CN114518601A - 海底电缆搜索与定位装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及种海底电缆搜索与定位装置及方法，该包括由第一探测棒、第二探测棒、第三探测棒和第四探测棒组成的锤形探测器、信号采集及控制装置和数据分析平台，第一、二、三探测棒均为位置探测棒，结构相同且依次竖向等距分布，第四探测棒横设于第三探测棒旁侧且与其成90°夹角；锤形探测器和信号采集及控制装置搭载在水下机器人上下水测量，初步探测到海缆的信号后，先根据位置探测棒感应电动势计算出锤形探测器与海缆的垂直及水平相对距离，再通过第四探测棒与第三探测棒计算出锤形探测器与海缆的路由偏角，进而确定海缆的唯一位置坐标。该装置及方法不仅能够快速、准确地确定海缆位置，而且结构简单，易于实现，对后续信号处理的要求低。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种海底电缆搜索与定位装置及方法。
背景技术
随着人们对海洋资源的不断深入挖掘，海缆(包括海底电缆和海底光缆)逐步成为跨海通信以及海上作业的主要手段并被广泛使用。为了预防和避免海上的未知因素(例如船锚勾到海缆、海上工程项目施工等)损害海缆，影响光缆通信、海上供电等，海缆路由及埋设深度的精确探测十分必要。目前的探测方法包括交流磁场探测法、绝对磁场探测法、金属探测法和交流载波法等。交流载波法是一种切实有效的基于海缆电磁特性的磁学探测法。其基本原理是当在海缆中通入特定频率和功率的交流电时，海缆会产生向周围空间扩散的电磁场。在适当的距离内利用特制的传感器接收此电磁波信号并进行处理分析，可得出海缆的位置及路由信息。由铜线圈与磁芯组成的磁探测棒是比较实用的一种基于交流磁场探测法的传感器。但要得到海缆的路由、位置以及埋深的可靠信息，还需要将线圈探头以合适的方式进行组合。其中比较具有代表性的线圈探头组合方案是基于水下机器人的双三维磁探头阵列——该基阵由两个三维探棒基阵组成，每个三维探棒基阵由三个相互正交的相同探棒组成。根据不同线圈上同时测得的磁感应强度的正负关系来判断海缆的路由和探测基阵的相对位置关系，通过不同线圈上测得的感应电动势的比值来计算海缆的埋深数据。然而，双三维磁探头阵列需要六个尺寸相同的探棒，结构复杂。且在判断海缆相对位置时，需要用到各探棒感应电动势在同一时刻的正负关系，要求后续电路至少能同时处理六路信号来保证海缆路由判断的准确性。因此，该模式对后续信号处理要求较为严苛。
发明内容
本发明的目的在于提供一种海底电缆搜索与定位装置及方法，该装置及方法不仅能够快速、准确地确定海缆位置，而且结构简单，易于实现，对后续信号处理的要求低。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种海底电缆搜索与定位装置，包括由第一探测棒、第二探测棒、第三探测棒和第四探测棒组成的锤形探测器、信号采集及控制装置和数据分析平台，所述第一探测棒、第二探测棒和第三探测棒均为位置探测棒，结构相同且依次竖向等距分布，所述第四探测棒横向设置于第三探测棒旁侧且与第三探测棒成90°夹角；所述锤形探测器和信号采集及控制装置搭载在水下机器人上下水测量，初步探测到海缆的信号后，先根据位置探测棒感应电动势计算出锤形探测器与海缆的垂直及水平相对距离，再通过第四探测棒与第三探测棒计算出锤形探测器与海缆的路由偏角，进而确定海缆的唯一位置坐标。
进一步地，所述第一探测棒、第二探测棒、第三探测棒和第四探测棒均为磁感应线圈，四个磁感应线圈形成锤形传感器基阵，以进行磁信号探测。
进一步地，所述信号采集及控制装置包括信号调理电路、数据采集模块和中央控制模块，所述锤形探测器依次经信号调理电路、数据采集模块与中央控制模块连接，所述中央控制模块与上位的数据分析平台进行数据通信。
进一步地，所述信号调理电路包括基于ADA4004的放大电路和基于ADA4625的滤波电路，用于进行模拟信号调理，实现微小信号放大、30Hz-70Hz的带通滤波；所述数据采集模块包括AD7192模数转换器、SPI接口电路和电源电路，所述SPI接口电路用于与中央控制模块进行通信；所述中央控制模块包括以STM32H750XBH6为中央处理器的控制电路、按键电路、以太网电路、CH340接口电路、LED灯与蜂鸣器组和SWD下载与调试电路，所述SWD下载与调试电路用于与数据分析平台进行数据通信。
本发明还提供了基于上述装置的海底电缆搜索与定位方法，包括以下步骤：
步骤S1、控制水下机器人向海缆可能存在的方向移动，直至第四探测棒感应电动势出现，说明已接近海缆；由于第一、第二和第三探测棒均在第四探测棒下方，故此时所有探测棒都能探测到感应电动势；
步骤S2、获取第一、第二、第三探测棒的感应电动势幅值，计算出海缆与第二探测棒的水平间距及垂直间距；
步骤S3、水下机器人带动锤形探测器水平旋转，直到第四探测棒的感应电动势有效值为其旋转一周的最大值，则此时第四探测棒与海缆路由方向垂直，进而确定海缆的路由走向；
步骤S4、通过步骤S3得到的海缆路由走向，将步骤S2计算得出的间距转化为两个可能存在海缆的位置点；
步骤S5、根据第四探测棒与第三探测棒的感应电动势瞬时正负关系，得到海缆磁场产生的磁力线穿过第四探测棒的方向，从而确定唯一的一个海缆位置点。
进一步地，所述步骤S2包括以下步骤：
步骤S21、获取第一、第二、第三探测棒的感应电动势幅值；
设定单个探测棒与海缆的水平夹角为
探测棒中心磁感应强度的x轴分量，即探测棒的有效磁感应强度分量为Bx，探测棒与海缆的水平间距为x’，垂直间距为y’，则探测棒的感应电动势为：
因此，第一探测棒、第二探测棒和第三探测棒的感应电动势如下：
其中，
y1、y2、y3分别为海缆与第一、第二、第三探测棒的垂直间距，x为海缆与锤形探测器中心的水平间距；
步骤S22：计算海缆与锤形探测器中心的垂直间距y；
设锤形探测器中心落在第二探测棒中心处，故y＝y2；设定第二探测棒与第三探测棒的感应电动势的比值为a，第二探测棒与第一探测棒的感应电动势的比值为b，则感应电动势的比值方程组为：
根据海缆与各探测棒的位置关系，得到：
其中，L表示第一探测棒中心与第二探测棒中心之间的距离，或者第二探测棒中心与第三探测棒中心之间的距离；
合并以上方程，得到：
求解得到海缆相对于第二探测棒的垂直间距y：
将a与b用感应电动势的比代入，得到：
步骤S23：计算海缆与锤形探测器的水平间距x；
将感应电动势的比值方程组(1)中的两个方程相加，并将方程组(2)代入，得到：
将式(5)计算出的垂直间距y代入式(6)计算得到水平间距x：
进一步地，若锤形探测器的中心在海缆正上方，x＝0，此时三个位置探测棒的感应电动势均为零，无法利用感应电动势计算海缆位置，此时通过倾斜走航法对海底电缆的位置进行判断：
将锤形探测器往海缆路由的垂直方向倾斜45°，保持倾斜角度继续沿该方向水平移动锤形探测器，并且不断监测第三、第四探测棒的感应电动势与移动距离；当第三或者第四探测棒的感应电动势在移动过程中下降为0时，停止移动锤形探测器；
根据海缆的磁力线特征，此时第三或者第四探测棒中有一个与磁力线朝向一致，磁力线对其感应电动势的产生贡献最大，另一个垂直于磁力线朝向，磁力线不穿过探测棒，不产生感应电动势，则此时锤形探测器与海缆的垂直距离与水平距离相等，即y＝x，其中x等于锤形探测器倾斜后移动的水平距离；
根据海缆路由方向判断出可能存在海缆的两个位置点；然后根据第三与第四探测棒上感应电动势的瞬时正负关系对海缆的相对位置做出判断，以确定海缆的唯一位置坐标。
进一步地，所述步骤S5中，假设海底电缆产生的磁力线右至左穿过第四探测棒产生的感应电动势ε4为正，海底电缆产生的磁力线从上至下穿过第三探测棒产生的感应电动势ε3为负；由海底电缆磁力线与探测器的位置关系可知：通过观测某时刻第三与第四探测棒上感应电动势的正负关系推断海缆磁力线穿过线圈的方向，结合海底电缆磁力线方向的性质与水平相对距离x，做感应电动势的瞬时乘积来判断海底电缆的相对位置：
当ε3·ε4＞0，海底电缆在锤形探测器右侧；
当ε3·ε4＜0，海底电缆在锤形探测器左侧。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明通过锤形探测器中的四根探测棒就能够完成对海缆路由以及海缆与探测器之间的水平间距和垂直间距的探测，从而快速、准确地确定海缆位置。由于探测基阵的结构特性，本装置在探测范围内无需先确定海缆的路由走向，在任意位置均可直接得出探测器距海缆的垂直距离与水平距离，后续通过第三、第四探测棒的路由偏角计算结果为距离提供方向指引以确定海缆坐标。且由于在判断海缆相对位置中只需要用到两个位置的探测棒感应电动势的大小关系，本发明在探测器静止探测时不需要同步进行采样，有效减小了对后续电路的压力。本发明的锤形探测器中，三个探测棒之间的距离可调节，合理设计该间隔，既避免了探棒在探测过程中自身产生的磁场对其他探棒产生干扰，又能够根据实际环境灵活调节其分辨率。因此，本发明具有很强的实用性和广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例中锤形探测器的结构示意图；
图2为本发明实施例中单个探测棒与海缆的夹角示意图；
图3为本发明实施例中锤形探测器通过倾斜走航法判断海缆位置的示意图；
图4为本发明实施例中锤形探测器判断出海缆路由方向后通过距离计算对海缆位置进行判断的示意图；
图5为本发明实施例中锤形探测器通过第三、四探棒判断出海缆左右关系的示意图；
图6为本发明实施例中携带锤形探测器进行海缆路由探测的探测流程示意图；
图7为本发明实施例中电源模块的结构示意图；
图8为本发明实施例的装置架构示意图。
图中：1、第一探棒；2、第二探棒；3、第三探棒；4、第四探棒；5、海床；6、海缆；7、海缆周围磁力线分布；8、海缆的可能位置点；9、海缆的路由方向；10、磁矢量的水平分量；11、磁矢量的垂直分量。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1、8所示，本实施例提供了一种海底电缆搜索与定位装置，包括由第一探测棒、第二探测棒、第三探测棒和第四探测棒组成的锤形探测器、信号采集及控制装置和数据分析平台，所述第一探测棒、第二探测棒和第三探测棒均为位置探测棒，结构相同且依次竖向等距分布，所述第四探测棒横向设置于第三探测棒旁侧且与第三探测棒成90°夹角；所述锤形探测器和信号采集及控制装置搭载在水下机器人上下水测量，初步探测到海缆的信号后，先根据位置探测棒感应电动势计算出锤形探测器与海缆的垂直及水平相对距离，再通过第四探测棒与第三探测棒计算出锤形探测器与海缆的路由偏角，进而确定海缆的唯一位置坐标。
在本实施例中，所述第一探测棒、第二探测棒、第三探测棒和第四探测棒均为磁感应线圈，四个磁感应线圈形成锤形传感器基阵，以进行磁信号探测。
如图8所示，所述信号采集及控制装置包括信号调理电路、数据采集模块和中央控制模块，所述锤形探测器依次经信号调理电路、数据采集模块与中央控制模块连接，所述中央控制模块与上位的数据分析平台进行数据通信。
中央控制模块主要实现数据采集与上传功能，包括调控采集电路的放大增益，数字滤波，计算原始信号大小(因为放大电路是自适应型的)，捕捉电压峰值等。相关计算分析功能在数据分析平台上实现，因为相比于stm32，数据分析平台基于计算机实现，拥有更好的处理性能。此外，数据分析平台不设在机器人上而在水面船上，方便使用者观测信号变化，搜索指引等。
在本实施例中，所述信号调理电路包括基于ADA4004的放大电路和基于ADA4625的滤波电路，用于进行模拟信号调理，实现微小信号放大、30Hz-70Hz的带通滤波。所述数据采集模块包括AD7192模数转换器、SPI接口电路和电源电路，所述SPI接口电路用于与中央控制模块进行通信。所述中央控制模块包括以STM32H750XBH6为中央处理器的控制电路、按键电路、以太网电路、CH340接口电路、LED灯与蜂鸣器组和SWD下载与调试电路，SWD下载与调试电路用于与数据分析平台进行数据通信。中央控制模块通过SPI通信方式取得信号处理层采集到的信号，完成数字滤波、FFT频谱分析、幅值提取等数据预处理工作，然后上传给数据分析平台。所述数据分析平台采用LabView设计，实现上述海缆定位算法，及必要的数据处理，存储，回放等功能。
本实施例设计的基于ADA4004-4与ADA4625-1的信号调理电路具有对多路微小信号进行放大，并进行30HZ—70HZ的通带滤波的作用。同时基于AD7192设计而成的AD采样模块，具有24位的AD采样精度，支持四路信号的同时采集，满足了锤形探测基阵较远距离进行海缆的磁信号探测需求。
本实施例设计的基于STM32H750XBH6设计的中央控制模块与基于LabView设计的人机交互与数据分析平台，可以对采集到的数字信号进行数字滤波、能够进行FFT频谱分析、感应电动势的幅值与有效值地提取与计算、实现算法分析与结果显示及存储、回放，具有良好的数据分析能力与人机交互体验。
如图7所示，锤形探测器、信号调理电路、数据采集模块与中央控制模块的电源电路具有以下特征：
电池组由两块7.4V的锂电池串联而成，正常工作时可提供14.8V电压。配有电源适配器，可以重复充放电。经过小电流开关、自恢复保险丝与防反接二极管组成的保护电路、基于CJ7812芯片设计的稳压电路，将14.8V的电压稳定在12V。将12V电压分两路，一路经过基于TPS5430芯片设计的电压翻转电路转换成-12V电压，一路经过CJ7805芯片设计的稳压电路将电压转换为5V供电，再经过基于CJT1117B-3.3设计的稳压电路，得到3.3V供电。整个电源模块可提供±12V，5V，3.3V的供电，满足了锤形探测器、信号调理电路、数据采集模块与中央控制模块的供电需求。
如图6所示，本实施例提供了基于上述装置的海底电缆搜索与定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、控制水下机器人向海缆可能存在的方向移动，直至第四探测棒感应电动势出现，说明已接近海缆；由于第一、第二和第三探测棒均在第四探测棒下方，故此时所有探测棒都能探测到感应电动势；
步骤S2、获取第一、第二、第三探测棒的感应电动势幅值，计算出海缆与第二探测棒的水平间距及垂直间距；
步骤S3、水下机器人带动锤形探测器水平旋转，直到第四探测棒的感应电动势有效值为其旋转一周的最大值(其最大值由第一次旋转360°所得)，则此时第四探测棒与海缆路由方向垂直，进而确定海缆的路由走向；
步骤S4、通过步骤S3得到的海缆路由走向，将步骤S2计算得出的间距转化为两个可能存在海缆的位置点；
步骤S5、根据第四探测棒与第三探测棒的感应电动势瞬时正负关系，得到海缆磁场产生的磁力线穿过第四探测棒的方向，从而确定唯一的一个海缆位置点。
在本实施例中，所述步骤S2包括以下步骤：
步骤S21、获取第一、第二、第三探测棒的感应电动势幅值。
设定单个探测棒与海缆的水平夹角为
探测棒中心磁感应强度的x轴分量，即探测棒的有效磁感应强度分量为Bx，探测棒与海缆的水平间距为x’，垂直间距为y’，则探测棒的感应电动势为：
因此，第一探测棒、第二探测棒和第三探测棒的感应电动势如下：
其中，
(由于每个探测棒的材料、结构都相同，故各感应电动势中的系数K相同)；y1、y2、y3分别为海缆与第一、第二、第三探测棒的垂直间距，x为海缆与锤形探测器中心的水平间距。
步骤S22：计算海缆与锤形探测器中心的垂直间距y。
设锤形探测器中心落在第二探测棒中心处，故y＝y2；设定第二探测棒与第三探测棒的感应电动势的比值为a，第二探测棒与第一探测棒的感应电动势的比值为b，则感应电动势的比值方程组为：
根据海缆与各探测棒的位置关系，得到：
其中，L表示第一探测棒中心与第二探测棒中心之间的距离，或者第二探测棒中心与第三探测棒中心之间的距离；
合并以上方程，得到：
求解得到海缆相对于第二探测棒的垂直间距y：
将a与b用感应电动势的比代入，得到：
步骤S23：计算海缆与锤形探测器的水平间距x。
将感应电动势的比值方程组(1)中的两个方程相加，并将方程组(2)代入，得到：
将式(5)计算出的垂直间距y代入式(6)计算得到水平间距x：
若锤形探测器的中心在海缆正上方，x＝0(海缆与锤形探测器的水平相对距离为零)，此时三个位置探测棒的感应电动势均为零，无法如此前一般利用感应电动势计算海缆位置，此时通过倾斜走航法对海底电缆的位置进行判断：
如图3所示，将锤形探测器往海缆路由的垂直方向倾斜45°(海缆的路由方向由步骤S3得到)，保持倾斜角度继续沿该方向水平移动锤形探测器，并且不断监测第三、第四探测棒的感应电动势与移动距离；当第三或者第四探测棒的感应电动势在移动过程中下降为0时，停止移动锤形探测器。
根据海缆的磁力线特征，此时第三或者第四探测棒中有一个与磁力线朝向一致，磁力线对其感应电动势的产生贡献最大，另一个垂直于磁力线朝向，磁力线不穿过探测棒，不产生感应电动势，则此时锤形探测器与海缆的垂直距离与水平距离相等，即y＝x，其中x等于锤形探测器倾斜后移动的水平距离。
根据海缆路由方向判断出可能存在海缆的两个位置点；然后根据第三与第四探测棒上感应电动势的瞬时正负关系对海缆的相对位置做出判断，以确定海缆的唯一位置坐标。
为了方便说明，假设海底电缆产生的磁力线右至左穿过第四探测棒产生的感应电动势ε4为正，海底电缆产生的磁力线从上至下穿过第三探测棒产生的感应电动势ε3为负；由海底电缆磁力线与探测器的位置关系可知：通过观测某时刻第三与第四探测棒上感应电动势的正负关系推断海缆磁力线穿过线圈的方向，结合海底电缆磁力线方向的性质与水平相对距离x，做感应电动势的瞬时乘积来判断海底电缆的相对位置：
当ε3·ε4＞0，海底电缆在锤形探测器右侧；
当ε3·ε4＜0，海底电缆在锤形探测器左侧。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (8)
1.一种海底电缆搜索与定位装置，其特征在于，包括由第一探测棒、第二探测棒、第三探测棒和第四探测棒组成的锤形探测器、信号采集及控制装置和数据分析平台，所述第一探测棒、第二探测棒和第三探测棒均为位置探测棒，结构相同且依次竖向等距分布，所述第四探测棒横向设置于第三探测棒旁侧且与第三探测棒成90°夹角；所述锤形探测器和信号采集及控制装置搭载在水下机器人上下水测量，初步探测到海缆的信号后，先根据位置探测棒感应电动势计算出锤形探测器与海缆的垂直及水平相对距离，再通过第四探测棒与第三探测棒计算出锤形探测器与海缆的路由偏角，进而确定海缆的唯一位置坐标。
2.根据权利要求1所述的海底电缆搜索与定位装置，其特征在于，所述第一探测棒、第二探测棒、第三探测棒和第四探测棒均为磁感应线圈，四个磁感应线圈形成探测基阵，以进行磁信号探测。
3.根据权利要求1所述的海底电缆搜索与定位装置，其特征在于，所述信号采集及控制装置包括信号调理电路、数据采集模块和中央控制模块，所述锤形探测器依次经信号调理电路、数据采集模块与中央控制模块连接，所述中央控制模块与上位的数据分析平台进行数据通信。
4.根据权利要求3所述的海底电缆搜索与定位装置，其特征在于，所述信号调理电路包括基于ADA4004的放大电路和基于ADA4625的滤波电路，用于进行模拟信号调理，实现微小信号放大、30Hz-70Hz的带通滤波；所述数据采集模块包括AD7192模数转换器、SPI接口电路和电源电路，所述SPI接口电路用于与中央控制模块进行通信；所述中央控制模块包括以STM32H750XBH6为中央处理器的控制电路、按键电路、以太网电路、CH340接口电路、LED灯与蜂鸣器组和SWD下载与调试电路，所述SWD下载与调试电路用于与数据分析平台进行数据通信。
5.基于权利要求1-4任一项所述装置的海底电缆搜索与定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、控制水下机器人向海缆可能存在的方向移动，直至第四探测棒感应电动势出现，说明已接近海缆；由于第一、第二和第三探测棒均在第四探测棒下方，故此时所有探测棒都能探测到感应电动势；
步骤S2、获取第一、第二、第三探测棒的感应电动势幅值，计算出海缆与锤形探测器的水平间距及垂直间距；
步骤S3、水下机器人带动锤形探测器水平旋转，直到第四探测棒的感应电动势有效值为其旋转一周的最大值，则此时第四探测棒与海缆路由方向垂直，进而确定海缆的路由走向；
步骤S4、通过步骤S3得到的海缆路由走向，将步骤S2计算得出的间距转化为两个可能存在海缆的位置点；
步骤S5、根据第四探测棒与第三探测棒的感应电动势瞬时正负关系，得到海缆磁场产生的磁力线穿过第四探测棒的方向，从而确定唯一的一个海缆位置点。
6.根据权利要求5所述的海底电缆搜索与定位方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：
步骤S21、获取第一、第二、第三探测棒的感应电动势幅值；
设定单个探测棒与海缆的水平夹角为
探测棒中心磁感应强度的x轴分量，即探测棒的有效磁感应强度分量为Bx，探测棒与海缆的水平间距为x’，垂直间距为y’，则探测棒的感应电动势为：
因此，第一探测棒、第二探测棒和第三探测棒的感应电动势如下：
其中，
y1、y2、y3分别为海缆与第一、第二、第三探测棒的垂直间距，x为海缆与锤形探测器中心的水平间距；
步骤S22：计算海缆与锤形探测器中心的垂直间距y；
设锤形探测器中心落在第二探测棒中心处，故y＝y2；设定第二探测棒与第三探测棒的感应电动势的比值为a，第二探测棒与第一探测棒的感应电动势的比值为b，则感应电动势的比值方程组为：
根据海缆与各探测棒的位置关系，得到：
其中，L表示第一探测棒中心与第二探测棒中心之间的距离，或者第二探测棒中心与第三探测棒中心之间的距离；
合并以上方程，得到：
求解得到海缆相对于第二探测棒的垂直间距y：
将a与b用感应电动势的比代入，得到：
步骤S23：计算海缆与锤形探测器的水平间距x；
将感应电动势的比值方程组(1)中的两个方程相加，并将方程组(2)代入，得到：
将式(5)计算出的垂直间距y代入式(6)计算得到水平间距x：
7.根据权利要求6所述的海底电缆搜索与定位方法，其特征在于，若锤形探测器的中心在海缆正上方，x＝0，此时三个位置探测棒的感应电动势均为零，无法利用感应电动势计算海缆位置，此时通过倾斜走航法对海底电缆的位置进行判断：
将锤形探测器往海缆路由的垂直方向倾斜45°，保持倾斜角度继续沿该方向水平移动锤形探测器，并且不断监测第三、第四探测棒的感应电动势与移动距离；当第三或者第四探测棒的感应电动势在移动过程中下降为0时，停止移动锤形探测器；
根据海缆的磁力线特征，此时第三或者第四探测棒中有一个与磁力线朝向一致，磁力线对其感应电动势的产生贡献最大，另一个垂直于磁力线朝向，磁力线不穿过探测棒，不产生感应电动势，则此时锤形探测器与海缆的垂直距离与水平距离相等，即y＝x，其中x等于锤形探测器倾斜后移动的水平距离；
根据海缆路由方向判断出可能存在海缆的两个位置点；然后根据第三与第四探测棒上感应电动势的瞬时正负关系对海缆的相对位置做出判断，以确定海缆的唯一位置坐标。
8.根据权利要求5所述的海底电缆搜索与定位方法，其特征在于，所述步骤S5中，假设海底电缆产生的磁力线右至左穿过第四探测棒产生的感应电动势ε4为正，海底电缆产生的磁力线从上至下穿过第三探测棒产生的感应电动势ε3为负；由海底电缆磁力线与锤形探测器的位置关系可知：通过观测某时刻第三与第四探测棒上感应电动势的正负关系推断海缆磁力线穿过线圈的方向，结合海底电缆磁力线方向的性质与水平相对距离x，做感应电动势的瞬时乘积来判断海底电缆的相对位置：
当ε3·ε4＞0，海底电缆在锤形探测器右侧；
当ε3·ε4＜0，海底电缆在锤形探测器左侧。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115144910A (zh) * | 2022-09-01 | 2022-10-04 | 青岛鼎信通讯股份有限公司 | 一种应用于电力领域的管线探测仪接收机 |
| CN115201923A (zh) * | 2022-09-15 | 2022-10-18 | 青岛鼎信通讯股份有限公司 | 一种应用于电力领域的地缆定向与埋深检测方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09329668A (ja) * | 1996-06-06 | 1997-12-22 | Kokusai Denshin Denwa Co Ltd <Kdd> | 海底ケーブル探査システム |
| KR20150021669A (ko) * | 2013-08-21 | 2015-03-03 | 대우조선해양 주식회사 | 해저케이블 감지시스템 및 감지방법 |
| CN112558006A (zh) * | 2020-11-30 | 2021-03-26 | 华中科技大学 | 一种用于海底缆线的双三轴电磁探测及路由定位方法 |
| CN112987112A (zh) * | 2021-02-07 | 2021-06-18 | 国网福建省电力有限公司莆田供电公司 | 基于磁感应线圈十字组合模式的海缆搜索与定位方法 |
| CN112987110A (zh) * | 2021-02-07 | 2021-06-18 | 国网福建省电力有限公司莆田供电公司 | 基于磁感应线圈爪形组合模式的海底电缆搜索与定位方法 |
-
2022
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09329668A (ja) * | 1996-06-06 | 1997-12-22 | Kokusai Denshin Denwa Co Ltd <Kdd> | 海底ケーブル探査システム |
| KR20150021669A (ko) * | 2013-08-21 | 2015-03-03 | 대우조선해양 주식회사 | 해저케이블 감지시스템 및 감지방법 |
| CN112558006A (zh) * | 2020-11-30 | 2021-03-26 | 华中科技大学 | 一种用于海底缆线的双三轴电磁探测及路由定位方法 |
| CN112987112A (zh) * | 2021-02-07 | 2021-06-18 | 国网福建省电力有限公司莆田供电公司 | 基于磁感应线圈十字组合模式的海缆搜索与定位方法 |
| CN112987110A (zh) * | 2021-02-07 | 2021-06-18 | 国网福建省电力有限公司莆田供电公司 | 基于磁感应线圈爪形组合模式的海底电缆搜索与定位方法 |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115144910A (zh) * | 2022-09-01 | 2022-10-04 | 青岛鼎信通讯股份有限公司 | 一种应用于电力领域的管线探测仪接收机 |
| CN115144910B (zh) * | 2022-09-01 | 2022-11-25 | 青岛鼎信通讯股份有限公司 | 一种应用于电力领域的管线探测仪接收机 |
| CN115201923A (zh) * | 2022-09-15 | 2022-10-18 | 青岛鼎信通讯股份有限公司 | 一种应用于电力领域的地缆定向与埋深检测方法 |
| CN115201923B (zh) * | 2022-09-15 | 2022-12-16 | 青岛鼎信通讯股份有限公司 | 一种应用于电力领域的地缆定向与埋深检测方法 |
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