CN111896135A - 用于水下机器人的温度监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于水下机器人的温度监测方法，其包含：步骤一、通过光纤向水下机器人的待测部位传输激光信号，并接收激光信号的散射光信号；步骤二、对散射光信号进行分离、转换以及分析，得到待测部位的温度信息，其中，温度信息包含散射光信号的功率信息；步骤三、对温度信息进行温度解调处理，得到待测部位的实时温度，其中，实时温度包含待测部位中任一空间位置的实时温度信息。本发明在测量脐带缆温度时，无需在水下机器人本体和脐带缆上增加其他测试设备，利用脐带缆中的光纤即可完成对整个脐带缆的实时温度监测，抗干扰能力强，数据可靠性高。本发明在测量高压柜低压柜时，可以对柜体内部空间点的温度进行监测。

Description

用于水下机器人的温度监测方法及装置

技术领域

本发明涉及水下机器人技术领域，具体地说，涉及一种用于水下机器人的温度监测方法及装置。

背景技术

目前的ROV(Remote Operated Vehicle，遥控无人潜水器)脐带缆没有实时温度监测功能，而脐带缆的温度变化和适用范围是设计和使用ROV的关键因素，常规解决方案是通过理论计算得出脐带缆的温升规律，并预留安全系数，而实际上，当脐带缆卷装在绞车上时，脐带缆温度变化情况受到诸多不确定因素影响，比如瞬间上电的电感效应会导致温度突然变化，环境温度变化会导致温度变化，脐带缆内部导体性质变化导致局部温度变化。这些因素在理论计算过程中都不能准确预知。

在ROV的电子仓和控制器单元内分布有热敏电阻测温电路，可以对ROV本体各具有电气控制功能的模块进行温度监测。在水面控制舱内，特别是对于高压电源柜，在升压变压器内部预埋设有热电偶，可以对变压器绕组温升进行定点监测。但是这些对于脐带缆和柜体内部其他位置没有进行温度监测，对局部发热点不能及时发现。

因此，本发明提供了一种用于水下机器人的温度监测方法及装置。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种用于水下机器人的温度监测方法，所述方法包含以下步骤：

步骤一、通过光纤向所述水下机器人的待测部位传输激光信号，并接收所述激光信号的散射光信号；

步骤二、对所述散射光信号进行分离、转换以及分析，得到所述待测部位的温度信息，其中，所述温度信息包含所述散射光信号的功率信息；

步骤三、对所述温度信息进行温度解调处理，得到所述待测部位的实时温度，其中，所述实时温度包含所述待测部位中任一空间位置的实时温度信息。

根据本发明的一个实施例，步骤一具体包含以下步骤：

对所述激光信号进行脉冲调制，得到具备预设周期以及预设持续时间的短脉冲信号；

接收所述短脉冲信号的散射光信号，其中，所述散射光信号包含拉曼散射光信号。

根据本发明的一个实施例，步骤二具体包含以下步骤：

对所述拉曼散射光信号进行信号分离处理，得到第一光信号以及第二光信号；

对所述第一光信号以及所述第二光信号进行光电转换处理以及模数转换处理，得到第一电信号以及第二电信号。

根据本发明的一个实施例，步骤三具体包含以下步骤：

依据所述第一电信号，进行单路温度解调处理，得到所述待测部位的实时温度。

根据本发明的一个实施例，步骤三具体包含以下步骤：

依据所述第一电信号以及所述第二电信号，进行双路解调处理，得到所述待测部位的实时温度。

根据本发明的一个实施例，步骤二中还包含以下步骤：

对所述散射光信号进行光时域反射技术分析，得到所述待测部位中任一空间位置对应的温度信息。

根据本发明的一个实施例，所述方法还包含：设置校准光缆，将所述校准光缆置于预设参考温度下，用于温度定标。

根据本发明的一个实施例，所述方法还包含：

当所述实时温度高于第一预设阈值时，发出预警警报，提示异常温度点的位置信息；

当所述实时温度的温度提升速率高于第二预设阈值时，发出预警警报，提示异常温度点的位置信息。

根据本发明的一个实施例，所述待测部位包含水下机器人脐带缆、铠装脐带缆、高压柜以及低压柜。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种用于水下机器人的温度监测装置，所述装置包含：

第一模块，其用于通过光纤向所述水下机器人的待测部位传输激光信号，并接收所述激光信号的散射光信号；

第二模块，其用于对所述散射光信号进行分离、转换以及分析，得到所述待测部位的温度信息，其中，所述温度信息包含所述散射光信号的功率信息；

第三模块，其用于对所述温度信息进行温度解调处理，得到所述待测部位的实时温度，其中，所述实时温度包含所述待测部位中任一空间位置的实时温度信息。

本发明提供的用于水下机器人的温度监测方法及装置在测量脐带缆温度时，无需在水下机器人本体和脐带缆上增加其他测试设备，利用脐带缆中的光纤即可完成对整个脐带缆的实时温度监测，抗干扰能力强，数据可靠性高。本发明在测量高压柜低压柜时，可以对柜体内部空间点的温度进行监测。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1显示了根据本发明的一个实施例的用于水下机器人的温度监测方法流程图；

图2显示了根据本发明的一个实施例的用于水下机器人的温度监测方法进行脐带缆温度测量时的示意图；

图3显示了根据本发明的一个实施例的用于水下机器人的温度监测方法中测量得到的实时温度曲线；

图4显示了根据本发明的一个实施例的用于水下机器人的温度监测装置高压柜及低压柜布线示意图；

图5显示了根据本发明的一个实施例的用于水下机器人的温度监测装置高压柜及低压柜布线简易图；以及

图6显示了根据本发明的一个实施例的用于水下机器人的温度监测装置结构框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明实施例作进一步地详细说明。

现有技术中，热电偶测温是在ROV的电子仓和控制器单元内分布有热敏电阻测温电路，可以对ROV本体各具有电气控制功能的模块进行温度监测。在水面控制舱内，特别是对于高压电源柜，在升压变压器内部预埋设有热电偶，可以对变压器绕组温升进行定点监测。但是这些对于脐带缆和柜体内部其他位置没有进行温度监测，对局部发热点不能及时发现。

现有技术中，红外遥感测温是对于ROV绞车，主要缠绕有铠装脐带缆，通常数层堆叠缠绕，在通电时发热情况需要通过红外热像仪进行监测，但是红外热像仪只能测试绞车外层脐带缆的温度，无法测量内层脐带缆温度分布情况，而由于内层脐带缆散热条件差，因此工程应用过程中往往内层脐带缆温度更加容易超出脐带缆本身能够使用的范围，因而更需要对内层进行实时温度监测。

图1显示了根据本发明的一个实施例的用于水下机器人的温度监测方法流程图。

如图1所示，在步骤S101中，通过光纤向水下机器人的待测部位传输激光信号，并接收激光信号的散射光信号。

优选地，对激光信号进行脉冲调制，得到具备预设周期以及预设持续时间的短脉冲信号；接收短脉冲信号的散射光信号，其中，散射光信号包含拉曼散射光信号。

然后，在步骤S102中，对散射光信号进行分离、转换以及分析，得到待测部位的温度信息，其中，温度信息包含散射光信号的功率信息。

优选地，对拉曼散射光信号进行信号分离处理，得到第一光信号以及第二光信号；对第一光信号以及第二光信号进行光电转换处理以及模数转换处理，得到第一电信号以及第二电信号。

优选地，对散射光信号进行光时域反射技术分析，得到待测部位中任一空间位置对应的温度信息。

最后，在步骤S103中，对温度信息进行温度解调处理，得到待测部位的实时温度，其中，实时温度包含待测部位中任一空间位置的实时温度信息。

优选地，依据第一电信号，进行单路温度解调处理，得到待测部位的实时温度。优选地，依据第一电信号以及第二电信号，进行双路解调处理，得到待测部位的实时温度。通过检测散射光光强变化，结合恰当的温度解调方法，便可获取所需要的实时温度信息。温度解调方法有两种，一是单路解调，仅利用反斯托克斯(Anti-stokes)信号，二是双路解调，利用Anti-Stokes和斯托克(Stokes)的比值进行温度解调。

在一个实施例中，设置校准光缆，将校准光缆置于预设参考温度下，用于温度定标。校准光缆目的是用于温度定标。对于分布式拉曼测温方式来说，一般需要一个合适的参考温度实现温度解调，即需要将一段参考光纤置于某一参考温度下，进而通过恰当的解调方法获取整条光纤的温度信息。

在一个实施例中，当实时温度高于第一预设阈值时，发出预警警报，提示异常温度点的位置信息。当实时温度的温度提升速率高于第二预设阈值时，发出预警警报，提示异常温度点的位置信息。即温度报警主要包括定温预警及差温预警两方面。根据应用的场所，可以设置定温预警温度值，当温度高于设置值时，系统发出预警警报，并提示异常温度点位置，方便找出温度异常点，及时排除故障。差温预警是通过对两次采集的温度信号进行比较，计算温升速率，一旦超出设置的温升速率，系统发出警报。

在一个实施例中，待测部位包含水下机器人脐带缆、铠装脐带缆、高压柜以及低压柜。

目前市场上使用的水下遥控作业机器人不具备对脐带缆的温度进行实时监测的功能。只通过在水下机器人本体的接驳盒等装置中布置若干温度传感器，实现对关键部位的离散温度监测，而对水下脐带缆和船舶甲板缆的温度变化情况缺乏监测。

图2显示了根据本发明的一个实施例的用于水下机器人的温度监测方法进行脐带缆温度测量时的示意图。

如图2所示，测温主机用于发射激光信号和对散射光信息进行侦测，当发射的激光信号通过物质时，除透射和吸收外，还有散射。在散射光中，除了包括与原来入射光的频率(瑞利散射)外，还包括一些拉曼散射，新的频率中小于入射光频率的称为斯托克斯光，大于入射光频率的称为反斯托克斯光。可以通过拉曼散射信号的强弱反应温度，可通过波分复用技术对拉曼散射形成的斯托克斯光和反向斯托克斯光进行分离和采集分析，获取温度信息。通过光时域反射技术进行测温点的空间定位即通过测试光发射到接收的时间t，反射点的距离L＝(C×t)/2，其中C为光速。

测温主机通过光纤向水下机器人的待测部位传输激光信号，并接收激光信号的散射光信号。对散射光信号进行分离、转换以及分析，得到待测部位的温度信息，其中，温度信息包含散射光信号的功率信息。温度信息蕴含在拉曼散射光功率的强弱变化中。当入射的激光信号进入光纤后，由于光纤纤芯折射率的不均匀性，光子与分子发生作用，产生后向拉曼散射光。后向拉曼散射光的强度受其所处的环境温度影响，所以通过检测拉曼散射光功率的强弱变化，即可获取温度信息。

测温主机包含激光器、波分复用器、光电探测器以及数据采集卡。其中，激光器用于发射激光信号。当激光波长较大时，虽然在光纤中的衰减较小，但其能量也较小，产生的拉曼散射光很弱；当波长较小时，则又会产生较大的衰减。如果通过增加激光功率来保证散射光强又会在光纤中发生另一种拉曼散射：受激拉曼散射。受激拉曼散射具有较强的散射性，但是它与温度没有关系，不能用于测温。通过比较多种波长的入射光在光纤中的衰减图谱，可知在本发明中，中心波长为1550nm入射光在石英光纤中衰减较小。

波分复用器(Wavelength Division Multiplexer，简称WDM)可以将具有多个波长的复色光藕合进入光纤，在接收端分离这些不同波长的光，它大大增加了信息的传播速度，也增加了光纤传播信息的容量。WDM将激光器中输出的激光进行藕合，然后传入光纤中。沿光纤后向返回的散射光具有不同波长，包括波长与入射光相同的瑞丽散射光、布里渊散射光和拉曼散射光，本发明中用于测温所需要的只有拉曼散射光中的反斯托克斯光(Anti-stokes)和斯托克斯光(Stokes)，所以利用波分复用器可以滤出需要的拉曼散射光，将Anti-stokes光和Stokes光分离出来。

光电探测器是将WDM分离出的Anti-stokes光和Stokes光信号进行光电转换的元件，只有光电转换后工控机才能将这两路信号进行处理，最终得出温度信号。Anti-stokes光和Stokes光信号十分微弱，其功率在nW级别，要探测如此微弱的信号就需要高灵敏度的光电二极管，同时需要对采集的光电流进行放大，但是在引入放大电路的同时又会引入它自身的噪声，使得信噪比降低，对温度信号的解调十分不利，用普通的光电二极管无法得到有效的低噪声信号，为了避免这种情况，选用雪崩二极管(Avalanche Photo Diode，简称APD)作为光电转换设备，因为它不仅可以进行光电转换，还能对信号进行放大。

数据采集卡(Data Acquisition Card，简称DAC)它连接光电探测器与工控机，光电探测器传入DAC的是连续的电信号，经过DAC后信号变成离散的，工控机只能处理数字信号。离散的数字信号通过串口线、USB、PIC等接口将信息传入工控机，由工控机对信号进行进一步加工处理。数据采集卡除了可以进行AD转换也可以对信号进行初步处理，实现信号累加求平均等功能。

测温主机通过RS232接口输出温度信息，通过工控机专用应用软件分析软件对测温主机输出的温度数据进行处理，并可根据现场情况设置温度报警等。

工控机对温度信息进行温度解调处理，得到待测部位的实时温度，其中，实时温度包含待测部位中任一空间位置的实时温度信息。通过检测散射光信号光强变化，结合恰当的温度解调方法，便可获取所需要的实时温度信息。常用的温度解调方法有两种，一是单路解调，仅利用Anti-Stokes信号，二是双路解调，利用Anti-Stokes和Stokes的比值进行温度解调。

显示器上包含人机界面，显示被测温度数据等系统监测信息，如图3，显示器显示的信息主要是光纤不同长度处的温度曲线，也可以根据不同应用场所，显示更多信息。

本发明中，待测部位包含水下机器人脐带缆、铠装脐带缆、高压柜以及低压柜。高压柜有发热量较多的变压器，低压柜有较多的电气器件，都需要将温度控制的合理范围。图4显示了根据本发明的一个实施例的用于水下机器人的温度监测装置高压柜及低压柜布线示意图。图4显示的是实物图片，图5显示的是简易示意图，图5显示了测温光纤的走线示意。

目前的水下机器人系统中脐带缆本身没有温度检测，而脐带缆通常包含多芯电线，对于绕在绞车上的脐带缆和入水的脐带缆温度分布不同，线径选择只能通过预估算来控制系统温升，而设计温升情况不能实时监测。采用本发明提出的温度监测方法和系统，利用目前脐带缆中空置的多模光纤即可实时监测整个脐带缆的温度分布情况。利用自带光纤进行测温具有本质安全性，并且抗电磁干扰，因此本发明抗干扰能力强，数据可靠性高。

对于水下机器人本体，由于其长期工作在水下，热量容易散开。而对位于母船上控制舱内部的高压柜和低压柜，由于在柜体内部，且目前也没有对柜体内部空间各点进行温度监测，操作人员对内部温度分布信息不能及时掌握。本发明通过接出一路光纤，沿接触器、变压器布置，在电气线路附件布置测温光缆，可以对柜体内部空间点的温度进行监测。具体方法为将测温光纤沿着电源线布入走线槽内，在断路器和变压器周围则通过缠绕的方式增加光纤和被测设备的接触面积，确保测量更加准确。

图6显示了根据本发明的一个实施例的用于水下机器人的温度监测装置结构框图。如图6所示，温度监测装置600包含第一模块601、第二模块602以及第三模块603。

其中，第一模块601用于通过光纤向水下机器人的待测部位传输激光信号，并接收激光信号的散射光信号。

第二模块602用于对散射光信号进行分离、转换以及分析，得到待测部位的温度信息，其中，温度信息包含散射光信号的功率信息。

第三模块603用于对温度信息进行温度解调处理，得到待测部位的实时温度，其中，实时温度包含待测部位中任一空间位置的实时温度信息。

需要说明的是，ROV：水下遥控作业机器人，是一种可在水下移动、具备视觉和感知系统，通过遥控或者自主的方式操作方式，使用机械手和其他工具去替代人工或者辅助人工去完成水下作业任务。

水下电子仓：目前常用的电力电子元器件及装置有两个标准，其一是通用型适用于地面正常的大气压强环境中的标准；另一个是适用于航空航天的低压力环境下的标准。而对于高压的水下系统，并没有完整的标准体系，因此相应的各种电力电子器件也没有经过高压力环境下的测试。为了满足水下高压力环境的实际环境，通常采用的方式是采用一个外壳对其进行保护，为其营造一个安全的压力环境。实际水下机器人由于在水下不同深度的环境中活动，其压力也是随着变化，因此POD就是采用高强度的特殊密闭框体可以营造一个不随外界压力改变而改变的固定压力环境，从而来保护里面的电力电子装置。

接驳盒：一种充油的电子箱，内部有油浸电子板卡或器件，完成信号转换功能。

综上，本发明提供的用于水下机器人的温度监测方法及装置在测量脐带缆温度时，无需在水下机器人本体和脐带缆上增加其他测试设备，利用脐带缆中的光纤即可完成对整个脐带缆的实时温度监测，抗干扰能力强，数据可靠性高。本发明在测量高压柜低压柜时，可以对柜体内部空间点的温度进行监测。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种用于水下机器人的温度监测方法，其特征在于，所述方法包含以下步骤：

步骤一、通过光纤向所述水下机器人的待测部位传输激光信号，并接收所述激光信号的散射光信号；

步骤二、对所述散射光信号进行分离、转换以及分析，得到所述待测部位的温度信息，其中，所述温度信息包含所述散射光信号的功率信息；

步骤三、对所述温度信息进行温度解调处理，得到所述待测部位的实时温度，其中，所述实时温度包含所述待测部位中任一空间位置的实时温度信息。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤一具体包含以下步骤：

对所述激光信号进行脉冲调制，得到具备预设周期以及预设持续时间的短脉冲信号；

接收所述短脉冲信号的散射光信号，其中，所述散射光信号包含拉曼散射光信号。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤二具体包含以下步骤：

对所述拉曼散射光信号进行信号分离处理，得到第一光信号以及第二光信号；

对所述第一光信号以及所述第二光信号进行光电转换处理以及模数转换处理，得到第一电信号以及第二电信号。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤三具体包含以下步骤：

依据所述第一电信号，进行单路温度解调处理，得到所述待测部位的实时温度。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤三具体包含以下步骤：

依据所述第一电信号以及所述第二电信号，进行双路解调处理，得到所述待测部位的实时温度。

6.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，步骤二中还包含以下步骤：

对所述散射光信号进行光时域反射技术分析，得到所述待测部位中任一空间位置对应的温度信息。

7.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包含：设置校准光缆，将所述校准光缆置于预设参考温度下，用于温度定标。

8.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包含：

当所述实时温度高于第一预设阈值时，发出预警警报，提示异常温度点的位置信息；

当所述实时温度的温度提升速率高于第二预设阈值时，发出预警警报，提示异常温度点的位置信息。

9.如权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于，所述待测部位包含水下机器人脐带缆、铠装脐带缆、高压柜以及低压柜。

10.一种用于水下机器人的温度监测装置，其特征在于，所述装置包含：

第一模块，其用于通过光纤向所述水下机器人的待测部位传输激光信号，并接收所述激光信号的散射光信号；

第二模块，其用于对所述散射光信号进行分离、转换以及分析，得到所述待测部位的温度信息，其中，所述温度信息包含所述散射光信号的功率信息；

第三模块，其用于对所述温度信息进行温度解调处理，得到所述待测部位的实时温度，其中，所述实时温度包含所述待测部位中任一空间位置的实时温度信息。

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