CN114371510A - 一种利用磁天线和惯导联合探测海底光缆埋深的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用磁天线和惯导联合探测海底光缆埋深的方法，即将一个水下三维探头装置和惯导安装在一起后投放至海底作为水下拖鱼，水下拖鱼通过水下电缆与作业船上的接收设备连接，作业船牵引水下拖鱼沿海底光缆轴向走S字型前进，通过测量通电海底光缆周围不同两点位置处的三分量交变磁场信号来计算海底光缆埋深，包括如下步骤：步骤1，利用场分量的相位特征判断水下拖鱼从位置1沿直线移动到位置2时是否跨过海底光缆：步骤2，利用场分量幅度值计算海底光缆埋深。本发明所公开的方法，在保证足够信噪比的前提下，无论水下拖鱼与海底光缆的位置或夹角如何，埋深计算精度都很高，尤其保精度的埋深深度在相同条件下可达百米以上。

Description

一种利用磁天线和惯导联合探测海底光缆埋深的方法

技术领域

本发明属于低频电磁波跨水空介质传播应用研究领域，特别涉及该领域中的一种利用磁天线和惯导联合探测海底光缆埋深的方法。

背景技术

目前广泛使用且较为成熟的海缆埋深探测方法是有源电磁探测法。其基本原理是在海缆上通以超低频(30Hz～300Hz)交变电流，通过检测在海缆周围产生的电磁场信号来判断海缆埋深。海军工程大学周学军和王红霞基于这一原理提出了一种利用双三维阵列探头检测海缆埋深的方法，该方法为将两个探头固定在一根长度为d的刚性杆两端，在探头上分别装有三个两两正交的磁棒天线，组成两个基阵，来探测x、y、z三个方向的磁场信号。如图1所示，分别以两基阵的中心o₁o₂为原点建立直角坐标系，o₁z₁、o₂z₂为与海床垂直的方向，o₁x₁、o₂x₂为杆的方向。通过测量出的磁场信号求出各探头磁场矢量和在oxy平面内的投影与x轴的夹角α、以及与o₁z₁、o₂z₂之间的夹角β_i(i＝1,2)。然后将基阵与海缆的相对位置关系分为三种：基阵跨海缆、基阵在海缆的左上方和基阵在海缆的右上方。分别推导出这三种情况下海缆埋深h与d、α和β_i(i＝1,2)之间的关系式，进而得出埋深值。

该方法的优点在于无论基阵是否在海缆的上方，无论海缆路由是否垂直于阵列，均可测出海缆埋深。但该方法也存在三点不足之处：第一，当基阵离海缆很远或者基阵连接杆与海缆轴向的夹角较小时，计算精度较差，因工程上基阵连接杆仅能做到2米左右，此种限制导致保精度的埋深深度最多到6米左右；第二，该方法不适用于任一基阵位于海缆正上方的情况；第三，需要采用两组三维正交磁棒天线，并通过硬性杆固定连接这两组天线，操控性不强。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种利用一组三维正交磁棒天线和惯导组成的测量设备测量海底光缆埋深的方法，该方法可以在不用考虑测量设备与海底光缆的相对距离、方位的前提下准确测量海底光缆的埋深。

本发明采用如下技术方案：

一种利用磁天线和惯导联合探测海底光缆埋深的方法，其改进之处在于，将一个水下三维探头装置和惯导安装在一起后投放至海底作为水下拖鱼，水下拖鱼通过水下电缆与作业船上的接收设备连接，作业船牵引水下拖鱼沿海底光缆轴向走S字型前进，通过测量通电海底光缆周围不同两点位置1，2处的三分量交变磁场信号来计算海底光缆埋深，包括如下步骤：

步骤1，利用场分量的相位特征判断水下拖鱼从位置1沿直线移动到位置2时是否跨过海底光缆：

定义海底光缆坐标系：垂直于海底光缆方向为x方向，沿海底光缆方向为y方向；定义水下拖鱼坐标系：从位置2至位置1方向为x’方向，垂直于水下拖鱼移动轨迹方向为y’方向；z与z’方向一致，均为垂直于海面方向，x’方向与x方向的夹角为θ，θ∈[0,π/2]；

则水下拖鱼坐标系的方向在海底光缆坐标系中的方向为：

当海底光缆上通以低频交流电流时，海底光缆上电流产生的磁场近似于绕海底光缆的同心圆，即：

H_x、H_y和H_z分别为海底光缆上电流在x、y和z轴方向上产生的磁场强度，I为低频交流电流值，

如水下三维探头装置上测得的两点位置间的磁场z分量相位差是0度，则水下拖鱼未跨过海底光缆；如水下三维探头装置上测得的两点位置间的磁场z分量相位差是180度，则水下拖鱼跨过海底光缆；

步骤2，利用场分量幅度值计算海底光缆埋深：

若位置1离海底光缆的水平距离为x₁，位置2离海底光缆的水平距离为x₂，海底光缆埋深为z，x₁、x₂和z均为非负数，根据x’方向与x方向的夹角θ可知：

x₂＝d cosθ±x₁ (4)

上式中，当水下拖鱼未跨过海底光缆时取正号，当水下拖鱼跨过海底光缆时取负号；

根据坐标轴转换关系可得到位置1和位置2处天线磁场的幅度值分别为：

其中(5)、(6)、(7)式表示位置1处天线磁场的幅度值，(8)、(9)、(10)式表示位置2处天线磁场的幅度值；

根据(5)、(6)两式可将θ求出：

令

判断位置1处的总场强H₁是否小于位置2处的总场强H₂，若是，则将位置1与位置2上的信号值互换，确保位置1比位置2更靠近海底光缆；

令

根据(5)(6)(7)式可得：

在水下拖鱼未跨过海底光缆时：

a)若

用

计算，方程式为：

A(B-1)(A²+1)z²+d cosθ[(B-2)A²+B]z-Ad² cos²θ＝0 (13)

d为位置1至位置2的直线距离；

b)若

用

计算，方程式为：

(1-B)(A²+1)z²+2Ad cosθz+d² cos²θ＝0 (14)

在水下拖鱼跨过海底光缆时：

a)若

用

计算，方程式为：

A(B+1)(A²+1)z²-d cosθ[(B+2)A²+B]z+Ad² cos²θ＝0 (15)

b)若

用

计算，方程式为：

(B-1)(A²+1)z²+2Adcosθz-d² cos²θ＝0 (16)

根据方程式(13)、(14)、(15)或(16)可以求出方程的正根z₁，即为海底光缆埋深。

本发明的有益效果是：

本发明所公开的方法，在保证足够信噪比的前提下，无论水下拖鱼与海底光缆的位置或夹角如何，埋深计算精度都很高，尤其保精度的埋深深度在相同条件下可达百米以上；第二，该方法也适用于水下拖鱼位于海底光缆正上方的情况；第三，给出了判断水下拖鱼是否跨海底光缆的方法，因此不需要在已知水下拖鱼是否跨海底光缆的情况下测量海底光缆埋深；第四，仅需要一组三维正交磁棒天线，操控性强。

附图说明

图1是现有双三维阵列探头示意图；

图2是探测海底光缆埋深的作业方式示意图；

图3是本发明方法的流程示意图；

图4是水下拖鱼未跨过海底光缆的示意图；

图5是水下拖鱼跨过海底光缆的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1，本实施例公开了一种利用磁天线和惯导联合探测海底光缆埋深的方法，如图2所示，将一个水下三维探头装置(探测器)和惯导安装在一起后投放至海底作为水下拖鱼，水下拖鱼通过水下电缆与作业船上的接收设备连接，作业船牵引水下拖鱼沿海底光缆轴向走S字型前进，通过测量通电海底光缆周围不同两点位置1，2处的三分量交变磁场信号来计算海底光缆埋深，如图3所示，包括如下步骤：

步骤1，利用场分量的相位特征判断水下拖鱼从位置1沿直线移动到位置2时是否跨过海底光缆：

定义海底光缆坐标系：垂直于海底光缆方向为x方向，沿海底光缆方向为y方向；定义水下拖鱼坐标系：从位置2至位置1方向为x’方向，垂直于水下拖鱼移动轨迹方向为y’方向；z与z’方向一致，均为垂直于海面方向，x’方向与x方向的夹角为θ，θ∈[0,π/2]；

则水下拖鱼坐标系的方向在海底光缆坐标系中的方向为：

当海底光缆上通以低频交流电流时，海底光缆上电流产生的磁场近似于绕海底光缆的同心圆，即：

在计算海底光缆埋深之前，首先应判断水下拖鱼从位置1沿直线移动到位置2时是否跨过海底光缆的状态。H_x、H_y和H_z分别为海底光缆上电流在x、y和z轴方向上产生的磁场强度，I为低频交流电流值，

如水下三维探头装置上测得的两点位置间的磁场z分量相位差是0度，则如图4所示，水下拖鱼未跨过海底光缆；如水下三维探头装置上测得的两点位置间的磁场z分量相位差是180度，则如图5所示，水下拖鱼跨过海底光缆；

根据这一依据，可以根据测得的两点位置间的磁场z分量相位差来判断水下拖鱼是否有跨过海底光缆。

步骤2，利用场分量幅度值计算海底光缆埋深：

若位置1离海底光缆的水平距离为x₁，位置2离海底光缆的水平距离为x₂，海底光缆埋深为z，x₁、x₂和z均为非负数，根据x’方向与x方向的夹角θ可知：

x₂＝d cosθ±x₁ (4)

上式中，当水下拖鱼未跨过海底光缆时取正号，当水下拖鱼跨过海底光缆时取负号；

根据坐标轴转换关系可得到位置1和位置2处天线磁场的幅度值分别为：

其中(5)、(6)、(7)式表示位置1处天线磁场的幅度值，(8)、(9)、(10)式表示位置2处天线磁场的幅度值；

根据(5)、(6)两式可将θ求出：

令

判断位置1处的总场强H₁是否小于位置2处的总场强H₂，若是，则将位置1与位置2上的信号值互换，确保位置1比位置2更靠近海底光缆；

令

根据(5)(6)(7)式可得：

以下分水下拖鱼未跨过海底光缆和水下拖鱼跨过海底光缆两种情况具体分析：

情况一：在水下拖鱼未跨过海底光缆时：

a)若

用

计算，方程式为：

A(B-1)(A²+1)z²+d cosθ[(B-2)A²+B]z-Ad² cos²θ＝0 (13)

d为位置1至位置2的直线距离，可根据惯导输出的信息求出；

b)若

用

计算，方程式为：

(1-B)(A²+1)z²+2Ad cosθz+d² cos²θ＝0 (14)

情况二：在水下拖鱼跨过海底光缆时：

a)若

用

计算，方程式为：

A(B+1)(A²+1)z²-dcosθ[(B+2)A²+B]z+Ad² cos²θ＝0 (15)

b)若

用

计算，方程式为：

(B-1)(A²+1)z²+2Ad cosθz-d² cos²θ＝0 (16)根据方程式(13)、(14)、(15)或(16)可以求出方程的正根z₁，即为海底光缆埋深。

Claims (1)

1.一种利用磁天线和惯导联合探测海底光缆埋深的方法，其特征在于，将一个水下三维探头装置和惯导安装在一起后投放至海底作为水下拖鱼，水下拖鱼通过水下电缆与作业船上的接收设备连接，作业船牵引水下拖鱼沿海底光缆轴向走S字型前进，通过测量通电海底光缆周围不同两点位置1，2处的三分量交变磁场信号来计算海底光缆埋深，包括如下步骤：

步骤1，利用场分量的相位特征判断水下拖鱼从位置1沿直线移动到位置2时是否跨过海底光缆：

定义海底光缆坐标系：垂直于海底光缆方向为x方向，沿海底光缆方向为y方向；定义水下拖鱼坐标系：从位置2至位置1方向为x’方向，垂直于水下拖鱼移动轨迹方向为y’方向；z与z’方向一致，均为垂直于海面方向，x’方向与x方向的夹角为θ，θ∈[0,π/2]；

则水下拖鱼坐标系的方向在海底光缆坐标系中的方向为：

当海底光缆上通以低频交流电流时，海底光缆上电流产生的磁场近似于绕海底光缆的同心圆，即：

H_x、H_y和H_z分别为海底光缆上电流在x、y和z轴方向上产生的磁场强度，I为低频交流电流值，

如水下三维探头装置上测得的两点位置间的磁场z分量相位差是0度，则水下拖鱼未跨过海底光缆；如水下三维探头装置上测得的两点位置间的磁场z分量相位差是180度，则水下拖鱼跨过海底光缆；

步骤2，利用场分量幅度值计算海底光缆埋深：

若位置1离海底光缆的水平距离为x₁，位置2离海底光缆的水平距离为x₂，海底光缆埋深为z，x₁、x₂和z均为非负数，根据x’方向与x方向的夹角θ可知：

x₂＝dcosθ±x₁ (4)

上式中，当水下拖鱼未跨过海底光缆时取正号，当水下拖鱼跨过海底光缆时取负号；

根据坐标轴转换关系可得到位置1和位置2处天线磁场的幅度值分别为：

其中(5)、(6)、(7)式表示位置1处天线磁场的幅度值，(8)、(9)、(10)式表示位置2处天线磁场的幅度值；

根据(5)、(6)两式可将θ求出：

令

判断位置1处的总场强H₁是否小于位置2处的总场强H₂，若是，则将位置1与位置2上的信号值互换，确保位置1比位置2更靠近海底光缆；

令

根据(5)(6)(7)式可得：

在水下拖鱼未跨过海底光缆时：

a)若

用

计算，方程式为：

A(B-1)(A²+1)z²+dcosθ[(B-2)A²+B]z-Ad²cos²θ＝0 (13)

d为位置1至位置2的直线距离；

b)若

用

计算，方程式为：

(1-B)(A²+1)z²+2Adcosθz+d²cos²θ＝0 (14)

在水下拖鱼跨过海底光缆时：

a)若

用

计算，方程式为：

A(B+1)(A²+1)z²-dcosθ[(B+2)A²+B]z+Ad²cos²θ＝0 (15)

b)若

用

计算，方程式为：

(B-1)(A²+1)z²+2Adcosθz-d²cos²θ＝0 (16)

根据方程式(13)、(14)、(15)或(16)可以求出方程的正根z₁，即为海底光缆埋深。

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