CN112987112A - 基于磁感应线圈十字组合模式的海缆搜索与定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于磁感应线圈十字组合模式的海缆搜索与定位方法，包括以下步骤：布置探测装置，所述探测装置包括水下机器人和由第一探棒、第二探棒、第三探棒和第四探棒组成的基阵，第一探棒和第二探棒水平放置并相隔距离L，第三探棒和第四探棒竖直放置并相隔距离L；海缆路由探测，将该基阵搭载在水下机器人上并下水测量，在水下机器人移动的过程中，以第三探棒和第四探棒的感应电动势作为参照基础，根据第一探棒和第二探棒的感应电动势的变化确定海缆路由，初步判断出基阵与海缆的位置关系；确定海缆位置，根据基阵与海缆的位置关系进一步精确计算出基阵与海缆的水平相对距离和垂直相对距离。

Description

基于磁感应线圈十字组合模式的海缆搜索与定位方法

技术领域

本发明涉及基于磁感应线圈十字组合模式的海缆搜索与定位方法，应用在海缆的搜索与定位技术领域。

背景技术

随着人们对海洋资源的不断深入挖掘，海缆(包括海底电缆和海底光缆)逐步成为跨海通信以及海上作业的主要手段并广泛使用，为了预防和避免海上的未知因素(例如船锚勾到海缆、海上工程项目施工等)对海缆造成一定的损害，影响光缆通信以及海上供电，就需要对海缆的路由以及埋设深度进行准确的探测；探测的方法包括交流磁场探测法、绝对磁场探测法、金属探测法和交流载波法等，交流载波法是一种切实有效的基于海缆电磁特性的磁学探测方法，其基本原理是在海缆中通以一个特定频率和功率的交流电流，海缆就会产生向周围空间传播的电磁场，在适当的距离内利用特制的传感器接收此电磁波信号并进行处理分析，进而可得出海缆的位置及路由信息。通过水下机器人搭载由铜线圈加上磁芯组成的磁探测棒是比较实用的一种基于交流磁场探测法的传感器，但要得到海缆的路由，位置以及埋深的可靠信息，还需要将线圈探头以合适的方式进行组合；其中比较具有代表性的线圈探头组合方案是基于水下机器人的双三维磁探头阵列，该基阵方案由两个三维探棒基阵组成，每个三维探棒基阵由三个相互正交的相同探棒组成，通过不同线圈上同时测得的磁感应强度的正负关系来判断海缆的路由和基阵的相对位置，通过不同线圈上测得的感应电动势的比值来计算出海缆的埋深数据；首先，两个三维基阵的三轴需要严格对齐水平，要求做工工艺较高，否则会在测量过程中产生由于结构本身带来的误差，其次在实际探测时，需要探测器在缆线磁场中左右反复移动和转换姿态才能得到三条感应电动势幅值变化规律曲线，综合哑点法与峰值法得出缆线位置，而且三维基阵需要用到各探棒感应电动势的相位关系来判断相对位置，其可靠性依赖于后续电路处理信号的同步性，如果两路探棒的感应电动势出现相位差将很可能对海缆的相对位置进行误判，在计算的过程中还需要得到两个磁探测器与海缆的夹角，这样的探测方式一方面其结构和算法都比较复杂，另一方面双三维探头结构本身存在误差，进而导致探测数据的计算不够精确且比较耗时费力。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供基于磁感应线圈十字组合模式的海缆搜索与定位方法，能够减少探棒之间的相互干扰、减小角度对探测结果的影响，且结构更简单、算法更简便，有效减小计算误差、提高探测结果的准确性。

本发明的技术方案如下：

基于磁感应线圈十字组合模式的海缆搜索与定位方法，包括以下步骤：

布置探测装置，所述探测装置包括水下机器人和由第一探棒、第二探棒、第三探棒和第四探棒组成的基阵，第一探棒和第二探棒水平放置并相隔距离L，第三探棒和第四探棒竖直放置并相隔距离L；

海缆路由探测，将该基阵搭载在水下机器人上并下水测量，在水下机器人移动的过程中，以第三探棒和第四探棒的感应电动势作为参照基础，根据第一探棒和第二探棒的感应电动势的变化确定海缆路由，初步判断出基阵与海缆的位置关系；

确定海缆位置，根据基阵与海缆的位置关系进一步精确计算出基阵与海缆的水平相对距离和垂直相对距离。

所述海缆路由探测的具体操作步骤如下：

S1：将该基阵搭载到水下机器人上并下水测量，当第一探棒或者第二探棒的感应电动势为0时，第三探棒和第四探棒的感应电动势理应也是0，表明当前位置远离海缆；

S2：沿搜索路径移动水下机器人，移动一定距离，第一探棒或第二探棒的感应电动势仍然为0，则表明在沿着远离海缆的方向前进，此时应控制水下机器人按相反的方向前进，直至第一探棒或第二探棒中有感应电动势；

S3:当基阵检测到第一探棒或第二探棒的感应电动势时，原地转动机器人使得第一探棒或第二探棒的感应电动势发生变化，当第一探棒或第二探棒的感应电动势为最大时，则此时基阵所在的平面与海缆垂直；

S4:选择第一种判别模式，当第一探棒的感应电动势小于第二探棒的感应电动势，且第三探棒和第四探棒的感应电动势均不为0时，则可以判断此时基阵的中心位于海缆的左侧；当第一探棒的感应电动势时大于第二探棒的感应电动势，且第三探棒和第四探棒的感应电动势均不为0时，则可以判断此时基阵的中心位于海缆的右侧；当第一探棒的感应电动势等于第二探棒的感应电动势且两者均不为0时，则可以判断此时基阵的中心位于海缆的正上方；

S5：选择第二种判别模式，当第三探棒和第四探棒的感应电动势均不为0时，则可以判断基阵的中心位于海缆的两侧；此时，若第一探棒的感应电动势小于第二探棒的感应电动势，则可以判断该基阵的中心位于海缆的左侧；若第一探棒的感应电动势大于第二探棒的感应电动势，则可以判断该基阵位于海缆的右侧；当第三探棒和第四探棒的感应电动势为0，且第一探棒和第二探棒的感应电动势不为0时，则可判断该基阵的中心位于海缆的正上方；

进一步进行基阵与海缆的水平相对距离、基阵与海缆的垂直相对距离的计算。

所述基阵与海缆的水平相对距离、基阵与海缆的垂直相对距离的计算方法如下：

设定第一探棒的感应电动势为ε₁，第二探棒的感应电动势为ε₂，第三探棒的感应电动势为ε₃，第四探棒的感应电动势为ε₄，

表示已知的常数，其中μ₀表示的真空率，一般取μ₀＝4π×10^-7H/m,μ_a表示有效磁导率，NS为线圈常数，I_m表示为通电电流的幅值，ω＝2πf，由于每个探棒的材料、结构都相同，故K可视为已知的常数，(x,y)表示的是基阵中心的坐标，ρ_i表示第i探棒离海缆的距离，β_i表示的是第i探棒的方向与磁感应强度方向的夹角；

当所述基阵的中心位于海缆的左侧时，

第一探棒产生的感应电动势：

第二探棒产生的感应电动势：

第三探棒产生的感应电动势：

第四探棒产生的感应电动势：

令

此时由ε₁>ε₂，ε₃<ε₄可得：0<a<1,0<b<1

通过进一步计算得到两个根的数值，其中一个根计算出的距离数值为负数不符合实际，所以将其舍去，即得到：

从而可得：

进一步可得到基阵距离海缆的水平距离D为：

基阵距离海缆的垂直高度H为：

当基阵中心位于海缆的右侧时，

第一探棒产生的感应电动势：

第二探棒产生的感应电动势：

第三探棒产生的感应电动势：

第四探棒产生的感应电动势：

令

此时由ε₁>ε₂，ε₃<ε₄可得：a>1,0<b<1

同上可证明：

故可解得：

进一步求得基阵与海缆的水平距离D为：

基阵距离海缆的垂直高度H为：

当基阵中心位于海缆的正上方时，

当基阵位于海缆上方时，基阵离海缆的水平距离D＝0，此时

第一探棒产生的感应电动势：

第二探棒产生的感应电动势：

可解得：

或

此时基阵距离海缆的高度

因此

可通过证明得

本发明具有如下有益效果：

1、基阵中第一探棒和第二探棒所在轴线与第三探棒和第四探棒所在轴线互相垂直，有利于减小角度对于探测结果的影响，计算过程中不需要磁探测器与海缆的夹角，使得计算更加便捷，且四个探棒相对于原有六个探棒测量更简便。

2、本发明所提供的十字组合的基阵相对于双三维探测器阵列结构更简单，没有了三轴严格水平的操作，在一定程度上可以减少做工要求，在实现基阵平衡方面更容易，使得操作和测量的计算都更加简便，同时避免了结构本身带来的测量误差。

3、本发明所提供的十字组合的基阵活动性更强，而且在基阵可以灵活改变的时，可以减少探棒之间的干扰，减少一次串场、二次串场的发生，使实验结果更加接近计算值。

4、两个竖直放置的线圈在海缆正上方时理论上其产生的感应电动势的应该为0，而实际上感应电动势是微乎其微的，两路信号进行判断减少了由探棒自身原因产生的误差，有利于保证结果的正确性。

5、基阵的灵活性很高，可以在其他方向上叠加相同的基阵，或者和其他的基阵进行组合探测，更能有利于结果的正确性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中基阵位于海缆左侧的结构示意图；

图3为本发明中基阵位于海缆右侧的结构示意图；

图4为本发明中阵位于海缆正上方的结构示意图。

图中附图标记表示为：

1、第一探棒；2、第二探棒；3、第三探棒；4、第四探棒；11、海床；12、海缆；13、海缆周围磁场分布。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来对本发明进行详细的说明。

参见图1至图4所述的基于磁感应线圈十字组合模式的海缆搜索与定位方法，包括以下步骤：

布置探测装置，所述探测装置包括水下机器人和由第一探棒1、第二探棒2、第三探棒3和第四探棒4组成的基阵，第一探棒1和第二探棒2水平放置并相隔距离L，第三探棒3和第四探棒4竖直放置并相隔距离L；

海缆路由探测，将该基阵搭载在水下机器人上并下水测量，在水下机器人移动的过程中，以第三探棒3和第四探棒4的感应电动势为参照基础，根据第一探棒1和第二探棒2的感应电动势的变化确定海缆12的路由，初步判断出基阵与海缆12的位置关系；

确定海缆12位置，根据基阵与海缆12的位置关系精确计算出基阵与海缆12的水平相对距离和基阵与海缆的垂直相对距离。

所述海缆12的路由探测的具体操作步骤如下：

S1：将该基阵搭载到水下机器人上并下水测量，当第一探棒1或者第二探棒2的感应电动势为0时，第三探棒3和第四探棒4的感应电动势理应也是0，表明当前位置远离海缆12；

S2：沿搜索路径移动水下机器人，移动一定距离，第一探棒1或第二探棒2的感应电动势仍然为0，则表明在沿着远离海缆12的方向前进，此时应控制水下机器人按相反的方向前进，直至第一探棒1或第二探棒2中有感应电动势；

S3:当基阵检测到第一探棒1或第二探棒2的感应电动势时，原地转动机器人使得第一探棒1或第二探棒2的感应电动势发生变化，当第一探棒1或第二探棒2的感应电动势为最大时，则此时基阵所在的平面与海缆12垂直；

S4:选择第一种判别模式，当第一探棒1的感应电动势小于第二探棒2的感应电动势，且第三探棒3和第四探棒4的感应电动势均不为0时，则可以判断此时基阵的中心位于海缆12的左侧；当第一探棒1的感应电动势时大于第二探棒2的感应电动势，且第三探棒3和第四探棒4的感应电动势均不为0时，则可以判断此时基阵的中心位于海缆12的右侧；当第一探棒1的感应电动势等于第二探棒2的感应电动势且两者均不为0时，则可以判断此时基阵的中心位于海缆12的正上方；

S5：选择第二种判别模式，当第三探棒3和第四探棒4的感应电动势均不为0时，则可以判断基阵的中心位于海缆12的两侧；此时，若第一探棒1的感应电动势小于第二探棒2的感应电动势，则可以判断该基阵的中心位于海缆12的左侧；若第一探棒1的感应电动势大于第二探棒2的感应电动势，则可以判断该基阵位于海缆12的右侧；当第三探棒3和第四探棒4的感应电动势为0，且第一探棒1和第二探棒2的感应电动势不为0时，则可判断该基阵的中心位于海缆12的正上方；

进一步进行基阵与海缆12的水平相对距离、基阵与海缆12的垂直相对距离的计算。

所述基阵与海缆12的水平相对距离、基阵与海缆12的垂直相对距离的计算方法如下：

设定第一探棒1的感应电动势为ε₁，第二探棒2的感应电动势为ε₂，第三探棒3的感应电动势为ε₃，第四探棒4的感应电动势为ε₄，

表示已知的常数，其中μ₀表示的真空率，一般取μ₀＝4π×10^-7H/m,μ_a表示有效磁导率，NS为线圈常数，I_m表示为通电电流的幅值，ω＝2πf，由于每个探棒的材料、结构都相同，故K可视为已知的常数，(x,y)表示的是基阵中心的坐标，ρ_i表示第i探棒离海缆12的距离，β_i表示的是第i探棒的方向与磁感应强度方向的夹角；

当所述基阵的中心位于海缆12的左侧时，

第一探棒1产生的感应电动势：

第二探棒2产生的感应电动势：

第三探棒3产生的感应电动势：

第四探棒4产生的感应电动势：

令

此时由ε₁>ε₂，ε₃<ε₄可得：0<a<1,0<b<1

通过进一步计算得到两个根的数值，其中一个根计算出的距离数值为负数不符合实际，所以将其舍去，即得到：

从而可得：

进一步可得到基阵距离海缆12的水平距离D为：

基阵距离海缆12的垂直高度H为：

当基阵中心位于海缆12的右侧时，

第一探棒1产生的感应电动势：

第二探棒2产生的感应电动势：

第三探棒3产生的感应电动势：

第四探棒4产生的感应电动势：

令

此时由ε₁>ε₂，ε₃<ε₄可得：a>1,0<b<1

同上可证明：

故可解得：

进一步求得基阵与海缆12的水平距离D为：

基阵距离海缆12的垂直高度H为：

当基阵中心位于海缆12的正上方时，

当基阵位于海缆12上方时，基阵离海缆12的水平距离D＝0，此时

第一探棒1产生的感应电动势：

第二探棒2产生的感应电动势：

可解得：

或

此时基阵距离海缆12的高度

因此

可通过证明得

在判断海缆路由的操作步骤中，可以在基阵的中心加一个第五探棒(第五探棒的位置应垂直于基阵所在的平面)，当第五探棒的感应电动势为0时，即可判断此时基阵所在的平面垂直于海缆，这就代替了机器人转动来寻找路由的方法。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.基于磁感应线圈十字组合模式的海缆搜索与定位方法，其特征在于：包括以下步骤：

布置探测装置，所述探测装置包括水下机器人和由第一探棒、第二探棒、第三探棒和第四探棒组成的基阵，第一探棒和第二探棒水平放置并相隔距离L，第三探棒和第四探棒竖直放置并相隔距离L；

海缆路由探测，将该基阵搭载在水下机器人上并下水测量，在水下机器人移动的过程中，以第三探棒和第四探棒的感应电动势作为参照基础，根据第一探棒和第二探棒的感应电动势的变化确定海缆路由，初步判断出基阵与海缆的位置关系；

确定海缆位置，根据基阵与海缆的位置关系进一步精确计算出基阵与海缆的水平相对距离和垂直相对距离。

2.如权利要求1所述的基于磁感应线圈十字组合模式的海缆搜索与定位方法，其特征在于：所述海缆路由探测的具体操作步骤如下：

S1：将该基阵搭载到水下机器人上并下水测量，当第一探棒或者第二探棒的感应电动势为0时，第三探棒和第四探棒的感应电动势理应也是0，表明当前位置远离海缆；

S2：沿搜索路径移动水下机器人，移动一定距离，第一探棒或第二探棒的感应电动势仍然为0，则表明在沿着远离海缆的方向前进，此时应控制水下机器人按相反的方向前进，直至第一探棒或第二探棒中有感应电动势；

S3:当基阵检测到第一探棒或第二探棒的感应电动势时，原地转动机器人使得第一探棒或第二探棒的感应电动势发生变化，当第一探棒或第二探棒的感应电动势为最大时，则此时基阵所在的平面与海缆垂直；

S4:选择第一种判别模式，当第一探棒的感应电动势小于第二探棒的感应电动势，且第三探棒和第四探棒的感应电动势均不为0时，则可以判断此时基阵的中心位于海缆的左侧；当第一探棒的感应电动势时大于第二探棒的感应电动势，且第三探棒和第四探棒的感应电动势均不为0时，则可以判断此时基阵的中心位于海缆的右侧；当第一探棒的感应电动势等于第二探棒的感应电动势且两者均不为0时，则可以判断此时基阵的中心位于海缆的正上方；

S5：选择第二种判别模式，当第三探棒和第四探棒的感应电动势均不为0时，则可以判断基阵的中心位于海缆的两侧；此时，若第一探棒的感应电动势小于第二探棒的感应电动势，则可以判断该基阵的中心位于海缆的左侧；若第一探棒的感应电动势大于第二探棒的感应电动势，则可以判断该基阵位于海缆的右侧；当第三探棒和第四探棒的感应电动势为0，且第一探棒和第二探棒的感应电动势不为0时，则可判断该基阵的中心位于海缆的正上方；进一步进行基阵与海缆的水平相对距离、基阵与海缆的垂直相对距离的计算。

3.如权利要求2所述的基于磁感应线圈十字组合模式的海缆搜索与定位方法，其特征在于：所述基阵与海缆的水平相对距离、基阵与海缆的垂直相对距离的计算方法如下：

设定第一探棒的感应电动势为ε₁，第二探棒的感应电动势为ε₂，第三探棒的感应电动势为ε₃，第四探棒的感应电动势为ε₄，

表示已知的常数，其中μ₀表示的真空率，一般取μ₀＝4π×10^-7H/m,μ_a表示有效磁导率，NS为线圈常数，I_m表示为通电电流的幅值，ω＝2πf，由于每个探棒的材料、结构都相同，故K可视为已知的常数，(x,y)表示的是基阵中心的坐标，ρ_i表示第i探棒离海缆的距离，β_i表示的是第i探棒的方向与磁感应强度方向的夹角；

当所述基阵的中心位于海缆的左侧时，

第一探棒产生的感应电动势：

第二探棒产生的感应电动势：

第三探棒产生的感应电动势：

第四探棒产生的感应电动势：

令

此时由ε₁>ε₂，ε₃<ε₄可得：0<a<1,0<b<1

通过进一步计算得到两个根的数值，其中一个根计算出的距离数值为负数不符合实际，所以将其舍去，即得到：

从而可得：

进一步可得到基阵距离海缆的水平距离D为：

基阵距离海缆的垂直高度H为：

当基阵中心位于海缆的右侧时，

第一探棒产生的感应电动势：

第二探棒产生的感应电动势：

第三探棒产生的感应电动势：

第四探棒产生的感应电动势：

令

此时由ε₁>ε₂，ε₃<ε₄可得：a>1,0<b<1

同上可证明：

故可解得：

进一步求得基阵与海缆的水平距离D为：

基阵距离海缆的垂直高度H为：

当基阵中心位于海缆的正上方时，

当基阵位于海缆上方时，基阵离海缆的水平距离D＝0，此时

第一探棒产生的感应电动势：

第二探棒产生的感应电动势：

可解得：

或

此时基阵距离海缆的高度

因此

可通过证明得

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