CN110133666B - 一种海上风电桩柱冲刷状态的监测***与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种海上风电桩柱冲刷状态的监测***，包括宽带高频声呐装置、定位装置、多角度调节支架和主控计算机；宽带高频声呐装置，用于向海底发射宽频或单频谱声信号，接收和预处理多个独立通道的回波信号；定位装置，用于对每个桩柱定位；多角度调节支架，用于调整换能器空间位置和发射波束角度，实现对海底桩柱连续若干点和若干角度的监测；所述主控计算机，用于发送设置指令和工作指令到宽带高频声呐装置，接收处理宽带高频声呐装置的回波数据并进行显示和存储，根据回波数据进行信号分析处理和拟合，获得水深随时间变化的曲线，回放历史回波数据，确定海上风电桩柱冲刷腐蚀情况。本发明属于海上风电的水下桩柱监测技术领域，能够实时直观的监测桩柱的冲刷情况，提供准确的维护信息。

Description

一种海上风电桩柱冲刷状态的监测***与方法

技术领域

本发明属于海上风电的水下桩柱监测技术领域，具体而言，涉及一种海上风电桩柱冲刷状态的监测***与方法。

背景技术

近年我国大力发展建设向海洋强国迈进，海洋风电、海上石油开采等发展迅速。但这些海洋中的石油钻机施工平台、海上风电平台、跨海大桥桥墩等长期立于水中的桩柱会干扰水体流速，从而在桩柱附近形成涡流持续冲刷桩柱，造成桩柱附近泥沙等沉积物质的流失而降低桩柱的强度，从而影响海上风电桩柱稳定性与安全性，因此如何有效对海上风电桩柱底部与海床附着处沉积物下沉裸露情况的监测是至关重要的，可用于问题的及早发现并指导施工操作，避免不必要的经济安全损失。

通常的冲刷检测方法如传统的检测方法是潜水员探摸，这种方法易受水质影响工作强度大且效率较低，同时存在诸多的安全隐患问题。此外还有通过预先埋设传感器、电极原理腐蚀法信号放大来监测获取冲刷信息，但这类方法对冲刷腐蚀程度无法给出准确的信息。近年来随着科学技术的发展进步，逐渐利用UUV搭载多种传感器的方式对海上平台桩柱附近进行监测，但这种方法不能实现长期连续监测，不能及时发现问题，且消耗的资金成本较高。对于海上风电场的实际应用仍有非常大的困难差距。

发明内容

本发明的目的在于解决目前对于海上桩柱监测方法信息精度低，安装成本高且复杂，不能直观准确提供冲刷程度、位置等信息的技术问题。

为实现上述目的，本发明提出一种海上风电桩柱冲刷状态的监测***，所述***包括宽带高频声呐装置、定位装置、多角度调节支架和主控计算机；所述宽带高频声呐装置固定在多角度调节支架上；所述定位装置固定于多角度调节支架的顶部；

所述宽带高频声呐装置，用于向海底发射宽频或单频声信号，接收和预处理若干路独立通道的回波信号，将预处理后的回波数据传输到主控计算机；

所述定位装置，用于对风电桩柱定位，将风电桩柱的定位信息传输到主控计算机；

所述多角度调节支架，用于调整换能器空间位置和发射波束角度，实现对海底风电桩柱进行连续若干点和若干个角度的监测；

所述主控计算机，用于发送设置指令和工作指令到宽带高频声呐装置，接收处理宽带高频声呐装置的回波数据并进行显示和存储，根据回波数据进行信号分析处理和拟合，获得水深随时间变化的曲线，回溯历史回波数据，确定海上风电桩柱冲刷腐蚀情况。

作为所述装置的一种改进，所述宽带高频声呐装置包含水密电子舱和若干个换能器；所述水密电子舱内设置若干路独立的发射信号通道和接收信号通道，所述若干路独立的发射信号通道和接收信号通道分别与若干个换能器相连；

所述若干个换能器安装在多角度调节支架上；

所述水密电子舱，用于根据设置指令在宽频谱范围内动态调节发射和接收频率，根据工作指令驱动换能器发射连续波或调频波信号；接收换能器接收的回波信号，并将预处理后的回波数据传输到主控计算机。

作为所述装置的一种改进，所述水密电子舱包括信号发射模块、信号接收模块和信号采集与处理模块；所述信号发射模块、信号接收模块分别与信号采集与处理模块间隔离；

所述信号发射模块，用于支持发射宽频或单频声信号，包括若干个独立的发射信号通道，每路发射信号通道支持多个不同发射功率，根据设置指令确定发射频点，选择水密电子舱内置的不同功率管和变压器对换能器进行匹配，根据工作指令采用指令开关控制信号发射状态，驱动换能器发射连续波或调频波信号；

所述信号接收模块，包括若干路独立的接收信号通道，每个接收信号通道能够独立控制增益，所述信号接收模块用于接收换能器接收的回波信号，根据工作指令对每路接收的回波信号进行固定放大、可控放大和带通滤波处理，根据设置指令修改对应的带通滤波器参数，以接收不同频点的回波信号；

所述信号采集与处理模块，用于根据工作指令产生发射信号，并控制信号发射模块发射连续波或调频声信号，根据设置指令对每路发射信号通道和接收信号通道独立设置采集参数，进行回波信号数据采集和数据缓存，完成回波信号预处理并输出预处理后的回波数据到主控计算机。

作为所述装置的一种改进，所述多角度调节支架的材料为高强度不锈钢管，所述多角度调节支架为“十”字形，包括纵杆和横杆；

所述纵杆，用于调节和固定下放深度；

所述横杆包括多个测量支杆，每个测量支杆上设置多个孔用于固定换能器及调节换能器发射或接收方向。

作为所述装置的一种改进，所述设置指令，用于设置发射信号的发射类型、脉宽、采样频率、倾斜角度、探测距离和增益。

本发明还提出一种海上风电桩柱冲刷状态的监测方法，包括：

步骤1)所述主控计算机向水密电子舱发送设置指令和工作指令；

步骤2)所述水密电子舱根据设置指令和工作指令驱动换能器发射声信号并接收回波信号，根据回波信号时长计算波束脚印半径和换能器面距海底的深度，调整合适监测角度及换能器间距后，开始正常工作，采集地形回波数据，通过定位装置确定海上风电桩柱定位信息；

步骤3)将采集到的地形回波数据和海上风电桩柱定位信息传输到主控计算机；

步骤4)主控计算机根据接收到的地形回波数据的回程时间计算水深得到监测数据，将监测数据进行数据算法拟合，根据海上风电桩柱定位信息，实时显示水深随时间变化的曲线，判断桩基附近海底微地形轮廓凹陷突起，回溯历史回波数据，确定海上风电桩柱的冲刷腐蚀情况。

作为所述方法的一种改进，所述步骤2)具体包括：

步骤2-1)所述水密电子舱根据工作指令驱动换能器发射声信号并接收回波信号，计算波束脚印半径和换能器面距海底的深度：

假设换能器的坐标为(0,0,0)，根据波束角θ，在不考虑声速变化时波束脚印在换能器同坐标系下的位置(x,y,z)为：

其中，c₀表示声速，t表示声波往返时长，y表示波束脚印半径，z表示换能器面距海底的深度；

步骤2-2)根据波束脚印半径和换能器面距海底的深度换能器观测角度，调整下放深度，通过调整换能器间距，调整监测的位置范围，并采集地形回波数据；

步骤2-3)通过定位装置确定海上风电桩柱定位信息。

作为所述方法的一种改进，所述主控计算机根据接收到的预处理地形回波数据的回程时间计算水深得到监测数据，具体包括：

步骤4-1)计算发射信号x(n)和回波信号y(n)在m点处的相似程度，即互相关函数R_xy(m)：

n表示信号的时间序列，当R_xy(m)取最大值时，返回其对应点m，即回波信号到达的时刻点；

步骤4-2)根据信号采样的时间间隔Δt和相关性的计算换能器距离海底深度h：

h＝cmΔt/2 (3)

其中，c为声波在海水介质中的传播速度，根据换能器距离海底深度h计算水深得到监测数据。

与现有技术相比本发明的有益效果在于：

1、本发明的海上风电桩柱冲刷状态监测***和方法可广泛应用于海上平台结构检测、水下桥梁检测等多个领域；

2、本发明的海上风电桩柱冲刷状态监测***和方法通过安装多角度宽带单波束声呐装置，减少探测盲区，利用特定频率远距离传播对桩柱周围进行海床沉积物冲刷情况的监测，将监测信息无线返回到主控计算机***处理显示，能够实时的、直观的、可靠性能高的监测反映桩柱的冲刷情况，给予专业技术支持人员提供准确的维护信息。

附图说明

图1本发明的海上风电桩柱冲刷状态的监测***及方法工作示意图；

图2本发明的海上风电桩柱冲刷状态监测***及方法组成图；

图3本发明的海上风电桩柱冲刷状态监测***及方法宽带高频声呐组成图；

图4本发明的海上风电桩柱冲刷状态监测方法数据处理流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。

本发明提供一种海上风电桩柱冲刷状态的监测***与方法，所述装置包含：宽带高频声呐装置、定位装置、主控计算机和多角度调节支架。

所述宽带高频声呐装置，用于向海底发射声呐信号，接收和预处理回波信号，将与处理后的回波数据无线传输到主控计算机，所述宽带高频声呐装置固定在多角度调节支架上；

所述定位装置，用于在对多个桩柱进行监测时，对每个桩柱进行准确定位，将每个桩柱的GPS定位信息无线传输到主控计算机；所述定位装置设置于多角度调节支架的顶部；

所述多角度调节支架，用于调整宽带高频声呐装置的空间位置和观测角度，实现对海底桩柱进行单波束连续若干点和若干个角度的监测；

所述主控计算机，用于根据GPS定位信息对宽带高频声呐装置的回波数据进行监控，控制高频声呐装置的空间位置和观测角度，进行数据分析和拟合，获得水深随时间变化的曲线，确定海上风电桩柱冲刷腐蚀情况。

本发明提供一种海上风电桩柱冲刷状态的监测***与方法，该主控计算机***的宽带高频声呐装置，其工作频率可设38kHz、70kHz、120kHz和200kHz，设置4个独立工作通道，脉冲宽度1-10ms，可根据实际需要在主控计算机的显示控制端进行设置，波束开角为10°。

所述宽带高频声呐装置，包括水密电子舱和若干个换能器。

所述水密电子舱包括信号收发电路，具有全频谱信号发射模式，支持CW连续波和FM调频波两种信号模式，其信号接收模块具有低噪声、大动态和连续频谱的处理能力，多个通道间独立收发控制。

所述水密电子舱外壳采用不锈钢制成，主要完成多通道CW波和FM信号的产生；与若干换能器相匹配，将经过前放、滤波和电压转换的低噪声、大动态的回波信号接收，大动态调节范围大于80dB；

所述水密电子舱内部采用模块化设计，内置信号发射模块、信号接收模块、信号采集与处理模块、电源模块、通讯模块和接口模块。

所述信号发射模块，用于产生宽频或单频声信号声学信号，并且驱动换能器，发射声信号。每路发射模块独立工作，由信号采集与处理模块控制，每路发射模块有4档功率调节，支持宽频带的发射，不同频点的发射模块通过选择水密电子舱内置的不同的功率管和变压器来对换能器进行匹配，发射机采用开关控制发射模式；

所述信号接收模块，用于接收换能器转发的回波信号，包括固定放大、可控放大和带通滤波等模拟信号的预处理，所述信号接收模块有多个接收通道，每个接收通道独立控制，能够独立设置工作参数.

所述信号采集与处理模块，用于采集多路预处理回波数据，进行模数转换和数据缓存，与主控计算机实现数据交换。采用24位高速AD采集芯片，结合高速DSP和FPGA，实现数据的快速处理和运算。

所述电源模块，用于***装置供电。

所述通讯模块，用于指令的发送与接收。

所述接口模块，分为内部接口和外部接口，用于连接换能器设备，且可根据实际应用需求提供额外端口。

所述换能器采用宽带高频单波束换能器，换能器数量可根据实际监测范围进行增加或递减；宽频的目的是使测量更加准确，进行宽频谱声学信号转换，具有低旁瓣特点。

所述定位装置，用于定位海上风电桩的位置，也利于数据有序存储，与水密电子舱的接口相连，将位置数据与原始回波数据一同传输到主控计算机。

所述多角度调节支架，用于控制声呐波束测点的空间位置和角度，实现海底桩柱单波束基元模式连续多点多个方向角度监测。其测量主杆为“十”字形，包括纵杆和横杆，采用高强度不锈钢管，纵杆的长度可根据实际监测需要进行延长，横杆上根据实际需求配有多个测量支杆，支杆采用法兰控制，支杆设有多个孔，用于固定换能器，调节发射朝向，实现多点多角度大范围精确测量。

所述主控计算机与水密电子舱通过通信模块无线连接，具有参数设置与工作命令发送功能，同时主控计算机具有数据分析处理及存储功能，能接收存储获得的回波数据，可进行处理并结果显示。

基于上述海上风电桩柱冲刷状态的监测***，本发明还提供一种海上风电桩柱冲刷状态的监测方法：

首先将宽带声呐装置中的4组换能器固定在多角度调节支架的支杆上，使声波向海底垂直发射，连接水密电子舱，沿桩柱下放深度3m，多角度调节支架的顶部连接定位装置；

具体步骤包括：

步骤1)确定监测桩基位置，固定连接装置并开机工作，通过主控计算机发送设置指令和工作命令，脉冲宽度可选1-10毫秒，中心工作频率可设38kHz、70kHz、120kHz和200kHz；

步骤2)多通道的高频声呐换能器发射和接收声信号，根据波束脚印调整合适的监测角度和换能器的间距，进行小角度全覆盖的地形回波数据采集，实时监测海上风电桩柱海底冲刷状态情况；

其中，根据波束脚印半径、单波束回程时长确定换能器距海底深度，假设换能器的坐标(0,0,0)，波束脚印在换能器同坐标系下的位置(x,y,z)，根据波束角θ进行计算，在不考虑声速变化时，其一级近似表达式如下：

其中，c₀表示声速，t表示声波往返时长，得到的计算结果y表示波束脚印半径，z表示换能器面距海底的深度。

在数据采集过程中，可通过多角度调节支架，调整下放深度，通过旋转主杆，调整监测的位置范围，对支柱周围进行监测；

所述定位装置在多个桩柱进行监测时，对每个桩柱进行高精确定位，以便于对数据进行管理，避免数据的混淆；

步骤3)将采集到的回波数据信息和GPS定位信息，无线传输到主控计算机；

步骤4)在主控计算机上完成数据处理实时显示工作。利用滤波预处理算法降低海洋环境噪声等影响，根据每个单波束接收到的地形回波声信号数据的相关性计算回程时间后计算水深，并进行数据算法拟合，在主控计算机的监控显示装置上实时显示水深随时间变化的曲线，从而判断桩基附近海底微地形轮廓的突起与凹陷，可有效确定冲刷腐蚀情况。

其中，设两个随机信号发射信号x(n)和回波信号y(n)，互相关函数R_xy(m)表示两信号在m点处的相似程度，计算如下：

n表示信号的时间序列。当R_xy(m)取最大值时，返回其对应点m，即回波信号到达的时刻点。

根据信号采样的时间间隔Δt和相关性的计算，获得单个换能器距离海底深度h，设声波在海水介质中的传播速度c，计算如下：

h＝cmΔt/2 (3)

根据多个独立通道测得的换能器据海底深度的多个数据值，与换能器下放深度相加，利用线性拟合的统计方法，可得到深度变化值，进而判断海底的微地形轮廓的突起与凹陷，可有效确定冲刷腐蚀情况。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种海上风电桩柱冲刷状态的监测方法，基于一种海上风电桩柱冲刷状态的监测***实现，

所述***包括宽带高频声呐装置、定位装置、多角度调节支架和主控计算机；所述宽带高频声呐装置固定在多角度调节支架上；所述定位装置固定于多角度调节支架的顶部；

所述宽带高频声呐装置，用于向海底发射宽频或单频声信号，接收若干个独立通道的回波信号并进行预处理，将预处理后的回波数据传输到主控计算机；

所述定位装置，用于对风电桩柱定位，将风电桩柱的定位信息传输到主控计算机；

所述多角度调节支架，用于调整宽带高频声呐装置内换能器空间位置和发射波束角度，实现对海底风电桩柱进行连续若干点和若干个角度的监测；

所述主控计算机，用于发送设置指令和工作指令到宽带高频声呐装置，接收处理宽带高频声呐装置的回波数据并进行显示和存储，根据回波数据进行信号分析处理和拟合，获得水深随时间变化的曲线，回溯历史回波数据，确定海上风电桩柱冲刷腐蚀情况；

所述宽带高频声呐装置包含水密电子舱和若干个换能器；所述水密电子舱内设置若干路独立的发射信号通道和接收信号通道，与若干个换能器相连；

所述若干个换能器安装在多角度调节支架上；

所述水密电子舱，用于根据设置指令在宽频谱范围内动态调节发射和接收频率，根据工作指令驱动换能器发射连续波或调频声信号；接收换能器接收的回波信号，并对回波信号预处理后传输到主控计算机；

所述监测方法包括：

步骤1)所述主控计算机向水密电子舱发送设置指令和工作指令；

步骤2)所述水密电子舱根据设置指令和工作指令驱动换能器发射声信号并接收回波信号，根据回波信号时长计算波束脚印半径和换能器面距海底的深度，调整合适监测角度及换能器间距后，开始正常工作，采集地形回波数据，通过定位装置确定海上风电桩柱定位信息；

步骤3)将采集到的地形回波数据和海上风电桩柱定位信息传输到主控计算机；

步骤4)主控计算机根据接收到的地形回波声信号的回程时间计算水深得到监测数据，将监测数据进行数据算法拟合，根据海上风电桩柱定位信息，实时显示水深随时间变化的曲线，判断桩基附近海底微地形轮廓凹陷突起，回溯历史回波数据，确定海上风电桩柱的冲刷腐蚀情况；

所述步骤2)具体包括：

步骤2-1)所述水密电子舱根据工作指令驱动换能器发射声信号并接收回波信号，计算波束脚印半径和换能器面距海底的深度：

假设换能器的坐标为(0,0,0)，根据波束角θ，在不考虑声速变化时波束脚印在换能器同坐标系下的位置(x,y,z)为：

其中，c₀表示声速，t表示声波往返时长，y表示波束脚印半径，z表示换能器面距海底的深度；

步骤2-2)根据波束脚印半径和换能器面距海底的深度换能器观测角度，调整下放深度，通过调整换能器间距，调整监测的位置范围，并采集地形回波数据；

步骤2-3)通过定位装置确定海上风电桩柱定位信息。

2.根据权利要求1所述的海上风电桩柱冲刷状态的监测方法，其特征在于，所述水密电子舱包括信号发射模块、信号接收模块和信号采集与处理模块；所述信号发射模块、信号接收模块分别与信号采集与处理模块间隔离；

所述信号发射模块，用于支持发射宽频或单频声信号，包括若干个独立的发射信号通道，每路发射信号通道支持多个不同发射功率，根据设置指令确定发射频点，选择水密电子舱内置的不同功率管和变压器与换能器进行匹配，根据工作指令采用指令开关控制信号发射状态，驱动换能器发射连续波或调频声信号；

所述信号接收模块，包括若干个独立的接收信号通道，每个接收信号通道能够独立控制增益，所述信号接收模块用于接收换能器转发的回波信号，根据工作指令对每路回波信号进行固定放大、可控放大和带通滤波处理，根据设置指令修改对应的带通滤波器参数，以接收不同频点的回波信号；

所述信号采集与处理模块，用于根据工作指令产生发射信号，并控制信号发射模块完成信号的发射，根据设置指令对每路发射信号通道和接收信号通道独立设置采集参数，进行回波数据采集和数据缓存，完成回波信号预处理并输出预处理后的回波数据到主控计算机。

3.根据权利要求1所述的海上风电桩柱冲刷状态的监测方法，其特征在于，所述多角度调节支架的材料为高强度不锈钢管，所述多角度调节支架为“十”字形，包括纵杆和横杆；

所述纵杆，用于调节和固定下放深度；

所述横杆包括多个测量支杆，每个测量支杆上设置多个孔用于固定换能器及调节换能器发射或接收方向。

4.根据权利要求1所述的海上风电桩柱冲刷状态的监测方法，其特征在于，所述设置指令包括设置发射信号的发射类型、脉宽、采样频率、倾斜角度、探测距离和增益。

5.根据权利要求1所述的海上风电桩柱冲刷状态的监测方法，其特征在于，所述主控计算机根据接收到的预处理地形回波信号的回程时间计算水深得到监测数据，具体包括：

步骤4-1)计算发射信号x(n)和回波信号y(n)在m点处的相似程度，即互相关函数R_xy(m)：

n表示信号的时间序列，当R_xy(m)取最大值时，返回其对应点m，即回波信号到达的时刻点；

步骤4-2)根据信号采样的时间间隔Δt和相关性的计算换能器距离海底深度h：

h＝cmΔt/2 (3)

其中，c为声波在海水介质中的传播速度，根据换能器距离海底深度h计算水深得到监测数据。

Images