海底电缆搜索与定位装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及种海底电缆搜索与定位装置及方法，该包括由第一探测棒、第二探测棒、第三探测棒和第四探测棒组成的锤形探测器、信号采集及控制装置和数据分析平台，第一、二、三探测棒均为位置探测棒，结构相同且依次竖向等距分布，第四探测棒横设于第三探测棒旁侧且与其成90

【技术实现步骤摘要】
海底电缆搜索与定位装置及方法


[0001]本专利技术属于电力电子
，具体涉及一种海底电缆搜索与定位装置及方法。

技术介绍

[0002]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被广泛使用。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)损害海缆，影响光缆通信、海上供电等，海缆路由及埋设深度的精确探测十分必要。目前的探测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法。其基本原理是当在海缆中通入特定频率和功率的交流电时，海缆会产生向周围空间扩散的电磁场。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，可得出海缆的位置及路由信息。由铜线圈与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。根据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探测基阵的相对位置关系，通过不同线圈上测得的感应电动势的比值来计算海缆的埋深数据。然而，双三维磁探头阵列需要六个尺寸相同的探棒，结构复杂。且在判断海缆相对位置时，需要用到各探棒感应电动势在同一时刻的正负关系，要求后续电路至少能同时处理六路信号来保证海缆路由判断的准确性。因此，该模式对后续信号处理要求较为严苛。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种海底电缆搜索与定位装置及方法，该装置及方法不仅能够快速、准确地确定海缆位置，而且结构简单，易于实现，对后续信号处理的要求低。
[0004]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种海底电缆搜索与定位装置，包括由第一探测棒、第二探测棒、第三探测棒和第四探测棒组成的锤形探测器、信号采集及控制装置和数据分析平台，所述第一探测棒、第二探测棒和第三探测棒均为位置探测棒，结构相同且依次竖向等距分布，所述第四探测棒横向设置于第三探测棒旁侧且与第三探测棒成90
°
夹角；所述锤形探测器和信号采集及控制装置搭载在水下机器人上下水测量，初步探测到海缆的信号后，先根据位置探测棒感应电动势计算出锤形探测器与海缆的垂直及水平相对距离，再通过第四探测棒与第三探测棒计算出锤形探测器与海缆的路由偏角，进而确定海缆的唯一位置坐标。
[0005]进一步地，所述第一探测棒、第二探测棒、第三探测棒和第四探测棒均为磁感应线圈，四个磁感应线圈形成锤形传感器基阵，以进行磁信号探测。
[0006]进一步地，所述信号采集及控制装置包括信号调理电路、数据采集模块和中央控制模块，所述锤形探测器依次经信号调理电路、数据采集模块与中央控制模块连接，所述中
央控制模块与上位的数据分析平台进行数据通信。
[0007]进一步地，所述信号调理电路包括基于ADA4004的放大电路和基于ADA4625的滤波电路，用于进行模拟信号调理，实现微小信号放大、30Hz
‑
70Hz的带通滤波；所述数据采集模块包括AD7192模数转换器、SPI接口电路和电源电路，所述SPI接口电路用于与中央控制模块进行通信；所述中央控制模块包括以STM32H750XBH6为中央处理器的控制电路、按键电路、以太网电路、CH340接口电路、LED灯与蜂鸣器组和SWD下载与调试电路，所述SWD下载与调试电路用于与数据分析平台进行数据通信。
[0008]本专利技术还提供了基于上述装置的海底电缆搜索与定位方法，包括以下步骤：
[0009]步骤S1、控制水下机器人向海缆可能存在的方向移动，直至第四探测棒感应电动势出现，说明已接近海缆；由于第一、第二和第三探测棒均在第四探测棒下方，故此时所有探测棒都能探测到感应电动势；
[0010]步骤S2、获取第一、第二、第三探测棒的感应电动势幅值，计算出海缆与第二探测棒的水平间距及垂直间距；
[0011]步骤S3、水下机器人带动锤形探测器水平旋转，直到第四探测棒的感应电动势有效值为其旋转一周的最大值，则此时第四探测棒与海缆路由方向垂直，进而确定海缆的路由走向；
[0012]步骤S4、通过步骤S3得到的海缆路由走向，将步骤S2计算得出的间距转化为两个可能存在海缆的位置点；
[0013]步骤S5、根据第四探测棒与第三探测棒的感应电动势瞬时正负关系，得到海缆磁场产生的磁力线穿过第四探测棒的方向，从而确定唯一的一个海缆位置点。
[0014]进一步地，所述步骤S2包括以下步骤：
[0015]步骤S21、获取第一、第二、第三探测棒的感应电动势幅值；
[0016]设定单个探测棒与海缆的水平夹角为探测棒中心磁感应强度的x轴分量，即探测棒的有效磁感应强度分量为B
x
，探测棒与海缆的水平间距为x
’
，垂直间距为y
’
，则探测棒的感应电动势为：
[0017][0018]因此，第一探测棒、第二探测棒和第三探测棒的感应电动势如下：
[0019][0020]其中，y1、y2、y3分别为海缆与第一、第二、第三探测棒的垂直间距，x为海缆与锤形探测器中心的水平间距；
[0021]步骤S22：计算海缆与锤形探测器中心的垂直间距y；
[0022]设锤形探测器中心落在第二探测棒中心处，故y＝y2；设定第二探测棒与第三探测棒的感应电动势的比值为a，第二探测棒与第一探测棒的感应电动势的比值为b，则感应电动势的比值方程组为：
[0023][0024]根据海缆与各探测棒的位置关系，得到：
[0025][0026]其中，L表示第一探测棒中心与第二探测棒中心之间的距离，或者第二探测棒中心与第三探测棒中心之间的距离；
[0027]合并以上方程，得到：
[0028][0029]求解得到海缆相对于第二探测棒的垂直间距y：
[0030][0031]将a与b用感应电动势的比代入，得到：
[0032][0033]步骤S23：计算海缆与锤形探测器的水平间距x；
[0034]将感应电动势的比值方程组(1)中的两个方程相加，并将方程组(2)代入，得到：
[0035][0036]将式(5)计算出的垂直间距y代入式(6)计算得到水平间距x：
[0037][0038]进一步地，若锤形探测器的中心在海缆正上方，x＝0，此时三个位置探测棒的感应电动势均为零，无法利用感应电动势计算海缆位置，此时通过倾斜走航法对海底电缆的位置进行判断：
[0039]将锤形探测器往海缆路由的垂直方向倾斜45
°
，保持倾斜角度继续沿该方向水平移动锤形探测器，并且不断监测第三、第四探测棒的感应电动势与移动距离；当第三或者第四探测棒的感应电动势在移动过程中下降为0时，停止移动锤形探测器；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种海底电缆搜索与定位装置，其特征在于，包括由第一探测棒、第二探测棒、第三探测棒和第四探测棒组成的锤形探测器、信号采集及控制装置和数据分析平台，所述第一探测棒、第二探测棒和第三探测棒均为位置探测棒，结构相同且依次竖向等距分布，所述第四探测棒横向设置于第三探测棒旁侧且与第三探测棒成90
°
夹角；所述锤形探测器和信号采集及控制装置搭载在水下机器人上下水测量，初步探测到海缆的信号后，先根据位置探测棒感应电动势计算出锤形探测器与海缆的垂直及水平相对距离，再通过第四探测棒与第三探测棒计算出锤形探测器与海缆的路由偏角，进而确定海缆的唯一位置坐标。2.根据权利要求1所述的海底电缆搜索与定位装置，其特征在于，所述第一探测棒、第二探测棒、第三探测棒和第四探测棒均为磁感应线圈，四个磁感应线圈形成探测基阵，以进行磁信号探测。3.根据权利要求1所述的海底电缆搜索与定位装置，其特征在于，所述信号采集及控制装置包括信号调理电路、数据采集模块和中央控制模块，所述锤形探测器依次经信号调理电路、数据采集模块与中央控制模块连接，所述中央控制模块与上位的数据分析平台进行数据通信。4.根据权利要求3所述的海底电缆搜索与定位装置，其特征在于，所述信号调理电路包括基于ADA4004的放大电路和基于ADA4625的滤波电路，用于进行模拟信号调理，实现微小信号放大、30Hz
‑
70Hz的带通滤波；所述数据采集模块包括AD7192模数转换器、SPI接口电路和电源电路，所述SPI接口电路用于与中央控制模块进行通信；所述中央控制模块包括以STM32H750XBH6为中央处理器的控制电路、按键电路、以太网电路、CH340接口电路、LED灯与蜂鸣器组和SWD下载与调试电路，所述SWD下载与调试电路用于与数据分析平台进行数据通信。5.基于权利要求1
‑
4任一项所述装置的海底电缆搜索与定位方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1、控制水下机器人向海缆可能存在的方向移动，直至第四探测棒感应电动势出现，说明已接近海缆；由于第一、第二和第三探测棒均在第四探测棒下方，故此时所有探测棒都能探测到感应电动势；步骤S2、获取第一、第二、第三探测棒的感应电动势幅值，计算出海缆与锤形探测器的水平间距及垂直间距；步骤S3、水下机器人带动锤形探测器水平旋转，直到第四探测棒的感应电动势有效值为其旋转一周的最大值，则此时第四探测棒与海缆路由方向垂直，进而确定海缆的路由走向；步骤S4、通过步骤S3得到的海缆路由走向，将步骤S2计算得出的间距转化为两个可能存在海缆的位置点；步骤S5、根据第四探测棒与第三探测棒的感应电动势瞬时正负关系，得到海缆磁场产生的磁力线穿过第四探测棒的方向，从而确定唯一的一个海缆位置点。6.根据权利要求5所述的海底电缆搜索与定位方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：步骤S21、获取第一、第二、第三探测棒的感应电动势幅值；设定单个探测棒与海缆...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄文超，潘志军，吴宗泽，王清海，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：