CN105044784A - 一种双探棒式海缆探测系统及其探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双探棒式海缆探测系统，包括探棒感应模块、滤除干扰信号模块、峰值信号提取模块、核心处理器模块、键盘模块、液晶显示模块和电源模块；探棒感应模块采用双探棒结构，两个探棒之间通过固定长度的连接杆相连，两个探棒的轴线方向相互平行，且轴线方向均垂直于连接杆。本发明还公开了双探棒式海缆探测系统的探测方法，包括探测海缆的位置、走向和埋深。本发明的系统采用双探棒式结构进行海缆探测，功能明确、结构简单、操作方便，能正确有效地探测海缆的位置、走向和埋深；本发明的方法基于双探棒式结构，实现方便、探测精度高、误差低。

Description

一种双探棒式海缆探测系统及其探测方法

技术领域

本发明涉及海缆探测领域，特别是涉及一种双探棒式海缆探测系统及其探测方法。

背景技术

在海缆定位领域中，路由探测(Routingdetection)和埋深探测(Depthdetection)问题是研究者最为关注的问题之一。路由探测即探测获知海缆在海底的铺设位置以及海缆在海底的铺设轨迹。埋深探测即探测获知海缆在海底的铺设深度。

选择海缆的探测方法时，需要统筹考虑多方面的因素，包括实现的难易程度、经济成本、探测能力、抗干扰能力等。因此，所采用的海缆探测方法对海缆的探测精度和距离是关注的重点。当前海缆探测方法一般都基于声学、光学、电学或磁学理论，对海缆的路由和埋深进行探测。目前海缆的探测方法大致分为两大类：无源探测法和有源探测法。无源探测法包括金属探测法和声、光学探测法；有源探测法包括绝对磁场法和交流磁场法。金属探测法利用探测金属的方法去探测海底的海缆。虽然此方法不用在海缆中加任何信号就可以探测出海缆的路由和埋深，但是由于目前的金属探测技术作用距离较小(一般在几十厘米之内)，所以此方法的探测距离很有限；声、光学探测法利用声学探测设备(声呐)或光学探测设备(CCD摄像机)等，在海底进行图形采集，通过人工的勘察、记录、分析后，获得海缆的路由和走向。此方法只能探测出海缆的路由，而不能探测出海缆的具体埋深。另外，此方法的设备造价十分高昂；绝对磁场法在海缆中施加直流信号，通过磁场仪或地磁仪探测到的磁异常现象来探测海缆路由。虽然，此方法的磁场仪或地磁仪的构成简单，且灵敏度很高可以达到测量要求。但是，如果海缆周围存在较多的磁性物质，海缆的探测将会受到较大的干扰，其抗干扰性较差；交流磁场探测法在海缆中施加交流信号，利用特制的探棒就可在海缆附近感应出相同频率的电压信号。通过对这个特定频率电压信号的经过提取后，进行分析处理，就可以探测出海缆的位置、走向及埋设深度。但是，现有技术中采用交流磁场探测法的探测系统的结构和操作都较复杂，且现有技术中的交流磁场探测法的探测精度较低。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种结构简单、操作方便、探测精度高的双探棒式海缆探测系统及其探测方法。

技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述的双探棒式海缆探测系统，包括探棒感应模块、滤除干扰信号模块、峰值信号提取模块、核心处理器模块、键盘模块、液晶显示模块和电源模块；探棒感应模块采用双探棒结构，包括第一探棒感应电路和第二探棒感应电路，其中，第一探棒感应电路包括第一探棒，第二探棒感应电路包括第二探棒，两个探棒之间通过固定长度的连接杆相连，两个探棒的轴线方向相互平行，且轴线方向均垂直于连接杆；滤除干扰信号模块包括第一滤除干扰信号电路和第二滤除干扰信号电路；峰值信号提取模块包括第一峰值信号提取电路和第二峰值信号提取电路；核心处理器模块的模拟信号输入端设有AD信号采集电路；键盘模块包括海缆测深按键和停止海缆测深按键；第一探棒感应电路的输出端连接第一滤除干扰信号电路的输入端，第一滤除干扰信号电路的输出端连接第一峰值信号提取电路的输入端，第二探棒感应电路的输出端连接第二滤除干扰信号电路的输入端，第二滤除干扰信号电路的输出端连接第二峰值信号提取电路的输入端，且第一峰值信号提取电路的输出端与第二峰值信号提取电路的输出端分别连接AD信号采集电路的输入端，键盘模块连接核心处理器模块的第一I/O端口，核心处理器模块的第二I/O端口连接液晶显示模块的输入端，电源模块通过核心处理器模块的电源接口分别连接探棒感应模块、滤除干扰信号模块、峰值信号提取模块、核心处理器模块、键盘模块和液晶显示模块。

进一步，所述第一探棒感应电路包括一个运算放大器A1；运算放大器A1的正电源端连接电容C2后接地，且正电源端用电压为VCC的电源供电，运算放大器A1的负电源端接地，运算放大器A1的同相输入端连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端分别连接电容C1的一端和电感L的一端，电容C1的另一端和电感L的另一端均接地；运算放大器A1的反相输入端分别连接电阻R2的一端和电阻R3的一端，电阻R2的另一端接地，电阻R3的另一端连接滑动变阻器S1的一端，滑动变阻器S1的另一端连接运算放大器A1的输出端，运算放大器A1的输出端还连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接电容C3后接地，且电阻R4的另一端也作为输出端口。

进一步，所述峰值信号提取模块包括一个单电源供电的运算放大器。

进一步，所述液晶显示模块包括一个有机发光二极管。

进一步，所述电源模块包括一个电池和一个三端稳压管。

本发明所述的双探棒式海缆探测系统的探测方法，包括如下的步骤：

步骤1：确定海缆的位置：将第一探棒的轴线方向平行于海底平面设置，并将第一探棒从远处向其感应电动势峰值增大的方向靠近，当感应电动势峰值达到最大时，停止移动，此时第一探棒下方为海缆的位置；

步骤2：确定海缆的走向：将第一探棒旋转一周，实时采集其感应电动势峰值，当感应电动势峰值达到最大时，停止旋转，此时第一探棒的连接杆的指向为海缆的走向；

步骤3：确定海缆的埋深：采用第一探棒和第二探棒，通过核心处理器模块测量海缆的埋深，并将测得的结果显示在液晶显示模块上。

进一步，所述步骤3包括如下的步骤：

步骤3.1：核心处理器模块对键盘模块进行扫描，判断海缆测深按键是否按下，如果是，则进行步骤3.2；否则，重新进行步骤3.1；

步骤3.2：获取第一探棒的感应电动势峰值和第二探棒的感应电动势峰值；

步骤3.3：如果第一探棒的感应电动势峰值大于第二探棒的感应电动势峰值，采用如下的公式计算海缆的埋深：

$h=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{bmax}}{{\mathrm{\ϵ}}_{amax}-{\mathrm{\ϵ}}_{bmax}}\·L---\left(1\right)$

否则，采用如下的公式计算海缆的埋深：

$h=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{amax}}{{\mathrm{\ϵ}}_{bmax}-{\mathrm{\ϵ}}_{amax}}\·L---\left(2\right)$

其中，h为海缆的埋深，L为连接杆的长度，ε_amax为第一探棒的感应电动势峰值，ε_bmax为第二探棒的感应电动势峰值；

步骤3.4：将步骤3.3中得到的埋深值通过液晶显示模块进行显示；

步骤3.5：判断本次探测是否为第一次探测，如果是，则将步骤3.3中得到的埋深值作为海缆埋深测量最大值，并进行步骤3.7；否则，进行步骤3.6；

步骤3.6：判断步骤3.3中得到的埋深值是否大于海缆埋深测量最大值，如果是，则将步骤3.3中得到的埋深值作为海缆埋深测量最大值；否则，进行步骤3.7；

步骤3.7：将海缆埋深测量最大值通过液晶显示模块进行显示；

步骤3.8：判断探测是否结束，如果是，则结束；否则，返回步骤3.2。

有益效果：本发明的系统采用双探棒式结构进行海缆探测，功能明确、结构简单、操作方便，能正确有效地探测海缆的位置、走向和埋深；本发明的方法基于双探棒式结构，实现方便、探测精度高、误差低。

附图说明

图1为本发明的系统框图；

图2为本发明的第一探棒感应电路的内部电路图；

图3为本发明的海缆埋深探测的示意图；

图4为本发明的海缆埋深探测左右方向误差修正原理图；

图5为本发明的海缆埋深探测前后方向误差修正原理图；

图6为本发明的海缆探测方法的总流程图；

图7为本发明的海缆探测方法的软件流程图；

图8为本发明的海缆走向探测的实物图；

图9为本发明的海缆埋深探测的实物图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

本发明提供了一种双探棒式海缆探测系统，如图1所示，系统包括探棒感应模块1、滤除干扰信号模块2、峰值信号提取模块3、核心处理器模块4、键盘模块5、液晶显示模块6和电源模块7。

探棒感应模块1采用双探棒结构，包括第一探棒感应电路11和第二探棒感应电路12，其中，第一探棒感应电路11包括第一探棒111，第二探棒感应电路12包括第二探棒121，两个探棒之间通过固定长度的连接杆相连，两个探棒的轴线方向相互平行，且轴线方向均垂直于连接杆。探棒感应模块1的作用是通过感应线圈，感应出海缆中的交流信号，并把感应出的信号送到滤除干扰信号模块2等其他模块进行分析处理。

滤除干扰信号模块2包括第一滤除干扰信号电路21和第二滤除干扰信号电路22。滤除干扰信号模块2的作用是将探棒中的感应信号进行干扰滤除，并将滤波后的信号送到峰值信号提取模块3进行处理，其滤波方法是采用RLC串联谐振。

峰值信号提取模块3包括第一峰值信号提取电路31和第二峰值信号提取电路32。本实施例中，峰值信号提取模块3包括一个单电源供电的运算放大器，其作用是将感应信号的峰值提取出来，将其变成直流信号，这个直流信号就包含了海缆的位置信息。

核心处理器模块4的模拟信号输入端设有AD信号采集电路41。本实施例中，核心处理器模块4由一块处理芯片及其附属电路组成，该处理芯片为飞思卡尔公司MC9S12系列高端16位单片控制器，芯片内部存储了编制好的系统程序。

键盘模块5包括海缆测深按键和停止海缆测深按键，其作用是为系统提供人机交互功能。

本实施例中，液晶显示模块6由一个有机发光二极管(简称OLED)组成，其作用是为系统提供人机交互功能，通过在上面显示的信息，可以获得海缆的路由探测和埋深探测信息。

本实施例中，电源模块7由一块电池和一个三端稳压管及其附属电路组成，其作用是为整个系统提供稳定的能量来源。

第一探棒感应电路11的输出端连接第一滤除干扰信号电路21的输入端，第一滤除干扰信号电路21的输出端连接第一峰值信号提取电路31的输入端，第二探棒感应电路12的输出端连接第二滤除干扰信号电路22的输入端，第二滤除干扰信号电路22的输出端连接第二峰值信号提取电路32的输入端，且第一峰值信号提取电路31的输出端与第二峰值信号提取电路32的输出端分别连接AD信号采集电路41的输入端，键盘模块5连接核心处理器模块4的第一I/O端口43，核心处理器模块4的第二I/O端口44连接液晶显示模块的输入端，电源模块7通过核心处理器模块4的电源接口42分别连接探棒感应模块1、滤除干扰信号模块2、峰值信号提取模块3、核心处理器模块4、键盘模块5和液晶显示模块6。

第一探棒感应电路11的内部电路如图2所示，包括一个运算放大器A1。运算放大器A1的正电源端连接电容C2后接地，且正电源端用电压为VCC的电源供电，运算放大器A1的负电源端接地，运算放大器A1的同相输入端连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端分别连接电容C1的一端和电感L的一端，电容C1的另一端和电感L的另一端均接地；运算放大器A1的反相输入端分别连接电阻R2的一端和电阻R3的一端，电阻R2的另一端接地，电阻R3的另一端连接滑动变阻器S1的一端，滑动变阻器S1的另一端连接运算放大器A1的输出端，运算放大器A1的输出端还连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接电容C3后接地，且电阻R4的另一端也作为输出端口。

本发明还提供了双探棒式海缆探测系统的探测方法，如图6所示，包括如下的步骤：

步骤1：确定海缆8的位置：将第一探棒111的轴线方向平行于海底平面设置，并将第一探棒111从远处向其感应电动势峰值增大的方向靠近，当感应电动势峰值达到最大时，停止移动，此时第一探棒111下方为海缆8的位置；

步骤2：确定海缆8的走向：将第一探棒111旋转一周，实时采集其感应电动势峰值，当感应电动势峰值达到最大时，停止旋转，此时第一探棒111的连接杆的指向为海缆8的走向；

步骤3：确定海缆8的埋深：采用第一探棒111和第二探棒121，通过核心处理器模块测量海缆8的埋深，并将测得的结果显示在液晶显示模块6上。

图3是本发明的海缆埋深探测的示意图。在确定海缆8的位置和走向后，使双探棒处于海缆8的正上方，且两根探棒之间的连接杆垂直于海底平面9，连接杆长度为L。当第一探棒111的感应电动势峰值ε_amax大于第二探棒121的感应电动势峰值ε_bmax时，海缆8的埋深h计算为：

$h=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{bmax}}{{\mathrm{\ϵ}}_{amax}-{\mathrm{\ϵ}}_{bmax}}\·L---\left(1\right)$

当第一探棒111的感应电动势峰值ε_amax小于第二探棒121的感应电动势峰值ε_bmax时，海缆8的埋深h计算为：

$h=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{amax}}{{\mathrm{\ϵ}}_{bmax}-{\mathrm{\ϵ}}_{amax}}\·L---\left(2\right)$

图4是本探测系统在进行海缆埋深探测时左右方向误差修正的原理图。海缆埋深探测需要将第一探棒111和第二探棒121放置在海缆8的正上方，它们之间的连接杆垂直于海底平面9。当两个探棒之间的连接杆并未完全垂直于海底平面9并在左右方向上有一个偏差时，其具体关系如图4所示。通过计算分析可得到，此时按照公式(1)或者公式(2)计算出的海缆埋深值将大于实际的埋深值，而且当且仅当探棒完全垂直于海底平面9时误差最小。因此，通过在左右方向上移动探棒，并取整个过程中的最小值作为最终的埋深值，能够将误差修正到最小。

图5是本探测系统在进行海缆埋深探测时前后方向误差修正的原理图。海缆埋深探测需要将第一探棒111和第二探棒121放置在海缆8的正上方，它们之间的连接杆垂直于海底平面9。当两个探棒之间的连接杆并未完全垂直于海底平面9并在前后方向上有一个偏差时，其具体关系如图5所示。通过计算分析可得到，此时按照公式(1)或者公式(2)计算出的海缆埋深值将大于实际的埋深值，而且当且仅当探棒完全垂直于海底平面9时误差最小。因此，通过在前后方向上移动探棒，并取整个过程中的最小值作为最终的埋深值，能够将误差修正到最小。

因此，海缆探测系统在进行埋深探测的时候，在小范围内移动双探棒，并时刻计算埋深值，把其中的最小值作为最终探测到的海缆的埋深值。

因此，步骤3包括如下的步骤：

步骤3.1：核心处理器模块4对键盘模块5进行扫描，判断海缆测深按键是否按下，如果是，则进行步骤3.2；否则，重新进行步骤3.1；

步骤3.2：获取第一探棒111的感应电动势峰值和第二探棒121的感应电动势峰值；

步骤3.3：如果第一探棒111的感应电动势峰值大于第二探棒121的感应电动势峰值，采用如下的公式计算海缆8的埋深：

$h=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{bmax}}{{\mathrm{\ϵ}}_{amax}-{\mathrm{\ϵ}}_{bmax}}\·L---\left(1\right)$

否则，采用如下的公式计算海缆8的埋深：

$h=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{amax}}{{\mathrm{\ϵ}}_{bmax}-{\mathrm{\ϵ}}_{amax}}\·L---\left(2\right)$

其中，h为海缆8的埋深，L为连接杆的长度，ε_amax为第一探棒111的感应电动势峰值，ε_bmax为第二探棒121的感应电动势峰值；

步骤3.4：将步骤3.3中得到的埋深值通过液晶显示模块6进行显示；

步骤3.5：判断本次探测是否为第一次探测，如果是，则将步骤3.3中得到的埋深值作为海缆埋深测量最大值，并进行步骤3.7；否则，进行步骤3.6；

步骤3.6：判断步骤3.3中得到的埋深值是否大于海缆埋深测量最大值，如果是，则将步骤3.3中得到的埋深值作为海缆埋深测量最大值；否则，进行步骤3.7；

步骤3.7：将海缆埋深测量最大值通过液晶显示模块6进行显示；

步骤3.8：判断探测是否结束，如果是，则结束；否则，返回步骤3.2。

海缆探测方法的软件流程图如图7所示。系统上电后，先要对系统进行初始化，然后开始运行本发明的探测方法。图8、图9为海缆走向、埋深探测的实物图。

Claims (7)

1.一种双探棒式海缆探测系统，其特征在于：包括探棒感应模块(1)、滤除干扰信号模块(2)、峰值信号提取模块(3)、核心处理器模块(4)、键盘模块(5)、液晶显示模块(6)和电源模块(7)；探棒感应模块(1)采用双探棒结构，包括第一探棒感应电路(11)和第二探棒感应电路(12)，其中，第一探棒感应电路(11)包括第一探棒(111)，第二探棒感应电路(12)包括第二探棒(121)，两个探棒之间通过固定长度的连接杆相连，两个探棒的轴线方向相互平行，且轴线方向均垂直于连接杆；滤除干扰信号模块(2)包括第一滤除干扰信号电路(21)和第二滤除干扰信号电路(22)；峰值信号提取模块(3)包括第一峰值信号提取电路(31)和第二峰值信号提取电路(32)；核心处理器模块(4)的模拟信号输入端设有AD信号采集电路(41)；键盘模块(5)包括海缆测深按键和停止海缆测深按键；第一探棒感应电路(11)的输出端连接第一滤除干扰信号电路(21)的输入端，第一滤除干扰信号电路(21)的输出端连接第一峰值信号提取电路(31)的输入端，第二探棒感应电路(12)的输出端连接第二滤除干扰信号电路(22)的输入端，第二滤除干扰信号电路(22)的输出端连接第二峰值信号提取电路(32)的输入端，且第一峰值信号提取电路(31)的输出端与第二峰值信号提取电路(32)的输出端分别连接AD信号采集电路(41)的输入端，键盘模块(5)连接核心处理器模块(4)的第一I/O端口(43)，核心处理器模块(4)的第二I/O端口(44)连接液晶显示模块的输入端，电源模块(7)通过核心处理器模块(4)的电源接口(42)分别连接探棒感应模块(1)、滤除干扰信号模块(2)、峰值信号提取模块(3)、核心处理器模块(4)、键盘模块(5)和液晶显示模块(6)。

2.根据权利要求1所述的双探棒式海缆探测系统，其特征在于：所述第一探棒感应电路(11)包括一个运算放大器A1；运算放大器A1的正电源端连接电容C2后接地，且正电源端用电压为VCC的电源供电，运算放大器A1的负电源端接地，运算放大器A1的同相输入端连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端分别连接电容C1的一端和电感L的一端，电容C1的另一端和电感L的另一端均接地；运算放大器A1的反相输入端分别连接电阻R2的一端和电阻R3的一端，电阻R2的另一端接地，电阻R3的另一端连接滑动变阻器S1的一端，滑动变阻器S1的另一端连接运算放大器A1的输出端，运算放大器A1的输出端还连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接电容C3后接地，且电阻R4的另一端也作为输出端口。

3.根据权利要求1所述的双探棒式海缆探测系统，其特征在于：所述峰值信号提取模块(3)包括一个单电源供电的运算放大器。

4.根据权利要求1所述的双探棒式海缆探测系统，其特征在于：所述液晶显示模块(6)包括一个有机发光二极管。

5.根据权利要求1所述的双探棒式海缆探测系统，其特征在于：所述电源模块(7)包括一个电池和一个三端稳压管。

6.用于权利要求1所述的双探棒式海缆探测系统的探测方法，其特征在于：包括如下的步骤：

步骤1：确定海缆(8)的位置：将第一探棒(111)的轴线方向平行于海底平面设置，并将第一探棒(111)从远处向其感应电动势峰值增大的方向靠近，当感应电动势峰值达到最大时，停止移动，此时第一探棒(111)下方为海缆(8)的位置；

步骤2：确定海缆(8)的走向：将第一探棒(111)旋转一周，实时采集其感应电动势峰值，当感应电动势峰值达到最大时，停止旋转，此时第一探棒(111)的连接杆的指向为海缆(8)的走向；

步骤3：确定海缆(8)的埋深：采用第一探棒(111)和第二探棒(121)，通过核心处理器模块测量海缆(8)的埋深，并将测得的结果显示在液晶显示模块(6)上。

7.根据权利要求6所述的双探棒式海缆探测系统的探测方法，其特征在于：所述步骤3包括如下的步骤：

步骤3.1：核心处理器模块(4)对键盘模块(5)进行扫描，判断海缆测深按键是否按下，如果是，则进行步骤3.2；否则，重新进行步骤3.1；

步骤3.2：获取第一探棒(111)的感应电动势峰值和第二探棒(121)的感应电动势峰值；

步骤3.3：如果第一探棒(111)的感应电动势峰值大于第二探棒(121)的感应电动势峰值，采用如下的公式计算海缆(8)的埋深：

$h=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{bmax}}{{\mathrm{\ϵ}}_{amax}-{\mathrm{\ϵ}}_{bmax}}\·L---\left(1\right)$

否则，采用如下的公式计算海缆(8)的埋深：

$h=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{amax}}{{\mathrm{\ϵ}}_{bmax}-{\mathrm{\ϵ}}_{amax}}\·L---\left(2\right)$ 其中，h为海缆(8)的埋深，L为连接杆的长度，ε_amax为第一探棒(111)的感应电动势峰值，ε_bmax为第二探棒(121)的感应电动势峰值；

步骤3.4：将步骤3.3中得到的埋深值通过液晶显示模块(6)进行显示；

步骤3.5：判断本次探测是否为第一次探测，如果是，则将步骤3.3中得到的埋深值作为海缆埋深测量最大值，并进行步骤3.7；否则，进行步骤3.6；

步骤3.6：判断步骤3.3中得到的埋深值是否大于海缆埋深测量最大值，如果是，则将步骤3.3中得到的埋深值作为海缆埋深测量最大值；否则，进行步骤3.7；

步骤3.7：将海缆埋深测量最大值通过液晶显示模块(6)进行显示；

步骤3.8：判断探测是否结束，如果是，则结束；否则，返回步骤3.2。