海上风电桩基础冲刷坑形态的监测系统与监测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种海上风电桩基础冲刷坑形态的监测系统与监测方法，属于海上风电技术领域。该监测系统包括冲刷监测装置、水密电子舱、无人机、数据采集仪和数据处理设备。冲刷监测装置包括侧扫声呐换能器和检波器；侧扫声呐换能器设置于桩基基础的外周面上；多个检波器位于侧扫声呐换能器的正下方。侧扫声呐换能器向冲刷坑界面发射扇形波束的声脉冲，声脉冲碰到冲刷坑界面时，部分反射波反射回来被检波器接收、传输给水密电子舱、数据采集仪。从数据采集仪提取出回波数据后，分辨出冲刷坑反射波波信号，然后利用逆时偏移成像确定反射波产生的空间位置；进而确定冲刷坑的大小和形态。进而确定冲刷坑的大小和形态。进而确定冲刷坑的大小和形态。

【技术实现步骤摘要】
海上风电桩基础冲刷坑形态的监测系统与监测方法


[0001]本专利技术涉及一种海上风电桩基础冲刷坑形态的监测系统与监测方法，属于海上风电


技术介绍

[0002]近年来，为了应对化石能源枯竭、环境恶化等问题，海上风电在世界各地得到迅速发展。至2022年底，全球海上风电总装机容量达到64.3GW。海上风电采用的基础结构主要包括单桩、重力式、三脚架、导管架和浮式基础等，其中单桩基础建设成本低，安装简单方便，所以应用最为广泛，全球市场占比高达70%以上。
[0003]海上风电基础所处环境复杂、使用周期长，支撑结构会受到海水腐蚀、洋流冲击、局部冲刷等各种不利因素的影响，其中局部冲刷是结构安全的主要问题。海床在设置了桩基后，原来的流场发生了改变，在马蹄形涡流、侧向加速绕流和尾涡的共同作用下，桩基周围形成冲刷坑。冲刷坑的加深会增加结构的自由悬臂长度，造成基础的刚度和承载力降低，严重时会造成风电机组的坍塌。因此，冲刷坑的实时监测是规避风险的重要举措。
[0004]目前桩基冲刷的检测主要采用船载多波束声呐系统定期出海扫测，费用昂贵且无法做到实时监测。CN 113029054 A、CN 106917420 A、CN 108755786 A、CN 110133666 A、CN 113123376 A、CN 113684857 A等，均为风电桩基础冲刷坑实时监测提供了较好的思路。但这些技术仍存在许多不足，如不具有实时监测效果、需要在海床进行安装设备不利于维护、不能反映冲刷坑的整体形态、无成套监测系统设备等缺陷。/>
技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于解决目前对于海上风电桩基础冲刷坑监测方法信息精度低，安装复杂且不利于维护、不能直观准确提供冲刷坑的三维形态等信息的技术问题；从而提供一种用于监测海上风电桩基础冲刷坑形态的监测系统与监测方法，其中，冲刷监测装置采集的反射波数据进行数据处理即可得到冲刷坑界面的三维形态，提供了准确的维护信息；采用卡箍将将冲刷监测装置安装在风电桩基础上，而不必在海床上布设装置，具有操作简单、安装方便、便于维护等特点。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用下述技术方案：海上风电桩基础冲刷坑形态的监测系统，包括：多个冲刷监测装置；每个所述冲刷监测装置包括一个侧扫声呐换能器和多个检波器；所述侧扫声呐换能器，设置于风电桩基础的外周面上，向冲刷坑界面发射扇形波束的声脉冲；所述多个检波器，位于所述侧扫声呐换能器的正下方，沿风电桩基础的长度方向间隔分布，接收由冲刷坑界面返回的回波信号；水密电子舱，其内部采用模块化设计，包括电源模块、信号发射模块、第一通信模块、和信号接收模块；其中，所述电源模块，一方面给所述信号发射模块、第一通信模块、信号接收模块及所述冲刷监测装置供电，另一方面与风电机电连接获得电能；所述信号发射
模块控制所述侧扫声呐换能器；所述信号接收模块，其接收信号通道数量和所述检波器数量一致，接收来自所述检波器的回波信号，将所述回波信号转换为回波数据；所述第一通信模块用于指令、信号和数据的传输；数据采集仪，由所述无人机搭载，包括第二通信模块、控制模块和数据储存模块；所述控制模块向所述信号发射模块发出指令；所述数据储存模块接收来自所述信号接收模块的回波数据；所述第二通信模块用于指令、信号和数据的传输；数据处理设备，处理来自所述数据储存模块的数据，采用逆时偏移成像方法实现冲刷坑界面的成像。
[0007]根据本专利技术公开的实施例，所述多个检波器等间距排列。
[0008]根据本专利技术公开的实施例，相邻所述检波器之间的距离为40cm—80cm。
[0009]根据本专利技术公开的实施例，所述多个检波器排列总长度为10
±
1m。
[0010]根据本专利技术公开的实施例，所述第一通信模块包括5G模块、蓝牙模块或WI
‑
FI模块，所述第二通信模块包括5G模块、蓝牙模块或WI
‑
FI模块。
[0011]根据本专利技术公开的实施例，沿风电桩基础的周向等距安装八个所述冲刷监测装置。
[0012]根据本专利技术公开的实施例，所述冲刷监测装置完全淹没在水下，所述冲刷监测装置底部靠近海床表面。
[0013]根据本专利技术公开的实施例，所述侧扫声呐换能器的声脉冲信号的频率为50kHz—200kHz；所述侧扫声呐换能器发射的扇形波束，沿周向的束宽开角小于等于2
°
，沿径向的束宽开角为45
°
—60
°
。
[0014]海上风电桩基础冲刷坑形态的监测系统的监测方法，包括以下步骤：将所述水密电子舱的发射信号通道、接收通道与所述侧扫声呐换能器和所述检波器连接；根据海上风电机的空间布局，设定所述无人机飞行的最优航线，无人机工作时用GPS定位；所述最优航线指的是在所述数据采集仪能够连接到所有的所述冲刷监测装置、完成数据采集的前提下，飞行距离最短、花费时间最少的航线；所述无人机到达风电机附近后，所述数据采集仪和所述水密电子舱通过所述第一通信模块、第二通信模块无线连接；所述数据采集仪下达指令，所述水密电子舱将采集到的回波数据传输给所述数据采集仪；断开所述数据采集仪和所述水密电子舱之间的通信连接；所述无人机飞往下一个风电机继续采集数据；完成所有采集任务后，所述无人机按既定路线返航，将数据采集仪存储的回波数据提取到计算机进行数据处理。
[0015]根据本专利技术公开的实施例，所述数据处理的方法：提取出回波数据后，将杂波剪切，保留地形反射波信号，然后利用逆时偏移成像确定反射波产生的空间位置，根据反射波产生的空间位确定冲刷坑的大小和形态；所述逆时偏移成像的实现过程如下：（1）首先，波场传播的过程采用有限差分法求解波动方程来实现；二维常密度波动方程表达式如下：
，式中：v为介质速度；p为压力波场；波动方程的有限差分格式：，式中：i、j分别表示x和z方向的离散网格节点的空间坐标，ｋ表示时间方向的离散网格点；Δx和Δz为空间采样间隔，Δt为时间步长，c
m
为2N阶精度有限差分系数；（2）利用波动方程的有限差分格式对声源波场进行正推；震源波场沿时间正向传播时，给定声源作为初始条件，并记录下所有空间位置上的波场值；声源波场时间正向外推可表示为：，式中：f(t)为震源函数；（3）将检波器接收的反射波进行波场逆推；从最大时刻开始，对所有的检波器接收到的反射波记录加入到波场计算中，同时记录每个时刻所有空间位置上的波场值，直到零时刻为止；检波点波场逆时外推可表示为：,式中，p（x
r
,z
r
,t）表示在检波点添加的波场记录；u（x
r
,z
r
,t）表示检波器接收到的反射波记录；（4）然后在地下所有空间位置的网格点上，对震源波场和检波点波场进行互相关，得到每个时刻的互相关成像：，在成像空间位置的网格点上，对上一步所有时间的波场值进行求和，输出结果，此时的结果即为逆时偏移的成像结果,逆时偏移的单炮成像结果可表示为：，式中：I(x,z)本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.海上风电桩基础冲刷坑形态的监测系统，其特征在于，包括：多个冲刷监测装置；每个所述冲刷监测装置包括一个侧扫声呐换能器和多个检波器；所述侧扫声呐换能器，设置于风电桩基础的外周面上，向冲刷坑界面发射扇形波束的声脉冲；所述多个检波器，位于所述侧扫声呐换能器的正下方，沿风电桩基础的长度方向间隔分布，接收由冲刷坑界面返回的回波信号；水密电子舱，其内部采用模块化设计，包括电源模块、信号发射模块、第一通信模块和信号接收模块；其中，所述电源模块，一方面给所述信号发射模块、第一通信模块、信号接收模块及所述冲刷监测装置供电，另一方面与风电机电连接获得电能；所述信号发射模块控制所述侧扫声呐换能器；所述信号接收模块，其接收信号通道数量和所述检波器数量一致，接收来自所述检波器的回波信号，将所述回波信号转换为回波数据；所述第一通信模块用于指令、信号和数据的传输；无人机；数据采集仪，由所述无人机搭载，包括第二通信模块、控制模块和数据储存模块；所述控制模块向所述信号发射模块发出指令；所述数据储存模块接收来自所述信号接收模块的回波数据；所述第二通信模块用于指令、信号和数据的传输；数据处理设备，处理来自所述数据储存模块的数据，采用逆时偏移成像方法实现冲刷坑界面的成像。2.根据权利要求1所述海上风电桩基础冲刷坑形态的监测系统，其特征在于，所述多个检波器等间距排列。3.根据权利要求1所述海上风电桩基础冲刷坑形态的监测系统，其特征在于，相邻所述检波器之间的距离为40cm—80cm。4.根据权利要求1所述海上风电桩基础冲刷坑形态的监测系统，其特征在于，所述多个检波器排列总长度为10
±
1m。5.根据权利要求1所述海上风电桩基础冲刷坑形态的监测系统，其特征在于，所述第一通信模块包括5G模块、蓝牙模块或WI
‑
FI模块，所述第二通信模块包括5G模块、蓝牙模块或WI
‑
FI模块。6.根据权利要求1所述海上风电桩基础冲刷坑形态的监测系统，其特征在于，沿风电桩基础的周向等距安装8个所述冲刷监测装置。7.根据权利要求1所述海上风电桩基础冲刷坑形态的监测系统，其特征在于，所述冲刷监测装置完全淹没在水下，所述冲刷监测装置底部靠近海床表面。8.根据权利要求1所述海上风电桩基础冲刷坑形态的监测系统，其特征在于，所述侧扫声呐换能器的声脉冲信号的频率为50kHz—200kHz；所述侧扫声呐换能器发射的扇形波束，沿周向的束宽开角小于等于2
°
，沿径向的束宽开角为45
°
—60
°
。9.采用权利要求1
‑
8任意一项所述海上风电桩基础冲刷坑形态的监测系统的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：将所述水密电子舱的发射信号通道、接收通道与所述侧扫声呐换能器和所述检波器连接；根据海上风电机的空间布局，设定所述无人机飞行的最优航线，无人机工作时用GPS定位；
所述无人机到达风电机附近后，所述数据采集仪和所述水密电子舱通过所述第一通信模块、第二通信模块无线连接；所述数据采集仪...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙怀凤，杨开端，张宁，刘锐，柳尚斌，张诺亚，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：