一种水下多缆定位系统及其方法技术方案

本发明专利技术涉及一种水下多缆定位系统及其方法，该系统由位于水面拖缆船上的数据采集卡和主控机，以及由拖缆船拖拽的多条拖缆组成。拖缆内装有包括声学换能器、测深计、罗盘的阵元以及数据传输包组成的数据传输系统。主控机将定位指令发送给各个阵元，阵元测得需要的定位信息，主控机解算拖缆各段具体位置。本发明专利技术采用优化的声学阵形的水声定位，并结合ＧＰＳ浮标、罗盘、测深计对多缆进行定位。首先由ＧＰＳ确定每条拖缆前、后两端的大地坐标；通过测深计测得拖缆各段的深度信息，通过声学定位初步解算出拖缆上各段相对于拖船航行方向的横向和纵向坐标，保留横向坐标值；采用罗盘数据和声学定位所求得的横向坐标值来重新算出拖缆上各段纵向坐标。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于海上地震勘探领域，具体涉及到海上地震勘探拖船牵引的多条拖缆的定位系统及其方法。
技术介绍
海洋油气资源和深海矿产资源的探测、开发和利用，已经引起世界各国的重视。实现对海洋油气资源和深海矿产资源的开发利用，必须开发海洋资源勘探技术。随着科学技术水平的不断提高，海洋石油勘探技术正向高精度、高分辨率方向发展，以期找出更薄层和更小的油气构造。地震法是迄今为止最为有效的油气勘探方法。为了降低成本、提高效率，地震波数据采集的趋势是采用3M技术，即多缆、多船、多源。地震勘探对定位导航的要求取决于地震资料处理时采用的面元的尺寸。根据地震资料处理的要求，可推导出在测线纵向和横向的定位精度约为面元长度和宽度的四分之一。因此，对于高精度、高分辨率的地震勘探，对拖缆的定位精度要求很高。如何实时准确和可靠地进行多缆地震作业的定位导航，是海上多缆地震采集的一项关键技术。一般情况下，使用差分GPS (DGPS)可以使主导航很容易得达到精度指标，但对水下拖缆部分，由于干扰因素多，定位难度较大。对拖缆的定位分为单缆和多缆两种。单缆地震作业中一般只用罗盘确定电缆的形态，即在电缆上，隔一定距离安装罗经水鸟，罗经可以测出该处电缆的方位角，利用已知距离，就可以根据主导航位置推出拖缆各处的形态。由于没有尾部浮标定位系统，沿拖缆离船越远，定位误差越大。地震勘探中，由于多缆可以使用更多的定位装置，为水下拖缆的高精度定位提供了可能。传统多缆定位原理由GPS定出主船上GPS点的位置；由GPS点坐标、电罗经测出方位及船上各点的相互关系(船参数)，推算出船上各有关点的坐标；船上有关各点坐标及声学、激光系统推算出前网、中网及后网位置；由各网位置及罗经鸟数据推算出拖缆上各点坐标。所用定位设备较多，操作复杂，并且没有充分发挥某些定位手段的作用。对于高精度、高分辨率的地震勘探，需要拖缆的定位精度更高。目前国内外一些5公司也在努力研究水下拖缆定位的新方法和开发相应的定位系统。例如2005年8月17日中华人民共和国国家知识产权局公开的专利CN1656390A"基于GPS的水下拖缆定位系统"中，描述了一种由GPS定位确定拖缆前端和后端位置，再由声学定位来确定拖缆上各段位置的拖缆定位方法。
技术实现思路
为了克服以上现有技术的不足，提高拖缆的定位精度，达到高精度、高分辨率的地震勘探，本专利技术提供了。本专利技术采用的拖缆定位系统由位于水面拖缆船上的数据采集卡和主控机，以及由拖缆船拖曳的多条拖缆组成。其中拖缆内装有包括声学换能器、测深计、罗盘的阵元以及数据传输包组成的数据传输系统。主控机通过数据传输系统将定位指令发送给各个阵元，阵元通过本专利技术下面介绍的方法测得需要的定位信息。随后将这些信息打包通过数据传输系统传回，由数据采集卡采集数据送主控机处理。主控机通过本专利技术介绍的方法解算拖缆各段具体位置。本专利技术采用优化的声学阵形的水声定位，并结GPS浮标、罗盘、测深计对多缆进行定位。在拖缆前、后两端布放GPS浮标，在拖缆各段布放包括声学换能器、罗盘、测深计在内的阵元。首先由GPS确定每条拖缆前、后两端的大地坐标；之后通过测深计测得拖缆各段的深度信息，通过声学定位初步解算出拖缆上各段相对于拖船航行方向的横向和纵向坐标，保留横向坐标值；采用罗盘数据和声学定位所求得的横向坐标值来重新算出拖缆上各段纵向坐标。具体系统结构与测量解算方法如下所述系统包括一水面拖船和多条水下拖缆； 一辅助金属支架，装于拖船后部，用于将拖缆展开。其中，所述系统进一步包括所述全缆声学网络，是在每条拖缆前、后两端各布放一个定位浮标，拖缆后端的定位浮标下布放的一个第一声学换能器阵元，在每条拖缆上，沿拖缆的前端到后端对应地周期性布置多阶阵元，第一阶阵元依次布置一个第一声学换能器阵元和多个第二声学换能器阵元，此后各阶阵元依次布置一个第三声学换能器阵元和多个第二声学换能器阵元，用于对声学测时信息进行采集；所述第三声学换能器为收发合置换能器。一数据传输系统；所述数据传输系统安装与阵元对应的数据传输包，用于将主控机发送的指令传输给各阵元，及将各阵元采集到的定位信息传到船上的主控机处理。一数据采集卡；所述数据采集卡装于水面拖船上，用于将采集到的数据传输给主控机。一主控机；所述主控机装于水面拖船上，用于向水下拖缆上的各阵元发出指令，并处理采集卡传输的数据。所述阵元包括 一测深计，用于测得所在阵元的深度值； 一罗盘，用于对每个阵元进行偏移角度测量； 一声学换能器，用于测量阵元间相对距离。其中，所述的定位浮标可以是GPS浮标，也可以是DGPS浮标。其中，所述第一声学换能器是单发射换能器，也可以是收发合置换能器。其中，所述第二声学换能器是单接收换能器，也可以是收发合置换能器。本专利技术还提供了一种水下多缆定位方法，所述方法包括(1) 各阵元釆用分阶定位、边缆修正的方式，对声学测时信息进行采集，具体步骤包括(la)奇数行拖缆上的第一阶浮标下的单发射换能器/收发合置换能器，发射不同频率声学信号，本阶内所有声学单接收换能器/收发合置换能器和下一阶声学收发合置换能器，接收相邻缆的声学信号和比相邻缆再远一缆的声学信号。(lb)偶数行拖缆上的第一阶浮标下的单发射换能器/收发合置换能器，发射不同频率声学信号，本阶内所有声学单接收换能器/收发合置换能器和下一阶声学收发合置换能器，接收相邻缆的声学信号和比相邻缆再远一缆的声学信号。(lc)奇数行拖缆上的第二阶收发合置声学换能器，发射不同频率声学信号，本阶内和上一阶所有声学单接收换能器/收发合置换能器和下一阶声学收发合置换能器，接收相邻缆的声学信号和比相邻缆再远一缆的声学信号，以及本阶偶数列拖缆上的收发合置换能器接收相邻缆的声学信号。(ld)偶数行拖缆上的第二阶收发合置声学换能器，发射不同频率声学信号，本阶内和上一阶所有声学单接收换能器/收发合置换能器和下一阶声学收发合置换能器，接收相邻缆的声学信号和比相邻缆再远一缆的声学信号，以及本阶奇数列拖缆上的收发合置换能器接收相邻缆的声学信号，依此类推直到最后一阶。(2) 拖缆各段阵元的坐标解算主控机以GPS/DGPS浮标测出的大地坐标为参考坐标，根据测深计测得拖缆各段的深度坐标，各个阵元采集声学测时和罗盘测量的每个阵元偏移角度，计算出拖缆各段的精确的横向坐标x、纵向坐标y和深度坐标z:(2a)深度坐标Z的确定测深计测得的拖缆各段阵元的深度坐标，作为目标阵元最终的深度坐标Z。(2b)横向坐标X的确定系统工作于同步方式，通过测量发射阵元到目标阵元之间的声学信号传播时延，结合已知声速求出各阵元之间的相对距离，依据球面交汇原理，即可求得目标阵元的位置。假设0为目标阵元的位置，其待测坐标设为(x，y,z)， N个发射阵元坐标分别为L(Xt, y\， z》，T2 (x2, y2, z2) ， T3 (x3, y3, z3) ， '.， TN(xN， yN， zN)。设发射阵元Ti(Xi, yi, Zi)到达接收阵元0的传播时间为/,，定位原理表示为(x-x,)2+0-_y,)2+0-z,)2 =c2/,2 ，/二1,2,…,7V (1)其中，c为海水中声传播速度。4个球面交汇，即可唯一确定空间未知量(x，y,z)，这里仅取横向坐标x;若减少l个阵元，则出现双解现本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水下多缆定位系统，所述系统包括：　　　　一水面拖船和多条水下拖缆；　　　　一辅助金属支架，装于拖船后部，用于将拖缆展开；　　　　其特征在于，所述系统进一步包括：　　　　一全缆声学网络，所述全缆声学网络，是在每条拖缆前、后两端各布放一个定位浮标，拖缆后端的定位浮标下布放的一个第一声学换能器阵元，在每条拖缆上，沿拖缆的前端到后端对应地周期性布置多阶阵元，第一阶阵元依次布置一个第一声学换能器阵元和多个第二声学换能器阵元，此后各阶阵元依次布置一个第三声学换能器阵元和多个第二声学换能器阵元，用于对声学测时信息进行采集；所述第三声学换能器为收发合置换能器；　　　　一数据传输系统，所述数据传输系统安装与阵元对应的数据传输包，用于将主控机发送的指令传输给各阵元，及将各阵元采集到的定位信息传到船上的主控机处理；　　　　一数据采集卡，所述数据采集卡装于水面拖船上，用于将采集到的数据传输给主控机；和　　　　一主控机，所述主控机装于水面拖船上，用于向水下拖缆上的各阵元发出指令，并处理采集卡传输的数据；　　　　所述阵元包括：　　　　一测深计，用于测得所在阵元的深度值；一罗盘，用于对每个阵元进行偏移角度测量；和　　　　一声学换能器，用于测量阵元间相对距离。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：冯海泓，黄敏燕，李国栋，高杰，徐海东，
申请(专利权)人：嘉兴中科声学科技有限公司，
类型：发明
国别省市：33[中国|浙江]