CN104075072A - 基于rov平台的海底管道探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于ROV平台的海底管道探测装置，包括甲板单元和水下探测装置，水下探测装置在ROV平台上集成多波束声呐、单波束声呐、光学成像系统、照明系统、CTD、电子罗盘、声信标和电气系统。在ROV平台前方安装一台多波速声呐，下方安装一台单波束声呐，通过安装两部二维前视声呐，可获得距离、角度和深度三维信息的分辨率，结合GPS、超短基线定位系统、电子罗盘和CTD的数据，通过数据计算和分析，实现对海底管道异常点的精确定位。
Description
技术领域
本发明涉及海底管道探测装置，特别是涉及基于ROV平台的海底管道探测装置。
背景技术
随着探索海洋步伐的加快，人们越来越认识到占地球75％面积的海洋必将成为人类生存和发展的新领域，将对人类发展和社会进步起到重要作用。近年来，海洋油气资源开发得到迅猛的发展，在油气资源开发中，海底油气管道是实现石油、天然气远距离运输的最快捷和最经济的手段，海底管道已成为海上油气田开发工程的重要组成部分。在长期的使用过程中，海底管道的材料因为各种原因会产生各种性质和特点的缺陷，缺陷积累到一定程度就会发生油气泄漏，不仅影响海上油田的正常生产，还会给海洋生态环境带来灾难，因此，海底管道的检测尤为重要。按照现行的国内外海底管道系统规范要求和国际惯例，要对海底管道作定期检查和特别检查，以保证管道安全运行和延长使用期限，发现问题及时解决。
海底管道的检测大都采用内部检测及外部检测。目前外部检测主要是指利用ROV（Remotely Operated Vehicle）平台为载体集成水下高清摄像、前视声呐、超短基线定位系统和GPS导航定位系统等水下探测技术，建立水下ROV精细探测系统，实现水下管道的可视化、精细化的实时探测，以期发现油气管道的泄漏点，并对检测到的缺陷进行评估、定位和维修，这是确保海底管道安全、高效运行的有效手段。
水下ROV平台一般集成摄像头、前视声呐、超短基线等设备，经GPS导航和超短基线定位系统到达指定区域，通过数据传输电缆将声光图像、位置等信息实时传输至甲板控制系统，从而利用水下ROV精细探测系统对海底地形、裸露管道的进行实时可视化的监视探测，获取可视化的声光图像数据，并利用超短基线系统实现ROV的精确水下定位。
目前在ROV上使用的前视声呐主要是二维成像声呐，分为单波束和多波束声呐两种；三维成像声呐虽然是获取水下目标三维信息的最佳手段，但在目前阶段，高分辨率的三维成像声呐在其实现技术的复杂程度及成本均存在很大的难度，因此，二维成像声呐成为目前测量的最佳选择。
单波束声呐是由机械旋转的单波束形成全方位或固定扇面内的扫描来完成探测，结构简单，价格便宜，但作为前视声呐其成像速率较低。该声呐设备经常被水下机器人用来当做避碰装置使用。
多波束声呐配置了水听器阵列，发射一个信号脉冲，产生声波传播区域的完整的声呐图像。一般局限于ROV前方的一个小范围区域，但是可以以较快的速率进行扫描。由于旁瓣的作用，其成像质量略逊于单波束机械扫描式声呐。
目前ROV上多采用一套二维前视声呐，安装在ROV平台的前面，对ROV平台的前方的海底管道探测，但无论选用是单波束机械扫描式声呐还是多波束声呐都只能在距离和角度方向具有分辨能力，因而仅能获得目标的二维信息。为了适应ROV的水下探测需要，应同时获得距离、角度和深度三维信息的分辨率。
发明内容
针对基于ROV平台使用一套前视声呐，只能在距离和角度方向具有分辨能力的问题，本发明推出一种基于ROV平台的海底管道探测装置，由甲板单元、ROV平台、多波束声呐、单波束声呐、光学成像系统、照明系统、CTD（Conductivity Temperature and Depth Sensor）、电子罗盘、超短基线定位系统和电气系统组成。甲板单元与ROV通过光电复合缆连接，由甲板单元控制协调ROV上的设备的工作。以水下ROV平台为载体集成光学和两套声学成像系统，建立水下ROV精细探测系统，实现水下管道的可视化、精细化的实时探测，其中多波束声呐扫描ROV平台的前部，单波束声呐扫描ROV平台的下部；利用GPS和超短基线系统对ROV平台进行准确定位；利用向下的单波束声呐和电子罗盘对海底管道的异常地方进行定位，利用CTD对声速进行修正，提高定位精度。通过以上措施可实现海底管道的精细化测量，对海底管道异常部分实现精确定位。
基于ROV平台的海底管道探测装置包括甲板单元和水下探测装置，甲板单元和水下探测装置通过光电复合缆连接，甲板单元通过光电复合缆与水下探测装置交换信息并为水下探测装置提供电源。水下探测装置在ROV平台上集成多波束声呐、单波束声呐、光学成像系统、照明系统、CTD、电子罗盘、声信标和电气系统。
电气系统包括控制系统、以太网交换机和电源管理电路，集成在水密的电气系统舱。
电气系统的控制系统通过串行接口与单波束声呐、电子罗盘和CTD连接，控制系统通过输入/输出接口与推进系统和电源管理电路连接，以太网交换机通过以太网与光学成像系统、多波束声呐和控制系统连接，控制系统通过电源管理电路控制光学成像系统、多波束声呐、照明系统、推进系统、单波束声呐、电子罗盘、CTD和声信标的上电和掉电；光电复合缆中的光纤与以太网交换机的光纤接口连接，完成数据交换，光电复合缆中的电源线与电源管理电路连接，为水下装置提供电源。
多波束声呐位于ROV平台的前端面的上部，扫描ROV平台前方的区域，采集的声呐图像数据通过以太网交换机传送到甲板单元，甲板单元将声呐图像数据显示并存储，方便后续处理。
单波束声呐位于ROV平台的前端面的下部，扫描ROV平台正下方的区域，采集的声呐图像数据通过串行接口传送到控制系统；为了提高声呐图像质量，单波束声呐的工作频率可以由甲板单元设置。
CTD位于ROV平台的前端面，方便CTD检测水体的交换，提供传感器数据质量，CTD采集的数据通过串行接口传送到控制系统。
电子罗盘位于ROV平台的中部，电子罗盘采集的数据通过串行接口传送到控制系统。
控制系统将采集的数据加入时间信息打包后通过以太网交换机传输到甲板单元显示并存储。
声信标位于ROV平台的上端面，方便超短基线定位系统的声通信。
照明系统由照明灯左和照明灯右组成，为光学成像系统提供照明。
一般情况下，基于ROV平台的海底管道探测装置使用光学成像系统和多波束声呐进行较大范围的检测，当发现异常后，可降低ROV平台的运行速度，通过单波束声呐进行更为精确的检测，发现异常后，对异常点进行定位。控制系统通过对单波束声呐的扫描数据进行简单的分析，结合电子罗盘的倾斜和摇摆数据即可知道ROV平台与异常点的相对位置；同时，甲板单元通过超短基线定位系统输出的数据可知ROV平台相对于母船的相对位置信息，结合甲板单元的GPS数据，通过计算可知ROV平台的绝对位置；再结合ROV平台与异常点的相对位置，即可获得海底异常点的绝对位置。
在ROV平台上安装两部前视声呐，前方安装一台多波束声呐，下方安装一台单波束声呐，不但可获得距离、角度和深度三维信息的分辨率；而且，可以比只安装一台或两台（一台向前、一台向下）多波束声呐获得更好的声呐图像数据，比只安装一台单波束提高工作效率。
附图说明
图1为基于ROV平台的海底管道探测装置功能框图。
图2为基于ROV平台的海底管道探测装置结构示意图。
图中标记说明。
1、光学成像系统 2、多波束声呐
3、照明系统 4、推进系统
5、单波束声呐 6、电子罗盘
7、CTD 8、声信标
9、以太网交换机 10、控制系统
11、电源管理电路 12、光电复合缆
13、ROV平台 14、甲板单元
15、照明灯左 16、照明灯右
17、电气系统舱。
具体实施方式
结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。图1为基于ROV平台的海底管道探测装置功能框图，图2为基于ROV平台的海底管道探测装置结构示意图，如图1、图2所示，本发明涉及的基于ROV平台 13的海底管道探测装置，由甲板单元 14和水下探测装置组成，甲板单元 14与水下探测装置通过光电复合缆 12连接，由甲板单元 14控制协调ROV平台 13上的设备的工作。甲板单元 14由显控计算机和GPS组成。水下探测装置在ROV平台 13集成多波束声呐 2、单波束声呐 5、光学成像系统 1、照明系统 3、CTD 7、电子罗盘 6、超短基线定位系统和电气系统，建立水下ROV精细探测系统，实现水下管道的可视化、精细化的实时探测。
电气系统包括控制系统 10、以太网交换机 9和电源管理电路 11，集成在水密的电气系统舱 17。
电气系统的控制系统 10采用LPC1768作为嵌入式控制器，完成控制、数据采集处理、电源管理及通信功能。
控制系统 10的串口1与单波束声呐 5连接，完成单波束声呐 5的控制和数据采集。
控制系统 10的串口2与CTD 7连接，完成传感器数据采集，并获得ROV平台 13的当前深度。
控制系统 10的串口3与电子罗盘 6连接，完成数据采集，并获得ROV平台 13的当前方位和姿态。
控制系统 10的输入/输出接口与推进系统 4连接，完成ROV平台 13的操控。
控制系统 10的输入/输出接口与电源管理电路 11连接，光电复合缆 12中的电源线与电源管理电路 11连接，为水下装置提供电源，控制系统 10通过电源管理电路 11控制光学成像系统1、多波束声呐 2、照明系统 3、推进系统 4、单波束声呐 5、电子罗盘 6、CTD 7和声信标 8的上电和掉电。
多波束声呐 2采用美国BlueView公司的P900-130型多波束前视声呐，其工作频率为900kHz。单波束声呐 5采用加拿大Imagenex公司的881A型单波束机械扫描声呐，具有可编程、多频率、高性能、尺寸小和拆卸方便的特点，工作频率默认设置为310 kHz、675 kHz、 1MHz，其工作频率也可通过甲板单元 14设置。
多波束声呐 2位于ROV平台 13的前端面的上部，单波束声呐 5位于ROV平台 13的前端面的下部， CTD 7位于ROV平台 13的前端面，电子罗盘 6位于ROV平台 13的中部。
超短基线定位系统由位于水上的收发器和水下的声信标 8组成，声信标 8位于ROV平台 13的上端面。
光学成像系统1位于前端面的中部，照明系统 3的照明灯左 15和照明灯右 16位于光学成像系统1两侧。
Claims (6)
1.一种基于ROV平台的海底管道探测装置，所述海底管道探测装置包括甲板单元和水下探测装置，甲板单元和水下探测装置通过光电复合缆连接，水下探测装置在ROV平台上集成探测装置，其特征在于：所述探测装置包括多波束声呐、单波束声呐、光学成像系统、照明系统、CTD、电子罗盘、声信标和电气系统；电气系统包括控制系统、以太网交换机和电源管理电路；控制系统通过串行接口与单波束声呐、电子罗盘和CTD连接，控制系统通过输入/输出接口与推进系统和电源管理电路连接，以太网交换机通过以太网与光学成像系统、多波束声呐和控制系统连接，控制系统通过电源管理电路控制光学成像系统、多波束声呐、照明系统、推进系统、单波束声呐、电子罗盘、CTD和声信标的上电和掉电；光电复合缆的光纤与以太网交换机的光纤接口连接，光电复合缆的电源线与电源管理电路连接。
2.根据权利要求1所述的基于ROV平台的海底管道探测装置，其特征在于，多波束声呐位于ROV平台的前端面的上部。
3.根据权利要求1所述的基于ROV平台的海底管道探测装置，其特征在于，单波束声呐位于ROV平台的前端面的下部，单波束声呐的工作频率可以由甲板单元设置。
4.根据权利要求1所述的基于ROV平台的海底管道探测装置，其特征在于，CTD位于ROV平台的前端面。
5.根据权利要求1所述的基于ROV平台的海底管道探测装置，其特征在于，声信标位于ROV平台的上端面。
6.根据权利要求1所述的基于ROV平台的海底管道探测装置，其特征在于，控制系统采用LPC1768作为嵌入式控制器。
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