CN111650593A - 一种海上风电场海缆敷设状态探查系统及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种海上风电场海缆敷设状态探查系统及其工作方法，属于海上风电运维技术领域。水声换能模块、运动检测模块和海水测量模块分别连接至图像信息处理及控制模块，图像信息处理及控制模块连接至通讯模块，所有模块通过供电模块供电；通讯模块与陆上指挥站通讯互联。水声换能模块包括发射基阵和接收基阵，发射基阵和接收基阵为能够收发高低频段声波的平面组合声基阵，发射基阵和接收基阵在载体的航迹方向直线排列，接收基阵为若干无指向性的接收阵元组成的线阵。能够精准探查海缆敷设位置、深度以及走向，为海上风电场海缆施工安装以及后续巡检运维提供精准的目标信息，大大提升了探查效率和经济效益。

Description

一种海上风电场海缆敷设状态探查系统及其工作方法
技术领域
本发明属于海上风电运维技术领域，具体涉及一种海上风电场海缆敷设状态探查系统及其工作方法。
背景技术
随着海上风电的大规模发展，三芯光纤复合海底电缆在海上风电场的海底输配电网中得到了广泛应用。为了避免海缆暴露在海底泥面以上受损，一般要求海缆深埋于海底土层中。美国首个海上风电场Block Island海上风电项目由于建设期间海缆敷设埋深不足，导致海缆元器件暴露而被损坏，使得整个风场面临暂停运营的风险。因此，针对海缆敷设状态的检测工作是必不可少的。
海上风电场海缆安全防护多依赖于基于光纤传感的在线监测系统，对敷设后因海床移动、冲刷等所导致的海缆状态变化的检测手段不足，缺乏海缆是否因冲刷导致裸露或悬空的合适探查方法。现有的潜水探摸及ROV作业易受海域水质限制；多波束测深技术难以透入海床泥面，无法获得泥面下海缆的埋设状态；合成孔径声呐技术，则存在扫测海床面积过大，声呐系统工作需专门的浮体搭载和相应的船只拖拽；浅地层剖面仪虽然分辨率高但探查效率低；磁力仪系统则容易受海缆周围金属介质影响。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种海上风电场海缆敷设状态探查系统及其工作方法，能够精准探查海缆敷设位置、深度以及走向，为海上风电场海缆施工安装以及后续巡检运维提供精准的目标信息，大大提升了探查效率和经济效益。
本发明通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种海上风电场海缆敷设状态探查系统，包括设置在载体上的水声换能模块、图像信息处理及控制模块、运动检测模块、海水测量模块、通讯模块和供电模块；
水声换能模块包括发射基阵和接收基阵，发射基阵和接收基阵为能够收发高低频段声波的平面组合声基阵，发射基阵和接收基阵在载体的航迹方向直线排列，接收基阵为若干无指向性的接收阵元组成的线阵；
水声换能模块、运动检测模块和海水测量模块分别连接至图像信息处理及控制模块，图像信息处理及控制模块连接至通讯模块；水声换能模块、图像信息处理及控制模块、运动检测模块、海水测量模块和通讯模块通过供电模块供电；通讯模块与陆上指挥站通讯互联。
优选地，图像信息处理及控制模块包括控制模块、回波信号处理模块和声图镶嵌模块；控制模块与发射基阵连接，回波信号处理模块与接收基阵和声图镶嵌模块连接，声图镶嵌模块与运动检测模块连接。
优选地，运动检测模块包括载体定位装置和动作姿态测量装置。
进一步优选地，载体定位装置为北斗定位装置或GPS定位装置；动作姿态测量装置包括声学多普勒计程仪、水下超短基线定位仪和光纤陀螺仪。
进一步优选地，水声换能模块、声学多普勒计程仪和水下超短基线定位仪设在载体的底部，图像信息处理及控制模块设在载体内部，载体定位装置和通讯模块设在载体顶部，海水测量模块设在载体艏部。
优选地，海水测量模块包括温度传感器和盐度传感器。
优选地，通讯模块为海事5G通讯模块。
优选地，供电模块为大容量蓄电池，供电模块通过电缆与载体的电力供应设备连接。
优选地，载体为船只、拖曳体或水下无人自主航行器。
本发明公开了上述海上风电场海缆敷设状态探查系统的工作方法，包括以下步骤：
步骤1：载体由海缆登陆段附近海域开始进行大范围扫测，锁定水底海缆的位置后，沿海缆的敷设路径向海上风电场航行；
步骤2：水声换能模块的发射基阵周期性地向海缆敷设位置的海底发射高低频脉冲信号，接收基阵在距离方向的接收阵元完成垂直于航行方向剖面内的波束形成，航迹方向的接收阵元保证距离方向波束合成处理时的栅瓣抑制；运动检测模块实时采集载体的航行距离、航行高度、航向回转速率、横/纵摇角度和水面位置相关数据；海水测量模块实时采集载体所处海洋环境的温度和盐度相关数据；
步骤3：图像信息处理及控制模块对步骤2所得的相关数据进行处理，经过运动补偿和水声环境修正，获得成像后的海缆及海缆周围地层的三维声图，并利用多幅图像的地理信息，将重叠部分进行融合后拼接，获得大范围的海缆及海缆周围地层的三维图像，通过通讯模块发送至陆上指挥站。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的一种海上风电场海缆敷设状态探查系统，采用高低频结合的多波束合成孔径声呐技术，高频声波用于探查海上风电场海底三维地貌，低频声波用于探查海底泥面下海缆敷设状态及其周围地层结构，两者结合可以实现海缆及周围地层地貌的三维声图成像；采用平面组合声基阵，不需要额外进行载体垂向下方补隙，通过距离向的波束形成，判断海缆目标回波方向，从而得出海缆的敷设深度，并解决了垂底区域存在缝隙的问题，能够精准探查海缆敷设位置、深度以及走向；并通过运动检测模块得到的运动补偿数据和海水测量模块得到的水声环境修正数据，极大地提高了精准性，为海上风电场海缆施工安装以及后续巡检运维提供精准的目标信息，大大提升了探查效率和经济效益。
进一步地，北斗定位装置或GPS定位装置能够提供准确的载体位置信息声学多普勒计程仪、水下超短基线定位仪和光纤陀螺仪能够提供准确的载体运动信息。
进一步地，温度传感器和盐度传感器能够提供海水的温度和盐度信息，进行水声环境修正，提高探查结果的准确性。
进一步地，通讯模块采用海事5G通讯模块，稳定性高、覆盖面广、数据率高、低时延，能够适应海面上的特殊环境，提高通讯的稳定性。
本发明公开的上述海上风电场海缆敷设状态探查系统的工作方法，自动化程度高，探查结果的准确性高，提升了探查作业的效率，减少了成本。
附图说明
图1为本发明的海上风电场海缆敷设状态探查系统的系统构成示意图；
图2为本发明的水声换能模块的平面组合声基阵的结构示意图。
图中：1-水声换能模块，1-1-发射基阵，1-2-接收基阵，2-图像信息处理及控制模块，2-1-控制模块，2-2-回波信号处理模块，2-3-声图镶嵌模块，3-运动检测模块，3-1-载体定位装置，3-2-动作姿态测量装置，4-海水测量模块，4-1-温度传感器，4-2-盐度传感器，5-通讯模块，6-供电模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：
如图1，本发明的一种海上风电场海缆敷设状态探查系统，包括设置在载体上的水声换能模块1、图像信息处理及控制模块2、运动检测模块3、海水测量模块4、通讯模块5和供电模块6；水声换能模块1、运动检测模块3和海水测量模块4分别连接至图像信息处理及控制模块2，图像信息处理及控制模块2连接至通讯模块5；水声换能模块1、图像信息处理及控制模块2、运动检测模块3、海水测量模块4和通讯模块5通过供电模块6供电；通讯模块5与陆上指挥站通讯互联。水声换能模块1、声学多普勒计程仪和水下超短基线定位仪设在载体的底部，图像信息处理及控制模块2设在载体内部，载体定位装置3-1和通讯模块5设在载体顶部，海水测量模块4设在载体艏部。
如图2，水声换能模块1包括发射基阵1-1和接收基阵1-2，发射基阵1-1和接收基阵1-2为能够收发高低频段声波的平面组合声基阵，发射基阵1-1和接收基阵1-2在载体的航迹方向直线排列，接收基阵1-2为若干无指向性的接收阵元组成的线阵。
图像信息处理及控制模块2包括控制模块2-1、回波信号处理模块2-2和声图镶嵌模块2-3；控制模块2-1与发射基阵1-1连接，回波信号处理模块2-2与接收基阵1-2和声图镶嵌模块2-3连接，声图镶嵌模块2-3与运动检测模块3连接。
运动检测模块3包括载体定位装置3-1和动作姿态测量装置3-2。载体定位装置3-1为北斗定位装置或GPS定位装置；动作姿态测量装置3-2包括声学多普勒计程仪、水下超短基线定位仪和光纤陀螺仪。
海水测量模块4包括温度传感器4-1和盐度传感器4-2。
通讯模块5优选采用海事5G通讯模块。
供电模块6优选采用大容量蓄电池，供电模块6通过电缆与载体的电力供应设备连接。
上述海上风电场海缆敷设状态探查系统的工作方法，包括以下步骤：
步骤1：将探查系统装设于载体上(船只、拖曳体或水下无人自主航行器)上。其中，水声换能模块1固定在载体底部，发射基阵1-1和接收基阵1-2需沿着载体航迹向直线排列；运动检测模块3中，声学多普勒计程仪和水下超短基线定位仪均安装在载体底部，光纤陀螺仪安装在载体内部，北斗或GPS天线安装在载体顶部；海水测量模块4安装于载体艏部；通讯模块5安装在载体顶部；图像信息处理及控制模块2和供电模块6安装在载体内部。载体由海缆登陆段附近海域开始进行大范围扫测，锁定水底海缆的位置后，沿海缆的敷设路径向海上风电场航行；
步骤2：在工作过程中，载体在水面或水中运动时，水声换能模块1的发射基阵1-1周期性地向海缆敷设位置的海底发射高低频脉冲信号，接收基阵1-2在距离方向的接收阵元完成垂直于航行方向剖面内的波束形成，航迹方向的接收阵元保证距离方向波束合成处理时的栅瓣抑制；运动检测模块3实时采集载体的航行距离、航行高度、航向回转速率、横/纵摇角度和水面位置等相关数据；海水测量模块4实时采集载体所处海洋环境的温度和盐度相关数据；
步骤3：图像信息处理及控制模块2对步骤2所得的相关数据进行处理，经过运动补偿和水声环境修正，获得成像后的海缆及海缆周围地层的三维声图，并利用多幅图像的地理信息，将重叠部分进行融合后拼接，获得大范围的海缆及海缆周围地层的三维图像，通过通讯模块5发送至陆上指挥站。
具体的，根据探查的需求(如距离分辨率、载体运动速度等)，控制模块2-1确定合适的声波发射信号周期、功率、及脉宽，并将控制码传递给发射基阵1-1，让发射基阵按特定的周期、功率及脉宽发射高低频脉冲信号。回波信号由接收基阵1-2进行处理后，产生便于存储、特性已于分析的数字信号，并将信号传递给回波信号处理模块2-2。在回波信号处理模块2-2中，首先根据运动检测模块3回传信息进行运动估计误差补偿；随后做距离向上的脉冲压缩，得到距离向上的高分辨率；然后进行航迹向上的多子阵合成孔径处理，从而实现二维平面内的聚焦成像；之后可通过滤波等方式进行降噪处理，得到最终成像数据。回波信号处理模块2-2中得到的成像数据传递到声图镶嵌模块2-3，首先根据运动检测模块3回传信息进行成像数据定位，随后根据位置信息将成像数据镶嵌进已有的海底三维海床地质图中，从而获得更新的海底海缆及周围地貌的三维测绘图。
本发明采用多波束合成孔径技术，能够一次性地完成海缆及其周围地貌的全覆盖测绘，不需要额外进行载体垂向下方补隙，而且通过距离向的波束形成，判断海缆目标回波方向，从而得出海缆的敷设深度；此外通过增大发射波束沿航迹向的开角，可以通过合成孔径技术提高航迹向的分辨能力。
需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式之一，根据本发明所描述的系统所做的等效变化，均包括在本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种海上风电场海缆敷设状态探查系统，其特征在于，包括设置在载体上的水声换能模块(1)、图像信息处理及控制模块(2)、运动检测模块(3)、海水测量模块(4)、通讯模块(5)和供电模块(6)；
水声换能模块(1)包括发射基阵(1-1)和接收基阵(1-2)，发射基阵(1-1)和接收基阵(1-2)为能够收发高低频段声波的平面组合声基阵，发射基阵(1-1)和接收基阵(1-2)在载体的航迹方向直线排列，接收基阵(1-2)为若干无指向性的接收阵元组成的线阵；
水声换能模块(1)、运动检测模块(3)和海水测量模块(4)分别连接至图像信息处理及控制模块(2)，图像信息处理及控制模块(2)连接至通讯模块(5)；水声换能模块(1)、图像信息处理及控制模块(2)、运动检测模块(3)、海水测量模块(4)和通讯模块(5)通过供电模块(6)供电；通讯模块(5)与陆上指挥站通讯互联。
2.根据权利要求1所述的海上风电场海缆敷设状态探查系统，其特征在于，图像信息处理及控制模块(2)包括控制模块(2-1)、回波信号处理模块(2-2)和声图镶嵌模块(2-3)；控制模块(2-1)与发射基阵(1-1)连接，回波信号处理模块(2-2)与接收基阵(1-2)和声图镶嵌模块(2-3)连接，声图镶嵌模块(2-3)与运动检测模块(3)连接。
3.根据权利要求1所述的海上风电场海缆敷设状态探查系统，其特征在于，运动检测模块(3)包括载体定位装置(3-1)和动作姿态测量装置(3-2)。
4.根据权利要求3所述的海上风电场海缆敷设状态探查系统，其特征在于，载体定位装置(3-1)为北斗定位装置或GPS定位装置；动作姿态测量装置(3-2)包括声学多普勒计程仪、水下超短基线定位仪和光纤陀螺仪。
5.根据权利要求4所述的海上风电场海缆敷设状态探查系统，其特征在于，水声换能模块(1)、声学多普勒计程仪和水下超短基线定位仪设在载体的底部，图像信息处理及控制模块(2)设在载体内部，载体定位装置(3-1)和通讯模块(5)设在载体顶部，海水测量模块(4)设在载体艏部。
6.根据权利要求1所述的海上风电场海缆敷设状态探查系统，其特征在于，海水测量模块(4)包括温度传感器(4-1)和盐度传感器(4-2)。
7.根据权利要求1所述的海上风电场海缆敷设状态探查系统，其特征在于，通讯模块(5)为海事5G通讯模块。
8.根据权利要求1所述的海上风电场海缆敷设状态探查系统，其特征在于，供电模块(6)为大容量蓄电池，供电模块(6)通过电缆与载体的电力供应设备连接。
9.根据权利要求1所述的海上风电场海缆敷设状态探查系统，其特征在于，载体为船只、拖曳体或水下无人自主航行器。
10.根据权利要求1～9任意一项所述海上风电场海缆敷设状态探查系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：载体由海缆登陆段附近海域开始进行大范围扫测，锁定水底海缆的位置后，沿海缆的敷设路径向海上风电场航行；
步骤2：水声换能模块(1)的发射基阵(1-1)周期性地向海缆敷设位置的海底发射高低频脉冲信号，接收基阵(1-2)在距离方向的接收阵元完成垂直于航行方向剖面内的波束形成，航迹方向的接收阵元保证距离方向波束合成处理时的栅瓣抑制；运动检测模块(3)实时采集载体的航行距离、航行高度、航向回转速率、横/纵摇角度和水面位置相关数据；海水测量模块(4)实时采集载体所处海洋环境的温度和盐度相关数据；
步骤3：图像信息处理及控制模块(2)对步骤2所得的相关数据进行处理，经过运动补偿和水声环境修正，获得成像后的海缆及海缆周围地层的三维声图，并利用多幅图像的地理信息，将重叠部分进行融合后拼接，获得大范围的海缆及海缆周围地层的三维图像，通过通讯模块(5)发送至陆上指挥站。
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