CN110850484B - 一种线圈海缆探测装置及其探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海底检测技术领域，更具体地，涉及一种线圈海缆探测装置及其探测方法，所述探测装置包括用于探测海缆的感应电动势三组感应线圈，三组感应线圈相互正交且每组感应线圈均为环形线圈，所述探测装置还包括数据传输模块和上位机，三组感应线圈、数据传输模块和上位机顺次通信连接；三组感应线圈将获取到对应的感应电动势传输至数据传输模块，数据传输模块进行处理将最大感应电动势的信息传输至上位机。通过设置提供了一种多线圈阵列观测模式、提高探测精度的海缆探测方法。

Description

一种线圈海缆探测装置及其探测方法

技术领域

本发明涉及一种海底检测技术领域，更具体地，涉及一种线圈海缆探测装置及其探测方法。

背景技术

海缆已成为现代通信与能量传输的主要载体之一。由于各种原因，海缆线路面临诸多安全问题。一方面海底自然灾害会对海缆造成损害，另一方面，锚害、捕鱼甚至各类海上工程都可能损害海缆。为了维护和维修海缆，需要对海缆路由以及埋深进行探测。

交流磁场探测法作为一种电磁探测技术，在海缆路由与埋深探测方面应用广泛。但是传统方法由于传感器单一，探头线圈结构的限制从而需要在海缆左右来回移动来寻找峰值点或者哑点来确定海缆的位置和走向，容易造成误判；需要多次不同点的测量，导致探测效率低，准确度不高。

发明内容

本发明为克服上述现有探测效率低，准确度不高的问题，提供一种线圈海缆探测装置及其探测方法，提高了探测效率和准确度。

在本技术方案中，提供了一种线圈海缆探测装置，所述探测装置包括用于探测海缆的感应电动势三组感应线圈，三组感应线圈相互正交且每组感应线圈均为环形线圈，所述探测装置还包括数据传输模块和上位机，三组感应线圈、数据传输模块和上位机顺次通信连接；三组感应线圈将获取到对应的感应电动势传输至数据传输模块，数据传输模块进行处理将最大感应电动势的信息传输至上位机。

优选地，所述三组感应线圈分别用于探测YOZ平面线圈感应电动势Ex、XOZ平面线圈感应电动势Ey和XOY平面线圈感应电动势Ez。

优选地，步骤如下：

(1)首先，将海缆进行区域性分割；

(2)其次，检测每个区域或者节点的感应电动势，且进行数据处理得出每个区域或者节点的最大感应电动势；

(3)再次，对感应电动势数值进行处理比较，得出感应电动势与深度的关系，进行海缆位置判定。

优选地，在步骤(2)中，最大感应电动势E的计算公式如下：

E＝(Ex²+Ey²+Ez²)1/2；其中，Ex为YOZ平面线圈感应电动势，Ey为XOZ平面线圈感应电动势，Ez为XOY平面线圈感应电动势。

优选地，在步骤(1)中，对海缆进行区域性分割，分为水平地形条件下海底电缆和起伏地形条件下海底电缆。

优选地，水平地形条件下海底电缆的检测方法采用水平地形条件下海底电缆模型的研究方法，具体步骤如下：

(a)建立单根电缆模型二维数值模拟，模型分为两个区域：计算区域和外围海岸围岩区域；计算区域为三层模型，第一层为海水层，指定厚度和电阻率；第二层为淤泥层，指定厚度和电阻率；第三层为基底层，指定电阻率；通电电缆位于淤泥层中，其长度贯穿于整个海底；

(b)在步骤(a)之后，通电电缆设定为长导线场源，计算整个计算区域中电磁场分布；

(c)在步骤(b)之后，对海底电缆模型的电磁场分布的计算设定为根据长导线场源与淤泥层的距离值取三种模型；

第一种模型：通电电流幅值10A，发射频率100Hz，场源位于淤泥层1m厚度之下，计算得出海底电缆模型电磁场在x和y方向分量图；第二种模型：将第一种模型中的电缆下移0.2m，然后采用相同的计算参数再计算一遍，得出计算结果，分别取出第一种模型和第二种模型在同一水平层位的结果进行对比，得出Ex和Hy分量不同深度对比图；第三种模型：将第一种模型中的电缆下移0.4m，然后采用相同的计算参数再计算一遍，得出计算结果，分别取出第一种模型和第三种模型在同一水平层位的结果进行对比，得Ex和Hy分量不同深度对比图；

(d)在步骤(c)之后，由Hy分量和深度的对应关系，通过内插法进行结果分析，最终可进行海缆位置判定。

优选地，起伏地形条件下海底电缆的检测方法采用起伏地形条件下海底电缆模型的研究方法，具体步骤如下：

(A)建立单根电缆模型二维数值模拟，模型分为两个区域：计算区域和外围海岸围岩区域；计算区域为三层模型，第一层为海水层，指定厚度和电阻率；第二层为淤泥层，指定厚度和电阻率；第三层为基底层，指定电阻率；通电电缆位于淤泥层中，其长度贯穿于整个海底；

(B)在步骤(A)之后，通电电缆设定为长导线场源，计算整个计算区域中电磁场分布；

(C)在步骤(B)之后，对海底电缆模型的电磁场分布的计算设定为根据海平面高度和海底淤泥层顶界面高度不同取三种模型；

第一种模型：通电电流幅值10A，发射频率100Hz，场源位于淤泥层1m厚度之下，变化的参数包括海平面高度和海底淤泥层顶界面高度，计算得出海底电缆模型电磁场在x和y方向分量图和Z＝0m测线磁场分量Hy分布图；第二种模型：模拟海底淤泥层顶界面高度改变后的淤泥层顶界面高度随测线的变化关系图，分别取出算第一种模型和第二种模型中Z＝0m平面Hy分量，进行归一化；第三种模型：海平面高度发生变化，相对于第一种模型中海水层厚度增加0.2m，将数值模拟计算得到的磁场分量Hy与第一种模型中对应数值进行归一化处理；

(D)在步骤(C)之后，由Hy分量和深度的对应关系，通过内插法进行结果分析，最终可进行海缆位置判定。

与现有技术相比，有益效果是：

本发明一种线圈海缆探测装置及其探测方法，通过海缆进行区域性分割，从而保证了海缆测量能够适应多种地形，从而避免出现测量误差，且通过多线圈阵列避免测量的传感器单一导致测量的效率比较低的缺陷，通过设置提供了一种多线圈阵列观测模式，提高探测精度的海缆探测方法。

附图说明

图1为线圈海缆探测装置的原理示意图。

图2为均匀全空间模型电磁场在x和y方向分量图。

图3为三线圈正交的感应线圈的结构示意图。

图4为计算一中海底电缆模型电磁场在x和y方向分量图。

图5为计算二中海底电缆模型电磁场在x和y方向分量图。

图6为Ex分量不同深度对比图。

图7为Hy分量不同深度对比图。

图8为海川线布设图(xy平面图)。

图9为海川线电缆布设和海底界面位置图。

图10为海川线电缆模型二维剖面图(相对坐标)。

图11为y＝0m剖面磁场分量Hy剖面图。

图12为y＝5m剖面磁场分量Hy剖面图。

图13为y＝10m剖面磁场分量Hy剖面图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”“长”“短”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：

实施例一

如图1至图7为本发明一种线圈海缆探测装置及其探测方法的第一实施例，探测装置包括用于探测海缆的感应电动势三组感应线圈1，三组感应线圈相互正交且每组感应线圈均为环形线圈，探测装置还包括数据传输模块2和上位机3，三组感应线圈1、数据传输模块2和上位机3顺次通信连接；三组感应线圈1将获取到对应的感应电动势传输至数据传输模块2，数据传输模块进行处理将最大感应电动势的信息传输至上位机3。

其中，所述三组感应线圈分别用于探测YOZ平面线圈感应电动势Ex、XOZ平面线圈感应电动势Ey和XOY平面线圈感应电动势Ez。

本发明还提供一种应用上述线圈海缆探测装置的检测方法，步骤如下：

(1)首先，将海缆进行区域性分割；

(2)其次，检测每个区域或者节点的感应电动势，且进行数据处理得出每个区域或者节点的最大感应电动势；

(3)再次，对感应电动势数值进行处理比较，得出感应电动势与深度的关系，进行海缆位置判定。

其中，在步骤(2)中，最大感应电动势E的计算公式如下：

E＝(Ex²+Ey²+Ez²)1/2；其中，Ex为YOZ平面线圈感应电动势，Ey为XOZ平面线圈感应电动势，Ez为XOY平面线圈感应电动势。

另外，在步骤(1)中，对海缆进行区域性分割，分为水平地形条件下海底电缆和起伏地形条件下海底电缆。

其中，水平地形条件下海底电缆的检测方法采用水平地形条件下海底电缆模型的研究方法，具体步骤如下：

(a)建立单根电缆模型二维数值模拟，模型分为两个区域：计算区域和外围海岸围岩区域；计算区域为三层模型，第一层为海水层，指定厚度和电阻率；第二层为淤泥层，指定厚度和电阻率；第三层为基底层，指定电阻率；通电电缆位于淤泥层中，其长度贯穿于整个海底；

(b)在步骤(a)之后，通电电缆设定为长导线场源，计算整个计算区域中电磁场分布；

(c)在步骤(b)之后，对海底电缆模型的电磁场分布的计算设定为根据长导线场源与淤泥层的距离值取三种模型；

第一种模型：通电电流幅值10A，发射频率100Hz，场源位于淤泥层1m厚度之下，计算得出海底电缆模型电磁场在x和y方向分量图；第二种模型：将第一种模型中的电缆下移0.2m，然后采用相同的计算参数再计算一遍，得出计算结果，分别取出第一种模型和第二种模型在同一水平层位的结果进行对比，得出Ex和Hy分量不同深度对比图；第三种模型：将第一种模型中的电缆下移0.4m，然后采用相同的计算参数再计算一遍，得出计算结果，分别取出第一种模型和第三种模型在同一水平层位的结果进行对比，得Ex和Hy分量不同深度对比图；

(d)在步骤(c)之后，由Hy分量和深度的对应关系，通过内插法进行结果分析，最终可进行海缆位置判定。

具体地：通电海缆产生电磁场分布，考虑具有一定走向的二维构造地电模型，y轴为其走向方向，x轴垂直y轴并保持水平，z轴垂直向上。取谐变时间因子为e^-iwt，则有源区电场(E)和磁场(H)频率域Maxwell方程组为：

式中，ε为介电常数，i为虚数单位，ω为角频率(ω＝2πfp)，fp为电磁波频率，μ为磁导率，σ为电导率，E和H分别为电场和磁场矢量，Js为外加电性源的电流密度，Ms为外加磁性源的磁场强度。在真空中，ε₀＝8.85*10^-12F/m，μ₀＝4π*10^-7H/m。

引入导纳率

和阻抗率

则式(1)可以重写为:

将方程组(2)展开为分量形式:

J_sx表示沿x方向布设的电性场源，J_sy表示沿走向y方向的电性场源，J_sz表示沿垂直z方向布设的电性场源(井中电磁法)。

方程组(2)为三维问题，我们沿构造走向方向(y)做一维傅里叶变换得到二维问题:

式中，ky为波数，

表示波数域值。

消去方程组(3)中

和

分量，得到沿走向方向电场

和磁场

的耦合微分方程:

式中，

求解得到

和

分量后，根据空间导数计算出其它分量:

空间导数的计算精度直接影响辅助场的计算精度，因此，在CSEM 2.5维数值模拟中，这是一个非常重要的环节。空间导数的计算方法有很多种，包括差分算法、多次函数拟合法、有限单元形函数计算方法等，其中差分算法是最容易实现的方法，当网格剖分均匀可以采用中心差分算法(向前向后计算精度均不能满足要求)，当网格剖分不均匀可以采用多次函数拟合的方法。本项目中在水平方向采用二次函数拟合的方法，根据三点的坐标及场值计算出二次函数的三个系数，对二次函数求导，代入中间点的坐标即得到中间点的水平导数。在垂向方向采用中心差分的方法，以地下一层的差分结果代替地表界面，这就要求地表(测点)向下几层网格做均匀剖分，且网格间距较小。此外，也可以采用多点求导的方法，如徐世浙在MT法中采用的4点求导法。

通电电缆看成长导线场源，计算整个计算区域中电磁场分布。计算参数如下：通电电流幅值10A，发射频率100Hz。如图1为电磁场在x和y方向的分量图。通过对图形特征进行分析，我们可以得出如下结论：

Hy分量在电缆范围区间内较为平缓，可以近似看成均匀磁场。Ex分量具有类似的性质。

Ey和Hx分量在水平方向(海水层中)变化大，垂向方向几乎不变；Hy与Ex分量在水平方向几乎等同于均匀场，在垂向方向变化大。

所述三线圈正交型海缆探测阵列包含三组相互正交的感应线圈，如图2所示。探测阵列由于海缆电磁场产生感应电动势，从而判断海缆的位置。

感应电动势E＝(E_x ²+E_y ²+E_z ²)^1/2

其中，Ex为YOZ平面线圈感应电动势，Ey为XOZ平面线圈感应电动势，Ez为XOY平面线圈感应电动势，传统探测天线需要通过调整角度，获得单个方向上的最大感应电动势。本方案采用三线圈正交型阵列，无需调整角度，即可获得最大感应电动势，大幅提高探测精度，提高探测效率，具有较强技术先进性。

所述检测方法包括水平地形条件下海底电缆模型研究方法和起伏地形条件下海底电缆模型研究方法。

具体的实施例：将计算模型还原为水平地形条件下海底电缆模型，模型计算参数为：通电电流幅值10A，发射频率100Hz，场源位于淤泥层1m厚度之下。

对数值计算结果如图4所示，垂直方向只保留海水层至基底围岩，水平方向只保留计算区域海水层。Hy与Ex，Ey与Hx相似性更强，在电磁法勘探中他们之间的比值只与地电模型相关(阻抗，视电阻率参数计算由来)。

将电缆再下移0.2m，然后采用相同的计算参数再计算一遍。计算结果如图4所示：

分别取出计算一和本次计算中在同一水平层位的结果进行对比，如图6和图7。

结论如下：

1)Ex与Hy在横向呈现均匀场，但是随着深度的增加，值逐渐增加，其规律在对数上呈近似线性。

2)电缆下移0.2m，但是电场分量Ex和磁场分量Hy变化非常大。其变化趋势为从海平面至海底，随着深度的增加差异越大。

3)Ex在海平面前后两次计算差异基本相等(误差仅为1％)，在Z＝10m处，误差为1.8％；Hy在Z＝0m误差为1.8％，Z＝10m处误差为4.5％。

实施例二

如图8至图13所示为实施例二，本实施例与实施例一类似，所不同之处在于，本实施例是起伏地形条件下海底电缆，起伏地形条件下海底电缆的检测方法采用起伏地形条件下海底电缆模型的研究方法，具体步骤如下：

(A)建立单根电缆模型二维数值模拟，模型分为两个区域：计算区域和外围海岸围岩区域；计算区域为三层模型，第一层为海水层，指定厚度和电阻率；第二层为淤泥层，指定厚度和电阻率；第三层为基底层，指定电阻率；通电电缆位于淤泥层中，其长度贯穿于整个海底；

(B)在步骤(A)之后，通电电缆设定为长导线场源，计算整个计算区域中电磁场分布；

(C)在步骤(B)之后，对海底电缆模型的电磁场分布的计算设定为根据海平面高度和海底淤泥层顶界面高度不同取三种模型；

第一种模型：通电电流幅值10A，发射频率100Hz，场源位于淤泥层1m厚度之下，变化的参数包括海平面高度和海底淤泥层顶界面高度，计算得出海底电缆模型电磁场在x和y方向分量图和Z＝0m测线磁场分量Hy分布图；第二种模型：模拟海底淤泥层顶界面高度改变后的淤泥层顶界面高度随测线的变化关系图，分别取出算第一种模型和第二种模型中Z＝0m平面Hy分量，进行归一化；第三种模型：海平面高度发生变化，相对于第一种模型中海水层厚度增加0.2m，将数值模拟计算得到的磁场分量Hy与第一种模型中对应数值进行归一化处理；

(D)在步骤(C)之后，由Hy分量和深度的对应关系，通过内插法进行结果分析，最终可进行海缆位置判定。

具体的实施例：如图8所示为海川线海底电缆布设平面图(xy平面)，从图中可以看出该条电缆近似呈直线布设，电缆两端稍微弯曲，由于发射频率较高(100-200Hz)，观测面又位于海水层中，因此电缆两端弯曲对电缆中间部分几乎不造成影响(衰减非常快)。

本算例中，将该条电缆延展成一条直线，按照二维测线进行数值模拟，如图9所示为海川线海底电缆布设位置(水平方向为相对距离，起点为零点)。图10为海川线电缆模型二维剖面图(相对坐标)。

分别测得y＝0m，y＝5m，y＝10m处剖面磁场分量Hy剖面图，如图11-13。根据结果由内插法反演可得海缆埋深

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种线圈海缆探测装置的探测方法，其特征在于，步骤如下：

(1)首先，将海缆进行区域性分割；

(2)其次，检测每个区域或者节点的感应电动势，且进行数据处理得出每个区域或者节点的最大感应电动势；

(3)再次，对感应电动势数值进行处理比较，得出感应电动势与深度的关系，进行海缆位置判定；

水平地形条件下海底电缆的检测方法采用水平地形条件下海底电缆模型的研究方法，具体步骤如下：

(a)建立单根电缆模型二维数值模拟，模型分为两个区域：计算区域和外围海岸围岩区域；计算区域为三层模型，第一层为海水层，指定厚度和电阻率；第二层为淤泥层，指定厚度和电阻率；第三层为基底层，指定电阻率；通电电缆位于淤泥层中，其长度贯穿于整个海底；

(b)在步骤(a)之后，通电电缆设定为长导线场源，计算整个计算区域中电磁场分布；

(c)在步骤(b)之后，对海底电缆模型的电磁场分布的计算设定为根据长导线场源与淤泥层的距离值取三种模型；

第一种模型：通电电流幅值10A，发射频率100Hz，场源位于淤泥层1m厚度之下，计算得出海底电缆模型电磁场在x和y方向分量图；第二种模型：将第一种模型中的电缆下移0.2m，然后采用相同的计算参数再计算一遍，得出计算结果，分别取出第一种模型和第二种模型在同一水平层位的结果进行对比，得出Ex和Hy分量不同深度对比图；第三种模型：将第一种模型中的电缆下移0.4m，然后采用相同的计算参数再计算一遍，得出计算结果，分别取出第一种模型和第三种模型在同一水平层位的结果进行对比，得Ex和Hy分量不同深度对比图；

(d)在步骤(c)之后，由Hy分量和深度的对应关系，通过内插法进行结果分析，最终可进行海缆位置判定。

2.根据权利要求1所述的线圈海缆探测装置的探测方法，其特征在于，在步骤(2)中，最大感应电动势E的计算公式如下：E＝(Ex²+Ey²+Ez²)1/2；其中，Ex为YOZ平面线圈感应电动势，Ey为XOZ平面线圈感应电动势，Ez为XOY平面线圈感应电动势。

3.根据权利要求2所述的线圈海缆探测装置的探测方法，其特征在于，在步骤(1)中，对海缆进行区域性分割，分为水平地形条件下海底电缆和起伏地形条件下海底电缆。

4.根据权利要求2或3所述的线圈海缆探测装置的探测方法，其特征在于，起伏地形条件下海底电缆的检测方法采用起伏地形条件下海底电缆模型的研究方法，具体步骤如下：

(A)建立单根电缆模型二维数值模拟，模型分为两个区域：计算区域和外围海岸围岩区域；计算区域为三层模型，第一层为海水层，指定厚度和电阻率；第二层为淤泥层，指定厚度和电阻率；第三层为基底层，指定电阻率；通电电缆位于淤泥层中，其长度贯穿于整个海底；

(B)在步骤(A)之后，通电电缆设定为长导线场源，计算整个计算区域中电磁场分布；

(C)在步骤(B)之后，对海底电缆模型的电磁场分布的计算设定为根据海平面高度和海底淤泥层顶界面高度不同取三种模型；

第一种模型：通电电流幅值10A，发射频率100Hz，场源位于淤泥层1m厚度之下，变化的参数包括海平面高度和海底淤泥层顶界面高度，计算得出海底电缆模型电磁场在x和y方向分量图和Z＝0m测线磁场分量Hy分布图；第二种模型：模拟海底淤泥层顶界面高度改变后的淤泥层顶界面高度随测线的变化关系图，分别取出算第一种模型和第二种模型中Z＝0m平面Hy分量，进行归一化；第三种模型：海平面高度发生变化，相对于第一种模型中海水层厚度增加0.2m，将数值模拟计算得到的磁场分量Hy与第一种模型中对应数值进行归一化处理；

(D)在步骤(C)之后，由Hy分量和深度的对应关系，通过内插法进行结果分析，最终可进行海缆位置判定。

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