CN102426773A - 隔水管疲劳参数测量传输装置及最优中继距离计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种隔水管疲劳参数测量传输装置及最优中继距离计算方法，其中装置包括一个水声信号接收装置、若干个中继器和一个隔水管疲劳监测装置，隔水管疲劳监测装置检测疲劳信号并传播给中继器，经过中继器多次传递后，疲劳信号传递给水声信号接收装置。通过计算不同中继距离单跳链路的能耗，计算采用不同中继距离时的总传输能耗，从而对比出对应总传输能耗最低的最优中继距离。本发明采用中继器缩短了信号传输距离，降低单跳距离的传输功耗，并且存在一个最佳距离范围，使本发明总传输能耗最低。

Description

隔水管疲劳参数测量传输装置及最优中继距离计算方法

技术领域

本发明涉及海洋水声通信技术领域，具体为一种隔水管疲劳参数测量传输装置及最优中继距离计算方法。

背景技术

作为连接海底井口与海面作业平台的纽带，隔水管在隔离海水、引导钻具、循环钻井液、补偿浮式钻井装置的升沉运动等方面发挥重要作用。无论深海油气开采采用何种浮式系统方案，隔水管都是海洋石油天然气开采必不可少的设备，同时也是薄弱易损的构件之一。处于深海(大于1500m)环境中的隔水管，在洋流、波浪和海面平台的振荡、漂移和起伏运动等多种载荷的共同作用下，将产生交变应力，诱发隔水管疲劳，降低隔水管使用寿命，甚至断裂，给深海石油开发造成重大损失。因而为掌控隔水管的疲劳寿命，保证隔水管工作在安全范围内，对隔水管进行全局性的高效率监测是亟需破解的瓶颈问题。

根据数据传输和供电方式不同，目前工程上使用的隔水管监测系统主要分为单机、实时监测系统和声学监测系统三类。

单机监测系统由数据记录仪和相应的传感器组成，其中数据记录仪一般包括中心处理单元、模.数转换器、数据存储器以及其他辅助元件，这些元件都封装在坚固的不锈钢外壳中。数据记录仪与所需的传感器集成使用，单机监测系统使用自带电池组供电进行测量，数据存储在存储器中，测量结束后从存储器中下载数据到计算机进行分析。单机监测系统采用绑带和卡箍将其安装到隔水管上，等隔水管回收后读取数据或者采用水下机器人(ROV)取数据并更换电池组。该方法的成本低，但由于隔水管上不同点的监测装置的时钟漂移，同步测量困难，从而难以确定不同点的相对位置，在ROV安装传感器时，由于绞车、ROV和隔水管三者的相对运动，给安装操作带来不少难度。

实时型监测系统，供电和数据传输都通过电缆实现，对隔水管响应进行连续监测，数据被实时传输到数据处理中心。线路布置会延长隔水管下入时间，并且可能损伤，不适用于深水隔水管监测。与单机监测系统相比，实时监测系统的结构、安装和接口都十分复杂，成本高，不适用于深水隔水管的监测。

而声学监测系统是利用水声通信技术，完成监测数据的传输，水下环境是一个复杂多变的环境，导致水声信道具有时--空--频变的特性，即水声信道是一个传输特性十分复杂的频率选择性衰落信道。多径扩展和多普勒扩展大、环境噪声高、可用带宽有限、载波频率低、传输速度慢等，大大地制约了水声通信的性能，为了在保证通信可靠性的同时，将功耗降到最低，在设计信息传输方法时，理应考虑水声通信信道的特点，在吞吐量(带宽效率)、可靠性、端到端时延及能耗之间寻求一种好的折衷。由于水下条件十分恶劣，水声所使用的通信设备主要由电池组供电，是一个能源受限系统，与用电源线供电有显著差异，因此电源效率是设计监测方案考虑的关键因素。吞吐量(带宽效率)、可靠性、端到端时延等却是次要的，因而，如何节约和均衡监测设备的能耗是深水隔水管疲劳监测所研究的关键。

发明内容

要解决的技术问题

为解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种隔水管疲劳参数测量传输装置及最优中继距离计算方法，以实现低耗能测量传输隔水管疲劳参数的目的。

技术方案

本发明的技术方案为：

所述一种隔水管疲劳参数测量传输装置，其特征在于：包括一个水声信号接收装置、若干个中继器和一个隔水管疲劳监测装置；所述隔水管疲劳监测装置处于隔水管待检测部位，隔水管疲劳监测装置包括疲劳信号传感器、信源编码器、信道编码器、信号调制器、功率放大器、控制器、水声发射换能器和电源，由疲劳信号传感器测量得到的疲劳参数信号依次在信源编码器和信道编码器中完成信源编码和信道编码，经过编码的信号，进入信号调制器，调制后的信号经过功率放大器放大后，由水声发射换能器转换为声信号并发射，控制器控制隔水管疲劳监测装置的工作过程；水声信号接收装置处于海面以下，与海面平台相连，水声信号接收装置包括水声接收换能器、滤波器和功率放大器，水声接收换能器将水声信道传来的声信号转换为电信号，电信号经过滤波和功率放大后传递给外部监控分析系统；中继器处于水声信号接收装置和隔水管疲劳监测装置之间，并沿隔水管等距离分布，距隔水管疲劳监测装置最近的中继器首先接受来自隔水管疲劳监测装置的声信号，并对接受信号进行解码纠错后编码转发给下一个相邻的中继器，所有余下的中继器依次对上一个中继器发出的声信号进行解码纠错后编码转发给下一个相邻的中继器，距水声信号接收装置最近的中继器对上一个中继器发出的声信号进行解码纠错后编码转发给水声信号接收装置。

所述的一种隔水管疲劳参数测量传输装置，其特征在于：相邻中继器之间距离采用最优中继距离。

所述最优中继距离的计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：确定中继距离的集合(r₁，r₂，…，r_n)，其中中继距离范围为d≤r≤D/2，其中D为传输距离，D是中继距离的整数倍，d≤0.1km，对于每个中继距离r₁，采用下列步骤计算采用该中继距离时，单跳链路的能耗：

步骤a：由P_t(r)＝10logB(r)+N(f₀(r))+TL+χ-ξ+SNR_tgt计算单跳链路的最低传输功率P_t(r)，其中r为中继距离，B(r)为信道可用带宽，f₀(r)为对应中继距离r的最佳工作频率，N(f)为海洋环境噪声，TL为声波在声场中的平均传播损失，SNR_tgt为接收端信噪比，ξ为接收端信号处理过程中的惩罚因子，χ为边际因子；

步骤b：由

计算单跳链路的最低传输电功率

η是电路的全局效率；

步骤c：由

计算单跳链路的能耗，其中P_r为接收功率，L为数据包长，α为带宽的利用率；

步骤2：根据步骤1得到的对应每个中继距离r₁的单跳链路能耗E_hop(r₁)，计算对应每个中继距离r₁的总传输功耗为E_sum，1＝E_hop(r₁)×(D/r₁)，得到总传输功耗集合(E_sum，1，E_sum，2，…，E_sum，n)，取对应min(E_sum，1，E_sum，2，…，E_sum，n)的中继距离为最优中继距离。

有益效果

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1.对比现有声学监测系统，本发明极大的降低了能量消耗，拓宽了既有监测系统的生存期。中继器缩短了信号传输距离，降低单跳距离的传输功耗，并且存在一个最佳距离范围，使本发明总传输能耗最低。水下监测装置和中继器都采用电池组供电。在电池容量不变的情况下，本发明极大地降低了功耗，故拓宽了监测设备的生存期。2.提高了信道可用带宽和信道容量。水声信道是极其复杂的时空变换信道，与空气信道相比，可用带宽很窄。水声信道的每一通信距离都对应一个最佳载波频率。最佳载波频率与通信距离成反比例关系。信道可用带宽和信道容量都与传输距离成反比例关系。

附图说明

图1：隔水管疲劳参数测量传输装置结构示意图；

图2：隔水管疲劳参数测量传输装置的检测传输原理图；

其中：1、洋流；2、隔水管；3、海底井口；4、海洋平台；5、隔水管疲劳监测装置；6、中继器；7、水声信号接收装置。

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明：

参照附图1，本实施例中，隔水管疲劳参数测量传输装置包括一个水声信号接收装置7、若干个中继器6和一个隔水管疲劳监测装置5。

隔水管疲劳监测装置5处于隔水管待检测部位，参照附图2，隔水管疲劳监测装置包括疲劳信号传感器、信源编码器、信道编码器、信号调制器、功率放大器、控制器、水声发射换能器和电源。其中疲劳信号传感器包括三轴加速度传感器、应力应变传感器、倾角传感器，三轴加速度传感器采集隔水管振动加速度，应力应变传感器负责隔水管弯曲应变检测，倾角传感器负责采集隔水管的倾斜角度信号，由疲劳信号传感器测量得到的疲劳参数信号依次在信源编码器和信道编码器中完成信源编码和信道编码，经过编码的信号，进入信号调制器，调制后的信号经过功率放大器放大后，由水声发射换能器转换为声信号并发射，控制器控制隔水管疲劳监测装置的工作过程。

水声信号接收装置7处于海面以下，与海面平台4相连。参照附图2，水声信号接收装置包括水声接收换能器、滤波器和功率放大器，水声接收换能器将水声信道传来的声信号转换为电信号，电信号经过滤波和功率放大后传递给外部监控分析系统。

中继器6处于水声信号接收装置和隔水管疲劳监测装置之间，并沿隔水管等距离分布，负责接收和转发载有隔水管疲劳信息的水声信号。距隔水管疲劳监测装置最近的中继器首先接受来自隔水管疲劳监测装置的声信号，并对接受信号进行解码纠错后编码转发给下一个相邻的中继器，所有余下的中继器依次对上一个中继器发出的声信号进行解码纠错后编码转发给下一个相邻的中继器，距水声信号接收装置最近的中继器对上一个中继器发出的声信号进行解码纠错后编码转发给水声信号接收装置。

为了实现使监测系统整体能耗最低的目的，相邻中继器之间距离应当采用最优中继距离，计算最优中继距离的方法为：

步骤1：确定中继距离的集合(r₁，r₂，…，r_n)，其中中继距离范围为d≤r≤D/2，其中D为传输距离，D是中继距离的整数倍，d≤0.1km。本实施例中，传输距离为3km，选取的中继距离集合为(0.1km，0.2km，0.3km，0.5km，0.6km，1km)。对于每个中继距离r₁，采用下列步骤计算采用该中继距离时，单跳链路的能耗：

步骤a：由P_t(r)＝10logB(r)+N(f₀(r))+TL+χ-ξ+SNR_tgt计算单跳链路的最低传输功率P_t(r)，其中r为选取的中继距离，B(r)为信道可用带宽，B(r)＝b₀r^β，其中b₀＝14.39，β＝-0.55，f₀(r)为对应中继距离r的最佳工作频率，

为噪声谱级变化系数，本实施例中取值为5，N(f)为海洋环境噪声，采用Wenz模型进行描述：

logN_t(f)＝1.7-3logf；f＜10Hz

logN_s(f)＝4+2(s-0.5)+2.6logf-6log(f+0.03)；10Hz≤f＜100Hz

logN_w(f)＝5+0.75w^1/2+2logf-4log(f+0.4)；100Hz≤f＜100kHz

logN_th(f)＝-1.5+2logf；f＞100KHz其中，N_t、N_s、N_w与N_th分别是湍流噪声功率谱、航运噪声功率谱、海面噪声功率谱与热噪声功率谱，f为频率，单位Hz；w为海面风速，单位m/s，s为航运密度，N(f)＝N_t(f)+N_s(f)+N_w(f)+N_th(f)。TL为声波在声场中的平均传播损失，TL＝20lgr+ar，a为吸收系数， $a=\frac{0.1f^2}{1+f^2}+\frac{40f^2}{4100+f^2}+2.75\×{10}^{-4}{f}^2+0.003,$ SNR_tgt为接收端信噪比，ξ为接收端信号处理过程中的惩罚因子，χ为边际因子，采用边际因子是为了防止系统的随机起伏，保证数据包可以被正常接收。

步骤b：由

计算单跳链路的最低传输电功率

η是电路的全局效率；

步骤c：由

计算单跳链路的能耗，其中P_r为接收功率，P_r与与中继距离r无关，而与接收操作有关，可以认为是恒定的，一般为10mW～20mW，L为数据包长，α为带宽的利用率，单位为vps/Hz；

步骤2：根据步骤1得到的对应每个中继距离r₁的单跳链路能耗E_hop(r₁)，计算对应每个中继距离r₁的总传输功耗为E_sum，1＝E_hop(r₁)×(D/r₁)，得到总传输功耗集合(E_sum，1，E_sum，2，…，E_sum，n)，取对应min(E_sum，1，E_sum，2，…，E_sum，n)的中继距离为最优中继距离。

本实施例中给定数据包长度为10K，接收端信噪比为10dB，惩罚因子和边际因子为10，带宽利用率为1.58bps/Hz，计算出的不同中继距离下的总传输功耗为：

从表格中可见，最优中继距离为0.5km，在该中继距离下，本发明的总传输能耗最小。

Claims (3)

1.一种隔水管疲劳参数测量传输装置，其特征在于：包括一个水声信号接收装置、若干个中继器和一个隔水管疲劳监测装置；所述隔水管疲劳监测装置处于隔水管待检测部位，隔水管疲劳监测装置包括疲劳信号传感器、信源编码器、信道编码器、信号调制器、功率放大器、控制器、水声发射换能器和电源，由疲劳信号传感器测量得到的疲劳参数信号依次在信源编码器和信道编码器中完成信源编码和信道编码，经过编码的信号，进入信号调制器，调制后的信号经过功率放大器放大后，由水声发射换能器转换为声信号并发射，控制器控制隔水管疲劳监测装置的工作过程；水声信号接收装置处于海面以下，与海面平台相连，水声信号接收装置包括水声接收换能器、滤波器和功率放大器，水声接收换能器将水声信道传来的声信号转换为电信号，电信号经过滤波和功率放大后传递给外部监控分析系统；中继器处于水声信号接收装置和隔水管疲劳监测装置之间，并沿隔水管等距离分布，距隔水管疲劳监测装置最近的中继器首先接受来自隔水管疲劳监测装置的声信号，并对接受信号进行解码纠错后编码转发给下一个相邻的中继器，所有余下的中继器依次对上一个中继器发出的声信号进行解码纠错后编码转发给下一个相邻的中继器，距水声信号接收装置最近的中继器对上一个中继器发出的声信号进行解码纠错后编码转发给水声信号接收装置。

2.根据权利要求1所述的一种隔水管疲劳参数测量传输装置，其特征在于：相邻中继器之间距离采用最优中继距离。

3.一种计算权利要求2中最优中继距离的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：确定中继距离的集合(r₁，r₂，…，r_n)，其中中继距离范围为d≤r≤D/2，其中D为传输距离，D是中继距离的整数倍，d≤0.1km，对于每个中继距离r₁，采用下列步骤计算采用该中继距离时，单跳链路的能耗：

步骤a：由P_t(r)＝10logB(r)+N(f₀(r))+TL+χ-ξ+SNR_tgt计算单跳链路的最低传输功率P_t(r)，其中r为中继距离，B(r)为信道可用带宽，f₀(r)为对应中继距离r的最佳工作频率，N(f)为海洋环境噪声，TL为声波在声场中的平均传播损失，SNR_tgt为接收端信噪比，ξ为接收端信号处理过程中的惩罚因子，χ为边际因子；

步骤b：由

计算单跳链路的最低传输电功率

η是电路的全局效率；

步骤c：由

计算单跳链路的能耗，其中p_r为接收功率，L为数据包长，α为带宽的利用率；

步骤2：根据步骤1得到的对应每个中继距离r₁的单跳链路能耗E_hop(r₁)，计算对应每个中继距离r₁的总传输功耗为E_sum，1＝E_hop(r₁)×(D/r₁)，得到总传输功耗集合(E_sum，1，E_sum，2，…，E_sum，n)，取对应min(E_sum，1，E_sum，2，…，E_sum，n)的中继距离为最优中继距离。

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