CN114415250A - 一种利用磁天线和压力计联合垂直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压力计联合垂直探测海底光缆埋深的方法，即将一个三维磁探头装置（正交磁棒天线）和陀螺仪、压力计安装在一起组成水下探测器，并向接收设备实时传输磁探头数据、压力计数据和陀螺仪数据；计算三维磁探头装置在两个位置在垂直剖面上的倾斜角，对各位置处求出的海底光缆埋深值取平均，得到最终的海底光缆埋深。本发明所公开方法与之前方法最大的区别在于采用垂直海面方向探测，而不是采用沉底拖曳的测量方式，在确保测量精度的同时，一方面可以不用考虑水下探测器与海底光缆的相对距离、方位，另一方面不用将水下探测器放置在海底并利用作业船拖拽前进，操控性更强。

Description

一种利用磁天线和压力计联合垂直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压力计联合垂直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；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，由于基阵跨海缆和基阵不跨海缆两种情况下对应的海缆埋深公式不同，因此实际测量时需给出这两种情况的判定方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种利用磁天线和压力计联合垂直探测海底光缆埋深的方法。

本发明采用如下技术方案：

一种利用磁天线和压力计联合垂直探测海底光缆埋深的方法，其改进之处在于：将一个三维磁探头装置(正交磁棒天线)和陀螺仪、压力计安装在一起组成水下探测器，该水下探测器通过电缆与作业船上的接收设备电连接，并向接收设备实时传输磁探头数据、压力计数据和陀螺仪数据；

当作业船到达测试点时，将水下探测器投放至水中慢慢沉入海底，当压力计数据稳定时，判定水下探测器已沉底，并采集位置1的磁探头数据、压力计数据和陀螺仪数据，然后通过回收电缆使水下探测器尽可能沿垂直于海面方向慢慢上浮，实时采集上浮过程中位置2至位置N的磁探头数据、压力计数据和陀螺仪数据；

计算三维磁探头装置在位置n时与位置1在垂直剖面上的倾斜角θ，n＝2,3,4,…,N，

Δx为位置n与位置1的水平距离差，根据陀螺仪测量的加速度值求出，h为位置n与位置1的垂直距离差，根据压力计测量的压力差求出；θ越大，计算精度越差；

在θ＜1°时，保留位置n处的磁探头数据，以确保计算精度，若保留的磁探头数据少于3处，则将水下探测器再次投放至水中重新测量；

定义三维磁探头装置离海底光缆的水平距离为x，位置1(海底)离海底光缆的垂直距离z₁等于海底光缆的埋深，位置n离海底光缆的垂直距离为z₂，z₁、z₂和x均为非负数，z₂＝z₁+h；

在位置1和位置n处三维磁探头装置(天线)磁场的幅度值分别为：

其中(2)、(3)式分别表示位置1处三维磁探头装置(天线)垂直、水平磁场的幅度值，(4)、(5)式分别表示位置n处三维磁探头装置(天线)垂直、水平磁场的幅度值，I为海底光缆的低频交流电流值；

根据(2)、(3)式可得：

若

用

计算，方程式为：

若

用

计算，方程式为：

通过方程式(7)或(8)可以求出海底光缆的埋深z₁；

对各位置处求出的海底光缆埋深z₁值取平均，得到最终的海底光缆埋深。

本发明的有益效果是：

本发明所公开方法与之前方法最大的区别在于采用垂直海面方向探测，而不是采用沉底拖曳的测量方式，在确保测量精度的同时，一方面可以不用考虑水下探测器与海底光缆的相对距离、方位，另一方面不用将水下探测器放置在海底并利用作业船拖拽前进，操控性更强。

附图说明

图1是双三维阵列探头的示意图；

图2是本发明方法的作业方式示意图；

图3是本发明方法的流程示意图；

图4是从位置1至位置n移动时水平分量的方向示意图。

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压力计联合垂直探测海底光缆埋深的方法，如图2，3所示，具体步骤为：第一步，将水下探测器投放至水中慢慢沉入海底，当压力计数据稳定时，判定水下探测器已沉底，并采集位置1处的数据；第二步，通过回收电缆使水下探测器慢慢上浮，控制缆绳方向和水下探测器姿态，尽可能使水下探测器沿垂直于海面方向上浮，实时采集上浮过程中位置2至位置N处的(N-1)组数据；第三步，根据位置1和位置n(n＝2,3,4,…,N)处的陀螺仪和压力计数据分别计算出这两处的水平距离Δx和垂直距离h；第四步，判断倾斜角θ是否小于1°。若小于1°，则继续第五步；若大于等于1°，则返回第三步取下一组(位置n+1处)数据进行计算，若小于1°的位置少于3处，则返回第一步将水下探测器再次投放至水中重新测量；第五步，根据位置1测得的磁场水平分量和垂直分量的大小关系，确定使用方程式(7)或(8)求解z₁，即可得出一组海底光缆埋深，再返回第三步取位置n+1处的数据进行计算；第六步，结束位置N处的数据计算后，将前面所得的所有海底光缆埋深值z₁取平均，得到最终的海底光缆埋深值。图4是从位置1至位置n移动时水平分量的方向示意图。

Claims (2)

1.一种利用磁天线和压力计联合垂直探测海底光缆埋深的方法，其特征在于：将一个三维磁探头装置和陀螺仪、压力计安装在一起组成水下探测器，该水下探测器通过电缆与作业船上的接收设备电连接，并向接收设备实时传输磁探头数据、压力计数据和陀螺仪数据；

当作业船到达测试点时，将水下探测器投放至水中慢慢沉入海底，当压力计数据稳定时，判定水下探测器已沉底，并采集位置1的磁探头数据、压力计数据和陀螺仪数据，然后通过回收电缆使水下探测器沿垂直于海面方向慢慢上浮，实时采集上浮过程中位置2至位置N的磁探头数据、压力计数据和陀螺仪数据；

计算三维磁探头装置在位置n时与位置1在垂直剖面上的倾斜角θ，n＝2,3,4,…,N，

Δx为位置n与位置1的水平距离差，根据陀螺仪测量的加速度值求出，h为位置n与位置1的垂直距离差，根据压力计测量的压力差求出；

在θ＜1°时，保留位置n处的磁探头数据，若保留的磁探头数据少于3处，则将水下探测器再次投放至水中重新测量；

定义三维磁探头装置离海底光缆的水平距离为x，位置1离海底光缆的垂直距离z₁等于海底光缆的埋深，位置n离海底光缆的垂直距离为z₂，z₁、z₂和x均为非负数，z₂＝z₁+h；

在位置1和位置n处三维磁探头装置磁场的幅度值分别为：

其中(2)、(3)式分别表示位置1处三维磁探头装置垂直、水平磁场的幅度值，(4)、(5)式分别表示位置n处三维磁探头装置垂直、水平磁场的幅度值，I为海底光缆的低频交流电流值；

根据(2)、(3)式可得：

若

用

计算，方程式为：

若

用

计算，方程式为：

通过方程式(7)或(8)可以求出海底光缆的埋深z₁；

对各位置处求出的海底光缆埋深z₁值取平均，得到最终的海底光缆埋深。

2.根据权利要求1所述利用磁天线和压力计联合垂直探测海底光缆埋深的方法，其特征在于：三维磁探头装置为正交磁棒天线。

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