器42分别到第四应答器44、第五应答器45距离的步骤S201与步骤202可以以1比1的比例交叉进行，而一些优选方案中，考虑到在待安装管节1与已安装管节2距离到达指定距离后，管节中轴线的轴线偏差（主要指轴线的水平偏差）的测量更为重要，可以以M=S202/S201大于2的比例交叉执行步骤S200，如，当M=3时，执行一次步骤S200，包含如下步骤S202、S202、S202、S201；

图4是通过第一应答器41、第二应答器42及第六应答器46对管节轴线偏差测量的原理示意，其中，B表示待安装管节1与已安装管节2的中轴线的水平偏差，E表示第一应答器41到第六应答器46的距离，F表示第二应道到第六应答器46的距离，C、D分别是第一应答器41、第二应答器42到已安装管节2中轴线的距离，A是第六应答器46到第一应答器41与第二应答器42连线的距离；由于第一应答器41与第二应答器42的连线与待对接端面平行，且第六应答器46设置在已安装管节2中轴线上，因此，我们可以很容易的得出，当，B=|C-D|=0或者|E-F|=0时，待安装管节1的中轴线与已安装管节2的中轴线是完全对齐的。实际应用中，当A的值在一定范围内时，我们认为B=|C-D|≈|E-F|<指定阈值时，我们认为待安装管节1的中轴线和已安装管节2的中轴线已经对齐，优选的，我们认为A小于或等于12m时，采用本实施例进行测量的效果最佳，实际应用当中，第一应答器41及第二应答器42通常设置在待安装管节1上表面尽量靠近带对接端面处，因此我们可以认为A的取值，主要取决于第六应答器46距离已安装管节2待对接端面的距离。优选的，当第六应答器46距离已安装管节2对接端面的距离小于7.5m时，B的计算误差可控制在1cm以内；而当第六应答器46距离已安装管节2对接端面的距离小于1.5m时，B的计算误差在4mm以内。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于沉管安装的声呐偏差测量***，其特征在于，包括，

送受波器，设置在安装船上，用于发送、接收声呐信号；

应答器，至少包括设置在待安装管节上表面的第一应答器、第二应答器；设置在已安装管节上表面的第四应答器、第五应答器；所述应答器与所述送受波器通过声呐信号连接；

处理器，与所述送受波器连接，用于根据送受波器接收到的声呐信号计算待安装管节与已安装管节的相对位置；

所述第一应答器与第二应答器的连线与管节待对接端面平行，且，第一应答器到第二应答器的距离为待安装管节待对接端面宽度的二分之一以上；

还包括设置在已安装管节顶面中轴线上的第六应答器，所述第六应答器设置在已安装管节顶面中轴线上距离已安装管节待对接端面0.5m至20米处；

A小于或等于12m且B≈|E-F|<指定阈值时，所述待安装管节的中轴线和所述已安装管节的中轴线已经对齐，A表示所述第六应答器到所述第一应答器与所述第二应答器连线的距离，B表示所述待安装管节与所述已安装管节的中轴线的水平偏差，E表示所述第一应答器到所述第六应答器的距离，F表示所述第二应答器到所述第六应答器的距离。

2.如权利要求1所述的声呐偏差测量***，其特征在于，第一应答器、第二应答器、第四应答器、第五应答器四个应答器的安装位置满足以下条件：待安装管节和已安装管节对接完成后，四个应答器分别位于一矩形或正方形的四个顶点位置。

3.如权利要求1所述的声呐偏差测量***，其特征在于，所述待安装管节上表面上还设置有第三应答器，所述第三应答器和第一应答器及第二应答器不共线。

4.如权利要求3所述的声呐偏差测量***，其特征在于，所述第一应答器、第二应答器及第三应答器处还设置有高度测量装置。

5.一种用于沉管的声呐偏差测控方法，其特征在于，

在安装船上设置送受波器；

包含通过送受波器发送、接收声呐信号检测待安装管节上各应答器之间的距离的步骤；

包含通过送受波器发送、接收声呐信号检测待安装管节上应答器与已安装管节上各应答器的距离的步骤；

上述两个步骤交叉进行；

通过处理器比较发送和接收的所述声呐信号，计算待安装管节与已安装管节的相对位置；

待安装管节上设置第一应答器、第二应答器，所述第一应答器与所述第二应答器的连线与管节待对接端面平行，且，所述第一应答器到所述第二应答器的距离为待安装管节待对接端面宽度的二分之一以上；

已安装管节顶面中轴线上还设置有第六应答器；

待安装管节与已安装管节的距离到达指定距离后，检测待安装管节上应答器与已安装管节上应答器的距离的步骤中，还包括检测第一应答器到第六应答器的距离，以及第二应答器到第六应答器距离的步骤；

A小于或等于12m且B≈|E-F|<指定阈值时，所述待安装管节的中轴线和所述已安装管节的中轴线已经对齐，A表示所述第六应答器到所述第一应答器与所述第二应答器连线的距离，B表示所述待安装管节与所述已安装管节的中轴线的水平偏差，E表示所述第一应答器到所述第六应答器的距离，F表示所述第二应答器到所述第六应答器的距离。

6.如权利要求5所述的声呐偏差测控方法，其特征在于，同时发送两组声呐信号检测待安装管节上各应答器之间的距离以及待安装管节上应答器与已安装管节上应答器的距离。

7.如权利要求5所述的声呐偏差测控方法，其特征在于，

待安装管节上设置的应答器为第一应答器、第二应答器；已安装管节上设置的应答器为第四应答器、第五应答器；

待安装管节与已安装管节的距离到达指定距离前，

检测待安装管节上各应答器之间的距离的步骤为：检测第一应答器到第二应答器的距离；

检测待安装管节上应答器与已安装管节上应答器的距离的步骤为：检测第一应答器到第四应答器及第五应答器的距离、检测第二应答器到第四应答器及第五应答器的距离。

8.如权利要求7所述的声呐偏差测控方法，其特征在于，

待安装管节上还设置有第三应答器，第三应答器和第一应答器的连线与第一应答器和第二应答器的连线垂直；

检测待安装管节上各应答器之间的距离的步骤为，检测第一应答器到第二应答器及第三应答器的距离。

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