CN115755061A - 一种基于光纤光栅水听器的海缆安全监测方法 - Google Patents

一种基于光纤光栅水听器的海缆安全监测方法 Download PDF

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王剑钊
刘溟江
任鑫
张宇
赵鹏程
钱开荣
童彤
唐程
王�华
孙捷
王恩民
施俊佼
杜静宇
张颖
陈翼帆
洪伟
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Huaneng Rudong Baxianjiao Offshore Wind Power Co ltd
Huaneng Clean Energy Research Institute
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Huaneng International Power Jiangsu Energy Development Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种基于光纤光栅水听器的海缆安全监测方法及系统，属于海缆监测技术领域。通过在海缆中嵌入串联在光纤上的光纤光栅水听器，组成水听器基阵，通过该水听器基阵来监测拖锚位置，结合雷达或AIS确定拖锚船只，达到提前预警的目的。本发明能够快速识别和确定有潜在风险的船只位置，提前预警，并采取规避措施，达到保护海缆安全的效果。

Description

一种基于光纤光栅水听器的海缆安全监测方法
技术领域
本发明属于海缆监测技术领域，具体涉及一种基于光纤光栅水听器的海缆安全监测方法。
背景技术
海底光缆和复合海缆敷设在极其复杂的海洋环境中，很容易受到各种外界因素的破坏，这其中，最具威胁的是当有船只在海面通过时，船体带有的拖锚对海缆可能造成的伤害。
因此为保证海缆的安全运行，安全监测就很重要，当前海缆安全监测常使用的方法，如光时域反射仪(OTDR)、马赫－曾德环监测等，都只能通过监测光纤受力应变情况来实现，而光纤受力应变则意味着海缆已经受损，造成较大的经济损失。
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基于光纤光栅水听器的海缆安全监测方法，能够快速识别和确定有潜在风险的船只位置，提前预警，并采取规避措施，达到保护海缆安全的效果。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种基于光纤光栅水听器的海缆安全监测方法，包括：
S1：在位于风险海域的海缆上按等距离d设置若干光纤光栅水听器；任意选取3个连续的光纤光栅水听器F1、F2和F3；
S2：测量海面船只锚链声源发出的声音信号到达光纤光栅水听器F1与光纤光栅水听器F2的时间差Δt1、到达光纤光栅水听器F2与光纤光栅水听器F3的时间差Δt2；
S3：根据S2得到的时间差Δt1和时间差Δt2，建立二维坐标系和双曲线方程，求解海面船只锚链声源距离海缆的直线距离；
S4：根据S3得到的海面船只锚链声源距离海缆的直线距离，确定海面船只锚链声源在双曲线上的具体位置，对进入安全监测区域的船只进行警告或驱离。
优选地，距离d为200～800m。
优选地，若干光纤光栅水听器串联嵌设在海缆上，形成水听器基阵。
优选地，S3中，建立二维坐标系是以海缆为x轴、以F1与F2的中点、F2与F3的中点为原点、且垂直于海缆方向为y轴，分别建立二维坐标系。
进一步优选地，海面船只锚链声源位于两条双曲线的交汇点上，第一双曲线的实轴为2a1＝c0·Δt1，c0为海水声传播速度，焦距为2c1＝d，坐标原点为F1与F2的中点；第二双曲线的实轴为2a2＝c0·Δt2，焦距为2c2＝d，坐标原点为F2与F3的中点。
进一步优选地，求解海面船只锚链声源距离海缆的直线距离具体为：
建立第一双曲线的方程，计算得到海面船只锚链声源距离海缆的直线距离y1：
Figure BDA0003957537180000021
Figure BDA0003957537180000022
建立第二双曲线的方程，计算得到海面船只锚链声源距离海缆的直线距离y2：
Figure BDA0003957537180000023
Figure BDA0003957537180000024
由于海面船只锚链声源的位置与海缆的距离在短时间内不变，因此y1＝y2，所以有：
Figure BDA0003957537180000031
将x2＝x1-d代入式(3)，得到：
Figure BDA0003957537180000032
求解式(4)得到x1，将x1代入式(1)，计算得到海面船只锚链声源距离海缆的直线距离y1。
进一步优选地，式(4)的求解方法具体为：
设：
Figure BDA0003957537180000033
其中：
Figure BDA0003957537180000034
且有：a1＝(c0×Δt1)/2，a2＝(c0×Δt2)/2
则计算得到：
Figure BDA0003957537180000035
优选地，S4具体为：测量声音信号到达光纤光栅水听器F1和F2时间的先后顺序，判断海面船只锚链声源处于海缆的近端或远端；通过船只定位信息，判断海面船只锚链声源来自海缆的哪一侧。
进一步优选地，所述船只定位信息来自岸上雷达或AIS。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
当前海上风力发电建设越来越多，海底传输电力的海缆敷设和应用的公里数越来越长，而海面上有繁忙航行和停泊的船只，其所带的船锚对海底海缆危害风险较大。本发明公开的基于光纤光栅水听器的海缆安全监测方法，通过在海缆中嵌入串联在光纤上的光纤光栅水听器，组成水听器基阵，通过该水听器基阵来监测拖锚位置，结合岸上雷达或AIS(船舶自动识别系统)确定拖锚船只，达到提前预警的目的。采用的光纤光栅水听器灵敏度很高，能探测到极小的声压信号，其中有源光纤光栅水听器信号的传输距离可达50KM左右，相较于其它水听器，例如压电陶瓷水听器，具有体积小、传输距离长、损耗小等优点，能满足长距离监测海缆的要求。
在海面船只锚链声源的确定方面，根据双曲线的定义，双曲线是与两个固定点(焦点)距离差为定值的点的集合轨迹。这里，在海缆中嵌入三个等距离间隔的光纤光栅水听器F1、F2、F3，对于锚链声源、F1、F2这三点来说，锚链声源就处在至F1、F2两个焦点等距离差的双曲线轨迹线上，同样，锚链声源也处在至F2、F3两个焦点等距离差的另一条双曲线轨迹线上，通过确定两条双曲线的相交点即可定位锚链声源位置。本发明能够快速识别和确定有潜在风险的船只位置，提前预警，并采取规避措施，达到保护海缆安全的效果。
进一步地，在建立二维坐标系时，由于水深较浅，可以近似认为海面船只锚链声源与水听器的直线距离等于海面船只锚链声源与水听器的水平距离，也就是前述二维坐标系平行于海平面。
附图说明
图1为本发明的原理示意图；
图2为以O1为坐标原点的声源位置图；
图3为以O2为坐标原点的声源位置图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明的基于光纤光栅水听器的海缆安全监测方法，包括以下步骤：
步骤1：沿着有船只拖锚危害风险的海域的海缆上等距离设置n个光纤光栅水听器，选取其中任意3个有等距离间隔的水听器，分别设置为F1、F2、F3，相邻2个水听器沿海缆方向的直线距离d，锚链声源在G位置(参考图1)；
步骤2：获取海水声传播速度c0；
步骤3：测量船只(锚链)声源G发出的声音信号到达水听器F1和F2的时间差为Δt1，到达水听器F2和F3的时间差为Δt2；
步骤4：水听器之间的距离F1F2＝F2F3＝d，声源G的位置在焦点为F1、F2，实轴为2a1＝c0·Δt1，焦距为2c1＝d，坐标原点是O1的双曲线上(图2)，同时声源G的位置也在焦点为F2、F3，实轴为2a2＝c0·Δt2，焦距为2c2＝d，坐标原点是O2的双曲线上(图3)，也就是声源G的位置在两条双曲线的交汇点上；
步骤5：以线段F1F2的中点O1为坐标原点、直线F1F2F3方向为x轴，建立双曲线方程，可计算得y1(图2)：
Figure BDA0003957537180000051
步骤6：以线段F2F3的中点O2为坐标原点、直线F1F2F3方向为x轴，建立双曲线方程，计算得y2(图3)：
Figure BDA0003957537180000052
步骤7：声源G的位置离海缆距离短时间内是固定的，也就是y1＝y2，也即：
Figure BDA0003957537180000053
步骤8：将x2＝x1-d带入步骤7中的公式(3)中，得结果如下：
Figure BDA0003957537180000054
设：
Figure BDA0003957537180000055
其中：
Figure BDA0003957537180000056
且根据步骤4：a1＝(c0×Δt1)/2，a2＝(c0×Δt2)/2
则可以计算出x1具体数值(图2)：
Figure BDA0003957537180000057
步骤9：把步骤8计算结果x1带入到步骤5中(1)式中，可以计算出声源G(G’)或者K(K’)点距离海缆直线距离y1；
步骤10：根据步骤9计算结果判断声源在G(G’)或者K(K’)位置，测量声波到达光纤光栅水听器F1和F2位置时间的的先后顺序，也即测量Δt1时间的正负，即可确定声源离海缆是在近距离的位置还是在远距离的位置，当Δt1为正时，声源在G(G’)位置，是近距离位置；当Δt1为负时，声源在K(K’)位置，是远距离位置(图2)；
步骤11：通过雷达或AIS(船舶自动识别系统)判断声源来自海缆的左边或右边，顺着x轴方向，当在左边时，船只位置是在G点或者K点；当在右边时，船只位置是在G’点或者K’；
步骤12：通过步骤9、步骤10、步骤11，就可以最终确定有危害风险的船只处于G，G’，K，K’四个地点之一，提前警告或者驱离。
需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式的一部分，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 (9)

1.一种基于光纤光栅水听器的海缆安全监测方法，其特征在于，包括：
S1：在位于风险海域的海缆上按等距离d设置若干光纤光栅水听器；任意选取3个连续的光纤光栅水听器F1、F2和F3；
S2：测量海面船只锚链声源发出的声音信号到达光纤光栅水听器F1与光纤光栅水听器F2的时间差Δt1、到达光纤光栅水听器F2与光纤光栅水听器F3的时间差Δt2；
S3：根据S2得到的时间差Δt1和时间差Δt2，建立二维坐标系和双曲线方程，求解海面船只锚链声源距离海缆的直线距离；
S4：根据S3得到的海面船只锚链声源距离海缆的直线距离，确定海面船只锚链声源在双曲线上的具体位置，对进入安全监测区域的船只进行警告或驱离。
2.如权利要求1所述的基于光纤光栅水听器的海缆安全监测方法，其特征在于，距离d为200～800m。
3.如权利要求1所述的基于光纤光栅水听器的海缆安全监测方法，其特征在于，若干光纤光栅水听器串联嵌设在海缆上，形成水听器基阵。
4.如权利要求1所述的基于光纤光栅水听器的海缆安全监测方法，其特征在于，S3中，建立二维坐标系是以海缆为x轴、以F1与F2的中点、F2与F3的中点为原点、且垂直于海缆方向为y轴，分别建立二维坐标系。
5.如权利要求4所述的基于光纤光栅水听器的海缆安全监测方法，其特征在于，海面船只锚链声源位于两条双曲线的交汇点上，第一双曲线的实轴为2a1＝c0·Δt1，c0为海水声传播速度，焦距为2c1＝d，坐标原点为F1与F2的中点；第二双曲线的实轴为2a2＝c0·Δt2，焦距为2c2＝d，坐标原点为F2与F3的中点。
6.如权利要求5所述的基于光纤光栅水听器的海缆安全监测方法，其特征在于，求解海面船只锚链声源距离海缆的直线距离具体为：
建立第一双曲线的方程，计算得到海面船只锚链声源距离海缆的直线距离y1：
Figure FDA0003957537170000021
Figure FDA0003957537170000022
建立第二双曲线的方程，计算得到海面船只锚链声源距离海缆的直线距离y2：
Figure FDA0003957537170000023
Figure FDA0003957537170000024
由于海面船只锚链声源的位置与海缆的距离在短时间内不变，因此y1＝y2，所以有：
Figure FDA0003957537170000025
将x2＝x1-d代入式(3)，得到：
Figure FDA0003957537170000026
求解式(4)得到x1，将x1代入式(1)，计算得到海面船只锚链声源距离海缆的直线距离y1。
7.如权利要求6所述的基于光纤光栅水听器的海缆安全监测方法，其特征在于，式(4)的求解方法具体为：
设：
Figure FDA0003957537170000027
其中：
Figure FDA0003957537170000028
且有：a1＝(c0×Δt1)/2，a2＝(c0×Δt2)/2
则计算得到：
Figure FDA0003957537170000031
8.如权利要求1所述的基于光纤光栅水听器的海缆安全监测方法，其特征在于，S4具体为：测量声音信号到达光纤光栅水听器F1和F2时间的先后顺序，判断海面船只锚链声源处于海缆的近端或远端；通过船只定位信息，判断海面船只锚链声源来自海缆的哪一侧。
9.如权利要求8所述的基于光纤光栅水听器的海缆安全监测方法，其特征在于，所述船只定位信息来自岸上雷达或AIS。
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