CN110941017A - 基于磁矢量数据的海缆三维路由测量方法及测量仪 - Google Patents

基于磁矢量数据的海缆三维路由测量方法及测量仪 Download PDF

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Abstract

本发明涉及的基于磁矢量数据的海缆三维路由测量方法及测量仪，其特征在于：其包括以下步骤：1)测量船从海缆一端出发拖曳水面拖体，调节并保持测量船的航线，使水面拖体位于海缆附近，直至t1时刻，三轴磁通门磁力仪测试到海缆工频电流产生的交变磁场信号；2)基于水面拖体测量的地磁场总场数据B0、地磁三分量数据Bx(t)、By(t)、Bz(t)、水面拖体的经度坐标lon1(t1)和纬度坐标lat1(t1)、以及水面拖体距离海底的实时垂直高度H0(t1)，计算海缆的经度坐标lon2(t1)、纬度坐标lat2(t1)和埋深数据d(t1)；3)根据海缆的经度坐标lon2(t1)、纬度坐标lat2(t1)和埋深数据d(t1)，在三维坐标图上进行海缆三维路由绘制。本发明增加了对海缆埋深的探测，提高了海缆路由信息的参考价值，提高了海缆三维路由测量的效率。

Description

基于磁矢量数据的海缆三维路由测量方法及测量仪
技术领域
本发明海缆运行与维护领域，涉及一种基于磁矢量数据的海缆三维路由测量方法及测量仪，用于精确测量海缆在海底的三维位置信息。
背景技术
海底电缆是用绝缘材料包裹的导线，铺设在海底，用于电力和信息传输。根据用途可分为电力电缆、光电复合缆、通信光缆等。近年来，光电复合海底电力电缆(简称光电复合海缆)在电力传输及数据通信领域逐渐普及。这种新型海缆把电缆和光缆复合在一起，同时输送电能和传输数据，既节约成本，又降低敷缆施工次数，在诸如浅海岛屿间跨海输电和通信应用中备受青睐。
海缆路由探测是海缆运行与维护中的一个重要环节。精确的海缆的路由信息有助于在海缆发生故障时缩短故障定位时间，提高故障检测效率，同时对日常海缆维护提供一定的参考价值。目前，海缆路由探测主要采用二维平面路由探测的方式，一般采用原子磁力仪作为探测设备，提供海缆的经纬度坐标信息，而作为海缆抗锚损能力评估的埋深参数需要埋深测量仪进行探测，并没有体现在二维平面路由信息里，这大大降低了海缆路由信息的价值。因此，海缆的三维路由探测在海缆运维中具有较高的参考价值，相关探测设备具有较强的实用价值。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中体现海缆抗锚损能力评估的埋深参数未能体现在海缆路由探测的二维平面路由信息里的问题，提出一种基于磁矢量数据的海缆三维路由测量仪及测量方法，以探测海缆的经纬度坐标和埋深。
为了达到目的，本发明提供的技术方案为：
一种基于磁矢量数据的海缆三维路由测量方法，包括以下步骤：
1)测量船从海缆一端出发拖曳水面拖体，调节并保持测量船的航线，使水面拖体位于海缆附近，直至t1时刻，三轴磁通门磁力仪测试到海缆工频电流产生的交变磁场信号；
2)基于水面拖体测量的地磁场总场数据B0、地磁三分量数据Bx(t)、By(t)、Bz(t)、水面拖体的经度坐标lon1(t1)和纬度坐标lat1(t1)、以及水面拖体距离海底的实时垂直高度H0(t1)，计算海缆的经度坐标lon2(t1)、纬度坐标lat2(t1)和埋深数据d(t1)；
3)根据海缆的经度坐标lon2(t1)、纬度坐标lat2(t1)和埋深数据d(t1)，在三维坐标图上进行海缆三维路由绘制。
优选地，所述的水面拖体通过测量船拖拽，水面拖体包括原子磁力仪、三轴磁通门磁力仪、姿态仪、导航定位仪、高度计和下位机，原子磁力仪、三轴磁通门磁力仪、姿态仪、导航定位仪、高度计均与下位机通信连接；
所述步骤2)的具体步骤包括：
2.1)三轴磁通门磁力仪测量交变磁场三分量，姿态仪根据水面拖体的姿态数据对交变磁场三分量进行转化得到地磁三分量数据Bx(t)、By(t)、Bz(t)，原子磁力仪测量地磁场总场数据B0，导航定位仪测量水面拖体的经度坐标lon1(t1)和纬度坐标lat1(t1)，高度计测量水面拖体距离海底的实时垂直高度H0(t1)，测得的数据通过下位机以及水密电缆传输给船载上位机；
2.2)船载上位机根据磁场总场数据B0，对地磁三分量数据进行修正得到修正后的地磁三分量数据Bx1(t1)、By1(t1)、Bz1(t1)；
2.3)船载上位机分别对修正后的地磁三分量数据进行傅里叶变换，并分别取ω频率点上的幅值Ax1(t1)、Ay1(t1)、Az1(t1)；
2.4)船载上位机根据幅值Ax1(t1)、Ay1(t1)、Az1(t1)计算水面拖体距离海缆的水平距离L、方向角θ和垂直距离H1(t1)；
2.5)船载上位机根据水面拖体距离海缆的垂直距离H1(t1)以及水面拖体距离海底的实时垂直高度H0(t1)计算海缆在海底的埋深d(t1)；
2.6)根据t1时刻经度坐标lon1(t1)和纬度坐标lat1(t1)以及计算得到的水面拖体距离海缆的水平距离L与方向角θ，计算海缆的经度坐标lon2(t1)和纬度坐标lat2(t1)；
优选地，所述的船载上位机对地磁三分量数据Bx(t)、By(t)、Bz(t)进行修正的计算方式为：
Figure BDA0002297244330000021
Figure BDA0002297244330000022
Figure BDA0002297244330000031
优选地，水面拖体距离海缆的水平距离L的计算方式为：
Figure BDA0002297244330000032
其中μ0为真空磁导率。
优选地，水面拖体与海缆的方向角θ的计算方式为：
当Bx1(t1)与Bz1(t1)反相位时，θ＝-arctan(Ax1(t1)/Ay1(t1))；
当Bx1(t1)与Bz1(t1)同相位时，θ＝arctan(Ax1(t1)/Ay1(t1))。
优选地，水面拖体距离海缆的垂直距离H1(t1)的计算方式为：
Figure BDA0002297244330000033
其中μ0为真空磁导率。
优选地，计算海缆在海底的埋深d(t1)的计算方法：
Figure BDA0002297244330000034
其中μ0为真空磁导率。
优选地，海缆的经度坐标lon2(t1)和纬度坐标lat2(t1)的计算方式为：
lat2(t1)＝arcsin(sin(lat1(t1))×cos(L/R)+cos(lat1(t1))×sin(L/R)×cos(θ))；
Figure BDA0002297244330000035
其中，R为地球半径。
本发明还涉及种基于磁矢量数据的海缆三维路由测量仪，其特征在于：其包括水面拖体、船载上位机和测量船，所述的船载上位机安装在测量船上；所述的水面拖体通过测量船拖拽，水面拖体包括原子磁力仪、三轴磁通门磁力仪、姿态仪、导航定位仪、高度计和下位机，原子磁力仪、三轴磁通门磁力仪、姿态仪、导航定位仪、高度计均与下位机通信连接，下位机与船载上位机通信连接。
优选地，所述的水面拖体还包括非金属水密舱，非金属水密舱的外壁设有水密接插件，原子磁力仪、三轴磁通门磁力仪、姿态仪、导航定位仪、高度计和下位机均通过刚性连接的方式固定在非金属水密舱内，下位机通过电缆与水密接插件连接，水密接插件通过水密电缆与船载上位机连接。非金属水密舱用于保护原子磁力仪、三轴磁通门磁力仪、姿态仪、导航定位仪、高度计和下位机，防止浸水造成的损坏；所述的水密电缆用于测量船拖拽水面拖体，于此同时，用于将下位机的数据传输给船载上位机，进而实现进一步的计算。
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明通过原子磁力仪测量地磁场总场数据B0，通过三轴磁通门磁力仪配合姿态仪测量地磁三分量数据Bx(t)、By(t)、Bz(t)的同时，还通过高度计测量水面拖体距离海底的实时垂直高度H0(t1)，进经过一系列的计算得到海缆的经度坐标lon2(t1)、纬度坐标lat2(t1)以及海缆在海底的埋深d(t1)，进而在三维坐标图上进行海缆三维路由绘制，相比与二维路由探测，本发明增加了对海缆埋深的探测，提高了海缆路由信息的参考价值，提高了海缆三维路由测量的效率。
附图说明
图1是基于磁矢量数据的海缆三维路由测量仪的框架图；
图2是水面拖体的内部结构框架图；
图3是基于磁矢量数据的海缆三维路由测量仪工作原理框架图。
标注说明：1-水面拖体，2-水密电缆，3-船载上位机，4-原子磁力仪，5-三轴磁通门磁力仪，6-姿态仪，7-导航定位仪，8-高度计，9-下位机，10-非金属水密舱。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，对本发明的实施例作详细说明，以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例一
结合附图1和2所示，本发明涉及的基于磁矢量数据的海缆三维路由测量仪包括水面拖体1、船载上位机3和测量船(图中未画出)。所述的船载上位机3安装在测量船上。所述的水面拖体1包括原子磁力仪4、三轴磁通门磁力仪5、姿态仪6、导航定位仪7、高度计8、下位机9和非金属水密舱10，非金属水密舱10的外壁设有水密接插件，原子磁力仪4、三轴磁通门磁力仪5、姿态仪6、导航定位仪7、高度计8和下位机9均通过刚性连接的方式固定在非金属水密舱10内，下位机9通过电缆与水密接插件连接，水密接插件通过水密电缆2与船载上位机3连接，进而实现下位机9和船载上位机3的通信连接。测量船通过水密电缆2对水面拖体1进行拖拽作业，进而使水面拖体1始终位于海缆附近且可以沿着海缆布置方向移动。
上述原子磁力仪4采用加拿大Scintrex公司生产的型号为CS-3高精度铯光泵磁力仪，用于测量地磁场总场数据B0；三轴磁通门磁力仪5采用英国Bartington公司生产的型号为Mag-13三轴磁通门，用于测量正弦电流信号的交流磁场三分量；姿态仪6采用三维姿态仪，其通过姿态转换的方式将交流磁场三分量转化为地理坐标下的地磁三分量数据Bx(t)、By(t)、Bz(t)；导航定位仪7采用加拿大Hemisphere生产的R330型导航定位仪，用于测量水面拖体1的经度坐标lon1(t1)和纬度坐标lat1(t1)；高度计8采用英国Valeport公司生产的VA500型高度计，用于测量水面拖体1距离海底的实时垂直高度H0(t1)；非金属水密舱10采用碳纤维材料构成，水密电缆2采用多芯凯夫拉缆；下位机9用于接收原子磁力仪4、三轴磁通门磁力仪5、姿态仪6、导航定位仪7和高度计8测量的数据，并通过水密电缆2将数据传输给船载上位机3；船载上位机3用于接收下位机9传输的数据并计算海缆的坐标和埋深。
实施例二
采用上述测量仪器进行基于磁矢量数据的海缆三维路由测量方法，该方法的原理如如图3所示，该测量方法包括以下步骤：
1)将水面拖体1与船载上位机3通过水密电缆2连接，并将水面拖体1置于水中，船载上位机3放置在测量船上，测量船从海缆一端出发拖曳水面拖体1运动，调节并保持测量船的航线，使水面拖体1始终位于海缆附近且沿着海缆移动，直至t1时刻，三轴磁通门磁力5仪测试到频率50Hz的交变磁场信号。
2.1)三轴磁通门磁力仪5测量交变磁场三分量，姿态仪6根据水面拖体1的姿态数据对交变磁场三分量进行转化得到地磁三分量数据Bx(t)、By(t)、Bz(t)，其中，Bx(t)代表正东方向磁场分量、By(t)代表正北方向磁场分量、Bz(t)代表垂直方向磁场分量；原子磁力仪4测量地磁场总场数据B0，导航定位仪7测量水面拖体1的经度坐标lon1(t1)和纬度坐标lat1(t1)，高度计8测量水面拖体1距离海底的实时垂直高度H0(t1)，测得的数据均通过下位机9以及水密电缆2传输给船载上位机。
2.2)船载上位机3根据磁场总场数据B0，对地磁三分量Bx(t)、By(t)、Bz(t)的数据进行修正，得到修正后的地磁三分量数据Bx1(t1)、By1(t1)、Bz1(t1)，地磁三分量数据的修正通过以下方法计算：
Figure BDA0002297244330000061
Figure BDA0002297244330000062
Figure BDA0002297244330000063
2.3)船载上位机3分别对修正后的地磁三分量数据Bx1(t1)、By1(t1)、Bz1(t1)进行傅里叶变换，并分别取50Hz频率点上的幅值Ax1(t1)、Ay1(t1)、Az1(t1)。
2.4)船载上位机3根据幅值Ax1(t1)、Ay1(t1)、Az1(t1)计算水面拖体1距离海缆的水平距离L、方向角θ和垂直距离H1(t1)，其中，
水面拖体1距离海缆的水平距离L的计算方式为：
Figure BDA0002297244330000064
水面拖体1与海缆的方向角θ的计算方式为：
当Bx1(t1)与Bz1(t1)反相位时，θ＝-arctan(Ax1(t1)/Ay1(t1))；
当Bx1(t1)与Bz1(t1)同相位时，θ＝arctan(Ax1(t1)/Ay1(t1))；
水面拖体1距离海缆的垂直距离H1(t1)的计算方式为：
Figure BDA0002297244330000065
其中，μ0为真空磁导率。
2.5)根据水面拖体1距离海缆的垂直距离H1(t1)以及水面拖体1距离海底的实时垂直高度H0(t1)计算海缆在海底的埋深d(t1)，
海缆在海底的埋深d(t1)的计算方法：
Figure BDA0002297244330000071
2.6)根据t1时刻经度坐标lon1(t1)和纬度坐标lat1(t1)以及计算得到的水面拖体1距离海缆的水平距离L与方向角θ，计算海缆的经度坐标lon2(t1)和纬度坐标lat2(t1)，海缆的经度坐标lon2(t1)和纬度坐标lat2(t1)的计算方式为：
lat2(t1)＝arcsin(sin(lat1(t1))×cos(L/R)+cos(lat1(t1))×sin(L/R)×cos(θ))；
Figure BDA0002297244330000072
其中，R为地球半径。
3)根据得到的海缆1经纬度坐标lon2(t1)、lon2(t1)和埋深数据d(t1)，在三维坐标图上进行海缆三维路由绘制。
结合附图3所示，本发明的工作原理为：海缆中50Hz交变电流信号产生的50Hz交流磁场三分量将由原子磁力仪4和三轴磁通门磁力仪5探测，其中原子磁力仪4测量地磁场总场，三轴磁通门磁力仪5测量地磁三分量。通过姿态仪6提供的姿态数据将交流磁场三分量转换到地理坐标下的磁场三分量。通过高度计8测量测量点距离海底的垂直高度信息。结合长直导线上电流产生磁场的模型，通过地理坐标下的磁场三分量和测量设备的地理坐标，计算探测点与海缆的平面相对位置关系与垂直距离，进而计算离探测点最近的海缆平面二维路由位置数据和海缆的埋深数据，得到海缆的三维路由信息。
以上结合实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种基于磁矢量数据的海缆三维路由测量方法，其特征在于：其包括以下步骤：
1)测量船从海缆一端出发拖曳水面拖体，调节并保持测量船的航线，使水面拖体位于海缆附近，直至t1时刻，三轴磁通门磁力仪测试到海缆工频电流产生的交变磁场信号；
2)基于水面拖体测量的地磁场总场数据B0、地磁三分量数据Bx(t)、By(t)、Bz(t)、水面拖体的经度坐标lon1(t1)和纬度坐标lat1(t1)、以及水面拖体距离海底的实时垂直高度H0(t1)，计算海缆的经度坐标lon2(t1)、纬度坐标lat2(t1)和埋深数据d(t1)；
3)根据海缆的经度坐标lon2(t1)、纬度坐标lat2(t1)和埋深数据d(t1)，在三维坐标图上进行海缆三维路由绘制。
2.根据权利要求1所述的基于磁矢量数据的海缆三维路由测量方法，其特征在于：所述的水面拖体通过测量船拖拽，水面拖体包括原子磁力仪、三轴磁通门磁力仪、姿态仪、导航定位仪、高度计和下位机，原子磁力仪、三轴磁通门磁力仪、姿态仪、导航定位仪、高度计均与下位机通信连接；
所述步骤2)的具体步骤包括：
2.1)三轴磁通门磁力仪测量交变磁场三分量，姿态仪根据水面拖体的姿态数据对交变磁场三分量进行转化得到地磁三分量数据Bx(t)、By(t)、Bz(t)，原子磁力仪测量地磁场总场数据B0，导航定位仪测量水面拖体的经度坐标lon1(t1)和纬度坐标lat1(t1)，高度计测量水面拖体距离海底的实时垂直高度H0(t1)，测得的数据通过下位机以及水密电缆传输给船载上位机；
2.2)船载上位机根据磁场总场数据B0，对地磁三分量数据进行修正得到修正后的地磁三分量数据Bx1(t1)、By1(t1)、Bz1(t1)；
2.3)船载上位机分别对修正后的地磁三分量数据进行傅里叶变换，并分别取ω频率点上的幅值Ax1(t1)、Ay1(t1)、Az1(t1)；
2.4)船载上位机根据幅值Ax1(t1)、Ay1(t1)、Az1(t1)计算水面拖体距离海缆的水平距离L、方向角θ和垂直距离H1(t1)；
2.5)船载上位机根据水面拖体距离海缆的垂直距离H1(t1)以及水面拖体距离海底的实时垂直高度H0(t1)计算海缆在海底的埋深d(t1)；
2.6)船载上位机根据t1时刻经度坐标lon1(t1)和纬度坐标lat1(t1)以及计算得到的水面拖体距离海缆的水平距离L与方向角θ，计算海缆的经度坐标lon2(t1)和纬度坐标lat2(t1)。
3.根据权利要求2所述的基于磁矢量数据的海缆三维路由测量方法，其特征在于：所述的船载上位机对地磁三分量数据Bx(t)、By(t)、Bz(t)进行修正的计算方式为：
Figure FDA0002297244320000021
Figure FDA0002297244320000022
Figure FDA0002297244320000023
4.根据权利要求2所述的基于磁矢量数据的海缆三维路由测量方法，其特征在于：水面拖体距离海缆的水平距离L的计算方式为：
Figure FDA0002297244320000024
其中μ0为真空磁导率。
5.根据权利要求2所述的基于磁矢量数据的海缆三维路由测量方法，其特征在于：水面拖体与海缆的方向角θ的计算方式为：
当Bx1(t1)与Bz1(t1)反相位时，θ＝-arctan(Ax1(t1)/Ay1(t1))；
当Bx1(t1)与Bz1(t1)同相位时，θ＝arctan(Ax1(t1)/Ay1(t1))。
6.根据权利要求2所述的基于磁矢量数据的海缆三维路由测量方法，其特征在于：水面拖体距离海缆的垂直距离H1(t1)的计算方式为：
Figure FDA0002297244320000025
其中μ0为真空磁导率。
7.根据权利要求2所述的基于磁矢量数据的海缆三维路由测量方法，其特征在于：计算海缆在海底的埋深d(t1)的计算方法：
Figure FDA0002297244320000026
其中μ0为真空磁导率。
8.根据权利要求2所述的基于磁矢量数据的海缆三维路由测量方法，其特征在于：海缆的经度坐标lon2(t1)和纬度坐标lat2(t1)的计算方式为：
lat2(t1)＝arcsin(sin(lat1(t1))×cos(L/R)+cos(lat1(t1))×sin(L/R)×cos(θ))；
Figure FDA0002297244320000031
其中，R为地球半径。
9.一种基于磁矢量数据的海缆三维路由测量仪，其特征在于：其包括水面拖体、船载上位机和测量船，所述的船载上位机安装在测量船上；所述的水面拖体通过测量船拖拽，水面拖体包括原子磁力仪、三轴磁通门磁力仪、姿态仪、导航定位仪、高度计和下位机，原子磁力仪、三轴磁通门磁力仪、姿态仪、导航定位仪、高度计均与下位机通信连接，下位机与船载上位机通信连接。
10.根据权利要求1所述的基于磁矢量数据的海缆三维路由测量仪，其特征在于：所述的水面拖体还包括非金属水密舱，非金属水密舱的外壁设有水密接插件，原子磁力仪、三轴磁通门磁力仪、姿态仪、导航定位仪、高度计和下位机均通过刚性连接的方式固定在非金属水密舱内，下位机通过电缆与水密接插件连接，水密接插件通过水密电缆与船载上位机连接。
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